用於實現最小動態範圍的逐次漸近型模數轉換電路的製作方法

2023-08-09 06:33:41

專利名稱：用於實現最小動態範圍的逐次漸近型模數轉換電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種模數轉換電路(Analog-to-Digital Converter，ADC)，尤其是涉 及一種通過對逐次漸近型積分器的輸入參考電壓的調整有效的實現以最小的動態範圍的 逐次漸近型模數轉換電路(SAR ADC)。
背景技術：
逐次漸近型模-數轉換器(Successive Approximation Register Analog-to-Digital Converter, SAR ADC)誕生於20世紀40年代的美國貝爾實驗室，SAR ADC仍是當今流行的ADC的主要架構之一。儘管實現SAR ADC的方式千差萬別，但其基本結構非常簡單。模擬輸入電壓Vin 由採樣/保持電路保持。如

圖1所示，為電容式DAC實現SAR ADC的電路示意圖。電容式
DAC包括一個由N個按照二進位加權排列的電容Cp C2, C3.....Cn (N表示將模擬輸入信號
Vin進行模擬-數字轉換後的數位訊號位數)和一個電容Ctl組成的陣列；假如最低位對應 的電容 C1 = C，那麼，C0 = C ;C2 = 2C ；C3 = 4C ；. . . ;CN = 2n_1C0 電容 C」 C2、C3、. . .、Cn 以 及電容Ctl的公共端通過開關Sx接地，且該公共端連接比較器的負輸出端；另外，CO通過切
換開關Stl在模擬輸入信號Vin和地GND之間切換，而電容Cp C2, C3.....Cn的自由端分別
通過開關Sp S2.....Sn在模擬輸入信號Vin、參考電壓信號Vref和地GND之間切換。在採樣階段，由開關Sx將電容陣列的公共端接地，而電容陣列的自由端連接到輸 入信號Vin。採樣後，公共端與地斷開，自由端與Vin斷開，在電容陣列上有效地獲得了與輸 入電壓成比例的電荷量。然後，將所有電容的自由端接地，驅動公共端(其電壓為Vx)至一 個負壓-Vin。作為二進位搜索算法的第一步，比較器U1先輸出數位訊號的最高位(即第N位)。 電容Cn通過開關Sn與地斷開並切換連接至參考電壓信號Vref，驅動公共端Vx向正端移動 l/2*Vref。因此，Vx = _Vin+l/2XVref。如果Vx 1/2 X Vref)，比較器輸出為邏輯 1。如果 Vin < 1/2 X Vref, 比較器輸出為邏輯0;如果比較器輸出為邏輯1，最高位的電容Cn保持連接至考電壓信號 Vref,否則，最高位的電容Cn通過開關Sn連接至地。第二步，對應轉換後數位訊號次高位的電容CV1通過開關Sim連接至Vref，此時 當上一步比較器輸出邏輯為1時，Vx = -Vin+(1/2+1/4) XVref ；當上一步比較器U1輸出邏 輯為0時，Vx = -Vin+(1/2-1/4) X Vref。將新的Vx電壓與地電位進行比較，比較器U1輸 出對應的邏輯。繼續上述過程，一共經過N步直至數位訊號所有位的值均確定下來。簡言之，Vx= -Vin+B^!XVref/2+BN_2XVref/4+BN_3XVref/8+. · · +B0XVref/2Ν_1, 其中B為比較器U1輸出的數位訊號對應位數的邏輯電平，且該數位訊號從最低位至最高位 分別為第1位至第N位。從前面描述的SAR ADC的工作原理可知，SAR ADC的最小可分辨電壓與其位數N成反比。