一种逐次逼近型模数转换器结构及其低功耗开关方法与流程

本发明涉及一种采用最高位电容底板采样技术的逐次逼近型模数转换器结构及其低功耗开关方法，属于模数混合集成电路技术领域。

背景技术：

逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)是一种中高精度和中等速度的模数转换器，它是一种无运放结构，优点是低功耗和小面积，常被应用于移动设备、手持医疗诊断设备和无线传感器等场合。电容阵列数模转换器是SAR ADC中一个关键模块，其在转换过程的能耗在整个SAR ADC中占有很大的比例。传统结构中电容阵列数模转换器中电容占据了很大面积，造成开关切换过程中产生极大的能耗，经济效益不高。

另外，底板采样技术能有效降低电荷注入效应和时钟馈通效应带来的非线性，并且能有效减少顶板的寄生电容。为了保证更好的线性度以及轨至轨的输入范围，一般采用栅压自举采样开关，缺点是在传统结构中N位的精度需要使用2N个栅压自举采样开关，这带来了很大的功耗和面积开销。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采用最高位电容底板采样技术的逐次逼近型模数转换器结构及其低功耗开关方法，在电容面积、开关切换能耗等方面具有很大的优势。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种采用最高位电容底板采样技术的逐次逼近型模数转换器结构，包括栅压自举采样开关、电容阵列数模转换器、比较器和逐次逼近控制逻辑，栅压自举采样开关包括同相端栅压自举采样开关和反相端栅压自举采样开关，电容阵列数模转换器包括同相端电容阵列和反相端电容阵列；同相端电容阵列通过同相端栅压自举采样开关接入同相输入信号V_ip，反相端电容阵列通过反相端栅压自举采样开关接入反相输入信号V_in，同相端电容阵列与比较器的同相输入端连接，反相端电容阵列与比较器的反相输入端连接，比较器的输出端与逐次逼近控制逻辑的输入端连接，逐次逼近控制逻辑的输出端输出控制信号，通过控制信号对同相端电容阵列和反相端电容阵列的开关进行控制。

具体的，对于精度为N位的逐次逼近型模数转换器结构：

所述同相端电容阵列包括同相端最高位(第1位)权重电容组、同相端中间位权重电容组和同相端终端冗余位电容组，将同相端中间位权重电容组分别称为同相端第i＝2,3,…,N-2位权重电容组；同相端最高位权重电容组由2^N-3个并联的单位电容构成，同相端第i位权重电容组由2^N-2-i个并联的单位电容构成，同相端终端冗余位电容组由四个单位电容构成，将四个单位电容分别称为第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，第三电容的上极板和第四电容的上极板相接后作为同相端终端冗余位电容组的上极板，第三电容的下极板和第四电容的下极板相接后同时连接第一电容的上极板和第二电容的上极板，第一电容的下极板和第二电容的下极板分别作为同相端终端冗余位电容组的第一下极板和第二下极板；

同相端最高位权重电容组的上极板、同相端中间位权重电容组的上极板和同相端终端冗余位电容组的上极板与比较器的同相输入端连接后通过开关接入共模电压V_cm，同相端最高位权重电容组的下极板通过开关选择接入同相输入信号V_ip、共模电压V_cm或地GND，同相端第i位权重电容组的下极板通过开关选择接入共模电压V_cm或地GND，同相端终端冗余位电容组的第一下极板通过开关选择接入共模电压V_cm或地GND，同相端终端冗余位电容组的第二下极板接地GND；其中，连接同相端最高位权重电容组的下极板与同相输入信号V_ip的开关为同相端栅压自举采样开关；

所述反相端电容阵列包括反相端最高位(第1位)权重电容组、反相端中间位权重电容组和反相端终端冗余位电容组，将反相端中间位权重电容组分别称为反相端第i＝2,3,…,N-2位权重电容组；反相端最高位权重电容组由2^N-3个并联的单位电容构成，反相端第i位权重电容组由2^N-2-i个并联的单位电容构成，反相端终端冗余位电容组由四个单位电容构成，将四个单位电容分别称为第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，第三电容的上极板和第四电容的上极板相接后作为反相端终端冗余位电容组的上极板，第三电容的下极板和第四电容的下极板相接后同时连接第一电容的上极板和第二电容的上极板，第一电容的下极板和第二电容的下极板分别作为反相端终端冗余位电容组的第一下极板和第二下极板；

