专利名称：一种低功耗逐次逼近型模数转换器及其转换方法
技术领域：
本发明属于集成电路技术领域，特别涉及一种逐次逼近型模数转换器及其转换方法。
背景技术：
逐次逼近型模数转换器是一种中高精度、中等速率、超低功耗的模数转换器结构。对于无线传感网、便携式设备等应用来说，模数转换器被要求能够工作在低电源电压下。然而随着电源电压的降低，电路的增益受到了限制，而逐次逼近型模数转换器的结构只包括比较器、数模转换器和逐次逼近寄存器，不需要提供增益的电路。数字电路的功耗会随着工艺尺寸缩减比例不断减小，而模拟电路的功耗很难随着工艺的进步而同步减小。电容型逐次逼近型模数转换器在高分辨率情况下，需要使用大电容，不仅充放电功耗大，而且制作大电容浪费芯片面积，经济效益不高。
发明内容
发明目的:提出一种低功耗逐次逼近型模数转换器及其转换方法，在同等精度的情况下，电容值较传统方案减少75%，减小功耗。技术方案:一种低功耗逐次逼近型模数转换器，包括比较器和开关电容网络；所述开关电容网络包括连接所述比较器正相输入端的正相电容网络和连接所述比较器反相输入端的反相电容网络；所述正相电容网络和反相电容网络分别包括比模数转换器输出的二进制编码位数N少一个的N-1个电容。其中，所述正相电容网络的电容上极板分别通过开关选择连接正相输入电压Vin、共模电平Vcm、低电平VL、高电平VH;所述正相电容网络的电容下极板耦合在一起连接到所述比较器的正相输入端并 通过正相开关连接共模电平Vcm;所述反相电容网络的电容上极板分别通过开关选择连接反相输入电压Vip、共模电平Vcm、低电平VL、高电平VH ；所述反相电容网络的电容下极板耦合在一起连接到所述比较器的反相输入端并通过反相开连接共模电平Vcm。其中，所述正相电容网络的第一电容C1电容值为C，第二至第N-1个电容的电容值为Ci = 其中，i为2彡i彡N-1的自然数；所述反相电容网络的第一电容C1电容值为C，第二至第N-1个电容的电容值为Ci = 21，其中，i为2彡i彡N-1的自然数。一种基于上述低功耗逐次逼近型模数转换器的模数转换方法，其特征在于:其转换过程包括如下步骤:采样阶段:开关电容网络中所有电容的下极板连接共模电平Vcm，与比较器正相输入端连接的正相电容网络所有电容的上极板连接正相输入电压Vin;与比较器反相输入端连接的反相电容网络所有电容的上极板连接反相输入电压Vip ；AD转换周期:
首先，开关电容网络所有电容的下极板断开与共模电平Vcm的连接；与比较器正相输入端连接的正相电容网络所有电容的上极板连接共模电平Vcm ;与比较器反相输入端连接的反相电容网络所有电容的上极板连接共模电平Vcm ;开关电容网络进行电荷重分布后；比较器比较正相输入端电压Vxp和反相输入端电压Vxn大小并输出结果到控制电路；若Vxp > Vxn，即Vip-Vin > O，则控制电路将二进制编码最高位置I，若Vxp小于Vxn，即Vip-Vin
<0，则控制电路将二进制编码最高位置O ;根据比较器输出的信号值，由控制电路分别控制正相电容网络和反相电容网络的最高位电容开关接低电平VL或高电平VH或保持开关不动作，开关电容网络开始电荷重分布；当开关电容网络电荷重分布完成后，比较器比较正相输入端电压Vxp和反相输入端电压Vxn大小后输出信号至控制电路，控制电路将二进制编码次高位置I或置O ;依次逐次比较下去，直到二进制码最低位置I或置O后，该二进制码写入控制电路寄存器中，完成模数转换。有益效果:本发明中的开关电容网络包括比输出二进制编码数量少一个的电容对，通过对开关的时序全新安排及在比较过程中引入共模电平Vcm，省去了传统逐次逼近型模数转换器开关电容网络中的补偿电容，达到了 N-1个电容对实现分辨率为N位的效果，通过较传统逐次逼近型模数转换器少了最高位和次高位两个电容对，整个总电容也降低75 %。随着电容的减小，充放电电流也相应减小，从而降低了整体功耗，并且也减少了芯片面积，提高了经济效益。转换过程中，比较器输入端的共模电压变化量与传统结构相比，仅
为4匕f，其中N为模数转换器位数，Vref = VH-VL，共模抖动非常小。
