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CN111934689A - 一种高精度模数转换器及转换方法 - Google Patents

一种高精度模数转换器及转换方法 Download PDF

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CN111934689A CN202011010209.8A CN202011010209A CN111934689A CN 111934689 A CN111934689 A CN 111934689A CN 202011010209 A CN202011010209 A CN 202011010209A CN 111934689 A CN111934689 A CN 111934689A
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Abstract

本发明公开了一种高精度模数转换器，包括第一输入端、第二输入端、正相电容阵列、反相电容阵列、比较器和移位寄存器；所述第一输入端通过所述正相电容阵列进而连接至所述比较器的同相输入端，所述第二输入端通过所述反相电容阵列进而连接至所述比较器的反相输入端，所述比较器的输出端与所述移位寄存器的输入端连接。本发明通过正相电容阵列和反相电容阵列，可以在比较时切换电压，从而比较器在不消耗任何开关能量的情况下执行第一次比较，而且每次比较电容阵列消耗的能量均比传统结构消耗的能量小，能够有效减小电容阵列的平均开关功耗。本发明可广泛应用于电子电路技术领域中。

Description

一种高精度模数转换器及转换方法
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种高精度模数转换器及转换方法。
背景技术
逐次逼近型模数转换器是一种中高精度、中等转换速率、超低功耗的模数转换器结构。对于传感器、便携式设备及生物应用来说，要求模数转换器能够工作在低电源电压下。然而随着电源电压的降低，电路的增益受到了限制，而逐次逼近型模数转换器的结构只包括比较器、数模转换器和逐次逼近寄存器而不需要提供增益的电路。数字电路的功耗会随着工艺尺寸缩减比例不断减小，而模拟电路的功耗却很难随着工艺的进步而减小。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种高精度模数转换器。
第一方面，本发明实施例提供了一种高精度模数转换器，包括第一输入端、第二输入端、正相电容阵列、反相电容阵列、比较器和移位寄存器；
所述第一输入端通过所述正相电容阵列进而连接至所述比较器的同相输入端，所述第二输入端通过所述反相电容阵列进而连接至所述比较器的反相输入端，所述比较器的输出端与所述移位寄存器的输入端连接；
所述正相电容阵列包括正相高阵列和正相低阵列，所述第一输入端通过所述正相高阵列和所述正相低阵列进而连接至所述比较器的同相输入端，所述正相高阵列初始时连接至参考电压，所述正相低阵列初始时连接至地。
所述正相高阵列包括第一电容和第一电容组，所述第一电容的下极板和所述第一电容组的下极板均连接至所述第一输入端和所述比较器的同相输入端，所述第一电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第一电容组的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地；
所述第一电容组包括N-3个电容，所述第一电容组的电容的下极板连接至所述第一输入端和所述比较器的同相输入端，所述第一电容组的电容的上极板分别通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，其中，所述第一电容组中的第i个电容的电容值为2i-1C，1≤i≤N-3，N表示数模转换器位数，且N≥4，C表示一个单位电容；
所述正相低阵列包括第二电容和第二电容组，所述第二电容的下极板和所述第二电容组的下极板均连接至所述第一输入端和所述比较器的同相输入端，所述第二电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第二电容组的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地；
所述第二电容组包括N-3个电容，所述第二电容组的电容的下极板连接至所述第一输入端和所述比较器的同相输入端，所述第二电容组的电容的上极板分别通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，其中，所述第二电容组中的第i个电容的电容值为2i-1C，1≤i≤N-3。
在本发明一实施例中，所述第一电容和第二电容的电容值为C。
在本发明一实施例中，所述反相电容阵列包括反相高阵列和反相低阵列，所述第二输入端通过所述反相高阵列和所述反相低阵列进而连接至所述比较器的同相输入端，所述反相高阵列初始时连接至参考电压，所述反相低阵列初始时连接至地。