反相端最高位权重电容组的上极板、反相端中间位权重电容组的上极板和反相端终端冗余位电容组的上极板与比较器的反相输入端连接后通过开关接入共模电压V_cm，反相端最高位权重电容组的下极板通过开关选择接入反相输入信号V_in、共模电压V_cm或地GND，反相端第i位权重电容组的下极板通过开关选择接入共模电压V_cm或地GND，反相端终端冗余位电容组的第一下极板通过开关选择接入共模电压V_cm或地GND，反相端终端冗余位电容组的第二下极板接地GND；其中，连接反相端最高位权重电容组的下极板与反相输入信号V_in的开关为反相端栅压自举采样开关。

一种采用最高位电容底板采样技术的逐次逼近型模数转换器结构的低功耗开关方法，对于一个差分输入信号，经过N次比较实现精度为N位的逐次逼近型模数转换器结构的模数转换，具体包括如下步骤：

步骤一：采样阶段

同相端电容阵列的所有电容组的上极板通过开关连接共模电压V_cm，同相端电容阵列的同相端最高位权重电容组的下极板通过同相端栅压自举采样开关连接同相输入信号V_ip，同相端电容阵列的其他电容组的下极板通过开关接地GND；

反相端电容阵列的所有电容组的上极板通过开关连接共模电压V_cm，反相端电容阵列的反相端最高位权重电容组的下极板通过反相端栅压自举采样开关连接反相输入信号V_in，反相端电容阵列的其他电容组的下极板通过开关接地GND；

步骤二：转换阶段

(21)根据第一次比较结果确定最高位B(N)：

首先，同时断开同相端电容阵列和反相端电容阵列的所有电容组的上极板与共模电压V_cm之间的开关，同时断开同相端以及反相端栅压自举采样开关，通过开关将同相端以及反相端最高位权重电容组的下极板切换为与共模电压V_cm连接；

接着，电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行比较，并输出第一次比较结果B(N)；

(22)根据第二次比较结果确定次高位B(N-1)：

首先：若B(N)＝1，通过开关将同相端最高位权重电容组的下极板切换为接地GND；若B(N)＝0，通过开关将反相端最高位权重电容组的下极板切换为接地GND；

接着，电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行比较，并输出第二次比较结果B(N-1)；

(23)根据第三次比较结果确定第3高位B(N-2)：

首先：若B(N-1)＝1，通过开关将反相端第2位权重电容组的下极板切换为与共模电压V_cm连接；若B(N-1)＝0，通过开关将同相端第2位权重电容组的下极板切换为与共模电压V_cm连接；

接着，电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行比较，并输出第三次比较结果B(N-2)；

(24)根据第k次比较结果确定第k高位B(N+1-k)，4≤k≤N-1：

首先：若B(N+2-k)＝1，通过开关将反相端第k-1位权重电容组的下极板切换为与共模电压V_cm连接；若B(N+2-k)＝0，通过开关将同相端第k-1位权重电容组的下极板切换为与共模电压V_cm连接；

接着，电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行比较，并输出第k次比较结果B(N+1-k)；

(25)根据第N次比较结果确定最低位B(1)：

首先：若B(2)＝1，通过开关将反相端终端冗余位电容组的第一下极板换为与共模电压V_cm连接；若B(2)＝0，通过开关将同相端终端冗余位电容组的第一下极板切换为与共模电压V_cm连接；

接着，电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行比较，并输出第N次比较结果B(1)；

步骤三：获得N位二进制码B[N:1]，完成模数转换。

具体的，N位的逐次逼近型模数转换器结构中，每次完整的模数转换平均能耗E为：

$E=2^{N-6}{\mathrm{CV}}_{ref}^2$

其中：C为电容阵列数模转换器中单位电容的容值，V_ref为参考电压，N为大于2的自然数。

具体的，

有益效果：本发明提供的采用最高位电容底板采样技术的逐次逼近型模数转换器结构，相比于现有技术，具有如下优点：1、采用最高位电容底板采样技术，仅需一对栅压自举采样开关，大大提高了SAR ADC的精度，并且节省了开关面积；另外，在采样阶段没有复位能耗；2、由于仅有一半电容参与采样，可以仅使用作为基准电压，大大减小了开关切换过程中的动态能耗；3、采用本发明提供的开关方法，在开关切换过程中，前两位的产生不消耗能量；4、将冗余电容纳入电容阵列数模转换器的转换当中，极大减小了电容总面积，进一步降低开关切换能耗；5、使用先降低后单调回升的开关切换方法，在有效降低开关切换能耗的同时，相比于传统的单调(monotonic)技术减小了比较器输入共模电压的变化量；6、本发明适用于高精度低功耗逐次逼近型模数转换器，具有很好的经济效益。

