[發(fā)明專利]一種模數(shù)轉換器及應用于SAR ADC的三電平開關方法

有效

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• 申請日: 2020-03-12
• 公開（公告）號: CN111371457B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發(fā)明（設計）人: 吳建輝;黃琳琳;周暢;羅斯婕;黃毅;李紅
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H03M1/38
• 分類號: H03M1/38
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

本發(fā)明公開了一種模數(shù)轉換器及應用于SAR?ADC的三電平開關方法，屬于SAR?ADC的電容型DAC技術領域，整個過程分為采樣和轉換兩個階段，采樣階段根據(jù)輸入信號VIP和VIN通過采樣開關分別連接到上電容陣列和下電容陣列的頂極板；轉換階段比較器對在上下電容陣列頂極板的電壓進行MSB位至LSB位的比較，得出對應的數(shù)字碼，根據(jù)數(shù)字碼控制上下電容陣列中電容底極板的連接關系；經(jīng)過N次比較獲得到N位數(shù)字輸出碼。不同于大多數(shù)已發(fā)表的三電平開關方法，本發(fā)明采用了新的第三參考電平Vsubgt;aq/subgt;，其值等于參考電壓Vsubgt;ref/subgt;的四分之一。與傳統(tǒng)的開關算法相比，本發(fā)明不但能夠降低了99.61％的電容分裂式DAC的功耗，而且節(jié)省了87.5％的電容面積，實現(xiàn)了能量效率和面積節(jié)省之間很好的折中。

技術領域

本發(fā)明屬于SAR?ADC的電容型DAC技術領域，尤其涉及一種模數(shù)轉換器及應用于SAR?ADC的三電平開關方法。

背景技術

SAR?ADC因其絕大部分電路都由數(shù)字電路組成，并且沒有運放，能量效率很高，與先進工藝兼容。中等精度(8-12位)、中等采樣速率(1MHz)的SAR?ADC被廣泛地運用于生物醫(yī)療電子、可穿戴設備、可植入設備、便攜式設備以及無線傳感網(wǎng)節(jié)點等領域。SAR?ADC的功耗主要來自于電容DAC、比較器和數(shù)字控制邏輯，而在低速下,電容DAC消耗的開關功耗占據(jù)了整體功耗的很大比例。

在已有的研究中，提出了多種開關算法來減小電容DAC的開關功耗。其中，三電平的開關算法由于引入了第三參考電平，一般為0.5V_ref，開關算法更加靈活，DAC的開關功耗往往較低，然而其電容面積的減少效果并不理想[1][2]。

[1]Y.Zhu?et?al.:‘A?10-bit?100-MS/s?Reference-Free?SAR?ADC?in?90nmCMOS’,IEEE?Journal?of?Solid-State?Circuits.,2010,45,(6),pp.1111-1121

[2]A.Sanyal?and?N.Sun.:‘SAR?ADC?architecture?with?98％?reduction?inswitching?energy?over?conventional?scheme’,Electronics?Letters.,2013,49,(4),pp.248-250

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術問題在于，針對SAR?ADC的設計，如何對三電平開關算法的能量效率和面積減少進行更好的折中。不同于大多數(shù)三電平開關方法，本發(fā)明提供的一種模數(shù)轉換器及應用于SAR?ADC的三電平開關方法，其采用0.25V_ref作為第三參考電平，節(jié)省了電容面積，同時利用電容分列裂式DAC結構，從而減小了DAC的開關功耗。

本發(fā)明具體采用以下技術方案解決上述技術問題：

一種模數(shù)轉換器，包含采樣開關、電容陣列、比較器和數(shù)字控制邏輯；

其中，電容陣列包括完全相同的上電容陣列和下電容陣列；輸入信號VIP通過采樣開關連接到上電容陣列的頂極板，輸入信號VIN通過采樣開關連接到下電容陣列的頂極板；上電容陣列的頂極板與比較器同相輸入端相連，下電容陣列的頂極板與比較器的反相輸入端相連；比較器的差分輸出端通過數(shù)字控制邏輯后產(chǎn)生控制信號來控制上下電容陣列的底極板開關，使上電容陣列和下電容陣列的底極板連接到對應的參考電壓上；