[發明專利]逐次逼近型模數轉換器

在審

• 申請號: 201210487041.9
• 申請日: 2012-11-26
• 公開（公告）號: CN103840829A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 朱樟明;肖余
• 申請（專利權）人: 昆山啟達微電子有限公司;西安電子科技大學昆山創新研究院
• 主分類號: H03M1/38
• 分類號: H03M1/38
• 代理公司: 北京銀龍知識產權代理有限公司 11243
• 代理人: 許靜;黃燦

技術領域

本發明涉及模數轉換器領域，尤其涉及一種逐次逼近型模數轉換器。

背景技術

模數轉換器作為連接模擬系統和數字處理系統的橋梁，其低功耗設計顯得尤為重要。逐次逼近型模數轉換器由于其結構簡單、面積小、功耗利用率高而廣泛應用于各種低功耗限能系統中。

逐次逼近型模數轉換器主要由D/A轉換器、比較器和逐次逼近寄存器組成，其中D/A轉換器一般為電容式結構。由于現有工藝的限制，D/A轉換器中單位電容取值一般較大。而單位電容越大就會導致模數轉換過程中所消耗的能量越大，從而增加了逐次逼近型模數轉換器的整體功耗。

請參考圖1A-1C，傳統的三位逐次逼近型模數轉換器的開關過程如圖1所示。所述三位逐次逼近型模數轉換器的D/A轉換器包括四組二進制電容，圖1中C1-C8代表二進制權重電容，即有C1=2C2=4C3=4C4、C5=2C6=4C7=4C8，C3、C4、C7、C8是單位電容，而C1、C2、C5、C6均是由相應個數的單位電容構成，也就是說電容C1、C2、C5、C6所包括的單位電容的個數的比例應該是4:2:4:2。如此，N位逐次逼近型模數轉換器中電容所包括的單位電容的個數比例為2^N-1:2^N-2:…4:2:1:1。VP及VN代表差分輸入信號，V_REF代表高電平電壓，V_CM代表共模電壓，GND代表低電平電壓，且V_REF與V_CM滿足以下公式：V_CM=V_REF/2。

圖1A-1C中，采樣階段所有電容C1-C8的上極板均接共模電壓V_CM，電容C1-C4的下極板接差分輸入信號VP，電容C5-C8的下極板接差分輸入信號VN。采樣結束后，斷開電容C1-C8的上極板與共模電壓V_CM的連接，電容C1的下極板以及電容C6-C8的下極板接高電平電壓V_REF，電容C2-C4的下極板以及電容C5的下極板接低電平電壓GND，之后開始第一次比較過程。如果差分輸入信號VP大于差分輸入信號VN，則模數轉換器的數字輸出碼為“1”，同時電容C1-C8的接法保持不變；反之如果差分輸入信號VP小于差分輸入信號VN，則模數轉換器的數字輸出碼為“0”，電容C1的下極板更換為與低電平電壓GND相連，電容C5的下極板更換為與高電平電壓V_REF相連，接著電容C2的下極板更換為與高電平電壓V_REF相連，電容C6的下極板更換為與低電平電壓GND相連，隨后開始第二次比較，并根據比較結果確定相應的電容是保持不變還是切換連接低電平電壓GND或高電平電壓V_REF，直到LSB確定。其中，整個過程中電容C1-C4的下極板接法分別與電容C5-C8的下極板的接法相反，即若電容C1的下極板連接低電平電壓GND，則電容C5的下極板則連接高電平電壓V_REF，若電容C3的下極板連接高電平電壓V_REF，則電容C7的下極板則連接低電平電壓GND。

圖1A-1C中也示意了每步轉換過程中開關消耗的能量。采用傳統結構和開關時序的模數轉換器，完成轉換產生的功耗可以表示為：

其中：N為模數轉換器的位數，C為D/A轉換器的單位電容值，V_REF模數轉換器的電源電壓高電平。

請參考圖2，其為圖1A-1C中三位逐次逼近型模數轉換器的開關時序控制的逐次逼近波形圖。可見，傳統結構開關時序存在的問題是：需要較多的電容，產生較大功耗。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種逐次逼近型模數轉換器，避免了較大的電容面積，同時減小開關過程中產生的功耗。

為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：提供一種逐次逼近型模數轉換器，用于N位模數轉換，包括N-1對二進制電容，其中：

采樣階段：每對電容的下極板均接共模電壓，每對電容中的第一電容的上極板通過采樣電路對第一差分輸入信號進行采樣，每對電容中的第二電容的上極板通過采樣電路對第二差分輸入信號進行采樣；