一种低共模电压变化的逐次逼近模数转换器电容开关方法与流程

1.本发明属于模拟集成电路设计领域，具体涉及一种差分电容式逐次逼近模数转换器的电容开关设计。


背景技术：

2.电容式dac是目前逐次逼近模数转换器最主流的设计方案，图2为一个标准的逐次逼近模数转换器结构图。在10位以上的较高精度的逐次逼近模数转换器中，由于比较器锁存级的失调电压远远大于转换器要分辨的最小电压，比较器前面都需要增加一级到多级的前置放大器来将电容dac提供的电压差值放大，从而盖过比较器锁存级的失调电压，同时能够有效减小锁存级回踢噪声对电容dac的影响。然而，放大器电路都有合适的共模电压工作范围，通常都不会太大，增益降幅3db以内的总范围一般不超过超出范围就会使得放大器性能急剧下降，甚至无法工作，从而影响到整个转换器的工作。以结构简单，功耗低为特点的逐次逼近模数转换器，也不值得为此使用高复杂度与功耗的专门放大器来缓解问题。传统型电容dac开关设计的共模变化范围高到和整个量程一致，近年来不少对电容dac开关的改进都着重于功耗的改进，提高了在低精度模数转换器中的表现，共模电压变化虽有所降低，但仍然难以满足高精度模数转换器需要的放大器正常工作条件。因此，现行设计常常通过牺牲电压范围，缩小转换范围来限制共模电压变化幅度，以保证较高精度逐次逼近模数转换器设计中，比较器前置放大器的正常工作。


