一种逐次逼近型模数转换器及其开关方法与流程

本发明涉及一种逐次逼近型模数转换器及其开关方法。

背景技术：

逐次逼近型模数转换器结构简单、功耗低和面积小，广泛应用于无线传感器、植入式医学器件等对功耗和面积要求高的领域。电容阵列在逐次逼近型模数转换器中所占面积和能耗都很大。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题，在于提供一种逐次逼近型模数转换器及其开关方法，降低电容阵列开关能耗，减少电容阵列面积，降低芯片制作成本，提高经济效益。

本发明之一是这样实现的：一种逐次逼近型模数转换器，包括正向输入电压、负向输入电压、比较器、采样开关sp、采样开关sn、电容阵列以及逐次逼近寄存器控制逻辑电路，所述比较器输出端连接至所述逐次逼近寄存器控制逻辑电路，所述比较器的正向输入端通过采样开关sp连接至正向输入电压，所述比较器的负向输入端通过采样开关sn连接至负向输入电压；

电容阵列包括正向电容阵列以及负向电容阵列，所述正向电容阵列包括两个第一电容，每个所述第一电容上极板连接至比较器的正向输入端，每个所述第一电容下极板通过开关选择连接参考电压vref、vcm以及gnd；所述负向电容阵列包括msb电容阵列以及lsb电容阵列，所述msb电容阵列由二进制权重电容构成，所述msb电容阵列包括n-2个第二电容，所述lsb电容阵列由二进制权重电容构成，所述lsb电容阵列包括n-2个第二电容，所述n为逐次逼近型模数转换器的精度，所述电容的最大值为2^n-4单位电容；每个所述第二电容的上极板连接至比较器的负向输入端，每个所述第二电容的下极板通过开关选择连接参考电压vref、vcm以及gnd。

进一步地，所述vref＝2vcm，gnd＝0v。

进一步地，所述第一电容的值为c，所述c为单位电容。

进一步地，所述第二电容的最大值为2^n-4c，所述c为单位电容。

本发明之二是这样实现的：一种逐次逼近型模数转换器的开关方法，所述开关方法需提供如权利要求1至4任意一项所述的逐次逼近型模数转换器；具体包括如下步骤：

采样阶段：

正输入电压vinp通过采样开关sp的导通连接到正向电容阵列的上极板，正向电容阵列中两个单位电容中一个单位电容的下极板连接到gnd，另外一个单位电容连接到vcm；负输入电压vinn通过采样开关sn的导通连接到反向电容阵列的上极板，反向电容阵列中msb电容阵列中所有下极板连接到gnd，lsb电容阵列中所有下极板连接到vcm；

比较阶段：

首先，采样开关sp、sn断开，开始第一次比较，得到了msb；若vinp大于vinn，则反向电容阵列中的每个电容的下极板电压增加vref/2，正向电容阵列的下极板电压保持不变；反之，正向电容阵列中的每个电容的下极板增加vref/2，反向电容阵列的下极板电压保持不变；

然后开始第二次比较；若vinp大于(vinn+vref/2)，则正向电容阵列中连接到vcm的单位电容的下极板切换到gnd，比较器正输入端电压减少了vref/4，反向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp小于等于(vinn+vref/2)且大于0，则正向电容阵列中连接到gnd的单位电容的下极板切换到vcm，比较器正输入端电压增加了vref/4，反向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp大于(vinn-vref/2)且小于等于0，则正向电容阵列中的连接到vref的单位电容的下极板切换到vcm，比较器正输入端电压减少了vref/4，反向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp小于等于(vinn-vref/2)，则正向电容阵列中连接到vcm的单位电容的下极板切换到vref，比较器正输入端电压增加了vref/4，反向电容阵列的下极板电压保持不变；

