一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其開關(guān)時(shí)序的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其開關(guān)時(shí)序。該開關(guān)時(shí)序包括采樣步驟和轉(zhuǎn)換周期步驟。本發(fā)明采用上極板采樣和單邊電容同時(shí)轉(zhuǎn)換方法使MSB和MSB?1位量化的功耗為0，同時(shí)通過(guò)將MSB電容進(jìn)行拆分并在激活的電容陣列上使用回打技術(shù)，使從MSB?2開始的開關(guān)周期可以只使用三個(gè)參考電平(Vcm、Vref和Gnd)中的兩個(gè)(Vcm和Vref、Vcm和Gnd)作為參考電平來(lái)切換正在使用的電容陣列，最終提出了一種高線性度，高能效SAR?ADC開關(guān)時(shí)序。
【專利說(shuō)明】
一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其開關(guān)時(shí)序
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其開關(guān)時(shí) 序。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著集成電路技術(shù)領(lǐng)域的高速發(fā)展，對(duì)于逐次逼近寄存器型以^⑶^"^ Approximation-Register，簡(jiǎn)稱SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-digital converter，簡(jiǎn)稱 ADC)的使用已經(jīng)變得越來(lái)越普遍，尤其由于其高能效性，已被廣泛應(yīng)用在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和 植入式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備上。
[0003] 因?yàn)殡娙蓐嚵惺怯绊慡AR-ADC能耗和線性度的主要限制因素，所以人們已經(jīng)提出 了一些高能效開關(guān)時(shí)序（即SAR-ADC電容陣列的轉(zhuǎn)換方法)來(lái)降低功耗。相比于傳統(tǒng)開關(guān)時(shí) 序，單調(diào)開關(guān)時(shí)序，三電平開關(guān)時(shí)序，改進(jìn)的調(diào)制與編碼策略（Modulation and Coding Scheme，簡(jiǎn)稱MCS)開關(guān)時(shí)序和Ref型開關(guān)時(shí)序分別使平均開關(guān)能耗減少了87.5%，81.2%， 93.7%和 98%。
[0004] 然而，以上五種開關(guān)時(shí)序沒(méi)有考慮電容陣列的復(fù)位能量，并且這部分能量在開關(guān) 時(shí)序總功耗中占有很大的比重。此外，在設(shè)計(jì)SAR-ADC時(shí)必須考慮開關(guān)時(shí)序?qū)€性度的影 響。最佳的開關(guān)時(shí)序必須具有好的能效和線性度。因此，如何設(shè)計(jì)SAR-ADC及其轉(zhuǎn)換方法就 變得極其重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 因此，為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)缺陷和不足，本發(fā)明提出一種逐次逼近型模數(shù) 轉(zhuǎn)換器及其開關(guān)時(shí)序。
[0006] 具體地，本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提出的一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括:模擬信號(hào)輸 入端、電容陣列組、比較器、邏輯模塊及參考電平端;所述電容陣列組包括第一電容陣列和 第二電容陣列；其特征在于，所述參考電平端包括第一電平、第二電平和第三電平;所述邏 輯模塊內(nèi)部存儲(chǔ)的開關(guān)時(shí)序包括如下轉(zhuǎn)換周期步驟：
[0007]步驟一、對(duì)采樣的模擬信號(hào)直接進(jìn)行比較確定第一位比較結(jié)果；
[0008] 步驟二、根據(jù)所述第一位比較結(jié)果，將采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下 極板全部切換至所述第二電平;進(jìn)行比較確定第二位比較結(jié)果；
