[發明專利]基于暫態電容切換方式的逐次逼近型模數轉換器量化方法

有效

• 申請號: 202110149181.4
• 申請日: 2021-02-03
• 公開（公告）號: CN112968704B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 寧寧;余先銀;肖航;張中;李靖;于奇
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H03M1/38
• 分類號: H03M1/38
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 閆樹平

本發明屬于模擬集成電路技術領域，涉及一種基于暫態電容切換方式的逐次逼近型模數轉換器及其量化方法。本發明是以上極板采樣技術為基礎，在采樣后直接進行第一次比較，由第一次比較的結果獲得第1位輸出碼字，隨后根據第一次比較的結果完成第二次量化過程中的電容切換；同時通過第一次比較的結果確定出后續量化過程中所需要切換的目標陣列。在后續量化過程中，通過建立中間態進行過渡，實現只對目標陣列中的電容切換，使DAC電容陣列的形成類似單端電容切換方式，從而降低切換電容陣列的功耗；同時，本發明以N?2位量化電容進行N位量化，相較于傳統的DAC電容陣列節省75％面積，降低了功耗。

技術領域

本發明屬于模擬集成電路技術領域，涉及一種基于暫態電容切換方式的逐次逼近型模數轉換器及其量化方法。

背景技術

作為連接外部世界模擬信號和系統內部信號的橋梁，模擬數字轉換器(ADC)廣泛應用于多媒體、通信、生物醫療以及傳感器控制等技術領域，不同特性的模擬數字轉換器ADC適用于不同環境。近年來，隨著便攜式、可穿戴和可植入等設備的快速發展，在這類設備應用中，芯片需工作在缺少電源或電源相當小的情況下，必須工作在超低功耗的狀態，因此降低功耗以及減小體積顯得尤為重要。

由于逐次逼近型模數轉換器(SAR ADC)具有結構簡單、功耗低、面積小等優點而獲得廣泛應用。對于逐次逼近型模數轉換器(SAR ADC)而言，其主要功耗來源自電容陣列、比較器以及SAR邏輯。隨著CMOS工藝的發展進一步減小了數字電路的功耗，而對于全動態比較器的采用，比較器的功耗主要由噪聲和采樣速率決定，因此電容陣列的功耗成為了決定SARADC轉換器整體功耗的最主要因素。

用于實現逐次逼近算法的傳統SAR ADC的傳統開關電容，主要是通過電容衰減參考電壓的方式，將電容陣列存儲的總電荷進行二元劃分。在傳統的SAR ADC的量化方法中，DAC模塊開關策略的主要優勢在于工作原理簡單，但隨著模擬數字轉換器的位數增加，由于采用二進制加權的方式，電容值的以指數增加，一個N位差分數模轉換器需要2^N個單位電容。導致占用電路面積增大，電容切換產生的功耗快速增大。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種基于暫態電容切換方式的逐次逼近型模數轉換器及其量化方法，以克服傳統逐次逼近型模數轉換器(SAR ADC)的量化過程中，由于模轉換器需要2^N個單位電容，導致占用電路面積增大，電容切換產生的功耗快速增大的問題。

為實現上述目的本發明采取如下技術方案：

一種基于暫態電容切換方式的逐次逼近型模數轉換器，所述逐次逼近型模數轉換器包括：DAC模塊、比較器和數字邏輯控制模塊。

所述DAC模塊包括第一DAC電容陣列和第二DAC電容陣列，第一DAC電容陣列和第二DAC電容陣列都包括N-2個二進制的量化電容和1個冗余電容，其中N為所述逐次逼近型模數轉換器的位數；N-2個量化電容按照權重由低到高依次排列并編號為C₁、C₂、C₃、……、C_N-2；冗余電容C_R1與量化電容C₁的電容值相等；第一DAC電容陣列中的N-2個量化電容和1個冗余電容的上極板都連接比較器的正向輸入端并通過開關后接輸入信號V_ip，其下極板分別通過對應N-1個開關后連接共模電壓或參考高電壓或參考地電壓，從而使各電容通過各自的開關實現電容切換；第二DAC電容陣列中的N-2個量化電容和1個冗余電容的上極板都連接比較器的負向輸入端并通過開關后接輸入信號V_in，其下極板分別通過對應N-1個開關后連接共模電壓或參考高電壓或參考地電壓，從而使各電容通過各自的開關實現電容切換。共模電壓的電壓值為參考高電壓的電壓值的二分之一。

所述比較器的輸出端分別分別連接輸出模塊的輸入端和數字邏輯控制模塊的輸入端；所述輸出模塊根據比較器提供輸出信號完成量化碼字的輸出。