紧接着进行第三次比较；若vinp大于(vinn+(3/4)vref)，则反向电容阵列中msb电容阵列中对应电容下极板从vcm切换到vref，比较器负输入端电压增加了vref/8，正向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp小于等于(vinn+(3/4)vref)且大于(vinn+(1/2)vref)，则反向电容阵列中lsb电容阵列对应电容的下极板电压从vref切换到vcm，比较器负输入端电压减少了vref/8，正向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp大于(vinn+(1/4)vref)且小于等于(vinn+(1/2)vref)，则反向电容阵列中msb电容阵列中对应电容下极板从vcm切换到vref，比较器负输入端电压增加了vref/8，正向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp小于等于(vinn+(1/4)vref)且大于vinn，则反向电容阵列中lsb电容阵列对应电容的下极板电压从vref切换到vcm，比较器负输入端电压减少了vref/8，正向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp大于(vinn-(1/4)vref)且vinp小于等于vinn，则反向电容阵列中msb电容阵列中对应电容下极板从gnd切换到vcm，比较器负输入端电压增加了vref/8，正向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp小于等于(vinn-(1/4)vref)且大于(vinn-(1/2)vref)，则反向电容阵列中lsb电容阵列对应电容的下极板电压从vcm切换到gnd，比较器负输入端电压减少了vref/8，正向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp大于(vinn-(3/4)vref)且小于等于(vinn-(1/2)vref)，则反向电容阵列中msb电容阵列中对应电容下极板从gnd切换到vcm，比较器负输入端电压增加了vref/8，正向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp小于等于(vinn-(3/4)vref)，则反向电容阵列中lsb电容阵列对应电容的下极板电压从vcm切换到gnd，比较器负输入端电压减少了vref/8，正向电容阵列的下极板电压保持不变；

依次逐级比较，直到获得lsb，完成模数转换。

本发明的优点在于：本发明一种逐次逼近型模数转换器及其开关方法，降低电容阵列开关能耗，减少电容阵列面积，降低芯片制作成本，提高经济效益；在同等精度下，与10位传统结构相比，电容面积减少了87.4％，开关过程中产生的功耗减少了99.23％。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为四位逐次逼近型模数转换器结构图；

图2为四位逐次逼近型模数转换器第一次开关切换工作原理图；

图3为四位逐次逼近型模数转换器第二次开关切换工作原理图；

图4为四位逐次逼近型模数转换器第三次开关切换工作原理图；

图5为四位逐次逼近型模数转换器第四次开关切换工作原理图；

图6为十位逐次逼近型模数转换器转换过程中开关功耗随输出码变化的matlab仿真结果。

具体实施方式

本发明逐次逼近型模数转换器，包括正向输入电压、负向输入电压、比较器、采样开关sp、采样开关sn、电容阵列以及逐次逼近寄存器控制逻辑电路，所述比较器输出端连接至所述逐次逼近寄存器控制逻辑电路，所述比较器的正向输入端通过采样开关sp连接至正向输入电压，所述比较器的负向输入端通过采样开关sn连接至负向输入电压；

电容阵列包括正向电容阵列以及负向电容阵列，所述正向电容阵列包括两个第一电容，每个所述第一电容上极板连接至比较器的正向输入端，每个所述第一电容下极板通过开关选择连接参考电压vref、vcm以及gnd；所述负向电容阵列包括msb电容阵列以及lsb电容阵列，所述msb电容阵列由二进制权重电容构成，所述msb电容阵列包括n-2个第二电容，所述lsb电容阵列由二进制权重电容构成，所述lsb电容阵列包括n-2个第二电容，所述n为逐次逼近型模数转换器的精度，所述电容的最大值为2^n-4单位电容；每个所述第二电容的上极板连接至比较器的负向输入端，每个所述第二电容的下极板通过开关选择连接参考电压vref、vcm以及gnd。

所述vref＝2vcm，gnd＝0v，所述第一电容的值为c，所述c为单位电容，所述第二电容的最大值为2^n-4c，所述c为单位电容。

本发明逐次逼近型模数转换器的开关方法，所述开关方法需提供上述的逐次逼近型模数转换器；具体包括如下步骤：

采样阶段：

正输入电压vinp通过采样开关sp的导通连接到正向电容阵列的上极板，正向电容阵列中两个单位电容中一个单位电容的下极板连接到gnd，另外一个单位电容连接到vcm；负输入电压vinn通过采样开关sn的导通连接到反向电容阵列的上极板，反向电容阵列中msb电容阵列中所有下极板连接到gnd，lsb电容阵列中所有下极板连接到vcm；

