一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器的制作方法

本发明属于数模混合集成电路设计领域，具体涉及一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器。

背景技术：

逐次逼近型模数转换器(saradc，successiveapproximationregisteranalogtodigital)，是在每一次转换过程中，通过遍历所有的量化值并将其转化为模拟值，将输入信号与其逐一比较，最终得到要输出的数字信号。由于逐次逼近型模数转换器的结构简单，功耗低等优点，因此，逐次逼近型模数转换器在可穿戴设备和医疗器械等低功耗需求领域被广泛采用。

目前，以电荷再分配为基础的电容阵列广泛应用于saradc中，因为它们不仅可以避免消耗静态电流，而且可以提供高精度，并且与现代cmos工艺兼容。随着工艺的发展，晶体管电路所消耗的功耗越来越低，相比之下，电容阵列的采样和切换却成为了逐次逼近型模数转换器功耗的主要来源之一，传统的逐次逼近型模数转换器会产生较大的功耗，而且使用的电容数量也过于多，会占用很大的芯片面积，而近些年对逐次逼近型模数转换器的采样电容阵列的绝大部分研究也仅仅是针对低功耗，电容数量较多，导致芯片的成本增大等问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器，包括：比较器、第一控制逻辑单元、第二控制逻辑单元、自举开关k1、自举开关k2、第一电容组、第二电容组、第三电容组、第四电容组和参考电压端；其中，

所述第一电容组分别连接所述比较器的正向输入端和所述参考电压端；

所述第二电容组连接所述比较器的正向输入端或所述参考电压端；

所述第三电容组分别连接所述比较器的反向输入端和所述参考电压端；

所述第四电容组连接所述比较器的反向输入端或所述参考电压端；

所述自举开关k1连接所述比较器的正向输入端；

所述自举开关k2连接所述比较器的反响输入端；

所述比较器的输出端分别连接所述第一控制逻辑单元和所述第二控制逻辑单元；

所述第一逻辑控制单元分别连接所述自举开关k1、所述第一电容组和所述第二电容组；

所述第二逻辑控制单元分别连接所述自举开关k2、所述第三电容组和所述第四电容组。

在本发明的一个实施例中，所述第一电容组包括第一电容阵列和第一开关组；

所述第一电容阵列的上极板连接所述比较器的正向输入端；

所述第一电容阵列的下极板通过所述第一开关组连接所述参考电压端；

所述第二电容组包括第二电容阵列和第二开关组；

所述第二电容阵列的上极板相互连接；

所述第二电容阵列的下极板通过所述第二开关组连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

所述第三电容组包括第三电容阵列和第三开关组；

所述第三电容阵列的上极板连接所述比较器的反向输入端；

所述第三电容阵列的下极板通过所述第三开关组连接所述参考电压端；

所述第四电容组包括第四电容阵列和第四开关组；

所述第四电容阵列的上极板相互连接；

所述第四电容阵列的下极板通过所述第四开关组连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

在本发明的一个实施例中，所述第一电容阵列包括：电容c10、电容c11、电容c12、电容c13和电容单元c14；

所述第一开关组包括：开关k10、开关k11、开关k12、开关k13和开关单元k14；其中，

所述电容c11、所述电容c12和所述电容c13为二进制结构电容，所述电容c10为冗余电容；

所述电容c1i的上极板连接所述比较器的正向输入端，所述电容c1i的下极板通过所述开关k1i连接所述参考电压端，i为小于等于3的自然数；

所述电容单元c14上极板连接所述比较器的正向输入端；

所述电容单元c14下极板通过所述开关单元k14连接所述参考电压端。

在本发明的一个实施例中，所述电容单元c14包括：电容c141、电容c142、电容c143和电容c144；

所述开关单元k14包括：开关k141、开关k142、开关k143和开关k144；其中，

所述电容c14j的上极板连接所述比较器的正向输入端，所述电容c14j的下极板通过所述开关k14j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数。

