一种逐次逼近型模数转换器及其开关切换方法技术

本发明专利技术公开了一种逐次逼近型模数转换器，包括电容阵列数模转换器、比较器、逐次逼近控制逻辑电路、切换开关、采样开关SP和采样开关SN；比较器的同相输入端通过采样开关SP连接到正输入信号Vip，比较器的反相输入端通过采样开关SN连接到负输入信号Vin，比较器输出端连接到逐次逼近控制逻辑电路，电容阵列数模转换器包括与比较器的同相输入端相接的同相端电容阵列和与比较器的反相输入端相接的反相端电容阵列，逐次逼近控制逻辑电路的输出控制端分别接到同相端电容阵列和反相端电容阵列的开关控制端。本发明专利技术还提供了逐次逼近型模数转换器开关切换方法，本发明专利技术既减小了芯片的面积，也有效降低芯片的整体功耗，节约了制作成本，具有良好的经济效益。

【技术实现步骤摘要】
一种逐次逼近型模数转换器及其开关切换方法
本专利技术涉及一种模数转换器，尤其是涉及一种逐次逼近型模数转换器及其开关切换方法，属于模拟或数模混合集成电路领域。
技术介绍
逐次逼近型模数转换器(SuccessiveApproximationRegisterAnalogtoDigitalConverter,SARADC)又称为二进制搜索模数转换器，主要应用于中高分辨率和中高转换速率的场合。它具有低功耗、面积小、易集成的优点，常被应用于无线传感节点、消费类电子和生物医疗等领域。SARADC通常采用二进制权电容阵列的电荷重分配结构，通过二进制搜索算法实现模数转换功能。由于SARADC的电容值随转换精度呈指数关系增加，因此较高精度的SARADC，其总电容值会非常大，不仅造成芯片面积增加，还会消耗大量的开关切换能耗。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服和解决上述问题，提供一种逐次逼近型模数转换器及其开关切换方法，不仅能够有效的减小电容的面积，而且可以有效的降低转换过程中的开关切换能耗，实现降低功耗的目的。为实现以上目的，本专利技术的技术方案如下：一种逐次逼近型模数转换器，包括电容阵列数模转换器、比较器、逐次逼近控制逻辑电路、切换开关、采样开关SP和采样开关SN；比较器的同相输入端通过采样开关SP连接到正输入信号Vip，比较器的反相输入端通过采样开关SN连接到负输入信号Vin，比较器输出端连接到逐次逼近控制逻辑电路，所述电容阵列数模转换器包括与比较器的同相输入端相接的同相端电容阵列和与比较器的反相输入端相接的反相端电容阵列，同相端电容阵列和反相端电容阵列公共端分别接到比较器的同相输入端和反相输入端，同相端电容阵列与反相端电容阵列中的所有电容的非公共端均通过切换开关选择连接参考电压Vref、Vcm或GND；所述同相端电容阵列包括同相端CMSB电容阵列和同相端CLSB电容阵列，所述反相端电容阵列，包括反相端CMSB电容阵列和反相端CLSB电容阵列，所述同相端电容阵列和所述反相端电容阵列构成完全相同，所述同相端CMSB电容阵列和同相端CLSB电容阵列构成完全相同，所述反相端CMSB电容阵列和反相端CLSB电容阵列构成完全相同；所述逐次逼近控制逻辑电路的输出控制端分别接到同相端电容阵列和反相端电容阵列的开关控制端。进一步地，所述参考电压Vref为共模电压Vcm的两倍，GND表示接地电压。进一步地，所述同相端CMSB电容阵列、反相端CMSB电容阵列、同相端CLSB电容阵和反相端CLSB电容阵列均由N-3个二进制权重电容和终端电容构成，其中第i-3位电容由2N-i个单位电容并联得到，4≤i≤N，N为逐次逼近型模数转换器的分辨率，且N为大于3的正整数。