CN115459769A - 一种带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器，包括电压输入端、比较模块和电容修调控制电路；电压输入端输入比较电压值和参考电压值至比较模块内，比较模块将得出的比较结果输出给电容修调控制电路，所述电容修调控制电路调整比较电压值，并通过电压输入端重新输入比较模块内；重复上述操作，促使比较电压值逐次逼近参考电压值；以确保在量化阶段输入电压的稳定。本发明提供一种带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器，通过设置的比较模块来调整输入电压，进而解决、量化过程出错和量化剩余电压出现偏差的问题；并且能降低DAC版图占用面积，减小功耗。

Description

一种带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器
技术领域
本发明涉及带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器。
背景技术
传统模数转换器中DAC结构需要占用较大的版图面积；并且在ADC量化非差分信号时，趋近共模电压不同导致ADC量化过程出错和量化剩余电压出现偏差的问题，会影响中间比较器或中间级放大器的动态性能，进而影响ADC量化剩余电压和量化精度；而且传统上几种广泛应用于长信道和短信道晶体管的阈值电压提取方法较为复杂与耗电，以此阈值电压判断出来的电压准位以及高电位与低电位的确准度亦较差。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器，通过设置的比较模块来调整输入电压，进而解决、量化过程出错和量化剩余电压出现偏差的问题；并且能降低DAC版图占用面积，减小功耗。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器，包括电压输入端、比较模块和电容修调控制电路；电压输入端输入比较电压值和参考电压值至比较模块内，比较模块将得出的比较结果输出给电容修调控制电路，所述电容修调控制电路调整比较电压值，并通过电压输入端重新输入比较模块内；重复上述操作，促使比较电压值逐次逼近参考电压值；以确保在量化阶段输入电压的稳定；所述比较模块的电路中晶体管采用双向组件结构设计，能同时产生相对应的阻值和反相器的作用，以准确判断电压准位和电位。
进一步的，所述比较模块包括带有分段参考电压最小权重电容阵列；所述带有分段参考电压最小权重电容阵列的模拟电压和输出数字码字的关系式为：
Figure BDA0003849825990000011
进一步的，所述带有分段参考电压最小权重电容阵列的ADC量化精度为N+2，能区分最小模拟电压为1/2N+2*VR；产生的电流功耗为VR/Rall。
进一步的，所述比较模块包括采样模块；所述采样模块包括第一选择开关、第二选择开关、第三选择开关、电容器CAP和比较单元；所述第一选择开关与所述比较单元的反向输入端相连，所述电容器CAP的正极连接所述第一选择开关和所述比较单元的反向输入端之间的连接节点，所述电容器CAP的负极接地，所述第二选择开关和所述第三选择开关均连接至所述比较单元的同相输入端。
进一步的，所述第三选择开关的开关工作状态与所述第一选择开关、所述第二选择开关的开关工作状态相反。
进一步的，所述采样模块的比较步骤为：
第一步：所述第一选择开关和所述电容器CAP采样保持选通输入的参考电压值VIN，所述第二选择开关用于平衡所述比较单元的输入电压，即参考电压值VIN；
第二步：所述比较单元比较所述参考电压值VIN和所述输入模块输出的所述比较电压值DAC_OUT，将比较结果，中间数字信号CMP_OUT输送给所述电容修调控制电路；
第三步：所述电容修调控制电路根据比较结果，中间数字信号CMP_OUT，采用SAR逻辑，使产生的所述比较电压值DAC_OUT逼近参考电压值VIN；
第四步：一次模数转换后，更新模数转换的结果，即更新DAC_OUT。
进一步的，所述比较模块包括电容阵列可调共模电压电路；所述电容阵列可调共模电压电路的电容下极板采样比较电压值，电容上极板采样参考电压的参考电压值；单侧电容下极板接参考电压高VREF，另外的电容接参考电压低GND；根据电荷守恒定理，比较器两端的输入电压分别为VREF-VINP和VREF-VINN；电容修调控制电路提取出电容上极板的比较电压值，并调整，将当前的比较电压值逐次逼近VCM电压。
进一步的，所述电容阵列可调共模电压电路的实施步骤为：
