一种电荷重分频数模转化器和主次逼近型模数转化器的制作方法

本发明涉及数模转化器技术领域，特别涉及一种具有共模电压稳定功能的电荷重分频数模转化器。

背景技术：

电荷重分配型数模转换器常见的结构由基于共模切换的数模转换器(vcm-basedswitching)和单调切换型数模转换器(monotonicswitching)。前者的输出电压基于共模电压对称，因此不存在比较器的动态直流失调；但是该结构相对后者需要多一个共模参考电压，本身需要较大的直流功耗，且共模电平处于vdd/2，使得开关的导通电阻较大，不利于高速应用，且数模转换器的控制开关比较复杂。后者具有电路简单的优势，但是由于数模转换器的输出向电源或者地电位单调变化，因此数模转换器的输出共模电压会一直降低或者升高，这使得dac后面的比较器存在动态的直流失调。

针对单调切换型数模转换器中存在共模电压变化问题，主要有两种解决方案。第一种是在数模转换器中额外增加一个补偿电容阵列，使数模转换器的差分输出端同时抬升一个电压值以补偿共模电压的变化。该方案有个显著的缺点，那就是电容补偿阵列会改变原有数模转换器的电容比例，导致整个逐次逼近数模转换器的反馈系数改变。第二种办法就是将原有的单调切换型数模转换器的其中某一位或几位(一般为次高位)的单调变化方向，以此来补偿共模电压的改变，该办法不会改变原有数模转换器的电容比例，但是数模转换器的输出共模电压仍然存变化。

技术实现要素：

为了解决现有电荷重分配型数模转换器中的共模电压变动的问题，本发明实施例提供了一种电荷重分频数模转化器和主次逼近型模数转化器。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种电荷重分频数模转化器，包括：多位数模转化电路，每位所述数模转化电路包括：用于控制所述数模转化电路输出电压单调减小或增加的第一单调切换电路和用于控制所述数模转化电路输出电压单调增加或减小的第二单调切换电路，

所述第一单调切换电路单调减小的幅度与所述第二单调切换电路单调增加的幅度相同，或者，所述第一单调切换电路单调增加的幅度与所述第二单调切换电路单调减小的幅度相同。

在本发明实施例上述的电荷重分频数模转化器中，所述第一单调切换电路包括：第一电容、第二电容、第一电容开关、第二电容开关；所述第一电容的上级板分别比较器的第一输入端和与第一差分输入信号连接的第一输入采样开关连接，所述第一电容的下级板与所述第一电容开关连接；所述第二电容的上级板分别比较器的第一输入端和与第二差分输入信号连接的第二输入采样开关连接，所述第二电容的下级板与所述第二电容开关连接；

所述第二单调切换电路包括：第三电容、第四电容、第三电容开关、第四电容开关，所述第三电容的上级板分别比较器的第二输入端和第一输入采样开关连接，所述第三电容的下级板与所述第三电容开关连接；所述第四电容的上级板分别比较器的第二输入端和第二输入采样开关连接，所述第四电容的下级板与所述第四电容开关连接；

比较器的输出端与控制电路连接，控制电路还分别与第一电容开关、第二电容开关、第三电容开关、第四电容开关连接；

初始时，第一电容开关、第二电容开关均与参考电压相连，第三电容开关、第四电容开关均接地；当第一差分输入信号大于第二差分输入信号时，第一电容开关受控制电路控制切换到接地，第四电容开关受控制电路控制切换到参考电压；当第一差分输入信号大于第二差分输入信号时，第二电容开关受控制电路控制切换到参考电压，第三电容开关受控制电路控制切换到接地。

在本发明实施例上述的电荷重分频数模转化器中，所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容、所述第四电容的电容值相等。

在本发明实施例上述的电荷重分频数模转化器中，多位所述数模转化电路按最高位到最低位的顺序排列，或者，按最低位到最高位的顺序排列。

在本发明实施例上述的电荷重分频数模转化器中，多位所述数模转化电路中，相邻位之间高位数模转化电路的电容值为低位数模转化电路的电容值的2倍。

另一方面，本发明实施例提供了一种主次逼近型模数转化器，包括：电荷重分频数模转化器、比较器、控制电路，比较器的输出端与控制电路连接，

所述电荷重分频数模转化器包括：用于控制所述数模转化电路输出电压单调减小或增加的第一单调切换电路和用于控制所述数模转化电路输出电压单调增加或减小的第二单调切换电路，

