一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器及其轉換方法技術

本發明專利技術公開了一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器及其轉換方法，模數轉換器包括電容陣列數模轉換器、比較器和逐次逼近開關控制器，所述電容陣列數模轉換器的輸出端與比較器的輸入端連接，所述比較器的輸出端與逐次逼近開關控制器的輸入端連接，所述逐次逼近開關控制器的輸出端與電容陣列數模轉換器的開關控制端連接，且本發明專利技術提出的模數轉換方法在第1、2次比較電容陣列不消耗能量，第3次至第N次比較中，參與轉換的電容總電容值為2i-1個單位電容C，其中，i為3≤i≤N的自然數，每次比較電容陣列消耗的能量均比傳統結構消耗的能量小，能夠有效減小電容陣列的平均開關功耗。本發明專利技術可廣泛應用于集成電路領域。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及集成電路
，尤其涉及一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器及其轉換方法。
技術介紹
逐次逼近型模數轉換器是一種中高精度、中等轉換速率、超低功耗的模數轉換器結構。對于傳感器、便攜式設備及生物應用來說，要求模數轉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而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不斷減小，而模擬電路的功耗卻很難隨著工藝的進步而減小。
技術實現思路
為了解決上述技術問題，本專利技術的目的是提供一種能有效減小電容陣列的平均開關功耗的一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器及其轉換方法。本專利技術所采用的技術方案是：一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器，包括電容陣列數模轉換器、比較器和逐次逼近開關控制器，所述電容陣列數模轉換器的輸出端與比較器的輸入端連接，所述比較器的輸出端與逐次逼近開關控制器的輸入端連接，所述逐次逼近開關控制器的輸出端與電容陣列數模轉換器的開關控制端連接。作為所述的一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器的進一步改進，所述電容陣列數模轉換器包括同相電容陣列和反相電容陣列，所述同相電容陣列的輸出端連接至比較器的同相輸入端，所述反相電容陣列的輸出端連接至比較器的反相輸入端。作為所述的一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器的進一步改進，所述同相電容陣列包括N-1個同相電容單元，所述N-1個同相電容單元中的第2個同相電容單元至第N-1個同相電容單元的下極板之間依次通過開關連接，第1個同相電容單元和第2個同相電容單元的下極板均連接至比較器的同相輸入端，所述第3個同相電容單元至第N-1個同相電容單元的上極板之間依次通過開關連接，所述第1個同相電容單元的上極板通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓，所述第2個同相電容單元至第N-1個同相電容單元的上極板分別通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓或地，所述其中N表示模數轉換器位數。作為所述的一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器的進一步改進，所述第1個同相電容單元和第2個同相電容單元分別包括1個電容值為單位電容C的子電容，所述第3個同相電容單元分別包括1個電容值為2個單位電容C的子電容，所述第1個同相電容單元的子電容的下極板和第2個同相電容單元的子電容的下極板均連接至比較器的同相輸入端，所述第1個同相電容單元的子電容的上極板通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓，所述第2個同相電容單元的子電容的上極板通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓或地，所述第3個同相電容單元的子電容的上極板通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓或地，所述第3個同相電容單元的子電容的上極板通過開關與第4個同相電容單元的第2個子電容相連，所述第3個同相電容單元的子電容的下極板通過開關與第2個同相電容單元的子電容的下極板連接，所述第3個同相電容單元的子電容的下極板通過開關與第4個同相電容單元的子電容的下極板連接，所述第4個同相電容單元至第N-2個同相電容單元中，所述第i個同相電容單元包括子電容的數量為i-2，所述第i個同相電容單元中，第1個子電容的電容值為2個單位電容C，第2個至第i-2個子電容的電容值分別為Cj=2j-1C，所述第1個子電容的上極板通過開關選擇連接參考電壓或共模電壓或地，所述第1個子電容的上極板通過開關與第i+1個同相電容單元的第2個子電容相連，所述第2個子電容至第i-2個子電容的上極板分別通過開關與第i-1個同相電容單元的第1個子電容至第i-3個子電容的上極