第一步：参考电压VREF为1V，GND为0V，比较电压值分别为0.7V和0.5V；比较器两端的输入电压VP、VN分别为0.3V和0.5V；
第二步：进入共模电压调整阶段，当前比较电压值为0.4V，需要调高；将C5C下极板电位保持为VREF，C4C下极板电位提升为VREF，上极板共模变为0.48V，0.4V+4u/50u*1V；
第三步：重复上述过程，直到最后一个C0C下极板电位设置结束；基于上述逻辑，C5C到C0C的设置应为11011，1代表下极板接VREF，0代表下极板接GND，最终的比较电压值变为0.52V，相较0.4V电压更趋近于参考电压值VCM。
进一步的，输入电压调整阶段可在量化过程中的任意阶段进行。
有益效果：本发明的方案输入端输入电压，输入到量化阶段，能通过采样模块和电容阵列可调共模电压电路两种方式对输入电压进行调整，促使比较电压值逐次逼近参考电压值；确保输入电压保持相对恒定，减小对中间比较器或中间级放大器的动态性能的影响，减小对ADC量化剩余电压和量化精度的影响；并且带有分段参考电压最小权重电容阵列的模数转换器，能大大减小了高精度模数转换器的面积和转换功耗。
附图说明
附图1为带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器电路布局图；
附图2为带有分段参考电压最小权重电容阵列电路布局图；
附图3为采样模块电路布局图；
附图4为输入电压调节阶段的相对位置图；
附图5为比较单元或比较器电路布局图；
附图6为放大器的晶体管电路布局图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1-6：一种带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器，包括电压输入端3、比较模块31和电容修调控制电路32；电压输入端3输入比较电压值和参考电压值至比较模块31内，比较模块31将得出的比较结果输出给电容修调控制电路32，所述电容修调控制电路32调整比较电压值，并通过电压输入端3重新输入比较模块31内；重复上述操作，促使比较电压值逐次逼近参考电压值；以确保在量化阶段输入电压的稳定；所述比较模块31的电路中晶体管采用双向组件结构设计，能同时产生相对应的阻值和反相器的作用，以准确判断电压准位和电位。输入的电压值的变化会影响中间比较器或者中间级放大器器的动态性能，进而影响ADC量化剩余电压和量化精度；通过电容修调控制电路32调整输入的电压值，达到输入电压在量化过程中相对恒定的效果，以减小对ADC量化剩余电压和量化精度的影响。
所述比较模块31包括带有分段参考电压最小权重电容阵列4；当设计为N为量化精度时，该结构至少需要2N-1个电容；所述带有分段参考电压最小权重电容阵列4的模拟电压和输出数字码字的关系式为：
Figure BDA0003849825990000031
带有分段参考电压最小权重电容阵列4的模数转换器结构简图如图2所示，最大区别是最低有效位电容不仅可以动作，并且可接多个成比例参考电压。所述带有分段参考电压最小权重电容阵列4的ADC量化精度为N+2，能区分最小模拟电压为1/2N+2*VR；产生的电流功耗为VR/Rall。多个参考电压的产生靠电阻分压的形式，如图2右侧所示。产生的电流功耗为VR/Rall，当电阻大小达到100kΩ级别，静态电流功耗将控制在10微安左右。当设计为16为精度的ADC时，单位电容总数将由32768个缩减到8192个。相比缩小的面积，额外增加的电阻面积可以忽略不计。功耗相比近1毫安的中间级放大器也小了好几个数量级。大大减小了高精度模数转换器的面积和转换功耗。
所述比较模块31包括采样模块1；所述采样模块1包括第一选择开关11、第二选择开关12、第三选择开关13、电容器CAP和比较单元14；所述第一选择开关11与所述比较单元14的反向输入端相连，所述电容器CAP的正极连接所述第一选择开关11和所述比较单元14的反向输入端之间的连接节点，所述电容器CAP的负极接地，所述第二选择开关12和所述第三选择开关13均连接至所述比较单元14的同相输入端；其中，通过所述第三选择开关13，所述电压输入端3的输出端连接至所述比较单元14的同相输入端，使得比较电压值DAC_OUT能够输入至所述比较单元12的同相输入端。
所述第三选择开关13的开关工作状态与所述第一选择开关11、所述第二选择开关12的开关工作状态相反；具体的，需要保证控制所述第二选择开关12和所述第三选择开关13的开关控制信号不会同时使能，即所述第二选择开关12和所述第三选择开关13不会同时闭合(二者的开关工作状态相反)，以防所述参考电压值VIN和所述比较电压值DAC_OUT短路；工作时，所述第一选择开关11和所述第二选择开关12同时闭合，以使所述比较单元14的同向输入端和反向输入端接收所述参考电压值VIN，平衡所述比较单元14的输入电压。
