[發明專利]一種應用于近閾值SAR ADC的二進制電容陣列及其低功耗開關方法

有效

• 申請號: 201610056385.2
• 申請日: 2016-01-27
• 公開（公告）號: CN105553479B
• 公開（公告）日: 2018-08-10
• 發明（設計）人: 吳建輝;吳愛東;杜媛;陳超;李紅;張萌
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H03M1/46
• 分類號: H03M1/46
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 黃成萍

1.一種應用于近閾值SAR ADC的二進制電容陣列，其特征在于：對N比特的SARADC，整個電容陣列分為正負兩端相等的兩個電容陣列，每個電容陣列包括一個最高位電容C_N-3、N-4個高位電容、一個最低位電容C_u和一個dummy電容C_D，除最高位電容C_N-3、最低位電容C_u和dummy電容C_D外，其余每個高位電容均由兩個相等的電容組成，并且這兩個電容在數值上均等于該高位電容的次高位電容；具體為：

①最高位電容C_N-3

最高位電容C_N-3先分裂為兩個電容C'_N-4,1和C'_N-4,2，C'_N-4,1和C'_N-4,2在數值上等于次高位電容C_N-4，即C'_N-4,1＝C'_N-4,2＝C_N-4；電容C'_N-4,1再分裂為兩個電容C'_N-5,1和C'_N-5,2，同時C'_N-4,2也分裂為兩個電容C'_N-5,1和C'_N-5,2，C'_N-5,1和C'_N-5,2在數值上等于第三高位電容C_N-5，即C'_N-5,1＝C'_N-5,2＝C_N-5；因此，最高位電容C_N-3的公式表達形式如下：

即：

②次高位電容C_N-4到第N-3高位電容C₁

高位電容C_i分裂為兩個電容C'_i-1,1和C'_i-1,2，C'_i-1,1和C'_i-1,2在數值上等于次高位電容C_i-1，即C'_i-1,1＝C'_i-1,2＝C_i-1；因此，次高位電容C_N-4到第N-3高位電容C₁的公式表達形式如下：

C_i＝C'_i-1,1+C'_i-1,2，N-4≥i≥1

④最低位電容C_u和一個dummy電容C_D

最低位電容C_u和dummy電容C_D均為單位電容，且C_u＝C_D＝C₀；

每個電容陣列中，電容C'_i-1,1的參考電平復位狀態與電容C'_i-1,2的參考電平復位狀態的連接方式相反，即電容C'_i-1,1的下極板連接參考電壓V_ref，電容C'_i-1,2的下極板連接GND；兩個電容陣列中，除最低位電容C_u和dummy電容C_D外，其余電容的連接方式相同，正端的最低位電容C_u在參考電平復位狀態時下極板連接參考電壓V_ref，正端的dummy電容C_D在參考電平復位狀態時下極板連接GND，負端的最低位電容C_u在參考電平復位狀態時下極板連接GND，負端的dummy電容C_D在參考電平復位狀態時下極板連接參考電壓V_ref。

2.一種應用于近閾值SAR ADC的二進制電容陣列的低功耗開關方法，其特征在于：對于一個輸入信號，經過N比特的SAR ADC的二進制轉換后，得到D_ND_N-1…D₂D₁的數字碼，包括如下步驟：

步驟一：采樣階段

每個電容陣列中，電容C'_i-1,1的參考電平復位狀態與電容C'_i-1,2的參考電平復位狀態的連接方式相反，即電容C'_i-1,1的下極板連接參考電壓V_ref，電容C'_i-1,2的下極板連接GND；兩個電容陣列中，除最低位電容C_u和dummy電容C_D外，其余電容的連接方式相同，正端的最低位電容C_u在參考電平復位狀態時下極板連接參考電壓V_ref，正端的dummy電容C_D在參考電平復位狀態時下極板連接GND，負端的最低位電容C_u在參考電平復位狀態時下極板連接GND，負端的dummy電容C_D在參考電平復位狀態時下極板連接參考電壓V_ref；

兩個電容陣列中，電容的上極板參與電壓采樣：正端電容陣列中所有電容的上極板連接采樣電壓V_ip，負端電容陣列中所有電容的上極板連接采樣電壓V_in；

步驟二：轉換階段，確定D_N、D_N-1與D_N-2位

(21)首先確定D_N、D_N-1與D_N-2位，需要用到三組次高位電容，分別記為第一組次高位電容、第二組次高位電容和第三組次高位電容，其中兩組次高位電容組成最高位電容；對正端電壓V_ip和負端電壓V_in直接進行一次比較，結果記為D_N，對得到的D_N進行分情況討論：

情況一：若D_N＝1，則將正端的第一組次高位電容的分裂電容C'_N-5,1下極板從V_ref轉到GND，將負端的第一組次高位電容的分裂電容C'_N-5,2下極板從GND轉到V_ref，這樣整個DAC的差分電壓將減少記為V_diff,1，再次對正端電壓V_ip和負端電壓V_in進行一次比較，結果記為A₁；

情況二：若D_N＝0，則將正端的第一組次高位電容的分裂電容C'_N-5,2下極板從GND轉到V_ref，將負端的第一組次高位電容的分裂電容C'_N-5,1下極板從V_ref轉到GND，這樣整個DAC的差分電壓將增加記為V_diff,1，再次對正端電壓V_ip和負端電壓V_in進行一次比較，結果記為A₁；

