[发明专利]一种应用于近阈值SAR ADC的二进制电容阵列及其低功耗开关方法

权利要求书

1.一种应用于近阈值SAR ADC的二进制电容阵列，其特征在于：对N比特的SARADC，整个电容阵列分为正负两端相等的两个电容阵列，每个电容阵列包括一个最高位电容C_N-3、N-4个高位电容、一个最低位电容C_u和一个dummy电容C_D，除最高位电容C_N-3、最低位电容C_u和dummy电容C_D外，其余每个高位电容均由两个相等的电容组成，并且这两个电容在数值上均等于该高位电容的次高位电容；具体为：

①最高位电容C_N-3

最高位电容C_N-3先分裂为两个电容C'_N-4,1和C'_N-4,2，C'_N-4,1和C'_N-4,2在数值上等于次高位电容C_N-4，即C'_N-4,1＝C'_N-4,2＝C_N-4；电容C'_N-4,1再分裂为两个电容C'_N-5,1和C'_N-5,2，同时C'_N-4,2也分裂为两个电容C'_N-5,1和C'_N-5,2，C'_N-5,1和C'_N-5,2在数值上等于第三高位电容C_N-5，即C'_N-5,1＝C'_N-5,2＝C_N-5；因此，最高位电容C_N-3的公式表达形式如下：

即：

②次高位电容C_N-4到第N-3高位电容C₁

高位电容C_i分裂为两个电容C'_i-1,1和C'_i-1,2，C'_i-1,1和C'_i-1,2在数值上等于次高位电容C_i-1，即C'_i-1,1＝C'_i-1,2＝C_i-1；因此，次高位电容C_N-4到第N-3高位电容C₁的公式表达形式如下：

C_i＝C'_i-1,1+C'_i-1,2，N-4≥i≥1

④最低位电容C_u和一个dummy电容C_D

最低位电容C_u和dummy电容C_D均为单位电容，且C_u＝C_D＝C₀；

每个电容阵列中，电容C'_i-1,1的参考电平复位状态与电容C'_i-1,2的参考电平复位状态的连接方式相反，即电容C'_i-1,1的下极板连接参考电压V_ref，电容C'_i-1,2的下极板连接GND；两个电容阵列中，除最低位电容C_u和dummy电容C_D外，其余电容的连接方式相同，正端的最低位电容C_u在参考电平复位状态时下极板连接参考电压V_ref，正端的dummy电容C_D在参考电平复位状态时下极板连接GND，负端的最低位电容C_u在参考电平复位状态时下极板连接GND，负端的dummy电容C_D在参考电平复位状态时下极板连接参考电压V_ref。

2.一种应用于近阈值SAR ADC的二进制电容阵列的低功耗开关方法，其特征在于：对于一个输入信号，经过N比特的SAR ADC的二进制转换后，得到D_ND_N-1…D₂D₁的数字码，包括如下步骤：

步骤一：采样阶段

每个电容阵列中，电容C'_i-1,1的参考电平复位状态与电容C'_i-1,2的参考电平复位状态的连接方式相反，即电容C'_i-1,1的下极板连接参考电压V_ref，电容C'_i-1,2的下极板连接GND；两个电容阵列中，除最低位电容C_u和dummy电容C_D外，其余电容的连接方式相同，正端的最低位电容C_u在参考电平复位状态时下极板连接参考电压V_ref，正端的dummy电容C_D在参考电平复位状态时下极板连接GND，负端的最低位电容C_u在参考电平复位状态时下极板连接GND，负端的dummy电容C_D在参考电平复位状态时下极板连接参考电压V_ref；

两个电容阵列中，电容的上极板参与电压采样：正端电容阵列中所有电容的上极板连接采样电压V_ip，负端电容阵列中所有电容的上极板连接采样电压V_in；

步骤二：转换阶段，确定D_N、D_N-1与D_N-2位

(21)首先确定D_N、D_N-1与D_N-2位，需要用到三组次高位电容，分别记为第一组次高位电容、第二组次高位电容和第三组次高位电容，其中两组次高位电容组成最高位电容；对正端电压V_ip和负端电压V_in直接进行一次比较，结果记为D_N，对得到的D_N进行分情况讨论：

情况一：若D_N＝1，则将正端的第一组次高位电容的分裂电容C'_N-5,1下极板从V_ref转到GND，将负端的第一组次高位电容的分裂电容C'_N-5,2下极板从GND转到V_ref，这样整个DAC的差分电压将减少记为V_diff,1，再次对正端电压V_ip和负端电压V_in进行一次比较，结果记为A₁；

情况二：若D_N＝0，则将正端的第一组次高位电容的分裂电容C'_N-5,2下极板从GND转到V_ref，将负端的第一组次高位电容的分裂电容C'_N-5,1下极板从V_ref转到GND，这样整个DAC的差分电压将增加记为V_diff,1，再次对正端电压V_ip和负端电压V_in进行一次比较，结果记为A₁；

(22)对得到的D_N和A₁进行分情况讨论：

情况三：若D_N≠A₁，则直接确定D_N-1＝A₁，D_N-2＝A₁；此时整个DAC的差分电压记为V_diff,3，比较器的结果为A₁，转入步骤三；

情况四：若D_N＝A₁＝1，将正端的第二组次高位电容的分裂电容C'_N-5,1下极板从V_ref转到GND，将负端的第二组次高位电容的分裂电容C'_N-5,2下极板从GND转到V_ref，这样整个DAC的差分电压将减少记为V_diff,2，再次对正端电压V_ip和负端电压V_in进行一次比较，结果记为A₂；

