本發(fā)明涉及一種逐次逼近型模數(shù)轉換器及其開關方法。

背景技術：

逐次逼近型模數(shù)轉換器結構簡單、功耗低和面積小，廣泛應用于無線傳感器、植入式醫(yī)學器件等對功耗和面積要求高的領域。電容陣列在逐次逼近型模數(shù)轉換器中所占面積和能耗都很大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題，在于提供一種逐次逼近型模數(shù)轉換器及其開關方法，降低電容陣列開關能耗，減少電容陣列面積，降低芯片制作成本，提高經濟效益。

本發(fā)明之一是這樣實現(xiàn)的：一種逐次逼近型模數(shù)轉換器，包括正向輸入電壓、負向輸入電壓、比較器、采樣開關sp、采樣開關sn、電容陣列以及逐次逼近寄存器控制邏輯電路，所述比較器輸出端連接至所述逐次逼近寄存器控制邏輯電路，所述比較器的正向輸入端通過采樣開關sp連接至正向輸入電壓，所述比較器的負向輸入端通過采樣開關sn連接至負向輸入電壓；

電容陣列包括正向電容陣列以及負向電容陣列，所述正向電容陣列包括兩個第一電容，每個所述第一電容上極板連接至比較器的正向輸入端，每個所述第一電容下極板通過開關選擇連接參考電壓vref、vcm以及gnd；所述負向電容陣列包括msb電容陣列以及l(fā)sb電容陣列，所述msb電容陣列由二進制權重電容構成，所述msb電容陣列包括n-2個第二電容，所述lsb電容陣列由二進制權重電容構成，所述lsb電容陣列包括n-2個第二電容，所述n為逐次逼近型模數(shù)轉換器的精度，所述電容的最大值為2^n-4單位電容；每個所述第二電容的上極板連接至比較器的負向輸入端，每個所述第二電容的下極板通過開關選擇連接參考電壓vref、vcm以及gnd。

進一步地，所述vref＝2vcm，gnd＝0v。

進一步地，所述第一電容的值為c，所述c為單位電容。

進一步地，所述第二電容的最大值為2^n-4c，所述c為單位電容。

本發(fā)明之二是這樣實現(xiàn)的：一種逐次逼近型模數(shù)轉換器的開關方法，所述開關方法需提供如權利要求1至4任意一項所述的逐次逼近型模數(shù)轉換器；具體包括如下步驟：

采樣階段：

正輸入電壓vinp通過采樣開關sp的導通連接到正向電容陣列的上極板，正向電容陣列中兩個單位電容中一個單位電容的下極板連接到gnd，另外一個單位電容連接到vcm；負輸入電壓vinn通過采樣開關sn的導通連接到反向電容陣列的上極板，反向電容陣列中msb電容陣列中所有下極板連接到gnd，lsb電容陣列中所有下極板連接到vcm；

比較階段：

首先，采樣開關sp、sn斷開，開始第一次比較，得到了msb；若vinp大于vinn，則反向電容陣列中的每個電容的下極板電壓增加vref/2，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；反之，正向電容陣列中的每個電容的下極板增加vref/2，反向電容陣列的下極板電壓保持不變；

然后開始第二次比較；若vinp大于(vinn+vref/2)，則正向電容陣列中連接到vcm的單位電容的下極板切換到gnd，比較器正輸入端電壓減少了vref/4，反向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp小于等于(vinn+vref/2)且大于0，則正向電容陣列中連接到gnd的單位電容的下極板切換到vcm，比較器正輸入端電壓增加了vref/4，反向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp大于(vinn-vref/2)且小于等于0，則正向電容陣列中的連接到vref的單位電容的下極板切換到vcm，比較器正輸入端電壓減少了vref/4，反向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp小于等于(vinn-vref/2)，則正向電容陣列中連接到vcm的單位電容的下極板切換到vref，比較器正輸入端電壓增加了vref/4，反向電容陣列的下極板電壓保持不變；

