一種中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器的製造方法
2023-06-15 09:54:51 6
一種中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器的製造方法
【專利摘要】本發明提供一種中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器，包括：採樣網絡、比較器、逐次逼近控制單元、輸出鎖存器和異步控制單元，所述採樣網絡由自舉開關和差分電容陣列組成，其中差分電容陣列包括第一電容陣列和第二電容陣列，第一電容陣列和第二電容陣列由全二進位結構的電容組構成；所述比較器用於比較第一電容陣列和第二電容陣列輸出的電壓；所述逐次逼近控制單元完成第一電容陣列和第二電容陣列輸出的電壓的逐次逼近過程；所述輸出鎖存器鎖存並輸出轉換完成得到的數位訊號；所述異步控制單元產生比較器的時鐘信號。本發明可以提高模數轉換器的轉換速度。
【專利說明】
—種中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器
【技術領域】
[0001]本發明涉及模數轉換器領域，尤其涉及一種中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器。
【背景技術】
[0002]逐次逼近型模數轉換器(SAR ADC)是一種應用於中等精度中等採樣速率的類型，因其結構簡單、面積小、功耗利用率高而廣泛應用於各種醫療、便攜和通信系統中。由於逐次逼近模數轉換器不需要諸如運算放大器等線性增益模塊，使得SAR ADC能夠較好地適應特徵尺寸的減小和電源電壓降低的工藝演化趨勢。隨著工藝的進步，SAR ADC所能達到的轉換速率也增加到數百兆，從而可以和流水線型模數轉換器媲美，並且有著更高的功耗利用率。
[0003]對於傳統結構的逐次逼近型模數轉換器，其內部需要一個更高速比較控制時鐘信號(一般為採樣速率的數倍)，這會增加模數轉換的設計難度和功耗，限制模數轉換器的轉換速度。
【發明內容】
[0004]有鑑於此，本發明提供一種中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器，以提高逐次逼近型模數轉換器的轉換速度。
[0005]為解決上述問題，本發明提供一種中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器，包括:
[0006]採樣網絡，包括差分電容陣列、第一自舉開關和第二自舉開關，所述差分電容陣列包括第一電容陣列和第二電容陣列，所述第一電容陣列中的所有電容的上極板通過所述第一自舉開關與差分模擬輸入信號的正向信號輸入端連接，所述第一電容陣列通過所述第一自舉開關對所述正向信號輸入端輸入的正向信號進行米樣，得到正向電壓，所述第二電容陣列中的所有電容的上極板通過所述第二自舉開關與差分模擬輸入信號的反向信號輸入端連接，所述第二電容陣列通過所述第二自舉開關對所述反向信號輸入端輸入的反向信號進行採樣，得到反向電壓；
[0007]比較器，正向輸入端與所述第一電容陣列的上極板連接，反向輸入端與所述第二電容陣列的上極板連接，用於比較所述正向電壓和所述反向電壓，輸出比較結果和比較完成信號；
[0008]逐次逼近控制單元，輸入端與所述比較器的輸出端連接，用於根據所述比較結果控制第一電容陣列和第二電容陣列依次切換位電容，直至完成第一電容陣列的上極板和第二電容陣列的上極板的電壓的逐次逼近，並控制所述第一電容陣列和第二電容陣列的所有電容的下極板在下一次採樣時復位到初始值；
[0009]輸出鎖存器，與所述逐次逼近控制單元的輸出端連接，用於根據所述比較結果和比較完成信號，輸出數位訊號；
[0010]異步控制單元，與所述逐次逼近控制單元的輸出端連接，用於根據所述比較完成信號，在預定時延後產生並輸出控制所述比較器關斷的時鐘信號。
[0011]進一步地，所述中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器，還包括:
[0012]配置模塊，用於對所述差分電容陣列、所述逐次逼近控制單元及所述異步控制單元進行配置，以實現10位工作模式或8位工作模式；