[0009] 步驟三、判斷所述第二位比較結(jié)果是否等于所述第一位比較結(jié)果;若是，則將所述 采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的MSB電容的下極板切換至第三電平，執(zhí)行步驟四；若 否，則將所述與采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列除MSB電容外的其它位電容的下極板 切換至所述第一電平，執(zhí)行步驟六；
[0010] 步驟四、進(jìn)行比較確定下一位比較結(jié)果；判斷所述下一位比較結(jié)果是否等于所述 第一位比較結(jié)果;若是，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下一位電容的下 極板切換至所述第三電平;若否，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下一位 電容的下極板切換至所述第三電平，同時(shí)將所述MSB與所述下一位電容同等數(shù)量的單位電 容的下極板切換至所述第二電平；
[0011]步驟五、重復(fù)執(zhí)行步驟四直到比較結(jié)束；
[0012] 步驟六、進(jìn)行比較確定下一位比較結(jié)果；判斷所述下一位比較結(jié)果是否等于所述 第一位比較結(jié)果;若是，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下一位電容的下 極板切換至所述第二電平;若否，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的MSB與所 述下一位電容同等數(shù)量的單位電容的下極板切換至所述第一電平；
[0013] 步驟七、重復(fù)執(zhí)行步驟六直到比較結(jié)束。
[0014] 在發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，若所述現(xiàn)場(chǎng)直播數(shù)據(jù)傳輸鏈包括多個(gè)所述衛(wèi)星接收設(shè)備 時(shí)，則所述監(jiān)控服務(wù)器同時(shí)信號(hào)連接多個(gè)所述衛(wèi)星接收設(shè)備。
[0015] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述開關(guān)時(shí)序在切換周期步驟之前還包括采樣步驟：
[0016] 將所述第一電容陣列與所述第二電容陣列的下極板均連接接地電平以用于對(duì)所 述模擬信號(hào)輸入端輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。
[0017] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器還包括選擇開關(guān)，所述選擇開關(guān)用于 根據(jù)所述開關(guān)時(shí)序的指令選通所述參考電平端的所述第一電平、所述第二電平或者所述第 三電平。
[0018] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第一電平為Gnd電平，所述第二電平為V?電平，所 述第三電平為Vref電平;或者
[0019] 所述第一電平為Vref電平，所述第二電平為V?電平，所述第三電平為Gnd電平。
[0020] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括數(shù)字信號(hào)輸出端，電連接至所述邏輯模塊。
[0021] 本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例提出的一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)時(shí)序，包括如下步 驟：
[0022] 步驟a、將所述第一電容陣列與所述第二電容陣列的下極板均連接Gnd電平以用于 對(duì)所述模擬信號(hào)輸入端輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣；
[0023] 步驟b、對(duì)采樣的模擬信號(hào)直接進(jìn)行比較確定第一位比較結(jié)果；
[0024] 步驟c、根據(jù)所述第一位比較結(jié)果，將采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下極 板全部切換至V?電平;進(jìn)行比較確定第二位比較結(jié)果；
[0025] 步驟d、判斷所述第二位比較結(jié)果是否等于所述第一位比較結(jié)果;若是，則將所述 米樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的MSB電容的下極板切換至V ref電平，執(zhí)行步驟e;若 否，則將所述與采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列除MSB電容外的其它位電容的下極板 切換至Gnd電平，執(zhí)行步驟j;
