一种复合结构逐次逼近模数转换器及其量化方法技术

一种复合结构逐次逼近模数转换器及其量化方法，属于模拟数字转换技术领域。包括数字模拟转换模块、比较模块和逐次逼近逻辑模块，数字模拟转换模块包括电容权重式数字模拟转换单元和串行电容式数字模拟转换单元，逐次逼近逻辑模块包括电容权重式逐次逼近逻辑单元和串行逐次逼近逻辑单元分别用于控制电容权重式数字模拟转换单元和串行电容式数字模拟转换单元。本发明专利技术使用电容权重式数字模拟转换单元进行采样并通过两步式转换实现对模拟输入的量化，比较模块将数字模拟转换模块输出的电压信号与参考信号比较，得到的比较结果通过逐次逼近逻辑模块转换成复合结构逐次逼近模数转换器的输出码。本发明专利技术具有高面积效率、低功耗以及较快的转换速度等优点。

A Composite Structure Successive Approximation Analog-to-Digital Converter and Its Quantization Method

A compound structure successive approximation analog-to-digital converter and its quantization method belong to the field of analog-to-digital conversion technology. The digital analog conversion module includes digital analog conversion module, comparison module and successive approximation logic module. The digital analog conversion module includes capacitor weighted digital analog conversion unit and serial capacitor digital analog conversion unit. The successive approximation logic module includes capacitor weighted successive approximation logic unit and serial successive approximation logic unit, which are used to control capacitor weighted digital analog conversion unit respectively. And serial capacitive digital analog conversion unit. The capacitance weighted digital analog conversion unit is used to sample and quantize the analog input through two-step conversion. The comparison module compares the voltage signal output by the digital analog conversion module with the reference signal, and the comparison result is converted into the output code of the composite structure successive approximation analog-to-digital converter by successive approximation logic module. The invention has the advantages of high area efficiency, low power consumption and fast conversion speed.