[0013]所述第一電容陣列和所述第二電容陣列均包括:10組二進位結構的位電容，當所述配置模塊配置成10位工作模式時，前九組位電容之間的電容值大小按照2倍的關係依次遞減，最小的兩組位電容為單位電容，前九組位電容的下極板與所述逐次逼近控制單元連接，最後一組位電容的下極板恆接電源電壓；當所述配置模塊配置成8位工作模式時，前七組位電容之間的電容值大小按照2倍的關係依次遞減，最小的三組位電容為單位電容，前七組位電容的下極板與所述逐次逼近控制單元連接，最小的三組位電容的下極板恆接電源電壓。
[0014]進一步地，所述差分模擬輸入信號的大小在所述電源電壓和地電壓之間。
[0015]進一步地,所述逐次逼近控制單元包括:
[0016]第一控制單元，用於在採樣階段，控制所述第一電容陣列和第二電容陣列的最大一組位電容的下極板接地，其餘位電容的下極板接電源電壓，使得所述第一電容陣列的上極板通過第一自舉開關對所述正向信號輸入端輸入的正向信號進行米樣，得到正向電壓，第二電容陣列的上極板通過第二自舉開關對所述反向信號輸入端輸入的反向信號進行採樣，得到反向電壓；
[0017]第二控制單元，用於在初次比較階段，控制所述第一電容陣列的上極板斷開與正向信號輸入端的連接，控制第二電容陣列的上極板斷開與反向信號輸入端的連接，並在所述比較器輸出的比較結果為正向電壓小於反向電壓時，控制第一電容陣列的最大一組位電容的下極板由接地切換為接電源電壓，第二電容陣列的最大一組位電容的下極板的接法不變；在所述比較器輸出的比較結果為正向電壓大於反向電壓時，控制第二電容陣列的最大一組位電容的下極板由接地切換為接電源電壓，第一電容陣列的最大一組位電容的下極板的接法不變；
[0018]第三控制單元，用於後續比較階段，控制所述第一電容陣列和第二電容陣列的從第二大組位電容開始執行下述切換過程，直至切換到最小的一組位電容:在所述比較器輸出的比較結果為正向電壓大於反向電壓時，控制所述第一電容陣列的當前切換到的位電容下極板由電源電壓切換為接地，第二電容陣列的位電容接法不變；在所述比較器輸出的比較結果為正向電壓小於反向電壓時，控制所述第一電容陣列的位電容接法不變，第二電容陣列的當前切換到的位電容的下極板由電源電壓切換為接地。
[0019]本發明具有以下有益效果:
[0020]本發明通過提供一種中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器，可以提高模數轉換器的轉換速率和能耗利用率，同時減小系統設計複雜度、設計周期和成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明實施例的中等解析度高速可配置的異步逐次逼近模數轉換器結構示意圖。
[0022]圖2A-2B分別為本發明實施例的10位和8位工作模式下差分電容陣列的電路圖。
[0023]圖3為本發明實施例的比較器的電路圖。
[0024]圖4為本發明實施例的逐次逼近控制單元的結構圖。
[0025]圖5為本發明實施例的逐次逼近控制單元的子單元的電路圖和時序圖。
[0026]圖6為本發明實施例的異步控制單元的電路圖。
[0027]圖7為本發明實施例的10位工作模式下所述異步控制單元生成的比較器時鐘時序圖。
【具體實施方式】
[0028]本發明實施例的中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器可以提高模數轉換器的轉換速率和能耗利用率，同時減小系統設計複雜度、設計周期和成本。
[0029]下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。
[0030]圖1表示本發明實施例的中等解析度高速可配置的異步逐次逼近模數轉換器結構示意圖。
[0031]參見圖1所示，所述中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器包括:
[0032]採樣網絡100，包括差分電容陣列101、第一自舉開關102和第二自舉開關103，所述差分電容陣列101包括第一電容陣列和第二電容陣列，所述第一電容陣列中的所有電容的上極板通過所述第一自舉開關102與差分模擬輸入信號的正向信號輸入端連接，所述第一電容陣列通過所述第一自舉開關102對所述正向信號輸入端輸入的正向信號Vip進行採樣，得到正向電壓，所述第二電容陣列中的所有電容的上極板通過所述第二自舉開關103與差分模擬輸入信號的反向信號輸入端連接，所述第二電容陣列通過所述第二自舉開關對所述反向信號輸入端輸入的反向信號Vin進行採樣，得到反向電壓；
[0033]比較器200，其正向輸入端與所述第一電容陣列的上極板連接，反向輸入端與所述第二電容陣列的上極板連接，用於比較所述正向電壓和所述反向電壓，輸出比較結果和比較完成信號；