附图说明

图1为本发明实现N位分辨率SAR ADC的电路结构图；

图2为本发明应用于3位SAR ADC的开关切换示意图；

图3为本发明应用于10位SAR ADC的开关切换能耗随ADC输出码变化的MATLAB仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种采用最高位电容底板采样技术的逐次逼近型模数转换器结构，包括栅压自举采样开关1、电容阵列数模转换器2、比较器3和逐次逼近控制逻辑4，栅压自举采样开关1包括同相端栅压自举采样开关和反相端栅压自举采样开关，电容阵列数模转换器2包括同相端电容阵列和反相端电容阵列；同相端电容阵列通过同相端栅压自举采样开关接入同相输入信号V_ip，反相端电容阵列通过反相端栅压自举采样开关接入反相输入信号V_in，同相端电容阵列与比较器3的同相输入端连接，反相端电容阵列与比较器3的反相输入端连接，比较器3的输出端与逐次逼近控制逻辑4的输入端连接，逐次逼近控制逻辑4的输出端输出控制信号，通过控制信号对同相端电容阵列和反相端电容阵列的开关进行控制。

下面根据图1，对精度为N位的逐次逼近型模数转换器结构的具体结构进行描述。

所述同相端电容阵列包括同相端最高位(第1位，MSB)权重电容组、同相端中间位权重电容组和同相端终端冗余位电容组，将同相端中间位权重电容组分别称为同相端第i＝2,3,…,N-2位权重电容组；同相端最高位权重电容组由2^N-3个并联的单位电容构成，同相端第i位权重电容组由2^N-2-i个并联的单位电容构成，同相端终端冗余位电容组由四个单位电容构成，将四个单位电容分别称为第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，第三电容的上极板和第四电容的上极板相接后作为同相端终端冗余位电容组的上极板，第三电容的下极板和第四电容的下极板相接后同时连接第一电容的上极板和第二电容的上极板，第一电容的下极板和第二电容的下极板分别作为同相端终端冗余位电容组的第一下极板和第二下极板。

同相端最高位权重电容组的上极板、同相端中间位权重电容组的上极板和同相端终端冗余位电容组的上极板与比较器的同相输入端连接后通过开关接入共模电压V_cm，同相端最高位权重电容组的下极板通过开关选择接入同相输入信号V_ip、共模电压V_cm或地GND，同相端第i位权重电容组的下极板通过开关选择接入共模电压V_cm或地GND，同相端终端冗余位电容组的第一下极板通过开关选择接入共模电压V_cm或地GND，同相端终端冗余位电容组的第二下极板接地GND；其中，连接同相端最高位权重电容组的下极板与同相输入信号V_ip的开关为同相端栅压自举采样开关。

所述反相端电容阵列包括反相端最高位(第1位，MSB)权重电容组、反相端中间位权重电容组和反相端终端冗余位电容组，将反相端中间位权重电容组分别称为反相端第i＝2,3,…,N-2位权重电容组；反相端最高位权重电容组由2^N-3个并联的单位电容构成，反相端第i位权重电容组由2^N-2-i个并联的单位电容构成，反相端终端冗余位电容组由四个单位电容构成，将四个单位电容分别称为第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，第三电容的上极板和第四电容的上极板相接后作为反相端终端冗余位电容组的上极板，第三电容的下极板和第四电容的下极板相接后同时连接第一电容的上极板和第二电容的上极板，第一电容的下极板和第二电容的下极板分别作为反相端终端冗余位电容组的第一下极板和第二下极板。

