用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及模擬集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為提供一種基于電荷泄放和三級(jí)參考電壓的用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)策略，大幅度的降低SAR ADC中DAC模塊由于開關(guān)切換帶來的電容充放電的動(dòng)態(tài)功耗，也大幅度降低整體SAR ADC功耗。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，分別通過開關(guān)S1和S2連接DAC正端所有電容和負(fù)端所有電容的上極板，DAC正端電容的上極板還連接到比較器的正輸入端，同時(shí)連接到開關(guān)S3上；比較器的輸出連接到邏輯模塊的輸入，邏輯模塊的輸出控制DAC開關(guān)的閉合和斷開。本發(fā)明主要應(yīng)用于模擬集成電路設(shè)計(jì)制造場(chǎng)合。
【專利說明】
用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及模擬集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及采用電荷泄放的用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SuccessiveApproximat1n Register Analog-to-Digital Converter,SAR ADC)有著高速，低功耗的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品以及植入式電子產(chǎn)品中。隨著這些電子產(chǎn)品的發(fā)展，對(duì)待機(jī)時(shí)間提出了更高的要求，所以需要降低用于其中的SAR ADC的功耗。傳統(tǒng)SAR ADC結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital_to-Analog Converter，DAC)，比較器和邏輯模塊組成。DAC—般采用電荷再分配的純電容結(jié)構(gòu)，避免了靜態(tài)功耗，但是電荷分配過程中的開關(guān)切換帶來了電容充放電的動(dòng)態(tài)功耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種基于電荷泄放和三級(jí)參考電壓的用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)策略，大幅度的降低SAR ADC中DAC模塊由于開關(guān)切換帶來的電容充放電的動(dòng)態(tài)功耗，也大幅度降低整體SAR ADC功耗。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，用(-Vref，+Vref)表示SAR ADC的量程，Vcm表示參考電壓，等于l/8Vref，Sl?SlO為開關(guān)，Ci為DAC中的電容，i = l，..，N_3，DAC—共需要2的N-4次方個(gè)單位電容，Vp表示DAC正端的輸出，Vn表示DAC負(fù)端的輸出，Vin和Vip表示ADC的輸入，分別通過開關(guān)SI和S2連接到DAC正端所有電容和負(fù)端所有電容的上極板，DAC正端電容的上極板還連接到比較器的正輸入端，同時(shí)連接到開關(guān)S3上，開關(guān)S3另外一端連接到大小為1/2的電流源，也連接到開關(guān)S5上，開關(guān)S5的另外一端連接到大小為I的電流源，DAC正端所有電容的下極板連接到選擇開關(guān)S7，S9上，S7，S9的另外一端連接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一個(gè);DAC負(fù)端電容的上極板還連接到比較器的負(fù)輸入端，同時(shí)連接到開關(guān)S4，開關(guān)S4的另外一端連接到大小為1/2的電流源，也連接到開關(guān)S6上，開關(guān)S6的另外一端連接到大小為I的電流源，電容的下極板選擇開關(guān)S8，S10，開關(guān)S8和SlO的另外一端連接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一個(gè)，比較器的輸出連接到邏輯模塊的輸入，邏輯模塊的輸出控制DAC開關(guān)的閉合和斷開。
[0004]工作過程如下:
