一种用于逐次逼近型模数转换器的数模转换电路的制作方法

1.本实用新型涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种用于逐次逼近型模数转换器的数模转换电路。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，超大规模集成电路的成本不断降低，使得很多模拟的功能模块逐渐都转换为数字的方式实现，因此，模数转换器的应用已经广泛的推广到许多电子系统中——即数字信号处理系统，然而现实世界中的信号一直是连续的模拟信号，因此需要模数转换器将模拟信号转换为数字信号。逐次逼近模数转换器(sar adc)是低采样率(5msps)的中高精度应用结构，由于它本身结构简单，尺寸小，功耗低，具有广泛的应用。
3.其中，电容型dac(数字模拟转换器)的是目前最常用的一种结构，它是基于电容阵列电荷再分配实现数模转换。由于cmos工艺中电容之间的匹配高于电阻匹配，所以这种结构可以实现较高的精度。另外，由于这种结构是基于开关电容方式，因此不存在静态功耗，所以已经成为目前sar adc的主流结构。
4.由于在高精度的应用中，最低位电容和最高位电容之间存在很大的比值，例如对于12位精度，最大电容和最小电容的比值是2048:1。这将占用很大的芯片面积。为了解决这个问题，采用了分段电容阵列结构。但是传统的电容型模数转换器电路精度不高，无法达到很高的性能。所以如何提供一种高精度的用于逐次逼近模数转换器的数模转换电路是本领域技术人员急需解决的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种用于逐次逼近型模数转换器的数模转换电路，具有较高的精度。
6.为解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于逐次逼近模数转换器的数模转换电路，包括高位电容阵列、缩放电容阵列、低位电容阵列、储能电容阵列、开关阵列；
7.所述低位电容阵列包括低位电容，所述高位电容阵列包括高位电容；所述缩放电容阵列包括低位补充电容、高位补充电容和桥接电容，所述低位电容阵列通过所述桥接电容与所述高位电容阵列相连接后，与比较器的一端连接，所述储能电容阵列与所述比较器的另一端连接；所述低位电容、所述低位补充电容、所述高位电容与所述高位补充电容均与所述开关阵列连接；所述高位补充电容与所述高位电容相并联；所述低位补充电容与所述低位电容相并联，以调整所述低位电容阵列与所述低位补充电容共同的电容值，使所述桥接电容由整数个单位电容并联形成。
8.可选的，所述低位电容阵列包括5bit低位电容，所述高位电容阵列包括7bit高位电容。
9.可选的，所述桥接电容的电容值为2倍单位电容值；所述低位补充电容的电容值为31倍单位电容值。
10.可选的，所述高位补充电容的电容值为16倍单位电容值。
11.可选的，所述单位电容为mom电容。
12.可选的，所述单位电容的周围设置有隔离保护环，所述隔离保护环与对应所述单位电容具有相同层次金属。
13.可选的，所述高位电容阵列对应的单位电容、所述缩放电容阵列对应的单位电容、所述低位电容阵列对应的单位电容、所述储能电容阵列对应的单位电容分布形成电容阵列版图，形成所述储能电容阵列中储能电容的单位电容分布于所述电容阵列版图的外圈。
14.可选的，所述储能电容的电容值为62倍单位电容值。
15.本实用新型所提供的一种用于逐次逼近模数转换器的数模转换电路，包括高位电容阵列、缩放电容阵列、低位电容阵列、储能电容阵列、开关阵列；低位电容阵列包括低位电容，高位电容阵列包括高位电容；缩放电容阵列包括低位补充电容、高位补充电路和桥接电容，低位电容阵列通过桥接电容与高位电容阵列相连接后，与比较器的一端连接；比较器的另一端与储能电容阵列连接；低位电容、低位补充电容、高位电容与高位补充电容均与开关阵列连接；低位补充电容与低位电容相并联，以调整低位电容阵列与低位补充电容共同的电容值，使桥接电容由整数个单位电容并联形成。
16.通过设置与低位补充电容，调整低位电容阵列与其并联的低位补充电容整体的电容值，与高位电容阵列电容值的比例，可以使桥接电容由整数个单位电容并联形成，使桥接电容的电容值为单位电容值的整数倍，并利于巧妙的版图设计，省去了原本电容阵列外围的虚拟电容。本设计使桥接电容匹配更好、寄生电容更小，克服了传统方案桥接电容由于不是单位电容的整数倍，在版图设计中很难匹配，精度不高，非线性的问题，本设计具有结构简单、布局合理、信号路径清晰、匹配程度高的优点，实现了性能较好的模数转换器。
