[发明专利]差分电容阵列及其开关切换方法

说明书

本发明提供一种应用于电荷型SAR ADC的差分电容阵列及其开关切换方法。该差分电容阵列包括P端电容阵列、N端电容阵列、第一开关阵列、第二开关阵列和参考电压端；第一开关阵列分别电连接参考电压端和P端电容阵列的下极板；第二开关阵列分别电连接参考电压端和N端电容阵列的下极板；P端电容阵列和N端电容阵列的上极板分别通过开关连接正相输入V_IP和反相输入V_IN。电容阵列开关切换方法采用三种参考电压V_REF、V_CMH和V_CML，并结合一种新型的高效开关时序，该时序基于多参考电压技术以及单边切换技术，可极大地降低所述差分电容阵列的功耗和面积，同时显著减少在SAR ADC转换过程中最高位的建立时间，具有高速、低功耗的特点。

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，涉及逐次逼近型模数转换器，具体涉及一种应用于电荷型SAR ADC的差分电容阵列及其开关切换方法。

背景技术

逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)是根据二进制搜索的算法进行工作的模数转换器，主要包括采样保持电路、比较器、数模转换器(DAC)和逐次逼近逻辑控制等。相对于其他结构的模数转换器(ADC)，SAR ADC是一种中等精度、中等转换速率低功耗的模数转换器。由于SAR ADC具有结构简单、面积小、功耗低等优点，因而广泛应用在便携式、医疗等设备中。

在SAR ADC的电路中，DAC功能为将数字量转换为模拟量，是关键功能模块。根据信号处理方式与结构的不同，可以将SAR ADC中的DAC分为三类：电压型、电流型和电荷型。电压型DAC采用电阻梯式产生转换所需参考电平，但电阻的相对精度较低，且随着位数增加，单位电阻和开关个数呈指数增加；电流型DAC采用R-2R结构实现数据转换，但该结构的ADC的速度受运放带宽和摆率的限制；电荷型DAC采用基于电荷重分配的二进制算法实现转换功能，其电容阵列可直接用于系统的采样，电容阵列没有静态功耗，且电容比电阻有更好的相对精度，因此电荷型DAC更适合高精度和低功耗的设计。

对于电荷型SAR ADC，采用不同的开关切换策略会影响DAC电容的总量和参考电压消耗的动态能量。由于开关切换，参考电压需要对DAC电容阵列充、放电，由此引起的动态功耗占ADC的功耗的比重较大。采用传统开关切换方式的SAR ADC中，DAC模块的功耗占整体功耗的2/3。因此，减小电容阵列消耗的动态功耗很有必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种应用于电荷型SAR ADC的差分电容阵列及其开关切换方法，具有高速、低功耗的特点。本发明采用的技术方案是：

一种应用于电荷型SAR ADC的差分电容阵列，包括P端电容阵列、N端电容阵列、第一开关阵列、第二开关阵列、第一输入开关K1、第二输入开关K2和参考电压端；

所述第一开关阵列中每个切换开关分别连接所述参考电压端和P端电容阵列中相应电容的下极板；P端电容阵列中所有电容的上极板相连接，并通过第一输入开关K1接正相输入V_IP；

所述第二开关阵列中每个切换开关分别连接所述参考电压端和N端电容阵列中相应电容的下极板；N端电容阵列中所有电容的上极板相连接，并通过第二输入开关K2接反相输入V_IN。

进一步地，P端电容阵列中所有电容的上极板连接比较器的正相输入端；N端电容阵列中所有电容的上极板连接比较器的反相输入端。

进一步地，所述P端电容阵列和所述N端电容阵列均为二进制电容阵列；其中，在n位SAR ADC中，最高位电容C_n-3的电容值为2^n-4C，C为单位电容，第i位电容C_n-2-i的电容值为2^n-i-3C，且最低位电容C₁和辅助位电容C_aux的电容值均为C。