技术实现要素：

3.本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种低共模电压变化的逐次逼近模数转换器电容开关方法。本发明的技术方案如下：
4.一种低共模电压变化的逐次逼近模数转换器电容开关方法，其包括：采用上极板的采样方式或下极板的采样方式对输入信号采样，采样完成后采用本专利所述逐次逼近开关方法完成模数转换，其中上极板的采样方式为保持所有电容接入v
ref
的情况下，直接在比较器输入端对信号进行采样，如图3所示。下极板的采样方式为在比较器输入端接入v
cm
，在电容下极板对输入信号进行采样，如图4所示，之后断开v
cm
，并使电容下极板回到v
ref
完成对输入信号的采样。其中模数转换使用比较器以及控制开关的逻辑电路依照本专利所述方法进行逐次逼近转换。
5.进一步的，当采用上极板的采样方式时，对于任何上极板采样的差分式电容阵列，首先电容对输入信号采样；采样时，采样期间，最高位的一组电容接入gnd，其余所有电容接入v
ref
参考电压；采样结束后进入保持阶段，此时v
xp
＝v
ip
，v
xn
＝v
in
，其中v
xp
、v
xn
分别为比较器正、负输入端电压，v
ip
、v
in
为差分输入信号正负端电压，再进入到准备比较的状态。
6.进一步的，当采用下极板的采样方式时：对于任何上极板采样的差分式电容阵列，首先电容对输入信号采样；采样时v
xp
和v
xn
接入v
cm
，v
cm
为参考电压，v
xp
侧所有msb段电
容下极板接v
in
，v
xn
侧所有msb段电容下极板接v
ip
，而两侧所有lsb段电容保持在v
ref
，其中v
xp
、v
xn
分别为比较器正、负输入端电压，v
ip
、v
in
为差分输入信号正负端电压；之后，断开v
cm
，再将最高位的一组电容接入gnd，其余所有电容接入v
ref
，进入保持阶段，此时，v
xp
＝v
ref
‑
v
in
，v
xn
＝v
ref
‑
v
ip
，而v
xp
‑
v
xn
＝v
ip
‑
v
in
，进入到准备比较的状态。
7.进一步的，所述采用模数转换进行转换具体包括：采样完后直接进行第一次比较，如果第一次比较结果为1，即v
xp
＞v
xn
，则将负输入端，即v
xn
侧的最高位电容c1由gnd接入v
ref
，此时而而准备进行第二次比较；如果第一次比较结果为0，即v
xp
＜v
xn
，则将正输入端，即v
xp
侧的最高位电容c1由gnd接入v
ref
，此时而准备进行第二次比较；而第二次比较的结果，将决定后续只对正负输入端某一侧的电容进行操作，直到转换完成；且无论第一次的结果如何，后续的操作都相同。
8.进一步的，如果第二次的比较结果为1，即v
xp
＞v
xn
，则将正输入侧，即v
xp
侧次高位的电容c2由v
ref
接入gnd；此时v
xp
下降即再进行第三次比较，如果比较结果为1，则继续将下一位电容c3由v
ref
接入gnd，此时再准备进行下一次比较；而如果第三次比较结果为0，则将上一位的电容即c2由gnd调回v
ref
后，再将下一位电容c3由v
ref
接入gnd，此时再准备进行下一次比较；后续不断重复这个过程，即第n次的比较结果为1时，将电容cn由v
ref
接入gnd，然后继续比较；而第n次的比较结果为0时，将上一位的电容即c(n
‑
1)由gnd调回v
ref
后，再将下一位电容cn由v
ref
接入gnd，然后继续比较，直到所有位比较完成。
9.进一步的，如果第二次的比较结果为0，即v
xp
＜v
xn
，则将负输入侧，即v
xn
侧次高位的电容c2由v
ref
接入gnd。此时v
xn
下降即再进行第三次比较，如果比较结果为0，则继续将下一位电容c3由v
ref
接入gnd，此时再准备进行下一次比较；而如果第三次比较结果为1，则将上一位的电容即c2由gnd调回v
ref
后，再将下一位电容c3由v
ref
接入gnd，此时再准备进行下一次比较；后续不断重复这个过程，即第n次的比较结果为0时，将电容cn由v
ref
接入gnd，然后继续比较；而第n次的比较结果为1时，将上一位的电容即c(n
‑
1)由gnd调回v
ref
后，再将下一位电容cn由v
ref
接入gnd，然后继续比较；直到所有位比较完成。
10.进一步的，所述逐次逼近模数转换器适用于不同类型的差分电容式dac电路，包括二进制式、分段式，
11.进一步的，当采用12位二段式电容阵列的逐次逼近模数转换器时，电容阵列分为两段，具体为6 5 1，lsb低位段6位，msb高位段5位加一个冗余电容，设单位电容为c，lsb段
电容分别c，2c，...，25c，而msb段为c，2c，...，24c和一个冗余电容c，参考电压v
ref
＝v
dd
。
12.本发明的优点及有益效果如下：
13.本发明的电容阵列及逻辑设计在不使用额外的特定电压值驱动的情况下，整个保持转换阶段中，比较器输入端共模电压保持在到在v
dd
＝2.5v的情况下，大部分时候比较器的前置放大器都能以良好的状态工作，在极少数极端的时候也仅仅损失了8db增益。相比之下，同样条件下现有的传统型电容开关逻辑会使前置放大器完全无法正常工作，单调型(mcs)电容开关逻辑的比较器输入端共模电压在到v
ref
，且分布更集中于靠近v
ref
的一侧，前置放大器也已经基本无法正常工作。对于10位以上逐次逼近模数转换器中，比较器的前置放大器是几乎必不可少的。与现有众多牺牲其他性能或增加电路辅助来满足工作条件的方法相比，本发明方法在不增加额外电路的情况下，不牺牲量程及其他参数性能，保持共模电压在较小的范围，保证了后续比较器中前置放大器的正常工作，是高精度逐次逼近比较器设计的优良解决方案。