情况五：若D_N＝A₁＝0，将正端的第二组次高位电容的分裂电容C'_N-5,2下极板从GND转到V_ref，将负端的第二组次高位电容的分裂电容C'_N-5,1下极板从V_ref转到GND，这样整个DAC的差分电压将增加记为V_diff,2，再次对正端电压V_ip和负端电压V_in进行一次比较，结果记为A₂；

(23)对得到的A₁和A₂进行分情况讨论：

情况六：若A₁≠A₂，则直接确定D_N-1＝A₂，D_N-2＝A₁；此时整个DAC的差分电压记为V_diff,3，比较器的结果为A₂，转入步骤三；

情况七：若A₁＝A₂＝1，将正端的第三组次高位电容的分裂电容C'_N-5,1下极板从V_ref转到GND，将负端的第三组次高位电容的分裂电容C'_N-5,2下极板从GND转到V_ref，这样整个DAC的差分电压将减少记为V_diff,3，再次对正端电压V_ip和负端电压V_in进行一次比较，结果记为A₃；确定D_N-1＝A₁＝A₂，D_N-2＝A₃，比较器的结果为A₃，转入步骤三；

情况八：若A₁＝A₂＝0，将正端的第三组次高位电容的分裂电容C'_N-5,2下极板从GND转到V_ref，将负端的第三组次高位电容的分裂电容C'_N-5,1下极板从V_ref转到GND，这样整个DAC的差分电压将增加记为V_diff,3，再次对正端电压V_ip和负端电压V_in进行一次比较，结果记为A₃；确定D_N-1＝A₁＝A₂，D_N-2＝A₃，比较器的结果为A₃，转入步骤三；

步骤三：转换阶段，确定D_N-3到D₃位

(31)根据比较器的结果，确定D_N-3

若比较器的结果为1，将正端的第三高位电容的分裂电容C'_N-6,1下极板从V_ref转到GND，将负端的第三高位电容的分裂电容C'_N-6,2下极板从GND转到V_ref，这样整个DAC的差分电压将减少记为V_diff,4，再次对正端电压V_ip和负端电压V_in进行一次比较，结果记为D_N-3；

若比较器的结果为0，将正端的第三高位电容的分裂电容C'_N-6,2下极板从GND转到V_ref，将负端的第三高位电容的分裂电容C'_N-6,1下极板从V_ref转到GND，这样整个DAC的差分电压将增加记为V_diff,4，再次对正端电压V_ip和负端电压V_in进行一次比较，结果记为D_N-3；

(32)采用步骤(31)的方法，根据D_N-3，确定D_N-4

若比较器的结果为1，将正端的第四高位电容的分裂电容C'_N-7,1下极板从V_ref转到GND，将负端的第四高位电容的分裂电容C'_N-7,2下极板从GND转到V_ref，这样整个DAC的差分电压将减少记为V_diff,5，再次对正端电压V_ip和负端电压V_in进行一次比较，结果记为D_N-4；

若比较器的结果为0，将正端的第四高位电容的分裂电容C'_N-7,2下极板从GND转到V_ref，将负端的第四高位电容的分裂电容C'_N-7,1下极板从V_ref转到GND，这样整个DAC的差分电压将增加记为V_diff,5，再次对正端电压V_ip和负端电压V_in进行一次比较，结果记为D_N-4；

(33)采用步骤(31)和(32)的方法，根据比较器的结果修改第三组次高位电容次一级权重的分裂电容下极板的连接，确定D_N-5到D₃位；

步骤四：转换阶段，确定D₂到D₁位

(41)若D₃＝1，将正端和负端的最低位电容C_u的下极板进行短接形成联合电容，由于之前的转换过程中，DAC的共模电压保持不变，所以短接后，正端和负端的最低位电容C_u的下极板都变为V_cm，即整个DAC的差分电压将减少记为V_diff,N-2；再次对正端电压V_ip和负端电压V_in进行一次比较，结果记为D₂；

若D₃＝0，将正端和负端的dummy电容C_D的下极板进行短接形成联合电容，由于之前的转换过程中，DAC的共模电压保持不变，所以短接后，正端和负端的dummy电容C_D的下极板都变为V_cm，即整个DAC的差分电压将增加记为V_diff,N-2；再次对正端电压V_ip和负端电压V_in进行一次比较，结果记为D₂；

(42)若D₂＝1，将联合电容断开，原正端的联合电容下极板由联合状态变为连接GND，原负端的联合电容下极板由联合状态变为浮置状态；这样整个DAC的差分电压将减少记为V_diff,N-1；再次对正端电压V_ip和负端电压V_in进行一次比较，结果记为D₁；

若D₂＝0，将联合电容断开，原正端的联合电容下极板由联合状态变为浮置状态，原负端的联合电容下极板由联合状态变为连接GND；这样整个DAC的差分电压将增加记为V_diff,N-1；再次对正端电压V_ip和负端电压V_in进行一次比较，结果记为D₁。