用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及模擬集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為提供一種基于電荷泄放和三級參考電壓的用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)策略，大幅度的降低SAR ADC中DAC模塊由于開關(guān)切換帶來的電容充放電的動態(tài)功耗，也大幅度降低整體SAR ADC功耗。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，分別通過開關(guān)S1和S2連接DAC正端所有電容和負(fù)端所有電容的上極板，DAC正端電容的上極板還連接到比較器的正輸入端，同時(shí)連接到開關(guān)S3上；比較器的輸出連接到邏輯模塊的輸入，邏輯模塊的輸出控制DAC開關(guān)的閉合和斷開。本發(fā)明主要應(yīng)用于模擬集成電路設(shè)計(jì)制造場合。
【專利說明】
用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及模擬集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及采用電荷泄放的用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SuccessiveApproximat1n Register Analog-to-Digital Converter,SAR ADC)有著高速，低功耗的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品以及植入式電子產(chǎn)品中。隨著這些電子產(chǎn)品的發(fā)展，對待機(jī)時(shí)間提出了更高的要求，所以需要降低用于其中的SAR ADC的功耗。傳統(tǒng)SAR ADC結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital_to-Analog Converter，DAC)，比較器和邏輯模塊組成。DAC—般采用電荷再分配的純電容結(jié)構(gòu)，避免了靜態(tài)功耗，但是電荷分配過程中的開關(guān)切換帶來了電容充放電的動態(tài)功耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種基于電荷泄放和三級參考電壓的用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)策略，大幅度的降低SAR ADC中DAC模塊由于開關(guān)切換帶來的電容充放電的動態(tài)功耗，也大幅度降低整體SAR ADC功耗。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，用(-Vref，+Vref)表示SAR ADC的量程，Vcm表示參考電壓，等于l/8Vref，Sl?SlO為開關(guān)，Ci為DAC中的電容，i = l，..，N_3，DAC—共需要2的N-4次方個(gè)單位電容，Vp表示DAC正端的輸出，Vn表示DAC負(fù)端的輸出，Vin和Vip表示ADC的輸入，分別通過開關(guān)SI和S2連接到DAC正端所有電容和負(fù)端所有電容的上極板，DAC正端電容的上極板還連接到比較器的正輸入端，同時(shí)連接到開關(guān)S3上，開關(guān)S3另外一端連接到大小為1/2的電流源，也連接到開關(guān)S5上，開關(guān)S5的另外一端連接到大小為I的電流源，DAC正端所有電容的下極板連接到選擇開關(guān)S7，S9上，S7，S9的另外一端連接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一個(gè);DAC負(fù)端電容的上極板還連接到比較器的負(fù)輸入端，同時(shí)連接到開關(guān)S4，開關(guān)S4的另外一端連接到大小為1/2的電流源，也連接到開關(guān)S6上，開關(guān)S6的另外一端連接到大小為I的電流源，電容的下極板選擇開關(guān)S8，S10，開關(guān)S8和SlO的另外一端連接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一個(gè)，比較器的輸出連接到邏輯模塊的輸入，邏輯模塊的輸出控制DAC開關(guān)的閉合和斷開。
[0004]工作過程如下:
[0005]首先開關(guān)SI與S2閉合，電容上極板采樣Vin和Vip，比較器根據(jù)Vin和Vip的大小產(chǎn)生比較的結(jié)果，由比較器的結(jié)果得到第一位;然后，開關(guān)SI和S2斷開，DAC中電容的上極板不再與Vin或Vip相連接，根據(jù)是Vp大于Vn還是Vn大于Vp，選擇將DAC正端或是負(fù)端電容上極板連接到大小為I的電流源，通過電流源對上極板的電荷進(jìn)行泄放，降低l/2Vref的電壓值，不會產(chǎn)生動態(tài)功耗，進(jìn)行第二次的比較，根據(jù)比較器第二次的結(jié)果得到第二位;然后，電流泄放之后，再次根據(jù)Vp大于Vn還是Vn大于Vp，選擇將DAC正端或是負(fù)端電容上極板連接到大小為1/2的電流源，再次泄放電荷，降低l/4Vref的電壓值，也不會產(chǎn)生動態(tài)功耗，進(jìn)行第三次的比較，根據(jù)比較器第三次的比較結(jié)果得到第三位;然后進(jìn)行第四位的比較，根據(jù)第三位的結(jié)果，即根據(jù)Vp大于Vn還是Vn大于Vp，將負(fù)端或是正端電容的下極板從連接GND切換到連接Vcm，此時(shí)依然不會產(chǎn)生動態(tài)功耗，進(jìn)行第四次的比較，根據(jù)比較器的結(jié)果得到第四位;然后進(jìn)行第五位的比較，這里需要根據(jù)第四位的結(jié)果來控制DAC中開關(guān)的閉合和斷開，在第四位的比較中，如果DAC中下極板連接到Vcm—端的輸出電壓較大，則將DAC的另外一端中表示第五位權(quán)重的電容的下極板連接到Vcm;在第四位的比較中，如果DAC下極板連接到V cm—端的輸出電壓較小，將DAC的該端中表示第五位權(quán)重的電容的下極板連接到2Vcm，然后比較器進(jìn)行比較，根據(jù)比較器的結(jié)果得到第五位;在進(jìn)行后面位數(shù)的比較時(shí)，開關(guān)切換的方法都同第五位的。
[0006]本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是:
[0007]本發(fā)明降低了SARADC中DAC由于開關(guān)切換帶來的電容充放電動態(tài)功耗。
[0008]同時(shí)本發(fā)明通過也減少了SARADC中采用的電容數(shù)目，降低了SAR ADC的面積。
【附圖說明】
:
[0009]圖1基SAR ADC結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2采用本開關(guān)策略的SARADC的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖3—個(gè)4位SAR ADC的工作過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]為了降低DAC模塊由于開關(guān)切換帶來的電容充放電的動態(tài)功耗，本發(fā)明提出一種基于電荷泄放和三級參考電壓的用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)策略。通過采用電荷泄放的方式使得前三位的比較不會產(chǎn)生動態(tài)功耗，同時(shí)采用三級參考電壓的方式使得第四位的比較也不會產(chǎn)生動態(tài)功耗。
[0013]采用該開關(guān)策略的N(N為正整數(shù))位SAR ADC結(jié)構(gòu)如圖2。用(-Vref ,+Vref)表示SARADC的量程。圖中GND表示電源地，Vcm表示參考電壓，等于l/8Vref，Sl?SlO為開關(guān)，Ci(i =1，..，N-3)為DAC中的電容，DAC采用傳統(tǒng)二進(jìn)制結(jié)構(gòu)，一共需要2N—4個(gè)單位電容。Vp表示DAC正端的輸出，Vn表示DAC負(fù)端的輸出。Vin和Vip表示ADC的輸入，分別通過開關(guān)SI和S2連接DAC正端所有電容和負(fù)端所有電容的上極板。DAC正端電容的上極板還連接到比較器的正輸入端，同時(shí)連接到開關(guān)S3上，S3另外一端連接到大小為1/2的電流源，也連接到開關(guān)S5上，S5的另外一端連接到大小為I的電流源。電容的下極板連接到選擇開關(guān)S7，S9上，S7，S9的另外一端連接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一個(gè)。DAC負(fù)端電容的上極板還連接到比較器的負(fù)輸入端，同時(shí)連接到開關(guān)S4，開關(guān)S4的另外一端連接到大小為1/2的電流源，也連接到開關(guān)S6上，開關(guān)S6的另外一端連接到大小為I的電流源。電容的下極板選擇開關(guān)S8，SlO，開關(guān)S8和SlO的另外一端連接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一個(gè)。比較器的輸出連接到邏輯模塊的輸入，邏輯模塊的輸出控制DAC開關(guān)的閉合和斷開。