如果基準電壓Vref = IV，SAR ADC的量化位數N = 8，那麼其最小可分辨電壓約為 3. 9mV，即SAR ADC的最低有效位LSB = 3. 9mV。而基準電壓Vref = IV則限定了 SARADC可 有效轉換的動態範圍為0 IV。現有技術的缺點在於動態範圍無法靈活設置，而且最小可分辨電壓值也不夠低， 這樣就容易造成應用和成本上的浪費。例如應用中碰到被測電壓信號的範圍為0.5V 0. 6V，而系統要求的最小可分辨電壓不超過0. 5mV,按照現有技術至少需要使用N = 11位的 SARADC0而最低有效位LSB = 0. 5mV,N = 11位的SARADC可實現的測量動態範圍可達0 IV，對於0. 5V 0. 6V的測量範圍而言，顯然在應用上有90%的動態範圍被浪費了。如果能 夠將動態範圍縮小到與測量範圍相等，那麼只需要N = 8位的SAR ADC即可。再來看實際電路的設計，假設最小單位電容的大小為C，那麼11位的二進位電容 陣列需要的總電容大小為2048C，而8位的二進位電容陣列需要的總電容大小僅為256C。顯 然，電路在電容的成本上也存在著87. 5%的浪費。

發明內容
本發明提出一種通過對逐次漸近型積分器的輸入參考電壓的調整有效的實現以 最小的動態範圍的逐次漸近型模數轉換電路(SAR ADC)，解決現有SAR ADC存在浪費動態範 圍的技術問題。本發明採用了如下技術方案來實現一種用於實現最小動態範圍的逐次漸近型模 數轉換電路，其包括具有模擬輸入電壓Vin的模擬輸入信號；輸入信號為三個參考電壓Vrp、Vrn和Vcm的積分器，按二進位搜索算法驅動其輸 出端輸出電壓Vda;正輸入端連接模擬輸入信號、負輸入端接積分器的輸出電壓Vda的比較器，其輸 出端逐步輸出N位數位訊號；逐次漸近型的積分器包括由N-I個按照二進位加權排列的電容Cp C2, C3.....
CN_!分別串接開關Si、S2、S3.....Sh組成的二進位電容陣列，其中，開關Si、S2.....Sn^1的
其中一個切換端連接參考電壓Vcm，另一個切換端通過第一開關Sa連接參考電壓Vrn、通過 第二開關Sb連接參考電壓Vrp，且二進位電容陣列連接運算放大器的負輸入端；正輸入端 連接參考電壓Vcm的運算放大器，其輸出端連接比較器的負輸入端；積分電容Cx串接開關 Sx3後連接在運算放大器的負輸入端與輸出端之間，且積分電容Cx與開關Sx3的公共端通過 開關Sx2接入參考電壓Vcm，而開關Sxl連接在運算放大器的負輸入端與輸出端之間；其中，N表示將模擬輸入信號進行模擬_數字轉換後的數位訊號位數；Vcm為Vrp 和Vrn的中間值，Vrp和Vrn的差值限定了模數轉換電路的動態範圍。其中，積分器驅動輸出電壓Vda實現比較器輸出第1位數位訊號的步驟包括開關 S1 SN_i分別將二進位電容陣列連接到參考電壓Vcm，開關Sxl導通讓運算放大器處於單位 增益負反饋的工作狀態，開關Sx2導通，開關Sx3斷開，使參考電壓Vcm分別被二進位電容陣 列和積分電容Cx採樣；開關Sxl和Sx2斷開，開關Sx3導通，將參考電壓Vcm送至運算放大器 的輸出端，由比較器將運算放大器的輸出電壓Vda與模擬輸入信號Vin進行比較；若Vin > Vda，則比較器輸出Vout = 1作為輸出數位訊號的第1位，並控制第一開關Sa斷開，第二開關Sb導通；若Vin Vda，則比較器輸出Vout = 1作 為輸出數位訊號的第m位，若Vin < Vda，則比較器輸出Vout = O作為輸出數位訊號的第m 位；根據第m步比較器的輸出結果控制開關SN_m+1在第m步之後的步驟中對參考電壓Vrp或 Vrn採樣，還是對Vcm採樣；其中，1 <111<隊且111為整數。