比较阶段：

首先，采样开关sp、sn断开，开始第一次比较，得到了msb；若vinp大于vinn，则反向电容阵列中的每个电容的下极板电压增加vref/2，正向电容阵列的下极板电压保持不变；反之，正向电容阵列中的每个电容的下极板增加vref/2，反向电容阵列的下极板电压保持不变；

然后开始第二次比较；若vinp大于(vinn+vref/2)，则正向电容阵列中连接到vcm的单位电容的下极板切换到gnd，比较器正输入端电压减少了vref/4，反向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp小于等于(vinn+vref/2)且大于0，则正向电容阵列中连接到gnd的单位电容的下极板切换到vcm，比较器正输入端电压增加了vref/4，反向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp大于(vinn-vref/2)且小于等于0，则正向电容阵列中的连接到vref的单位电容的下极板切换到vcm，比较器正输入端电压减少了vref/4，反向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp小于等于(vinn-vref/2)，则正向电容阵列中连接到vcm的单位电容的下极板切换到vref，比较器正输入端电压增加了vref/4，反向电容阵列的下极板电压保持不变；

紧接着进行第三次比较；若vinp大于(vinn+(3/4)vref)，则反向电容阵列中msb电容阵列中对应电容(最大电容，即2^n-4c)下极板从vcm切换到vref，比较器负输入端电压增加了vref/8，正向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp小于等于(vinn+(3/4)vref)且大于(vinn+(1/2)vref)，则反向电容阵列中lsb电容阵列对应电容的下极板电压从vref切换到vcm，比较器负输入端电压减少了vref/8，正向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp大于(vinn+(1/4)vref)且小于等于(vinn+(1/2)vref)，则反向电容阵列中msb电容阵列中对应电容下极板从vcm切换到vref，比较器负输入端电压增加了vref/8，正向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp小于等于(vinn+(1/4)vref)且大于vinn，则反向电容阵列中lsb电容阵列对应电容的下极板电压从vref切换到vcm，比较器负输入端电压减少了vref/8，正向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp大于(vinn-(1/4)vref)且vinp小于等于vinn，则反向电容阵列中msb电容阵列中对应电容下极板从gnd切换到vcm，比较器负输入端电压增加了vref/8，正向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp小于等于(vinn-(1/4)vref)且大于(vinn-(1/2)vref)，则反向电容阵列中lsb电容阵列对应电容的下极板电压从vcm切换到gnd，比较器负输入端电压减少了vref/8，正向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp大于(vinn-(3/4)vref)且小于等于(vinn-(1/2)vref)，则反向电容阵列中msb电容阵列中对应电容下极板从gnd切换到vcm，比较器负输入端电压增加了vref/8，正向电容阵列的下极板电压保持不变；若vinp小于等于(vinn-(3/4)vref)，则反向电容阵列中lsb电容阵列对应电容的下极板电压从vcm切换到gnd，比较器负输入端电压减少了vref/8，正向电容阵列的下极板电压保持不变；

依次逐级比较，直到获得lsb，完成模数转换。

下面结合附图和实施例进行详细说明。

如图1所示，以4位小面积低功耗逐次逼近型模数转换器为例，包括比较器、控制逻辑电路和电容阵列。其中电容阵列包括连接到比较器正输入端的正向电容阵列和连接到比较器负输入端的拆分结构的反向电容阵列。正向电容网络只包括两个单位电容，并且不随模数转换器的精度变化。反向电容阵列采用拆分结构，由msb电容阵列和lsb电容阵列组成，msb电容阵列和lsb电容阵列完全一致，为二进制权重。最大电容随着模数转换器精度的增加而指数增加，为2^n-4c。如图1所示，当n＝4时，最大电容为c，c为单位电容。

