一种应用于逐次逼近型模数转换器的两电平开关方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于逐次逼近型模数转换器的两电平开关方法，方法包括对输入信号VIP和VIN，经N次比较后，得到N位数字码，分为采样和转换两个阶段，采样阶段输入信号VIP和VIN通过采样开关连接到上下电容阵列的顶极板，各电容底极板连接到对应电压；转换阶段比较器对上下电容阵列顶极板电压进行MSB位至LSB位的比较，得到相应数字码以控制各电容底极板的状态；经N次比较得到N位数字码。本发明专利技术首次切换产生

【技术实现步骤摘要】
一种应用于逐次逼近型模数转换器的两电平开关方法


[0001]本专利技术涉及一种应用于逐次逼近型模数转换器的两电平开关方法，属于SARADC的电荷重分配型CDAC


技术介绍

[0002]电荷重分配型SARADC由于高度数字化，与先进工艺兼容，高能效等特点广泛应用于便携设备、医疗器械和物联网等领域。在它的各个模块中，CDAC是最耗能的一个部分，在SARADC进行模数转换的时候，CDAC会进行电容切换产生所需要的参考电压，过程中会产生动态的开关功耗。
[0003]在已有的研究中，提出了多种开关算法来减小CDAC的开关功耗。但是，它们在降低开关功耗的同时提高了复位功耗、共模电平漂移[1]、多个比较器[2]以及复杂的控制逻辑[3]等，最终，要么由于复位功耗的提高导致CDAC功耗的降低并不理想，要么对其他模块，如比较器的设计指标提出了更高的要求，这就意味着CDAC开关功耗的降低是以CDAC本身复位功耗或者其他模块功耗的提高为代价的。因此，这些开关算法[1-3]对SARADC整体功耗的降低未必具有积极意义。
[0004][1]Z.Zhu et al.:
‘
A0.6-V 38-nW 9.4-ENOB 20-kS/s SARADC in 0.18-CMOS formedical implant devices
’
,IEEE Transactions on Circuits and Systems-I.,2015,62,(9),pp.2167-2176
[0005][2]S.-E.Hsieh and C.-C.Hsieh.:
‘
A0.44-fJ/conversion-step 11-bit 600-kS/s SARADC with semi-restingDAC
’
,IEEE Journal ofSolid-State Circuits.,2018,53,(9),pp.2595-2603
[0006][3]C.H.Kuo and C.E.Hsieh.:
‘
Floating capacitor switching SARADC
’
.Electronics Letters,2011,47，(13),742-743