緊接著進行第三次比較；若vinp大于(vinn+(3/4)vref)，則反向電容陣列中msb電容陣列中對應電容下極板從vcm切換到vref，比較器負輸入端電壓增加了vref/8，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp小于等于(vinn+(3/4)vref)且大于(vinn+(1/2)vref)，則反向電容陣列中l(wèi)sb電容陣列對應電容的下極板電壓從vref切換到vcm，比較器負輸入端電壓減少了vref/8，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp大于(vinn+(1/4)vref)且小于等于(vinn+(1/2)vref)，則反向電容陣列中msb電容陣列中對應電容下極板從vcm切換到vref，比較器負輸入端電壓增加了vref/8，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp小于等于(vinn+(1/4)vref)且大于vinn，則反向電容陣列中l(wèi)sb電容陣列對應電容的下極板電壓從vref切換到vcm，比較器負輸入端電壓減少了vref/8，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp大于(vinn-(1/4)vref)且vinp小于等于vinn，則反向電容陣列中msb電容陣列中對應電容下極板從gnd切換到vcm，比較器負輸入端電壓增加了vref/8，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp小于等于(vinn-(1/4)vref)且大于(vinn-(1/2)vref)，則反向電容陣列中l(wèi)sb電容陣列對應電容的下極板電壓從vcm切換到gnd，比較器負輸入端電壓減少了vref/8，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp大于(vinn-(3/4)vref)且小于等于(vinn-(1/2)vref)，則反向電容陣列中msb電容陣列中對應電容下極板從gnd切換到vcm，比較器負輸入端電壓增加了vref/8，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp小于等于(vinn-(3/4)vref)，則反向電容陣列中l(wèi)sb電容陣列對應電容的下極板電壓從vcm切換到gnd，比較器負輸入端電壓減少了vref/8，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；

依次逐級比較，直到獲得lsb，完成模數(shù)轉換。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明一種逐次逼近型模數(shù)轉換器及其開關方法，降低電容陣列開關能耗，減少電容陣列面積，降低芯片制作成本，提高經濟效益；在同等精度下，與10位傳統(tǒng)結構相比，電容面積減少了87.4％，開關過程中產生的功耗減少了99.23％。

附圖說明

下面參照附圖結合實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

圖1為四位逐次逼近型模數(shù)轉換器結構圖；

圖2為四位逐次逼近型模數(shù)轉換器第一次開關切換工作原理圖；

圖3為四位逐次逼近型模數(shù)轉換器第二次開關切換工作原理圖；

圖4為四位逐次逼近型模數(shù)轉換器第三次開關切換工作原理圖；

圖5為四位逐次逼近型模數(shù)轉換器第四次開關切換工作原理圖；

圖6為十位逐次逼近型模數(shù)轉換器轉換過程中開關功耗隨輸出碼變化的matlab仿真結果。

具體實施方式

本發(fā)明逐次逼近型模數(shù)轉換器，包括正向輸入電壓、負向輸入電壓、比較器、采樣開關sp、采樣開關sn、電容陣列以及逐次逼近寄存器控制邏輯電路，所述比較器輸出端連接至所述逐次逼近寄存器控制邏輯電路，所述比較器的正向輸入端通過采樣開關sp連接至正向輸入電壓，所述比較器的負向輸入端通過采樣開關sn連接至負向輸入電壓；

電容陣列包括正向電容陣列以及負向電容陣列，所述正向電容陣列包括兩個第一電容，每個所述第一電容上極板連接至比較器的正向輸入端，每個所述第一電容下極板通過開關選擇連接參考電壓vref、vcm以及gnd；所述負向電容陣列包括msb電容陣列以及l(fā)sb電容陣列，所述msb電容陣列由二進制權重電容構成，所述msb電容陣列包括n-2個第二電容，所述lsb電容陣列由二進制權重電容構成，所述lsb電容陣列包括n-2個第二電容，所述n為逐次逼近型模數(shù)轉換器的精度，所述電容的最大值為2^n-4單位電容；每個所述第二電容的上極板連接至比較器的負向輸入端，每個所述第二電容的下極板通過開關選擇連接參考電壓vref、vcm以及gnd。

所述vref＝2vcm，gnd＝0v，所述第一電容的值為c，所述c為單位電容，所述第二電容的最大值為2^n-4c，所述c為單位電容。

本發(fā)明逐次逼近型模數(shù)轉換器的開關方法，所述開關方法需提供上述的逐次逼近型模數(shù)轉換器；具體包括如下步驟：

采樣階段：

正輸入電壓vinp通過采樣開關sp的導通連接到正向電容陣列的上極板，正向電容陣列中兩個單位電容中一個單位電容的下極板連接到gnd，另外一個單位電容連接到vcm；負輸入電壓vinn通過采樣開關sn的導通連接到反向電容陣列的上極板，反向電容陣列中msb電容陣列中所有下極板連接到gnd，lsb電容陣列中所有下極板連接到vcm；

