模数转换器及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子电路领域，具体地，涉及一种适用于微机电系统的模数转换器及 其控制方法。
【背景技术】
[0002] 微机电系统（MicroElectionMechanicalSystem，MEMS)，是利用微米 / 纳米技 术基础，对微米/纳米材料进行设计加工制造测试和控制的技术。微机电系统将机械构件、 光学系统驱动部件、电控系统全部集成在一个极小的整体单元内。因此在其信号处理过程 中，需要考虑芯片面积及功耗问题。在微机电系统采用的模数转换器（ADC)中，逐次逼近型 模数车专换器（SuccessiveApproximationRegisterAnalogtoDigitalConverter,SAR ADC)，是理想的选择。
[0003] SARADC的电路结构多种多样，大致可以分为三种：电压定标、电流定标、电荷定 标。其中电荷定标型是目前应用较多的一种类型，它利用电容通过电荷再分配完成对分查 找算法（binarysearch)，因此功耗一般比较小。
[0004] 现有技术中的电荷标定型SARADC包括四个部分：第一开关、比较器、开关电容网 络以及SAR逻辑控制电路。第一开关的第一端连接至输入端，第二端连接至开关电容网络。 比较器的同相输入端连接至第一开关的第二端，反相输入端连接至共模电压。SAR逻辑控制 电路控制第一开关和开关电容网络的开关状态。在多个时钟周期中，将模拟电压与参考电 压相比较，从最高有效位至最低有效位，逐位确定输入端的模拟信号的数字值。
[0005] 非线性是衡量SARADC动态性能最关键的指标。电荷标定型SARADC的结构特点 确定了比较器的输入端的寄生电容被做为电容网络的一部分，参与了对输入模拟信号的采 样以及后面的电荷再分配。对于尺寸较小的比较器且电容网络较大的系统，比较器的寄生 电容即使是非线性的，对整体的线性度性能的影响也可以忽略。
[0006] 然而，MEMS的低功耗小面积本身是最关键的两个限制因素。在应用于MEMS的SAR ADC中，在满足电容失配的情况下采用较小电容网络。结果，比较器输入端的寄生非线性电 容对整体的线性度性能有着显著的影响，这导致模数转换器的精度变差。
【发明内容】
[0007] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种可以改善线性度的模数转换器及其控制方 法。
[0008] 根据本发明的第一方面，本发明提出了一种模数转换器，包括：开关电容网络，所 述开关电容网络包括多个电容，所述多个电容的第一端连接至公共的第一节点以接收输入 模拟电压，所述多个电容的第二端各自独立地在第一参考电压和第二参考电压之间切换， 第一参考电压和第二参考电压的数值不同；比较器，所述比较器的第一输入端连接至第一 节点，第二输入端接收共模电压；逐次逼近逻辑电路，所述逐次逼近逻辑电路的输入端连接 至所述比较器的输出端，输出端提供与输入模拟电压相对应的输出数字信号，其中，所述模 数转换器的工作周期包括采样阶段和量化阶段，在采样阶段中，所述比较器的第一输入端 与第一节点之间断开，在量化阶段中，所述比较器的第一输入端与第一节点之间连接。
[0009] 优选地，所述模数转换器还包括：第一开关，所述第一开关的第一端接收输入模拟 电压，所述第一开关的第二端连接至第一节点；以及第二开关，所述第二开关的第一端连接 至所述第一开关的第二端，所述第二开关的第二端连接至所述比较器的第一输入端。
[0010] 优选地，所述第一开关和所述第二开关分别在第一时序信号和第二时序信号的控 制下断开和闭合，所述第二时序信号是所述第一时序信号的反相信号。
[0011] 优选地，所述模数转换器在第一时序信号的第一电平期间执行采样阶段的动作， 在第一时序信号的第二电平期间执行量化阶段的动作，第一电平为高电平和低电平中的一 个，第二电平为高电平和低电平中的另一个。
[0012] 优选地，所述模数转换器的最小分辨率为：
[0013] Af(Vx) *VC0M/2n*C-VEEF/2n,
[0014] 其中，VKEF=VKEFP-V_，VKEFP和VKEFP分别表示所述第一参考电压和所述第二参考电 压，VroM表示所述共模电压，n表示所述模数转换器的位数，f(Vx)表示所述比较器的第一输 入端寄生电容，C表示所述开关电容网络中的所述多个开关电容的最小电容值。
[0015] 优选地，在所述量化阶段中，在第三时序信号的控制下，所述比较器逐个时钟周期 产生比较结果，所述逐次逼近逻辑电路根据比较结果产生控制信号，所述开关电容网络中 的所述多个电容根据控制信号分别连接到第一参考电压和第二参考电压之一，使得所述逐 次逼近逻辑电路与第三时序信号的时钟周期相对应地逐位产生输出数字信号。
[0016] 优选地，所述模数转换器还包括时钟电路，用于产生第一时序信号、第二时序信号 和第三时序信号。
[0017] 优选地，所述开关电容网络中的电容为CMOS工艺的金属-绝缘层-金属电容。
