[发明专利]一种模数转换器

说明书

技术领域

本发明广泛涉及模数转换器(ADC)和包括ADC的基于电池运转的 电子装置。

背景技术

基于电池运转的装置得到了广泛应用。例如，许多患者受益于提供实 时监测并可能提供现场治疗的可穿戴的医学装置。人们期待这些装置在重 量轻体积小的单一微型电池的作用下运转。因此这些装置需要在低的电源 电压(例如：1-1.5V)下以超低的能耗运转，以获得长的电池寿命。另外， 该装置需要具有低的输入噪声，以便提取非常弱的生物医学信号。还期望 这些装置具有轨对轨输入范围。因而，需要一种低电压低功率的生物医学 信号获取集成电路(IC)。

模数转换器(ADC)用作真实世界参数和数字信号之间的接口，并且 是混合信号IC中的重要组件。重要的是，ADC具有低电压和低功率。基 于电荷再分配的逐次逼近ADC广泛地用于低功率应用。其工作原理是在 所有的逐次逼近ADC中使用的二分查找算法。

图1示出了传统的基于电荷再分配的逐次逼近ADC 100。ADC 100的 二进制加权电容阵列102同时用作数模转换器(DAC)和采样电容。传统 的ADC 100非常依赖于模拟CMOS开关，其应该将全部电平的模拟信号 传递给电容阵列102。但是，在低电源电压下，即当V_DD＜V_thn+V_thp时， CMOS开关将对电压接近V_DD的一半的信号表现出非常高的电阻。因此， 传统的ADC 100不适用于低电压操作。已提出了多种修改用于降低电源电 压。

例如，已提出了一种如图2所示的ADC 200的结构，其中，将输入直 接馈送至比较器202。由于控制电容阵列的开关不再与输入信号连接，因 此控制电容阵列的开关仅需传输供电轨电平(supply-rail-level)的信号。但 是，应当注意，由于比较器202的输入处存在端口的采样保持(S/H)电 路204，因此使得所述开关仍存在潜在的问题。此处的补救将DAC的输出 调整为仅V_DD/2或者更低，以允许S/H电路204的校正操作。尽管该结构 200能够在低电源电压下(即V_DD＜V_thn+V_thp)工作，但是其输入范围限 于共模输入范围或者V_DD的一半中更低的一个。因此，其不能够处理轨对 轨的输入信号。

此外，提出了一种不需要比较器具有宽的共模输入范围的结构。但是， 除了电容阵列之外，其还需要额外的电容，这将导致费用增加。

图3示出了ADC 300的结构，其中，通过在转换之前缩小输入信号而 实现轨对轨的输入范围。但是，信号缩放是通过使用额外电容实现，这将 导致费用增加。

S/H电路通常在ADC之前，其会消耗不容忽视的功率和芯片面积。尽 管有可能将S/H电路和比较器相结合以节省芯片面积，但是仍需要消耗额 外的功率来提供S/H功能。

因此，需要提供一种具有轨对轨输入范围的低电压低功率的ADC来 解决至少一个上述的问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种模数转换器(ADC)，其 包括：输入开关；二进制加权电容阵列，在所述输入开关处于导通状态时， 所述电容阵列通过所述输入开关接收输入电压信号；多个开关，其每一个 在与所述输入开关相对的一侧分别与所述电容阵列中对应的一个串联，其 中，对于每个开关，当其处于一种开关状态下时，向其施加V_DD信号，而 当其处于另外一种开关状态下时，将其接地；比较器，其将来自所述电容 阵列的输入开关侧的电压作为一个输入，并将V_DD/2的电压作为另一输入； 以及逐次逼近寄存器(SAR)，其耦合于所述比较器的输出端，用于基于所 述比较器的输出控制所述开关。

在模数转换之前，所述输入开关可处于接通状态，以向所述二进制加 权电容阵列提供输入电压；在模数转换过程中，所述输入开关可处于断开 状态。

在模数转换的开始阶段，可将连接于所述电容阵列中具有最高有效位 (MSB)的电容的开关切换至所述V_DD信号，并且将所有其它的开关切换至 接地。