混合电容翻转技术控制SAR ADC电平开关方法技术

本发明专利技术公开了一种混合电容翻转技术控制的逐次逼近型模数转换器SARADC电平开关方法，其实现过程是：(1)采用上极板采样技术对输入信号进行采样；(2)比较器第一次比较完成后采用电容阵列同时翻转技术，切换电容阵列开关；(3)在后续转换过程中，采用多电平开关技术，根据比较结果切换电容阵列开关,直至转换完成。本发明专利技术提出的混合电容翻转技术由上极板采样技术，电容阵列同时翻转技术和多电平开关技术组成，该技术提高了转换速度，减少了差分电容阵列的电容数量，降低了转换过程需要的能量。

Hybrid capacitor switching technology to control SAR ADC level switch

The invention discloses a method of successive approximation analog-to-digital converter (SARADC) level switch controlled by hybrid capacitor flip technology, which realizes the following steps: (1) sampling input signal by using upper plate sampling technology; (2) switching capacitor array switch by using capacitor array simultaneous flip technology after the first comparison is completed; (3) switching capacitor array switch. In the subsequent conversion process, multi-level switch technology is used to switch capacitor array switch according to the comparison results until the conversion is completed. The hybrid capacitor flip technology is composed of upper plate sampling technology, capacitor array simultaneous flip technology and multi-level switch technology. The technology improves the conversion speed, reduces the capacitance quantity of differential capacitor array, and reduces the energy required in the conversion process.

【技术实现步骤摘要】
混合电容翻转技术控制SARADC电平开关方法
本专利技术属于电子物理
，更进一步涉及微电子
中的一种混合电容翻转技术控制逐次逼近型模数转换器SARADC(Successive-Approximation-RegisterAnalog-to-digitalconverter)电平开关的方法。本专利技术是对采样开关，差分电容阵列，差分电容阵列开关，比较器和控制逻辑电路组成的逐次逼近型模数转换器SARADC，通过混合电容翻转技术，控制转换器的差分电容阵列中开关的切换，根据开关切换结果从已有的电平中选择待连接的电平。
技术介绍
逐次逼近型模数转换器SARADC中电容阵列的开关切换是模数转换器的重要功耗来源，目前已经提出了一些电平开关方法，例如单调电平开关方法和VCM-based电平开关方法。北京大学(天津滨海)新一代信息技术研究院在其申请的专利文献“一种新型高精度电容自校准逐次逼近型模数转换器”(申请号201610239462.8，申请公开号CN105933004A，公开日为2016.09.07)中公开了一种新型高精度电容自校准逐次逼近型模数转换器的电平开关方法，该方法的具体的步骤如下：采样阶段将采样开关闭合，采样电容上极板接入共模电平，下极板接输入信号，将输入信号采样到电容极板中。随后在逐次逼近阶段中对采样值进行保持并比较，根据比较结果改变采样电容下极板开关，进行电荷分配，并将比较结果输出到后方数字电路中，形成一系列数字码流，如此循环往复，就可以完成逐次逼近的模数转换。该方法存在的不足之处是，由于采用下极板采样技术，需要在第一个时钟周期中将下极板与输入信号断开后，才能在第二个时钟周期中将电容阵列的上极板接比较器对输入信号进行第一次比较，因此整个电平切换过程速度慢，无法在快速采样过程中应用。Zhu,Y.