技术实现思路

[0007]技术问题：本专利技术所要解决的技术问题在于，针对SARADC的设计，提出一种应用于逐次逼近型模数转换器的两电平开关方法，仅使用两个电平来对开关算法的能量效率(包括复位功耗)、电容面积、共模电平偏移和所需控制逻辑复杂度进行更好的折中，使得本开关算法在降低CDAC功耗的同时不会对ADC其他模块有较高的要求。不同于大多数已发表的开关方法，本专利技术第一次切换可以在电容顶极板产生
±
V
ref
的电压变化，因此，在相同量程条件下，电容阵列的参考电压V
ref
仅为其他开关算法的一半，利用复位开关和浮置电容技术使得复位功耗为零，且浮置电容在三步切换之内会切换到参考电平，简化了控制逻辑，减小了DAC的功耗；仅在最后一位的判决上采用单端切换的开关算法，节省了电容面积，降低了共模电平漂移。
[0008]技术方案：本专利技术的一种应用于逐次逼近型模数转换器的两电平开关方法具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0009]该方法基于的模数转换器，包括采样开关、复位开关、电容阵列、比较器和数字控制逻辑，其中电容阵列包括完全相同的上电容阵列和下电容阵列；输入信号VIP通过采样开关连接到上电容阵列的顶极板，输入信号VIN通过采样开关连接到下电容阵列的顶极板；上电容阵列的顶极板与比较器同相输入端相连，下电容阵列的顶极板与比较器的反相输入端相连，在两个电容阵列的顶极板，采样时连接到不同参考电压的子电容阵列之间存在一个复位开关，此开关在采样阶段会经历从打开到闭合两个阶段；比较器的差分输出端通过数字控制逻辑后产生控制信号来控制上下电容阵列的底极板开关，使上下电容阵列的底极板连接到对应电压、合并、分裂和浮置；
[0010]所述上、下电容阵列均包括两个子电容阵列；其中，上电容阵列的两个子电容阵列分别命名为DAC
P1
和DAC
P0
；下电容阵列的两个子电容阵列分别命名为DAC
N1
和DAC
N0
，每一个子电容阵列由一个最高位电容C
N-4
以及N-6个高位电容、次低位电容C1、最低位电容C0以及dummy电容C
d
组成，各电容大小为：C
i
＝2
i
C，其中0≤i≤N-4,dummy电容C
d
＝C，其中N表示模数转换器的位数，C为单位电容大小；
[0011]本方法包括对于输入信号VIP和VIN，经过模数转换器的N次比较后，得到N位数字输出码，分为采样和转换两个阶段。
[0012]其中：
[0013]所述开关方法的采样和转换两个阶段，具体包括以下步骤：
[0014]步骤A、采样阶段
[0015]输入信号VIP和VIN通过采样开关分别连接到上电容阵列和下电容阵列的顶极板，此时，复位开关处于打开状态，然后上电容阵列的子电容阵列DAC
P1
的所有电容底极板连接到V
ref
参考电压，而上电容阵列的子电容阵列DAC
P0
的所有电容底极板连接到gnd；下电容阵列的子电容阵列DAC
N1
的所有电容底极板连接到gnd，而下电容阵列的子电容阵列DAC
N0
的所有电容底极板连接到V
ref
参考电压；完成上述连接之后，复位开关进入闭合状态，复位开关的断开与闭合是为了实现零复位功耗；
[0016]步骤B、转换阶段
[0017]步骤B1，将模数转换器的采样开关断开，然后比较器直接对保持在上下电容阵列顶极板的输入信号VIP和VIN进行比较，得出最高有效位D
N-1
，根据数字码D
N-1
控制上下电容阵列中电容底极板的连接关系；
[0018]步骤B2，比较器(4)通过比较从步骤B1获取的上下电容阵列顶极板电压，得出数字码D
N-2
，根据数字码D
N-1
D
N-2
控制上下电容阵列中电容底极板的连接关系；
[0019]步骤B3，比较器(4)通过比较从步骤B2获取的上下电容阵列顶极板电压，得出数字码D
N-3
，根据数字码D
N-1
D
N-2
和D
N-3
控制上下电容阵列中电容底极板的连接关系；
[0020]步骤B4，比较器(4)通过比较从步骤B3获取的上下电容阵列顶极板电压，得出数字码D
K
，其中1≤K≤N-4，根据数字码D
N-1
和D
K
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于逐次逼近型模数转换器的两电平开关方法，其特征在于，该方法基于的模数转换器，包括采样开关(1)、复位开关(2)、电容阵列(3)、比较器(4)和数字控制逻辑(5)，其中电容阵列(3)包括完全相同的上电容阵列(3-1)和下电容阵列(3-2)；输入信号VIP通过采样开关(1)连接到上电容阵列(3-1)的顶极板，输入信号VIN通过采样开关(1)连接到下电容阵列(3-2)的顶极板；上电容阵列(3-1)的顶极板与比较器(4)同相输入端相连，下电容阵列(3-2)的顶极板与比较器(4)的反相输入端相连，在两个电容阵列的顶极板，采样时连接到不同参考电压的子电容阵列之间存在一个复位开关(2)，此开关在采样阶段会经历从打开到闭合两个阶段；比较器的差分输出端通过数字控制逻辑后产生控制信号来控制上下电容阵列的底极板开关，使上下电容阵列的底极板连接到对应电压、合并、分裂和浮置；所述上、下电容阵列均包括两个子电容阵列；其中，上电容阵列的两个子电容阵列分别命名为DAC