[0026] 步驟e、進(jìn)行比較確定下一位比較結(jié)果;判斷所述下一位比較結(jié)果是否等于所述第 一位比較結(jié)果;若是，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下一位電容的下極 板切換至Vrrf電平;若否，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下一位電容的下 極板切換至Vref電平，同時(shí)將所述MSB與所述下一位電容同等數(shù)量的單位電容的下極板切換 至V?電平；
[0027] 步驟f、重復(fù)執(zhí)行步驟e直到比較結(jié)束；
[0028] 步驟j、進(jìn)行比較確定下一位比較結(jié)果;判斷所述下一位比較結(jié)果是否等于所述第 一位比較結(jié)果;若是，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下一位電容的下極 板切換至V?電平;若否，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的MSB與所述下一位 電容同等數(shù)量的單位電容的下極板切換至Gnd電平；
[0029] 步驟h、重復(fù)執(zhí)行步驟j直到比較結(jié)束。
[0030] 本實(shí)施例，在采樣輸入信號(hào)時(shí)，兩組電容陣列的下極板都接地，采樣結(jié)束后直接進(jìn) 行比較而不用進(jìn)行電容切換就可以產(chǎn)生第一位比較結(jié)果，不存在電容失配引起的線性度變 差;根據(jù)第一位的比較結(jié)果，將兩組電容陣列中的一組電容陣列下極板電位全部切換接到 V?，而另一組電容陣列在接下來(lái)的比較過(guò)程中始終保持不變，然后進(jìn)行比較產(chǎn)生第二位比 較結(jié)果。由于切換的那組電容陣列下極板都接到了相同的參考電平V?，所以也不存在電容 失配引起線性度的惡化。因此，通過(guò)前兩步比較的改進(jìn)，本開關(guān)時(shí)序方案的INL和DNL比傳統(tǒng) 開關(guān)時(shí)序減少了四分之一。
[0031] 此外，通過(guò)采用上極板采樣和單邊電容同時(shí)轉(zhuǎn)換方法使MSB和MSB-ι位量化的功耗 為0,通過(guò)將MSB電容進(jìn)行拆分，在實(shí)現(xiàn)相同位數(shù)的比較時(shí)，本發(fā)明的開關(guān)時(shí)序使用的電容比 傳統(tǒng)開關(guān)時(shí)序減少了75%。
[0032] 再者，通過(guò)在被激活的電容陣列上使用回打技術(shù)，使剩余的切換周期可以只使用 三個(gè)參考電平(Vcm、V ref和Gnd)中的兩個(gè)(V?和Vref、V?和Gnd)作為參考電平來(lái)切換正在使用 的電容陣列，而且使用的這兩個(gè)參考電平值差別更小，從而大大降低了開關(guān)時(shí)序功耗。與傳 統(tǒng)開關(guān)時(shí)序相比，本方案將總功率效率值提高了98.08%。
[0033]通過(guò)以下參考附圖的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的其它方面和特征變得明顯。但是應(yīng)當(dāng)知 道，該附圖僅僅為解釋的目的設(shè)計(jì)，而不是作為本發(fā)明的范圍的限定，這是因?yàn)槠鋺?yīng)當(dāng)參考 附加的權(quán)利要求。還應(yīng)當(dāng)知道，除非另外指出，不必要依比例繪制附圖，它們僅僅力圖概念 地說(shuō)明此處描述的結(jié)構(gòu)和流程。
【附圖說(shuō)明】
[0034]下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
[0035]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的SAR-ADC的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的SAR-ADC的開關(guān)時(shí)序工作流程圖。
[0037]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的SAR-ADC采樣階段的開關(guān)時(shí)序工作示意圖。
[0038]圖4-圖10為本發(fā)明實(shí)施例的SAR-ADC AD轉(zhuǎn)換周期的開關(guān)時(shí)序工作示意圖。
[0039] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例的復(fù)位能量模型示意圖。
[0040] 圖12為本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果仿真圖。
