逐次逼近式模数转换转置的制作方法

1.本技术涉及电路技术领域，具体涉及一种逐次逼近式模数转换转置。


背景技术：

2.saradc(逐次逼近式模数转换器)是一种应用广泛的电路。近年来，随着电路技术的发展，植入式生物传感器接口和多通道神经记录技术广泛应用于各种生物实验中。作为基本电路模块的模数转换器(adc)是此类传感系统设计中的关键部件之一。由于电能预算有限以及面积限制，植入方案面临很大的挑战。对于8-12位慢采样率的常规需求，saradc(逐次逼近式模数转换器)被广泛应用于植入式生物数据采集电路中。
3.植入式生物数据采集电路对于其电路或电子元器件的功耗和面积要求较高。若电路或电子元器件的功耗过大，散发的热量会对整个植入式生物数据采集电路造成损坏。若电路或电子元器件的面积过大，则不利于生物体内植入。因此，植入式生物数据采集电路对于saradc的功耗和面积要求较高。现有技术的sar adc存在功耗过大、面积过大的缺陷，不能很好地满足植入式生物数据采集电路的在实际应用中的需要。


技术实现要素：

4.本技术的目的是提供一种逐次逼近式模数转换转置。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
5.根据本技术实施例的一个方面，提供一种逐次逼近式模数转换转置，包括比较装置、逐次逼近寄存器逻辑电路以及两个数模转换装置；
6.所述数模转换装置包括电容器阵列和多个多路选择装置；
7.所述电容器阵列包括桥接电容器以及通过所述桥接电容器相连接的最低有效位阵列和最高有效位阵列；
8.所述最低有效位阵列和所述最高有效位阵列均分别包括至少一个第一电容器；
9.各所述第一电容器均分别对应连接一个所述多路选择装置；
10.所述比较装置以及每一所述多路选择装置均分别与所述逐次逼近寄存器逻辑电路相连接；
11.两个所述数模转换装置分别与所述比较装置的正向输入端和负向输入端相连接。
12.进一步地，所述比较装置包括互相连接的预放大电路和锁存电路；
13.所述预放大电路至少包括两个mos管，所述两个mos管的栅极分别用于作为所述比较装置的正向输入端和负向输入端，所述两个mos管分别用于放大正向输入电压和负向输入电压；
14.所述锁存电路用于锁存所述预放大电路的输出。
15.进一步地，所述锁存电路包括正反馈连接的两个mos管。
16.进一步地，所述正反馈连接的两个mos管分别为第一nmos管和第二nmos管，所述第一nmos管的栅极连接所述第二nmos管的漏极相连接，所述第二nmos管的栅极连接所述第一nmos管的漏极相连接，所述第一nmos管的源极与所述第二nmos管的源极相连接，所述第一nmos管的漏极以及所述第二nmos管的漏极分别与所述预放大电路的两个输出端相连接。
17.进一步地，所述最低有效位阵列的电容器数量与所述最高有效位阵列的电容器数量之和为8。
18.进一步地，所述最低有效位阵列的电容器数量为1至7中的任一整数。
19.进一步地，所述最低有效位阵列的电容器数量为3，所述最高有效位阵列的电容器数量为5。
20.进一步地，所述预放大电路包括第一pmos管、第二pmos管、第三pmos管、第四pmos管、第五pmos管、第一nmos管、第二nmos管、第三nmos管和第四nmos管，所述第一pmos管和所述第二pmos管的栅极分别用于作为所述比较装置的正向输入端和负向输入端；所述第一nmos管的源极、所述第二nmos管的源极、所述第三nmos管的源极以及所述第四nmos管的源极连接在一起；所述第一nmos管的栅极和所述第二nmos管的栅极相连接；所述第三nmos管的栅极和所述第四nmos管的栅极相连接；所述第三pmos管的漏极连接所述第二nmos管的漏极；所述第四pmos管的漏极连接所述第三nmos管的漏极；所述第一nmos管的漏极、所述第三pmos管的源极分别连接所述第一pmos管的漏极；所述第四nmos管的漏极、所述第四pmos管的源极分别连接所述第二pmos管的漏极；所述第一pmos管的源极、所述第二pmos管的源极分别连接所述第五pmos管的漏极。
21.进一步地，所述逐次逼近寄存器逻辑电路中的时钟电路为同步时钟逻辑电路。
22.根据本技术实施例的另一个方面，提供一种植入式生物数据采集电路，包括上述任一项的逐次逼近式模数转换转置。
23.本技术实施例的其中一个方面提供的技术方案可以包括以下有益效果：
24.本技术实施例提供的逐次逼近式模数转换转置，其电容器阵列分为lsb阵列和msb阵列，能够改善差分非线性，减少电容器数量的指数级增长，从而大大减小电容器阵列的总面积以及功耗，能很好地满足植入式生物数据采集电路的在实际应用中的需要。