当n＝5时，msb电容阵列包括三个电容，其中两个电容的值为c，一个电容的值为2c；lsb电容阵列包括三个电容，其中两个电容的值为c，一个电容的值为2c；

当n＝6时，msb电容阵列包括四个电容，其中两个电容的值为c，一个电容的值为2c，一个电容的值为4c；lsb电容阵列包括四个电容，其中两个电容的值为c，一个电容的值为2c，一个电容的值为4c；

以此类推。

采样阶段

如图2(a)所示，采样开关sp、sn导通，输入信号vinp、vinn分别采样到正向电容阵列和反向电容阵列的上极板，与此同时正向电容阵列中的一个单位电容下极板连接到gnd，另外一个单位电容下极板连接到vcm；反向电容阵列中msb电容阵列的下极板连接到gnd，lsb电容阵列的下极板连接到vcm。

比较阶段

采样结束后，采样开关sp、sn打开，电容上极板断开与输入信号的连接，该过程消耗的开关能量为0，如图2(b)所示。

开始第一次比较，如果vinp-vinn大于0，则输出数字码b3为1；如果vinp-vinn小于等于0，则输出数字码b3为0；

如图3所示，如果b3为1，反向电容阵列中msb电容阵列下极板由gnd切换为vcm，lsb电容阵列下极板由vcm切换到vref，正向电容阵列保持不变，该过程消耗的开关能量为0；如果vinp-vinn小于等于0，则输出数字码b3为0，同时正向电容阵列中一个单位电容下极板由gnd切换为vcm，一个单位电容由vcm切换到vref，反向电容阵列保持不变，该过程消耗的开关能量为0；

接下来进行第二次比较，得到输出数字码b2。当b3＝1时，如果vinp-vinn大于vref/2，则输出数字码b2＝1；当b3＝1时，如果vinp-vinn小于等于vref/2，则输出数字码b2＝0；当b3＝0时，如果vinp-vinn大于-vref/2，则输出数字码b2＝1；当b3＝0时，如果vinp-vinn小于等于-vref/2，则输出数字码b2＝0；

如图4所示，当b3b2＝11时，正向电容阵列中与vcm连接的单位电容下极板切换到gnd，与gnd连接的单位电容下极板保持不变，反向电容阵列保持不变，该过程消耗的开关能量为0；当b3b2＝10时，正向电容阵列中与vcm连接的单位电容下极板保持不变，与gnd连接的单位电容下极板切换到vcm，反向电容阵列保持不变，该过程消耗的开关能量为0；当b3b2＝01时，正向电容阵列中与vref连接的单位电容下极板切换到vcm，与vcm连接的单位电容下极板保持0不变，反向电容阵列保持不变，该过程消耗的开关能量为0；当b3b2＝00时，正向电容阵列中与vcm连接的单位电容下极板切换到vref，与vref连接的单位电容下极板保持不变，反向电容阵列保持不变，该过程消耗的开关能量为0；

接下来进行第三次比较，得到b1。当b3b2＝11时，如果vinp-vinn大于(3/4)vref，则输出数字码b1＝1；当b3b2＝11时，如果vinp-vinn小于等于(3/4)vref，则输出数字码b1＝0；当b3b2＝10时，如果vinp-vinn大于(1/4)vref，则输出数字码b1＝1；当b3b2＝10时，如果vinp-vinn小于等于(1/4)vref，则输出数字码b1＝0；当b3b2＝01时，如果vinp-vinn大于(-1/4)vref，则输出数字码b1＝1；当b3b2＝01时，如果vinp-vinn小于等于(-1/4)vref，则输出数字码b1＝0；当b3b2＝00时，如果vinp-vinn大于(-3/4)vref，则输出数字码b1＝1；当b3b2＝00时，如果vinp-vinn小于等于(-3/4)vref，则输出数字码b1＝0；

