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一種能量節(jié)省型電容陣列的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法

文檔序號:7518743閱讀:255來源:國知局
專利名稱:一種能量節(jié)省型電容陣列的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術領域
本發(fā)明屬集成電路技術領域,具體涉及逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
背景技術
逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種中高精度、中等轉(zhuǎn)換速率、超低功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié) 構。對于傳感器、便攜式設備及生物應用來說,要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠工作在低電源電壓下。 然而隨著電源電壓的降低,電路的增益受到了限制,而逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構只包括 比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和逐次逼近寄存器而不需要提供增益的電路。數(shù)字電路的功耗會隨著 工藝尺寸縮減比例(sealing-down)不斷減小,而模擬電路的功耗很難隨著工藝的進步而減 小。本發(fā)明提出的開關方法針對于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器,可以大幅 度地減小電容開關操作的平均功耗,節(jié)省了逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬功耗。圖1所示 的是通常采用的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構圖,主要由跟蹤保持電路10、采樣開關11、比 較器12、電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器13、控制邏輯14構成。圖2是傳統(tǒng)逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電 容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器的開關方法。圖3、4、5、6、7、8是能量節(jié)省型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電容 陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器的開關方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種電容的平均開關功耗小的能量節(jié)省型逐次逼近模數(shù) 轉(zhuǎn)換器結(jié)構。本發(fā)明提出的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構,由跟蹤保持電路10、比較器12、控制 邏輯14構成,跟蹤保持電路10由采樣開關11和電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器13構成。其中
模擬輸入信號經(jīng)過跟蹤保持電路10得到保持信號;
電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器13進行開關操作,產(chǎn)生一個基準電壓值,該基準電壓值和保持信 號通過比較器12比較出信號大小大??;
根據(jù)比較器12比較出的信號大小,由控制邏輯14決定電容陣列的最高位(MSB)開關 接或地,電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器13開始電荷重分布;
當電荷重分布完成后,比較器比較出信號大小,控制邏輯14根據(jù)比較結(jié)果,決定電 容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器的次高位接保持或地,這個過程一直進行下去直到比較出最低位 (LSB)信號;
從最高位(MSB)到最低位(LSB)的輸出數(shù)字碼存在控制邏輯(14)的寄存器中,從而完 成了一次轉(zhuǎn)換。本發(fā)明提出的能量節(jié)省型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構特點在于模擬輸入信號經(jīng) 過跟蹤保持電路得到保持信號,第一次開關消耗能量為0 ;根據(jù)保持得到的保持信號,電容 陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行開關操作,比較出Vip、vin的大小,根據(jù)比較器的輸出結(jié)果,由控制邏輯 決定電容陣列的開關連接方式,當電容陣列的電荷重分布好以后;如果Vip>vin,比較器比較 Vip-Vin與Vkef/2的大小,如果Vip<Vin,比較器比較Vip-Vin與-Vkef/2的大小,根據(jù)比較器的輸出結(jié)果,由控制邏輯決定電容陣列的開關連接方式,電荷再次重分布,這個一直重復進行下 去,直到比完最后一個比特。本發(fā)明中,能量節(jié)省型的開關時序控制的特點在于N個二進制權重的電容可以實 現(xiàn)分辨率為N+1的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明中,能量節(jié)省型的開關時序控制的特點還在于第一次及第二次轉(zhuǎn)換,電容 陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器13不消耗能量。而且,第一、二次轉(zhuǎn)換之后每次轉(zhuǎn)換能量均比傳統(tǒng)結(jié)構轉(zhuǎn) 換能量小。本發(fā)明的電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器13和其他結(jié)構的電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器相比,在同 等分辨率下電容總值較小。本發(fā)明可推廣到任何分辨率的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。例如本發(fā)明可用至單端、 全差分及偽差分的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。


圖1顯示逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構示意圖。圖2顯示傳統(tǒng)電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器開關轉(zhuǎn)換示意圖。圖3顯示能量節(jié)省電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器前三次開關轉(zhuǎn)換示意圖。圖4顯示能量節(jié)省電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器在輸入信號范圍 4的第四次開關轉(zhuǎn)換示意圖。圖5顯示能量節(jié)省電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器在輸入信號范圍的第四次開關轉(zhuǎn)換示意圖。圖6顯示能量節(jié)省電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器在輸入信號范圍
的第四次開