25.本技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者，部分特征和优点可以从说明书中推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本技术实施例了解。本技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1示出了一个实施例的逐次逼近式模数转换转置的结构框图；
28.图2示出了一个实施例的逐次逼近式模数转换转置的电路图；
29.图3示出了一个实施例中的一个数模转换器的电路图；
30.图4示出了一个实施例中的比较器的电路图；
31.图5示出了同步时钟的时序图。
具体实施方式
32.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本技术做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
33.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
34.如图1所示，本技术的实施例提供了一种逐次逼近式模数转换转置，包括比较装置、逐次逼近寄存器逻辑电路以及两个基于多电平切换的数模转换装置；数模转换装置包括电容器阵列和多个多路选择装置。比较装置可以为比较器或者其他能够实现数据比较功能的电路或元器件等。多路选择装置可以为多路选择开关或者其他能够实现数据选择功能的电路或元器件等。逐次逼近寄存器逻辑电路可以采用sar逻辑电路或者能够实现相同功能的电路或元器件。
35.如图2所示，在一个实施方式中，逐次逼近式模数转换转置为sar adc，即逐次逼近式模数转换器，该sar adc包括比较器、数字片上sar逻辑电路以及两个基于多电平切换的数模转换器(dac)，基于多电平切换的数模转换器包括电容器阵列和开关阵列，开关阵列包括多个多路选择开关。电容器阵列包括lsb(最低有效位，least significant bit)阵列、msb(most significant bit，最高有效位)阵列和桥接电容器ca，lsb阵列与msb阵列通过桥接电容器ca相连接。lsb阵列包括三个电容器，msb阵列包括五个电容器。该电容器阵列分为lsb阵列和msb阵列，可以改善差分非线性，可以减少电容器数量的指数级增长，可以减小电容器阵列的总面积。
36.在某些实施方式中，可以设置lsb阵列的电容器数量与msb阵列的电容器数量之和为8。lsb阵列的电容器数量可以为1至7中的任一整数，在本实施例中，lsb阵列中的电容器数量为3。
37.电容器失配误差与电容器尺寸的平方根成反比。lsb阵列的电容器数量与msb阵列的电容器数量的不同分配方案具有不同的电容器尺寸以及不同的电容器数量。采用5位msb阵列和3位lsb阵列，完全能够满足sfdr(无杂散动态范围)和thd(总谐波失真)的需求，并且能够使电容器阵列在满足sfdr和thd的需求条件下面积最小，故而是一种较优实施方式。本实施方式的逐次逼近式(sar)模数转换器(adc)，差分62.5ks/s、300nw，采用40nmcmos工艺技术制成，其硅上面积为0.005mm2。面积小、功耗低，适用于多通道模拟前端。当采样速率为62.5ks/s时，测量的fom为14.9fj/c-s，有效位数(enob)为8.3bit，无杂散动态范围(sfdr)为63.34db，总谐波失真(thd)为60.9db。
38.桥接电容器的第一端、msb阵列中各电容器的第一端均连接到比较器的一个输入
端。lsb阵列中的各电容器的第一端均连接到桥接电容器。比较器的输出端与数字片上sar逻辑电路相连接。lsb阵列和msb阵列中的各电容器的第二端均对应连接到一个多路选择开关上。
39.各电容器均表现出极性，桥接电容器的第一端、msb阵列中各电容器的第一端以及lsb阵列中的各电容器的第一端均呈现为负极性，桥接电容器的第二端、msb阵列中各电容器的第二端以及lsb阵列中的各电容器的第二端均呈现为正极性。数字片上sar逻辑电路与各多路选择开关相连接，用于控制各多路选择开关选择外部输入电压。在某些实施方式中还可以采用二元加权法减少多路选择开关的数量。
40.对应于lsb阵列的多路选择开关有三个可选档位，分别对应连接正向参考电压v
refp
,共模电压v
cm
和负向参考电压v
refn
，对应于msb阵列的多路选择开关有四个可选档位，分别对应连接正向参考电压v
refp
,共模电压v
cm
、负向参考电压v
refn
和输入电压(v
ip
和v
in
)。通过多路选择开关从正向参考电压v
refp
、共模电压v
cm
和负向参考电压v
refn
中选择一路接通，能够减少电容在充电过程和放电过程中所转移的电量。