[0041] 圖13為本發(fā)明實(shí)施例給出的200采樣樣本的蒙特卡洛分析仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明 的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)的說(shuō)明。
[0043] 實(shí)施例一
[0044]請(qǐng)參見圖1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例的SAR-ADC的電路結(jié)構(gòu)示意圖，該ADC可以包括模 擬信號(hào)輸入端(Vin、vip)、電容陣列組11、比較器13、邏輯模塊15、數(shù)字信號(hào)輸出端(out)及參 考電平端(￥^、￥_611(1)。其中，電容陣列組11的第一電容陣列（(：1、02、03、……、CN)的上極 板均電連接至模擬信號(hào)輸入端νιη，第二電容陣列(C1'、C2'、C3'、……、CN'）的上極板均電連 接至模擬信號(hào)輸入端V1P，第一電容陣列及第二電容陣列的下極板均通過(guò)選擇開關(guān)電連接至 參考電平端處。邏輯模塊15內(nèi)部存儲(chǔ)有本發(fā)明設(shè)計(jì)的開關(guān)時(shí)序，選擇開關(guān)根據(jù)該開關(guān)時(shí)序 的指令選通參考電平端處的不同參考電平(V rrf或V?或Gnd)以連接至電容陣列的下極板。
[0045] 具體地，該開關(guān)時(shí)序包括如下步驟：
[0046] 【采樣步驟】
[0047] 將所述第一電容陣列與所述第二電容陣列的下極板均連接所述Gnd電平以用于對(duì) 所述模擬信號(hào)輸入端輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。
[0048]其中，該開關(guān)時(shí)序使第一電容陣列和第二電容陣列的上極板采樣下極板接地完成 對(duì)輸入模擬信號(hào)的米樣。
[0049]【轉(zhuǎn)換周期步驟】
[0050]步驟一、對(duì)采樣的模擬信號(hào)直接進(jìn)行比較確定第一位比較結(jié)果。
[0051 ] 其中，采樣值直接比較產(chǎn)生最高位(Most Significant Bit，簡(jiǎn)稱MSB)(D1)。
[0052]步驟二、根據(jù)所述第一位(D1)比較結(jié)果，將采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列 的下極板全部切換至所述V?電平;進(jìn)行比較確定第二位(D2)比較結(jié)果。
[0053]其中，基于檢測(cè)到的MSB，將輸入模擬信號(hào)電壓低的電容陣列下極板全部接到V?， 在隨后的轉(zhuǎn)換過(guò)程中另一組電容陣列保持不變，從而產(chǎn)生第二位比較結(jié)果(D2)。
[0054]步驟三、判斷第二位(D2)比較結(jié)果是否等于第一位(D1)比較結(jié)果;若是，則將所述 采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的MSB電容的下極板切換至Vrrf電平，執(zhí)行步驟四；若 否，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列除MSB電容外的其它位電容的下極板切 換至所述Gnd電平，執(zhí)行步驟六。
[0055]其中，MSB電容被拆分且在被激活電容陣列上使用回打技術(shù)，從而僅僅使用三個(gè)電 平中的兩個(gè)作為參考電平(V?和Vrrf、Van和Gnd)。因此，兩個(gè)參考電平之間的差別更小，根據(jù) 最先產(chǎn)生的D1和D2,在接下來(lái)的切換周期中使用這兩個(gè)電壓來(lái)切換正在使用的電容陣列。 如果D1=D2,使用VcdPVrrf來(lái)產(chǎn)生下一個(gè)比較電平。否則，在余下的切換周期中使用￥"和 Gnd作為參考電平。
[0056]步驟四、進(jìn)行比較確定下一位比較結(jié)果；判斷所述下一位比較結(jié)果是否等于所述 第一位比較結(jié)果;若是，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下一位電容的下 極板切換至所述Vrrf電平;若否，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下一位電 容的下極板切換至所述Vref電平，同時(shí)還需要將所述MSB與所述下一位電容同等數(shù)量的單位 電容的下極板切換至所述V?電平。
[0057]步驟五、重復(fù)執(zhí)行步驟四直到比較結(jié)束。
