[发明专利]混合电容翻转技术控制SAR ADC电平开关方法

说明书

本发明公开了一种混合电容翻转技术控制的逐次逼近型模数转换器SARADC电平开关方法，其实现过程是：(1)采用上极板采样技术对输入信号进行采样；(2)比较器第一次比较完成后采用电容阵列同时翻转技术，切换电容阵列开关；(3)在后续转换过程中，采用多电平开关技术，根据比较结果切换电容阵列开关,直至转换完成。本发明提出的混合电容翻转技术由上极板采样技术，电容阵列同时翻转技术和多电平开关技术组成，该技术提高了转换速度，减少了差分电容阵列的电容数量，降低了转换过程需要的能量。

技术领域

本发明属于电子物理技术领域，更进一步涉及微电子技术领域中的一种混合电容翻转技术控制逐次逼近型模数转换器SAR ADC(Successive-Approximation-RegisterAnalog-to-digital converter)电平开关的方法。本发明是对采样开关，差分电容阵列，差分电容阵列开关，比较器和控制逻辑电路组成的逐次逼近型模数转换器SAR ADC，通过混合电容翻转技术，控制转换器的差分电容阵列中开关的切换，根据开关切换结果从已有的电平中选择待连接的电平。

背景技术

逐次逼近型模数转换器SAR ADC中电容阵列的开关切换是模数转换器的重要功耗来源，目前已经提出了一些电平开关方法，例如单调电平开关方法和V_CM-based电平开关方法。

北京大学(天津滨海)新一代信息技术研究院在其申请的专利文献“一种新型高精度电容自校准逐次逼近型模数转换器”(申请号201610239462.8，申请公开号CN 105933004A，公开日为2016.09.07)中公开了一种新型高精度电容自校准逐次逼近型模数转换器的电平开关方法，该方法的具体的步骤如下：采样阶段将采样开关闭合，采样电容上极板接入共模电平，下极板接输入信号，将输入信号采样到电容极板中。随后在逐次逼近阶段中对采样值进行保持并比较，根据比较结果改变采样电容下极板开关，进行电荷分配，并将比较结果输出到后方数字电路中，形成一系列数字码流，如此循环往复，就可以完成逐次逼近的模数转换。该方法存在的不足之处是，由于采用下极板采样技术，需要在第一个时钟周期中将下极板与输入信号断开后，才能在第二个时钟周期中将电容阵列的上极板接比较器对输入信号进行第一次比较，因此整个电平切换过程速度慢，无法在快速采样过程中应用。

Zhu,Y.等人在其发表论文“A 10-bit 100-MS/s reference-free SAR ADC in90nm CMOS”(IEEE J.Solid-State Circuits,2010,45,(6),pp.1111–1121)中提出了一种基于V_CM-based技术的电平开关方法。该方法的具体的步骤如下：在采样阶段，两个电容阵列的上极板通过采样电路对输入信号进行采样，所有电容下级板都接V_CM中间电平；在转换阶段，比较器直接对两个差分输入信号进行第一次比较，根据比较结果对开关进行切换，改变开关所接电平；在后续比较过程中，比较器根据两个输入信号得到比较结果，改变电容阵列的接法，直至最后一次比较完成。该方法存在的不足之处是，该方法在每产生一位数码时只切换一位电容的电平，因此N位转换器需要N对的差分电容，需要的电容数量较多，硬件资源开销较大。

Zhu，Z.等人在其发表论文“VCM-based monotonic capacitor switching schemefor SAR ADC”(Electron.Lett.,2013,49,(5),pp.327–329)中提出了一种基于VMS技术的电平开关方法。该方法的具体的步骤如下：在采样阶段，两个电容阵列的上极板通过采样电路对输入信号进行采样，所有电容下级板都接V_CM中间电平；在转换阶段，比较器直接对两个差分输入信号进行第一次比较，根据比较结果对单侧电容阵列开关同时进行切换，改变开关所接电平；在后续比较过程中，比较器根据两个输入信号得到比较结果，改变电容阵列的接法，直至最后一次比较完成。该方法存在的不足之处是，该方法在转换过程中采用的转换电平差值较大，造成的功耗较高，不利于在低功耗场合应用。

发明内容