一种应用于逐次逼近模数转换器的低功耗开关方法

技术领域

本发明涉及微电子学与固体电子学领域，特别是该领域中电容型逐次逼近模数转换器中的电容阵列开关方法。

背景技术

模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)作为连接数字离散世界与模拟连续世界的桥梁，广泛应用于军事、医疗、测控、人工智能、5G以及音频图像等领域。随着计算机科学和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)集成工艺的高速发展，数字电路的集成程度越来越高，模拟电路的功耗与面积越来越低，因此对于中高精度的模数转换器的需求也越来越高。常见的ADC主要分为流水线模数转换器(Pipelined ADC)，闪烁型模数转换器(Flash ADC)以及逐次逼近型模数转换器(Successive-Approximation-Register ADC,SAR ADC)。在众多的模数转换器中，逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)具有结构简单，数字化程度高，易集成，功耗低以及面积小等优势，使得SAR ADC成为满足中高精度、低功耗以及低成本ADC的首要选择并成为近几年ADC的研究热门之一。中高精度的逐次逼近型模数转换器在军事方面主要应用于雷达的精准测量以及导弹的精准打击；在医疗方面，SAR ADC主要对人脑电信号、心电信号以及肌肉电信号的精准测量；在网络建设方面，高精度SAR ADC对于5G基站的建立有着举足轻重的作用；在音频图像方面，为了保证高质量、高效地录制保存音频视频，也将需要高精度SAR ADC的使用。综上所述，高精度的模数转换器应用于生活中的各个方面，因此对于高精度模数转换器的研究与设计具有很高的价值。

在高精度SAR ADC设计过程中，主要的功耗来自于电容阵列、比较器以及SAR逻辑电路。随着CMOS工艺器件尺寸的进一步减小以及模拟电路的发展，数字电路和比较器的损耗得到明显的降低，因此电容阵列成为SAR ADC主要功耗的来源。这是因为：(1)电容阵列需要快速准确的开关操作，以便精准快速的对输入信号进行二进制搜索，冗长的开关方法操作将会造成多余的能耗以及转换周期偏长；(2)随着精度的提升，电容呈指数增长，芯片面积也随之增大，因此驱动电容的参考电压也更加困难，驱动功耗也随之增加。因此采用不同的开关切换方法会影响到电容阵列的能量损耗，高能耗的传统开关方法将会造成过多的能量损耗，将不再满足低功耗、高精度SAR ADC的设计要求。

传统差分电容阵列开关方法采用下极板进行采样，上极板连接参考电压V

V

因此本发明采用一种基于拆分电容阵列的低位模拟开关方法，避免使用额外的基准电压V

发明内容

本发明针对现有SAR ADC设计中存在的高位电容在比较过程中的能量损耗问题，提出了一种基于拆分电容阵列的低位模拟比较的开关方法。

该发明技术方案为一种应用于逐次逼近模数转换器的节能开关方法，该方法用于的SAR ADC的全差分结构，正端电容阵列C

步骤1：将正电容阵列中的电容分裂成两个相同的电容，其中一个分裂电容归为子电容阵列C

将负电容阵列中的电容分裂成两个相同的电容，其中一个分裂电容归为子电容阵列C

步骤2：正电容阵列的子电容阵列C

负电容阵列的子电容阵列C

步骤3：在采样过程中，正电容阵列的子电容阵列C

负电容阵列的子电容阵列C

步骤4：从正电容阵列的子电容阵列C

从负电容阵列的子电容阵列C

步骤5：在第一次低位模拟比较过程中，比较器正端输入节点与正端低位模拟比较单元的上极板连接，比较器负端输入节点连接负端低位模拟比较单元的上极板；此时正端电容阵列C

步骤6：在第二次低位模拟比较过程中，将正端低位模拟比较单元中的第一个单位电容C

步骤7：在第一次逐次逼近比较转换过程中，根据步骤5和步骤6的两次低位模拟比较单元的比较结果先对整个电容阵列进行对应的开关操作；如果两次低位模拟比较单元结果显示输入信号大于1/2V

步骤8：在第二次逐次逼近比较转换过程中，如果输入信号大于3/4V

步骤9：重复步骤8，直到完成整个逐次逼近比较过程。

本发明提出的基于拆分电容阵列的低位模拟比较的开关方法，第一次由于没有电荷移动转换不会消耗能量，第二次转换比较利用小电容进行转换降低比较过程的功耗。第三次的转换比较过程会根据低位模拟比较单元的转换比较结果直接对主电容阵列进行开关操作。由于开关能量损耗与电容值成正比，因此减少大电容在转换过程的开关操作也就是减少了大电容在转换比较过程中的能量损耗。此外，较于传统开关方法还减少了参考电压V

附图说明

图1为六位SAR ADC拆分电容阵列采样过程示意图。

图2为六位SAR ADC拆分电容阵列低位模拟单元第一次比较过程示意图。

图3为六位SAR ADC拆分电容阵列低位模拟单元第二次比较过程示意图。

图4为六位SAR ADC拆分电容阵列第一次正常比较过程示意图。

具体实施方式

本发明将以六位SAR ADC为例，将电容阵列拆分为两个子电容阵列，利用子电容阵列中的电容替代大电容进行充放电过程，降低大电容充放电能量损耗。此外，传统电容阵列在进行转换的过程中对大电容进行完整的充放电，造成额外的能量损耗。原本正负端电容阵列为[32C

存储在正负电容阵列中的电荷Q

Q

Q

将公式(1)和公式(2)重写为：

Q

Q

从公式(3)和公式(4)可得，提出的电容阵列拆分电路避免使用参考电压V

在正负拆分电容阵列中分别找出两个单位电容构成两位低位模拟比较单元来模拟高位比较过程，避免对大电容进行充放电以便实现低能量损耗。本发明提出的低位模拟比较单元思路在电容阵列拆分电路的基础上改用小电容阵列对输入信号进行粗比较，减少了大电容在转换过程中的能量消耗。

正端电容阵列中的电容C

Q

Q

在采样阶段结束后，该四个单位电容上极板分别从主线路断开并连接比较器正负输入端，其余电容的下极板置地，由于此过程没有电荷的转移因此没有能量的损耗，如图2所示。这里将着重看C

V

V

通过公式(7)和公式(8)可得输入信号与零之间的比较。可以通过第一次比较结果对正负电容阵列某一阵列的开关操作置地，从而避免在转换比较的过程中两端电容阵列均在进行开关操作从而造成额外的损耗。若假定输入信号比零大，则低位模拟比较单元的负端电容阵列开关操作置GND，则整个负端电容阵列将不会产生能量损耗，因此比较器负端输入V

低位模拟比较单元进行第二次转换比较，将正端电容阵列中的C

V

V

根据公式(9)以及公式(10)可以得出输入信号与1/2V

如果输入信号大于1/2V

V

由于低位模拟比较单元已经对输入信号与对应的阈值电压进行了两次比较且假设输入信号大于1/2V

V

结合公式(11)与公式(12)可得输入信号与3/4V

加入低位模拟比较单元之后，第一次转换比较依旧不再消耗能量，第二次转换比较就利用单位电容转换的优势，降低了在转换比较过程中的电容值，达到了降低能量损耗的效果。第三次的转换比较过程会根据前两次低位模拟比较单元的转换比较结果直接对主电容阵列进行开关操作，减少了大电容在转换比较过程中的能量损耗。