比較階段：

首先，采樣開關sp、sn斷開，開始第一次比較，得到了msb；若vinp大于vinn，則反向電容陣列中的每個電容的下極板電壓增加vref/2，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；反之，正向電容陣列中的每個電容的下極板增加vref/2，反向電容陣列的下極板電壓保持不變；

然后開始第二次比較；若vinp大于(vinn+vref/2)，則正向電容陣列中連接到vcm的單位電容的下極板切換到gnd，比較器正輸入端電壓減少了vref/4，反向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp小于等于(vinn+vref/2)且大于0，則正向電容陣列中連接到gnd的單位電容的下極板切換到vcm，比較器正輸入端電壓增加了vref/4，反向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp大于(vinn-vref/2)且小于等于0，則正向電容陣列中的連接到vref的單位電容的下極板切換到vcm，比較器正輸入端電壓減少了vref/4，反向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp小于等于(vinn-vref/2)，則正向電容陣列中連接到vcm的單位電容的下極板切換到vref，比較器正輸入端電壓增加了vref/4，反向電容陣列的下極板電壓保持不變；

緊接著進行第三次比較；若vinp大于(vinn+(3/4)vref)，則反向電容陣列中msb電容陣列中對應電容(最大電容，即2^n-4c)下極板從vcm切換到vref，比較器負輸入端電壓增加了vref/8，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp小于等于(vinn+(3/4)vref)且大于(vinn+(1/2)vref)，則反向電容陣列中l(wèi)sb電容陣列對應電容的下極板電壓從vref切換到vcm，比較器負輸入端電壓減少了vref/8，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp大于(vinn+(1/4)vref)且小于等于(vinn+(1/2)vref)，則反向電容陣列中msb電容陣列中對應電容下極板從vcm切換到vref，比較器負輸入端電壓增加了vref/8，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp小于等于(vinn+(1/4)vref)且大于vinn，則反向電容陣列中l(wèi)sb電容陣列對應電容的下極板電壓從vref切換到vcm，比較器負輸入端電壓減少了vref/8，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp大于(vinn-(1/4)vref)且vinp小于等于vinn，則反向電容陣列中msb電容陣列中對應電容下極板從gnd切換到vcm，比較器負輸入端電壓增加了vref/8，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp小于等于(vinn-(1/4)vref)且大于(vinn-(1/2)vref)，則反向電容陣列中l(wèi)sb電容陣列對應電容的下極板電壓從vcm切換到gnd，比較器負輸入端電壓減少了vref/8，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp大于(vinn-(3/4)vref)且小于等于(vinn-(1/2)vref)，則反向電容陣列中msb電容陣列中對應電容下極板從gnd切換到vcm，比較器負輸入端電壓增加了vref/8，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；若vinp小于等于(vinn-(3/4)vref)，則反向電容陣列中l(wèi)sb電容陣列對應電容的下極板電壓從vcm切換到gnd，比較器負輸入端電壓減少了vref/8，正向電容陣列的下極板電壓保持不變；

依次逐級比較，直到獲得lsb，完成模數(shù)轉換。

下面結合附圖和實施例進行詳細說明。

如圖1所示，以4位小面積低功耗逐次逼近型模數(shù)轉換器為例，包括比較器、控制邏輯電路和電容陣列。其中電容陣列包括連接到比較器正輸入端的正向電容陣列和連接到比較器負輸入端的拆分結構的反向電容陣列。正向電容網(wǎng)絡只包括兩個單位電容，并且不隨模數(shù)轉換器的精度變化。反向電容陣列采用拆分結構，由msb電容陣列和lsb電容陣列組成，msb電容陣列和lsb電容陣列完全一致，為二進制權重。最大電容隨著模數(shù)轉換器精度的增加而指數(shù)增加，為2^n-4c。如圖1所示，當n＝4時，最大電容為c，c為單位電容。

當n＝5時，msb電容陣列包括三個電容，其中兩個電容的值為c，一個電容的值為2c；lsb電容陣列包括三個電容，其中兩個電容的值為c，一個電容的值為2c；

當n＝6時，msb電容陣列包括四個電容，其中兩個電容的值為c，一個電容的值為2c，一個電容的值為4c；lsb電容陣列包括四個電容，其中兩個電容的值為c，一個電容的值為2c，一個電容的值為4c；