在本发明一实施例中，所述反相高阵列包括第三电容和第三电容组，所述第三电容的下极板和所述第三电容组的下极板均连接至所述第二输入端和所述比较器的反相输入端，所述第三电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第三电容组的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地；
在本发明一实施例中，所述第三电容组包括N-3个电容，所述第三电容组的电容的下极板连接至所述第二输入端和所述比较器的反相输入端，所述第三电容组的电容的上极板分别通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，其中，所述第三电容组中的第i个电容的电容值为2i-1C，1≤i≤N-3，N表示数模转换器位数，且N≥4。
在本发明一实施例中，所述反相低阵列包括第四电容和第四电容组，所述第四电容的下极板和所述第四电容组的下极板均连接至所述第二输入端和所述比较器的反相输入端，所述第四电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第四电容组的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地；
在本发明一实施例中，所述第四电容组包括N-3个电容，所述第四电容组的电容的下极板连接至所述第二输入端和所述比较器的反相输入端，所述第四电容组的电容的上极板分别通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，其中，所述第四电容组中的第i个电容的电容值为2i-1C，1≤i≤N-3，N表示数模转换器位数，且N≥4。
在本发明一实施例中，所述第三电容的电容值为C。
在本发明一实施例中，所述第四电容的电容值为C。
第二方面，本发明实施例提供了一种应用于一种高精度模数转换器的转换方法，在第1次比较到第N-1次比较中，比较器的同相输入信号和反向输入信号保持共模；第N次比较中，同相输入信号和反向输入信号不共模。
本发明的有益效果是：
本发明通过正相电容阵列和反相电容阵列，可以在比较时切换电压，从而比较器在不消耗任何开关能量的情况下执行第一次比较，而且每次比较电容阵列消耗的能量均比传统结构消耗的能量小，能够有效减小电容阵列的平均开关功耗。
附图说明
图1是本发明实施例一种高精度模数转换器的电路原理图；
图2是本发明一个实施例比较流程示意图；
图3是本发明一个实施例4位模数转换器的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
参考图1，本发明实施例提供了一种高精度模数转换器，包括第一输入端、第二输入端、正相电容阵列、反相电容阵列、比较器和移位寄存器；
第一输入端通过正相电容阵列进而连接至比较器的同相输入端，所述第二输入端通过所述反相电容阵列进而连接至所述比较器的反相输入端，所述比较器的输出端与所述移位寄存器的输入端连接；
正相电容阵列包括正相高阵列和正相低阵列，第一输入端通过所述正相高阵列和所述正相低阵列进而连接至所述比较器的同相输入端，所述正相高阵列初始时连接至参考电压，所述正相低阵列初始时连接至地。
正相高阵列包括第一电容和第一电容组，所述第一电容的下极板和所述第一电容组的下极板均连接至所述第一输入端和所述比较器的同相输入端，所述第一电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第一电容组的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地；
第一电容组包括N-3个电容，所述第一电容组的电容的下极板连接至所述第一输入端和所述比较器的同相输入端，所述第一电容组的电容的上极板分别通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，其中，所述第一电容组中的第i个电容的电容值为2i-1C，1≤i≤N-3，N表示数模转换器位数，且N≥4，C表示一个单位电容；
正相低阵列包括第二电容和第二电容组，所述第二电容的下极板和所述第二电容组的下极板均连接至所述第一输入端和所述比较器的同相输入端，所述第二电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第二电容组的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地；
第二电容组包括N-3个电容，所述第二电容组的电容的下极板连接至所述第一输入端和所述比较器的同相输入端，所述第二电容组的电容的上极板分别通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，其中，所述第二电容组中的第i个电容的电容值为2i-1C，1≤i≤N-3。
在本发明一实施例中，第一电容和第二电容的电容值为C。
在本发明一实施例中，反相电容阵列包括反相高阵列和反相低阵列，所述第二输入端通过所述反相高阵列和所述反相低阵列进而连接至所述比较器的同相输入端，所述反相高阵列位于高电势侧，所述反相低阵列位于低电势侧。