反相端最高位权重电容组的上极板、反相端中间位权重电容组的上极板和反相端终端冗余位电容组的上极板与比较器的反相输入端连接后通过开关接入共模电压V_cm，反相端最高位权重电容组的下极板通过开关选择接入反相输入信号V_in、共模电压V_cm或地GND，反相端第i位权重电容组的下极板通过开关选择接入共模电压V_cm或地GND，反相端终端冗余位电容组的第一下极板通过开关选择接入共模电压V_cm或地GND，反相端终端冗余位电容组的第二下极板接地GND；其中，连接反相端最高位权重电容组的下极板与反相输入信号V_in的开关为反相端栅压自举采样开关。

基于图1所示的结构，对于一个差分输入信号，经过N次比较实现精度为N位的逐次逼近型模数转换器结构的模数转换，具体包括如下步骤：

步骤一：采样阶段

同相端电容阵列的所有电容组的上极板通过开关连接共模电压V_cm，同相端电容阵列的同相端最高位权重电容组的下极板通过同相端栅压自举采样开关连接同相输入信号V_ip，同相端电容阵列的其他电容组的下极板通过开关接地GND；

反相端电容阵列的所有电容组的上极板通过开关连接共模电压V_cm，反相端电容阵列的反相端最高位权重电容组的下极板通过反相端栅压自举采样开关连接反相输入信号V_in，反相端电容阵列的其他电容组的下极板通过开关接地GND；

步骤二：转换阶段

(21)根据第一次比较结果确定最高位B(N)：

首先，同时断开同相端电容阵列和反相端电容阵列的所有电容组的上极板与共模电压V_cm之间的开关，同时断开同相端以及反相端栅压自举采样开关，通过开关将同相端以及反相端最高位权重电容组的下极板切换为与共模电压V_cm连接；

接着，电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行比较，并输出第一次比较结果B(N)；

(22)根据第二次比较结果确定次高位B(N-1)：

首先：若B(N)＝1，通过开关将同相端最高位权重电容组的下极板切换为接地GND；若B(N)＝0，通过开关将反相端最高位权重电容组的下极板切换为接地GND；

接着，电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行比较，并输出第二次比较结果B(N-1)；

(23)根据第三次比较结果确定第3高位B(N-2)：

首先：若B(N-1)＝1，通过开关将反相端第2位权重电容组的下极板切换为与共模电压V_cm连接；若B(N-1)＝0，通过开关将同相端第2位权重电容组的下极板切换为与共模电压V_cm连接；

接着，电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行比较，并输出第三次比较结果B(N-2)；

(24)根据第k次比较结果确定第k高位B(N+1-k)，4≤k≤N-1：

首先：若B(N+2-k)＝1，通过开关将反相端第k-1位权重电容组的下极板切换为与共模电压V_cm连接；若B(N+2-k)＝0，通过开关将同相端第k-1位权重电容组的下极板切换为与共模电压V_cm连接；

接着，电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行比较，并输出第k次比较结果B(N+1-k)；

(25)根据第N次比较结果确定最低位B(1)：

首先：若B(2)＝1，通过开关将反相端终端冗余位电容组的第一下极板换为与共模电压V_cm连接；若B(2)＝0，通过开关将同相端终端冗余位电容组的第一下极板切换为与共模电压V_cm连接；

接着，电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行比较，并输出第N次比较结果B(1)；

步骤三：获得N位二进制码B[N:1]，完成模数转换。

下面结合一个实例对本发明做出进一步的说明，如果图2所示，为基于本发明的3位SAR ADC的开关切换过程及其每步转换的能耗，具体实施过程如下。

步骤一：采样阶段

如图2中的A所示，ADC处于采样阶段，此时，同相端及反相端电容阵列的上极板接V_cm，最高位权重电容下极板接输入信号，其余位电容下极板接地。

记同相端及反相端电容阵列上极板电压分别为V_P、V_N，它们也分别为比较器同相端与反相端的输入电压；记同相端及反相端电容阵列存储的电荷量为Q_P、Q_N。此时，Q_P＝(2V_cm-V_ip)×C，Q_N＝(2V_cm-V_in)×C。

步骤二：转换阶段

(21)根据第一次比较结果确定最高位B(3)

采样完成后，在图2中A的基础上，断开同相端以及反相端电容阵列上极板连接V_cm的开关，同时断开同相端以及反相端的栅压自举采样开关，同时将同相端以及反相端的最高位权重电容的下极板选择连接到V_cm，如图2中的B所示。根据电荷守恒原理，在完成电荷重分配之后，有：

