專利名稱：一種低功耗逐次逼近型模數轉換器及其轉換方法
技術領域：
本發(fā)明屬于集成電路技術領域，特別涉及一種逐次逼近型模數轉換器及其轉換方法。
背景技術：
逐次逼近型模數轉換器是一種中高精度、中等速率、超低功耗的模數轉換器結構。對于無線傳感網、便攜式設備等應用來說，模數轉換器被要求能夠工作在低電源電壓下。然而隨著電源電壓的降低，電路的增益受到了限制，而逐次逼近型模數轉換器的結構只包括比較器、數模轉換器和逐次逼近寄存器，不需要提供增益的電路。數字電路的功耗會隨著工藝尺寸縮減比例不斷減小，而模擬電路的功耗很難隨著工藝的進步而同步減小。電容型逐次逼近型模數轉換器在高分辨率情況下，需要使用大電容，不僅充放電功耗大，而且制作大電容浪費芯片面積，經濟效益不高。

發(fā)明內容
發(fā)明目的:提出一種低功耗逐次逼近型模數轉換器及其轉換方法，在同等精度的情況下，電容值較傳統(tǒng)方案減少75%，減小功耗。技術方案:一種低功耗逐次逼近型模數轉換器，包括比較器和開關電容網絡；所述開關電容網絡包括連接所述比較器正相輸入端的正相電容網絡和連接所述比較器反相輸入端的反相電容網絡；所述正相電容網絡和反相電容網絡分別包括比模數轉換器輸出的二進制編碼位數N少一個的N-1個電容。其中，所述正相電容網絡的電容上極板分別通過開關選擇連接正相輸入電壓Vin、共模電平Vcm、低電平VL、高電平VH;所述正相電容網絡的電容下極板耦合在一起連接到所述比較器的正相輸入端并 通過正相開關連接共模電平Vcm;所述反相電容網絡的電容上極板分別通過開關選擇連接反相輸入電壓Vip、共模電平Vcm、低電平VL、高電平VH ；所述反相電容網絡的電容下極板耦合在一起連接到所述比較器的反相輸入端并通過反相開連接共模電平Vcm。其中，所述正相電容網絡的第一電容C1電容值為C，第二至第N-1個電容的電容值為Ci = 其中，i為2彡i彡N-1的自然數；所述反相電容網絡的第一電容C1電容值為C，第二至第N-1個電容的電容值為Ci = 21，其中，i為2彡i彡N-1的自然數。一種基于上述低功耗逐次逼近型模數轉換器的模數轉換方法，其特征在于:其轉換過程包括如下步驟:采樣階段:開關電容網絡中所有電容的下極板連接共模電平Vcm，與比較器正相輸入端連接的正相電容網絡所有電容的上極板連接正相輸入電壓Vin;與比較器反相輸入端連接的反相電容網絡所有電容的上極板連接反相輸入電壓Vip ；AD轉換周期:
首先，開關電容網絡所有電容的下極板斷開與共模電平Vcm的連接；與比較器正相輸入端連接的正相電容網絡所有電容的上極板連接共模電平Vcm ;與比較器反相輸入端連接的反相電容網絡所有電容的上極板連接共模電平Vcm ;開關電容網絡進行電荷重分布后；比較器比較正相輸入端電壓Vxp和反相輸入端電壓Vxn大小并輸出結果到控制電路；若Vxp > Vxn，即Vip-Vin > O，則控制電路將二進制編碼最高位置I，若Vxp小于Vxn，即Vip-Vin
<0，則控制電路將二進制編碼最高位置O ;根據比較器輸出的信號值，由控制電路分別控制正相電容網絡和反相電容網絡的最高位電容開關接低電平VL或高電平VH或保持開關不動作，開關電容網絡開始電荷重分布；當開關電容網絡電荷重分布完成后，比較器比較正相輸入端電壓Vxp和反相輸入端電壓Vxn大小后輸出信號至控制電路，控制電路將二進制編碼次高位置I或置O ;依次逐次比較下去，直到二進制碼最低位置I或置O后，該二進制碼寫入控制電路寄存器中，完成模數轉換。有益效果:本發(fā)明中的開關電容網絡包括比輸出二進制編碼數量少一個的電容對，通過對開關的時序全新安排及在比較過程中引入共模電平Vcm，省去了傳統(tǒng)逐次逼近型模數轉換器開關電容網絡中的補償電容，達到了 N-1個電容對實現分辨率為N位的效果，通過較傳統(tǒng)逐次逼近型模數轉換器少了最高位和次高位兩個電容對，整個總電容也降低75 %。隨著電容的減小，充放電電流也相應減小，從而降低了整體功耗，并且也減少了芯片面積，提高了經濟效益。轉換過程中，比較器輸入端的共模電壓變化量與傳統(tǒng)結構相比，僅
為4匕f，其中N為模數轉換器位數，Vref = VH-VL，共模抖動非常小。