板相連，所述第2個子電容至第i-2個子電容的上極板分別通過開關與第i+1個同相電容單元的第3個子電容至第i-1個子電容的上極板相連，所述第1個子電容至第i-2個子電容的下極板耦合在一起通過開關與第i-1個同相電容單元的子電容的下極板連接，所述第1個子電容至第i-2個子電容的下極板通過開關與第i+1個同相電容單元的子電容的下極板相連，其中，i為4≤i≤N-2的自然數，j為2≤j≤i-2的自然數，Cj表示第j個子電容的電容值，所述第N-1個同相電容單元包括子電容的數量為N-3，第1個子電容的電容值為2個單位電容C，第2個至第N-3個子電容的電容值分別為Ck=2k-1C，所述第1個子電容的上極板通過開關選擇連接參考電壓或共模電壓或地，所述第2個子電容至第N-3個子電容的上極板分別通過開關與第N-2個同相電容單元的第1個子電容至第N-4個子電容的上極板相連，所述第1個子電容至第N-3個子電容的下極板耦合在一起通過開關與第N-2個同相電容單元的子電容的下極板連接，其中，k為2≤k≤N-3的自然數，Ck表示第k個子電容的電容值。作為所述的一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器的進一步改進，所述反相電容陣列包括N-1個反相電容單元，所述N-1個反相電容單元中的第2個反相電容單元至第N-1個反相電容單元的下極板之間依次通過開關連接，第1個反相電容單元和第2個反相電容單元的下極板均連接至比較器的反相輸入端，所述第3個反相電容單元至第N-1個反相電容單元的上極板之間依次通過開關連接，所述第1個反相電容單元的上極板通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓，所述第2個反相電容單元至第N-1個反相電容單元的上極板分別通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓或地，所述其中N表示模數轉換器位數。作為所述的一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器的進一步改進，所述第1個反相電容單元和第2個反相電容單元分別包括1個電容值為單位電容C的子電容，所述第3個反相電容單元分別包括1個電容值為2個單位電容C的子電容，所述第1個反相電容單元的子電容的下極板和第2個反相電容單元的子電容的下極板均連接至比較器的反相輸入端，所述第1個反相電容單元的子電容的上極板通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓，所述第2個反相電容單元的子電容的上極板通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓或地，所述第3個反相電容單元的子電容的上極板通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓或地，所述第3個反相電容單元的子電容的上極板通過開關與第4個反相電容單元的第2個子電容相連，所述第3個反相電容單元的子電容的下極板通過開關與第2個反相電容單元的子電容的下極板連接，所述第3個反相電容單元的子電容的下極板通過開關與第4個反相電容單元的子電容的下極板連接，所述第4個反相電容單元至第N-2個反相電容單元中，所述第i個反相電容單元包括子電容的數量為i-2，所述第i個反相電容單元中，第1個子電容的電容值為2個單位電容C，第2個至第i-2個子電容的電容值分別為Cj=2j-1C，所述第1個子電容的上極板通過開關選擇連接參考電壓或共模電壓或地，所述第1個子電容的上極板通過開關與第i+1個反相電容單元的第2個子電容相連，所述第2個子電容至第i-2個子電容的上極板分別通過開關與第i-1個反相電容單元的第1個子電容至第i-3個子電容的上極板相連，所述第2個子電容至第i-2個子電容的上極板分別通過開關與第i+1個反相電容單元的第3個子電容至第i-1個子電容的上極板相連，所述第1個子電容至第i-2個子電容的下極板耦合在一起通過開關本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器，其特征在于：包括電容陣列數模轉換器、比較器和逐次逼近開關控制器，所述電容陣列數模轉換器的輸出端與比較器的輸入端連接，所述比較器的輸出端與逐次逼近開關控制器的輸入端連接，所述逐次逼近開關控制器的輸出端與電容陣列數模轉換器的開關控制端連接。

【技術特征摘要】
1.一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器，其特征在于：包括電容陣列數模轉換器、比較器和逐次逼近開關控制器，所述電容陣列數模轉換器的輸出端與比較器的輸入端連接，所述比較器的輸出端與逐次逼近開關控制器的輸入端連接，所述逐次逼近開關控制器的輸出端與電容陣列數模轉換器的開關控制端連接。
2.根據權利要求1所述的一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器，其特征在于：所述電容陣列數模轉換器包括同相電容陣列和反相電容陣列，所述同相電容陣列的輸出端連接至比較器的同相輸入端，所述反相電容陣列的輸出端連接至比較器的反相輸入端。
