一種差分輸入逐次逼近型模數轉換器的製作方法

2023-06-15 10:03:41

專利名稱：一種差分輸入逐次逼近型模數轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種差分輸入逐次逼近型模數轉換器，屬於模數轉換器領域。
背景技術：
逐次逼近型模數轉換器是一種中高精度、中等速率、超低功耗的模數轉換器結構。對於無線傳感網、可攜式設備等應用來說，模數轉換器被要求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，而逐次逼近型模數轉換器的結構只包括比較器、數模轉換器和逐次逼近寄存器，不需要提供增益的電路。數字電路的功耗會隨著工藝尺寸縮減比例(scaling-down)不斷減小，而模擬電路的功耗很難隨著工藝的進步而同步減小。在電容型逐次逼近型ADC在高解析度情況下，需要使用大電容，不僅充放電功耗大，而且製作大電容浪費晶片面積，經濟效益不高。

發明內容
發明目的:本發明提出一種差分輸入逐次逼近型模數轉換器，在同等精度的情況下，電容值減少一半。技術方案:本發明採用的技術方案為一種差分輸入逐次逼近型模數轉換器，其中的開關電容網絡包含與輸出二進位編碼位數相同數量的電容對。開關電容網絡包括包括連接到比較器正相輸入端的同相網絡，以及連接到比較器負相輸入端的反相網絡。所述同相網絡包括第一電容至第η電容，正相開關以及第一開關至第η開關，其中η為正整數。第一電容至第η電容的一端共同連接到比較器正相輸入端，另一端分別通過第一開關至第η開關，可選擇的與高電平或低電平連接。正相開關將正相差分輸入電壓與比較器的正相輸入端連接起來。所述反相網絡包括受控制電路控制的負相開關，其將負相差分輸入電壓與比較器的負相輸入端連接起來，反相網絡的其它部分與同相網絡相同。有益效果:本發明中的開關電容網絡包括與輸出二進位編碼位數相同數量的電容對，通過對開關的時序全新安排，省去了傳統SAR型ADC開關電容網絡中的補償電容，因此最高位電容值減小一半，整個總電容也降低50%。隨著電容的減小充放電電流也相應減少，從而降低了整體功耗。同時也減少了晶片面積，提高了經濟效益。在轉換過程中，
比較器輸入端的共模電壓變化量與傳統結構相比，僅為+ .,，其中N為模數轉換器位數，
Vref=VH-VL0