[0058] 其中，對(duì)于步驟四，如果D1=D2,將MSB電容上所接的參考電平V?切換成Vref后再次 進(jìn)行比較來(lái)產(chǎn)生第三個(gè)比較結(jié)果(D3)。對(duì)于下一次轉(zhuǎn)換周期，如果D3 = D1，應(yīng)該將包含有2 &4)個(gè)單位電容的第三位相關(guān)電容的參考電平連接到Vref，其中N為SAR-ADC的位數(shù)。否則， MSB電容必須將同等數(shù)量的單位電容切換回V?。這一過(guò)程將在余下位的比較過(guò)程中繼續(xù)下 去。
[0059]步驟六、進(jìn)行比較確定下一位比較結(jié)果；判斷所述下一位比較結(jié)果是否等于所述 第一位比較結(jié)果;若是，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下一位電容的下 極板切換至所述V?電平;若否，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的MSB電容與 所述下一位電容同等數(shù)量的單位電容的下極板切換至所述Gnd電平。
[0060]步驟七、重復(fù)執(zhí)行步驟六直到比較結(jié)束。
[0061 ]其中，對(duì)于步驟六，如果D2辛D1，除了MSB電容，將剩下所有電容上所接的參考電平 V?切換成Gnd后再次進(jìn)行比較來(lái)產(chǎn)生下一位比較電平。對(duì)于第三次轉(zhuǎn)換周期，如果D3 = D1， 應(yīng)該將包含有2(N_4)個(gè)單位電容的第三位相關(guān)電容的參考電平連接到V?。否則，MSB電容必 須將同等數(shù)量的單位電容所連接的參考電平由V?變?yōu)镚nd。這一過(guò)程將在余下位的比較過(guò) 程中繼續(xù)下去。
[0062]本發(fā)明實(shí)施例采用上極板采樣和單邊電容同時(shí)轉(zhuǎn)換的方法使MSB和次高位(MSB-1)位量化的功耗為〇,同時(shí)通過(guò)將MSB電容進(jìn)行拆分并在激活的電容陣列上使用回打技術(shù)， 使從MSB-2開始的開關(guān)周期可以只使用三個(gè)參考電平(Vref或V?或Gnd)中的兩個(gè)(Vref和Vcm) 或(Gnd和V?)作為參考電平來(lái)切換正在使用的電容陣列。最終提出了一種高線性度，高能效 SAR-ADC開關(guān)時(shí)序。
[0063]與傳統(tǒng)開關(guān)時(shí)序相比，總功率的平均值減少了98.08%，同時(shí)使總電容大小減少了 75%。該開關(guān)時(shí)序的積分非線性（Integral nonlinearity，簡(jiǎn)稱INL)和差分非線性 (Differential Nonlinearity，簡(jiǎn)稱DNL)誤差是傳統(tǒng)SAR-ADC開關(guān)時(shí)序的四分之一。
[0064] 實(shí)施例二
[0065]為了更加清楚描述本發(fā)明SAR-ADC的開關(guān)時(shí)序，以下將以4位SAR-ADC為例詳細(xì)介 紹該開關(guān)時(shí)序的工作過(guò)程。請(qǐng)參見圖3-圖10,圖3為本發(fā)明實(shí)施例的SAR-ADC采樣階段的開 關(guān)時(shí)序工作示意圖，圖4-圖10為本發(fā)明實(shí)施例的SAR-ADC AD轉(zhuǎn)換周期的開關(guān)時(shí)序工作示意 圖。
[0066] 對(duì)于參考電平Vref、V?、Gnd，為了方便附圖描述，設(shè)Vrrf = 1，V? = 1 / 2，Gnd = 0。
[0067] 采樣步驟(SO):
[0068] 請(qǐng)參見圖3，S0階段開關(guān)時(shí)序使第一電容陣列和第二電容陣列的上極板采樣，而下 極板由選擇開關(guān)選通參考電平Gnd完成對(duì)輸入模擬信號(hào)的采樣，同時(shí)采樣值由比較器13直 接比較產(chǎn)生第一個(gè)比較結(jié)果(Dl)MSB。由此，切換步驟被激活，從而進(jìn)入轉(zhuǎn)換周期。
[0069]第一次轉(zhuǎn)換周期（S0-S1/S2):
[0070]請(qǐng)參見圖4,切換步驟被激活同時(shí)將采樣信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)決定MSB?；跈z測(cè)MSB， 也即Vin是否小于V1P，其中所需要的功耗E = 0。將輸入電壓低的電容陣列下極板全部接到 V?，在隨后的轉(zhuǎn)換過(guò)程中另一組電容陣列下極板保持不變，從而產(chǎn)生第二個(gè)比較結(jié)果(D2)。 也即判斷^是否小于Vip，若V in<Vip，則第一電容陣列由選擇開關(guān)選通參考電平V?=l/2， 而第二電容陣列保持接通參考電平Gnd = 0,進(jìn)入S1轉(zhuǎn)換狀態(tài);若Vin>Vip，則第一電容陣列 保持接通參考電平Gnd = 0而第二電容陣列由選擇開關(guān)選通參考電平ν?= 1/2,進(jìn)入S2轉(zhuǎn)換 狀態(tài)。
[0071] 第二次轉(zhuǎn)換周期(S1-S11/S12)、（S2-S21/S22):