[0034]逐次逼近控制單元300，輸入端與所述比較器200的輸出端連接，用於根據所述比較結果控制第一電容陣列和第二電容陣列依次切換位電容，直至完成第一電容陣列的上極板和第二電容陣列的上極板的電壓的逐次逼近，並控制所述第一電容陣列和第二電容陣列的所有電容的下極板在下一次採樣時復位到初始值；
[0035]輸出鎖存器400，與逐次逼近控制單元300的輸出端連接，用於根據所述比較結果和所述比較完成信號，輸出數位訊號；
[0036]異步控制單元500，與逐次逼近控制單元300的輸出端連接，用於根據所述比較完成信號，在預定時延後產生並輸出控制所述比較器關斷的時鐘信號。
[0037]本發明通過對差分電容陣列、逐次逼近控制單元和異步控制單元進行配置，可以使所述中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器實現8位/10位兩種工作模式。
[0038]圖2A-2B分別給出了本發明實施例的10位和8位工作模式下差分電容陣列的電路圖。
[0039]如圖2A所示為本發明實施例的10位工作模式下差分電容陣列的電路圖，其中，第一電容陣列和第二電容陣列均由Ctl-C9共10組二進位結構的位電容組成，其中Ctl, C1為單位電容，即Ctl=CpC9-C1每組位電容之間的電容值大小按照2倍的關係依次遞減，即ci+1 = 2ci；其中，i=l?8，C1-C9位電容的下極板由逐次逼近控制單元的輸出通過反相器控制，Ctl位電容的下極板恆接電源電壓Vkef。
[0040]如圖2B所示為本發明實施例的8位工作模式下差分電容陣列的電路圖，其中，第一電容陣列和第二電容陣列均由C2，-C9共8組二進位結構的位電容組成，其中Ctl, C1和C2下極板恆接電源電壓VKEF，共同組成單位電容C2，，C9-C3每組位電容之間的電容值大小按照2倍的關係依次遞減，即ci+1 = 2Ci,其中，i=3?8, C3-C9位電容的下極板由逐次逼近控制單元的輸出通過反相器控制。
[0041]上述實施例中，8位模式下中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器的最高採樣速率是10位模式下中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器的最高採樣速率的2倍。
[0042]下面對本發明實施例的中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器的工作過程進行說明:
[0043]採樣階段:差分電容陣列的下極板復位到初始值，第一電容陣列和第二電容陣列的最大一組位電容的下極板均接地，剩餘所有位電容的下極板接電源電壓Vkef。為提高採樣線性度，第一電容陣列和第二電容陣列在採樣信號Clks的控制下分別通過第一自舉開關和第二自舉開關對差分模擬信號的正向信號Vip和反向信號Vin進行採樣。
[0044]初次比較階段:第一電容陣列和第二電容陣列的上極板斷開與正向信號輸入端和反向信號輸入端的連接，所述比較器比較所述正向電壓和所述反向電壓，當所述正向電壓小於所述反向電壓時，所述逐次逼近控制單元根據比較結果控制第一電容陣列的最大一組位電容下極板由接地切換為接Vkef，第二電容陣列的最大一組位電容的接法不變，使得所述正向電壓增大，所述正向電壓與所述反向電壓的差值減小；當所述正向電壓大於所述反向電壓時，所述逐次逼近控制單元根據比較結果控制第二電容陣列的最大一組位電容下極板由接地切換為接Vkef，第一電容陣列的最大一組位電容的接法不變，使得所述負向電壓增大，所述正向電壓與所述反向電壓的差值減小；
[0045]後續比較過程:所述比較器比較所述正向電壓和所述反向電壓，當所述正向電壓大於所述反向電壓時，所述逐次逼近控制單元根據比較結果控制第一電容陣列對應的位電容下極板由Vkef切換為接地，第二電容陣列對應的位電容接法不變，使得所述正向電壓減小，所述正向電壓與所述反向電壓的差值減小；當所述正向電壓小於所述反向電壓時，所述逐次逼近控制單元根據比較結果控制第一電容陣列對應的位電容接法不變，第二電容陣列對應的位電容下極板由Vkef切換為接地，使得所述負向電壓減小，所述正向電壓與所述反向電壓的差值減小；在後續比較過程中，從第二大組位電容開始切換，以此類推，直至切換到最小的一組位電容，所述正向電壓與所述反向電壓的差值最小，然後輸出比較得到的二進位碼和轉換完成信號，等待下一次轉換。轉換完成後轉換完成信號會拉低比較器時鐘控制信號，從而關斷比較器以減小其靜態功耗。
[0046]基於上述描述，所述逐次逼近控制單元還可以包括:
