一种基于Vcm电压的新型开关切换方法技术

本发明专利技术公开了应用于SAR ADC的一种基于Vcm电压的新型开关切换方法，在vref上的能量消耗实现了100％节省，高位MSB电容阵列通过构建分裂电容，以vref和gnd代替vcm，即高位MSB电容下极板电压切换过程中，比较器输入端的共模输入电压恒定不变。同时，在比较器的正负两端上，消耗的能量为大小相等，符号相反的值，即一端在vref上消耗能量，一端在vref上释放能量，每次置位则在驱动vref电压上无能量消耗。另一方面，低位LSB电容阵列采用一种仅使用vcm和gnd的切换策略，在vref上完全无能量消耗。消耗。消耗。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Vcm电压的新型开关切换方法


[0001]本专利技术涉及SAR ADC的开关切换的
，具体涉及一种基于Vcm电压的新型开关切换方法。

技术介绍

[0002]目前SAR ADC常见的开关切换技术包括传统开关切换技术、Vcm
‑
based切换技术和单调开关切换技术等。传统开关切换技术为先置位，根据比较结果再置位的切换方式，在vref上的能量消耗增加了一个置位的消耗，所以能量消耗极大；Vcm
‑
based切换技术没有先置位的操作，在切换过程中，输入共模电平保持不变，能量消耗居中；而单调开关切换技术在整个切换过程中，vref上的能量消耗最小，但是其输入共模电平变化较大。SAR ADC的切换技术中，虽然Vcm
‑
based切换技术，从vcm电压切换到vref电压需要消耗能量，相较于传统的开关切换技术，平均功耗可降低约87.5％，但仍在切换过程中消耗一定的能量。另一方面，单调开关切换技术，在切换的过程中，电容阵列的一端从vref切换到gnd或从gnd切换到vref，也在vref上产生了能量损耗。如何减小vref上的能量消耗及降低输入共模电平偏移是个十分关键的问题。