在本发明一实施例中，反相高阵列包括第三电容和第三电容组，所述第三电容的下极板和所述第三电容组的下极板均连接至所述第二输入端和所述比较器的反相输入端，所述第三电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第三电容组的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地；
在本发明一实施例中，第三电容组包括N-3个电容，所述第三电容组的电容的下极板连接至所述第二输入端和所述比较器的反相输入端，所述第三电容组的电容的上极板分别通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，其中，所述第三电容组中的第i个电容的电容值为2i-1C，1≤i≤N-3，N表示数模转换器位数，且N≥4。
在本发明一实施例中，反相低阵列包括第四电容和第四电容组，所述第四电容的下极板和所述第四电容组的下极板均连接至所述第二输入端和所述比较器的反相输入端，所述第四电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第四电容组的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地；
在本发明一实施例中，第四电容组包括N-3个电容，所述第四电容组的电容的下极板连接至所述第二输入端和所述比较器的反相输入端，所述第四电容组的电容的上极板分别通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，其中，所述第四电容组中的第i个电容的电容值为2i-1C，1≤i≤N-3，N表示数模转换器位数，且N≥4。
在本发明一实施例中，第三电容的电容值为C。
在本发明一实施例中，第四电容的电容值为C。
在本发明一实施例中，开关为单刀多掷开关。
参考图2，本实施例第一阶段：通过采样开关在所有电容器的顶板上对输入信号进行采样，高阵列的底板连Vref，低阵列的底板连接至gnd。采样后，采样开关关闭。然后，比较器在不消耗任何开关能量的情况下执行第一次比较，并输出最高位数据D0。
第二阶段：第一阶段的高电压电势侧的高阵列和低电势侧的低阵列将切换为Vcm（Vref/2），其他阵列保持不变。结果，高电压侧的电压降低了Vref/4，而低电压侧的电压提高了Vref/4。然后，比较器执行第二次比较，并输出次高位数据D1。
第三阶段：根据前一次比较器的输出，电压较高侧的相应电容器从Vcm切换到gnd，而另一侧（电压较低侧）的电容器从Vcm切换到Vref，然后比较器执行比较，输出比较结果。例如，在第三次比较中，将连接到电压较高侧上的Vcm的阵列中最大的电容器从Vcm切换到gnd，而将另一个（电压较低侧）的Vcm切换到Vref。
ADC重复该过程，直到完成第（N-1）次比较完成为止。在切换过程中，共模电压不变。从第3次比较器到第（N-1）个比较器的电容阵列开关能量为：
Figure 179928DEST_PATH_IMAGE001
(1)
第四阶段：在第N次比较中，连接到电压较高侧Vcm的子阵列的最后一个电容器从Vcm切换到gnd，而另一个电容器（电压较低侧）保持不变。在第N个比较中电容阵列开关能量为：
Figure 259880DEST_PATH_IMAGE002
(2)
对于N位分辨率，电容阵列开关能量的平均开关能量为：
Figure 347921DEST_PATH_IMAGE003
(3)
例如，具体实施例如图3所示，第一阶段：通过采样开关在所有电容器的顶板上对输入信号进行采样，高阵列的底板连Vref，低阵列的底板连接至gnd。采样后，采样开关关闭。然后，比较器在不消耗任何开关能量的情况下执行第一次比较，并输出最高位数据D0。
第二阶段：第一阶段的高电压电势侧的高阵列和低电势侧的低阵列将切换为Vcm（Vref/2），其他阵列保持不变。结果，高电压侧的电压降低了Vref/4，而低电压侧的电压提高了Vref/4。然后，比较器执行第二次比较，并输出次高位数据D1。
第三阶段：根据第二次比较器的输出结果，将连接到电压较高侧上的Vcm的阵列中最大的电容器从Vcm切换到gnd，而将另一个（电压较低侧）的Vcm切换到Vref。第3次比较器的电容阵列开关能量为
Figure 614955DEST_PATH_IMAGE004
(4)
第四阶段：在第N次比较中，连接到电压较高侧Vcm的子阵列的最后一个电容器从Vcm切换到gnd，而另一个电容器（电压较低侧）保持不变。在第N个比较中电容阵列开关能量为(5)
Figure 79434DEST_PATH_IMAGE005
（5）
对于4位分辨率，电容阵列开关能量的平均开关能量为：
Figure 13892DEST_PATH_IMAGE006
(6)
从上述内容可知，本发明通过正相电容阵列和反相电容阵列，可以在比较时切换电压，从而比较器在不消耗任何开关能量的情况下执行第一次比较，而且每次比较电容阵列消耗的能量均比传统结构消耗的能量小，能够有效减小电容阵列的平均开关功耗。本发明根据需要通过SAR ADC实现低复杂度DAC方案，从而防止单个电容呈现三个及以上参考电压情形，并且还能有效降低功耗。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种高精度模数转换器，其特征在于，包括第一输入端、第二输入端、正相电容阵列、反相电容阵列、比较器和移位寄存器；