[0047]第一控制單元，用於在採樣階段，控制所述第一電容陣列和第二電容陣列的最大一組位電容的下極板接地，其餘位電容的下極板接電源電壓，使得所述第一電容陣列的上極板通過第一自舉開關對所述正向信號輸入端輸入的正向信號進行米樣，得到正向電壓，第二電容陣列的上極板通過第二自舉開關對所述反向信號輸入端輸入的反向信號進行採樣，得到反向電壓；
[0048]第二控制單元，用於在初次比較階段，控制所述第一電容陣列的上極板斷開與正向信號輸入端的連接，控制第二電容陣列的上極板斷開與反向信號輸入端的連接，並在所述比較器輸出的比較結果為正向電壓小於反向電壓時，控制第一電容陣列的最大一組位電容的下極板由接地切換為接電源電壓，第二電容陣列的最大一組位電容的下極板的接法不變；在所述比較器輸出的比較結果為正向電壓大於反向電壓時，控制第二電容陣列的最大一組位電容的下極板由接地切換為接電源電壓，第一電容陣列的最大一組位電容的下極板的接法不變；
[0049]第三控制單元，用於後續比較階段，控制所述第一電容陣列和第二電容陣列的從第二大組位電容開始執行下述切換過程，直至切換到最小的一組位電容:在所述比較器輸出的比較結果為正向電壓大於反向電壓時，控制所述第一電容陣列的當前切換到的位電容下極板由電源電壓切換為接地，第二電容陣列的位電容接法不變；在所述比較器輸出的比較結果為正向電壓小於反向電壓時，控制所述第一電容陣列的位電容接法不變，第二電容陣列的當前切換到的位電容的下極板由電源電壓切換為接地。
[0050]圖3為所述比較器的電路圖。
[0051]圖3左側的是電阻負載的預放大器，目的是將待比較電壓的差值進一步放大；右側是鎖存器，將輸入電壓的差值進一步擴大到電源電壓和地。為了提高線性度，預放大器採用恆流尾電流源偏置，同時增加了鍾控管MC，在比較器不工作時關斷電源到地的通路，減小靜態功耗。比較完成信號Valid是通過將鎖存器的輸出經過與非門後得到。
[0052]圖4為所述逐次逼近控制單元的結構圖。
[0053]所述逐次逼近控制單元包括9個子單元、I個D觸發器(DFF)和旁路通路，其中子單元串聯連接，構成了一個移位寄存器。每一次比較完成後，觸發比較完成信號Valid由低變高，進而子單元電路對比較器輸出Outp,01^進行採樣，並產生Pi,Ni信號輸入到差分電容陣列的反相器，完成逐次逼近的過程。整個轉換完成後由DFF輸出一個轉換完成信號RDY，觸發輸出鎖存器對數據進行鎖存和關斷比較器電流。當所述中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器工作在10位模式時，旁路通路無效，9個子單元均有效；當所述中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器工作在8位模式時，旁路通路有效，前7個子單元均有效，最後2個子單元無效。逐次逼近邏輯的編程由數位訊號RES控制。
[0054]圖5為所述逐次逼近控制單元的子單元的電路圖和時序圖。
[0055]採樣階段，Pi, Ni和Q均復位到地。當前子單元工作階段，D節點充電到Vkef從而把Clki下拉到地。當比較器輸出0utp，Outn有效時，輸出結果被PyNif點採樣，同時比較完成信號Valid變高，一個比較周期完成。
[0056]圖6為所述異步控制單元的電路圖。
[0057]所述異步控制單元主要是產生所述比較器的比較時鐘信號Clkc。當所述中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器工作在10位模式下時，延時單元有效，這樣可以得到一個較大的延時，減小電容的建立誤差；當所述中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器工作在8位模式下時，電容的建立誤差容忍度變大，延時單元無效，加快轉換速度。所述異步控制單元的編程由數位訊號RES控制。
[0058]圖7為10位工作模式下所述異步控制單元生成的比較器時鐘時序圖。
[0059]在採樣階段，採樣信號Clks拉低Clkc使比較器復位，轉換完成後，所述中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器進入休眠階段，轉換完成信號RDY拉低Clkc以節省功耗。
[0060]在8位工作模式下所述中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器的最高採樣速率為10位工作模式下所述中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器最高採樣速率的2倍。
