一种阻容混合型数模转换器制造技术

一种阻容混合型数模转换器，属于模拟集成电路技术领域。包括电阻阵列单元、电容阵列单元和冗余电容；电阻阵列单元采用R2R电阻阵列用于对应输入的第1至第n个比特，电容阵列单元采用二进制权重电容阵列对应输入的第n+1至第n+m个比特，其中将输入最高位即第n+m位对应的电容值为2

【技术实现步骤摘要】
一种阻容混合型数模转换器
本专利技术属于模拟集成电路
，具体涉及一种阻容混合型的数模转换器(DAC)阵列，可以应用于逐次逼近型模数转换器(SARADC)。
技术介绍
在模拟集成电路技术中，逐次逼近型模数转换器(SARADC)在模数转换器(ADC)领域一直属于国内外研究热点，因其具有低功耗、面积小、中等至高分辨率的特点，使SARADC得到了广阔的应用，例如在工业控制、汽车电子和消费电子等领域的应用。逐次逼近型模数转换器的DAC数模转换模块是其中一个关键模块，它的线性度直接影响着SARADC的线性度。当前有四种类别的DAC架构被用于SARADC：电压型、电流型、电流舵型与电荷重分配型。前三种类别的DAC静态功耗较大，所以电荷重分配型DAC成为了SARADC常用的结构。传统的电荷重分配型DAC主要采用二进制权重电容阵列，采用二进制权重电容阵列结构的传统n+m位DAC的电路原理图如图1所示，其工作步骤可分为三步：采样阶段、保持阶段和再分配阶段。采用二进制权重电容阵列时SARADC不需要额外的采样保持电路，并且控制简单，功耗较小，但有两点不足：1.电容阵列的匹配精度、电容阵列的匹配误差会引入非线性误差；2.随着逼近ADC位数的增多，电容值呈指数增加占用了较大的芯片面积。
技术实现思路
针对上述传统二进制权重电容阵列的n+m位电荷重分配型DAC存在的具有非线性误差和占用芯片面积大等不足之处，本专利技术改进了传统的电荷分配型DAC所采用的二进制权重电容阵列，提出一种阻容混合型的数模转换器DAC电路，该电路低位采用R2R电阻阵列，高位采用二进制权重电容阵列，有效的减小了面积并提高了线性度，可应用于低面积、高线性度SARADC里。本专利技术的技术方案为：一种阻容混合型数模转换器，包括电阻阵列单元、电容阵列单元和冗余电容；所述电阻阵列单元包括n+1个串联单元，每个所述串联单元包括串联的两个单位电阻，其中n为正整数；第2至第n+1个所述串联单元的一端依次记为第一节点至第n节点，另一端分别通过开关连接地电压或参考电压；所述第一节点至第n节点中每两个相邻节点之间连接一个单位电阻；第一个所述串联单元的一端连接地电压，另一端连接所述第一节点；所述电容阵列包括m+1个电容，其中m为正整数；其中第1至第m-1个电容的电容值依次为Cu、2Cu、22Cu、……2m-3Cu、2m-2Cu，第m和第m+1个电容的电容值均为2m-2Cu，Cu为单位电容值；所述m+1个电容的一端分别通过开关连接地电压、输入电压或参考电压的其中之一，另一端均相连并作为所述数模转换器的输出节点；所述冗余电容一端通过开关连接所述第n节点或输入电压，另一端连接所述数模转换器的输出节点。本专利技术的工作原理为：本专利技术提出的阻容混合型数模转换器输入的总比特数为n+m，电阻阵列单元采用R2R电阻阵列，其中第2至第n+1串联结构分别对应输入的第1至第n个比特；电容阵列单元采用二进制权重电容阵列，其中第1至第m-1个电容分别对应入出的第n+1至第n+m-1个比特，将传统二进制权重电容阵列中电容值为2m-1Cu的电容拆分为本专利技术中电容值为2m-2Cu的第m和第m+1电容，第m和第m+1电容共同对应输入的第n+m个比特。本专利技术的有益效果为：改进了二进制权重电容阵列单元，对其高位采用温度码结构，降低了电容失配对数模转换器线性度的影响；通过控制电阻阵列单元和电容阵列单元的组合比例，可以实现线性度、面积和功耗折衷，使得本专利技术能够应用于不同指标的SARADC。附图说明图1为传统的采用二进制权重电容阵列结构的n+m位DAC的电路原理图。图2为本专利技术提出的一种n+m位阻容混合型数模转换器的电路原理图。图3为本专利技术提出的一种n+m位的阻容混合型数模转换器应用于逐次逼近型模数转换器SARADC的架构图。具体实施方式下面结合附图，详细描述本专利技术的技术方案。如图2所示为本专利技术提出的一种阻容混合型数模转换器的结构示意图，本专利技术为输入总比特数为n+m的阻容混合型数模转换DAC阵列结构，包括对应输入的第1至第n个比特的n位电阻阵列单元、对应输入的第n+1至n+m个比特的m位电容阵列单元和一个冗余电容。