在本发明的一个实施例中，所述第二电容阵列包括：电容c20、电容c21、电容c22、电容c23和电容单元c24；

所述第二开关组包括：开关k20、开关k21、开关k22、开关k23和开关单元k24；其中，

所述电容c21、所述电容c22和所述电容c23为二进制结构电容，所述电容c20为桥接电容；

所述电容c20、所述电容c21、所述电容c22、所述电容c23和所述电容单元c24的上极板相互连接；

所述电容c21、所述电容c22、所述电容c23和所述电容单元c24的下极板分别依次通过所述开关k21、所述开关k22、所述开关k23和所述开关单元k24连接所述参考电压端；

所述电容c20下极板通过所述开关k20连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

在本发明的一个实施例中，所述电容单元c24包括：电容c241、电容c242、电容c243和电容c244；

所述开关单元k24包括：开关k241、开关k242、开关k243和开关k244；其中，

所述电容c24j的上极板相互连接，所述电容c24j的下极板通过所述开关k24j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数。

在本发明的一个实施例中，所述第三电容阵列包括：电容c30、电容c31、电容c32、电容c33和电容单元c34；

所述第三开关组包括：开关k30、开关k31、开关k32开关k33和开关单元k34；其中，

所述电容c31、所述电容c32和所述电容c33为二进制结构电容，所述电容c30为冗余电容；

所述电容c3i的上极板连接所述比较器的反向输入端，所述电容c3i的下极板通过所述开关k3i连接所述参考电压端，i为小于等于3的自然数；

所述电容单元c34上极板连接所述比较器的反向输入端；

所述电容单元c34下极板通过所述开关单元k34连接所述参考电压端。

在本发明的一个实施例中，所述电容单元c34包括：电容c341、电容c342、电容c343和电容c344；

所述开关单元k34包括：开关k341、开关k342、开关k343和开关k344；其中，

所述电容c34j的上极板连接所述比较器的反向输入端，所述电容c34j的下极板通过所述开关k34j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数。

在本发明的一个实施例中，所述第四电容阵列包括：电容c40、电容c41、电容c42、电容c43和电容单元c44；

所述第四开关组包括：开关k40、开关k41、开关k42、开关k43和开关单元k44；其中，

所述电容c41、所述电容c42和所述电容c43为二进制结构电容，所述电容c40为桥接电容；

所述电容c40、所述电容c41、所述电容c42、所述电容c43和所述电容单元c44的上极板相互连接；

所述电容c41、所述电容c42、所述电容c43和所述电容单元c44的下极板分别依次通过所述开关k41、所述开关k42、所述开关k43和所述开关单元k44连接所述参考电压端；

所述电容c40下极板通过所述开关k40连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

在本发明的一个实施例中，所述电容单元c44包括：电容c441、电容c442、电容c443和电容c444；

所述开关单元k44包括：开关k441、开关k442、开关k443和开关k444；其中，

所述电容c44j的上极板相互连接，所述电容c44j的下极板通过所述开关k44j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的基于电荷再分配的超低功耗saradc，通过将第二电容阵列和第四电容阵列在第一次切换完成后接入比较器两端，使得第一次切换过程不产生任何功耗，并且使电压完成再分配，完成其余位数的切换过程，减小了功耗。本发明采用二进制结构电容，且桥接电容为单位电容，避免了桥接电容为分数电容时的问题，很大程度上降低功耗。以电源电压vref，共模电压vcm和地电压gnd三种电位所实现开关时序，从而进一步降低电容数量，提高了精度，实现了相对于传统时序99％以上的时序功耗缩减。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器的结构示意图；

