一种逐次逼近型adc结构与算法
【技术领域】
[0001]本发明属于集成电路之模数转换器领域，尤其涉及一种新型的逐次逼近型ADC的结构与算法。
【背景技术】
[0002]逐次逼近型ADC (Analog to Digital Converter,模数转换器)是一种能够提供较高转换速度和较高分辨率的模数转换器，它具备功耗低，面积小的优点，因此运用也越来越广泛。
[0003]逐次逼近型ADC的采用最广泛的是电荷再分配式结构，电荷再分配式DAC(Digital to Analog Converter,数模转换器)是它的核心电路,其基本结构是具有二进制权重的电容阵列。一般在ADC分辨率大于8位时，会采用分段的方式以减小电容的面积，图1示意了一种比较典型的分段电容式逐次逼近ADC。这种结构的ADC具有一个明显的非理性因素，分段电容Cs的上极板寄生电容会引入非线性，从而影响ADC的性能。。
【发明内容】
[0004]本发明公开了一种逐次逼近ADC，主要模块包括新型分段电容式DAC，比较器与逐次逼近逻辑。其中新型分段电容式DAC是本发明的结构核心，逐次逼近逻辑中包含了本发明的算法核心，段间差分转单端算法。
[0005]进一步地，所述逐次逼近型ADC，采用的新型分段电容式DAC具有N位的基本结构，却实现了 N+1位的分辨率。额外的一位分辨率是利用所述段间差分转单端算法来实现。
[0006]进一步地，所述新型分段电容式DAC具有差分结构，DAC的分段方式为(L+1)+ M(其中N=L+M，L是低权重分段，M是高权重分段)，L位与M位均通过二进制权重电容来实现，形成了 N位基本结构的DAC，额外的I位通过差分转单端的方法来实现。DAC的数据位按照权重从低到高依次为=1,2,...L, L+1,…L+1+M，共L+1+M位。
[0007]进一步地，所述新型分段电容式DAC的第I到第L+1位采用单端的工作方式，第L+2到L+1+M位采用差分的工作方式。DAC的第I到第L位，由对应的二进制权重电容构成二进制权重关系；从第L到第L+1位，由分段电容Cs构成二进制权重关系；从第L+1到L+2位，由单端到差分的转换构成二进制权重关系；从第L+2到L+1+M位，同样由对应的二进制权重电容构成二进制权重关系。从而，所述新型分段电容式DAC以N位二进制电容的基本结构，实现了 N+1位的分辨率。
[0008]进一步地，相对于普通结构的分段电容式DAC，新型结构的分段电容式DAC仅仅增加了两个单位电容，不会影响DAC的面积。差分转单端算法使得分段电容Cs低边的L位权重下降一位，从而使得分段电容Cs上极板的计生电容减小了一半，大大改善了 DAC的线性度，提高了 ADC的性能。
[0009]进一步地，所述差分转单端的算法直接综合在所述逐次逼近逻辑中，逐次逼近逻辑对新型分段电容式DAC的控制信号，其低边L+1位是单端控制，高边M位是差分控制。总体而言，逐次逼近逻辑不但提供经典的二进制搜索算法，而且提供了本发明所述的差分转单端算法，控制ADC完成转换过程。
【附图说明】
[0010]图1是普通的分段电容式逐次逼近ADC结构；
图2是本发明所述新型分段电容式逐次逼近ADC结构；
图3是普通的分段电容式DAC输出端的电压摆幅示意图；
图4是本发明所述新型分段电容式DAC输出端的电压摆幅示意图。
【具体实施方式】
[0011]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步的详细说明。
[0012]本发明所述逐次逼近型ADC结构如图2所示，主要模块包括新型分段电容式DAC，比较器与逐次逼近逻辑。其中新型差分分段电容式DAC是本发明的结构核心，逐次逼近逻辑中包含了本发明的算法核心，段间差分转单段算法。
[0013]本发明所述逐次逼近型ADC是经典的逐次逼近型ADC的改进型，其具体实施方法的介绍需要从经典的逐次逼近型ADC介绍开始。经典结构的差分逐次逼近型ADC结构如图2所示。
[0014]经典结构的差分逐次逼近型ADC，其核心模块DAC主要是由二进制权重电容阵列所构成，分段电容Cs把电容阵列分成两部分，其中低边L位的电容大小从低位到高位依次为:C，2C，…2(L-2)C, 2 (L-1) C(I)
