[发明专利]一种适用于自动增益控制环路的逐次逼近型模数转换器

说明书

技术领域

本发明属于模拟与混合信号集成电路技术领域，具体涉及一种适用于自动增益控制环路的模数转换器。

背景技术

近年来，随着半导体器件（互补金属氧化物等）工艺尺寸的不断缩小，逐次逼近型（SAR）模数转换器在许多应用场合中发挥了作用，成为十分流行的结构。其中一个重要的原因是，在逐次逼近型模数转换器的电路中，不需要用到依靠高电源电压来保证工作性能的运算放大器，因此不会受到工艺尺寸缩小带来的影响。同时，由于工作时没有静态功耗，只有来自数字电路、开关以及电容充放电的动态功耗，逐次逼近型模数转换器具备了独一无二的低功耗特性，使得这一结构十分具有吸引力。

目前的研究大致上是从模数转换器的速度和精度上去提升逐次逼近型模数转换器的性能，有的应用在超宽带（UWB）领域，有的应用在无线通信接收机中，还有的应用在无线传感节点或生物医疗等低功耗场合。

基于自动增益控制环路的应用场合，本发明提出了一种代价较小的逐次逼近型模数转换器结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、代价较小的逐次逼近型模数转换器结构，应用在自动增益控制环路的场合。

根据自动增益控制环路的特性及其对模数转换器性能指标的要求，本发明提出的逐次逼近型模数转换器，由采样保持模块、电容阵列模块、开关阵列模块、比较器模块和数字控制模块构成，具体结构如图1所示，输入输出信号的说明如表1所示。其中： 

采样保持模块，用于对输入信号的采样，然后进行零阶保持。具体电路如图2所示。

电容阵列模块，用于完成电荷再分配功能。具体结构如图3所示。

开关阵列模块，配合电容阵列一起完成数模转换器的功能。具体结构如图4所示。

比较器模块，用于判决输入信号与参考电压之间的大小关系。具体电路如图5所示。

数字控制模块，用于对模拟量转换为数字量的过程进行时序控制。具体的状态转换过程如图6所示。

本发明中，所述电容阵列的大小采用二进制顺序排列，每个电容阵列由多个单位电容构成。

本发明中，所述开关阵列模块中的开关由互补的PMOS晶体管及NMOS晶体管构成。

本发明中，所述比较器的功能通过动态时序完成。

本发明中，所述数字控制模块的时序控制功能利用顺序执行的状态机完成，包含两种工作模式：连续采样模式和单次采样模式。 

本发明能够很好地满足自动增益控制环路对模数转换器的要求，以一套简单且代价小的硬件结构实现了逐次逼近型模数转换器的功能。

附图说明

图1  为适用于自动增益控制环路的模数转换器结构图。

图2  为采样保持模块电路图。

图3  为电容阵列模块结构图。

图4  为开关阵列模块结构图。

图5  为比较器模块电路图。

图6  为数字控制模块的状态转换图。

具体实施方式

根据本发明内容，适用于自动增益控制环路的模数转换器的具体实施方式如下：

 (1) 参照图1，输入信号首先经过一个取样保持电路模块，保证转换期间输入电压的稳定。后面跟着一个比较器，它通过逐次逼近的方法来产生数字信号的有效位。具体说来，就是比较器每一次的输出结果送到逐次逼近寄存器及数字控制模块，该模块通过数模转换器给出下一个参考电平，与输入信号进行比较，通过循环往复的方法使这一参考电平不断接近输入信号的大小，最后在满足精度要求的情况下完成模数转换的功能。 

显然，对于N 位的模数转换器，需要N 次转换过程，也就需要N 个时钟周期。

(2) 采样保持模块结构参照图2所示，左边的晶体管M1、M2和电容C1、C2构成了一个电荷泵，晶体管M1和M2的栅源交叉连接，源级与电容C1、C2的顶级板连接，漏端接电源电压。输入的开关控制信号分别通过两个反相器接到电容C1、C2的底级板。电容C3的上下极板分别接晶体管M13的源级和M12的漏极。右边开关管M11的栅极通过两个NMOS管M7和M10接成到地电位的通路。晶体管M5和M4接成反相器的形式，其输出接到晶体管M8的栅极，用来控制电荷泵输出的电压在开关导通时传到开关管M11的栅极。晶体管M9与M11串联，在开关导通时将输入信号传到电容C3的下极板。