低功耗自适应交替的逐次逼近型模数转换器及控制方法技术

本发明专利技术提供一种低功耗自适应交替的逐次逼近型模数转换器，包括比较器、电容阵列以及控制逻辑电路；比较器的正输入端与正向电容阵列相连接，比较器的负输入端与反向电容阵列相连接；比较器的输出端与控制逻辑电路相连接；正向电容阵列的上极板与正输入电压相连接，下极板通过一正向选择开关阵列分别连接参考电压和接地；反向电容阵列的上极板与负输入电压相连接，下极板通过一反向选择开关阵列分别连接参考电压和接地；正向选择开关阵列和反向选择开关阵列均与控制逻辑电路相连接。本发明专利技术还提供一种对应的控制方法。本发明专利技术优点：可实现降低数字逻辑电路的设计难度和降低整体功耗。

Low power adaptive alternating successive approximation analog-to-digital converter and its control method

The invention provides a successive approximation analog-to-digital converter with low power adaptive alternation, including a comparator, a capacitor array and a control logic circuit; the positive input end of the comparator is connected with a positive capacitor array; the negative input end of the comparator is connected with a reverse capacitor array; and the output end of the comparator is connected with a control logic circuit. The upper plate of the forward capacitor array is connected with the positive input voltage, and the lower plate is connected with the reference voltage and the ground respectively through a forward selection switch array; the upper plate of the reverse capacitor array is connected with the negative input voltage, and the lower plate is connected with the reference voltage and the ground respectively through a reverse selection switch array; the forward selection is based on the forward selection. Switch arrays and reverse selection switch arrays are connected with control logic circuits. The invention also provides a corresponding control method. The invention has the advantages that the design difficulty of the digital logic circuit can be reduced and the overall power consumption can be reduced.