[0005]首先開關(guān)SI與S2閉合，電容上極板采樣Vin和Vip，比較器根據(jù)Vin和Vip的大小產(chǎn)生比較的結(jié)果，由比較器的結(jié)果得到第一位;然后，開關(guān)SI和S2斷開，DAC中電容的上極板不再與Vin或Vip相連接，根據(jù)是Vp大于Vn還是Vn大于Vp，選擇將DAC正端或是負(fù)端電容上極板連接到大小為I的電流源，通過電流源對(duì)上極板的電荷進(jìn)行泄放，降低l/2Vref的電壓值，不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗，進(jìn)行第二次的比較，根據(jù)比較器第二次的結(jié)果得到第二位;然后，電流泄放之后，再次根據(jù)Vp大于Vn還是Vn大于Vp，選擇將DAC正端或是負(fù)端電容上極板連接到大小為1/2的電流源，再次泄放電荷，降低l/4Vref的電壓值，也不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗，進(jìn)行第三次的比較，根據(jù)比較器第三次的比較結(jié)果得到第三位;然后進(jìn)行第四位的比較，根據(jù)第三位的結(jié)果，即根據(jù)Vp大于Vn還是Vn大于Vp，將負(fù)端或是正端電容的下極板從連接GND切換到連接Vcm，此時(shí)依然不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗，進(jìn)行第四次的比較，根據(jù)比較器的結(jié)果得到第四位;然后進(jìn)行第五位的比較，這里需要根據(jù)第四位的結(jié)果來控制DAC中開關(guān)的閉合和斷開，在第四位的比較中，如果DAC中下極板連接到Vcm—端的輸出電壓較大，則將DAC的另外一端中表示第五位權(quán)重的電容的下極板連接到Vcm;在第四位的比較中，如果DAC下極板連接到V cm—端的輸出電壓較小，將DAC的該端中表示第五位權(quán)重的電容的下極板連接到2Vcm，然后比較器進(jìn)行比較，根據(jù)比較器的結(jié)果得到第五位;在進(jìn)行后面位數(shù)的比較時(shí)，開關(guān)切換的方法都同第五位的。
[0006]本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是:
[0007]本發(fā)明降低了SARADC中DAC由于開關(guān)切換帶來的電容充放電動(dòng)態(tài)功耗。
[0008]同時(shí)本發(fā)明通過也減少了SARADC中采用的電容數(shù)目，降低了SAR ADC的面積。
【附圖說明】
:
[0009]圖1基SAR ADC結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2采用本開關(guān)策略的SARADC的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖3—個(gè)4位SAR ADC的工作過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]為了降低DAC模塊由于開關(guān)切換帶來的電容充放電的動(dòng)態(tài)功耗，本發(fā)明提出一種基于電荷泄放和三級(jí)參考電壓的用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)策略。通過采用電荷泄放的方式使得前三位的比較不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗，同時(shí)采用三級(jí)參考電壓的方式使得第四位的比較也不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗。
[0013]采用該開關(guān)策略的N(N為正整數(shù))位SAR ADC結(jié)構(gòu)如圖2。用(-Vref ,+Vref)表示SARADC的量程。圖中GND表示電源地，Vcm表示參考電壓，等于l/8Vref，Sl?SlO為開關(guān)，Ci(i =1，..，N-3)為DAC中的電容，DAC采用傳統(tǒng)二進(jìn)制結(jié)構(gòu)，一共需要2N—4個(gè)單位電容。Vp表示DAC正端的輸出，Vn表示DAC負(fù)端的輸出。Vin和Vip表示ADC的輸入，分別通過開關(guān)SI和S2連接DAC正端所有電容和負(fù)端所有電容的上極板。DAC正端電容的上極板還連接到比較器的正輸入端，同時(shí)連接到開關(guān)S3上，S3另外一端連接到大小為1/2的電流源，也連接到開關(guān)S5上，S5的另外一端連接到大小為I的電流源。電容的下極板連接到選擇開關(guān)S7，S9上，S7，S9的另外一端連接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一個(gè)。DAC負(fù)端電容的上極板還連接到比較器的負(fù)輸入端，同時(shí)連接到開關(guān)S4，開關(guān)S4的另外一端連接到大小為1/2的電流源，也連接到開關(guān)S6上，開關(guān)S6的另外一端連接到大小為I的電流源。電容的下極板選擇開關(guān)S8，SlO，開關(guān)S8和SlO的另外一端連接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一個(gè)。比較器的輸出連接到邏輯模塊的輸入，邏輯模塊的輸出控制DAC開關(guān)的閉合和斷開。