等人在其发表论文“A10-bit100-MS/sreference-freeSARADCin90nmCMOS”(IEEEJ.Solid-StateCircuits,2010,45,(6),pp.1111–1121)中提出了一种基于VCM-based技术的电平开关方法。该方法的具体的步骤如下：在采样阶段，两个电容阵列的上极板通过采样电路对输入信号进行采样，所有电容下级板都接VCM中间电平；在转换阶段，比较器直接对两个差分输入信号进行第一次比较，根据比较结果对开关进行切换，改变开关所接电平；在后续比较过程中，比较器根据两个输入信号得到比较结果，改变电容阵列的接法，直至最后一次比较完成。该方法存在的不足之处是，该方法在每产生一位数码时只切换一位电容的电平，因此N位转换器需要N对的差分电容，需要的电容数量较多，硬件资源开销较大。Zhu，Z.等人在其发表论文“VCM-basedmonotoniccapacitorswitchingschemeforSARADC”(Electron.Lett.,2013,49,(5),pp.327–329)中提出了一种基于VMS技术的电平开关方法。该方法的具体的步骤如下：在采样阶段，两个电容阵列的上极板通过采样电路对输入信号进行采样，所有电容下级板都接VCM中间电平；在转换阶段，比较器直接对两个差分输入信号进行第一次比较，根据比较结果对单侧电容阵列开关同时进行切换，改变开关所接电平；在后续比较过程中，比较器根据两个输入信号得到比较结果，改变电容阵列的接法，直至最后一次比较完成。该方法存在的不足之处是，该方法在转换过程中采用的转换电平差值较大，造成的功耗较高，不利于在低功耗场合应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，解决传统电平开关方法电平切换过程速度慢，硬件资源开销较大，电平切换过程消耗能量大的问题，提出来一种混合电容翻转技术控制SARADC电平开关方法，采用上极板采样技术采集差分模拟输入电平，在产生最高位数码时采用电容阵列同时翻转技术，在后续转换过程中采用多电平开关技术；该方法的具体步骤包括如下：(1)输入正端模拟电平VP和负端模拟电平VN的差分模拟电平；(2)利用上极板采样方法，对正、负端模拟电平进行采样：(2a)闭合转换器中的采样开关；(2b)差分电容阵列中，正端电容阵列中所有电容的上极板接模拟电平VP，下极板接转换器的参考电平VREF；负端电容阵列中所有电容的上极板连接模拟电平VN，下极板接转换器的参考电平VREF；(2c)正端模拟电平VP对正端电容阵列充电，负端模拟电平VN对负端电容阵列进行充电，从而将输入的正端模拟电平VP和负端模拟电平VN分别存储在正端电容阵列和负端电容阵列中；(3)判断输入电平VP是否大于VN，若是，将ADC的最高位设置为1，执行步骤(4)；否则，将ADC的最高位设置为0，执行步骤(19)；(4)利用电容阵列同时翻转技术，切换转换器中的电容阵列开关：正端电容阵列中所有电容的下极板同时由转换器的参考电平VREF切换到转换器的共模电平VCM；(5)切换后的转换器中的正端电容阵列下级板连接的电平对正端电容阵列充放电，得到当前正端电容阵列电平；(6)判断当前正端电容阵列电平是否大于当前负端电容阵列电平，若是，将ADC的次高位设置为1，执行步骤(7)；否则，将ADC的次高位设置为0，执行步骤(13)；(7)切换转换器中的电容阵列开关：在正端电容阵列中，次高位控制的电容下级板由转换器的共模电平VCM切换至转换器的零电平Gnd；(8)将切换后的转换器中的差分电容阵列下级板连接的电平对电容阵列充电，得到当前正端电容阵列电平和当前负端电容阵列电平；(9)判断当前正端电容阵列电平是否大于当前负端电容阵列电平，若是，将ADC当前转换位的数值设置为1；否则，将ADC当前转换位的数值设置为0；判断此数值是否等于次高位，若是，执行步骤(10)；否则，执行步骤(11)；(10)切换转换器中的电容阵列开关：在正端电容阵列中，当前转换位控制的电容下级板由转换器的共模电平VCM切换至转换器的零电平Gnd，执行步骤(12)；(11)利用多电平开关技术，切换转换器中的电容阵列开关：在负端电容阵列中，当前转换位的高一位控制的电容下级板由转换器的参考电平VREF切换至转换器的第一转换电平V1，执行步骤(12)；(12)判断当前转换位是否是ADC的最低位，若是，则执行步骤(34)，否则，执行步骤(8)；(13)切换转换器中的电容阵列开关：在负端电容阵列中，次高位控制的电容下级板由转换器的参考电平VREF切换至转换器的共模电平VCM；(14)将切换后的转换器中的差分电容阵列下级板连接的电平对电容阵列充电，得到当前正端电容阵列电平和当前负端电容阵列电平；(15)判断当前正端电容阵列电平是否大于当前负端电容阵列电平，若是，将ADC当前转换位的数值设置为1；否则，将ADC当前转换位的数值设置为0；判断此数值是否等于次高位，若是，执行步骤(16)；否则，执行步骤(17)；(16)切换转换器中的电容阵列开关：在负端电容阵列中，当前转换位控制的电容下级板由转换器的参考电平VREF切换至转换器的共模电平VCM，执行步骤(18)；(17)利用多电平开关技术，切换转换器中的电容阵列开关：在正端电容阵列中，当前转换位的高一位控制的电容下级板由转换器的共模电平VCM切换至转换器的第二转换电平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合电容翻转技术控制的逐次逼近型模数转换器SAR