CN108736890A - 一种逐次逼近型模数转换器及电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种逐次逼近型模数转换器及电子装置。该逐次逼近型模数转换器包括：比较器；异步时钟信号生成器，所述异步时钟信号生成器生成所述比较器的比较时钟信号；其中，所述异步时钟信号生成器包括：比较完成信号生成模块，所述比较完成信号生成模块基于所述比较器的比较结果生成比较完成信号；工艺角检测模块，所述工艺角检测模块用于检测工艺角；延时模块，所述延时模块用于产生延时，并基于所述工艺角检测模块的检测结果控制所述延时的长短。该逐次逼近型模数转换器可以实现比较器周期对工艺角的自适应，自动调整比较器速度，使得能够充分利用整个比较阶段，从而降低了对参考电压建立时间的要求。该电子装置具有类似的优点。

Description

一种逐次逼近型模数转换器及电子装置

技术领域

本发明涉及半导体集成电路技术领域，具体而言涉及一种逐次逼近型模数转换器及电子装置。

背景技术

随着集成电路和数字信号处理技术的快速发展，我们可以在数字域里实现比模拟域里更高精度，更快速度，更低价格的各种信号处理功能，因此，模数转换器作为模拟***和数字***的接口就变得非常重要。而在各种类型的模数转换器当中，逐次逼近型的模数转换器(SAR ADC)因为其低功耗，中等精度和中高分辨率而得到了广泛的应用。

异步SAR ADC由于可以实现更快的速度而受到广泛关注和应用。异步SAR ADC内部比较器采用异步时钟信号控制，使得每个比较周期均可以不同，因此可以实现更快的速度。异步SAR ADC内部比较器的比较周期取决于器件翻转速度，对于同种工艺，各个工艺角(PVT(process,voltage,temperature)Corner)下器件速度的差异非常大(例如FF工艺角下比SS工艺角下比较器速度快3倍)。在快速工艺角下，SARADC内部比较器比较周期短，对参考电压的建立时间的要求比较苛刻；在较慢工艺角下，SARADC内部比较器比较周期长，对参考电压的建立时间的要求比较宽松。目前的解决方法主要是采用同步设计方案或者尽可能增加参考电压的驱动能力，但是这两种方案会对器件的性能和设计难度造成影响。

因此，有必要提出一种逐次逼近型模数转换器及电子装置，以至少部分解决上述问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了克服目前存在的问题，本发明一方面提供一种逐次逼近型模数转换器，其包括：

比较器，所述比较器用于对输入信号进行比较并输出比较结果；

异步时钟信号生成器，所述异步时钟信号生成器生成所述比较器的比较时钟信号，以控制所述比较器的比较周期；

其中，所述异步时钟信号生成器包括：

比较完成信号生成模块，所述比较完成信号生成模块基于所述比较器的比较结果生成比较完成信号；

工艺角检测模块，所述工艺角检测模块用于检测工艺角；

延时模块，所述延时模块在所述比较完成信号作用下产生延时，并基于所述工艺角检测模块的检测结果控制所述延时的长短。

进一步地，所述工艺角检测模块包括环形振荡器，所述工艺角检测模块基于所述环形振荡器的频率来获得工艺角。

进一步地，所述环形振荡器包括N个首尾相连的反相器，其中N为大于等于2的自然数。

进一步地，所述延时模块包括M个依次连接的反相器，所述延时模块基于所述工艺角检测模块的检测结果控制所述反相器的工作数量来控制所述延时的长短，其中M为大于等于2的自然数。

进一步地，所述比较完成信号生成模块包括串联连接的与非门和反相器，所述与非门的输入端与所述比较器的输出端连接，所述反相器的输出端与所述延时模块的输入端连接。

进一步地，所述比较器包括前置放大器和锁存器，所述与非门的输入端与所述锁存器的输出端连接。

进一步地，还包括：电容阵列，所述电容阵列基于差分输入模拟信号产生正向电压和反向电压；参考电压生成单元，所述参考电压生成单元用于为所述电容阵列生成参考电压；控制单元，所述控制单元控制所述电容阵列依次切换位电容，并通过所述比较器完成逐次逼近比较。

进一步地，所述控制单元的输入端与所述比较器的输出端连接，用于根据所述比较器的比较结果控制所述电容阵列依次切换位电容。

进一步地，还包括：输出单元，其与所述控制单元的输出端连接，用于根据所述比较单元比较结果输出数字信号。

本发明提出的逐次逼近型模数转换器，通过检测工艺角，并基于工艺角调整异步时钟信号生成器中延时电路的延时，从而可以使各个工艺角下比较器的速度适中，实现比较器周期对工艺角的自适应调整，自动调整比较器速度，尤其是对于快速工艺角，使得比较器速度变慢，从而能够充分利用整个比较阶段，进而降低了对参考电压建立时间的要求。

