上极板采样逐次比较型模数转换器及其工作方法与流程

文档序号:18948520发布日期:2019-10-23 01:51阅读:1343来源:国知局
上极板采样逐次比较型模数转换器及其工作方法与流程

本发明涉及半导体集成电路设计,尤其涉及一种上极板采样逐次比较型模数转换器及其工作方法。



背景技术:

在半导体集成电路领域,逐次比较型模数转换器(saradc)是一种常用电路。逐次比较型模数转换器(saradc)内部多为电容阵列作为采样阶段电容和比较阶段的可切换电压的dac。具体的,请参阅图1,图1为一种电容型上极板采用电路结构示意图,如下以图1为例说明逐次比较型模数转换器的基本结构和原理。逐次比较型模数转换器传统方式为采样阶段输入信号接到电容阵列下级板,比较阶段dac产生电压也接到电容阵列下级板。

众所周知,电容上级板对地有寄生电容的存在,把电容阵列上级板对地电容命名为ch,电容阵列总电容命名为cdac,其中,由于寄生电容的影响,采样到输入电压vin之后,电荷重新分配,实际采样到的电压等效为vin*cdac/(cdac+ch);接下来的比较阶段,dac输入电压vdac同样受到寄生电容的影响,dac产生电压等效为vdac*cdac/(cdac+ch),与输入电压vin缩小的比例完全相同,所以对比较幅度不会产生影响,这是传统下级板采样方式的优势所在。然而下级板采样的方式功耗较高,不符合saradc追求低功耗的道路。

随着saradc追求低功耗的道路,诞生出一种叫做电容型上极板采样的saradc,与传统电容下级板采样的工作方式不同,采样时的输入信号是接入电容阵列上级板的,而比较时电容阵列的dac产生电压是仍然是由下级板输入。具体的请参阅图1所示,电容型上级板采样电路的工作包含两个过程,图1中a)所示的采样过程和图1中b)所示的比较过程,分析其中vinp相接的这一半电容的工作过程:

其中采样过程,输入电压vinp通过上极板采样保持,下极板接vref,vinp端整个电容上存储的电荷为vinp*ch+(vinp-vref)*cdac,输入电压为vinp-vref,没有受到寄生电容的影响;

其中切换过程,每步比较的结果反馈至下极板,dac产生电压从下极板输入,ch将继续影响vdac的电压,等效dac输入电压为vdac*cdac/(cdac+ch),其中dac产生电压为下极板电容加权电压的和。

由于采样时输入电压是满幅没有缩放的,而dac产生电压是按比例缩小了,也即dac产生电压永远无法达到满幅输入电压,因此就会产生无法识别完整的输入信号,会导致saradc信噪比下降,并且在接近满幅输入电压时无法正确比较的错误。

因此,如何研究一种功耗低、能识别完整的输入信号并且信噪高的saradc成为业界研究的重点。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种上极板采样逐次比较型模数转换器,以使逐次比较型模数转换器能识别完整的输入信号并且信噪高,并具有上极板采样逐次比较型模数转换器的低功耗。

本发明提供的上极板采样逐次比较型模数转换器,包括:由n个电容构成的第一电容陈列,其中n为正整数,并第一电容陈列中的所有电容的下极板接参考电压vref,第一电容陈列中至少部分电容的上极板分别通过一开关与第一电容陈列中剩余电容的上极板连接,形成第一共接端,第一输入电压vinp通过第一开关k1连接第一共接端,并第一共接端通过第五开关k5接地gnd;以及由m个电容构成的第二电容陈列,其中m为正整数,并第二电容陈列中的所有电容的下极板接参考电压vref,第二电容陈列中至少部分电容的上极板分别通过一开关与第二电容陈列中剩余电容的上极板连接,形成第二共接端,第二输入电压vinn通过第二开关k2连接第二共接端,并第二共接端通过第六开关k6接地gnd。