其中电阻阵列单元采用R2R电阻阵列结构，每2个阻值为Ru的单位电阻串联组成一个电阻值为2Ru的串联结构，共n个串联结构，需要2n个单位电阻，其中n个电阻值为2Ru的串联结构一端分别通过开关S1至Sn选择接地或者接参考电压Vref，另一端视为相应比特所对应的节点，故n个R2R电阻阵列单元中共有n个节点，即输入的第1至第n个比特分别对应第一节点X1到第n节点Xn；相邻的两个节点间用电阻值为Ru的单位电阻相连接，需要n-1个单位电阻；为了使从输入的最低位对应的第一节点X1看去电阻值为2Ru，需要一个电阻值为2Ru的电阻，即由两个单位电阻构成的一个串联结构，其一端接第一节点X1，一端接地；故电阻阵列单元一共需要3n+1个单位电阻。传统的m位二进制电容阵列单元中共有m个电容值依次为Cu、2Cu、……2m-1Cu的电容，本专利技术中的电容阵列单元将输入最高位MSB即第n+m位对应的电容值为2m-1Cu电容拆分为2个电容值为2m-2Cu的电容，与输入次高位对应的电容值为2m-2Cu的电容共构成3位温度码。本专利技术中电容阵列单元的m+1个电容的下极板分别通过开关Sn+2至Sn+m+2选择接地或者接参考电压Vref或者接输入电压Vin的其中一个，每个电容的上极板连接到一个节点F，该节点作为数模转换器的输出节点，并且该节点电荷守恒。冗余电容的电容值为Cu，其下极板通过开关选择接输入电压Vin或者接R2R电阻阵列单元的输出电压，即连接第n节点Xn，其上极板和二进制电容阵列的上极板连接在一起。为了具体说明本专利技术的工作原理和工作过程，将本专利技术提出的阻容混合型数模转换DAC阵列结构应用于逐次逼近型模数转换器SARADC，如图3所示，将本专利技术的数模转换器的输出节点Y与比较器的正输入端相接，比较器的负输入端接共模电压Vcm，比较器输出接数字逻辑部分，由数字逻辑提供本专利技术的阻容混合型数模转换器中各个开关的控制信号并输出SARADC的n+m位数字码Dout。具体工作过程可分为三个步骤：第一步是采样模式：通过开关组Sn+1到Sn+m+2将冗余电容和电容阵列单元中的所有电容的下极板连接到输入电压Vin，通过连接在比较器正输入端和负输入端之间的开关S0将上极板连接到比较器负输入端连接的共模电压Vcm，这样电容上极板(即输出节点Y)存储了与输入电压Vin成正比的电荷：QY＝-2mCu(Vin-Vcm)(1)第二步是保持模式：电容阵列单元中电容上极板接地的开关断开，通过开关组Sn+2到Sn+m+2将电容阵列单元中所有电容的下极板接地，同时开关Sn+1将冗余电容接到R2R电阻阵列单元的输出端节点即第n节点Xn，且电阻阵列单元中开关组S1到Sn也接地，这样输出节点Y的电压变成：VY＝-(Vin-Vcm)+1/2mVxn(2)其中Vxn为R2R电阻阵列单元的输出电压，即经过低n位量化产生。由于开关组S1到Sn接地，故Vxn此时为0。第三步是再分配模式：其基本思路类似二分法，为从最高位到最低位依次进行遍历比较，不断的改变输出节点Y的电压值VY，使其逐步与共模电压Vcm的值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阻容混合型数模转换器，其特征在于，包括电阻阵列单元、电容阵列单元和冗余电容；所述电阻阵列单元包括n+1个串联单元，每个所述串联单元包括串联的两个单位电阻，其中n为正整数；第2至第n+1个所述串联单元的一端依次记为第一节点至第n节点，另一端分别通过开关连接地电压或参考电压；所述第一节点至第n节点中每两个相邻节点之间连接一个单位电阻；第一个所述串联单元的一端连接地电压，另一端连接所述第一节点；所述电容阵列包括m+1个电容，其中m为正整数；其中第1至第m‑1个电容的电容值依次为Cu、2Cu、22Cu、……2m‑3Cu、2m‑2Cu，第m和第m+1个电容的电容值均为2m‑2Cu，Cu为单位电容值；所述m+1个电容的一端分别通过开关连接地电压、输入电压或参考电压的其中之一，另一端均相连并作为所述数模转换器的输出节点；所述冗余电容一端通过开关连接所述第n节点或输入电压，另一端连接所述数模转换器的输出节点。

【技术特征摘要】
1.一种阻容混合型数模转换器，其特征在于，包括电阻阵列单元、电容阵列单元和冗余电容；所述电阻阵列单元包括n+1个串联单元，每个所述串联单元包括串联的两个单位电阻，其中n为正整数；第2至第n+1个所述串联单元的一端依次记为第一节点至第n节点，另一端分别通过开关连接地电压或参考电压；所述第一节点至第n节点中每两个相邻节点之间连接一个单位电阻；第一个所述串联单元的一端连接地电压，另一端连接所述第一节点；所述电...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐鹤，车来晟，符土建，李跃峰，彭传伟，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51