一种用于SARADC电容阵列的新型单向开关切换电路制造技术

本实用新型专利技术涉及一种用于SAR ADC电容阵列的新型单向开关切换电路。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DACP，第二电容阵列中全部电容的顶板相连接作为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个采样开关与地电平V

【技术实现步骤摘要】
一种用于SAR ADC电容阵列的新型单向开关切换电路


[0001]本技术涉及一种用于SAR ADC电容阵列的新型单向开关切换电路。

技术介绍

[0002]随着集成电路、物联网（IOT）、传感器网络等技术的快速发展，以及人们对智能家居、智能医疗等服务的迫切需求，各种微型化、低功耗的传感器作为连接物理世界和各种智能设备的桥梁，受到越来越高的重视。传感器感知世界的各种模拟信号，经过模数转换器（ADC）转化为数字信号后，送入到后端数字电路系统中进行运算处理，进而控制智能设备做出反应，使我们的生活更加便捷。
[0003]在众多种类的ADC 类型中，SAR ADC（Successive-Approximation-Register ADC，逐次逼近型模数转换器）具有优良的性能，同时又以其结构简单，数字化程度高，方便应用在先进制程中，延迟低，功耗低等特点，是目前ADC 研究中的热门，同时也被广泛应用于各个领域中。其中，低功耗ADC 作为ADC 的重要门类，主要应用于智能穿戴设备等领域。在日常生活的各个方面与各种领域中，低功耗ADC 的作用都十分巨大，具有很高的研究价值。而SAR ADC的主要功耗分为三个模块：数字逻辑模块、比较器模块、DAC电容阵列模块。随着工艺制程越来越先进，数字逻辑模块的功耗已经得到大幅度下降，所以比较器模块和DAC电容阵列模块的功耗在这些年已经成为了研究热点。
[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、切换开关以及基准电平V
ref
，地电平V
ss
，共模电平V
cm
，输入电平V
ip
和输入电平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输入电平V
ip
电位，并且电容顶板复位到共模电平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2
N
C0的底板连接到基准电平V
ref
，并且剩下的电容切换到地电平V
SS
；随后比较器开始它的第一次比较，如果DACP电容阵列的顶板电压小于DACN电容阵列的顶板电压，那么比较器输出最高有效位(MSB)为1；否则比较器输出最高有效位(MSB)为0，并且最大电容2
N
C0的底板连接到地电平V
SS
。接着，权重第二大的电容2
N-1
C0底板被连接到基准电平V
ref
，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1363C0V
ref2
。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 C0V
ref2
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用于SAR ADC电容阵列的新型单向开关切换电路，该电路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，该电路相比于目前市面上主流的电容阵列开关切换结构而言，可以实现更低的功耗。
[0006]为实现上述目的，本技术的技术方案是：一种用于SAR ADC电容阵列的新型单向开关切换电路，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个采样开关与地电平V
ss
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。
[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
in
。
[0008]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于SAR ADC电容阵列的新型单向开关切换电路，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个采样开关与地电平V
ss
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。2.根据权利要求1所述的一种用于SAR ADC电容阵列的新型单向开关切换电路，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<...

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