所述第一输入端通过所述正相电容阵列进而连接至所述比较器的同相输入端，所述第二输入端通过所述反相电容阵列进而连接至所述比较器的反相输入端，所述比较器的输出端与所述移位寄存器的输入端连接；
所述正相电容阵列包括正相高阵列和正相低阵列，所述第一输入端通过所述正相高阵列和所述正相低阵列进而连接至所述比较器的同相输入端，所述正相高阵列初始时连接至参考电压，所述正相低阵列初始时连接至地；
所述正相高阵列包括第一电容和第一电容组，所述第一电容的下极板和所述第一电容组的下极板均连接至所述第一输入端和所述比较器的同相输入端，所述第一电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第一电容组的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地；
所述第一电容组包括N-3个电容，所述第一电容组的电容的下极板连接至所述第一输入端和所述比较器的同相输入端，所述第一电容组的电容的上极板分别通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，其中，所述第一电容组中的第i个电容的电容值为2i-1C，1≤i≤N-3，N表示数模转换器位数，且N≥4，C表示一个单位电容；
所述正相低阵列包括第二电容和第二电容组，所述第二电容的下极板和所述第二电容组的下极板均连接至所述第一输入端和所述比较器的同相输入端，所述第二电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第二电容组的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地；
所述第二电容组包括N-3个电容，所述第二电容组的电容的下极板连接至所述第一输入端和所述比较器的同相输入端，所述第二电容组的电容的上极板分别通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，其中，所述第二电容组中的第i个电容的电容值为2i-1C，1≤i≤N-3。
2.根据权利要求1所述的一种高精度模数转换器，其特征在于，所述第一电容和第二电容的电容值为C。
3.根据权利要求1所述的一种高精度模数转换器，其特征在于，所述反相电容阵列包括反相高阵列和反相低阵列，所述第二输入端通过所述反相高阵列和所述反相低阵列进而连接至所述比较器的同相输入端，所述反相高阵列初始时连接至参考电压，所述反相低阵列初始时连接至地。
4.根据权利要求3所述的一种高精度模数转换器，其特征在于，所述反相高阵列包括第三电容和第三电容组，所述第三电容的下极板和所述第三电容组的下极板均连接至所述第二输入端和所述比较器的反相输入端，所述第三电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第三电容组的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地。
5.根据权利要求4所述的一种高精度模数转换器，其特征在于，所述第三电容组包括N-3个电容，所述第三电容组的电容的下极板连接至所述第二输入端和所述比较器的反相输入端，所述第三电容组的电容的上极板分别通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，其中，所述第三电容组中的第i个电容的电容值为2i-1C，1≤i≤N-3，N表示数模转换器位数，且N≥4。
6.根据权利要求3所述的一种高精度模数转换器，其特征在于，所述反相低阵列包括第四电容和第四电容组，所述第四电容的下极板和所述第四电容组的下极板均连接至所述第二输入端和所述比较器的反相输入端，所述第四电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第四电容组的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地。
7.根据权利要求6所述的一种高精度模数转换器，其特征在于，所述第四电容组包括N-3个电容，所述第四电容组的电容的下极板连接至所述第二输入端和所述比较器的反相输入端，所述第四电容组的电容的上极板分别通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，其中，所述第四电容组中的第i个电容的电容值为2i-1C，1≤i≤N-3，N表示数模转换器位数，且N≥4。
8.根据权利要求4所述的一种高精度模数转换器，其特征在于，所述第三电容的电容值为C。
9.根据权利要求6所述的一种高精度模数转换器，其特征在于，所述第四电容的电容值为C。
10.一种应用于权利要求1～9任一项所述的一种高精度模数转换器的转换方法，其特征在于，在第1次比较到第N-1次比较中，比较器的同相输入信号和反向输入信号保持共模；第N次比较中，同相输入信号和反向输入信号不共模。
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