图2为本发明提供的第一阶段vip>vin时的开关时序电路原理示意图；

图3为本发明提供的第二阶段第二位为1时的开关时序电路原理示意图；

图4为图3中的b部分原理示意图；

图5为图3中的c部分原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1至图5，图1为本发明提供的一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器的结构示意图；图2为本发明提供的第一阶段vip>vin时的开关时序电路原理示意图；图3为本发明提供的第二阶段第二位为1时的开关时序电路原理示意图；图4为图3中的b部分原理示意图；图5为图3中的c部分原理示意图。本发明提供了一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器，如图1所示，包括：比较器、第一控制逻辑单元、第二控制逻辑单元、自举开关k1、自举开关k2、第一电容组、第二电容组、第三电容组、第四电容组和参考电压端；其中，

所述第一电容组分别连接所述比较器的正向输入端和所述参考电压端；

所述第二电容组连接所述比较器的正向输入端或所述参考电压端；

所述第三电容组分别连接所述比较器的反向输入端和所述参考电压端；

所述第四电容组连接所述比较器的反向输入端或所述参考电压端；

所述自举开关k1连接所述比较器的正向输入端；

所述自举开关k2连接所述比较器的反响输入端；

所述比较器的输出端分别连接所述第一控制逻辑单元和所述第二控制逻辑单元；

所述第一逻辑控制单元分别连接所述自举开关k1、所述第一电容组和所述第二电容组；

所述第二逻辑控制单元分别连接所述自举开关k2、所述第三电容组和所述第四电容组。

进一步地，所述参考电压端包括：电源电压vref、共模电压vcm和地电压gnd。

具体地，采样信号vip通过自举开关k1输入该saradc，采样信息号vin通过自举开关k2输入该saradc。第一控制逻辑单元控制自举开关k1的关断和导通，第二控制逻辑单元控制自举开关k2的打开和导通，从而控制采样信号vip和vin的输入。

进一步地，所述第一电容组包括第一电容阵列和第一开关组；

所述第一电容阵列的上极板连接所述比较器的正向输入端；

所述第一电容阵列的下极板通过所述第一开关组连接所述参考电压端；

所述第二电容组包括第二电容阵列和第二开关组；

所述第二电容阵列的上极板相互连接；

所述第二电容阵列的下极板通过所述第二开关组连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

所述第三电容组包括第三电容阵列和第三开关组；

所述第三电容阵列的上极板连接所述比较器的反向输入端；

所述第三电容阵列的下极板通过所述第三开关组连接所述参考电压端；

所述第四电容组包括第四电容阵列和第四开关组；

所述第四电容阵列的上极板相互连接；

所述第四电容阵列的下极板通过所述第四开关组连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

进一步地，第一控制逻辑单元用于控制第一开关组、第二开关组、第三开关组和第四开关组的打开和导通。

进一步地，所述第一电容阵列包括：电容c10、电容c11、电容c12、电容c13和电容单元c14；

所述第一开关组包括：开关k10、开关k11、开关k12、开关k13和开关单元k14；其中，

所述电容c11、所述电容c12和所述电容c13为二进制结构电容，所述电容c10为冗余电容；

所述电容c1i的上极板连接所述比较器的正向输入端，所述电容c1i的下极板通过所述开关k1i连接所述参考电压端，i为小于等于3的自然数，即电容c10、电容c11、电容c12、电容c13的上极板连接比较器的正向输入端，电容c10通过开关k10连接参考电压端，电容c11通过开关k11连接的参考电压端，电容c12通过开关k12连接参考电压端，电容c13通过开关k13连接参考电压端；

所述电容单元c14上极板连接所述比较器的正向输入端；

所述电容单元c14下极板通过所述开关单元k14连接所述参考电压端。

进一步地，所述电容单元c14包括：电容c141、电容c142、电容c143和电容c144；

所述开关单元k14包括：开关k141、开关k142、开关k143和开关k144；其中，

所述电容c14j的上极板连接所述比较器的正向输入端，所述电容c14j的下极板通过所述开关k14j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数，即电容c141、电容c142、电容c143和电容c144分别依次通过开关k141、开关k142、开关k143和开关k144连接至参考电压端。