【技术实现步骤摘要】
低功耗自适应交替的逐次逼近型模数转换器及控制方法
本专利技术涉及一种模数转换器，特别涉及一种低功耗自适应交替的逐次逼近型模数转换器及控制方法。
技术介绍
生物医学电信号、传感器检测信号等模拟信号往往在很长一段时间内幅度波动都较小。在对模拟信号进行转换时，传统逐次逼近型模数转换器都是采用二分法来进行试测，即先预测出输入信号所在的区间，然后再不断缩小区间范围，最终得到数字码。而这种做法的缺点是：即使大部分时间输入信号的幅值很小，但每次转换都依然要从最大区间开始进行预测，再逐渐缩小所在区间的范围，这必然会产生大量不必要的开关切换功耗、比较功耗以及数字控制部分的功耗。针对以上问题，现有技术中提出了采用窗口函数来解决这个问题，并且能够避免不必要的开关切换能耗。但是，窗口函数需要额外的辅助比较器和参考电压来确定输入信号范围，这使得需要模拟电路模块，会导致功耗和设计难度大幅度增加，同时这种开关算法会涉及冗余开关步骤，这也会增加整体功耗。现有技术中也提出了先进行最小区间预测，再不断增加区间范围，直至得到正确的区间范围；接下来再进行更高精度的量化，得到最终数字码。对于大部分时间幅值接近于零的输入信号，这种开关算法虽然能够大幅度降低量化的次数；但是采样信号中会夹杂着很多噪声，并且输入信号很少会在大部分时间幅值接近于零，这会大幅度增加量化的次数，其整体功耗也会大幅度增加。同时，现有技术中还提出了先采样前后2个采样值的差值进行量化，然后采用窗口函数，最后对前一个采样点的数字码和差值数字码进行叠加得到最终的数字码。但是，这种算法存在如下缺陷：1、需要使用更多的寄存器来存储上次得到的数字码，这会增加面积和功耗；2、增加了判断这一量化步骤，等于增加了功耗；3、必须要求前后2个采样点的幅值变化很小，反之功耗会增加。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题之一，在于提供一种低功耗自适应交替的逐次逼近型模数转换器，通过该模数转换器可实现降低数字逻辑电路的设计难度和降低整体功耗。本专利技术是这样实现技术问题之一的：低功耗自适应交替的逐次逼近型模数转换器，所述逐次逼近型模数转换器包括一比较器、一电容阵列以及一控制逻辑电路；所述电容阵列包括一正向电容阵列以及一与所述正向电容阵列完全相同的反向电容阵列；所述比较器的正输入端与所述正向电容阵列相连接，所述比较器的负输入端与所述反向电容阵列相连接；所述比较器的输出端与所述控制逻辑电路相连接；所述正向电容阵列的上极板通过一正极采样开关与正输入电压VINP相连接，下极板通过一正向选择开关阵列分别连接参考电压VREF和接地gnd；所述反向电容阵列的上极板通过一负极采样开关与负输入电压VINN相连接，下极板通过一反向选择开关阵列分别连接参考电压VREF和接地gnd；所述正向选择开关阵列和反向选择开关阵列均与所述控制逻辑电路相连接。进一步地，对于N位精度模数转换器，所述电容阵列包含有(2N-1+6)个单位电容，其中，N为正整数，且N≥4。进一步地，在所述正向电容阵列和反向电容阵列中，MSB电容均进行等额拆分；其余电容均由二进制权重电容阵列构成，其中，参考电容均由C-2C结构实现。本专利技术要解决的技术问题之二，在于提供一种低功耗自适应交替的逐次逼近型模数转换器控制方法，通过该控制方法可实现降低数字逻辑电路的设计难度和降低整体功耗。本专利技术是这样实现技术问题之二的：低功耗自适应交替的逐次逼近型模数转换器控制方法，所述控制方法需使用上述的逐次逼近型模数转换器，所述控制方法分为采样阶段和比较阶段；在所述采样阶段：将正输入电压VINP通过正极采样开关的导通连接到正向电容阵列的上极板；通过正向选择开关阵列来控制正向电容阵列中等额拆分MSB电容中一个电容的下极板连接到参考电压VREF，另一个电容的下极板连接到地gnd；通过正向选择开关阵列来控制正向电容阵列中其余二进制权重的电容交替连接参考电压VREF和接地gnd；将负输入电压VINN通过负极采样开关的导通连接到反向电容阵列的上极板；通过反向选择开关阵列来控制反向电容阵列中等额拆分MSB电容中一个电容的下极板连接到参考电压VREF，另一个电容的下极板连接到地gnd；通过反向选择开关阵列来控制反向电容阵列中其余二进制权重的电容交替连接参考电压VREF和接地gnd；在所述比较阶段：将正极采样开关和负极采样开关断开，并对比较器的正输入端电压和负输入端电压进行比较，从而得到数字码。进一步地，所述“对比较器的正输入端电压和负输入端电压进行比较，从而得到数字码”具体包括：步骤S1、对比较器的正输入端电压与负输入端电压进行第一次比较，且如果VINP>VINN，则将反向电容阵列的等额拆分MSB电容中下极板连接地gnd的电容切换到连接参考电压VREF，将比较器负输入端电压增加VREF/4，正向电容阵列的下极板电压保持不变；如果VINP≤VINN，则将正向电容阵列的等额拆分MSB电容中下极板连接地gnd的电容切换到连接参考电压VREF，将比较器正输入端电压增加VREF/4，反向电容阵列的下极板电压保持不变；步骤S2、对比较器的正输入端电压与负输入端电压进行第二次比较，且如果VINP>(VINN+VREF/4)，则将正向电容阵列的等额拆分MSB电容中下极板连接参考电压VREF的电容切换到连接地gnd，将比较器正输入端电压减少VREF/4，反向电容阵列的下极板电压保持不变；如果VINN<VINP≤(VINN+VREF/4)，则正向电容阵列和反向电容阵列的下极板电压均保持不变；如果(VINN-VREF/4)<VINP≤VINN，则正向电容阵列和反向电容阵列的下极板电压均保持不变；如果VINP≤(VINN-VREF/4)，则将反向电容阵列的等额拆分MSB电容中下极板连接参考电压VREF的电容切换到连接地gnd，将比较器负输入端电压减少VREF/4，正向电容阵列的下极板电压保持不变；步骤S3、对比较器的正输入端电压与负输入端电压进行第三次比较，且如果VINP>(VINN+(1/2)VREF)，则将反向电容阵列中二进制权重电容阵列的对应电容的下极板从连接参考电压VREF切换到连接地gnd，将比较器负输入端电压增加VREF/4，正向电容阵列的下极板电压保持不变；如果(VINN+(1/4)VREF)<VINP≤(VINN+(1/2)VREF)，则正向电容阵列和反向电容阵列的下极板电压均保持不变；如果VINN<VINP≤(VINN+(1/4)VREF)，则正向电容阵列和反向电容阵列的下极板电压均保持不变；如果(VINN-(1/4)VREF)<VINP≤VINN，则正向电容阵列和反向电容阵列的下极板电压均保持不变；如果(VINN-(1/2)VREF)<VINP≤(VINN-(1/4)VREF)，则正向电容阵列和反向电容阵列的下极板电压均保持不变；如果VINP≤(VINN-(1/2)VREF)，则将正向电容阵列中二进制权重电容阵列的对应电容的下极板从连接地gnd切换到连接参考电压VREF，将比较器正输入端电压增加VREF/4，反向电容阵列的下极板电压保持不变；步骤S4、对比较器的正输入端电压与负本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低功耗自适应交替的逐次逼近型模数转换器，其特征在于：包括一比较器、一电容阵列以及一控制逻辑电路；所述电容阵列包括一正向电容阵列以及一与所述正向电容阵列完全相同的反向电容阵列；所述比较器的正输入端与所述正向电容阵列相连接，所述比较器的负输入端与所述反向电容阵列相连接；所述比较器的输出端与所述控制逻辑电路相连接；所述正向电容阵列的上极板通过一正极采样开关与正输入电压VINP相连接，下极板通过一正向选择开关阵列分别连接参考电压VREF和接地gnd；所述反向电容阵列的上极板通过一负极采样开关与负输入电压VINN相连接，下极板通过一反向选择开关阵列分别连接参考电压VREF和接地gnd；所述正向选择开关阵列和反向选择开关阵列均与所述控制逻辑电路相连接。