所述第一单调切换电路单调减小的幅度与所述第二单调切换电路单调增加的幅度相同，或者，所述第一单调切换电路单调增加的幅度与所述第二单调切换电路单调减小的幅度相同。

在本发明实施例上述的主次逼近型模数转化器中，还包括：与第一差分输入信号连接的第一输入采样开关、与第二差分输入信号连接的第二输入采样开关，

所述第一单调切换电路包括：第一电容、第二电容、第一电容开关、第二电容开关；所述第一电容的上级板分别比较器的第一输入端和第一输入采样开关连接，所述第一电容的下级板与所述第一电容开关连接；所述第二电容的上级板分别比较器的第一输入端和第二输入采样开关连接，所述第二电容的下级板与所述第二电容开关连接；

所述第二单调切换电路包括：第三电容、第四电容、第三电容开关、第四电容开关，所述第三电容的上级板分别比较器的第二输入端和第一输入采样开关连接，所述第三电容的下级板与所述第三电容开关连接；所述第四电容的上级板分别比较器的第二输入端和第二输入采样开关连接，所述第四电容的下级板与所述第四电容开关连接；控制电路还分别与第一电容开关、第二电容开关、第三电容开关、第四电容开关连接；

初始时，第一电容开关、第二电容开关均与参考电压相连，第三电容开关、第四电容开关均接地；当第一差分输入信号大于第二差分输入信号时，第一电容开关受控制电路控制切换到接地，第四电容开关受控制电路控制切换到参考电压；当第一差分输入信号大于第二差分输入信号时，第二电容开关受控制电路控制切换到参考电压，第三电容开关受控制电路控制切换到接地。

在本发明实施例上述的主次逼近型模数转化器中，所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容、所述第四电容的电容值相等。

在本发明实施例上述的主次逼近型模数转化器中，多位所述数模转化电路按最高位到最低位的顺序排列，或者，按最低位到最高位的顺序排列。

在本发明实施例上述的主次逼近型模数转化器中，多位所述数模转化电路中，相邻位之间高位数模转化电路的电容值为低位数模转化电路的电容值的2倍。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过将数模转化电路设置为第一单调切换电路和第二单调切换电路，每次数模转化器完成转换时，第一单调切换电路单调减小的幅度与第二单调切换电路单调增加的幅度相同，或者，第一单调切换电路单调增加的幅度与第二单调切换电路单调减小的幅度相同，这样第一单调切换电路和第二单调切换电路增加和减小的幅度相互抵消，实现了稳定共模电压的目的，同时，该数模转化器在不额外增加电路模块的前提下，仅通过改变原有开关的切换方式，可以达到使数模转换器输出共模电压始终稳定的效果，电路成本低、可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1是本发明实施例一提供的一种主次逼近型模数转化器的结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的一种主次逼近型模数转化器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供了一种电荷重分频数模转化器，适用于构建主次逼近型模数转化器，参见图1，该电荷重分频数模转化器可以包括：多位数模转化电路10，每位数模转化电路10可以包括：用于控制数模转化电路10输出电压单调减小或增加的第一单调切换电路100和用于控制数模转化电路10输出电压单调增加或减小的第二单调切换电路200，每次该数模转化器完成转换时，第一单调切换电路100单调减小的幅度与第二单调切换电路200单调增加的幅度相同，或者，第一单调切换电路100单调增加的幅度与第二单调切换电路200单调减小的幅度相同。需要说明的是，图1中虽然仅描述了一位数模转化电路10，但是电荷重分频数模转化器的其他数模转化电路10的结构与其相同，有所区别的是电路中电容的规格选取，图2中就描述了多位数模转化电路10。