本发明再一方面提供一种电子装置，其包括本发明提出的逐次逼近型模数转换器以及与所述逐次逼近型模数转换器连接的电子组件。

本发明提出的电子装置，由于其具有的逐次逼近型模数转换器可以实现比较器周期对工艺角的自适应，自动调整比较器速度，对于快速工艺角，比较器速度变慢，使得能够充分利用整个比较阶段，从而降低了对参考电压建立时间的要求。因此该电子装置具有类似的优点。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1示出目前一种逐次逼近型模数转换器的示意性电路结构图；

图2A示出图1所示逐次逼近型模数转换器的采样时钟信号、比较时钟信号和参考电压在快速工艺角下的示意性时序图；

图2B示出图1所示逐次逼近型模数转换器的采样时钟信号、比较时钟信号和参考电压在慢速工艺角下的示意性时序图；

图3示出了根据本发明实施例的逐次逼近型模数转换器的示意性结构图；

图4示出根据本发明实施例的比较完成信号生成模块的示意性结构图；

图5示出根据本发明实施例的工艺角检测模块的示意性结构图；

图6示出根据本发明实施例的延时模块的示意性结构图；

图7A示出图3所示逐次逼近型模数转换器的采样时钟信号、比较时钟信号和参考电压在快速工艺角下的示意性时序图；

图7B示出图3所示逐次逼近型模数转换器的采样时钟信号、比较时钟信号和参考电压在慢速工艺角下的示意性时序图；

图8示出了根据本发明一实施方式的电子装置的结构示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在…上”、“与…相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在…上”、“与…直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在…下”、“在…下面”、“下面的”、“在…之下”、“在…之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在…下面”和“在…下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构及步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

实施例一

为了更好地理解本发明，首先对异步SAR ADC的结构和工作原理进行描述。图1示出目前一种异步SAR ADC的结构示意图，如图1所示，该异步SAR ADC100包括电容阵列11、比较器12、控制单元13和输出单元14。电容阵列11例如包括第一组阵列和第二阵列，所述第一组阵列中的所有电容的上极板与差分模拟输入信号的正向信号输入端INP连接，以对所述正向信号输入端INP输入的正向信号进行采样，得到正向电压，所述第二组阵列中的所有电容的上极板与差分模拟输入信号的反向信号输入端INN连接，以对所述反向信号输入端INN输入的反向信号进行采样，得到反向电压。比较器12的两个输入端分别与所述电容阵列11的输出端连接，例如分别与所述第一组电容阵列和第二电容阵列的上极板连接，用于比较所述正向电压和反向电压，并输出比较结果。示例性地，比较器12一般包括前置放大器和锁存器，通过前置放大器对将待比较电压的差值进一步放大，通过锁存器完成比较和输出。

控制单元13的输入端与所述比较器12的输出端连接，用于根据所述比较结果控制电容阵列11依次切换位电容，例如控制第一组电容阵列和第二组电容阵列依次切换位电容，直至完成第一组电容阵列的上极板和第二组电容阵列的上极板的电压的逐次逼近，并控制所述第一组电容阵列和第二组电容阵列的所有电容的下极板在下一次采样时复位到初始值。输出单元14与控制单元13的输出端连接，用于根据所述比较结果输出数字信号。

其中，控制单元13包括异步时钟信号生成器130，异步时钟信号生成器130用于生成比较器12的比较时钟信号，通过比较时钟信号来控制所述比较器12每次比较的开始和以及比较周期的长短，从而使每个比较周期均根据符合该次比较所需时间(正向电压和反向电压相差越小，所需比较时间越长)，从而相对同步SAR ADC可以提高速度。

进一步地，异步SAR ADC还包括参考电压生成单元，所述参考电压生成单元用于为所述电容阵列生成参考电压，例如为所述第一组电容阵列和第二电容阵列的下极板提供参考电压，从而完成逐次逼近比较。