關轉(zhuǎn)換示意圖。圖7顯示能量節(jié)省電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器在輸入信號范圍Vref,-Vref]的第四次
開關轉(zhuǎn)換示意圖。圖8顯示分辨率擴展至N的能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器的開關轉(zhuǎn)換示意圖。圖中標號10表示跟蹤保持電路。11表示采樣開關。12表示比較器。13表示 電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器。14表示控制邏輯。20表示傳統(tǒng)電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第一次開關 轉(zhuǎn)換消耗能量值。21表示當Vip>Vin時傳統(tǒng)電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第二次開關轉(zhuǎn)換消耗能 量值。22表示當¥&<\11時傳統(tǒng)電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第二次開關轉(zhuǎn)換消耗能量值。23表 示當V,ef/2<Vip-Vin<V,ef時傳統(tǒng)電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關轉(zhuǎn)換消耗能量值。24表 示當0<Vip-Vin<V,ef//2時傳統(tǒng)電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關轉(zhuǎn)換消耗能量值。25表示 當-V,ef/2<Vip-Vin<0時傳統(tǒng)電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關轉(zhuǎn)換消耗能量值。26表示 當-VMf<Vip-Vin<-VMf/2時傳統(tǒng)電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關轉(zhuǎn)換消耗能量值。30表 示采樣開關閉合。31表示采樣開關打開。32表示當Vip>Vin時電容連接方法。33表示 當Vip<Vin時電容連接方法。34表示當Vref/2<Vip-Vin<Vref時電容連接方法。35表示當 <Vip-Vin<VMf/2時電容連接方法。36表示當-VMf/2<Vip-Vin<0時電容連接方法。37表示 當-VMf<Vip-Vin<-VMf/2時電容連接方法。38表示能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器由跟蹤階 段到保持階段第一次開關消耗能量值。39表示當Vip>Vin時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換 器第二次開關消耗能量值。40表示當Vip<Vin時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第二次開 關消耗能量值。41表示當Vref/2<Vip-Vin<Vref時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關 消耗能量值。42表示當0<Vip-Vin<Vref/2時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關消 耗能量值。43表示當-Vref/2<Vip-Vin<0時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關消耗 能量值。44表示當-Vref<Vip-Vin<-Vref/2時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關消耗 能量值。45表示當3V,ef/4<Vip-Vin< Vref時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次開關消耗 能量值。46表示當Vref/2<Vip-Vin< 3V&/4時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次開關 消耗能量值。47表示當V,ef/4<Vip-Vin< V,ef/2時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次開 關消耗能量值。48表示當0<Vip-Vin< V&/4時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次開關 消耗能量值。49表示當-V,ef/4<Vip-Vin< 0時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次開關 消耗能量值。50表示當-Vref/2<Vip-Vin< _Vref/4時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次 開關消耗能量值。51表示當-3Vref/4<Vip-Vin< -V&/2時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器 第四次開關消耗能量值。52表示當-Vref<Vip-Vin< -3V&/4時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn) 換器第四次開關消耗能量值。53表示當3V,ef/4<Vip-Vin< V,ef時電容連接方法。54表示當 Vref/2<Vip-Vin<3Vref/4時電容連接方法。55表示當Vref/4<Vip-Vin<Vref/2時電容連接方法。56 表示當0<Vip-Vin< V&/4時電容連接方法。57表示當-Vref/4<Vip-Vin< 0時電容連接方法。 58 表示當-VMf/2<Vip-Vin<-Vref/4 時電容連接方法。59 表示當-3VMf/4<Vip_Vin< -Vref/2 時 電容連接方法。60表示當-Vref<Vip-Vin<-3VMf/4時電容連接方法。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖進一步描述本發(fā)明。圖3、4、5、6、7是本發(fā)明提出的能量節(jié)省型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器示意圖,該示意圖 以4比特為例,圖3是前3比特轉(zhuǎn)換,圖4、5、6、7是第4比特轉(zhuǎn)換,其工作原理是
(1)模擬輸入信號經(jīng)過跟蹤保持電路(31)得到保持信號,第一次開關消耗能量為0 (38)。(2)根據(jù)電容陣列上的保持信號大小,比較器作出比較,判斷Vip和Vin的大小。當 Vip>Vin時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第二次開關消耗能量為0 (39),當Vip<Vin時能量 節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第二次開關消耗能量為0 (40)。(3)如果Vip>Vin,上邊的電容陣列接Vcm(32),比較器比較Vip-Vil^P \Jl的大小, 當VMf/2<Vip-Vin<VMf時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關消耗能量為(1 / 8)CV|ef (41),當0<Vip-Vin<VMf/2時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關消耗能量為 (1/4)CVr2ef (42)。(4)如果Vip<Vin,下邊的電容陣列接Vcm(33),比較器比較Vip-Vil^P Vref/2的大小, 當-VMf/2<Vip-Vin<0時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關消耗能量為(1/4)CVr2ef (43),當-Vref<Vip-Vin<-Vref/2時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關消耗能量為_C%2ef (44)。(5)如果VMf/2<Vip_Vin<VMf,上邊的電容陣列最高位電容(34)接地,比較器比較 Vip-Vin和3V&/4的大小,當3V,rf/4<Vip-Vin< Vref時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次