在本实施例中，该电荷重分频数模转化器将每位数模转化电路10中的电容二等分，将其中一半电容连接成单调递增的结构，将另一半连接成单调递减的结构，两部分电路增加和减小的幅度相互抵消以实现稳定共模电压的目的。该电荷重分频数模转化器在不额外增加电路模块的前提下，仅通过改变原有开关的切换方式，可以达到使数模转换器输出共模电压始终稳定的效果，电路成本低、可靠性高。

具体地，参见图1，第一单调切换电路100可以包括：第一电容c1、第二电容c2、第一电容开关sip1、第二电容开关sin1；第一电容c1的上级板分别比较器20的第一输入端和与第一差分输入信号vip连接的第一输入采样开关s1连接，第一电容c1的下级板与第一电容开关sip1连接；第二电容c2的上级板分别比较器20的第一输入端和与第二差分输入信号vin连接的第二输入采样开关s2连接，第二电容c2的下级板与第二电容开关sin1连接。

第二单调切换电路200可以包括：第三电容c3、第四电容c4、第三电容开关sin2、第四电容开关sip2，第三电容c3的上级板分别比较器20的第二输入端和与第一差分输入信号vip连接的第一输入采样开关s1连接，第三电容c3的下级板与第三电容开关sin2连接；第四电容c4的上级板分别比较器20的第二输入端和与第二差分输入信号vin连接的第二输入采样开关s2连接，第四电容c4的下级板与第四电容开关sip2连接。第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4的电容值相等。

比较器20的输出端与控制电路30连接，控制电路30还分别与第一电容开关sip1、第二电容开关sin1、第三电容开关sin2、第四电容开关sip2连接。

初始时(即默认状态下)，第一电容开关sip1、第二电容开关sin1均与参考电压vref相连，第三电容开关sin2、第四电容开关sip2均接地；当第一差分输入信号vip大于第二差分输入信号vin时，第一电容开关sip1受控制电路30控制切换到接地，第四电容开关sip2受控制电路30控制切换到参考电压vref，同时，第二电容开关sin1和第三电容开关sin2保持不变，这样完成一次转化后，第一差分输入信号vip将减小vref/4，第二差分输入信号vin将增大vref/4；当第一差分输入信号vip大于第二差分输入信号vin时，第二电容开关sin1受控制电路30控制切换到参考电压vref，第三电容开关sin2受控制电路30控制切换到接地，同时，第一电容开关sip1和第四电容开关sip2保持不变，这样完成一次转化后，第一差分输入信号vip将增大vref/4，第二差分输入信号vin将减小vref/4。由此可知，每次数模转换器的转换完成之后，第一差分输入信号vip和第二差分输入信号vin的电压将以极性相反幅度相等的方式变化，由此维持共模电压不变。

可选地，电荷重分频数模转化器中，多位数模转化电路10可以按最高位到最低位的顺序排列，或者，按最低位到最高位的顺序排列。

进一步地，多位数模转化电路10中，相邻位之间高位数模转化电路的电容值为低位数模转化电路的电容值的2倍。

本发明实施例通过将数模转化电路设置为第一单调切换电路和第二单调切换电路，每次数模转化器完成转换时，第一单调切换电路单调减小的幅度与第二单调切换电路单调增加的幅度相同，或者，第一单调切换电路单调增加的幅度与第二单调切换电路单调减小的幅度相同，这样第一单调切换电路和第二单调切换电路增加和减小的幅度相互抵消，实现了稳定共模电压的目的，同时，该数模转化器在不额外增加电路模块的前提下，仅通过改变原有开关的切换方式，可以达到使数模转换器输出共模电压始终稳定的效果，电路成本低、可靠性高。

实施例二

本发明实施例提供了一种主次逼近型模数转化器，采用了实施例一所述的电荷重分频数模转化器，参见图2，该主次逼近型模数转化器可以包括：电荷重分频数模转化器、比较器20、控制电路30，比较器20的输出端与控制电路30连接。

该电荷重分频数模转化器可以包括：多位数模转化电路10，每位数模转化电路10可以包括：用于控制数模转化电路10输出电压单调减小或增加的第一单调切换电路100和用于控制数模转化电路10输出电压单调增加或减小的第二单调切换电路200，每次该数模转化器完成转换时，第一单调切换电路100单调减小的幅度与第二单调切换电路200单调增加的幅度相同，或者，第一单调切换电路100单调增加的幅度与第二单调切换电路200单调减小的幅度相同。