如前所述异步SAR ADC内部比较器的比较周期取决于器件翻转速度，对于同种工艺，各个工艺角(PVT Corner)下器件速度的差异非常大(例如FF工艺角下比SS工艺角下比较器速度快3倍)。图2A示出图1所示逐次逼近型模数转换器的采样时钟信号、比较时钟信号和参考电压在快速工艺角下的示意性时序图；图2B示出图1所示逐次逼近型模数转换器的采样时钟信号、比较时钟信号和参考电压在慢速工艺角下的示意性时序图。如图2A和图2B所示，在快速工艺角下，比较器的比较周期短，很快完成比较，这对参考电压的建立时间要求更苛刻。这是因为对于一个N位(bit)的ADC，参考电压最终要求达到的相应的Nbit的建立精度，假设快速工艺角下比ADC的转换时间是T，慢速工艺角下ADC的转换时间是3T，则对于快速工艺角，参考电压需要在T时间内建立到需要的精度；而对于慢速工艺角，在建立精度要求不变的情况下，参考电压的建立时间可以放宽到3T。因此，相比较而言，快速工艺角下对参考电压的建立时间的要求更加苛刻。

本发明基于此，提出一种异步SAR ADC其可以实现比较器比较器周期对工艺角的自适应，自动调整比较器速度，对于快速工艺角，比较器速度变慢，使得能够充分利用整个比较阶段，从而降低了对参考电压建立时间的要求。

图3示出了根据本发明实施例的逐次逼近型模数转换器的示意性电路结构图。可以理解的是，图3所示逐次逼近型模数转换器的结构与图1所示的逐次逼近型模数转换器结构基本类似，因此出于简洁，在图3中仅示出做出改进的部分，而其余诸如电容阵列、控制单元和输出单元等部分则被略去。

请参照图3，本实施例的逐次逼近型模数转换器300包括比较器12和异步时钟信号生成器130。

比较器12基于输入信号输出比较结果，示例性地如前所述比较器12的两个输入端分别与所述电容阵列11的输出端连接，例如分别与所述第一组电容阵列和第二电容阵列的上极板连接，用于比较所述正向电压和反向电压，并输出比较结果。示例性地，比较器12一般包括前置放大器和锁存器，通过前置放大器对将待比较电压的差值进一步放大，通过锁存器完成比较和输出。

异步时钟信号生成器130用于生成所述比较器的比较时钟信号，通过比较时钟信号来控制比较器12的比较周期，及控制比较器12每次比较的速度，从而实现异步控制提高SAR ADC的速度。

异步时钟信号生成器130包括比较完成信号生成模块131、工艺角检测模块132和延时模块133。

比较完成信号生成模块130基于所述比较器的比较结果生成比较完成信号。示例性地，如图4所示，在本实施例中，比较完成信号生成模块130包括串联连接的与非门NAND和反相器INV，所述与非门NAND的输入端与所述比较器12的输出端连接，所述反相器INV的输出端与所述延时模块133的输入端连接。进一步地，与非门NAND与比较器12中锁存器的输出端连接，由于当完成比较后，锁存器的两个输出端为相反信号，因此与非门输出高电平，即当与非门NAND输出高电平或反相器INV输出低电平时表示比较器12完成当前比较。

工艺角检测模块132用于检测工艺角，即检测比较器是处于快速工艺角还是慢速工艺角，从而便于根据工艺角调整比较器速度。示例性地，如图5所示，在本实施例中，工艺角检测模块132包括环形振荡器，该环形振荡器包括奇数个首尾相连的反相器INV。由于不同的工艺角下面反相器INV的速度会有差别，假设一个反相器INV的延时是T，则N个反相器级联形成的振荡器的震荡频率是F＝1/(2NT)，其中N是反相器的个数。对于快速工艺角，则F值大；而对于慢速工艺角，则F值小，因此F值的大小可以用来表征工艺角，如果震荡频率F偏高，则表明工艺角偏快；反之，如果振荡频率F偏慢，则表明工艺角偏慢，即在本实施例中，通过检测振荡器的频率来检测工艺角快慢。

延时模块133在所述比较完成信号作用下产生延时，并基于所述工艺角检测模块132的检测结果控制所述延时的长短。示例性地，如图6所示，在本实施例中，延时模块133包括偶数个反相器INV组成的延时电路，通过，假设每个反相器INV的延时为T，则通过N个反相器可以实现NT的延时，在本实施例中，该偶数个反相器由对应的开关电路控制以接入延时电路，也可以从延时电路中旁路，因此通过控制延时电路中反相器工作的数量即可控制延时电路延时的长短。即，在本实施例中，延时模块133基于所述工艺角检测模块132的检测结果控制延时电路中反相器工作的数量，来控制延时的长短，例如当工艺角检测模块132的检测结果表示处于快速工艺角下时，可以延时电路中具有更多的反相器，以增加延时，从而增大比较周期，当当工艺角检测模块132的检测结果表示处于慢速工艺角下时，则可以使用默认数量的反相器，或者减少延时电路中的反相器，从而比较周期更符合设计时长。