更进一步的,第一电容陈列中的电容的上极板对地存在寄生电容ch,根据寄生电容ch的值选择第一电容陈列与开关连接的电容的个数。

更进一步的,设置第一电容陈列中上极板与开关连接的电容的电容值和cx等于寄生电容ch。

更进一步的,设置第一电容陈列中一个电容与开关连接。

更进一步的,第二电容陈列中的电容的上极板对地存在寄生电容ch,根据寄生电容ch的值选择第二电容陈列与开关连接的电容的个数。

更进一步的,设置第二电容陈列中上极板与开关连接的电容的电容值和cx等于寄生电容ch。

更进一步的,设置第二电容陈列中一个电容与开关连接。

更进一步的,上极板采样逐次比较型模数转换器还包括以比较器,比较器的正输入端接第一共接端,比较器的负输入端接第二共接端。

更进一步的,上极板采样逐次比较型模数转换器还包括一一端连接第一共接端,另一端接参考电压vref的电容cs;以及一一端连接第二共接端,另一端接参考电压vref的电容cs。

更进一步的,m=n。

更进一步的,上极板采样逐次比较型模数转换器采用cmos工艺制作。

本发明还提供一种上述的上极板采样逐次比较型模数转换器的工作方法,包括:初始化过程,闭合第一电容陈列中与电容的上极板连接的开关以及第五开关k5,并闭合第二电容陈列中与电容的上极板连接的开关以及第六开关k6,断开第一开关k1和第二开关k2,让第一电容陈列和第二电容陈列中已存的电荷清零,完成初始化;采样过程,先断开第一电容陈列中与电容的上极板连接的开关以及第五开关k5,并断开第二电容陈列中与电容的上极板连接的开关以及第六开关k6,然后闭合第一开关k1和第二开关k2,第一输入电压vinp接到第一电容陈列的第一共接端,第二输入电压vinn接到第二电容陈列的第二共接端,输入电压vinp-vref保存在缺少上极板与开关连接的电容的第一电容陈列中,输入电压vinn-vref保存在缺少上极板与开关连接的电容的第二电容陈列中;以及比较过程,断开第一开关k1,闭合第一电容陈列中与电容的上极板连接的开关,断开第二开关k2,闭合第二电容陈列中与电容的上极板连接的开关,断开第五开关k5,断开第六开关k6,把第一电容阵列中没有储存电荷的与开关连接的电容接入到第一电容阵列中,参与对保存在第一电容阵列中的电荷的重新分配,完整的第一电容阵列上保存的电荷不变,采到的输入电压vinp-vref会缩小为(vinp-vref)*cdac/(cdac+cx),把第二电容阵列中没有储存电荷的与开关连接的电容接入到第二电容阵列中,参与对保存在第二电容阵列中的电荷的重新分配,完整的第二电容阵列上保存的电荷不变,采到的输入电压vinn-vref会缩小为(vinn-vref)*cdac/(cdac+cx);接着dac产生电压接到第一电容阵列下级板,由于上极板寄生电容ch的影响,有效dac产生电压为vdac*cdac/(cdac+ch),并dac产生电压接到第二电容阵列下级板,由于上极板寄生电容ch的影响,有效dac产生电压为vdac*cdac/(cdac+ch),其中cx为第一电容阵列中上极板与开关连接的电容的电容值和,以及第二电容阵列中上极板与开关连接的电容的电容值和。

更进一步的,设置第一电容陈列中上极板与开关连接的电容的个数,使cx=ch,设置第二电容阵列中上极板与开关连接的电容的个数,使cx=ch。

本发明提供的上极板采样逐次比较型模数转换器及其工作方法,通过将第一电容阵列中部分电容的上极板分别接一开关,并将第二电容阵列中部分电容的上极板分别接一开关,通过控制开关的闭合和断开,在采样之前设置一个初始化周期,让所有的电容都存储零电荷,采样过程减小采样时用的电容,将输入信号也进行缩小,比较过程中,由于上极板寄生电容ch的影响,有效dac产生电压同输入信号一起缩小,更优的,dac产生电压同输入信号缩小的比例相同,如此可使逐次比较型模数转换器能识别完整的输入信号并且信噪高,并具有上极板采样逐次比较型模数转换器的低功耗。

