一种基于Vcm的超低功耗SARADC开关切换结构制造技术

本实用新型专利技术涉及一种基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构。包括第一电容阵列、第二电容阵列、比较器、2个切换开关组、2个采样开关，第一、第二电容阵列的电容顶板DACP、DACN分别与比较器连接，DACP和DACN还分别经2个采样开关与共模电平V

【技术实现步骤摘要】
一种基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构


[0001]本技术涉及一种基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构。

技术介绍

[0002]随着科技的不断发展，现代社会也进入到了物联网时代。物联网时代是基于互联网产生的新的时代，“万物互联”这个词也很好说明了物联网时代的基本特征。如今物联网时代的快速发展催生了很多产业的兴起，如传感器产业，嵌入式产业，射频器件产业。对于现在物联网智能节点来说，物联网设备逐渐趋向小型化，这就要求能够进行信息转换的器件——传感器同样趋于微型化、智能化。因此作为连接智能设备和自然届的桥梁，传感器产业越来越受到人们的重视，而ADC就是传感器中重要的一个部分，其用于可穿戴智能设备和智能家居的用途，决定了模数转换器(ADC）的发展也往低功耗、高精度的方向发展。
[0003]在市面上常见的ADC中，SAR ADC具有的低功耗，中精度，中低速度，结构简单等优点，使得SAR ADC广泛用于智能家居产业中，同时也成为ADC研究中的热门。其包含三个模块，DAC电容阵列模块，比较器模块，数字逻辑模块。在SAR ADC进行工作时，DAC电容阵列是否能最大限度降低切换功耗，就决定了该SAR ADC是否拥有良好的功耗性能，因此切换功耗也在一定程度上决定了SAR ADC的功耗上限，可以说是重要一环，同样，比较器的输入噪声也决定了ADC的精度，其功耗同样至关重要。因此许多年来，研究出更低功耗的DAC电容阵列切换模式，及低功耗高精度的比较器就成为了SAR ADC的热点。
[0004]这些年来，无数科学家和研究学者致力于低功耗的SAR ADC设计。时至今日，关于比较器的研究，已经从静态比较器到动态比较器，再从动态比较器到全动态比较器，比较器降低功耗的方法已经非常完善，但是关于DAC电容阵列模块的低功耗设计却还有很大的提升空间。目前传统型的N位电容式DAC结构，如图1所示。电路结构主要包括二进制权重的C0，C0，2 C0……2N-1
C0,2
N
C0的电容阵列、比较器、切换开关以及固定电平V
ref
，V
ss
，V
cm
和输入电平V
ip
与V
in
。但是由于其电容阵列的开关切换功耗高，所以并不适用于低功耗的应用场合。在传统型的N位电容式DAC结构中，为了抑制底板噪声、电源噪声以及拥有一个好的共模噪声性能，所以采用了全差分结构。传统型结构中使用二进制权重的电容阵列是为了获得更好的线性度。由于ADC是全差分的，所以电容两边的工作状态是互补结构。为了简单起见，只对传统型电容阵列中DACP端的工作状态进行描述。首先在采样相位，电容底板全部都连接到V
ip
电位，并且电容顶板复位到共模电压V
cm
。下一步，与电容顶板相连接的采样开关断开，最高位电容2NC0的底板连接到V
ref
，并且剩下的电容切换到VSS地电位；随后比较器开始它的第一次比较，如果V
ip
>V
in
,那么输出最高有效位(MSB)为1；否则最高有效位(MSB)为0，并且最大电容2
N
C0的底板连接到V
ss
地电位。接着，权重第二大的电容2
N-1
C0底板被连接到V
ref
电位，随后比较器进行第二次比较。这个ADC重复这个过程，直到最低有效位(LSB）被比完。尽管这个反复试验的办法是简单的，但是它并不是一个节能的方案，尤其是比较结果为0时的切换功耗时是非常大的。以10位电容阵列为例，这种传统型电容阵列平均开关切换功耗为1363C0Vref2。为了研究如何降低电容阵列的开关切换功耗，这些年来无数的学者在这种传
统型底板采样结构的基础上进行研究，专利技术了很多低功耗的电容阵列开关切换方案，这其中尤其以采用顶板采样结构的电容阵列为代表，目前主流的基于顶板采样的10位电容阵列平均开关切换功耗在255 C0Vref2左右，但是由于底板采样相对于顶板采样具有天然可实现更高精度的优势，这使得基于底板采样低切换功耗电容阵列的开关切换方案成为研究的热门。