圖1為本發明一種差分輸入逐次逼近型模數轉換器的電路結構圖；圖2為本發明一種差分輸入逐次逼近型模數轉換器的工作原理圖；圖3為本發明一種差分輸入逐次逼近型模數轉換器的工作時序圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。如圖1所示，一個三位輸出的差分輸入逐次逼近型模數轉換器包括控制電路、t匕較器和開關電容網絡。其中開關電容網絡包括連接到比較器正相輸入端的同相網絡，以及連接到比較器負相輸入端的反相網絡。在同相網絡中，設有與輸出二進位編碼B1-B3位數相同數量的電容，每個電容都與二進位編碼中的一位相對應，從最低位至最高位依次為第一電容Cl至第三電容C3。與傳統的逐次逼近型模數轉換器不同，本發明中不再設置補償電容，最小的兩個電容與二進位編碼最低位BI和次低位B2相對應。第一電容Cl至第三電容C3的一端共同連接到比較器的正相輸入端，另一端分別通過第一開關Kl至第三開關K3可選擇的連接高電平VH或低電平VL。第一電容Cl電容值為C，其他電容的電容值為Ci =2i2C(i=2，3)。正相差分輸入電壓通過正相開關Kip連接到比較器正相輸入端。所有的開關均由控制電路輸出的脈衝信號控制。反相網絡中，設有與輸出二進位編碼B1-B3位數相同數量的電容，每個電容都與二進位編碼中的一位相對應，從最低位至最高位依次為第i 電容Cii至第三十三電容C33。第i^一電容Cll至第三十三電容C33的一端共同連接到比較器的正相輸入端，另一端分別通過第十一開關Kll至第三十三開關K33可選擇的連接高電平VH或低電平VL。第i^一電容Cll電容值為C，第二十二電容C22的電容值與第二電容C2相同，第三十三電容C33的電容值與第三電容C3相同。負相差分輸入電壓通過負相開關Kin連接到比較器負相輸入端，其餘結構與同相網絡相同。如圖2(A)所示，採樣階段正相開關Kip和負相開關Kin在控制電路的驅動下閉合，正相差分輸入電壓Vip和負相差分輸入電壓Vin分別連接到比較器3的輸入端，並且給正相網絡和反相網絡中的電容充電。正相網絡中第一電容Cl和第二電容C2的一端接高電平VH，第三電容C3的一端接低電平VL。反相網絡中的第i^一電容Cl I和第二十二電容C22的一端接低電平VL，第三十三電容C33的一端接高電平VH。此時同相網絡所儲存的電荷量為:2C (Vip-VL) +2C (Vip-VH)反相網絡所儲存的電荷量為:2C (Vin-VL) +2C (Vin-VH)如圖2⑶所示，在轉換階段，正相開關Kip和負相開關Kin均斷開，正相網絡和反相網絡的電荷量保持不變，比較器3正相輸入端電壓Vxp與正相差分輸入電壓Vip相等，負相輸入端電壓Vxn與負相差分輸入電壓Vin相等。此時比較器3將正相輸入端電壓Vxp和負相輸入端電壓Vxn進行比較並將結果輸出到控制電路。如果正相輸入端電壓Vxp大於負相輸入端電壓VxnjP Vip-Vin>0，則將二進位編碼最高位B3置為1，反之置為O。當最高位B3置為I時，控制電路根據比較器的輸出結果產生相應的控制信號，使正相網絡中的第二電容C2的 一端通過第二開關K2連接到低電平VL，反相網絡中的第二十二電容C22的一端通過第二十二開關K22連接到高電平VH，如圖2 (Cl)。此時由於電壓的變化，正相網絡和反相網絡中電容上的電荷會發生重分配，從而導致比較器3正相輸入端電壓Vxp和負相輸入端電壓Vxn發生變化。根據電荷守恆原理，採樣階段所儲存的電荷量應當保持不變，從而得到如下等式:3C(Vxp-VL)+C(Vxp-VH)=2C(Vip-VL)+2C(Vip-VH)3C(Vxn-VH)+C(Vxn-VL)=2C(Vin-VL)+2C(Vin-VH)
令Vref = VH-VL,並化簡上述兩式可得:
權利要求
1.一種差分輸入逐次逼近型模數轉換器，包括比較器，其特徵在於，還包括開關電容網絡，其包含與輸出二進位編碼位數相同數量的電容對。
2.根據權利要求1所述的差分輸入逐次逼近型模數轉換器，其特徵在於，所述開關電容網絡包括連接到比較器正相輸入端的同相網絡，以及連接到比較器負相輸入端的反相網絡。
3.根據權利要求2所述的差分輸入逐次逼近型模數轉換器，其特徵在於，所述同相網絡包括第一電容(Cl)至第η電容(Cn)，正相開關(Kp)以及第一開關(Kl)至第η開關(Kn)，其中η為正整數； 第一電容(Cl)至第η電容(Cn)的一端共同連接到比較器正相輸入端，另一端分別通過第一開關(Kl)至第η開關(Kn)，可選擇的與高電平(VH)或低電平(VL)連接； 正相開關(Kp)將正相差分輸入電壓與比較器的正相輸入端連接起來。
4.根據權利要求3所述的差分輸入逐次逼近型模數轉換器，其特徵在於，所述反相網絡包括受控制電路控制的負相開關(Kn)，其將負相差分輸入電壓與比較器的負相輸入端連接起來，反相網絡的其它部分與同相網絡相同。
全文摘要
本發明公開了一種差分輸入逐次逼近型模數轉換器，其中的開關電容網絡包括與輸出二進位編碼位數相同數量的電容對，通過對開關的時序全新安排，省去了傳統SAR型ADC開關電容網絡中的補償電容，因此最高位電容值減小一半，整個總電容也降低50％。隨著電容的減小充放電電流也相應減少，從而降低了整體功耗。同時也減少了晶片面積，提高了經濟效益。在轉換過程中，比較器輸入端的共模電壓變化量與傳統結構相比，僅為其中N為模數轉換器位數，Vref=VH-VL。
文檔編號H03M1/38GK103152048SQ201310057399
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月22日 優先權日2013年2月22日
發明者李紅, 張理振, 王海冬, 馮學梅, 湯旭婷, 徐川, 田茜 申請人:東南大學