【技术实现步骤摘要】
一种复合结构逐次逼近模数转换器及其量化方法
本专利技术属于模拟数字转换
，特别涉及一种复合结构的逐次逼近模数转换器及其量化方法。
技术介绍
模数转换器被广泛的应用于图像处理、数字视频和生物医疗等领域。而对于应用越来越广泛的手持移动终端设备而言(例如图像传感器)，低功耗对于产品电池的使用寿命有着至关重要的作用。同时随着人们对画质等感官体验的更高要求，以及追求更为细致的数据信息，这就要求模数转换器系统需要具有更快的转换速度和更高的分辨精度。传统N位二进制电容权重式逐次逼近型模数转换器如附图1所示，包含二进制电容权重式数字模拟转换器C-DAC101、采样保持电路S/H102、比较器CMP103和逐次逼近逻辑SARLogic104。其中，二进制电容权重式数字模拟转换器C-DAC101输出端连接到比较器CMP103的输入负端，采样保持电路S/H102输出端连接到比较器CMP103的输入正端，比较器CMP103的输出端连接到逐次逼近逻辑SARLogic104的输入端，逐次逼近逻辑SARLogic104的输出端输出二进制电容权重式数字模拟转换器C-DAC101的开关控制信号在二进制电容权重式逐次逼近型模拟数字转换器中，其时序控制包括采样阶段和量化阶段。采样阶段，由采样保持电路S/H102对输入信号采样。量化阶段，在时钟CLK的驱动下，从最高位量化电容开始，由逐次逼近逻辑104给出控制逻辑使得二进制电容权重式数字模拟转换器C-DAC101输出端电压发生切换，然后通过比较器CMP103将二进制电容权重式数字模拟转换器C-DAC101输出端电压与采样保持电路S/H102输出的采样电压VH比较，并给出比较器结果，此时逐次逼近逻辑SARLogic104再根据该次比较结果判断该位量化电容是否需要回切，并给出下一位量化电容的控制逻辑，如此循环，一直到最低位量化电容完成切换。可见，对于二进制电容权重式数字模拟转换器C-DAC101而言，单位电容的个数和面积与分辨率N呈指数增长，庞大的电容数会导致过高的功耗和面积，一般这种传统N位二进制电容权重式逐次逼近型模数转换器结构实现的分辨率不超过10位。对于N位电容式串行逐次逼近型模数转换器如附图2所示，包含串行电容式数字模拟转换器Serial-DAC201(C1＝C2)、采样保持电路S/H202、比较器CMP203、串行逐次逼近逻辑204。其中，串行电容式数字模拟转换器Serial-DAC201输出端连接到比较器CMP203的输入负端，采样保持电路S/H202输出端连接到比较器CMP203的输入正端，比较器CMP203的输出端连接到串行逐次逼近逻辑204的输入端，串行逐次逼近逻辑204的输出端输出串行电容式数字模拟转换器Serial-DAC201的开关控制信号。在电容式串行逐次逼近型模拟数字转换器中，其时序控制同样包括采样阶段和量化阶段。采样阶段，由采样保持电路S/H202对输入信号采样。量化阶段，在时钟CLK的驱动下，串行逐次逼近逻辑204对串行电容式数字模拟转换器Serial-DAC201的具体操作流程如下所示：1)复位阶段。对第一串行电容C1充电，第二串行电容C2复位，开关动作为：断开第一开关S1、第三开关S3和第四开关S4，闭合第二开关S2和第五开关S5。2)电荷分配阶段。如果此时为第一次量化，则跳过该步骤。否则需要根据上几次的量化结果，以先进先出的串行输出方式控制对第一串行电容C1充电或放电操作。开关动作：断开第一开关S1和第四开关S4，闭合第五开关S5，上一次量化输出码为0时，断开第二开关S2，闭合第三开关S3；上一次量化输出码为1时，断开第三开关S3，闭合第二开关S2。3)电荷分享阶段。将上一阶段存储在第一串行电容C1和第二串行电容C2的总电荷重新平均分配到这两个电容上。开关动作为：断开第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4和第五开关S5，闭合第一开关S1。4)电压比较阶段。将第二串行电容C2的上极板输出电压连接到比较器CMP203的输入负端并与比较器CMP203输入正端的采样电压VH比较并给出比较器结果。开关动作为：断开第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第五开关S5，闭合第四开关S4。从最高位码值开始，根据上述控制逻辑，如此循环往复，一直到最低位码值输出成功。尽管对于串行电容式数字模拟转换器Serial-DAC201而言，无论电容式串行逐次逼近型模数转换器的分辨率N如何增长，其单位电容个数总是保持为2，具有很高的面积效率和低功耗这两个优秀特性。但是与N位二进制电容权重式逐次逼近型模拟数字转换器相比而言，其量化阶段的周期数从之前的N个周期提升到现有的个周期。越高的分辨率意味着更多的转换周期，这对实现高速模拟数字转换器提出了严重的挑战。更糟糕的是在串行电容式数字模拟转换器C-DAC201中，由于开关直接与电容上极板相连，每当开关断开闭合时都会给电容引入额外的沟道电荷，使得电容C2输出端电压VDAC产生非线性，从而限制模数转换器ADC各种性能，包括积分非线性(INL)、微分非线性(DNL)、无杂散动态范围(SFDR)、有效位数(ENOB)等；因此一般电容式串行逐次逼近型模拟数字转换器实现的分辨率不超过8位。对于上述两种传统结构的逐次逼近型模拟数字转换器，如果考虑到使用了额外的采样保持电路，比较器的输入共模电平必须满足输入信号范围。然而比较器有限的共模抑制比，导致了比较器的输入失调是随输入共模电平相关，从而恶化了模拟数字转换器的整体指标。一般而言，该种采样模式下的逐次逼近型模拟数字转换器实现的分辨率不超过8位。
技术实现思路
针对上述传统二进制电容权重式逐次逼近型模拟数字转换器存在的低面积效率和高功耗、电容式串行逐次逼近型模拟数字转换器存在的低速和引入沟道电荷以及传统采样模式下比较器输入共模电平随输入信号相关等一系列不足之处，本专利技术提出了一种复合结构的逐次逼近模数转换器及其量化方法，该复合结构逐次逼近模数转换器使用电容权重式数字模拟转换单元302进行采样并通过两步式转换实现对模拟输入的量化，第一步以电容权重式数字模拟转换单元302为核心实现对高位的量化；第二步以串行电容式数字模拟转换单元301为基础，将串行电容式数字模拟转换单元301中第二串行电容C2存储的电荷转移到电容权重式数字模拟转换单元302上，从而在电容式权重式数字模拟转换单元302的高位输出端产生更小的台阶电压以实现对低位的转化；在电荷转移之后，由于开关开启或关闭而引入的沟道电荷得到很好的抑制，因此整体电路吸收两种传统逐次逼近型模数转换器高面积效率、低功耗以及较快的转换速度的优点，同时由于采样方式的优化使得了比较模块303的输入共模电平独立于输入信号，保证了比较模块303输入失调与输入信号无关。本专利技术的技术方案为：一种复合结构逐次逼近模数转换器，包括数字模拟转换模块、比较模块303和逐次逼近逻辑模块304，所述数字模拟转换模块包括电容权重式数字模拟转换单元302和串行电容式数字模拟转换单元301，所述电容权重式数字模拟转换单元302的低位输出端连接所述串行电容式数字模拟转换单元301的输出端，其高位输出端连接所述比较模块303的输入端；所述比较模块303将所述电容权重式数字模拟转换器单元302输出的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合结构逐次逼近模数转换器，包括数字模拟转换模块、比较模块(303)和逐次逼近逻辑模块(304)，其特征在于，所述数字模拟转换模块包括电容权重式数字模拟转换单元(302)和串行电容式数字模拟转换单元(301)，所述电容权重式数字模拟转换单元(302)的低位输出端连接所述串行电容式数字模拟转换单元(301)的输出端，其高位输出端连接所述比较模块(303)的输入端；所述比较模块(303)将所述电容权重式数字模拟转换器单元(302)输出的电压信号与参考信号进行比较，得到的比较结果通过所述逐次逼近逻辑模块(304)转换成所述复合结构逐次逼近模数转换器的输出码；所述逐次逼近逻辑模块(304)包括电容权重式逐次逼近逻辑单元和串行逐次逼近逻辑单元，所述电容权重式逐次逼近逻辑单元用于控制所述电容权重式数字模拟转换单元(302)中的开关，所述串行逐次逼近逻辑单元用于控制所述串行电容式数字模拟转换单元(301)中的开关。