附图说明
14.图1是本发明提供优选实施例逐次逼近模数转换器电容阵列开关方法的4位例图；
15.图2是逐次逼近模数转换器的典型基本结构框图；
16.图3是本发明的电容开关方法在上极板采样的示意图；
17.图4是本发明的电容开关方法在下极板采样的示意图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
19.本发明解决上述技术问题的技术方案是：
20.本发明方法可应用于大多数逐次逼近模数转换器，包括不同类型的差分电容式dac电路，二进制式、分段式等等。
21.以一个12位二段式电容阵列的逐次逼近模数转换器为例，介绍本发明方法的具体实施方式。电容阵列分为两段，具体为6 5 1，lsb段(低位段)6位，msb(高位段)段5位加一个冗余电容，设单位电容为c，lsb段电容分别c，2c，
…
，25c，而msb段为c，2c，
…
，24c和一个冗余电容c(dummy)。参考电压v
ref
＝v
dd
，保证最大量程和电压利用。其中，上极板采样和下极板采样除了采样时操作有所不同，后续其他操作均相同。
22.首先电容对输入信号采样。如图3所示，当电容阵列使用上极板采样时，采样期间，最高位的一组电容接入gnd，其余所有电容接入v
ref
。采样结束后进入保持阶段，此时v
xp
＝v
ip
，v
xn
＝v
in
。其中v
xp
、v
xn
分别为比较器正、负输入端电压，v
ip
、v
in
为差分输入正负端电压。如图4所示，而如果采用的是下极板采样，则采样时v
xp
和v
xn
接入v
cm
(即)，v
xp
侧所有msb段电容下极板接v
in
，v
xn
侧所有msb段电容下极板接v
ip
，而两侧所有lsb段电容保持在v
ref
。之后，断开v
cm
，再将最高位的一组电容接入gnd，其余所有电容接入v
ref
，进入保持阶段。此时，v
xp
＝v
ref
‑
v
in
，v
xn
＝v
ref
‑
v
ip
，而v
xp
‑
v
xn
＝v
ip
‑
v
in
。
23.采样完后直接进行第一次比较，如果第一次比较结果为1，即v
xp
＞v
xn
，则将负输入端，即v
xn
侧的最高位电容c1由gnd接入v
ref
，此时，此时而准备进行第二次比较；如果第一次比较结果为0，即v
xp
＜v
xn
，则将正输入端，即v
xp
侧的最高位电容c1由gnd接入v
ref
，此时而准备进行第二次比较。而第二次比较的结果，将决定后续只对正负输入端某一侧的电容进行操作，直到转换完成。且无论第一次的结果如何，后续的操作都相同。
24.如果第二次的比较结果为1，即v
xp
＞v
xn
，则将正输入侧，即v
xp
侧次高位的电容c2由v
ref
接入gnd。此时v
xp
下降即再进行第三次比较，如果比较结果为1，则继续将下一位电容c3由v
ref
接入gnd，此时再准备进行下一次比较。而如果第三次比较结果为0，则将上一位的电容即c2由gnd调回v
ref
后，再将下一位电容c3由v
ref
接入gnd，此时再准备进行下一次比较。后续不断重复这个过程，即第n次的比较结果为1时，将电容cn由v
ref
接入gnd，然后继续比较。而第n次的比较结果为0时，将上一位的电容即c(n
‑
1)由gnd调回v
ref
后，再将下一位电容cn由v
ref
接入gnd，然后继续比较。直到所有12位比较完成。
25.如果第二次的比较结果为0，即v
xp
＜v
xn
，则将负输入侧，即v
xn
侧次高位的电容c2由v
ref
接入gnd。此时v
xn
下降即再进行第三次比较，如果比较结果为0，则继续将下一位电容c3由v
ref
接入gnd，此时再准备进行下一次比较。而如果第三次比较结果为1，则将上一位的电容即c2由gnd调回v
ref
后，再将下一位电容c3由v
ref
接入gnd，此时再准备进行下一次比较。后续不断重复这个过程，即第n次的比较结果为0时，将电容cn由v
ref
接入gnd，然后继续比较。而第n次的比较结果为1时，将上一位的电容即c(n
‑
1)由gnd调回v
ref
后，再将下一位电容cn由v
ref
接入gnd，然后继续比较。直到所有12位比较完成。
26.所有位比较完成后，由模数转换器中的数字逻辑输出数字转换结果，完成一次逐次逼近模数转换。
27.只有当差分输入为时，转换过程中才会短暂出现小差模下共模电压接近临界值即使如此，比较器前置放大器也只是增益略微下降。而其他时候，都能使前置放大器都能工作在性能优异的范围内，满足后续比较器的正确工作。
28.表1本发明方法与传统型和热门改进型共模电压变化对比
[0029][0030][0031]
表1列出了各种电容阵列的设计，传统型，现有的热门改进型——单调开关(mcs)型，与本发明方法的对比。可以看出，传统型在v
dd
＝v
ref
的最大电压利用下，根本无法使前置放大器正常工作。而单调型的1/2v
ref
也会使前置放大器的增益有很大浮动并脱离正常工作范围。本发明开关方法将共模电压变化范围降到了1/4vref，可满足最大电压利用下，比较器前置放大器的正常工作。
[0032]
本技术的上述实施例中，一种采用了这种低共模电压变化的开关方法的12位逐次逼近模数转换器。通过在电容dac上使用该开关方法，使得转换过程中，比较器输入端的共模电压变化在一个较小的范围，无需额外电路和手段辅助就能使比较器的前置放大器全程正常工作，是高精度逐次逼近比较器设计的优良解决方案。
[0033]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0034]
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。