開關消耗能量為(1/ 16PVR2EF (45),當Vref/2<Vip-Vin< 3Vref/4時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模 轉(zhuǎn)換器第四次開關消耗能量為(1/8PV|EF (46)。(6)如果0<Vip-Vin<Vref/2,下邊的電容陣列最高位電容(35)接VCM,比較器比較 Vip-Vin和V,rf/4的大小,當vref/4<vip-vin< Vref/2時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次
開關消耗能量為(1/ 16)C%2ef (47),當0<Vip-Vin< Vref/4時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器 第四次開關消耗能量為(48)。(7)如果-VMf/2<Vip_Vin<0,下邊的電容陣列最高位電容(36)接地,比較器比較 Vip-Vin和-V&/4的大小,當-VMf/4<Vip-Vin< 0時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次開
關消耗能量為(1/8)C%2ef (49),當-VrefAaip-Vi/ -Vref/4時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn) 換器第四次開關消耗能量為(1/16)Cl/R2EF (50)。(8)如果-Vref<Vip-Vin<_Vref/2,上邊的電容陣列最高位電容(34)接VCM,比較器比 較1-1和_3Vref/4的大小,當-3Vref/4<Vip-Vin< -Vref/2時能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換
器第四次開關消耗能量為(1/(51),當-VMf<Vip-Vin< -3Vref/4時能量節(jié)省型電容陣
列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次開關消耗能量為(1/16)CVr2ef (52)。(9)如果3Vref/4<Vip_Vin< VMf,上邊的電容陣列次高位電容(53)接地,比較器比較 Vip-Vin 和 7V&/8 的大小。(10)如果Vref/2<Vip_Vin<3Vref/4,下邊的電容陣列次高位電容(54)接VCM,比較器比 較 Vip-Vil^n 5Vref/8 的大小。(11)如果Vref/4<Vip_Vin<Vref/2,上邊的電容陣列次高位電容(55)接地,比較器比 較 Vip-Vil^n 3Vref/8 的大小。(12)如果0<Vip-Vin< Vref/4,下邊的電容陣列次高位電容(56)接VCM,比較器比較 Vip-Vin和V&/8的大小。(13)如果-V,ef/4<Vip_Vin< 0,下邊的電容陣列次高位電容(57)接地,比較器比較 Vip-Vin 和-V&/8 的大小。(14)如果-VMf/2<Vip-Vin<_Vref/4,上邊的電容陣列次高位電容(58)接VCM,比較器 比較Vip-Vin和_3Vref/8的大小。(15)如果-3Vref/4<Vip_Vin< -V&/2,下邊的電容陣列次高位電容(59)接地,比較 器比較Vip-Vil^n _5Vref/8的大小。(16)如果-Vref<Vip-Vin<_3Vref/4,上邊的電容陣列次高位電容(60)接VCM,比較器比 較Vip-Vin和-7Vref/8的大小。圖8是擴展至N比特的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器示意圖,其開關時序方法與上述4比 特的相同。
權利要求
1.一種能量節(jié)省型逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構,其特征在于由跟蹤保持電路(10)、比 較器(12)、控制邏輯(14)構成,跟蹤保持電路(10)由采樣開關(11)和電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (13)構成;其中模擬輸入信號經(jīng)過跟蹤保持電路(10)得到保持信號;電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器(13)進行開關操作,產(chǎn)生一個基準電壓值,該基準電壓值和保持 信號通過比較器(12)比較出信號大小大??;根據(jù)比較器(12)比較出的信號大小,由控制邏輯(14)決定電容陣列的最高位(MSB)開 關接Vref或地,電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器(13)開始電荷重分布;當電荷重分布完成后,比較器比較出信號大小,控制邏輯(14)根據(jù)比較結(jié)果,決定電 容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器的次高位接保持或地,這個過程一直進行下去直到比較出最低位 (LSB)信號;從最高位(MSB)到最低位(LSB)的輸出數(shù)字碼存在控制邏輯(14)的寄存器中,從而完 成了一次轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權利要求1所述的能量節(jié)省型逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構,其特征在于模擬輸 入信號經(jīng)過跟蹤保持電路得到保持信號,第一次開關消耗能量為0 ;根據(jù)保持得到的保持 信號,電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行開關操作,比較出Vip、Vin的大小,根據(jù)比較器的輸出結(jié)果, 由控制邏輯決定電容陣列的開關連接方式,當電容陣列的電荷重分布好以后;如果Vip>Vin, 比較器比較Vip-Vin與Vkef/2的大小,如果Vip<Vin,比較器比較Vip-Vin與-Vkef/2的大小,根據(jù) 比較器的輸出結(jié)果,由控制邏輯決定電容陣列的開關連接方式,電荷再次重分布,這個一直 重復進行下去,直到比完最后一個比特。
全文摘要
本發(fā)明屬集成電路技術領域,具體為一種能量節(jié)省型電容陣列的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構由采樣開關、跟蹤保持電路、比較器、控制邏輯、電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器構成,其中電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用了本發(fā)明提出的新型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器的開關方式。該方式能夠減小電容的平均開關功耗。
文檔編號H03M1/38GK102006075SQ20101060214
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權日2010年12月23日
發(fā)明者任俊彥, 葉凡, 李寧, 王振宇, 王明碩, 許俊, 顧蔚如 申請人:復旦大學
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