此时比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行第一次比较：当V_P＞V_N(即V_ip＜V_in)时，比较器输出最高位数字码B(3)＝1；当V_P＜V_N(即V_ip＞V_in)时，比较器输出最高位数字码B(3)＝0。

从图2可以看出从采样到第一次比较完成过程中，开关切换能耗为0。

(22)根据第二次比较结果确定次高位B(2)

最高位确定后，根据最高位决定后续开关切换方式，进行次高位的判决，分为图2中C1和C2两种情况。

情况一：

对于B(3)＝1的情况，在图2中B的基础上，同相端电容阵列的最高位电容下极板从V_cm切换到地，如图2中的C1所示。根据电荷守恒原理，在完成电荷重分配之后，有：

此时比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行第二次比较：当V_P＞V_N(即)时，比较器输出次高位数字码B(2)＝1；当V_P＜V_N(即)时，比较器输出次高位数字码B(2)＝0。

情况二：

对于B(3)＝0的情况，在图2中B的基础上，反相端电容阵列的最高位电容下极板从V_cm切换到地，如图2中的C2所示。根据电荷守恒原理，在完成电荷重分配之后，有：

此时比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行第二次比较：当V_P＞V_N(即)时，比较器输出次高位数字码B(2)＝1；当V_P＜V_N(即)时，比较器输出次高位数字码B(2)＝0。

从图2可以看出从第一次比较完成到第二次比较结束过程中，开关切换能耗为0。

(23)根据第三次比较结果确定最低位B(1)：

次高位确定后，根据前两位决定后续开关切换方式，进行最低位的判决，分为图2中D1、D2、D3和D4四种情况。

情况一：

对于B(3)B(2)＝11的情况，在图2中C1的基础上，将反相端冗余位电容组的第一下极板从地切换到V_cm，如图2中的D1所示。根据电荷守恒原理，在完成电荷重分配之后，有：

此时比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行最后一次比较：当V_P＞V_N(即)时，比较器输出最低位数字码B(1)＝1；当V_P＜V_N(即)时，比较器输出最低位数字码B(1)＝0。从图2可以看出本次开关切换能耗为

情况二：

对于B(3)B(2)＝10的情况，在图2中C1的基础上，将同相端冗余位电容组的第一下极板从地切换到V_cm，如图2中的D2所示。根据电荷守恒原理，在完成电荷重分配之后，有：

此时比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行最后一次比较：当V_P＞V_N(即)时，比较器输出最低位数字码B(1)＝1；当V_P＜V_N(即)时，比较器输出最低位数字码B(1)＝0。从图2可以看出本次开关切换能耗为

情况三：

对于B(3)B(2)＝01的情况，在图2中C1的基础上，将反相端冗余位电容组的第一下极板从地切换到V_cm，如图2中的D3所示。根据电荷守恒原理，在完成电荷重分配之后，有：

此时比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行最后一次比较：当V_P＞V_N(即)时，比较器输出最低位数字码B(1)＝1；当V_P＜V_N(即)时，比较器输出最低位数字码B(1)＝0。从图2可以看出本次开关切换能耗为

情况四：

对于B(3)B(2)＝00的情况，在图2中C1的基础上，将反相端冗余位电容组的第一下极板从地切换到V_cm，如图2中的D4所示。根据电荷守恒原理，在完成电荷重分配之后，有：

此时比较器对同相输入端和反相输入端的信号进行最后一次比较：当V_P＞V_N(即)时，比较器输出最低位数字码B(1)＝1；当V_P＜V_N(即)时，比较器输出最低位数字码B(1)＝0。从图2可以看出本次开关切换能耗为

对于N位的逐次逼近型模数转换器结构，采用上述开关切换方法，每次完整的模数转换平均能耗E为：

$E=2^{N-6}{\mathrm{CV}}_{ref}^2$

其中：C为电容阵列数模转换器中单位电容的容值，V_ref为参考电压，N为大于2的自然数；

以10位逐次逼近型模数转换器为例，其在转换过程中开关切换能耗随ADC输出码变化的MATLAB仿真结果图如图3所示。由图3可以看到，本发明所提出的方法能耗很低，平均能耗只有与传统结构相比，节省了98.83％的平均能耗，并且电容总面积节省了74.7％，具备很好的经济效益。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。