图1为本发明低功耗逐次逼近型模数转换器的电路结构图；图2为本发明低功耗逐次逼近型模数转换器前三次开关转换工作原理图；图3为本发明低功耗逐次逼近型模数转换器在输入信号范围[VMf，VMf/2]的第四次开关转换工作原理图；图4为本发明低功耗逐次逼近型模数转换器在输入信号范围[VMf/2，0]的第四次开关转换工作原理图；图5为本发明低功耗逐次逼近型模数转换器在输入信号范围
的第四次开关转换工作原理图；图6为本发明低功耗逐次逼近型模数转换器在输入信号范围[_VMf/2，_VMf]的第四次开关转换工作原理图；图7为本发明低功耗逐次逼近型模数转换器的工作时序图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做更进一步的解释。如图1所示，本实施例为一个4位输出的低功耗逐次逼近型模数转换器包括控制电路、比较器和开关电容网络。其中开关电容网络包括连接到比较器正相输入端的正相电容网络，以及连接到比较器反相输入端的反相电容网络。在正相电容网络中，有比输出二进制编码位数少一个数的电容，本例为4位输出B4B3B2B1，即有3个电容，从最低位至最高位依次为第一电容Cl至第三电容C3。第一电容Cl至第三电容C3的公共端共同连接到比较器的正相输入 端，并可通过开关Kp连接到共模电平Vcm，另一端分别通过第一开关Kl至第三开关K3可选择的连接输入信号Vin、低电平VL、高电平VH或共模电平Vcm。第一电容Cl电容值为C，其他电容的电容值为Ci = 2^0, (i = 2，3)。所有的开关均由控制电路输出的脉冲信号控制。在反相电容网络中，有与正相网络相同数目的电容，从最低位至最高位依次为第四电容C12、第五电容C22、第六电容C32。第四电容C12、第五电容C22、第六电容C32的公共端共同连接到比较器的反相输入端，并可通过开关Kn连接到共模电平Vcm，另一端分别通过第四开关K12、第五开关K22、第六开关K32、可选择的连接输入信号Vip、低电平VL、高电平VH或共模电平Vcm。第四电容C12电容值为C，其他电容的电容值为Ci2 = 2^0, (i=2,3) ο反相网络结构与正相网络结构相同。如图2(A)所示，采样阶段，在正相网络中开关Kp在控制电路的驱动下闭合，第一电容Cl至第三电容C3的公共端接共模电平Vcm，同时第一开关Kl至第三开关K3在控制电路驱动下闭合，接输入信号Vin，给正相网络的电容充电；在反相网络中开关Kn在控制电路的驱动下闭合，第四电容C12、第五电容C22、第六电容C32的公共端接共模电平Vcm，同时第四开关K12、第五开关K22、第六开关K32在控制电路驱动下闭合，接输入信号Vip，给反相网络的电容充电。此时所储存的电荷量正相网络中为:QP = (Vcm-Vin) X4C ;反相网络中为:Qn=(Vcffl-Vip) X4C。如图2 (B)所示，在比较阶段，正相开关Kp和反相开关Kn均断开，同时正相网络中第一开关Kl至第三开关K3和反相网络中第四开关K12、第五开关K22、第六开关K32在控制电路驱动下接共模电平Vcm，正相网络和反相网络中电荷量保持不变，电荷进行重分配，即 Qxp = Qp > Qxn = Qn，有:Qxp= (Vxp-Vcffl) X4C = QpQxn= (Vxn-Vcffl) X4C = Qn记=Vh -Vl, Vcm = V11W1)，则 Vxp = 2V -Vin、Vxn = 2 Vcm-Vip0此时比较器将正相输入端电压Vxp和反相输入端电压Vxn进行比较，并将结果输出到控制电路。如果正相输入端电压Vxp大于反相输入端电压Vxn，即Vip-Vin > 0，则将二进制编码最高位B4置为I ;如果正相输入端电压Vxp小于反相输入端电压Vxn,即Vip-Vin