附图说明

图1为一种电容型上极板采用电路结构示意图。

图2为本发明的上极板采样逐次比较型模数转换器的示意图。

图3为分别采用图1和图2所示的上极板采样逐次比较型模数转换器进行仿真的示意图。

图中主要元件附图标记说明如下:

100、第一电容陈列;110、第一共接端;200、第二电容陈列;210、第二共接端;300、比较器。

具体实施方式

下面将结合附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。

为了得到一种功耗低、能识别完整的输入信号并且信噪高的逐次比较型模数转换器(saradc)。本发明一实施例中,在于提供一种上极板采样逐次比较型模数转换器。请参阅图2,图2为本发明的上极板采样逐次比较型模数转换器的示意图。具体的,该上极板采样逐次比较型模数转换器,包括:由n个电容构成的第一电容陈列100,其中n为正整数(如图2所示,n=8,分别为电容c0、c2、c2……c7),并第一电容陈列100中的所有电容的下极板接参考电压vref,第一电容陈列100中至少部分电容的上极板分别通过一开关与第一电容陈列100中剩余电容的上极板连接,形成第一共接端110,第一输入电压vinp通过第一开关k1连接第一共接端110,并第一共接端110通过第五开关k5接地gnd;以及由m个电容构成的第二电容陈列200,其中m为正整数(如图2所示,m=8,分别为电容c0、c2、c2……c7),并第二电容陈列200中的所有电容的下极板接参考电压vref,第二电容陈列200中至少部分电容的上极板分别通过一开关与第二电容陈列200中剩余电容的上极板连接,形成第二共接端210,第二输入电压vinn通过第二开关k2连接第二共接端210,并第二共接端210通过第六开关k6接地gnd。

具体的,在本发明一实施例中,m=n。

具体的,在本发明一实施例中,第一电容陈列100中的电容的上极板对地存在寄生电容ch,由于寄生电容的容值ch不易控制,根据寄生电容ch的值选择第一电容陈列100与开关连接的电容的个数。具体的,在本发明一实施例中,设置第一电容陈列100中上极板与开关连接的电容的电容值和cx等于寄生电容ch。具体的,在本发明一实施例中,设置第一电容陈列100中一个电容与开关连接。如图2所示,设置第一电容阵列100中的电容c5的上极板通过第三开关k3接第一共接端110。

具体的,在本发明一实施例中,第二电容陈列200中的电容的上极板对地存在寄生电容ch,由于寄生电容的容值ch不易控制,根据寄生电容ch的值选择第二电容陈列200与开关连接的电容的个数。具体的,在本发明一实施例中,设置第二电容陈列200中上极板与开关连接的电容的电容值和cx等于寄生电容ch。具体的,在本发明一实施例中,设置第二电容陈列200中一个电容与开关连接。如图2所示,设置第二电容阵列200中的电容c5的上极板通过第四开关k4接第二共接端210。

更具体的,在本发明一实施例中,上极板采样逐次比较型模数转换器还包括以比较器300,比较器300的正输入端接第一共接端110,比较器300的负输入端接第二共接端210。

更具体的,在本发明一实施例中,上极板采样逐次比较型模数转换器还包括一一端连接第一共接端110,另一端接参考电压vref的电容cs;以及一一端连接第二共接端210,另一端接参考电压vref的电容cs。

更具体的,在本发明一实施例中,上述的上极板采样逐次比较型模数转换器采用cmos工艺制作。

更进一步的,在本发明一实施例中,还提供上述的上极板采样逐次比较型模数转换器的工作方法,包括:

初始化过程,闭合第一电容陈列100中与电容的上极板连接的开关以及第五开关k5,并闭合第二电容陈列200中与电容的上极板连接的开关以及第六开关k6,断开第一开关k1和第二开关k2,让第一电容陈列100和第二电容陈列200中已存的电荷清零,完成初始化;