ADC电平开关方法，其特征在于，采用上极板采样技术采集差分模拟输入电平，在产生最高位数码时采用电容阵列同时翻转技术，在后续转换过程中采用多电平开关技术；该方法的具体步骤包括如下：(1)输入正端模拟电平VP和负端模拟电平VN的差分模拟电平；(2)利用上极板采样方法，对正、负端模拟电平进行采样：(2a)闭合转换器中的采样开关；(2b)差分电容阵列中，正端电容阵列中所有电容的上极板接模拟电平VP，下极板接转换器的参考电平VREF；负端电容阵列中所有电容的上极板连接模拟电平VN，下极板接转换器的参考电平VREF；(2c)正端模拟电平VP对正端电容阵列充电，负端模拟电平VN对负端电容阵列进行充电，从而将输入的正端模拟电平VP和负端模拟电平VN分别存储在正端电容阵列和负端电容阵列中；(3)判断输入电平VP是否大于VN，若是，将ADC的最高位设置为1，执行步骤(4)；否则，将ADC的最高位设置为0，执行步骤(19)；(4)利用电容阵列同时翻转技术，切换转换器中的电容阵列开关：正端电容阵列中所有电容的下极板同时由转换器的参考电平VREF切换到转换器的共模电平VCM；(5)切换后的转换器中的正端电容阵列下级板连接的电平对正端电容阵列充放电，得到当前正端电容阵列电平；(6)判断当前正端电容阵列电平是否大于当前负端电容阵列电平，若是，将ADC的次高位设置为1，执行步骤(7)；否则，将ADC的次高位设置为0，执行步骤(13)；(7)切换转换器中的电容阵列开关：在正端电容阵列中，次高位控制的电容下级板由转换器的共模电平VCM切换至转换器的零电平Gnd；(8)将切换后的转换器中的差分电容阵列下级板连接的电平对电容阵列充电，得到当前正端电容阵列电平和当前负端电容阵列电平；(9)判断当前正端电容阵列电平是否大于当前负端电容阵列电平，若是，将ADC当前转换位的数值设置为1；否则，将ADC当前转换位的数值设置为0；判断此数值是否等于次高位，若是，执行步骤(10)；否则，执行步骤(11)；(10)切换转换器中的电容阵列开关：在正端电容阵列中，当前转换位控制的电容下级板由转换器的共模电平VCM切换至转换器的零电平Gnd，执行步骤(12)；(11)利用多电平开关技术，切换转换器中的电容阵列开关：在负端电容阵列中，当前转换位的高一位控制的电容下级板由转换器的参考电平VREF切换至转换器的第一转换电平V1，执行步骤(12)；(12)判断当前转换位是否是ADC的最低位，若是，则执行步骤(34)，否则，执行步骤(8)；(13)切换转换器中的电容阵列开关：在负端电容阵列中，次高位控制的电容下级板由转换器的参考电平VREF切换至转换器的共模电平VCM；(14)将切换后的转换器中的差分电容阵列下级板连接的电平对电容阵列充电，得到当前正端电容阵列电平和当前负端电容阵列电平；(15)判断当前正端电容阵列电平是否大于当前负端电容阵列电平，若是，将ADC当前转换位的数值设置为1；否则，将ADC当前转换位的数值设置为0；判断此数值是否等于次高位，若是，执行步骤(16)；否则，执行步骤(17)；(16)切换转换器中的电容阵列开关：在负端电容阵列中，当前转换位控制的电容下级板由转换器的参考电平VREF切换至转换器的共模电平VCM，执行步骤(18)；(17)利用多电平开关技术，切换转换器中的电容阵列开关：在正端电容阵列中，当前转换位的高一位控制的电容下级板由转换器的共模电平VCM切换至转换器的第二转换电平V2，执行步骤(18)；(18)判断当前转换位是否是ADC的最低位，若是，则执行步骤(34)，否则，执行步骤(14)；(19)利用电容阵列同时翻转技术，切换转换器中的电容阵列开关：负端电容阵列中所有电容的下极板同时由转换器的参考电平VREF切换到转换器的共模电平VCM；(20)切换后的转换器中的负端电容阵列下级板连接的电平对负端电容阵列充放电，得到当前负端电容阵列电平；(21)判断当前正端电容阵列电平是否大于当前负端电容阵列电平，若是，将ADC的次高位设置为1，执行步骤(22)；否则，将ADC的次高位设置为0，执行步骤(28)；(22)切换转换器中的电容阵列开关：在正端电容阵列中，次高位控制的电容下级板由转换器的参考电平VREF切换至转换器的共模电平VCM；(23)将切换后的转换器中的差分电容阵列下级板连接的电平对电容阵列充电，得到当前正端电容阵列电平和当前负端电容阵列电平；(24)判断当前正端电容阵列电平是否大于当前负端电容阵列电平，若是，将ADC当前转换位的数值设置为1；否则，将ADC当前转换位的数值设置为0；判断此数值是否等于次高位，若是，执行步骤(25)；否则，执行步骤(26)；(25)切换转换器中的电容阵列开关：在正端电容阵列中，...