[0061]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器，其特徵在於，包括: 採樣網絡，包括差分電容陣列、第一自舉開關和第二自舉開關，所述差分電容陣列包括第一電容陣列和第二電容陣列，所述第一電容陣列中的所有電容的上極板通過所述第一自舉開關與差分模擬輸入信號的正向信號輸入端連接，所述第一電容陣列通過所述第一自舉開關對所述正向信號輸入端輸入的正向信號進行米樣，得到正向電壓，所述第二電容陣列中的所有電容的上極板通過所述第二自舉開關與差分模擬輸入信號的反向信號輸入端連接，所述第二電容陣列通過所述第二自舉開關對所述反向信號輸入端輸入的反向信號進行採樣，得到反向電壓； 比較器，正向輸入端與所述第一電容陣列的上極板連接，反向輸入端與所述第二電容陣列的上極板連接，用於比較所述正向電壓和所述反向電壓，輸出比較結果和比較完成信號; 逐次逼近控制單元，輸入端與所述比較器的輸出端連接，用於根據所述比較結果控制第一電容陣列和第二電容陣列依次切換位電容，直至完成第一電容陣列的上極板和第二電容陣列的上極板的電壓的逐次逼近，並控制所述第一電容陣列和第二電容陣列的所有電容的下極板在下一次採樣時復位到初始值； 輸出鎖存器，與所述逐次逼近控制單元的輸出端連接，用於根據所述比較結果和比較完成信號，輸出數位訊號； 異步控制單元，與所述逐次逼近控制單元的輸出端連接，用於根據所述比較完成信號，在預定時延後產生並輸出控制所述比較器關斷的時鐘信號。
2.如權利要求1所述的中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器，其特徵在於，還包括: 配置模塊，用於對所述差分電容陣列、所述逐次逼近控制單元及所述異步控制單元進行配置，以實現10位工作模式或8位工作模式； 所述第一電容陣列和所述第二電容陣列均包括:10組二進位結構的位電容，當所述配置模塊配置成10位工作模式時，前九組位電容之間的電容值大小按照2倍的關係依次遞減，最小的兩組位電容為單位電容，前九組位電容的下極板與所述逐次逼近控制單元連接，最後一組位電容的下極板恆接電源電壓；當所述配置模塊配置成8位工作模式時，前七組位電容之間的電容值大小按照2倍的關係依次遞減，最小的三組位電容為單位電容，前七組位電容的下極板與所述逐次逼近控制單元連接，最小的三組位電容的下極板恆接電源電壓。
3.如權利要求2所述的中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器，其特徵在於，所述差分模擬輸入信號的大小位於所述電源電壓和地電壓之間。
4.如權利要求2所述的中等解析度高速可配置的異步逐次逼近型模數轉換器，其特徵在於，所述逐次逼近控制單元包括: 第一控制單元，用於在採樣階段，控制所述第一電容陣列和第二電容陣列的最大一組位電容的下極板接地，其餘位電容的下極板接電源電壓，使得所述第一電容陣列的上極板通過第一自舉開關對所述正向信號輸入端輸入的正向信號進行採樣，得到正向電壓，第二電容陣列的上極板通過第二自舉開關對所述反向信號輸入端輸入的反向信號進行採樣，得到反向電壓； 第二控制單元，用於在初次比較階段，控制所述第一電容陣列的上極板斷開與正向信號輸入端的連接，控制第二電容陣列的上極板斷開與反向信號輸入端的連接，並在所述比較器輸出的比較結果為正向電壓小於反向電壓時，控制第一電容陣列的最大一組位電容的下極板由接地切換為接電源電壓，第二電容陣列的最大一組位電容的下極板的接法不變；在所述比較器輸出的比較結果為正向電壓大於反向電壓時，控制第二電容陣列的最大一組位電容的下極板由接地切換為接電源電壓，第一電容陣列的最大一組位電容的下極板的接法不變； 第三控制單元，用於後續比較階段，控制所述第一電容陣列和第二電容陣列的從第二大組位電容開始執行下述切換過程，直至切換到最小的一組位電容:在所述比較器輸出的比較結果為正向電壓大於反向電壓時，控制所述第一電容陣列的當前切換到的位電容下極板由電源電壓切換為接地，第二電容陣列的位電容接法不變；在所述比較器輸出的比較結果為正向電壓小於反向電壓時，控制所述第一電容陣列的位電容接法不變，第二電容陣列的當前切換到的位電容的下極板由電源電壓切換為接地。
【文檔編號】H03M1/38GK104242939SQ201310289763
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年7月10日 優先權日:2013年7月10日
【發明者】朱樟明, 肖餘, 沈易, 楊銀堂 申請人:西安電子科技大學