17.本实用新型还提供了一种模数转换电路，同样具有上述有益效果，在此不再进行赘述。
附图说明
18.为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为现有技术中用于逐次逼近模数转换器的数模转换电路的结构示意图；
20.图2为本实用新型实施例所提供的一种用于逐次逼近模数转换器的数模转换电路的结构示意图；
21.图3为本实用新型实施例所提供的一种电容阵列版图的结构示意图。
22.图中：100.高位电容阵列、200.缩放电容阵列、300.低位电容阵列、400.储能电容阵列、500.开关阵列。
具体实施方式
23.本实用新型的核心是提供一种用于逐次逼近模数转换器的数模转换电路。请参考图1，图1为现有技术中用于逐次逼近模数转换器的数模转换电路的结构示意图。在现有技
术中，如图1所示，该结构中由高七位电容阵列和低五位电容阵列通过一个桥接电容cs级联，假设单位电容为c，那么则有：c＝1/(1/cs+1/32c)，从而得到：1/cs＝1/c-1/32c＝31/32c，所以cs＝32c/31，这样就可以保证从高往低位每一位之间的二倍关系。
24.上述传统的电容型模数转换器电路可以实现数模转换功能，但其中一个主要的问题是桥接电容cs不是不是单位电容的整数倍，这样在版图设计中很难匹配，而且精度不高，会影响模数转换器的权重关系，从而带来非线性，传统的电容型模数转换器电路无法克服这个问题，达到很高的性能。
25.而本实用新型所提供的一种用于逐次逼近模数转换器的数模转换电路的数模转换电路，包括高位电容阵列、缩放电容阵列、低位电容阵列、储能电容阵列、开关阵列；低位电容阵列包括低位电容，高位电容阵列包括高位电容；缩放电容阵列包括低位补充电容、高位补充电容和桥接电容，低位电容阵列通过桥接电容与高位电容阵列相连接后，与比较器的一端连接；比较器的另一端与储能电容阵列连接；低位电容、低位补充电容、高位电容与高位补充电容均与开关阵列连接；低位补充电容与低位电容相并联，以调整低位电容阵列与低位补充电容共同的电容值，使桥接电容由整数个单位电容并联形成。
26.通过设置与低位补充电容，调整低位电容阵列与其并联的低位补充电容整体的电容值，与高位电容阵列电容值的比例，可以使桥接电容由整数个单位电容并联形成，使桥接电容的电容值为单位电容值的整数倍，并利于巧妙的版图设计，省去了原本电容阵列外围的虚拟电容。本设计使桥接电容匹配更好、寄生电容更小，克服了传统方案桥接电容由于不是单位电容的整数倍，在版图设计中很难匹配，精度不高，非线性的问题，本设计具有结构简单、布局合理、信号路径清晰、匹配程度高的优点，实现了性能较好的模数转换器。
27.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.请参考图2，图2为本实用新型实施例所提供的一种用于逐次逼近型模数转换器的数模转换电路结构示意图。
29.参见图2，在本实用新型实施例中，数模转换电路包括高位电容阵列100、缩放电容阵列200、低位电容阵列300、储能电容阵列400、开关阵列500；所述低位电容阵列300包括低位电容cl4、cl3
…
cl1、cl0，所述高位电容阵列100包括高位电容cm6、cm5
…
cm1、cm0；所述缩放电容阵列200包括低位补充电容cl、高位补充电容cm和桥接电容cs；所述储能电容阵列400包括储能电容cc；所述开关阵列500包括若干个单刀三掷开关；所述低位电容阵列300与缩放电容阵列200和开关阵列500相连；所述缩放电容阵列200与低位电容阵列300、高位电容阵列100和开关阵列500相连；所述高位电容阵列100与缩放电容阵列200、开关阵列500和比较器的负输入端相连；所述开关阵列500与低位电容阵列300、缩放电容阵列200和高位电容阵列100相连；所述储能电容阵列400与所述比较器的正输入端连接。
30.上述高位电容阵列100与低位电容阵列300主要包括整个用于逐次逼近模数转换器的数模转换电路中对应不同权重的电容，例如，对于12位逐次逼近型模数转换器，则上述高位电容阵列100本设计为高七位电容阵列，即高位电容阵列100包括7bit高位电容；相应的低位电容阵列300本设计为低五位电容阵列，即低位电容阵列300包括5bit低位电容，使