采样过程,先断开第一电容陈列100中与电容的上极板连接的开关以及第五开关k5,并断开第二电容陈列200中与电容的上极板连接的开关以及第六开关k6,然后闭合第一开关k1和第二开关k2,第一输入电压vinp接到第一电容陈列100的第一共接端110,第二输入电压vinn接到第二电容陈列200的第二共接端210,输入电压vinp-vref保存在缺少上极板与开关连接的电容的第一电容陈列100中,输入电压vinn-vref保存在缺少上极板与开关连接的电容的第二电容陈列200中;以及

比较过程,断开第一开关k1,闭合第一电容陈列100中与电容的上极板连接的开关,断开第二开关k2,闭合第二电容陈列200中与电容的上极板连接的开关,断开第五开关k5,断开第六开关k6,把第一电容阵列100中没有储存电荷的与开关连接的电容接入到第一电容阵列中,参与对保存在第一电容阵列100中的电荷的重新分配,完整的第一电容阵列上保存的电荷不变,采到的输入电压vinp-vref会缩小为(vinp-vref)*cdac/(cdac+cx),把第二电容阵列200中没有储存电荷的与开关连接的电容接入到第二电容阵列中,参与对保存在第二电容阵列200中的电荷的重新分配,完整的第二电容阵列上保存的电荷不变,采到的输入电压vinn-vref会缩小为(vinn-vref)*cdac/(cdac+cx);接着dac产生电压接到第一电容阵列100下级板,由于上极板寄生电容ch的影响,有效dac产生电压为vdac*cdac/(cdac+ch),并dac产生电压接到第二电容阵列200下级板,由于上极板寄生电容ch的影响,有效dac产生电压为vdac*cdac/(cdac+ch),其中cx为第一电容阵列100中上极板与开关连接的电容的电容值和,以及第二电容阵列200中上极板与开关连接的电容的电容值和。

更优的,在本发明一实施例中,设置第一电容陈列100中上极板与开关连接的电容的个数,使cx=ch,设置第二电容阵列200中上极板与开关连接的电容的个数,使cx=ch。则输入电压与dac产生电压的缩放比例就会完全相同,也就解决了一般上级板采样电容阵列会产生的错误。

如下我们来定量计算一下,上述发明结构和过程是否会带来如期的效果:

当对应的编码输入时,dac产生电压将减小,其缩小系数为

采样时,vinp端整个电容上存储的电荷为vinp*ch+(vinp-vref)*cdac,

切换过程,当vinp>vinn时,c7下极板电压从vref翻转到0,设此时的vcmpp电压为v′cmpp,

v′cmppc7+(v′cmpp-vref)(cdac-c7)+v′cmppch=(vin-vref)cdac+vinch

所以

变化量为

理想情况下(ch=0)的变化量为

两者比例为

确实与dac产生电压的比例一致,这样就彻底修正了比较阶段的错误。

具体的,请参阅图3,图3为分别采用图1和图2所示的上极板采样逐次比较型模数转换器进行仿真的示意图,其中410线为传统的上极板采样在量化接近满幅输入时的结果,420线为输入信号,可以见到输出的范围超出了输入的范围,产生了比较错误,430线为使用本发明的上极板采样在量化接近满幅输入时的结果,真实的反映了输入的范围。

如上所述,通过将第一电容阵列中部分电容的上极板分别接一开关,并将第二电容阵列中部分电容的上极板分别接一开关,通过控制开关的闭合和断开,在采样之前设置一个初始化周期,让所有的电容都存储零电荷,采样过程减小采样时用的电容,将输入信号也进行缩小,比较过程中,由于上极板寄生电容ch的影响,有效dac产生电压同输入信号一起缩小,更优的,dac产生电压同输入信号缩小的比例相同,如此可使逐次比较型模数转换器能识别完整的输入信号并且信噪高,并具有上极板采样逐次比较型模数转换器的低功耗。

最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

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