其中，若在第1步中比較器輸出Vout = 1，則控制第一開關Sa斷開且第二開關Sb 導通，將參考電壓Vrp通過開關SN_m+1接入到電容CN_m+1 ；若在第1步中比較器輸出Vout = 0，則控制第一開關Sa導通，第二開關Sb斷開，將參考電壓Vrn通過開關SN_m+1接入到電容
。N-m+i °其中，在第1步中比較器輸出Vout = 1時，若第m步中比較器輸出Vout = 1，則控 制開關SN_m+1在第m步之後的步驟中對參考電壓Vrp採樣，若第m步中比較器輸出Vout = 0，則控制開關SN_m+1在第m步之後的步驟中對參考電壓Vcm採樣；在第1步中比較器輸出 Vout = O時，若第m步中比較器輸出Vout = 1，則控制開關SN_m+1在第m步之後的步驟中對 參考電壓Vcm採樣，若第m步中比較器輸出端Vout = 0，則控制開關SN_m+1在第m步之後的 步驟中對參考電壓Vrn採樣。其中，運算放大器輸出端電壓
權利要求
1.一種用於實現最小動態範圍的逐次漸近型模數轉換電路，其特徵在於，包括輸入信號為三個參考電壓Vrp、Vrn和Vcm的逐次漸近型積分器，按二進位搜索算法驅 動其輸出端輸出電壓Vda;正輸入端連接輸入電壓Vin的模擬輸入信號、負輸入端接積分器的輸出電壓Vda的比 較器，其輸出端逐步輸出N位數位訊號；積分器包括由N-I個按照二進位加權排列的電容CpCyC3.....CV1分別串接開關SpS2、S3.....Sim組成的二進位電容陣列，其中，開關Sp S2.....Sn^1的其中一個切換端連接參考電壓Vcm，另一個切換端通過第一開關Sa連接參考電壓Vrn、通過第二開關Sb連接參考 電壓Vrp，且二進位電容陣列連接運算放大器的負輸入端；正輸入端連接參考電壓Vcm的運 算放大器，其輸出端連接比較器的負輸入端；積分電容Cx串接開關Sx3後連接在運算放大 器的負輸入端與輸出端之間，且積分電容Cx與開關Sx3的公共端通過開關Sx2接入參考電壓 Vcm，而開關Sxl連接在運算放大器的負輸入端與輸出端之間；其中，N表示將模擬輸入信號進行模擬_數字轉換後的數位訊號位數；Vcm為Vrp和Vrn 的中間值，Vrp和Vrn的差值限定了模數轉換電路的動態範圍。
2.根據權利要求1所述用於實現最小動態範圍的逐次漸近型模數轉換電路，其特徵在 於，積分器驅動輸出電壓Vda實現比較器輸出第1位數位訊號的步驟包括開關S1 Sim分別將二進位電容陣列連接到參考電壓Vcm，開關Sxl導通讓運算放大器 處於單位增益負反饋的工作狀態，開關Sx2導通，開關Sx3斷開，使參考電壓Vcm分別被二進 制電容陣列和積分電容Cx採樣；開關Sxl和Sx2斷開，開關Sx3導通，將參考電壓Vcm送至運算放大器的輸出端，由比較器 將運算放大器的輸出電壓Vda與模擬輸入信號Vin進行比較；若Vin > Vda,則比較器輸出Vout = 1作為輸出數位訊號的第1位，並控制第一開關 Sa斷開，第二開關Sb導通；若Vin < Vda,則比較器輸出Vout = O作為輸出數位訊號的第1 位，並控制第一開關Sa導通，第二開關Sb斷開。