本专利技术还提供了一种逐次逼近型模数转换器的开关切换方法，所述开关切换方法需提供以上所述的逐次逼近型模数转换器，具体包括以下步骤：采样阶段：将采样开关SP和采样开关SN闭合，使得同相端电容阵列所有电容的公共端接到输入信号Vip，反相端电容阵列所有电容的公共端接到输入信号Vin；将同相端CMSB电容阵列和反相端CMSB电容阵列所有电容的非公共端通过切换开关选择接地，将同相端CLSB电容阵列和反相端CLSB电容阵列所有电容的非公共端通过切换开关选择接参考电压Vref；比较阶段：第一次比较：采样结束后，采样开关SP和采样开关SN均断开，比较器进行第一次比较，得到最高位的值B[N]；第二次比较：根据第一次比较结果B[N]，对电容进行切换；若B[N]=1，则将反相端CMSB电容阵列中所有电容的非公共端通过切换开关选择接到参考电压Vref，反相端CLSB电容阵列和同相端电容阵列中所有电容的非公共端电压保持不变；若B[N]=0，则将同相端CMSB电容阵列中所有电容的非公共端通过切换开关选择接到参考电压Vref，同相端CLSB电容阵列和反相端电容阵列中所有电容的非公共端电压保持不变；接下来进行第二次比较，得到次高位的值B[N-1]；第三次比较：根据第一次比较结果B[N]和第二次比较结果B[N-1]，对电容进行切换；若B[N]B[N-1]=11，则将同相端CLSB电容阵列中所有电容的非公共端通过切换开关选择接到共模电压Vcm，同相端CMSB电容阵列和反相端电容阵列中所有电容的非公共端电压保持不变；若B[N]B[N-1]=10，则将同相端CLSB电容阵列中所有电容的非公共端通过切换开关选择接到共模电压Vcm；同时，将反相端电容阵列中所有电容的非公共端通过切换开关选择接到共模电压Vcm；若B[N]B[N-1]=01，则将反相端CLSB电容阵列中所有电容的非公共端通过切换开关选择接到共模电压Vcm，反相端CLSB电容阵列和同相端电容阵列中所有电容的非公共端电压保持不变；若B[N]B[N-1]=00，则将反相端CLSB电容阵列中所有电容的非公共端通过切换开关选择接到共模电压Vcm；同时，将同相端电容阵列中所有电容的非公共端通过切换开关选择接到共模电压Vcm；接下来进行第三次比较，得到第三次比较结果B[N-2]；第i次比较：根据第一次比较结果B[N]和第i-1次比较结果B[N-i+2]，对电容进行切换；若B[N]B[[N-i+2]=11，则将同相端CLSB电容阵列中第i-3位电容的非公共端通过切换开关选择接到地，同相端CMSB电容阵列和反相端电容阵列中所有电容的非公共端电压保持不变；若B[N]B[[N-i+2]=10，则将同相端CMSB电容阵列中第i-3位电容的非公共端通过切换开关选择接到共模电压Vcm，同相端CLSB电容阵列和反相端电容阵列中所有电容的非公共端电压保持不变；若B[N]B[[N-i+2]=00，则将反相端CMSB电容阵列中第i-3位电容的非公共端通过切换开关选择接到地，反相端CMSB电容阵列和同相端电容阵列中所有电容的非公共端电压保持不变；若B[N]B[[N-i+2]=01，则将反相端CMSB电容阵列中第i-3位电容的非公共端通过切换开关选择接到共模电压Vcm，反相端CLSB电容阵列和同相端电容阵列中所有电容的非公共端电压保持不变；接下来进行第i次比较，得到第i次比较结果B[N-i+1]，其中，i为4≤i≤N的正整数；进行N次比较后，获得N位二进制输出码，完成模数转换。本专利技术提供的逐次逼近型模数转换器可以减少高两位电容，即N-2位电容能够实现N位的分辨率，节省了75%的总电容面积，既减小了芯片的面积，也节约了制作成本，具有良好的经济效益；在前三次转换中不需要消耗能量，后续的转换中只有一侧的电容参与切换，使切换能耗进一步降低，与10位传统结构相比，切换过程消耗的平均动态能耗降低了99.23%，有效降低芯片的整体功耗。附图说明下面结合附图，对本专利技术作进一步的说明。图1为本专利技术的N位分辨率逐次逼近型模数转换器整体架构图；图2为本专利技术4位分辨率逐次逼近型模数转换器第一次和第二次开关切换示意图；图3为图2中A状态第三次开关切换示意图；图4为图2中B状态第三次开关切换示意图；图5为图2中C状态第三次开关切换示意图；图6为图2中D状态第三次开关切换示意图；图7为本专利技术10位分辨率逐次逼近型模数在转换器开关切换功耗随输出码变化的Matlab仿真结果。