(22)對得到的D_N和A₁進行分情況討論：

情況三：若D_N≠A₁，則直接確定D_N-1＝A₁，D_N-2＝A₁；此時整個DAC的差分電壓記為V_diff,3，比較器的結果為A₁，轉入步驟三；

情況四：若D_N＝A₁＝1，將正端的第二組次高位電容的分裂電容C'_N-5,1下極板從V_ref轉到GND，將負端的第二組次高位電容的分裂電容C'_N-5,2下極板從GND轉到V_ref，這樣整個DAC的差分電壓將減少記為V_diff,2，再次對正端電壓V_ip和負端電壓V_in進行一次比較，結果記為A₂；

情況五：若D_N＝A₁＝0，將正端的第二組次高位電容的分裂電容C'_N-5,2下極板從GND轉到V_ref，將負端的第二組次高位電容的分裂電容C'_N-5,1下極板從V_ref轉到GND，這樣整個DAC的差分電壓將增加記為V_diff,2，再次對正端電壓V_ip和負端電壓V_in進行一次比較，結果記為A₂；

(23)對得到的A₁和A₂進行分情況討論：

情況六：若A₁≠A₂，則直接確定D_N-1＝A₂，D_N-2＝A₁；此時整個DAC的差分電壓記為V_diff,3，比較器的結果為A₂，轉入步驟三；

情況七：若A₁＝A₂＝1，將正端的第三組次高位電容的分裂電容C'_N-5,1下極板從V_ref轉到GND，將負端的第三組次高位電容的分裂電容C'_N-5,2下極板從GND轉到V_ref，這樣整個DAC的差分電壓將減少記為V_diff,3，再次對正端電壓V_ip和負端電壓V_in進行一次比較，結果記為A₃；確定D_N-1＝A₁＝A₂，D_N-2＝A₃，比較器的結果為A₃，轉入步驟三；

情況八：若A₁＝A₂＝0，將正端的第三組次高位電容的分裂電容C'_N-5,2下極板從GND轉到V_ref，將負端的第三組次高位電容的分裂電容C'_N-5,1下極板從V_ref轉到GND，這樣整個DAC的差分電壓將增加記為V_diff,3，再次對正端電壓V_ip和負端電壓V_in進行一次比較，結果記為A₃；確定D_N-1＝A₁＝A₂，D_N-2＝A₃，比較器的結果為A₃，轉入步驟三；

步驟三：轉換階段，確定D_N-3到D₃位

(31)根據比較器的結果，確定D_N-3

若比較器的結果為1，將正端的第三高位電容的分裂電容C'_N-6,1下極板從V_ref轉到GND，將負端的第三高位電容的分裂電容C'_N-6,2下極板從GND轉到V_ref，這樣整個DAC的差分電壓將減少記為V_diff,4，再次對正端電壓V_ip和負端電壓V_in進行一次比較，結果記為D_N-3；

若比較器的結果為0，將正端的第三高位電容的分裂電容C'_N-6,2下極板從GND轉到V_ref，將負端的第三高位電容的分裂電容C'_N-6,1下極板從V_ref轉到GND，這樣整個DAC的差分電壓將增加記為V_diff,4，再次對正端電壓V_ip和負端電壓V_in進行一次比較，結果記為D_N-3；

(32)采用步驟(31)的方法，根據D_N-3，確定D_N-4

若比較器的結果為1，將正端的第四高位電容的分裂電容C'_N-7,1下極板從V_ref轉到GND，將負端的第四高位電容的分裂電容C'_N-7,2下極板從GND轉到V_ref，這樣整個DAC的差分電壓將減少記為V_diff,5，再次對正端電壓V_ip和負端電壓V_in進行一次比較，結果記為D_N-4；

若比較器的結果為0，將正端的第四高位電容的分裂電容C'_N-7,2下極板從GND轉到V_ref，將負端的第四高位電容的分裂電容C'_N-7,1下極板從V_ref轉到GND，這樣整個DAC的差分電壓將增加記為V_diff,5，再次對正端電壓V_ip和負端電壓V_in進行一次比較，結果記為D_N-4；

(33)采用步驟(31)和(32)的方法，根據比較器的結果修改第三組次高位電容次一級權重的分裂電容下極板的連接，確定D_N-5到D₃位；

步驟四：轉換階段，確定D₂到D₁位

(41)若D₃＝1，將正端和負端的最低位電容C_u的下極板進行短接形成聯合電容，由于之前的轉換過程中，DAC的共模電壓保持不變，所以短接后，正端和負端的最低位電容C_u的下極板都變為V_cm，即整個DAC的差分電壓將減少記為V_diff,N-2；再次對正端電壓V_ip和負端電壓V_in進行一次比較，結果記為D₂；

若D₃＝0，將正端和負端的dummy電容C_D的下極板進行短接形成聯合電容，由于之前的轉換過程中，DAC的共模電壓保持不變，所以短接后，正端和負端的dummy電容C_D的下極板都變為V_cm，即整個DAC的差分電壓將增加記為V_diff,N-2；再次對正端電壓V_ip和負端電壓V_in進行一次比較，結果記為D₂；

(42)若D₂＝1，將聯合電容斷開，原正端的聯合電容下極板由聯合狀態變為連接GND，原負端的聯合電容下極板由聯合狀態變為浮置狀態；這樣整個DAC的差分電壓將減少記為V_diff,N-1；再次對正端電壓V_ip和負端電壓V_in進行一次比較，結果記為D₁；

若D₂＝0，將聯合電容斷開，原正端的聯合電容下極板由聯合狀態變為浮置狀態，原負端的聯合電容下極板由聯合狀態變為連接GND；這樣整個DAC的差分電壓將增加記為V_diff,N-1；再次對正端電壓V_ip和負端電壓V_in進行一次比較，結果記為D₁。