圖1為本發(fā)明低功耗逐次逼近型模數轉換器的電路結構圖；圖2為本發(fā)明低功耗逐次逼近型模數轉換器前三次開關轉換工作原理圖；圖3為本發(fā)明低功耗逐次逼近型模數轉換器在輸入信號范圍[VMf，VMf/2]的第四次開關轉換工作原理圖；圖4為本發(fā)明低功耗逐次逼近型模數轉換器在輸入信號范圍[VMf/2，0]的第四次開關轉換工作原理圖；圖5為本發(fā)明低功耗逐次逼近型模數轉換器在輸入信號范圍
的第四次開關轉換工作原理圖；圖6為本發(fā)明低功耗逐次逼近型模數轉換器在輸入信號范圍[_VMf/2，_VMf]的第四次開關轉換工作原理圖；圖7為本發(fā)明低功耗逐次逼近型模數轉換器的工作時序圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。如圖1所示，本實施例為一個4位輸出的低功耗逐次逼近型模數轉換器包括控制電路、比較器和開關電容網絡。其中開關電容網絡包括連接到比較器正相輸入端的正相電容網絡，以及連接到比較器反相輸入端的反相電容網絡。在正相電容網絡中，有比輸出二進制編碼位數少一個數的電容，本例為4位輸出B4B3B2B1，即有3個電容，從最低位至最高位依次為第一電容Cl至第三電容C3。第一電容Cl至第三電容C3的公共端共同連接到比較器的正相輸入 端，并可通過開關Kp連接到共模電平Vcm，另一端分別通過第一開關Kl至第三開關K3可選擇的連接輸入信號Vin、低電平VL、高電平VH或共模電平Vcm。第一電容Cl電容值為C，其他電容的電容值為Ci = 2^0, (i = 2，3)。所有的開關均由控制電路輸出的脈沖信號控制。在反相電容網絡中，有與正相網絡相同數目的電容，從最低位至最高位依次為第四電容C12、第五電容C22、第六電容C32。第四電容C12、第五電容C22、第六電容C32的公共端共同連接到比較器的反相輸入端，并可通過開關Kn連接到共模電平Vcm，另一端分別通過第四開關K12、第五開關K22、第六開關K32、可選擇的連接輸入信號Vip、低電平VL、高電平VH或共模電平Vcm。第四電容C12電容值為C，其他電容的電容值為Ci2 = 2^0, (i=2,3) ο反相網絡結構與正相網絡結構相同。如圖2(A)所示，采樣階段，在正相網絡中開關Kp在控制電路的驅動下閉合，第一電容Cl至第三電容C3的公共端接共模電平Vcm，同時第一開關Kl至第三開關K3在控制電路驅動下閉合，接輸入信號Vin，給正相網絡的電容充電；在反相網絡中開關Kn在控制電路的驅動下閉合，第四電容C12、第五電容C22、第六電容C32的公共端接共模電平Vcm，同時第四開關K12、第五開關K22、第六開關K32在控制電路驅動下閉合，接輸入信號Vip，給反相網絡的電容充電。此時所儲存的電荷量正相網絡中為:QP = (Vcm-Vin) X4C ;反相網絡中為:Qn=(Vcffl-Vip) X4C。如圖2 (B)所示，在比較階段，正相開關Kp和反相開關Kn均斷開，同時正相網絡中第一開關Kl至第三開關K3和反相網絡中第四開關K12、第五開關K22、第六開關K32在控制電路驅動下接共模電平Vcm，正相網絡和反相網絡中電荷量保持不變，電荷進行重分配，即 Qxp = Qp > Qxn = Qn，有:Qxp= (Vxp-Vcffl) X4C = QpQxn= (Vxn-Vcffl) X4C = Qn記=Vh -Vl, Vcm = V11W1)，則 Vxp = 2V -Vin、Vxn = 2 Vcm-Vip0此時比較器將正相輸入端電壓Vxp和反相輸入端電壓Vxn進行比較，并將結果輸出到控制電路。如果正相輸入端電壓Vxp大于反相輸入端電壓Vxn，即Vip-Vin > 0，則將二進制編碼最高位B4置為I ;如果正相輸入端電壓Vxp小于反相輸入端電壓Vxn,即Vip-Vin