以此類推。

采樣階段

如圖2(a)所示，采樣開關sp、sn導通，輸入信號vinp、vinn分別采樣到正向電容陣列和反向電容陣列的上極板，與此同時正向電容陣列中的一個單位電容下極板連接到gnd，另外一個單位電容下極板連接到vcm；反向電容陣列中msb電容陣列的下極板連接到gnd，lsb電容陣列的下極板連接到vcm。

比較階段

采樣結束后，采樣開關sp、sn打開，電容上極板斷開與輸入信號的連接，該過程消耗的開關能量為0，如圖2(b)所示。

開始第一次比較，如果vinp-vinn大于0，則輸出數(shù)字碼b3為1；如果vinp-vinn小于等于0，則輸出數(shù)字碼b3為0；

如圖3所示，如果b3為1，反向電容陣列中msb電容陣列下極板由gnd切換為vcm，lsb電容陣列下極板由vcm切換到vref，正向電容陣列保持不變，該過程消耗的開關能量為0；如果vinp-vinn小于等于0，則輸出數(shù)字碼b3為0，同時正向電容陣列中一個單位電容下極板由gnd切換為vcm，一個單位電容由vcm切換到vref，反向電容陣列保持不變，該過程消耗的開關能量為0；

接下來進行第二次比較，得到輸出數(shù)字碼b2。當b3＝1時，如果vinp-vinn大于vref/2，則輸出數(shù)字碼b2＝1；當b3＝1時，如果vinp-vinn小于等于vref/2，則輸出數(shù)字碼b2＝0；當b3＝0時，如果vinp-vinn大于-vref/2，則輸出數(shù)字碼b2＝1；當b3＝0時，如果vinp-vinn小于等于-vref/2，則輸出數(shù)字碼b2＝0；

如圖4所示，當b3b2＝11時，正向電容陣列中與vcm連接的單位電容下極板切換到gnd，與gnd連接的單位電容下極板保持不變，反向電容陣列保持不變，該過程消耗的開關能量為0；當b3b2＝10時，正向電容陣列中與vcm連接的單位電容下極板保持不變，與gnd連接的單位電容下極板切換到vcm，反向電容陣列保持不變，該過程消耗的開關能量為0；當b3b2＝01時，正向電容陣列中與vref連接的單位電容下極板切換到vcm，與vcm連接的單位電容下極板保持0不變，反向電容陣列保持不變，該過程消耗的開關能量為0；當b3b2＝00時，正向電容陣列中與vcm連接的單位電容下極板切換到vref，與vref連接的單位電容下極板保持不變，反向電容陣列保持不變，該過程消耗的開關能量為0；

接下來進行第三次比較，得到b1。當b3b2＝11時，如果vinp-vinn大于(3/4)vref，則輸出數(shù)字碼b1＝1；當b3b2＝11時，如果vinp-vinn小于等于(3/4)vref，則輸出數(shù)字碼b1＝0；當b3b2＝10時，如果vinp-vinn大于(1/4)vref，則輸出數(shù)字碼b1＝1；當b3b2＝10時，如果vinp-vinn小于等于(1/4)vref，則輸出數(shù)字碼b1＝0；當b3b2＝01時，如果vinp-vinn大于(-1/4)vref，則輸出數(shù)字碼b1＝1；當b3b2＝01時，如果vinp-vinn小于等于(-1/4)vref，則輸出數(shù)字碼b1＝0；當b3b2＝00時，如果vinp-vinn大于(-3/4)vref，則輸出數(shù)字碼b1＝1；當b3b2＝00時，如果vinp-vinn小于等于(-3/4)vref，則輸出數(shù)字碼b1＝0；