得整个逐次逼近型模数转换器分别对应不同权重的12位电容。当然，在本实用新型实施例中对于高位电容阵列100以及低位电容阵列300具体对应的电容数量并不做具体限定，视具体情况而定。在本实用新型实施例中，需要保证从高位电容阵列100到第位电容阵列的各个电容的电压以二倍关系线性变化，从而起到逐次逼近型模数转换器的功能。
31.以12位逐次逼近型模数转换器为例，加入低位电容阵列300包括一位电容至五位电容共五个电容，高位电容阵列100包括六位电容至十二位电容共七个电容，为了保证从一位电容值十二位电容的电压均以二倍关系递增，在同一电容阵列，例如同在低位电容阵列300的一位电容至五位电容共五个电容之间，可以通过设置不同数量的单位电容并联从而实现电压以二倍关系递增，例如从一位电容至五位电容依次设置1、2、4、8、16个单位电容并联，同理高位电容阵列100从六位电容至十二位电容可以依次设置1、2、4、8、16、32、64个单位电容并联以实现电压以二倍关系递增。而上述缩放电容阵列200用于保证五、四、三、二、一位电容相对与第六位电容电压是以二倍关系递减的，从而形成逐次逼近型模数转换器。
32.上述缩放电容阵列200包括低位补充电容、桥接电容和高位补充电容，所述低位电容阵列300通过所述桥接电容与所述高位电容阵列100相连接后，与所述比较器的一端连接。即上述桥接电容主要用于实现低位电容阵列300与高位电容阵列100之间的连接，而低位补充电容主要用于实现对桥接电容对应电容值的调整。而上述相互连接的高位电容阵列100与低位电容阵列300会与比较器的一输入端连接，其通常会连接比较器的正输入端；该比较器的另一端会与储能电容阵列400连接，其通常会连接比较器的负输入端。上述储能电容阵列400通常由多个储能电容并联形成，该储能电容阵列400用于在采样阶段进行充电，在比较阶段给比较器提供vcm电压。有关储能电容阵列400的具体结构将在下述实用新型实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。有关比较器的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。
33.上述高位电容阵列100、缩放电容阵列200、低位电容阵列300均需要连接开关阵列500，该开关阵列500通常包括有地线gnd，参考电压信号线vref，以及出入电压信号线vin，上述高位电容阵列100以及低位电容阵列300中的各个电容需要与开关阵列500中对应的信号线连接，其具体连接方式可以根据实际情况自行设定，在此不做具体限定。上述低位补充电容通常需要与地线连接，而桥接电容通常不会与开关阵列500直接连接。
34.具体的，在本实用新型实施例中，所述储能电容阵列400包括储能电容；所述开关阵列500包括多个单刀三掷开关，从而实现其功能；所述低位电容阵列300与缩放电容阵列200和开关阵列500相连；所述缩放电容阵列200与低位电容阵列300、高位电容阵列100和开关阵列500相连；所述高位电容阵列100与缩放电容阵列200、开关阵列500和比较器的负输入端相连；所述开关阵列500与低位电容阵列300、缩放电容阵列200和高位电容阵列100相连；所述储能电容阵列400与所述比较器的正输入端连接。
35.在本实用新型实施例中，低位补充电容与所述低位电容相并联，以调整所述低位电容阵列300与所述低位补充电容共同的电容值，使所述桥接电容由整数个单位电容并联形成，即使得桥接电容的电容值为单位电容值的整数倍。有关缩放电容阵列200的具体内容将在下述实用新型实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。
36.具体的，在本实用新型实施例中上述缩放电容阵列200还可以包括高位补充电容，所述高位补充电容与所述高位电容相并联。该高位补充电容具体用于降低每一位电容，包
括上述第一位电容至第十二位电容在使用过程中的电压变化，一定程度上进一步优化了线性度。上述高位补充电容需要与高位电容相并联，该高位补充电容通常需要与地线连接。有关高位补充电容的具体内容将在下述实用新型实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。