具体地，电容c10为单位电容，容值为c。电容单元c14的容值为第一电容阵列其余电容的容值总和，即电容c10、电容c11、电容c12、电容c13的容值的和等于电容单元c14的容值；其中，电容c10、电容c11、电容c12、电容c13和电容单元c14的容值分别为：c、c、2c、4c、8c。

具体地，最高位的电容单元c14采用拆分最高位电容的办法，将最高位的电容单元c14拆分成为与第一电容阵列剩余电容一致的结构。即将电容单元c14拆分为电容c141、电容c142、电容c143和电容c144，且结构与电容c10、电容c11、电容c12、电容c13的结构一致；优选的，电容c141、电容c142、电容c143和电容c144的容值分别为c、c、2c、4c。

进一步地，所述第二电容阵列包括：电容c20、电容c21、电容c22、电容c23和电容单元c24；

所述第二开关组包括：开关k20、开关k21、开关k22、开关k23和开关单元k24；其中，

所述电容c21、所述电容c22和所述电容c23为二进制结构电容，所述电容c20为桥接电容；

所述电容c20、所述电容c21、所述电容c22、所述电容c23和所述电容单元c24的上极板相互连接；

所述电容c21、所述电容c22、所述电容c23和所述电容单元c24的下极板分别依次通过所述开关k21、所述开关k22、所述开关k23和所述开关单元k24连接所述参考电压端；

所述电容c20下极板通过所述开关k20连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

具体地，第二电容阵列通过桥接电容c20的下极板连接到比较器上。

进一步地，所述电容单元c24包括：电容c241、电容c242、电容c243和电容c244；

所述开关单元k24包括：开关k241、开关k242、开关k243和开关k244；其中，

所述电容c24j的上极板相互连接，所述电容c24j的下极板通过所述开关k24j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数，即电容c241、电容c242、电容c243和电容c244分别依次通过开关k241、开关k242、开关k243和开关k244连接至参考电压端。

具体地，电容c20为单位电容，容值为c。电容单元c24的容值为第二电容阵列其余电容容值总和，即电容c20、电容c21、电容c22、电容c23的容值的和等于电容单元c24的容值；其中，电容c20、电容c21、电容c22、电容c23和电容单元c24的容值分别为：c、c、2c、4c、8c。

具体地，最高位的电容单元c24采用拆分最高位电容的办法，将最高位的电容单元c24拆分成为与第二电容阵列剩余电容一致的结构。即将电容单元c24拆分为电容c241、电容c242、电容c243和电容c244，且结构与电容c20、电容c21、电容c22、电容c23的结构一致；优选的，电容c241、电容c242、电容c243和电容c244的容值分别为c、c、2c、4c。

进一步地，所述第三电容阵列包括：电容c30、电容c31、电容c32、电容c33和电容单元c34；

所述第三开关组包括：开关k30、开关k31、开关k32开关k33和开关单元k34；其中，

所述电容c31、所述电容c32和所述电容c33为二进制结构电容，所述电容c30为冗余电容；

所述电容c3i的上极板连接所述比较器的反向输入端，所述电容c3i的下极板通过所述开关k3i连接所述参考电压端，i为小于等于3的自然数，即电容c30、电容c31、电容c32、电容c33的上极板连接比较器的反向输入端，电容c30通过开关k30连接参考电压端，电容c31通过开关k31连接的参考电压端，电容c32通过开关k32连接参考电压端，电容c33通过开关k33连接参考电压端；

所述电容单元c34上极板连接所述比较器的反向输入端；

所述电容单元c34下极板通过所述开关单元k34连接所述参考电压端。

进一步地，所述电容单元c34包括：电容c341、电容c342、电容c343和电容c344；

所述开关单元k34包括：开关k341、开关k342、开关k343和开关k344；其中，

所述电容c34j的上极板连接所述比较器的反向输入端，所述电容c34j的下极板通过所述开关k34j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数，即电容c341、电容c342、电容c343和电容c344分别依次通过开关k341、开关k342、开关k343和开关k344连接至参考电压端。