[0014]該開關(guān)策略通過電荷泄放和三級(jí)參考電壓相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在SARADC的前四位的比較中，DAC不會(huì)產(chǎn)生電容充放電的動(dòng)態(tài)功耗。采用該開關(guān)策略的SAR ADC工作過程不用于傳統(tǒng)的SAR ADC，對(duì)N位的SAR ADC，初始狀態(tài)，DAC中電容下極板連接到電源地(GND)。工作過程如下:
[0015]首先開關(guān)SI與S2閉合，電容上極板采樣Vin和Vip，比較器根據(jù)Vin和Vip的大小產(chǎn)生比較的結(jié)果，由比較器的結(jié)果得到第一位;然后，開關(guān)SI和S2斷開，DAC中電容的上極板不再與Vin或Vip相連接，根據(jù)是Vp大于Vn還是Vn大于Vp，選擇將DAC正端或是負(fù)端電容上極板連接到大小為I的電流源，通過電流源對(duì)上極板的電荷進(jìn)行泄放，降低l/2Vref的電壓值，不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗，進(jìn)行第二次的比較，根據(jù)比較器第二次的結(jié)果得到第二位;然后，電荷泄放之后，再次根據(jù)Vp大于Vn還是Vn大于Vp，選擇將DAC正端或是負(fù)端電容上極板連接到大小為1/2的電流源，再次泄放電荷，降低l/4Vref的電壓值，也不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗，進(jìn)行第三次的比較，根據(jù)比較器第三次的比較結(jié)果得到第三位;然后進(jìn)行第四位的比較，根據(jù)第三位的結(jié)果，即根據(jù)Vp大于Vn還是Vn大于Vp，將負(fù)端或是正端電容的下極板從連接GND切換到連接Vcm，此時(shí)依然不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗，進(jìn)行第四次的比較，根據(jù)比較器的結(jié)果得到第四位;然后進(jìn)行第五位的比較，這里需要根據(jù)第四位的結(jié)果來控制DAC中開關(guān)的閉合和斷開，在第四位的比較中，如果DAC中下極板連接到Vcm—端的輸出電壓較大，則將DAC的另外一端中表示第五位權(quán)重的電容的下極板連接到Vcm;在第四位的比較中，如果DAC下極板連接到V cm—端的輸出電壓較小，將DAC的該端中表示第五位權(quán)重的電容的下極板連接到2Vcm，然后比較器進(jìn)行比較，根據(jù)比較器的結(jié)果得到第五位;在進(jìn)行后面位數(shù)的比較時(shí)，開關(guān)切換的方法都同第五位的。
[0016]以一個(gè)4位差分結(jié)構(gòu)SAR ADC為例，其工作過程如圖3所示，Vin和Vip表示ADC的輸入，差分輸入范圍為-1V?+IV Jref為IV Jcm表示參考電壓，為1/8V X表示DAC中單位電容，大小為10fF，4位的SAR ADC中DAC只需要一個(gè)電容。I表示電流源的電流大小，為InA。E表示開關(guān)切換引入的DAC動(dòng)態(tài)功耗。整個(gè)工作過程描述如下:首先電容上極板采樣Vin和Vip，電容下極板連接到電源地(GND)，比較器根據(jù)Vin和Vip的大小產(chǎn)生比較的結(jié)果，由比較器的結(jié)果得到第一位;然后，如圖al和a2，正負(fù)端的電容的上極板不再與Vin和Vip相連接，將正負(fù)端中某一端電容上極板連接到大小為I(InA)的電流源，通過電流源進(jìn)行電荷泄放，降低I/2V的電壓值，進(jìn)行第二次的比較，根據(jù)比較器第二次的結(jié)果得到第二位;然后，如圖bl?b4，將DAC的正負(fù)端中某一端電容的上極板連接到大小為1/2(0.5nA)的電流源，再次泄放電荷，降低1/4V的電壓值，進(jìn)行第三位的比較，根據(jù)比較器第三次的比較結(jié)果得到第三位。最后進(jìn)行第四位的比較，如圖Cl?c8所示，根據(jù)第三位的結(jié)果，將DAC正端或負(fù)端電容的下極板從連接GND切換到連接Vcm，此時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗，再根據(jù)比較器第四次比較的結(jié)果得到第四位。