<O,则将二进制编码最高位B4置为O。(I)对于B4为I的情况:当最高位B4置为I时，控制电路根据比较器的输出结果产生相应的控制信号，使正相网络中的第三电容C3的一端通过第三开关K3连接至低电平VL，反相网络中的第六电容032的一端通过第六开关1(32连接至高电平￥!1，如图2((:1)所示。此时由于电压的变化，正相网络和反相网络中电容上的电荷会发生重分配，从而导致比较器正相输入端电压Vxp和反相输入端电压Vxn发生变化。根据电荷守恒原理，采样阶段所储存的电荷量应当保持不变，从而得到以下等式:Qxp = (Vxp-Vl) X 2C+ (Vxp-Vcffl) X 2C = Qp
权利要求
1.一种低功耗逐次逼近型模数转换器，包括比较器和开关电容网络；所述开关电容网络包括连接所述比较器正相输入端的正相电容网络和连接所述比较器反相输入端的反相电容网络；其特征在于:所述正相电容网络和反相电容网络分别包括比模数转换器输出的二进制编码位数N少一个的N-1个电容。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗逐次逼近型模数转换器，其特征在于:所述正相电容网络的电容上极板分别通过开关选择连接正相输入电压Vin、共模电平Vcm、低电平VL、高电平VH ;所述正相电容网络的电容下极板耦合在一起连接到所述比较器的正相输入端并通过正相开关连接共模电平Vcm ;所述反相电容网络的电容上极板分别通过开关选择连接反相输入电压Vip、共模电平Vcm、低电平VL、高电平VH ;所述反相电容网络的电容下极板耦合在一起连接到所述比较器的反相输入端并通过反相开连接共模电平Vcm。
3.根据权利要求2所述的一种低功耗逐次逼近型模数转换器，其特征在于:所述正相电容网络的第一电容C1电容值为C，第二至第N-1个电容的电容值为Ci = 其中，i为2彡i彡N-1的自然数；所述反相电容网络的第一电容C1电容值为C，第二至第N-1个电容的电容值为Ci = 21，其中，i为2彡i彡N-1的自然数。
4.一种基于上述低功耗逐次逼近型模数转换器的模数转换方法，其特征在于:其转换过程包括如下步骤: 采样阶段: 开关电容网络中所有电容的下极板连接共模电平Vcm，与比较器正相输入端连接的正相电容网络所有电容的上极板连接正相输入电压Vin;与比较器反相输入端连接的反相电容网络所有电容的上极板连接反相端输入电压Vip ； AD转换周期: 首先，开关电容网络所有电容的下极板断开与共模电平Vcm的连接；与比较器正相输入端连接的正相电容网络所有电容的上极板连接共模电平Vcm ;与比较器反相输入端连接的反相电容网络所有电容的上极板连接共模电平Vcm ;开关电容网络进行电荷重分布后；比较器比较正相输入端电压Vxp和反相输入端电压Vxn大小并输出结果到控制电路；若Vxp > Vxn,即Vip-Vin > O，则控制电路将二进制编码最高位置1，若Vxp小于Vxn，即Vip-Vin<O，则控制电路将二进制编码最高位置O ; 根据比较器输出的信号值，由控制电路分别控制正相电容网络和反相电容网络的最高位电容开关接低电平VL或高电平VH或保持开关不动作，开关电容网络开始电荷重分布； 当开关电容网络电荷重分布完成后，比较器比较正相输入端电压Vxp和反相输入端电压Vxn大小后输出信号至控制电路，控制电路将二进制编码次高位置I或置O ; 依次逐次比较下去，直到二进制码最低位置I或置O后，该二进制码写入控制电路寄存器中，完成模数转换。
全文摘要
本发明公开了一种低功耗逐次逼近型模数转换器及其转换方法，其开关电容网络包括比输出二进制编码数量少一个的电容对，通过对开关的时序全新安排及在比较过程中引入共模电平Vcm，省去了传统逐次逼近型模数转换器开关电容网络中的补偿电容，达到了N-1个电容对实现分辨率为N位的效果，通过较传统逐次逼近型模数转换器少了最高位和次高位两个电容对，整个总电容也降低75％。随着电容的减小，充放电电流也相应减小，从而降低了整体功耗，并且也减少了芯片面积，提高了经济效益。转换过程中，比较器输入端的共模电压变化量与传统结构相比，仅为共模抖动非常小。
文档编号H03M1/38GK103166644SQ20131012639
公开日2013年6月19日 申请日期2013年4月11日 优先权日2013年4月11日
发明者吴建辉, 汤旭婷, 王海冬, 李红, 张理振 申请人:东南大学