P1
和DAC
P0
；下电容阵列的两个子电容阵列分别命名为DAC
N1
和DAC
N0
，每一个子电容阵列由一个最高位电容C
N-4
以及N-6个高位电容、次低位电容C1、最低位电容C0以及dummy电容C
d
组成，各电容大小为：C
i
＝2
i
C，其中0≤i≤N-4,dummy电容C
d
＝C，其中N表示模数转换器的位数，C为单位电容大小；本方法包括对于输入信号VIP和VIN，经过模数转换器的N次比较后，得到N位数字输出码，分为采样和转换两个阶段。2.根据权利要求1所述的应用于逐次逼近型模数转换器的两电平开关方法，其特征在于：所述开关方法的采样和转换两个阶段，具体包括以下步骤：步骤A、采样阶段输入信号VIP和VIN通过采样开关分别连接到上电容阵列和下电容阵列的顶极板，此时，复位开关处于打开状态，然后上电容阵列的子电容阵列DAC
P1
的所有电容底极板连接到V
ref
参考电压，而上电容阵列的子电容阵列DAC
P0
的所有电容底极板连接到gnd；下电容阵列的子电容阵列DAC
N1
的所有电容底极板连接到gnd，而下电容阵列的子电容阵列DAC
N0
的所有电容底极板连接到V
ref
参考电压；完成上述连接之后，复位开关进入闭合状态，复位开关的断开与闭合是为了实现零复位功耗；步骤B、转换阶段步骤B1，将模数转换器的采样开关断开，然后比较器直接对保持在上下电容阵列顶极板的输入信号VIP和VIN进行比较，得出最高有效位D
N-1
，根据数字码D
N-1
控制上下电容阵列中电容底极板的连接关系；步骤B2，比较器(4)通过比较从步骤B1获取的上下电容阵列顶极板电压，得出数字码D
N-2
，根据数字码D
N-1
D
N-2
控制上下电容阵列中电容底极板的连接关系；步骤B3，比较器(4)通过比较从步骤B2获取的上下电容阵列顶极板电压，得出数字码D
N-3
，根据数字码D
N-1
D
N-2
和D
N-3
控制上下电容阵列中电容底极板的连接关系；步骤B4，比较器(4)通过比较从步骤B3获取的上下电容阵列顶极板电压，得出数字码D
K
，其中1≤K≤N-4，根据数字码D
N-1
和D
K
控制上下电容阵列中电容底极板的连接关系；且重复步骤B4，直至得出数字码D1；步骤B5，根据数字码D
N-1
和D1控制上下电容阵列中电容底极板的连接关系，比较器通过比较此时的上下电容阵列顶极板电压，得出数字码D0。3.根据权利要求1所述的应用于逐次逼近型模数转换器的两电平开关方法，其特征在
于：所述步骤B1，根据数字码D
N-1
控制上下电容阵列中电容底极板的连接关系具体为；情况一：若D
N-1
＝1，DAC
P0
和DAC
N0
的所有电容底极板由gnd和V
ref
变为浮置状态，此次转换过程中不再对DAC
P0
和DAC
N0
进行其他操作，DAC
P1
和DAC
N1
的最高位电容和次高位底极板由V
ref
和gnd变为浮置状态，DAC
P1
和DAC
N1
中其他电容底极板合并，这样整个DAC的差分电压将减少V
ref
；情况二：若D
N-1
＝0，DAC
P1
和DAC
N1
的所有电容底极板由V
ref
和gnd变为浮置状态，此次转换过程中不再对DAC
P1
和DAC
N1
进行其他操作，DAC
P0
和DAC
N0
的最高位电容和次高位底极板由gnd和V
ref
变为浮置状态，DAC
P0
和DAC
N0
中其他电容底极板合并，这样整个DAC的差分电压将增加V
ref
。4.根据权利要求1所述的应用于逐次逼近型模数转换器的两电平开关方法，其特征在于：所述步骤B2，根据数字码D
N-1
和D
N-2
控制上下电容阵列中电容底极板的连接关系，具体为：情况一：若D
N-1
D
N-2
＝11，DAC
P1
的次高位电容由浮置连接到gnd，而DAC
N1
的次高位电容由浮置连接到V
ref
参考电压，这样整个DAC的差分电压将减少0.5V
ref
；情况二：若D
N-1
D
N-2
＝10，DAC
P1
的次高位电容由浮置连接到V
ref
参考电压，而DAC
N1
的次高位电容由浮置连接到gnd，这样整个DAC的差分电压将增加0.5V
ref
；情况三：若D
N-1
D
N-2
＝01，DAC
P0
的次高位电容由浮置连接到gnd，而DAC
N0
的次高位电容由浮置连接到V
ref
参考电压，这样整个DAC的差分电压将减少0.5V
ref
；情况四：若D
N-1
D
N-2
＝00，DAC
P0
的次高位电容由浮置连接到V
ref
参考电压，而DAC
N0
的次高位电容由浮置连接到gnd，这样整个DAC的差分电压将增加0.5V
ref
。5.根据权利要求1所述应用于逐次逼近型模数转换器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建辉，黄毅，罗斯婕，周畅，黄琳琳，李红，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：