[0017]對(duì)于10位精度的SAR ADC，采用差分結(jié)構(gòu)，單位電容為100fF，量程為-1V?+1V，DAC模塊的三級(jí)參考電壓設(shè)為O，1/8V，1/4VJAC模塊的動(dòng)態(tài)功耗降低為49.22fW，比傳統(tǒng)的開關(guān)切換方法節(jié)省了 99.96 %的功耗。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，其特征是，用(-Vref，+Vref)表示SAR ADC的量程，Vcm表示參考電壓，等于l/8Vref，Sl?SlO為開關(guān)，Ci為DAC中的電容，i =1，..，N-3，DAC—共需要2的N-4次方個(gè)單位電容，Vp表示DAC正端的輸出，Vn表示DAC負(fù)端的輸出，Vin和Vip表示ADC的輸入，分別通過開關(guān)SI和S2連接DAC正端所有電容和負(fù)端所有電容的上極板，DAC正端電容的上極板還連接到比較器的正輸入端，同時(shí)連接到開關(guān)S3上，開關(guān)S3另外一端連接到大小為1/2的電流源，也連接到開關(guān)S5上，開關(guān)S5的另外一端連接到大小為I的電流源，DAC正端所有電容的下極板連接到選擇開關(guān)S7，S9上，S7，S9的另外一端連接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一個(gè);DAC負(fù)端電容的上極板還連接到比較器的負(fù)輸入端，同時(shí)連接到開關(guān)S4，開關(guān)S4的另外一端連接到大小為1/2的電流源，也連接到開關(guān)S6上，開關(guān)S6的另外一端連接到大小為I的電流源，電容的下極板選擇開關(guān)S8，S1，開關(guān)S8和S1的另外一端連接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一個(gè)，比較器的輸出連接到邏輯模塊的輸入，邏輯模塊的輸出控制DAC開關(guān)的閉合和斷開。2.如權(quán)利要求1所述的用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，其特征是，工作過程如下: 首先開關(guān)SI與S2閉合，電容上極板采樣Vin和Vip，比較器根據(jù)Vin和Vip的大小產(chǎn)生比較的結(jié)果，由比較器的結(jié)果得到第一位;然后，開關(guān)SI和S2斷開，DAC中電容的上極板不再與Vin或Vip相連接，根據(jù)是Vp大于Vn還是Vn大于Vp，選擇將DAC正端或是負(fù)端電容上極板連接到大小為I的電流源，通過電流源對(duì)上極板的電荷進(jìn)行泄放，降低l/2Vref的電壓值，不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗，進(jìn)行第二次的比較，根據(jù)比較器第二次的結(jié)果得到第二位;然后，電流泄放之后，再次根據(jù)Vp大于Vn還是Vn大于Vp，選擇將DAC正端或是負(fù)端電容上極板連接到大小為I/2的電流源，再次泄放電荷，降低l/4Vref的電壓值，也不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗，進(jìn)行第三次的比較，根據(jù)比較器第三次的比較結(jié)果得到第三位;然后進(jìn)行第四位的比較，根據(jù)第三位的結(jié)果，即根據(jù)Vp大于Vn還是Vn大于Vp，將負(fù)端或是正端電容的下極板從連接GND切換到連接Vcm，此時(shí)依然不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗，進(jìn)行第四次的比較，根據(jù)比較器的結(jié)果得到第四位;然后進(jìn)行第五位的比較，這里需要根據(jù)第四位的結(jié)果來控制DAC中開關(guān)的閉合和斷開，在第四位的比較中，如果DAC中下極板連接到Vcm—端的輸出電壓較大，則將DAC的另外一端中表示第五位權(quán)重的電容的下極板連接到Vcm;在第四位的比較中，如果DAC下極板連接到V cm—端的輸出電壓較小，將DAC的該端中表示第五位權(quán)重的電容的下極板連接到2Vcm，然后比較器進(jìn)行比較，根據(jù)比較器的結(jié)果得到第五位;在進(jìn)行后面位數(shù)的比較時(shí)，開關(guān)切換的方法都同第五位的。
【文檔編號(hào)】H03M1/72GK105915218SQ201610209221
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月5日
【發(fā)明人】徐江濤, 尹昭楊, 聶凱明, 高靜, 史再峰
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)