[0018] 根据本发明的第二方面，本发明提出一种模数转换器的控制方法，所述模数转换 器包括开关电容网络、比较器以及逐次逼近逻辑电路；所述模数转换器包括采样和量化两 个工作阶段；所述模数转换器的控制方法包括：在采样阶段，将开关电容网络同比较器的 输入端断开；在量化阶段，将开关电容网络和比较器的输入端连接。
[0019] 根据本发明的实施例的模数转换器，通过加入第二开关和第二时序信号避免寄生 电容参加输入模拟电压的采样，显著减轻了寄生电容对模数转换器线性度的影响，提高了 系统的线性度。
【附图说明】
[0020] 通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和 优点将更为清楚，在附图中：
[0021] 图1不出现有技术的8位的电荷标定型SARADC的不意性电路图；
[0022] 图2示出图1中的现有技术的8位的电荷标定型SARADC计入寄生电容Cp的等 效电路图；
[0023] 图3示出寄生电容Cp对现有技术的8位的电荷标定型SARADC的传输函数的影 响；
[0024] 图4示出根据本发明的实施例的电荷标定型SARADC的实施例的示意性电路图；
[0025] 图5示出图4中根据本发明的实施例的电荷标定型SARADC的实施例的传输函数 的仿真图。
【具体实施方式】
[0026] 以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下 文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有 这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过 程、流程、元件和电路并没有详细叙述。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附 图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
[0027] 应当理解，在以下的描述中，"电路"是指由至少一个元件或子电路通过电气连接 或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路"连接到"另一元件或称元件/电路"连接 在"两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之 间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件"直接耦接到"或"直接 连接到"另一元件时，意味着两者不存在中间元件。除非上下文明确要求，否则整个说明书 和权利要求书中的"包括"、"包含"等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的 含义；也就是说，是"包括但不限于"的含义。在本发明的描述中，需要理解的是，术语"第 一"、"第二"等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描 述中，除非另有说明，"多个"的含义是两个或两个以上。
[0028] 图1示出现有技术的8位的电荷标定型SARADC的电路图。参照图1，例如一个8 位的电荷标定型SARADC包括：比较器U1、第一开关SSH、开关电容网络100、SAR逻辑控制 电路U2。
[0029] 比较器U1的同相输入端经由第一开关SSH连接至输入模拟电压，反相输入端连接 共模电压VroM。比较器U1的输出端连接SAR逻辑控制电路U2的输入端。SAR逻辑控制电 路U2输出输出数字信号Dout。
[0030] 开关电容网络100包括电容C0至电容C8,选择开关SO至选择开关S8。电容C0至 电容C8的一个极板分别连接至比较器U1的同相输入端，另一个极板分别连接选择开关S0 至选择开关S8。在SAR逻辑控制电路U2的控制下，选择开关SO至选择开关S8分别连接 差分输入参考电压VKEFP、VKEFM*的一个。电容C0至电容C8的大小分别为C、C、2C、2 2C、23C、 24C、25C、26C、27C。
[0031] 电容C0至电容C8-般为采用CMOS工艺的金属-绝缘层-金属（MetalInsulator Metal，MM)电容。在目前主流的电荷定标型SARADC中，又分为下极板采样和上极板采样 两种。下极板采样做为传统的电荷型SAR结构得到了广泛应用，而上极板采样又在高速、低 功耗、低电压领域应用较多。在本文中以8位的上极板采样结构的电荷型SARADC为例说 明其实现原理。
[0032] 在上极板采样结构中，电容C0至电容C8的上极板分别连接选择开关S0至S8,电 容⑶至电容C8的下极板分别连接至比较器瓜的同相输入端。输入模拟电压Vin通过第 一开关SSH连接到电容C0至电容C8的下极板。第一开关SSH在第一时序信号的控制下断开 和闭合。
[0033] 在米样阶段，第一开关SSH闭合，选择开关S8连接差分输入电压VKEFP，选择开关S0 至选择开关S7连接差分输入电压VKEFM。此时，电容CO至电容C8的下极板上积累的电荷总 和为：
[0034]Q= 128C*