在本实施例中，在主次逼近型模数转化器中，电荷重分频数模转化器将每位数模转化电路10中的电容二等分，将其中一半电容连接成单调递增的结构，将另一半连接成单调递减的结构，两部分电路增加和减小的幅度相互抵消以实现稳定共模电压的目的。该电荷重分频数模转化器在不额外增加电路模块的前提下，仅通过改变原有开关的切换方式，可以达到使数模转换器输出共模电压始终稳定的效果，电路成本低、可靠性高。

需要说明的是，一个n位的主次逼近型模数转换器内部包含一个n-1位的电荷重分配数模转换器，n为大于1的整数。

具体地，参见图2，该主次逼近型模数转化器还可以包括：与第一差分输入信号vip连接的第一输入采样开关s1、与第二差分输入信号vin连接的第二输入采样开关s2。

第一单调切换电路100可以包括：第一电容c1、第二电容c2、第一电容开关sip1、第二电容开关sin1；第一电容c1的上级板分别比较器20的第一输入端和第一输入采样开关s1连接，第一电容c1的下级板与第一电容开关sip1连接；第二电容c2的上级板分别比较器20的第一输入端和第二输入采样开关s2连接，第二电容c2的下级板与第二电容开关sin1连接。

第二单调切换电路200可以包括：第三电容c3、第四电容c4、第三电容开关sin2、第四电容开关sip2，第三电容c3的上级板分别比较器20的第二输入端和第一输入采样开关s1连接，第三电容c3的下级板与第三电容开关sin2连接；第四电容c4的上级板分别比较器20的第二输入端和第二输入采样开关s2连接，第四电容c4的下级板与第四电容开关sip2连接。第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4的电容值相等。

比较器20的输出端与控制电路30连接，控制电路30还分别与第一电容开关sip1、第二电容开关sin1、第三电容开关sin2、第四电容开关sip2连接。

初始时(即默认状态下)，第一电容开关sip1、第二电容开关sin1均与参考电压vref相连，第三电容开关sin2、第四电容开关sip2均接地；当第一差分输入信号vip大于第二差分输入信号vin时，第一电容开关sip1受控制电路30控制切换到接地，第四电容开关sip2受控制电路30控制切换到参考电压vref，同时，第二电容开关sin1和第三电容开关sin2保持不变，这样完成一次转化后，第一差分输入信号vip将减小vref/4，第二差分输入信号vin将增大vref/4；当第一差分输入信号vip大于第二差分输入信号vin时，第二电容开关sin1受控制电路30控制切换到参考电压vref，第三电容开关sin2受控制电路30控制切换到接地，同时，第一电容开关sip1和第四电容开关sip2保持不变，这样完成一次转化后，第一差分输入信号vip将增大vref/4，第二差分输入信号vin将减小vref/4。由此可知，每次数模转换器的转换完成之后，第一差分输入信号vip和第二差分输入信号vin的电压将以极性相反幅度相等的方式变化，由此维持共模电压不变。

可选地，主次逼近型模数转化器中，多位数模转化电路10可以按最高位到最低位的顺序排列，或者，按最低位到最高位的顺序排列。

进一步地，多位数模转化电路10中，相邻位之间高位数模转化电路的电容值为低位数模转化电路的电容值的2倍。

本发明实施例通过将主次逼近型模数转化器中的数模转化电路，设置为第一单调切换电路和第二单调切换电路，每次模数转化器完成转换时，第一单调切换电路单调减小的幅度与第二单调切换电路单调增加的幅度相同，或者，第一单调切换电路单调增加的幅度与第二单调切换电路单调减小的幅度相同，这样第一单调切换电路和第二单调切换电路增加和减小的幅度相互抵消，实现了稳定共模电压的目的，同时，该模数转化器在不额外增加电路模块的前提下，仅通过改变原有开关的切换方式，可以达到使其包含的数模转换器输出共模电压始终稳定的效果，电路成本低、可靠性高。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。