[0014]該開關(guān)策略通過電荷泄放和三級參考電壓相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在SARADC的前四位的比較中，DAC不會產(chǎn)生電容充放電的動態(tài)功耗。采用該開關(guān)策略的SAR ADC工作過程不用于傳統(tǒng)的SAR ADC，對N位的SAR ADC，初始狀態(tài)，DAC中電容下極板連接到電源地(GND)。工作過程如下:
[0015]首先開關(guān)SI與S2閉合，電容上極板采樣Vin和Vip，比較器根據(jù)Vin和Vip的大小產(chǎn)生比較的結(jié)果，由比較器的結(jié)果得到第一位;然后，開關(guān)SI和S2斷開，DAC中電容的上極板不再與Vin或Vip相連接，根據(jù)是Vp大于Vn還是Vn大于Vp，選擇將DAC正端或是負(fù)端電容上極板連接到大小為I的電流源，通過電流源對上極板的電荷進(jìn)行泄放，降低l/2Vref的電壓值，不會產(chǎn)生動態(tài)功耗，進(jìn)行第二次的比較，根據(jù)比較器第二次的結(jié)果得到第二位;然后，電荷泄放之后，再次根據(jù)Vp大于Vn還是Vn大于Vp，選擇將DAC正端或是負(fù)端電容上極板連接到大小為1/2的電流源，再次泄放電荷，降低l/4Vref的電壓值，也不會產(chǎn)生動態(tài)功耗，進(jìn)行第三次的比較，根據(jù)比較器第三次的比較結(jié)果得到第三位;然后進(jìn)行第四位的比較，根據(jù)第三位的結(jié)果，即根據(jù)Vp大于Vn還是Vn大于Vp，將負(fù)端或是正端電容的下極板從連接GND切換到連接Vcm，此時(shí)依然不會產(chǎn)生動態(tài)功耗，進(jìn)行第四次的比較，根據(jù)比較器的結(jié)果得到第四位;然后進(jìn)行第五位的比較，這里需要根據(jù)第四位的結(jié)果來控制DAC中開關(guān)的閉合和斷開，在第四位的比較中，如果DAC中下極板連接到Vcm—端的輸出電壓較大，則將DAC的另外一端中表示第五位權(quán)重的電容的下極板連接到Vcm;在第四位的比較中，如果DAC下極板連接到V cm—端的輸出電壓較小，將DAC的該端中表示第五位權(quán)重的電容的下極板連接到2Vcm，然后比較器進(jìn)行比較，根據(jù)比較器的結(jié)果得到第五位;在進(jìn)行后面位數(shù)的比較時(shí)，開關(guān)切換的方法都同第五位的。
[0016]以一個(gè)4位差分結(jié)構(gòu)SAR ADC為例，其工作過程如圖3所示，Vin和Vip表示ADC的輸入，差分輸入范圍為-1V?+IV Jref為IV Jcm表示參考電壓，為1/8V X表示DAC中單位電容，大小為10fF，4位的SAR ADC中DAC只需要一個(gè)電容。I表示電流源的電流大小，為InA。E表示開關(guān)切換引入的DAC動態(tài)功耗。整個(gè)工作過程描述如下:首先電容上極板采樣Vin和Vip，電容下極板連接到電源地(GND)，比較器根據(jù)Vin和Vip的大小產(chǎn)生比較的結(jié)果，由比較器的結(jié)果得到第一位;然后，如圖al和a2，正負(fù)端的電容的上極板不再與Vin和Vip相連接，將正負(fù)端中某一端電容上極板連接到大小為I(InA)的電流源，通過電流源進(jìn)行電荷泄放，降低I/2V的電壓值，進(jìn)行第二次的比較，根據(jù)比較器第二次的結(jié)果得到第二位;然后，如圖bl?b4，將DAC的正負(fù)端中某一端電容的上極板連接到大小為1/2(0.5nA)的電流源，再次泄放電荷，降低1/4V的電壓值，進(jìn)行第三位的比較，根據(jù)比較器第三次的比較結(jié)果得到第三位。最后進(jìn)行第四位的比較，如圖Cl?c8所示，根據(jù)第三位的結(jié)果，將DAC正端或負(fù)端電容的下極板從連接GND切換到連接Vcm，此時(shí)也不會產(chǎn)生動態(tài)功耗，再根據(jù)比較器第四次比較的結(jié)果得到第四位。