如图5所示，当b3b2b1＝111时，反向电容阵列中msb电容阵列中对应的电容(最大电容)下极板从vcm切换到vref，其余电容下极板保持不变，该过程消耗的开关能量为(1/16)cvref²；当b3b2b1＝110时，反向电容阵列中lsb电容阵列中对应电容(最大电容)下极板从vref切换到vcm，其余电容下极板保持不变，该过程消耗的开关能量为(1/16)cvref²；当b3b2b1＝101时，反向电容阵列中msb电容阵列中对应的电容(最大电容)下极板从vcm切换到vref，其余电容下极板保持不变，该过程消耗的开关能量为(1/16)cvref²；当b3b2b1＝100时，反向电容阵列中lsb电容阵列中对应电容(最大电容)下极板从vref切换到vcm，其余电容下极板保持不变，该过程消耗的开关能量为(1/16)cvref²；当b3b2b1＝011时，反向电容阵列中msb电容阵列中对应的电容(最大电容)下极板从gnd切换到vcm，其余电容下极板保持不变，该过程消耗的开关能量为(1/16)cvref²；当b3b2b1＝010时，反向电容阵列中lsb电容阵列中对应电容(最大电容)下极板从vcm切换到gnd，其余电容下极板保持不变，该过程消耗的开关能量为(1/16)cvref²；当b3b2b1＝001时，反向电容阵列中msb电容阵列中对应的电容(最大电容)下极板从gnd切换到vcm，其余电容下极板保持不变，该过程消耗的开关能量为(1/16)cvref²；当b3b2b1＝000时，反向电容阵列中lsb电容阵列中对应电容下极板从vcm切换到gnd，其余电容下极板保持不变，该过程消耗的开关能量为(1/16)cvref²；

接下来进行第四次比较，得到b0。当b3b2b1＝111时，如果vinp-vinn大于(7/8)vref，则输出数字码b0＝1；当b3b2b1＝111时，如果vinp-vinn小于等于(7/8)vref，则输出数字码b0＝0；当b3b2b1＝110时，如果vinp-vinn大于(5/8)vref，则输出数字码b0＝1；当b3b2b1＝110时，如果vinp-vinn小于等于(5/8)vref，则输出数字码b0＝0；当b3b2b1＝101时，如果vinp-vinn大于(3/8)vref，则输出数字码b0＝1；当b3b2b1＝101时，如果vinp-vinn小于等于(3/8)vref，则输出数字码b0＝0；当b3b2b1＝100时，如果vinp-vinn大于(1/8)vref，则输出数字码b0＝1；当b3b2b1＝100时，如果vinp-vinn小于等于(1/4)vref，则输出数字码b0＝0；当b3b2b1＝011时，如果vinp-vinn大于(-1/8)vref，则输出数字码b0＝1；当b3b2b1＝011时，如果vinp-vinn小于等于(-1/8)vref，则输出数字码b0＝0；当b3b2b1＝010时，如果vinp-vinn大于(-3/8)vref，则输出数字码b0＝1；当b3b2b1＝010时，如果vinp-vinn小于等于(-3/8)vref，则输出数字码b0＝0；当b3b2b1＝001时，如果vinp-vinn大于(-5/8)vref，则输出数字码b0＝1；当b3b2b1＝001时，如果vinp-vinn小于等于(-5/8)vref，则输出数字码b0＝0；当b3b2b1＝000时，如果vinp-vinn大于(-7/8)vref，则输出数字码b0＝1；当b3b2b1＝000时，如果vinp-vinn小于等于(-7/8)vref，则输出数字码b0＝0；

对于n位逐次逼近型模数转换器，采用本发明提供的开关方法，其转换过程中平均开关功耗符合公式：

其中：n为模数转换器的精度；i为位转换周期序号；c为电容阵列中单位电容的电容值，vref为模数转换器的电源电压高电平。

如图6所示，以10位逐次逼近型模数转换器为例，其在转换过程中开关能耗随数字输出码变化的matlab仿真结果图。可以看到，本发明所提出的开关方法能耗很低，与传统结构相比，节省了99.23％的平均能耗，并且电容总面积节省了87.4％，具备很好的经济效益。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。