【技术特征摘要】
1.一种复合结构逐次逼近模数转换器，包括数字模拟转换模块、比较模块(303)和逐次逼近逻辑模块(304)，其特征在于，所述数字模拟转换模块包括电容权重式数字模拟转换单元(302)和串行电容式数字模拟转换单元(301)，所述电容权重式数字模拟转换单元(302)的低位输出端连接所述串行电容式数字模拟转换单元(301)的输出端，其高位输出端连接所述比较模块(303)的输入端；所述比较模块(303)将所述电容权重式数字模拟转换器单元(302)输出的电压信号与参考信号进行比较，得到的比较结果通过所述逐次逼近逻辑模块(304)转换成所述复合结构逐次逼近模数转换器的输出码；所述逐次逼近逻辑模块(304)包括电容权重式逐次逼近逻辑单元和串行逐次逼近逻辑单元，所述电容权重式逐次逼近逻辑单元用于控制所述电容权重式数字模拟转换单元(302)中的开关，所述串行逐次逼近逻辑单元用于控制所述串行电容式数字模拟转换单元(301)中的开关。2.根据权利要求1所述的复合结构逐次逼近模数转换器，其特征在于，所述串行电容式数字模拟转换单元(301)包括第一串行电容(C1)、第二串行电容(C2)、第一开关(S1)、第二开关(S2)、第三开关(S3)、第四开关(S4)和第五开关(S5)，其中第一串行电容(C1)和第二串行电容(C2)的电容值相等；第一开关(S1)接在第一串行电容(C1)的上极板和第二串行电容(C2)的上极板之间；第二开关(S2)接在第一串行电容(C1)的上极板和高参考电压(VT)之间；第三开关(S3)接在第一串行电容(C1)的上极板和低参考电压(VB)之间；第四开关(S4)的一端连接第二串行电容(C2)的上极板，另一端作为所述串行电容式数字模拟转换单元(301)的输出端；第五开关(S5)接在第二串行电容(C2)的上极板和低参考电压(VB)之间；第一串行电容(C1)和第二串行电容(C2)的下极板连接低参考电压(VB)。3.根据权利要求1所述的复合结构逐次逼近模数转换器，其特征在于，所述电容权重式数字模拟转换单元(302)包括高段电容阵列、低段电容阵列、耦合电容(CS)和复位开关；所述高段电容阵列包括多个电容，所述高段电容阵列所有电容的上极板均连接所述电容权重式数字模拟转换单元(302)的高位输出端，下极板分别通过开关连接低参考电压(VB)、高参考电压(VT)或输入电压(VIN)；所述低段电容阵列包括多个电容，其中所述低段电容阵列最低位电容的上极板通过开关后连接所述低段电容阵列其余电容的上极板并连接所述电容权重式数字模拟转换单元(302)的低位输出端，其下极板连接低参考电压(VB)；所述低段电容阵列的其余电容的下极板分别通过开关后连接低参考电压(VB)或高参考电压(VT)；耦合电容(CS)接在所述电容权重式数字模拟转换单元(302)的高位输出端和低位输出端之间；所述复位开关包括高段复位开关(SH)和低段复位开关(SL)，所述高段复位开关(SH)接在所述电容权重式数字模拟转换单元(302)的高位输出端和高参考电压(VT)之间，所述低段复位开关(SL)接在所述电容权重式数字模拟转换单元(302)的低位输出端和低参考电压(VB)之间。4.一种复合结构逐次逼近模数转换器的量化方法，其特征在于，所述复合结构逐次逼近模数转换器包括数字模拟转换模块，所述数字模拟转换模块包括电容权重式数字模拟转换单元(302)和串行电容式数字模拟转换单元(301)；所述串行电容式数字模拟转换单元(301)包括第一串行电容(C1)、第二串行电容(C2)、第一开关(S1)、第二开关(S2)、第三开关(S3)、第四开关(S4)和第五开关(S5)，其中第一串行电容(C1)和第二串行电容(C2)的电容值相等；第一开关(S1)接在第一串行电容(C1)的上极板和第二串行电容(C2)的上极板之间；第二开关(S2)接在第一串行电容(C1)的上极板和高参考电压(VT)之间；第三开关(S3)接在第一串行电容(C1)的上极板和低参考电压(VB)之间；第四开关(S4)的一端连接第二串行电容(C2)的上极板，另一端作为所述串行电容式数字模拟转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：张启辉，张中，钱莹莹，宁宁，于奇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51