[0072] (S1-S11/S12)請(qǐng)參見圖5,如果D2 = D1，其中所需要的功耗將MSB的 電容的下極板所接的參考電平V?= 1/2切換成Vrrf = l，第一電容陣列的其余電容陣列的下 極板所接參考電平保持不變，仍然為V?= 1/2，再次進(jìn)行比較來(lái)產(chǎn)生第三個(gè)比較結(jié)果(D3); [0073]如果D1辛D2，保持MSB電容的下極板所接的參考電平V? = 1 /2，將第一電容陣列的 其余電容陣列的下極板所接參考電平V?=l/2切換成Gnd = 0,再次進(jìn)行比較產(chǎn)生第三個(gè)比 較結(jié)果(D3)。
[0074] (S2-S21/S22)請(qǐng)參見圖6,同理可知，如果D2 = D1，將MSB的電容的下極板所接的參 考電平V?=l/2切換成Vrrf = l，第二電容陣列的其余電容陣列的下極板所接參考電平保持 不變，仍然為V?= 1/2，再次進(jìn)行比較來(lái)產(chǎn)生第三個(gè)比較結(jié)果(D3);
[0075]如果D2辛D1，保持MSB電容的下極板所接的參考電平V? = 1 /2，將第二電容陣列的 其余電容的下極板所接參考電平V?= 1/2切換成Gnd = 0,再次進(jìn)行比較產(chǎn)生第三個(gè)比較結(jié) 果(D3)。
[0076] 第三次轉(zhuǎn)換周期（S11-S111/S112)、（S12-S121/S122)、（S21-S211/S212)、（S22-S221/S222) :
[0077] (S11-S111/S112)請(qǐng)參見圖7,如果D3 = D1，其中E=CKr2e/7l6 ,將第一電容陣列 的第三位相關(guān)電容的下極板所接的參考電平V?= 1 /2切換成Vrrf =1，第一電容陣列的其余 電容陣列的下極板所接參考電平保持不變；
[0078]若果D3辛D1，將第一電容陣列的第三位相關(guān)電容的下極板所接的參考電平V?=1/ 2切換成Vref = 1，同時(shí)將第一電容陣列的MSB電容中與第三位等量單位電容的下極板所接參 考電平由Vrrf = l轉(zhuǎn)換為ν?=1/2。
[0079] (S12-S121/S122)請(qǐng)參見圖8,如果D3 = D1，將第一電容陣列的第三位相關(guān)電容的 下極板所接的參考電平Gnd = 0切換成V?=l/2,第一電容陣列的其余電容陣列的下極板所 接參考電平保持不變；
[0080] 若果D3#D1，將第一電容陣列的MSB電容中與第三位等量單位電容的下極板所接 的參考電平由V?=l/2轉(zhuǎn)換為Gnd = 0。
[0081 ] (S21-S211/S212)請(qǐng)參見圖9,如果D3 = D1，將第二電容陣列的第三位相關(guān)電容的 下極板所接的參考電平V?= 1/2切換成Vrrf = l，第二電容陣列的其余電容陣列的下極板所 接參考電平保持不變；
[0082]若果D3辛D1，將第二電容陣列的第三位相關(guān)電容的下極板所接的參考電平V?= 1 / 2切換成Vref = 1，同時(shí)將第二電容陣列的MSB電容中與第三位等量單位電容的下極板所接參 考電平由Vrrf = l轉(zhuǎn)換為ν?=1/2。
[0083] (S22-S221/S222)請(qǐng)參見圖10,如果D3 = D1，將第二電容陣列的第三位相關(guān)電容的 下極板所接的參考電平Gnd = 0切換成V?=l/2,第二電容陣列的其余電容陣列的下極板所 接參考電平保持不變；
[0084]若果D3#D1，將第二電容陣列的MSB電容中與第三位等量單位電容的下極板所接 的參考電平由V?=l/2轉(zhuǎn)換為Gnd = 0。
[0085] 請(qǐng)參見圖11，圖11為本發(fā)明實(shí)施例的復(fù)位能量模型示意圖。在SAR-ADC中，DAC模塊 完整的工作過(guò)程包括開關(guān)電容的切換以及開關(guān)電容的復(fù)位(為下一個(gè)采樣階段準(zhǔn)備）。因 此，在評(píng)估一個(gè)DAC開關(guān)時(shí)序的全部能量時(shí)必須將復(fù)位能量考慮進(jìn)去。對(duì)于一些低轉(zhuǎn)換能效 的開關(guān)時(shí)序，它們的復(fù)位能量并不為零(甚至大于開關(guān)轉(zhuǎn)換功率）。
[0086] 考慮圖11給出的復(fù)位過(guò)程，電容陣列的所有上極板都切換到相同的電壓，那么，整 個(gè)過(guò)程的復(fù)位功率由下式給出：
[0087] Ereset = V [ Cl (Υ~Υι~ Δ V) +C2 (V-V2- Δ ν) +kCN(V-VN- A V) ] = 0 (1)
[0088] 其中，
[0089] Δ V = Ci(V-Vi) +C2(V-V2) +kCN(V-Vn)/Ci+C2+kCN (2)
[0090] 所以本發(fā)明提出的開關(guān)時(shí)序的重置能量為0。
