[發明專利]一種逐次逼近模數轉換器及電容開關切換方法

在審

• 申請號: 202011216230.3
• 申請日: 2020-11-04
• 公開（公告）號: CN112272027A
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 農恩寧;李建成;顏盾;肖裕;蔡磊;羅志鵬
• 申請（專利權）人: 湖南德雅華興科技研究中心有限公司;湖南德雅華興科技有限公司
• 主分類號: H03M1/46
• 分類號: H03M1/46
• 代理公司: 長沙市護航專利代理事務所(特殊普通合伙) 43220
• 代理人: 莫曉齊

本發明具體公開了一種逐次逼近模數轉換器及電容開關切換方法，所述電容開關切換方法中的每次開關切換過程中均只有兩種電平參與，因此極大程度上降低了逐次逼近邏輯電路和電容驅動電路的復雜度，同時，在前面兩次的開關切換過程中不需要消耗能量，而且又是單邊切換方法，進而有效降低了開關能量的消耗。而且，本發明中數模轉換電容陣列分為完全相同的MSB電容陣列和LSB電容陣列兩部分，MSB電容陣列采用二進制權重分裂電容陣列的形式，LSB電容陣列采用C?2C電容結構，從而減小了電容的失配，提高了數模轉換電容陣列的線性度，與傳統的二進制加權數模轉換器結構相比，該數模轉換器及轉換方法可減少75％的面積，降低96.89％的開關能耗。

技術領域

本發明涉及集成電路技術領域，尤其涉及一種逐次逼近模數轉換器及電容開關切換方法。

背景技術

在自然界中的信號如光、溫度、濕度等都是連續的模擬信號，而在電子世界里處理的是非連續的二進制數字信號，所以模數轉換器(ADC)作為模擬信號和數字信號之間的橋梁將模擬信號轉換為數字信號，常被應用于生物醫療、傳感器和移動通信等領域。目前已經研究和發展了各種類型ADC，如SAR ADC、Pipeline ADC、Flash ADC、Sigma Delta ADC等。隨著無線通信技術的快速發展，對ADC的功耗和面積的要求也越來越高，因此具有低功耗、低復雜度并且在精度和速度等方面也有良好表現的SAR ADC被應用于各種移動終端。電容型的SAR ADC匹配性好、功耗低并且不需要單獨的采樣保持電路，電容型的SAR ADC主要由數模轉換器(DAC)電容陣列、比較器、逐次逼近寄存器邏輯電路組成，其功耗主要來自于DAC電容陣列的開關切換。近年來對DAC電容陣列開關切換方式的研究成為一個熱點，提出了一系列的開關切換方式降低功耗和面積，與傳統結構相比，Monotonic方案功耗減少了81.26％，Vcm-base方案功耗減少了87.54％，MCS方案功耗減少了93.7％，Tri-level方案功耗減少了96.89％，Vcm-base Monotonic方案功耗減少了97.66％,Hybrid方案功耗減少了98.83％，Yavari方案功耗減少了93.7％。Monotonic方案的共模電壓偏移量較大，增大了比較器的設計難度，Vcm-based、Vcm-based Monotonic和MCS結構開關方案每次開關切換需要引入三個參考電平，從而使電容驅動電路更為復雜，Tri-level和Hybrid以及Vcm-based Monotonic結構開關方案對參考電平Vcm的精度要求較高，并且數字邏輯也比較復雜。

鑒于此，研究一種高能效、高精度、低復雜度并且能節省芯片面積的逐次逼近模數轉換器的DAC電容陣列開關切換方法是本技術領域人員需要解決的技術問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種逐次逼近模數轉換器及電容開關切換方法，本發明中的電容開關切換過程中均只有兩種電平參與，有效降低了電路的復雜度，而且在前面兩次單邊開關切換過程中均不需要消耗能量，大大降低了開關能量的損耗，與傳統的二進制加權數模轉換器結構相比較，該逐次逼近模數轉換器及切換方法可以減少芯片75％的面積，降低96.89％的開關能耗。

為解決上述技術問題，本發明提供一種逐次逼近模數轉換器，包括信號輸入模塊、數模轉換電容陣列、比較器、逐次逼近邏輯電路，其中：

信號輸入模塊，用于將輸入信號輸送給數模轉換電容陣列；

數模轉換電容陣列，用于接收信號輸入模塊的輸入信號并將輸入信號輸送至比較器中，其包括結構相同的MSB電容陣列和LSB電容陣列，MSB電容陣列為二進制權重分裂電容陣列，LSB電容陣列采用C-2C結構，數模轉換電容陣列的上極板與信號輸入模塊的輸出端連接，其下極板與參考電壓連接；

比較器，其輸入端與數模轉換電容陣列的下極板連接以接收輸入信號電壓且將輸出電壓與輸入電壓之和量化成數字碼；