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下文将结合说明书附图和较佳的实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种逐次逼近型模数转换器，包括电容阵列数模转换器、比较器、逐次逼近控制逻辑电路、切换开关、采样开关SP和采样开关SN；比较器的同相输入端通过采样开关SP连接到正输入信号Vip，比较器的反相输入端通过采样开关SN连接到负输入信号Vin，比较器输出端连接到逐次逼近控制逻辑电路，其特征在于：所述电容阵列数模转换器包括与比较器的同相输入端相接的同相端电容阵列和与比较器的反相输入端相接的反相端电容阵列，同相端电容阵列和反相端电容阵列公共端分别接到比较器的同相输入端和反相输入端，同相端电容阵列与反相端电容阵列中的所有电容的非公共端均通过切换开关选择连接参考电压Vref、Vcm或GND；所述同相端电容阵列包括同相端CMSB电容阵列和同相端CLSB电容阵列，所述反相端电容阵列，包括反相端CMSB电容阵列和反相端CLSB电容阵列，所述同相端电容阵列和所述反相端电容阵列构成完全相同，所述同相端CMSB电容阵列和同相端CLSB电容阵列构成完全相同，所述反相端CMSB电容阵列和反相端CLSB电容阵列构成完全相同；所述逐次逼近控制逻辑电路的输出控制端分别接到同相端电容阵列和反相端电容阵列的开关控制端。

【技术特征摘要】
1.一种逐次逼近型模数转换器，包括电容阵列数模转换器、比较器、逐次逼近控制逻辑电路、切换开关、采样开关SP和采样开关SN；比较器的同相输入端通过采样开关SP连接到正输入信号Vip，比较器的反相输入端通过采样开关SN连接到负输入信号Vin，比较器输出端连接到逐次逼近控制逻辑电路，其特征在于：所述电容阵列数模转换器包括与比较器的同相输入端相接的同相端电容阵列和与比较器的反相输入端相接的反相端电容阵列，同相端电容阵列和反相端电容阵列公共端分别接到比较器的同相输入端和反相输入端，同相端电容阵列与反相端电容阵列中的所有电容的非公共端均通过切换开关选择连接参考电压Vref、Vcm或GND；所述同相端电容阵列包括同相端CMSB电容阵列和同相端CLSB电容阵列，所述反相端电容阵列，包括反相端CMSB电容阵列和反相端CLSB电容阵列，所述同相端电容阵列和所述反相端电容阵列构成完全相同，所述同相端CMSB电容阵列和同相端CLSB电容阵列构成完全相同，所述反相端CMSB电容阵列和反相端CLSB电容阵列构成完全相同；所述逐次逼近控制逻辑电路的输出控制端分别接到同相端电容阵列和反相端电容阵列的开关控制端。2.根据权利要求1所述的一种逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述参考电压Vref为共模电压Vcm的两倍，GND表示接地电压。3.根据权利要求1所述的一种逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述同相端CMSB电容阵列、反相端CMSB电容阵列、同相端CLSB电容阵和反相端CLSB电容阵列均由N-3个二进制权重电容和终端电容构成，其中第i-3位电容由2N-i个单位电容并联得到，4≤i≤N，N为逐次逼近型模数转换器的分辨率，且N为大于3的正整数。4.一种逐次逼近型模数转换器的开关切换方法，其特征在于：所述开关切换方法需提供如权利要求1至3任意一项所述的逐次逼近型模数转换器，具体包括以下步骤：采样阶段：将采样开关SP和采样开关SN闭合，使得同相端电容阵列所有电容的公共端接到输入信号Vip，反相端电容阵列所有电容的公共端接到输入信号Vin；将同相端CMSB电容阵列和反相端CMSB电容阵列所有电容的非公共端通过切换开关选择接地，将同相端CLSB电容阵列和反相端CLSB电容阵列所有电容的非公共端通过切换开关选择接参考电压Vref；比较阶段：第一次比较：采样结束后，采样开关SP和采样开关SN均断开，比较器进行第一次比较，得到最高位的值B[N]；第二次比较：根据第一次比较结果B[N]，对电容进行切换；若B[N]=1，则将反相端CMSB电容阵列中所有电容的非公共端通过切换开关选择接到参考电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢亮，曾华林，张文杰，金湘亮，
申请(专利权)人：湘潭芯力特电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43