技术实现思路

[0003]针对以上技术的不足，本专利技术提供了一种基于Vcm电压的新型开关切换方法。在vref上的能量消耗实现了100％节省，高位MSB电容阵列通过构建分裂电容，以vref和gnd代替vcm，即高位MSB电容下极板电压切换过程中，比较器输入端的共模输入电压恒定不变。同时，在比较器的正负两端上，消耗的能量为大小相等，符号相反的值，即一端在vref上消耗能量，一端在vref上释放能量，每次置位则在驱动vref电压上无能量消耗。另一方面，低位LSB电容阵列采用一种仅使用vcm和gnd的切换方法，相较于以往切换方法，在vref上完全无能量消耗，总体上实现了vref上能量的100％节省。
[0004]为了达到上述专利技术目的，本专利技术提供了一种基于Vcm电压的新型开关切换方法，包括如下步骤：
[0005]S1、构建结构相同的正极端电容阵列和负极端电容阵列；
[0006]S2、利用采样开关获取两组输入信号，并将两组输入信号分别连接至正极端电容阵列的上极板和负极端电容阵列的上极板；
[0007]S3、断开采样开关，利用比较器直接对保持在正极端电容阵列和负极端电容阵列上极板上的输入信号进行比较得到第一数字输出编码，根据得到的第一数字输出编码控制正极端电容阵列和负极端电容阵列下极板的电压连接关系；
[0008]S4、根据步骤S3确定的电压连接关系，利用比较器对正极端上极板电压和负极端上极板电压进行比较得到第二数字输出编码，将所述第一数字输出编码和第二数字输出编码按顺序组合后得到数字输出编码串并根据所述数字输出编码串确定正极端电容阵列和
负极端电容阵列电容的下极板连接方式；
[0009]S5、根据比较器两端不同的比较电压依次将正极端电容阵列的下极板和负极端电容阵列的下极板切换至基准电压、共模电压或者接地状态直至输出最低位的比较结果，最终按次序输出多位数字输出码结果。
[0010]进一步的，所述正极端电容阵列包括第一桥接电容C、第一高段电容阵列MSB和第一低段电容阵列LSB，其中，所述第一高段电容阵列MSB包括C
MPL
和C
MPR
子阵列，第一低段电容阵列LSB包括C
NPL
和C
NPR
子阵列；所述负极端电容阵列包括第二桥接电容C、第二高段电容阵列MSB和第二低段电容阵列LSB，其中，第二高段电容阵列MSB包括C
MNL
和C
MNR
子阵列，第二低段电容阵列LSB包括C
NNL
和C
NNR
子阵列。
[0011]进一步的，所述C
MPL
子阵列包括电容C
M,PL
+C
M
‑
1,PL
+
…
+C
2,PL
+C
1,PL
；所述C
MPR
子阵列包括电容C
M,PR
+C
M
‑
1,PR
+
…
+C
2,PR
+C
1,PR
；所述C
NPL
子阵列包括电容C
N,PL
+
N
‑
1,PL
+
…
+C
2,PL
+C
1,PL
；所述C
NPR
子阵列包括电容C
N,PR
+C
N
‑
1,PR
+
…
+C
2,PR
+C
1,PR
；所述C
MNL
子阵列包括电容C
M,NL
+C
M
‑
1,NL
+
…
+C
2,NL
+C
1,NL
；所述C
MNR
子阵列包括电容C
M,NR
+C
M
‑
1,NR
+
…
+C
2,NR
+C
1,NR
；所述C
NNL
子阵列包括电容C
N,NL
+C
N
‑
1,NL
+
…
+C
2,NL
+C
1,NL
；所述C
NNR
子阵列包括电容C
N,NR
+C
N
‑
1,NR
+
…
+C
2,NR
+C
1,NR
，其中，M和N分别为子阵列中电容的编号。
[0012]进一步的，所述C
MPL
子阵列和C
MNL
子阵列的所有电容的下极板通过开关与参考电压vref连接；所述C
MPR
子阵列和C
MNR
子阵列的所有电容的下极板通过开关与参考电压gnd连接；所述C
NPL
子阵列，C
NPR
子阵列，C
NNL
子阵列和C
NNR
子阵列的所有电容的下极板通过开关与共模电压vcm连接。
[0013]进一步的，所述S3具体包括如下步骤；
[0014]S31、若第一数字输出码D
N
‑1＝1，则将正极端电容阵列的电容C
M,PL
和C
M,PR
的下极板由vref和gnd状态切换至gnd和gnd状态，同时保持除电容C
M,PL
和C
M,PR
之外的所有低位电容本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Vcm电压的新型开关切换方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、构建结构相同的正极端电容阵列和负极端电容阵列；S2、利用采样开关获取两组输入信号，并将两组输入信号分别连接至正极端电容阵列的上极板和负极端电容阵列的上极板；S3、断开采样开关，利用比较器直接对保持在正极端电容阵列和负极端电容阵列上极板上的输入信号进行比较得到第一数字输出编码，根据得到的第一数字输出编码控制正极端电容阵列和负极端电容阵列下极板的电压连接关系；S4、根据步骤S3确定的电压连接关系，利用比较器对正极端上极板电压和负极端上极板电压进行比较得到第二数字输出编码，将所述第一数字输出编码和第二数字输出编码按顺序组合后得到数字输出编码串并根据所述数字输出编码串确定正极端电容阵列和负极端电容阵列电容的下极板连接方式；S5、根据比较器两端不同的比较电压依次将正极端电容阵列的下极板和负极端电容阵列的下极板切换至基准电压、共模电压或者接地状态直至输出最低位的比较结果，最终按次序输出多位数字输出码结果。2.根据权利要求1所述的一种基于Vcm电压的新型开关切换方法，其特征在于，所述正极端电容阵列包括第一桥接电容C、第一高段电容阵列MSB和第一低段电容阵列LSB，其中，所述第一高段电容阵列MSB包括C
MPL
和C
MPR
子阵列，第一低段电容阵列LSB包括C
NPL
和C
NPR
子阵列；所述负极端电容阵列包括第二桥接电容C、第二高段电容阵列MSB和第二低段电容阵列LSB，其中，第二高段电容阵列MSB包括C
MNL
和C
MNR
子阵列，第二低段电容阵列LSB包括C
NNL
和C
NNR
子阵列。3.根据权利要求2所述的一种基于Vcm电压的新型开关切换方法，其特征在于，所述C
MPL
子阵列包括电容C
M，PL
+C
M
‑
1，PL
+...+C
2,PL
+C
1，PL
；所述C
MPR
子阵列包括电容C
M，PR
+C
M
‑
1，PR
+...+C
2，PR
+C
1，PR
；所述C
NPL
子阵列包括电容C
N，PL
+C
N
‑
1，PL
+...+C
2,PL
+C
1，PL
；所述C
NPR
子阵列包括电容C
N，PR
+C
N
‑
1，PR
+...+C
2，PR
+C
1,PR
；所述C
MNL
子阵列包括电容C
M，NL
+C
M
‑
1，NL
+...+C
2,NL
+C
1,NL
；所述C
MNR
子阵列包括电容C
M，NR
+C
M
‑
1，NR
+...+C
2，NR
+C
1，NR
；所述C
NNL
子阵列包括电容C
N，NL
+C
N
‑
1，NL
+...+C
2，NL
+C
1，NL
；所述C
NNR
子阵列包括电容C
N,NR
+C
N
‑
1，NR
+...+C
2，NR
+C
1，NR
，其中，M和N分别为子阵列中电容的编号。4.根据权利要求2所述的一种基于Vcm电压的新型开关切换方法，其特征在于，所述C
MPL
子阵列和C
MNL
子阵列的所有电容的下极板通过开关与参考电压vref连接；所述C
MPR
子阵列和C
MNR
子阵列的所有电容的下极板通过开关与参考电压gnd连接；所述C
NPL
子阵列，C
NPR
子阵列，C
NNL
子阵列和C
NNR
子阵列的所有电容的下极板通过开关与共模电压vcm连接。5.根据权利要求2所述的一种基于Vcm电压的新型开关切换方法，其特征在于，所述S3具体包括如下步骤；S31、若第一数字输出码D
N
‑1＝1，则将正极端电容阵列的电容C
M，PL
和C
M，PR
的下极板由vref和gnd状态切换至gnd和gnd状态，同时保持除电容C
M，PL
和C
M，PR
之外的所有低位电容的下极板为原始状态；将负极端电容阵列中的电容C
M，NL
和C
M,NR
的下极板由vref和gnd状态切换至vref和vref状态，同时保持除电容C
M，NL
和C
M，NR
之外的所有低位电容的下极板为原始状态，从而产生电压偏移并在后续低位转换过程中，电容阵列的高段电容阵列持续执行此策略；S32、若第一数字输出码D
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵国栋，张健，姚纳，王敬超，肖淼，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：