如图1，所述采样模块1的比较步骤为：
第一步：所述第一选择开关11和所述电容器CAP采样保持选通输入的参考电压值VIN，所述第二选择开关12用于平衡所述比较单元14的输入电压，即参考电压值VIN；
第二步：所述比较单元14比较所述参考电压值VIN和所述输入模块输出的所述比较电压值DAC_OUT，将比较结果，中间数字信号CMP_OUT输送给所述电容修调控制电路32；
第三步：所述电容修调控制电路32根据比较结果，中间数字信号CMP_OUT，采用SAR逻辑，使产生的所述比较电压值DAC_OUT逼近参考电压值VIN；
第四步：一次模数转换后，更新模数转换的结果，即更新DAC_OUT；电容修调控制电路32调整比较电压值DAC_OUT逼近参考电压值VIN，从而确保最终输入量化阶段的输入电压为相对恒定的电压，减小对ADC量化剩余电压和量化精度的影响。
所述比较模块31包括电容阵列可调共模电压电路；所述电容阵列可调共模电压电路中全部电容下极板比较电压值，电容上极板采样参考电压的参考电压值VCM；采样结束后，上极板采样开关先断开，下极板开关随后断开，单侧电容的C5和C5C下极板接参考电压高VREF，另外的电容接参考电压低GND；根据电荷守恒定理，比较器2两端的输入电压VP、VN分别为VREF-VINP和VREF-VINN；电容修调控制电路32会提取出电容上极板的比较电压值，并通过调整两侧的共模调整电容，将当前的比较电压值逐次逼近VCM电压。任意一个电容阵列都由共模调整电容和量化电容两部分组成，VINP和VINN为一对输入信号，VREF为参考电压高，GND为参考电压低，VCM为参考电压的共模电压，VP、VN分别为比较器的正负端输入电压，u代表电容大小。
如图3，所述电容阵列可调共模电压电路的实施步骤为：
第一步：参考电压VREF为1V，GND为0V，比较电压值分别为0.7V和0.5V；比较器2两端的输入电压VP、VN分别为0.3V和0.5V；
第二步：进入共模电压调整阶段，当前比较电压值为0.4V，需要调高；将C5C下极板电位保持为VREF，C4C下极板电位提升为VREF，上极板共模变为0.48V，0.4V+4u/50u*1V；
第三步：重复上述过程，直到最后一个C0C下极板电位设置结束；基于上述逻辑，C5C到C0C的设置应为11011，1代表下极板接VREF，0代表下极板接GND，最终的比较电压值变为0.52V，相较0.4V电压更趋近于参考电压值VCM。如下图4输入电压调试阶段相对位置图；输入电压调整阶段可在量化过程中的任意阶段进行。模数转换器能调整非差分信号的共模电压，即输入电压，解决在高精度ADC设计过程中，由于共模电压偏差引入的非线性误差。通过采样模块和电容阵列可调共模电压电路两种方式都能对输入电压进行调整，确保输入电压保持相对恒定，减小对中间比较器或中间级放大器的动态性能的影响，减小对ADC量化剩余电压和量化精度的影响。
如图5，比较单元或比较器由依次相连的电流加法器21、放大器22和动态锁存器23组成；其中放大器电路中应用于长信道和短信道晶体管的阈值电压提取方法较为复杂与耗电，以此阈值电压判断出来的电压准位以及高电位与低电位的确准度亦较差；所以利用图6所示的晶体管的排列设计架构，利用双向组件的设计，同时产生相对应的阻值与反相器的作用，达到精准判断电压准位与电位。
以上仅为本发明的较优实施例，并不用以限制本发明的技术方案，相对于本技术领域普通的技术人员而言，还可以在不脱离本发明上述原理的情况下，做出若干改进和改变，而这些改进和改变也同样视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器，包括电压输入端(3)、比较模块(31)和电容修调控制电路(32)；其特征在于：电压输入端(3)输入比较电压值和参考电压值至比较模块(31)内，比较模块(31)将得出的比较结果输出给电容修调控制电路(32)，所述电容修调控制电路(32)调整比较电压值，并通过电压输入端(3)重新输入比较模块(31)内；重复上述操作，促使比较电压值逐次逼近参考电压值；以确保在量化阶段输入电压的稳定；所述比较模块(31)的电路中晶体管采用双向组件结构设计，能同时产生相对应的阻值和反相器的作用，以准确判断电压准位和电位。
2.根据权利要求1所述的一种带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器，其特征在于：所述比较模块(31)包括带有分段参考电压最小权重电容阵列(4)；所述带有分段参考电压最小权重电容阵列(4)的模拟电压和输出数字码字的关系式为：