[0091] 請(qǐng)參見圖12、圖13及表1，圖12為本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果仿真圖，圖13為本發(fā)明 實(shí)施例給出的200采樣樣本的蒙特卡洛分析仿真圖。表1為本發(fā)明實(shí)施例的開關(guān)時(shí)序與其他 五種開關(guān)時(shí)序應(yīng)用在10位SAR-ADC中各方面性能指標(biāo)的比較結(jié)果。
[0092] 表 1
[0093]
[0095]本實(shí)施例，在采樣輸入信號(hào)時(shí)，兩組電容陣列的下極板都接地，采樣結(jié)束后直接進(jìn) 行比較而不用進(jìn)行電容切換就可以產(chǎn)生第一位比較結(jié)果，不存在電容失配引起的線性度變 差;根據(jù)第一次的比較結(jié)果，將兩組電容陣列中的一組電容陣列下極板電位全部切換接到 Vcm，而另一組電容陣列在接下來(lái)的比較過(guò)程中始終保持不變，然后進(jìn)行比較產(chǎn)生第二位比 較結(jié)果。由于切換的那組電容陣列下極板都接到了相同的參考電平V?，所以也不存在電容 失配引起線性度的惡化。因此，通過(guò)前兩步比較的改進(jìn)，本開關(guān)時(shí)序方案的INL和DNL比傳統(tǒng) 開關(guān)時(shí)序減少了四分之一。
[0096]此外，通過(guò)采用上極板采樣和單邊電容同時(shí)轉(zhuǎn)換方法使MSB和MSB-1位量化的功耗 為0,通過(guò)將MSB電容進(jìn)行拆分，在實(shí)現(xiàn)相同位數(shù)的比較時(shí)，本發(fā)明的開關(guān)時(shí)序使用的電容比 傳統(tǒng)開關(guān)時(shí)序減少了75%。
[0097]再者，通過(guò)在被激活的電容陣列上使用回打技術(shù)，使剩余的切換周期可以只使用 三個(gè)參考電平(Vcm、Vref和Gnd)中的兩個(gè)(V?和Vref、V cm和Gnd)作為參考電平來(lái)切換正在使用 的電容陣列，而且使用的這兩個(gè)參考電平值差別更小，從而大大降低了開關(guān)時(shí)序功耗。與傳 統(tǒng)開關(guān)時(shí)序相比，本方案將總功率效率值提高了98.08%。
[0098]綜上所述，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理及實(shí)施 方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)， 對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在【具體實(shí)施方式】及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改 變之處，綜上所述，本說(shuō)明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附 的權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括:模擬信號(hào)輸入端、電容陣列組、比較器、邏輯模塊 及參考電平端;所述電容陣列組包括第一電容陣列和第二電容陣列;其特征在于，所述參考 電平端包括第一電平、第二電平和第三電平;所述邏輯模塊內(nèi)部存儲(chǔ)的開關(guān)時(shí)序包括如下 轉(zhuǎn)換周期步驟： 步驟一、對(duì)采樣的模擬信號(hào)直接進(jìn)行比較確定第一位比較結(jié)果； 步驟二、根據(jù)所述第一位比較結(jié)果，將采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下極板 全部切換至所述第二電平;進(jìn)行比較確定第二位比較結(jié)果； 步驟三、判斷所述第二位比較結(jié)果是否等于所述第一位比較結(jié)果;若是，則將所述采樣 的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的MSB電容的下極板切換至第三電平，執(zhí)行步驟四；若否， 則將所述與采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列除MSB電容外的其它位電容的下極板切換 至所述第一電平，執(zhí)行步驟六； 步驟四、進(jìn)行比較確定下一位比較結(jié)果；判斷所述下一位比較結(jié)果是否等于所述第一 位比較結(jié)果;若是，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下一位電容的下極板 切換至所述第三電平;若否，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下一位電容 的下極板切換至所述第三電平，同時(shí)將所述MSB與所述下一位電容同等數(shù)量的單位電容的 下極板切換至所述第二電平； 步驟五、重復(fù)執(zhí)行步驟四直到比較結(jié)束； 步驟六、進(jìn)行比較確定下一位比較結(jié)果；判斷所述下一位比較結(jié)果是否等于所述第一 位比較結(jié)果;若是，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下一位電容的下極板 切換至所述第二電平;若否，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的MSB與所述下 一位電容同等數(shù)量的單位電容的下極板切換至所述第一電平； 步驟七、重復(fù)執(zhí)行步驟六直到比較結(jié)束。