具体地，电容c30为单位电容，容值为c。电容单元c34的容值为第三电容阵列其余电容的容值总和，即电容c30、电容c31、电容c32、电容c33的容值的和等于电容单元c34的容值；其中，电容c30、电容c31、电容c32、电容c33和电容单元c34的容值分别为：c、c、2c、4c、8c。

具体地，最高位的电容单元c34采用拆分最高位电容的办法，将最高位的电容单元c34拆分成为与第三电容阵列剩余电容一致的结构。即将电容单元c34拆分为电容c341、电容c342、电容c343和电容c344，且结构与电容c30、电容c31、电容c32、电容c33的结构一致；优选的，电容c341、电容c342、电容c343和电容c344的容值分别为c、c、2c、4c。

进一步地，所述第四电容阵列包括：电容c40、电容c41、电容c42、电容c43和电容单元c44；

所述第四开关组包括：开关k40、开关k41、开关k42、开关k43和开关单元k44；其中，

所述电容c41、所述电容c42和所述电容c43为二进制结构电容，所述电容c40为桥接电容；

所述电容c40、所述电容c41、所述电容c42、所述电容c43和所述电容单元c44的上极板相互连接；

所述电容c41、所述电容c42、所述电容c43和所述电容单元c44的下极板分别依次通过所述开关k41、所述开关k42、所述开关k43和所述开关单元k44连接所述参考电压端；

所述电容c40下极板通过所述开关k40连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

具体地，第四电容阵列通过桥接电容c40的下极板连接到比较器上。

进一步地，所述电容单元c44包括：电容c441、电容c442、电容c443和电容c444；

所述开关单元k44包括：开关k441、开关k442、开关k443和开关k444；其中，

所述电容c44j的上极板相互连接，所述电容c44j的下极板通过所述开关k44j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数，即电容c441、电容c442、电容c443和电容c444分别依次通过开关k441、开关k442、开关k443和开关k444连接至参考电压端。

具体地，电容c40为单位电容，容值为c。电容单元c44的容值为第二电容阵列其余电容容值总和，即电容c40、电容c41、电容c42、电容c43的容值的和等于电容单元c44的容值；其中，电容c40、电容c41、电容c42、电容c43和电容单元c44的容值分别为：c、c、2c、4c、8c。

具体地，最高位的电容单元c44采用拆分最高位电容的办法，将最高位的电容单元c44拆分成为与第四电容阵列剩余电容一致的结构。即将电容单元c44拆分为电容c441、电容c442、电容c443和电容c444，且结构与电容c40、电容c41、电容c42、电容c43的结构一致；优选的，电容c441、电容c442、电容c443和电容c444的容值分别为c、c、2c、4c。

具体地，第一电容阵列、第二电容阵列、第三电容这列和第四电容阵列的容值均为16c。

本次时序所用的开关时序具体如下：

采样下，第一组电容阵列和第三电容阵列的最高位(msb)电容单元c14和c34的下极板接电源电压vref，第一组电容阵列和第三电容阵列其余电容下极板全部接地电压gnd，第一组电容阵列和第三电容阵列的上极板全部连接比较器的正向输入端，通过自举开关k1和自举开关k2输入模拟信号vip和vin。第二电容阵列和第四电容阵列中除了桥接电容c20和桥接电容c40的下极板接入地电压gnd，其余电容的下极板全部接共模电压vcm，此时，第二电容阵列和第四电容阵列未直接连接比较器。

采样完成后，直接连接到比较器的第一组电容阵列开始工作，在第一次的比较过程中，比较器可以直接对输入信号vip和vin进行比较，第二电容阵列和第四电容阵列由于未连接比较器没有发生任何变化，所以不产生任何功耗，同时也不会对第一组比较产生任何影响。