3.根據權利要求2所述的一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器，其特征在于：所述同相電容陣列包括N-1個同相電容單元，所述N-1個同相電容單元中的第2個同相電容單元至第N-1個同相電容單元的下極板之間依次通過開關連接，第1個同相電容單元和第2個同相電容單元的下極板均連接至比較器的同相輸入端，所述第3個同相電容單元至第N-1個同相電容單元的上極板之間依次通過開關連接，所述第1個同相電容單元的上極板通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓，所述第2個同相電容單元至第N-1個同相電容單元的上極板分別通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓或地，所述其中N表示模數轉換器位數。
4.根據權利要求3所述的一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器，其特征在于：所述第1個同相電容單元和第2個同相電容單元分別包括1個電容值為單位電容C的子電容，所述第3個同相電容單元分別包括1個電容值為2個單位電容C的子電容，所述第1個同相電容單元的子電容的下極板和第2個同相電容單元的子電容的下極板均連接至比較器的同相輸入端，所述第1個同相電容單元的子電容的上極板通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓，所述第2個同相電容單元的子電容的上極板通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓或地，所述第3個同相電容單元的子電容的上極板通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓或地，所述第3個同相電容單元的子電容的上極板通過開關與第4個同相電容單元的第2個子電容相連，所述第3個同相電容單元的子電容的下極板通過開關與第2個同相電容單元的子電容的下極板連接，所述第3個同相電容單元的子電容的下極板通過開關與第4個同相電容單元的子電容的下極板連接，所述第4個同相電容單元至第N-2個同相電容單元中，所述第i個同相電容單元包括子電容的數量為i-2，所述第i個同相電容單元中，第1個子電容的電容值為2個單位電容C，第2個至第i-2個子電容的電容值分別為Cj=2j-1C，所述第1個子電容的上極板通過開關選擇連接參考電壓或共模電壓或地，所述第1個子電容的上極板通過開關與第i+1個同相電容單元的第2個子電容相連，所述第2個子電容至第i-2個子電容的上極板分別通過開關與第i-1個同相電容單元的第1個子電容至第i-3個子電容的上極板相連，所述第2個子電容至第i-2個子電容的上極板分別通過開關與第i+1個同相電容單元的第3個子電容至第i-1個子電容的上極板相連，所述第1個子電容至第i-2個子電容的下極板耦合在一起通過開關與第i-1個同相電容單元的子電容的下極板連接，所述第1個子電容至第i-2個子電容的下極板通過開關與第i+1個同相電容單元的子電容的下極板相連，其中，i為4≤i≤N-2的自然數，j為2≤j≤i-2的自然數，Cj表示第j個子電容的電容值，所述第N-1個同相電容單元包括子電容的數量為N-3，第1個子電容的電容值為2個單位電容C，第2個至第N-3個子電容的電容值分別為Ck=2k-1C，所述第1個子電容的上極板通過開關選擇連接參考電壓或共模電壓或地，所述第2個子電容至第N-3個子電容的上極板分別通過開關與第N-2個同相電容單元的第1個子電容至第N-4個子電容的上極板相連，所述第1個子電容至第N-3個子電容的下極板耦合在一起通過開關與第N-2個同相電容單元的子電容的下極板連接，其中，k為2≤k≤N-3的自然數，Ck表示第k個子電容的電容值。
5.根據權利要求2所述的一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器，其特征在于：所述反相電容陣列包括N-1個反相電容單元，所述N-1個反相電容單元中的第2個反相電容單元至第N-1個反相電容單元的下極板之間依次通過開關連接，第1個反相電容單元和第2個反相電容單元的下極板均連接至比較器的反相輸入端，所述第3個反相電容單元至第N-1個反相電容單元的上極板之間依次通過開關連接，所述第1個反相電容單元的上極板通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓，所述第2個反相電容單元至第N-1個反相電容單元的上極板分別通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓或地，所述其中N表示模數轉換器位數。
6.根據權利要求5所述的一種高能效電容陣列逐次逼近型模數轉換器，其特征在于：所述第1個反相電容單元和第2個反相電容單元分別包括1個電容值為單位電容C的子電容，所述第3個反相電容單元分別包括1個電容值為2個單位電容C的子電容，所述第1個反相電容單元的子電容的下極板和第2個反相電容單元的子電容的下極板均連接至比較器的反相輸入端，所述第1個反相電容單元的子電容的上極板通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓，所述第2個反相電容單元的子電容的上極板通過開關選擇連接共模電壓或參考電壓或地，所述第3個反相電容單元的子電容的上極板通過開關...

【專利技術屬性】
技術研發人員：胡云峰，李斌，吳朝暉，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44