可以理解的是，环形振荡器和延时模块不限于上述奇数个和偶数个的显示，可以根据需要采用任意合适数量的反相器，或者采用其他的电路结构，而限于反相器组成的电路结构。

图7A和图7B分别示出了根据本实施例的异步逐次逼近型模数转换器的采样时钟信号、比较时钟信号和参考电压在快速工艺角下和慢速工艺角下的示意性时序图。与图2A图和图2B对比可知，本实施例的异步逐次逼近型模数转换器可以实现比较周期对工艺角的自适应调整，从而在所有工艺角下均可以充分利用整个比较阶段。

本实施例提出的逐次逼近型模数转换器，通过检测工艺角，并基于工艺角调整异步时钟信号生成器中延时电路的延时，从而可以使各个工艺角下比较器的速度适中，实现比较器周期对工艺角的自适应调整，自动调整比较器速度，尤其是对于快速工艺角，使得比较器速度变慢，从而能够充分利用整个比较阶段，进而降低了对参考电压建立时间的要求。

实施例二

本发明的再一个实施例提供一种电子装置，包括上述逐次逼近型模数转换器以及与所述逐次逼近型模数转换器连接的电子组件。

其中，该电子组件，可以为分立器件、集成电路等任何电子组件。

本实施例的电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可为任何包括该半导体器件的中间产品。

其中，图8示出手机的示例。手机800的外部设置有包括在外壳801中的显示部分802、操作按钮803、外部连接端口804、扬声器805、话筒806等。

本发明实施例的电子装置，由于其具有的逐次逼近型模数转换器可以实现比较器周期对工艺角的自适应，自动调整比较器速度，对于快速工艺角，比较器速度变慢，使得能够充分利用整个比较阶段，从而降低了对参考电压建立时间的要求，因此该电子装置同样具有类似的优点。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种逐次逼近型模数转换器，其特征在于，包括：

比较器，所述比较器用于对输入信号进行比较并输出比较结果；

异步时钟信号生成器，所述异步时钟信号生成器生成所述比较器的比较时钟信号，以控制所述比较器的比较周期；

其中，所述异步时钟信号生成器包括：

比较完成信号生成模块，所述比较完成信号生成模块基于所述比较器的比较结果生成比较完成信号；

工艺角检测模块，所述工艺角检测模块用于检测工艺角；

延时模块，所述延时模块在所述比较完成信号作用下产生延时，并基于所述工艺角检测模块的检测结果控制所述延时的长短。

2.根据权利要求1所述的逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述工艺角检测模块包括环形振荡器，所述工艺角检测模块基于所述环形振荡器的频率来获得工艺角。

3.根据权利要求2所述的逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述环形振荡器包括N个首尾相连的反相器，其中N为大于等于2的自然数。

4.根据权利要求1所述的逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述延时模块包括M个依次连接的反相器，所述延时模块基于所述工艺角检测模块的检测结果控制所述反相器的工作数量来控制所述延时的长短，其中M为大于等于2的自然数。

5.根据权利要求1-4中的任意一项所述的逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述比较完成信号生成模块包括串联连接的与非门和反相器，所述与非门的输入端与所述比较器的输出端连接，所述反相器的输出端与所述延时模块的输入端连接。

6.根据权利要求5所述的逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述比较器包括前置放大器和锁存器，所述与非门的输入端与所述锁存器的输出端连接。

7.根据权利要求1项所述的逐次逼近型模数转换器，其特征在于，还包括：

电容阵列，所述电容阵列基于差分输入模拟信号产生正向电压和反向电压；

参考电压生成单元，所述参考电压生成单元用于为所述电容阵列生成参考电压；

控制单元，所述控制单元控制所述电容阵列依次切换位电容，并通过所述比较器完成逐次逼近比较。

8.根据权利要求7项所述的逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述控制单元的输入端与所述比较器的输出端连接，用于根据所述比较器的比较结果控制所述电容阵列依次切换位电容。

9.根据权利要求7项所述的逐次逼近型模数转换器，其特征在于，还包括：

输出单元，其与所述控制单元的输出端连接，用于根据所述比较单元比较结果输出数字信号。

10.一种电子装置，其特征在于，包括如权利要求1-9中的任意一项所述的逐次逼近型模数转换器以及与所述逐次逼近型模数转换器连接的电子组件。