高边M位的电容大小从低位到高位依次为:C，2C，-2(M-2)C, 2 (M-1) C(2)
分段电容Cs的大小为单位电容C。
[0015]图3示意了经典结构差分逐次逼近型ADC的DAC输出节点电压的摆幅，输出电压与数字控制的对应关系依次为:VL …(3)
VL+1...(4)
VL+2...(5)
由二进制关系的要求，电压摆幅满足如下要求:
VL+1=2 VL，VL+2=2 VL+1 (6)
单位电容C的大小由电容的匹配要求所决定，对L+M为ADC来讲，最高位电容2 (M-1) C需要满足L+M位ADC的匹配要求，从而可以确定单位电容C的大小。
[0016]分段电荷再分配式ADC存在一个固有缺陷，即分段电容Cs的上极板计生电容会引入非线性，导致ADC的微分非线性(DNL)与积分非线性(INL)的下降。该寄生电容一般由电容自身的寄生于走线寄生组成，寄生电容对ADC线性度的影响与寄生电容对单位电容的归一化值有关，归一化值越大，对ADC线性度的影响也就越大。
[0017]本发明所述的新型逐次逼近ADC对经典结构的逐次逼近ADC进行了改进。
[0018]分段电容Cs把电容阵列分成两部分，其中低边L位的电容大小从低位到高位依次为:C，2C，…2(L-2)C, 2 (L-1) C(7)
高边1+M位的电容大小从低位到高位依次为:C，C，2C，-2(M-2)C, 2 (M-1) C (8)
分段电容Cs的大小为单位电容C。
[0019]与经典结构差分逐次逼近ADC不同的是，高边增加了一位变成1+M位，并且底边的L位与高边增加的I位都采用单端控制，即差分电路的一半控制码固定。对应的DAC输出端电压摆幅由图4所示，输出电压与数字控制的对应关系依次为:
VL...(9)
VL+1...(10)
VL+2...(11)
电压摆幅同样满足二进制关系 VL+1=2 VL，VL+2=2 VL+1 (12)
通过对比可以发现，分段电容Cs低边的L位摆幅变小一半，这样电容Cs上极板的寄生电容的影响也就减小了一半。
[0020]本发明所述新型逐次逼近ADC的总体效果就是在简单调整L+M位ADC结构的基础上，实现了 L+1+M位的分辨率，同时减小了寄生电容对ADC线性度的影响，提高了 ADC的性倉泛。
[0021]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种逐次逼近型ADC的结构与算法，其特征在于，所述ADC包括新型分段电容式DAC,比较器与逐次逼近逻辑。
2.其中新型分段电容式DAC是本发明的结构核心，逐次逼近逻辑中包含了本发明的算法核心。
3.根据权利要求1所述的新型分段电容式DAC，其特征在于，所述DAC是差分结构的分段电容式电荷再分配DAC，它具有N位DAC的基本结构，但是可以实现N+1为DAC的分辨率。
4.根据权利要求1所述逐次逼近逻辑，其特征在于，该逐次逼近逻辑不但可以包含所有逐次逼近型ADC的二进制搜索算法，还包含本发明所需要的段间差分转单端算法。
5.根据权利要求1所述的逐次逼近型ADC的结构与算法，其特征在于，所述新型分段电容式DAC与所述段间差分转单端算法相互配合工作，可以达到以N位ADC的基本结构实现N+1位ADC分辨率的效果，同时大大减小了寄生电容对分段电容式DAC线性度的影响，ADC的性能得以提闻。
【专利摘要】本发明公开了一种逐次逼近型ADC的结构与算法。该发明所提到的ADC是一种分段电容式的电荷再分配逐次逼近型ADC，主要模块包括新型分段电容式DAC，比较器与逐次逼近逻辑。其中，所述新型分段电容式DAC是本发明的结构核心，与之匹配的段间差分转单端算法则综合于所述逐次逼近逻辑之中。本发明所公开的逐次逼近型ADC，采用了差分结构的分段电容式DAC，利用段间差分转单端的技术，达到了以N位ADC的基本结构，实现N+1位ADC分辨率的效果，同时大大减小了寄生电容对分段电容式DAC线性度的影响，提高了ADC的性能。
【IPC分类】H03M1-38
【公开号】CN104579348
【申请号】CN201510018681
【发明人】李振海, 范涛
【申请人】北京华强智连微电子有限责任公司
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月15日