3.根據權利要求1所述用於實現最小動態範圍的逐次漸近型模數轉換電路，其特徵在 於，積分器驅動輸出電壓Vda實現比較器輸出第m位數位訊號的步驟包括根據第1步中比較器輸出端的輸出結果，控制開關SN_m+1將電容CN_m+1的下極板接到參 考電壓Vrp或Vrn ；控制開關Sxl導通讓運算放大器處於單位增益負反饋的工作狀態，開關Sx2導通，開關 Sx3斷開，此時參考電壓Vcm被積分電容Cx採樣、參考電壓Vrn或參考電壓Vrp被電容CN_m+1 的電容採樣，然後開關Sxl和Sx2斷開，開關Sx3導通，開關SN_m+1將電容CN_m+1的下極板接到參 考電壓Vcm，驅動運算放大器輸出端電壓Vda至比較器；由比較器將運算放大器輸出端電壓Vda與模擬輸入信號的電壓Vin進行比較，若Vin > Vda，則比較器輸出Vout = 1作為輸出數位訊號的第m位，若Vin < Vda，則比較器輸出 Vout = O作為輸出數位訊號的第m位；根據第m步比較器的輸出結果控制開關SN_m+1在第m步之後的步驟中對參考電壓Vrp 和參考電壓Vrn的其中之一或參考電壓Vcm採樣；其中，l<m<N，且m為整數；第1位為最高位，第N位為最低位。
4.根據權利要求3所述用於實現最小動態範圍的逐次漸近型模數轉換電路，其特徵在於，若在第1步中比較器輸出Vout = 1，則控制第一開關Sa斷開且第二開關Sb導通，將參 考電壓Vrp通過開關SN_m+1接入到電容CN_m+1 ；若在第1步中比較器輸出Vout = 0，則控制第 一開關Sa導通，第二開關Sb斷開，將參考電壓Vrn通過開關SN_m+1接入到電容CN_m+1。
5.根據權利要求3所述用於實現最小動態範圍的逐次漸近型模數轉換電路，其特徵在 於，在第1步中比較器輸出Vout = 1時，若第m步中比較器輸出Vout = 1，則控制開關SN_m+1 在第m步之後的步驟中對參考電壓Vrp採樣，若第m步中比較器輸出Vout = 0，則控制開關 SN_m+1在第m步之後的步驟中對參考電壓Vcm採樣；在第1步中比較器輸出Vout = O時，若 第m步中比較器輸出Vout = 1，則控制開關SN_m+1在第m步之後的步驟中對參考電壓Vcm採 樣，若第m步中比較器輸出端Vout = 0，則控制開關SN_m+1在第m步之後的步驟中對參考電 壓Vrn採樣。
6.根據權利要求3所述用於實現最小動態範圍的逐次漸近型模數轉換電路，其特徵在 於，運算放大器輸出端電壓+其中Vref = Vrp-Vrn0
7.根據權利要求1-6任何一項所述用於實現最小動態範圍的逐次漸近型模數轉換電 路，其特徵在於，積分電容Cx的電容值為2^(，其中C為在二進位電容陣列中對應第N位數 字信號的電容C1的電容值。
全文摘要
本發明提出一種用於實現最小動態範圍的逐次漸近型模數轉換電路，其包括具有模擬輸入電壓Vin的模擬輸入信號；輸入信號為三個參考電壓Vrp、Vrn和Vcm的逐次漸近型積分器，按二進位搜索算法驅動其輸出端輸出電壓Vda；正輸入端連接模擬輸入信號、負輸入端接積分器的輸出電壓Vda的比較器，其輸出端逐步輸出N位數位訊號。本發明通過對逐次漸近型積分器的輸入參考電壓的調整有效的實現以最小的動態範圍的SARADC電路來滿足實際應用的要求，達到了既不浪費SARADC電路的動態範圍，又節省了實際電路成本的目的。
文檔編號H03M1/38GK102111156SQ20111004039
公開日2011年6月29日 申請日期2011年2月18日 優先權日2011年2月18日
發明者蔣大龍, 詹昶, 趙琮 申請人:深圳市銳能微科技有限公司