2. 如權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述開關(guān)時(shí)序在切換周期步驟之前還 包括采樣步驟： 將所述第一電容陣列與所述第二電容陣列的下極板均連接接地電平以用于對(duì)所述模 擬信號(hào)輸入端輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。3. 如權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器還包括選擇開關(guān)，所 述選擇開關(guān)用于根據(jù)所述開關(guān)時(shí)序的指令選通所述參考電平端的所述第一電平、所述第二 電平或者所述第三電平。4. 如權(quán)利要求1或3所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于： 所述第一電平為Gnd電平，所述第二電平為V?電平，所述第三電平為Vrrf電平;或者 所述第一電平為Vrrf電平，所述第二電平為V?電平，所述第三電平為Gnd電平。5. 如權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，還包括數(shù)字信號(hào)輸出端，電連接至所 述邏輯模塊。6. -種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)時(shí)序，其特征在于，包括如下步驟： 步驟a、將所述第一電容陣列與所述第二電容陣列的下極板均連接Gnd電平以用于對(duì)所 述模擬信號(hào)輸入端輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣； 步驟b、對(duì)采樣的模擬信號(hào)直接進(jìn)行比較確定第一位比較結(jié)果； 步驟c、根據(jù)所述第一位比較結(jié)果，將采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下極板全 部切換至V?電平;進(jìn)行比較確定第二位比較結(jié)果； 步驟d、判斷所述第二位比較結(jié)果是否等于所述第一位比較結(jié)果;若是，則將所述采樣 的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的MSB電容的下極板切換至Vref電平，執(zhí)行步驟e;若否，則 將所述與采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列除MSB電容外的其它位電容的下極板切換至 Gnd電平，執(zhí)行步驟j ; 步驟e、進(jìn)行比較確定下一位比較結(jié)果;判斷所述下一位比較結(jié)果是否等于所述第一位 比較結(jié)果;若是，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下一位電容的下極板切 換至Vrrf電平;若否，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下一位電容的下極板 切換至V ref電平，同時(shí)將所述MSB與所述下一位電容同等數(shù)量的單位電容的下極板切換至V? 電平； 步驟f、重復(fù)執(zhí)行步驟e直到比較結(jié)束； 步驟j、進(jìn)行比較確定下一位比較結(jié)果;判斷所述下一位比較結(jié)果是否等于所述第一位 比較結(jié)果;若是，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的下一位電容的下極板切 換至V?電平;若否，則將所述采樣的模擬信號(hào)電壓值低的電容陣列的MSB與所述下一位電容 同等數(shù)量的單位電容的下極板切換至Gnd電平； 步驟h、重復(fù)執(zhí)行步驟j直到比較結(jié)束。
【文檔編號(hào)】H03M1/38GK105933007SQ201610231354
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月14日
【發(fā)明人】劉術(shù)彬, 王國(guó)益, 劉俊
【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)昆山創(chuàng)新研究院