在第一次比较完成后，根据比较器的比较结果，其中，

若正向输入端电位大于反向输入端电位，则将反向输入端连接的第三电容阵列除最高位拆分电容单元c34的电容全部接电源电压vref；

若正向输入端电位小于反向输入端电位，则将反向输入端连接的第三电容阵列除最高位拆分电容单元c34的电容全部接地电压gnd；

然后，在切换完成后，将桥接电容c20和桥接电容c40的下极板接入比较器上，并完成电压的再分配。接着对分压后的信号进行比较，以后的每次切换过程均在正向输入端完成。

在第二次比较后，根据比较结果，将正向输入端连接的第一电容阵列的最高位拆分电容单元c14由电源电压vref切换到共模电压vcm，或者将电容c10、电容c11、电容c12、和电容c13的下极板由地电压gnd切换到共模电压vcm，然后进行下一位的比较。

如果第二位比较结果为1，在进行第三位的切换时，

若正向输入端电压大于反向输入端电压，则将正向输入端的电容c144的下极板由共模电压vcm切换到地电压gnd；

若正向输入端电压小于反向输入端电压，则将电容c13的下极板由地电压gnd切换到共模电压vcm。

如果第二位比较结果为0，在进行第三位的切换时，

若正向输入端电压大于反向输入端电压，则将正向输入端的第一电容阵列中电容c144的下极板由电源电压vref切换到共模电压vcm；

若正向输入端电压小于反向输入端电压，则将电容c13的下极板由共模电压vcm切换到电源电压vref。

第四次和第五次切换类似于第三次切换过程，然后进行第六次比较，第六次的切换过程和其后的切换过程均由第二电容阵列完成。

根据第六次的比较结果，其中，

若正向输入端电压大于反向输入端电压，则将正向输入端的电容单元c24的下极板由共模电压vcm切换到地电压gnd；

若正向输入端电压小于反向输入端电压，则将正向输入端的电容单元c24的下极板由共模电压vcm切换到电源电压vref。

之后，进行第七次比较，其中，当第六位的结果为1时，

若正向输入端电压大于反向输入端电压，则将正向输入端的第二电容阵列中的电容c23的下极板由共模电压vcm切换到地电压gnd；

若正向输入端电压小于反向输入端电压，则将正向输入端的电容c244的下极板由地电压gnd切换到共模电压vcm。

当第六位的结果为0时，

若正向输入端电压大于反向输入端电压，则将正向输入端的电容c244的下极板由电源电压vref切换到共模电压vcm；

若正向输入端电压小于反向输入端电压，则将正向输入端的电容c23的下极板由共模电压vcm切换到电源电压vref。

之后几次的切换过程和第七次切换过程类似。当10位结果比较完成后则完成此次的模数转换。

本发明实现了以电荷再分配为基础的10位的超低功耗逐次逼近型模数转换器的开关时序。

一个转换周期后得到二进制码，此时数据转换完成，所有电容电压复位到初始值。

图2至图5为本发明的开关时序原理图，其中以5次转换和5次比较为例来说明，如图2为第一次比较正向输入端电位大于反向端电位以及电压再分配的原理图，图3为第二次比较第一电容阵列和第二电容阵列的开关时序原理图，其中以第二位比较结果为1说明，图4至图5为本发明第二次比较第三电容阵列和第四电容阵列的开关时序原理图，其中以2次转换和2次比较为例来说明。

本发明提供的基于电荷再分配的超低功耗saradc，通过将第二电容阵列和第四电容阵列在第一次切换完成后接入比较器两端，使得第一次切换过程不产生任何功耗，并且使电压完成再分配，完成其余位数的切换过程，减小了功耗。本发明采用二进制结构电容，且桥接电容为单位电容，避免了桥接电容为分数电容时的问题，很大程度上降低功耗。以电源电压vref，共模电压vcm和地电压gnd三种电位所实现开关时序，从而进一步降低电容数量，提高了精度，实现了相对于传统时序99％以上的时序功耗缩减。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。