37.具体的，在本实用新型实施例中，低位电容的上极板连接在一起，并和低位补充电容的上极板，以及桥接电容的上极板连接，低位电容的下极板分别连接外部的开关阵列500，用于分配低位权重的电荷；低位补充电容的上极板和桥接电容的上极板，以及低位电容的上极板相接，该低位补充电容的下极板和地线gnd相接。
38.上述高位电容的上极板通常连接在一起，并和桥接电容的下极板，以及高位补充电容的上极板连接，高位电容的下极板分别接外部的开关阵列500，用于分配高位权重的电荷；高位补充电容的上极板和桥接电容的下极板，以及高位电容的上极板相接，该高位补充电容下极板和地线gnd相接。
39.上述桥接电容的上极板和低位电容阵列300的上极板，以及低位补充电容的上极板连接在一起，用于调整低位电容阵列300的电荷权重，使其与高位电容阵列100维持二倍的等比数列关系。而上述储能电容阵列400中的储能电容的上极板需要和vcm电压相接，下极板需要和地线gnd相接。
40.本实用新型实施例所提供的一种用于逐次逼近模数转换器的数模转换电路，在确保数模转换器每两位之间两倍的权重关系的前提下，使其桥接电容为单位电容的整数倍，并利于巧妙的版图设计，省去了原本电容阵列外围的虚拟电容。本设计使桥接电容匹配更好、寄生电容更小，克服了传统方案桥接电容由于不是单位电容的整数倍，在版图设计中很难匹配，精度不高，非线性的问题，本设计具有结构简单、布局合理、信号路径清晰、匹配程度高的优点，实现了性能较好的模数转换器。
41.有关本实用新型所提供的一种用于逐次逼近模数转换器的数模转换电路的具体结构将在下述实用新型实施例中做详细介绍。
42.请参考图3，图3为本实用新型实施例所提供的一种电容阵列版图的结构示意图。
43.区别于上述实用新型实施例，本实用新型实施例是在上述实用新型实施例的基础上，进一步的对用于逐次逼近模数转换器的数模转换电路的结构进行限定。其余内容已在上述实用新型实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。
44.在本实用新型实施例中，所述低位电容阵列300包括5bit低位电容，所述高位电容阵列100包括7bit高位电容。即在本实用新型实施例中，低位电容阵列300为低五位电容阵列，其包括低位电容cl0～cl4，其同一bit内单位电容并联连接，每bit单位电容个数分别是1、2、4、8、16；相应的，高位电容阵列100为高七位电容阵列，其包括高位电容cm0～cm6，其同一bit内单位电容并联连接，每bit单位电容个数分别是1、2、4、8、16、32、64；相应的，上述缩放电容阵列200中包括低位补充电容cl，桥接电容cs和高位补充电容cm，在本实用新型实施例中所述桥接电容的电容值为2倍单位电容值；所述低位补充电容的电容值为31倍单位电容值。即上述桥接电容为由两个单位电容并联构成，地为补充电容为由31个单位电容并联构成。
45.在本实用新型实施例中，假设c
mt
为高位电容阵列100与高位补充电容共同构成的电容阵列的电容值，即c
mt
＝高位电容阵列100+高位补充电容；cs为桥接电容的电容值，即cs＝桥接电容；c
lt
为低位电容阵列300与低位补充电容共同构成的电容阵列的电容值，即c
lt
＝低位电容阵列300+低位补充电容；cm为高位补充电容的电容值，cl为低位补充电容的电容值，电容cm0下极板电压变化vr，cm0上极板电压变化为v
o1
，单位电容的电容值为c，那么，可以推出：
[0046]vo1
＝c(cs+c
lt
)
×vr
/(c
mt
×
(cs+c
lt
)+csc
lt
)；
[0047]
若电容cl4下极板电压变化vr，cl4上极板电压变化为v
o2
，那么，可以推出：
[0048]vo2
＝2
(5-1)
×
cs
×c×vr
/(c
mt
×
(cs+c
lt
)+csc
lt
)；
[0049]
若要使得v
o1
＝2v
o2
，则：
[0050]
cs+c
lt
＝2
×24
×
cs
×
c；
[0051]
若设置桥接电容cs为2c，可以得到cl＝31c。此时可以保证桥接电容的电容值为单位电容的整数倍。
[0052]