<O,則將二進制編碼最高位B4置為O。(I)對于B4為I的情況:當最高位B4置為I時，控制電路根據比較器的輸出結果產生相應的控制信號，使正相網絡中的第三電容C3的一端通過第三開關K3連接至低電平VL，反相網絡中的第六電容032的一端通過第六開關1(32連接至高電平￥!1，如圖2((:1)所示。此時由于電壓的變化，正相網絡和反相網絡中電容上的電荷會發(fā)生重分配，從而導致比較器正相輸入端電壓Vxp和反相輸入端電壓Vxn發(fā)生變化。根據電荷守恒原理，采樣階段所儲存的電荷量應當保持不變，從而得到以下等式:Qxp = (Vxp-Vl) X 2C+ (Vxp-Vcffl) X 2C = Qp
權利要求
1.一種低功耗逐次逼近型模數轉換器，包括比較器和開關電容網絡；所述開關電容網絡包括連接所述比較器正相輸入端的正相電容網絡和連接所述比較器反相輸入端的反相電容網絡；其特征在于:所述正相電容網絡和反相電容網絡分別包括比模數轉換器輸出的二進制編碼位數N少一個的N-1個電容。
2.根據權利要求1所述的一種低功耗逐次逼近型模數轉換器，其特征在于:所述正相電容網絡的電容上極板分別通過開關選擇連接正相輸入電壓Vin、共模電平Vcm、低電平VL、高電平VH ;所述正相電容網絡的電容下極板耦合在一起連接到所述比較器的正相輸入端并通過正相開關連接共模電平Vcm ;所述反相電容網絡的電容上極板分別通過開關選擇連接反相輸入電壓Vip、共模電平Vcm、低電平VL、高電平VH ;所述反相電容網絡的電容下極板耦合在一起連接到所述比較器的反相輸入端并通過反相開連接共模電平Vcm。
3.根據權利要求2所述的一種低功耗逐次逼近型模數轉換器，其特征在于:所述正相電容網絡的第一電容C1電容值為C，第二至第N-1個電容的電容值為Ci = 其中，i為2彡i彡N-1的自然數；所述反相電容網絡的第一電容C1電容值為C，第二至第N-1個電容的電容值為Ci = 21，其中，i為2彡i彡N-1的自然數。
4.一種基于上述低功耗逐次逼近型模數轉換器的模數轉換方法，其特征在于:其轉換過程包括如下步驟: 采樣階段: 開關電容網絡中所有電容的下極板連接共模電平Vcm，與比較器正相輸入端連接的正相電容網絡所有電容的上極板連接正相輸入電壓Vin;與比較器反相輸入端連接的反相電容網絡所有電容的上極板連接反相端輸入電壓Vip ； AD轉換周期: 首先，開關電容網絡所有電容的下極板斷開與共模電平Vcm的連接；與比較器正相輸入端連接的正相電容網絡所有電容的上極板連接共模電平Vcm ;與比較器反相輸入端連接的反相電容網絡所有電容的上極板連接共模電平Vcm ;開關電容網絡進行電荷重分布后；比較器比較正相輸入端電壓Vxp和反相輸入端電壓Vxn大小并輸出結果到控制電路；若Vxp > Vxn,即Vip-Vin > O，則控制電路將二進制編碼最高位置1，若Vxp小于Vxn，即Vip-Vin<O，則控制電路將二進制編碼最高位置O ; 根據比較器輸出的信號值，由控制電路分別控制正相電容網絡和反相電容網絡的最高位電容開關接低電平VL或高電平VH或保持開關不動作，開關電容網絡開始電荷重分布； 當開關電容網絡電荷重分布完成后，比較器比較正相輸入端電壓Vxp和反相輸入端電壓Vxn大小后輸出信號至控制電路，控制電路將二進制編碼次高位置I或置O ; 依次逐次比較下去，直到二進制碼最低位置I或置O后，該二進制碼寫入控制電路寄存器中，完成模數轉換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低功耗逐次逼近型模數轉換器及其轉換方法，其開關電容網絡包括比輸出二進制編碼數量少一個的電容對，通過對開關的時序全新安排及在比較過程中引入共模電平Vcm，省去了傳統(tǒng)逐次逼近型模數轉換器開關電容網絡中的補償電容，達到了N-1個電容對實現分辨率為N位的效果，通過較傳統(tǒng)逐次逼近型模數轉換器少了最高位和次高位兩個電容對，整個總電容也降低75％。隨著電容的減小，充放電電流也相應減小，從而降低了整體功耗，并且也減少了芯片面積，提高了經濟效益。轉換過程中，比較器輸入端的共模電壓變化量與傳統(tǒng)結構相比，僅為共模抖動非常小。
文檔編號H03M1/38GK103166644SQ20131012639
公開日2013年6月19日 申請日期2013年4月11日 優(yōu)先權日2013年4月11日
發(fā)明者吳建輝, 湯旭婷, 王海冬, 李紅, 張理振 申請人:東南大學