【技术特征摘要】
1.一种低功耗自适应交替的逐次逼近型模数转换器，其特征在于：包括一比较器、一电容阵列以及一控制逻辑电路；所述电容阵列包括一正向电容阵列以及一与所述正向电容阵列完全相同的反向电容阵列；所述比较器的正输入端与所述正向电容阵列相连接，所述比较器的负输入端与所述反向电容阵列相连接；所述比较器的输出端与所述控制逻辑电路相连接；所述正向电容阵列的上极板通过一正极采样开关与正输入电压VINP相连接，下极板通过一正向选择开关阵列分别连接参考电压VREF和接地gnd；所述反向电容阵列的上极板通过一负极采样开关与负输入电压VINN相连接，下极板通过一反向选择开关阵列分别连接参考电压VREF和接地gnd；所述正向选择开关阵列和反向选择开关阵列均与所述控制逻辑电路相连接。2.根据权利要求1所述的低功耗自适应交替的逐次逼近型模数转换器，其特征在于：对于N位精度模数转换器，所述电容阵列包含有(2N-1+6)个单位电容，其中，N为正整数，且N≥4。3.根据权利要求1所述的低功耗自适应交替的逐次逼近型模数转换器，其特征在于：在所述正向电容阵列和反向电容阵列中，MSB电容均进行等额拆分；其余电容均由二进制权重电容阵列构成，其中，参考电容均由C-2C结构实现。4.一种低功耗自适应交替的逐次逼近型模数转换器控制方法，其特征在于：所述控制方法需使用如权利要求1-3之一所述的逐次逼近型模数转换器，所述控制方法分为采样阶段和比较阶段；在所述采样阶段：将正输入电压VINP通过正极采样开关的导通连接到正向电容阵列的上极板；通过正向选择开关阵列来控制正向电容阵列中等额拆分MSB电容中一个电容的下极板连接到参考电压VREF，另一个电容的下极板连接到地gnd；通过正向选择开关阵列来控制正向电容阵列中其余二进制权重的电容交替连接参考电压VREF和接地gnd；将负输入电压VINN通过负极采样开关的导通连接到反向电容阵列的上极板；通过反向选择开关阵列来控制反向电容阵列中等额拆分MSB电容中一个电容的下极板连接到参考电压VREF，另一个电容的下极板连接到地gnd；通过反向选择开关阵列来控制反向电容阵列中其余二进制权重的电容交替连接参考电压VREF和接地gnd；在所述比较阶段：将正极采样开关和负极采样开关断开，并对比较器的正输入端电压和负输入端电压进行比较，从而得到数字码。5.根据权利要求4所述的低功耗自适应交替的逐次逼近型模数转换器控制方法，其特征在于：所述“对比较器的正输入端电压和负输入端电压进行比较，从而得到数字码”具体包括：步骤S1、对比较器的正输入端电压与负输入端电压进行第一次比较，且如果VINP>VINN，则将反向电容阵列的等额拆分MSB电容中下极板连接地gnd的电容切换到连接参考电压VREF，将比较器负输入端电压增加VREF/4，正向电容阵列的下极板电压保持不变；如果VINP≤VINN，则将正向电容阵列的等额拆分MSB电容中下极板连接地gnd的电容切换到连接参考电压VREF，将比较器正输入端电压增加VREF/4，反向电容阵列的下极板电压保持不变；步骤S2、对比较器的正输入端电压与负输入端电压进行第二次比较，且如果VINP>(VINN+VREF/4)，则将正向电容阵列的等额拆分MSB电容中下极板连接参考电压VREF的电容切换到连接地gnd，将比较器正输入端电压减少VREF/4，反向电容阵列的下极板电压保持不变；如果VINN<VINP≤(VINN+VREF/4)，则正向电容阵列和反向电容阵列的下极板电压均保持不变；如果(VINN-VREF/4)<VINP≤VINN，则正向电容阵列和反向电容阵列的下极板电压均保持不变；如果VINP≤(VINN-VREF/4)，则将反向电容阵列的等额拆分MSB电容中下极板连接参考电压VREF的电容切换到连接地gnd，将比较器负输入端电压减少VREF/4，正向电容阵列的下极板电压保持不变；步骤S3、对比较器的正输入端电压与负输入端电压进行第三次比较，且如果VINP>(VINN+(1/2)VREF)，则将反向电容阵列中二进制权重电容阵列的对应电容的下极板从连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，谢文明，陈知新，蔡思静，
申请(专利权)人：福建工程学院，
类型：发明
国别省市：福建,35