进一步的，在本实用新型实施例中可以将高位补充电容cm的电容值设计为16c，即使得高位补充电容的电容值为16倍单位电容值，通过16个单位电容并联形成高位补充电容，它可以用来降低每一位电容电压的变化，通过仿真确认，增加高位补充电容cm后，每一位电容的变化降低了100mv左右，从而在一定程度上进一步优化了线性度。
[0053]
进一步的，在本实用新型实施例中，所述单位电容为mom电容。在现有技术中，由于桥接电容的电容值并非单位电容的整数倍，因此在现有技术中一般选用失配较低的金属-绝缘体-金属(mim)电容，但是相对于金属-氧化物-金属(mom)电容，mim电容比mom电容多了一层掩模版(mask)，增加了制造成本。而由于本实用新型实施例具体可以使得桥接电容由整数个单位电容并联形成，因此具体可以选用成本更低的mom电容，从而有效降低逐次逼近型模数转换器的制作成本。通常情况下，在本实用新型实施例中作为单位电容的mom电容通常采用同一层金属叉指或不同层金属构成，而不同层的金属在极板端用通孔连接。
[0054]
优选的，在本实用新型实施例中，所述单位电容的周围设置有隔离保护环，所述隔离保护环与对应所述单位电容具有相同层次金属。即在单位电容的四周可以进一步设置隔离保护环，该隔离保护环具有与被包围单位电容相同层次的金属，以包围对应的单位电容。所谓相同层次例如本实用新型实施例中某一被包围的单位电容用到了共5层金属，则围绕该单位电容的隔离保护环则同样具有5层金属来包围该单位电容。该隔离保护环需要连接独立地电位，以减小电容直接的串扰，防止其他模块产生的噪声通过电源和地网络传导到数字模拟转换器。
[0055]
在本实用新型实施例中，所述高位电容阵列100对应的单位电容、所述缩放电容阵列200对应的单位电容、所述低位电容阵列300对应的单位电容、所述储能电容阵列400对应的单位电容分布形成电容阵列版图，形成所述储能电容阵列400中储能电容的单位电容分布于所述电容阵列版图的外圈。
[0056]
即在本实用新型实施例中各个单位电容会以如图3的形式分布，形成电容阵列版图。首先需要说明的是，在电容阵列版图的行间留有一定距离用来放置金属连接线作为电容的连出线，各个单位电容的上极板通常作为电容阵列的公共端，而各个单位电容的下级板通常作为电容的连出端。在本实用新型实施例中，形成所述储能电容阵列400中储能电容的单位电容分布于所述电容阵列版图的外圈，即电容阵列版图最外层有一圈连接vcm的储能电容cc。
[0057]
在现有技术中，除了使用mim电容会增加制作成本之外，传统的电容型数模转换器
电路，在电容阵列的周围，为了保证电容环境的一致性，一般需要在电容阵列周围画一圈虚拟电容，这样增加了电容阵列的面积，也增加了制造成本。而上述位于电容阵列版图最外层的储能电容cc既能够在采样阶段抵消比较器负端的一部分因时钟馈通效应引入的电荷，又能够在转换阶段为比较器提供幅度为vcm的电压，而且在版图上还可以作为整个电容阵列的虚拟电容，保证电容阵列版图中有效电容环境的一致性。
[0058]
如图3所示，在本实用新型实施例中各个电容设置的宗旨在于尽力保持电容的对称性。因此，通常会将桥接电容cs居中放置，低位电容cl0至cl4放置在电容阵列版图的左边，以桥接电容cs的中心轴为对称轴放置，低位补充电容cl包围低位电容cl0至cl4，且以桥接电容cs的中心轴为对称轴放置；右侧放置高位电容cm0至cm6，同样以桥接电容cs的中心轴为对称轴放置，同时由于高位电容数量多于低位电容，因此cm6位的电容会包围住低位电容阵列300和高位电容阵列100。电容阵列的最外侧为储能电容cc，在采样阶段抵消比较器负端的一部分因时钟馈通效应引入的电荷，又能够在转换阶段为比较器提供幅度为vcm的电压，而且在版图上作为电容阵列的虚拟电容，保证电容阵列版图中有效电容环境的一致性。具体的，在本实用新型实施例中所述储能电容的电容值为62倍单位电容值，即整个储能电容包括62个单位电容，其正好可以环绕整个电容阵列版图最外层一周，从而保证电容阵列版图中有效电容环境的一致性。
[0059]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
[0060]
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0061]
以上对本实用新型所提供的一种用于逐次逼近模数转换器的数模转换电路进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。