41.在某些实施方式中，比较器的两个输入端之间连接有一个开关，两个输入端之间的电压为共模电压v
cm
。
42.如图3所示，lsb阵列会产生寄生电容c
kp
，msb阵列会产生寄生电容c
mp
。lsb阵列中的三个电容器分别为c
k0
、c
k1
和c
k2
，msb阵列中的五个电容器分别为c
m0
、c
m1
、c
m2
、c
m3
和c
m4
。c
k0
、c
k1
和c
k2
，分别对应连接多路选择开关d
k0
、d
k1
和d
k2
。c
m0
、c
m1
、c
m2
、c
m3
和c
m4
，分别对应连接多路选择开关d
m0
、d
m1
、d
m2
、d
m3
和d
m4
。
43.lsb阵列的输出电压为
[0044][0045]
k代表lsb阵列中电容器的数量。
[0046]
msb阵列的输出电压为
[0047][0048]
m代表msb阵列中电容器的数量。
[0049]ct
＝ca*(c
mt
c
kt
) c
kt
*c
mt
[0050][0051][0052]ckp
代表lsb阵列产生的寄生电容，c
mp
代表msb阵列产生的寄生电容。
[0053]
理想情况下，msb阵列和lsb阵列的电容器仍保持二进制关系。不同于lsb的寄生电容，msb阵列的寄生电容只引起增益误差，但该增益误差不是非线性的。因此，本实施例的布局设计使用非对称电容器布局，将主要的寄生电容置于msb阵列中，而非置于lsb阵列中。
[0054]
在某些实施方式中，比较器为strongarm比较器，包括互相连接的预放大电路和锁
存电路。预放大电路至少包括两个mos管，所述两个mos管的栅极分别用于作为比较器的正向输入端和负向输入端，该两个mos管分别用于放大正向输入电压和负向输入电压；锁存电路用于锁存所述预放大电路的输出。锁存电路可以包括正反馈连接的两个mos管(本实施例中为nmos管)。
[0055]
如图4所示，预放大电路包括9个mos管，分别为n1、n2、n3、n4、p1、p2、p3、p4和p5。n1、n2、n3和n4均为nmos管。p1、p2、p3、p4和p5均为pmos管。其中，p1的栅极和p2的栅极分别用于作为比较器的正向输入端和负向输入端；p1的栅极连接正向输入电压v
ip
，p2的栅极连接负向输入电压v
in
，p1用于放大正向输入电压v
ip
，p2用于放大负向输入电压v
in
。p1的漏极通过p3连接到锁存电路，p2的漏极通过p4连接到锁存电路。预放大电路中的其他7个mos管用于作为开关。n1的源极、n2的源极、n3的源极以及n4的源极连接在一起；n1的栅极和n2的栅极相连接；n3的栅极和n4的栅极相连接；p3的漏极连接n2的漏极；p4的漏极连接n3的漏极；n1的漏极和p3的源极分别连接p1的漏极；n4的漏极和p4的源极分别连接p2的漏极；p1的源极、p2的源极分别连接p5的漏极。
[0056]
strongarm比较器能够多路复用不同的相位，从而能够降低功耗。strongarm比较器由时钟clk的上升沿触发而进入预放大阶段。当v
ip
和v
in
被放大到足够大时，其将进入正反馈阶段。比较结果将被锁存在锁存电路中，并被输入sar逻辑电路中。
[0057]
数字片上sar逻辑电路中的时钟电路采用同步时钟逻辑电路以减少额外的电路开销。控制信号clk_1m、counter、sample_en、conv_en和adc_rdy的时序图如图5所示。每个转换阶段划分为16个时钟周期。采样和转换的总时钟周期分别为7和9。
[0058]
为了减小电荷注入的影响，在进行采样时可以采用背板采样方法。在采样阶段，电容器的负极性端连接到输入v
in
，而正极性端连接到v
cm
。在采样阶段之后，电容器的正极性端挂起，而负极性端连接到v
cm
。差分输出计算如下
[0059]voutn
＝2v
cm-v
in
＝v
ip
[0060]voutp
＝2v
cm-v
ip
＝v
in
[0061]
在转换阶段，转换操作从msb开始。
[0062]
根据电容器的输出结果，v
cm
到v
refp
或v
refn
将被选择，电压稳定后，比较器进行下一次比较。
[0063]
本技术实施例提供的逐次逼近式模数转换转置，其电容器阵列分为lsb阵列和msb阵列，能够改善差分非线性，减少电容器数量的指数级增长，从而大大减小电容器阵列的总面积以及功耗，能很好地满足植入式生物数据采集电路的在实际应用中的需要。
[0064]
本技术的另一个实施例提供了一种植入式生物数据采集电路，包括上述任一实施方式的逐次逼近式模数转换转置。
[0065]
需要说明的是：
[0066]
以上所述实施例仅表达了本技术的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。