技术实现思路

[0005]本技术的目的在于提供一种基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构，相比于传统型电容阵列节省了最高位权重电容，且相比于顶板采样的电容阵列开关切换结构，可以实现更好的ADC精度。
[0006]为实现上述目的，本技术的技术方案是：一种基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构，包括第一电容阵列、第二电容阵列、比较器、2个切换开关组、2个采样开关，第一电容阵列中全部电容的顶板相连接作为第一电容阵列的电容顶板DACP，第二电容阵列中全部电容的顶板相连接作为第二电容阵列的电容顶板DACN，DACP和DACN分别与比较器的同相输入端、反相输入端连接，DACP和DACN还分别经2个采样开关与共模电平V
cm
连接，第一电容阵列中电容的底板经第一切换开关组与基准电平V
ref
、地电平V
ss
、共模电平V
cm
、输入电平V
ip
连接，第二电容阵列中电容的底板经第二切换开关组与基准电平V
ref
、地电平V
ss
、共模电平V
cm
、输入电平V
in
连接；所述比较器包括动态预放大器、动态锁存器，动态预放大器的两输入端分别作为比较器的同相输入端和反相输入端，动态预放大器的两输出端分别与动态锁存器的两输入端连接，动态锁存器的两输出端分别作为比较器的两输出端。
[0007]在本技术一实施例中，所述第一电容阵列、第二电容阵列均由二进制权重容值为C0、C0、2 C0……2N-1
C0的N+1个电容组成，所述第一切换开关组、第二切换开关组均包括N+1个切换开关，第一电容阵列中的N+1个电容的顶板相连接作为第一电容阵列的电容顶板DACP，第一电容阵列中前N个权重容值的电容的底板分别与N个切换开关的一端连接，该N个切换开关的另一端连接基准电平V
ref
、地电平V
ss
、共模电平V
cm
、输入电平V
ip
，第一电容阵列中最小权重容值的一个电容的底板与1个切换开关的一端连接，该切换开关的另一端连接基准电平V
ref
、共模电平V
cm
、输入电平V
ip
，第二电容阵列中的N+1个电容的顶板相连接作为第二电容阵列的电容顶板DACN，第二电容阵列中前N个权重容值的电容的底板分别与N个切换开关的一端连接，该N个切换开关的另一端连接基准电平V
ref
、地电平V
ss
、共模电平V
cm
、输入电平V
ip
，第二电容阵列中最小权重容值的一个电容的底板与1个切换开关的一端连接，该切换本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构，其特征在于，包括第一电容阵列、第二电容阵列、比较器、2个切换开关组、2个采样开关，第一电容阵列中全部电容的顶板相连接作为第一电容阵列的电容顶板DACP，第二电容阵列中全部电容的顶板相连接作为第二电容阵列的电容顶板DACN，DACP和DACN分别与比较器的同相输入端、反相输入端连接，DACP和DACN还分别经2个采样开关与共模电平V
cm
连接，第一电容阵列中电容的底板经第一切换开关组与基准电平V
ref
、地电平V
ss
、共模电平V
cm
、输入电平V
ip
连接，第二电容阵列中电容的底板经第二切换开关组与基准电平V
ref
、地电平V
ss
、共模电平V
cm
、输入电平V
in
连接；所述比较器包括动态预放大器、动态锁存器，动态预放大器的两输入端分别作为比较器的同相输入端和反相输入端，动态预放大器的两输出端分别与动态锁存器的两输入端连接，动态锁存器的两输出端分别作为比较器的两输出端。2.根据权利要求1所述的一种基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构，其特征在于，所述第一电容阵列、第二电容阵列均由二进制权重容值为C0、C0、2 C0……2N-1
C0的N+1个电容组成，所述第一切换开关组、第二切换开关组均包括N+1个切换开关，第一电容阵列中的N+1个电容的顶板相连接作为第一电容阵列的电容顶板DACP，第一电容阵列中前N个权重容值的电容的底板分别与N个切换开关的一端连接，该N个切换开关的另一端连接基准电平V
ref
、地电平V
ss
、共模电平V
cm
、输入电平V
ip
，第一电容阵列中最小权重容值的一个电容的底板与1个切换开关的一端连接，该切换开关的另一端连接基准电平V
ref
、共模电平V
cm
、输入电平V
ip
，第二电容阵列中的N+1个电容的顶板相连接作为第二电容阵列的电容顶板DACN，第二电容阵列中前N个权重容值的电容的底板分别与N个切换开关的一端连接，该N个切换开关的另一端连接基准电平V
ref
、地电平V
ss
、共模电平V
cm
、输入电...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏榕山，魏聪，林锐，杨臻，何明华，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：新型
国别省市：