[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

说明书

本发明公开了一种应用于近阈值SAR ADC的二进制电容阵列及其低功耗开关方法，通过对其核心模块DAC电容阵列的特殊构建并结合所提出的新的开关算法，能够大大降低SAR ADC转换过程中DAC部分的功耗。该算法只采用两个参考电平，适用于近阈值电压下的SAR ADC设计。通过灵活运用联合、分裂和浮置的电容开关技术，电容阵列的总面积与普通两电平电容开关技术所需要的电容阵列面积相比，减少50％。

技术领域

本发明涉及一种应用于近阈值SAR ADC的二进制电容阵列及其低功耗开关方法，属于SAR ADC的电容型DAC技术。

背景技术

低电压低功耗模拟数字转换器是移动设备、手持医疗诊断设备和无线传感器等场合的重要组成部分。这些应用的体积和使用时间均受限于供电的电池。SAR ADC相比于其他的ADC的一个突出的优点是低功耗，特别是在低电压甚至近阈值电压下，功耗可以做得更低。电容型DAC是SAR ADC中一个最重要的模块，其在转换工程的功耗在整个SAR ADC功耗中占有很大的比例。近些年来，人们的很多研究都在着力于降低该部分的功耗。通过优化DAC的电容开关算法，可以大大降低DAC的功耗。在已有的研究中，三电平的开关算法具有很大的优势，由于第三参考电平(一般为)的引入，开关算法会更加灵活，开关能量利用率会更高。但是第三电平的引入，在一定程度上是将DAC的开关功耗转移到基准电压源上。而且，在近阈值SAR ADC设计时，第三电平非常难做，这样第三电平的引入显得得不偿失。所以，在近阈值SAR ADC设计时，尽量避免第三电平的引入，而且需要尽量降低电容开关的功耗。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用于近阈值SARADC的二进制电容阵列及其低功耗开关方法，在开关能量损耗、电容面积以及DAC的线性度等方面相对于现有的两电平开关技术具有很高的优势，相对于三电平开关技术也具有一定的优势。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于近阈值SAR ADC的二进制电容阵列，对N比特的SAR ADC，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和C'_N-4,2再别分裂为两个电容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