[发明专利]一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器及其转换方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器及其转换方法。

背景技术

逐次逼近型模数转换器是一种中高精度、中等转换速率、超低功耗的模数转换器结构。对于传感器、便携式设备及生物应用来说，要求模数转换器能够工作在低电源电压下。然而随着电源电压的降低，电路的增益受到了限制，而逐次逼近型模数转换器的结构只包括比较器、数模转换器和逐次逼近寄存器而不需要提供增益的电路。数字电路的功耗会随着工艺尺寸缩减比例不断减小，而模拟电路的功耗却很难随着工艺的进步而减小。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能有效减小电容阵列的平均开关功耗的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器及其转换方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器，包括电容阵列数模转换器、比较器和逐次逼近开关控制器，所述电容阵列数模转换器的输出端与比较器的输入端连接，所述比较器的输出端与逐次逼近开关控制器的输入端连接，所述逐次逼近开关控制器的输出端与电容阵列数模转换器的开关控制端连接。

作为所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的进一步改进，所述电容阵列数模转换器包括同相电容阵列和反相电容阵列，所述同相电容阵列的输出端连接至比较器的同相输入端，所述反相电容阵列的输出端连接至比较器的反相输入端。

作为所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的进一步改进，所述同相电容阵列包括N-1个同相电容单元，所述N-1个同相电容单元中的第2个同相电容单元至第N-1个同相电容单元的下极板之间依次通过开关连接，第1个同相电容单元和第2个同相电容单元的下极板均连接至比较器的同相输入端，所述第3个同相电容单元至第N-1个同相电容单元的上极板之间依次通过开关连接，所述第1个同相电容单元的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压，所述第2个同相电容单元至第N-1个同相电容单元的上极板分别通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述其中N表示模数转换器位数。

作为所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的进一步改进，所述第1个同相电容单元和第2个同相电容单元分别包括1个电容值为单位电容C的子电容，所述第3个同相电容单元分别包括1个电容值为2个单位电容C的子电容，所述第1个同相电容单元的子电容的下极板和第2个同相电容单元的子电容的下极板均连接至比较器的同相输入端，所述第1个同相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压，所述第2个同相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述第3个同相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述第3个同相电容单元的子电容的上极板通过开关与第4个同相电容单元的第2个子电容相连，所述第3个同相电容单元的子电容的下极板通过开关与第2个同相电容单元的子电容的下极板连接，所述第3个同相电容单元的子电容的下极板通过开关与第4个同相电容单元的子电容的下极板连接，所述第4个同相电容单元至第N-2个同相电容单元中，所述第i个同相电容单元包括子电容的数量为i-2，所述第i个同相电容单元中，第1个子电容的电容值为2个单位电容C，第2个至第i-2个子电容的电容值分别为C_j=2^j-1C，所述第1个子电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第1个子电容的上极板通过开关与第i+1个同相电容单元的第2个子电容相连，所述第2个子电容至第i-2个子电容的上极板分别通过开关与第i-1个同相电容单元的第1个子电容至第i-3个子电容的上极板相连，所述第2个子电容至第i-2个子电容的上极板分别通过开关与第i+1个同相电容单元的第3个子电容至第i-1个子电容的上极板相连，所述第1个子电容至第i-2个子电容的下极板耦合在一起通过开关与第i-1个同相电容单元的子电容的下极板连接，所述第1个子电容至第i-2个子电容的下极板通过开关与第i+1个同相电容单元的子电容的下极板相连，其中，i为4≤i≤N-2的自然数，j为2≤j≤i-2的自然数，C_j表示第j个子电容的电容值，所述第N-1个同相电容单元包括子电容的数量为N-3，第1个子电容的电容值为2个单位电容C，第2个至第N-3个子电容的电容值分别为C_k=2^k-1C，所述第1个子电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第2个子电容至第N-3个子电容的上极板分别通过开关与第N-2个同相电容单元的第1个子电容至第N-4个子电容的上极板相连，所述第1个子电容至第N-3个子电容的下极板耦合在一起通过开关与第N-2个同相电容单元的子电容的下极板连接，其中，k为2≤k≤N-3的自然数，C_k表示第k个子电容的电容值。