[0017]對于10位精度的SAR ADC，采用差分結(jié)構(gòu)，單位電容為100fF，量程為-1V?+1V，DAC模塊的三級參考電壓設(shè)為O，1/8V，1/4VJAC模塊的動態(tài)功耗降低為49.22fW，比傳統(tǒng)的開關(guān)切換方法節(jié)省了 99.96 %的功耗。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，其特征是，用(-Vref，+Vref)表示SAR ADC的量程，Vcm表示參考電壓，等于l/8Vref，Sl?SlO為開關(guān)，Ci為DAC中的電容，i =1，..，N-3，DAC—共需要2的N-4次方個(gè)單位電容，Vp表示DAC正端的輸出，Vn表示DAC負(fù)端的輸出，Vin和Vip表示ADC的輸入，分別通過開關(guān)SI和S2連接DAC正端所有電容和負(fù)端所有電容的上極板，DAC正端電容的上極板還連接到比較器的正輸入端，同時(shí)連接到開關(guān)S3上，開關(guān)S3另外一端連接到大小為1/2的電流源，也連接到開關(guān)S5上，開關(guān)S5的另外一端連接到大小為I的電流源，DAC正端所有電容的下極板連接到選擇開關(guān)S7，S9上，S7，S9的另外一端連接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一個(gè);DAC負(fù)端電容的上極板還連接到比較器的負(fù)輸入端，同時(shí)連接到開關(guān)S4，開關(guān)S4的另外一端連接到大小為1/2的電流源，也連接到開關(guān)S6上，開關(guān)S6的另外一端連接到大小為I的電流源，電容的下極板選擇開關(guān)S8，S1，開關(guān)S8和S1的另外一端連接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一個(gè)，比較器的輸出連接到邏輯模塊的輸入，邏輯模塊的輸出控制DAC開關(guān)的閉合和斷開。2.如權(quán)利要求1所述的用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，其特征是，工作過程如下: 首先開關(guān)SI與S2閉合，電容上極板采樣Vin和Vip，比較器根據(jù)Vin和Vip的大小產(chǎn)生比較的結(jié)果，由比較器的結(jié)果得到第一位;然后，開關(guān)SI和S2斷開，DAC中電容的上極板不再與Vin或Vip相連接，根據(jù)是Vp大于Vn還是Vn大于Vp，選擇將DAC正端或是負(fù)端電容上極板連接到大小為I的電流源，通過電流源對上極板的電荷進(jìn)行泄放，降低l/2Vref的電壓值，不會產(chǎn)生動態(tài)功耗，進(jìn)行第二次的比較，根據(jù)比較器第二次的結(jié)果得到第二位;然后，電流泄放之后，再次根據(jù)Vp大于Vn還是Vn大于Vp，選擇將DAC正端或是負(fù)端電容上極板連接到大小為I/2的電流源，再次泄放電荷，降低l/4Vref的電壓值，也不會產(chǎn)生動態(tài)功耗，進(jìn)行第三次的比較，根據(jù)比較器第三次的比較結(jié)果得到第三位;然后進(jìn)行第四位的比較，根據(jù)第三位的結(jié)果，即根據(jù)Vp大于Vn還是Vn大于Vp，將負(fù)端或是正端電容的下極板從連接GND切換到連接Vcm，此時(shí)依然不會產(chǎn)生動態(tài)功耗，進(jìn)行第四次的比較，根據(jù)比較器的結(jié)果得到第四位;然后進(jìn)行第五位的比較，這里需要根據(jù)第四位的結(jié)果來控制DAC中開關(guān)的閉合和斷開，在第四位的比較中，如果DAC中下極板連接到Vcm—端的輸出電壓較大，則將DAC的另外一端中表示第五位權(quán)重的電容的下極板連接到Vcm;在第四位的比較中，如果DAC下極板連接到V cm—端的輸出電壓較小，將DAC的該端中表示第五位權(quán)重的電容的下極板連接到2Vcm，然后比較器進(jìn)行比較，根據(jù)比較器的結(jié)果得到第五位;在進(jìn)行后面位數(shù)的比較時(shí)，開關(guān)切換的方法都同第五位的。
【文檔編號】H03M1/72GK105915218SQ201610209221
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月5日
【發(fā)明人】徐江濤, 尹昭楊, 聶凱明, 高靜, 史再峰
【申請人】天津大學(xué)