如圖5所示，當b3b2b1＝111時，反向電容陣列中msb電容陣列中對應的電容(最大電容)下極板從vcm切換到vref，其余電容下極板保持不變，該過程消耗的開關能量為(1/16)cvref²；當b3b2b1＝110時，反向電容陣列中l(wèi)sb電容陣列中對應電容(最大電容)下極板從vref切換到vcm，其余電容下極板保持不變，該過程消耗的開關能量為(1/16)cvref²；當b3b2b1＝101時，反向電容陣列中msb電容陣列中對應的電容(最大電容)下極板從vcm切換到vref，其余電容下極板保持不變，該過程消耗的開關能量為(1/16)cvref²；當b3b2b1＝100時，反向電容陣列中l(wèi)sb電容陣列中對應電容(最大電容)下極板從vref切換到vcm，其余電容下極板保持不變，該過程消耗的開關能量為(1/16)cvref²；當b3b2b1＝011時，反向電容陣列中msb電容陣列中對應的電容(最大電容)下極板從gnd切換到vcm，其余電容下極板保持不變，該過程消耗的開關能量為(1/16)cvref²；當b3b2b1＝010時，反向電容陣列中l(wèi)sb電容陣列中對應電容(最大電容)下極板從vcm切換到gnd，其余電容下極板保持不變，該過程消耗的開關能量為(1/16)cvref²；當b3b2b1＝001時，反向電容陣列中msb電容陣列中對應的電容(最大電容)下極板從gnd切換到vcm，其余電容下極板保持不變，該過程消耗的開關能量為(1/16)cvref²；當b3b2b1＝000時，反向電容陣列中l(wèi)sb電容陣列中對應電容下極板從vcm切換到gnd，其余電容下極板保持不變，該過程消耗的開關能量為(1/16)cvref²；

接下來進行第四次比較，得到b0。當b3b2b1＝111時，如果vinp-vinn大于(7/8)vref，則輸出數(shù)字碼b0＝1；當b3b2b1＝111時，如果vinp-vinn小于等于(7/8)vref，則輸出數(shù)字碼b0＝0；當b3b2b1＝110時，如果vinp-vinn大于(5/8)vref，則輸出數(shù)字碼b0＝1；當b3b2b1＝110時，如果vinp-vinn小于等于(5/8)vref，則輸出數(shù)字碼b0＝0；當b3b2b1＝101時，如果vinp-vinn大于(3/8)vref，則輸出數(shù)字碼b0＝1；當b3b2b1＝101時，如果vinp-vinn小于等于(3/8)vref，則輸出數(shù)字碼b0＝0；當b3b2b1＝100時，如果vinp-vinn大于(1/8)vref，則輸出數(shù)字碼b0＝1；當b3b2b1＝100時，如果vinp-vinn小于等于(1/4)vref，則輸出數(shù)字碼b0＝0；當b3b2b1＝011時，如果vinp-vinn大于(-1/8)vref，則輸出數(shù)字碼b0＝1；當b3b2b1＝011時，如果vinp-vinn小于等于(-1/8)vref，則輸出數(shù)字碼b0＝0；當b3b2b1＝010時，如果vinp-vinn大于(-3/8)vref，則輸出數(shù)字碼b0＝1；當b3b2b1＝010時，如果vinp-vinn小于等于(-3/8)vref，則輸出數(shù)字碼b0＝0；當b3b2b1＝001時，如果vinp-vinn大于(-5/8)vref，則輸出數(shù)字碼b0＝1；當b3b2b1＝001時，如果vinp-vinn小于等于(-5/8)vref，則輸出數(shù)字碼b0＝0；當b3b2b1＝000時，如果vinp-vinn大于(-7/8)vref，則輸出數(shù)字碼b0＝1；當b3b2b1＝000時，如果vinp-vinn小于等于(-7/8)vref，則輸出數(shù)字碼b0＝0；

對于n位逐次逼近型模數(shù)轉換器，采用本發(fā)明提供的開關方法，其轉換過程中平均開關功耗符合公式：

其中：n為模數(shù)轉換器的精度；i為位轉換周期序號；c為電容陣列中單位電容的電容值，vref為模數(shù)轉換器的電源電壓高電平。

如圖6所示，以10位逐次逼近型模數(shù)轉換器為例，其在轉換過程中開關能耗隨數(shù)字輸出碼變化的matlab仿真結果圖?？梢钥吹剑景l(fā)明所提出的開關方法能耗很低，與傳統(tǒng)結構相比，節(jié)省了99.23％的平均能耗，并且電容總面積節(jié)省了87.4％，具備很好的經濟效益。

雖然以上描述了本發(fā)明的具體實施方式，但是熟悉本技術領域的技術人員應當理解，我們所描述的具體的實施例只是說明性的，而不是用于對本發(fā)明的范圍的限定，熟悉本領域的技術人員在依照本發(fā)明的精神所作的等效的修飾以及變化，都應當涵蓋在本發(fā)明的權利要求所保護的范圍內。