【技术特征摘要】
1.一种混合电容翻转技术控制的逐次逼近型模数转换器SARADC电平开关方法，其特征在于，采用上极板采样技术采集差分模拟输入电平，在产生最高位数码时采用电容阵列同时翻转技术，在后续转换过程中采用多电平开关技术；该方法的具体步骤包括如下：(1)输入正端模拟电平VP和负端模拟电平VN的差分模拟电平；(2)利用上极板采样方法，对正、负端模拟电平进行采样：(2a)闭合转换器中的采样开关；(2b)差分电容阵列中，正端电容阵列中所有电容的上极板接模拟电平VP，下极板接转换器的参考电平VREF；负端电容阵列中所有电容的上极板连接模拟电平VN，下极板接转换器的参考电平VREF；(2c)正端模拟电平VP对正端电容阵列充电，负端模拟电平VN对负端电容阵列进行充电，从而将输入的正端模拟电平VP和负端模拟电平VN分别存储在正端电容阵列和负端电容阵列中；(3)判断输入电平VP是否大于VN，若是，将ADC的最高位设置为1，执行步骤(4)；否则，将ADC的最高位设置为0，执行步骤(19)；(4)利用电容阵列同时翻转技术，切换转换器中的电容阵列开关：正端电容阵列中所有电容的下极板同时由转换器的参考电平VREF切换到转换器的共模电平VCM；(5)切换后的转换器中的正端电容阵列下级板连接的电平对正端电容阵列充放电，得到当前正端电容阵列电平；(6)判断当前正端电容阵列电平是否大于当前负端电容阵列电平，若是，将ADC的次高位设置为1，执行步骤(7)；否则，将ADC的次高位设置为0，执行步骤(13)；(7)切换转换器中的电容阵列开关：在正端电容阵列中，次高位控制的电容下级板由转换器的共模电平VCM切换至转换器的零电平Gnd；(8)将切换后的转换器中的差分电容阵列下级板连接的电平对电容阵列充电，得到当前正端电容阵列电平和当前负端电容阵列电平；(9)判断当前正端电容阵列电平是否大于当前负端电容阵列电平，若是，将ADC当前转换位的数值设置为1；否则，将ADC当前转换位的数值设置为0；判断此数值是否等于次高位，若是，执行步骤(10)；否则，执行步骤(11)；(10)切换转换器中的电容阵列开关：在正端电容阵列中，当前转换位控制的电容下级板由转换器的共模电平VCM切换至转换器的零电平Gnd，执行步骤(12)；(11)利用多电平开关技术，切换转换器中的电容阵列开关：在负端电容阵列中，当前转换位的高一位控制的电容下级板由转换器的参考电平VREF切换至转换器的第一转换电平V1，执行步骤(12)；(12)判断当前转换位是否是ADC的最低位，若是，则执行步骤(34)，否则，执行步骤(8)；(13)切换转换器中的电容阵列开关：在负端电容阵列中，次高位控制的电容下级板由转换器的参考电平VREF切换至转换器的共模电平VCM；(14)将切换后的转换器中的差分电容阵列下级板连接的电平对电容阵列充电，得到当前正端电容阵列电平和当前负端电容阵列电平；(15)判断当前正端电容阵列电平是否大于当前负端电容阵列电平，若是，将ADC当前转换位的数值设置为1；否则，将ADC当前转换位的数值设置为0；判断此数值是否等于次高位，若是，执行步骤(16)；否则，执行步骤(17)；(16)切换转换器中的电容阵列开关：在负端电容阵列中，当前转换位控制的电容下级板由转换器的参考电平VREF切换至转换器的共模电平VCM，执行步骤(18)；(17)利用多电平开关技术，切换转换器中的电容阵列开关：在正端电容阵列中，当前转换位的高一位控制的电容下级板由转换器的共模电平VCM切换至转换器的第二转换电平V2，执行步骤(18)；(18...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤华莲，陈宇石，庄奕琪，张丽，许蓓蕾，李振荣，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61