Figure FDA0003849825980000011
3.根据权利要求2所述的一种带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器，其特征在于：所述带有分段参考电压最小权重电容阵列(4)的ADC量化精度为N+2，能区分最小模拟电压为1/2N+2*VR；产生的电流功耗为VR/Rall。
4.根据权利要求3所述的一种带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器，其特征在于：所述比较模块(31)包括采样模块(1)；所述采样模块(1)包括第一选择开关(11)、第二选择开关(12)、第三选择开关(13)、电容器CAP和比较单元(14)；所述第一选择开关(11)与所述比较单元(14)的反向输入端相连，所述电容器CAP的正极连接所述第一选择开关(11)和所述比较单元(14)的反向输入端之间的连接节点，所述电容器CAP的负极接地，所述第二选择开关(12)和所述第三选择开关(13)均连接至所述比较单元(14)的同相输入端。
5.根据权利要求4所述的一种带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器，其特征在于：所述第三选择开关(13)的开关工作状态与所述第一选择开关(11)、所述第二选择开关(12)的开关工作状态相反。
6.根据权利要求5所述的一种带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器，其特征在于：所述采样模块(1)的比较步骤为：
第一步：所述第一选择开关(11)和所述电容器CAP采样保持选通输入的参考电压值VIN，所述第二选择开关(12)用于平衡所述比较单元(14)的输入电压，即参考电压值VIN；
第二步：所述比较单元(14)比较所述参考电压值VIN和所述输入模块输出的所述比较电压值DAC_OUT，将比较结果，中间数字信号CMP_OUT输送给所述电容修调控制电路(32)；
第三步：所述电容修调控制电路(32)根据比较结果，中间数字信号CMP_OUT，采用SAR逻辑，使产生的所述比较电压值DAC_OUT逼近参考电压值VIN；
第四步：一次模数转换后，更新模数转换的结果，即更新DAC_OUT。
7.根据权利要求3所述的一种带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器，其特征在于：所述比较模块(31)包括电容阵列可调共模电压电路；所述电容阵列可调共模电压电路的电容下极板采样比较电压值，电容上极板采样参考电压的参考电压值；单侧电容下极板接参考电压高VREF，另外的电容接参考电压低GND；根据电荷守恒定理，比较器(2)两端的输入电压分别为VREF-VINP和VREF-VINN；电容修调控制电路(32)提取出电容上极板的比较电压值，并调整，将当前的比较电压值逐次逼近VCM电压。
8.根据权利要求7所述的一种带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器，其特征在于：所述电容阵列可调共模电压电路的实施步骤为：
第一步：参考电压VREF为1V，GND为0V，比较电压值分别为0.7V和0.5V；比较器(2)两端的输入电压VP、VN分别为0.3V和0.5V；
第二步：进入共模电压调整阶段，当前比较电压值为0.4V，需要调高；将C5C下极板电位保持为VREF，C4C下极板电位提升为VREF，上极板共模变为0.48V，0.4V+4u/50u*1V；
第三步：重复上述过程，直到最后一个C0C下极板电位设置结束；基于上述逻辑，C5C到C0C的设置应为11011，1代表下极板接VREF，0代表下极板接GND，最终的比较电压值变为0.52V，相较0.4V电压更趋近于参考电压值VCM。
9.根据权利要求1所述的一种带有分段参考电压的逐次逼近模数转换器，其特征在于：输入电压调整阶段可在量化过程中的任意阶段进行。
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CN116614135A (zh) * 2023-05-18 2023-08-18 金华高等研究院(金华理工学院筹建工作领导小组办公室) 适用于同步时序sar adc的动态比较器及控制方法
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