[发明专利]一种高能效SAR ADC的电容阵列开关方法

权利要求书

1.一种高能效SAR ADC的电容阵列开关方法，其特征在于，该方法基于的电容阵列采用两组相同的电容结构，同时引入一个Vaq＝1/4Vref的第三电平协助电容阵列的切换，包括采样开关、电容阵列、比较器和数字控制逻辑；第一输入信号Vip通过采样开关连接到P端分裂电容阵列高段DAC_PH和低段DAC_PL的顶极板，第二输入信号Vin通过采样开关连接到N端分裂电容阵列高段DAC_NH和低段DAC_NL的顶极板；P端电容阵列的顶极板与比较器同相输入端相连，N端电容阵列的顶极板与比较器的反相输入端相连；比较器的差分输出端通过数字控制逻辑后产生控制信号来控制P端和N端电容阵列的底极板开关，使上下电容阵列的底极板连接到对应的参考电压上；

所述的第一输入信号Vip和第二输入信号Vin，经过N次比较后，得到N位数字输出码，分为采样和转换两个阶段，具体包括以下步骤：

步骤A、采样阶段

第一输入信号Vip和第二输入信号Vin通过采样开关分别连接到P端分裂电容阵列高段DAC_PH和低段DAC_PL的顶极板和N端分裂电容阵列高段DAC_NH和低段DAC_NL的顶极板，高段电容阵列DAC_PH和DAC_NH中的所有电容的底极板连接到Vref参考电压，低段电容阵列DAC_PL和DAC_NL中的所有电容的底极板连接到Gnd；

步骤B、转换阶段

步骤B1，将采样开关断开，同时比较器分别直接对保持在P端和N端电容阵列顶极板的输入信号Vip和Vin进行MSB最高位比较，得到数字码D_N-1，根据数字码D_N-1控制P端和N端电容阵列中电容底极板的连接关系；

情况一：若D_N-1＝1，对于P端分裂电容阵列高段DAC_PH和N端分裂电容阵列低段DAC_NL的底极板同时切换到Vaq以产生-1/2Vref的电压偏移；

情况二：若D_N-1＝0，对于P端分裂电容阵列低段DAC_PL和N端分裂电容阵列高段DAC_NH的底极板同时切换到Vaq以产生1/2Vref的电压偏移；

步骤B2，比较器通过比较从步骤B1获取的P端和N端电容阵列顶极板电压，得出数字码D_N-2，根据数字码D_N-2控制控制P端和N端电容阵列中电容底极板的连接关系；

情况一：若D_N-2＝1，对于P端分裂电容阵列低段DAC_PL的底极板切换到Vaq，而N端分裂电容阵列低段DAC_NL的底极板切换到Vref以产生-1/4Vref的电压偏移；

情况二：若D_N-2＝0，对于P端分裂电容阵列高段DAC_PH的底极板切换到Gnd，而N端分裂电容阵列高段DAC_NH的底极板切换到Vaq以产生1/4Vref的电压偏移；

步骤B3，比较器通过比较从步骤B2获取的P端和N端电容阵列顶极板电压，得出数字码D_N-3，接下来的P端和N端电容阵列中电容底极板的连接关系需要根据数字码D_N-2和D_N-3一起控制；

(1)D_N-1＝1

情况一：若D_N-2D_N-3＝11，对于P端分裂电容阵列低段DAC_PL的底极板切换到Vaq，而N端分裂电容阵列的底极板保持不变以产生-1/8Vref的电压偏移；

情况二：若D_N-2D_N-3＝10，对于P端分裂电容阵列低段DAC_PL的底极板切换到Gnd，而N端分裂电容阵列低段DAC_NL中最高位电容的底极板切换到Gnd以产生1/8Vref的电压偏移；

情况三：若D_N-2D_N-3＝01，对于P端分裂电容阵列的底极板都切换到Vaq，而N端分裂电容阵列高段DAC_NH的底极板都切换到Vref以产生-1/8Vref的电压偏移；

情况四：若D_N-2D_N-3＝00，对于P端分裂电容阵列高段DAC_PH的底极板切换到Vaq，而N端分裂电容阵列的底极板保持不变以产生1/8Vref的电压偏移；

(2)D_N-1＝0

情况一：若D_N-2D_N-3＝11，对于P端分裂电容阵列的底极板保持不变，而N端分裂电容阵列高段DAC_NH的底极板切换到Vaq以产生1/8Vref的电压偏移；

情况二：若D_N-2D_N-3＝10，对于P端分裂电容阵列高段DAC_PH的底极板都切换到Vref，而N端分裂电容阵列的底极板都切换到Vaq以产生-1/8Vref的电压偏移；

情况三：若D_N-2D_N-3＝01，对于P端分裂电容阵列低段DAC_PL中最高位电容的底极板切换到Gnd，而N端分裂电容阵列低段DAC_NL的底极板切换到Gnd以产生1/8Vref的电压偏移；

情况四：若D_N-2D_N-3＝00，对于P端分裂电容阵列的底极板保持不变，而N端分裂电容阵列低段DAC_PL的底极板切换到Vaq以产生-1/8Vref的电压偏移；

步骤B4，比较器通过比较从步骤B3获取的P端和N端电容阵列顶极板电压，得出数字码D_N-4，接下来的P端和N端电容阵列中电容底极板的连接关系需要根据数字码D_N-4进行单调切换控制；

(1)D_N-2D_N-3＝11，10或00

情况一：若D_N-4＝1，对于P端分裂电容阵列高段DAC_PH中最高位电容的底极板从Vaq切换到Gnd，而N端分裂电容阵列的底极板保持不变以产生-1/16Vref的电压偏移；

情况二：若D_N-4＝0，对于P端分裂电容阵列低段DAC_PL中最高位电容的底极板从Gnd切换到Vaq，而N端分裂电容阵列的底极板保持不变以产生1/16Vref的电压偏移；

(2)D_N-2D_N-3＝01

情况一：若D_N-4＝1，对于P端分裂电容阵列低段DAC_PL中最高位电容的底极板从Vaq切换到Gnd，而N端分裂电容阵列的底极板保持不变以产生-1/16Vref的电压偏移；

情况二：若D_N-4＝0，对于P端分裂电容阵列的底极板保持不变，而N端分裂电容阵列低段DAC_PL中最高位电容的底极板从Vaq切换到Gnd以产生1/16Vref的电压偏移；

步骤B5，接下来的量化过程按照步骤B4中的情况说明对电容阵列中的电容依次进行切换直到切换C₂得出LSB位比较结果D₀，最终输出D_N-1,D_N-2…D₁,D₀的N位数字码。

2.根据权利要求1所述的高能效SAR ADC的电容阵列开关方法，其特征在于，所述P端分裂电容阵列均包括一个高段电容阵列DAC_PH和低段DAC_PL，两段电容阵列的结构完全相同，N端分裂电容阵列的结构与P端完全相同，各段电容大小为：C_i＝2^i-2C,其中2≤i≤N-3，电容C₁＝C₂＝C，其中C为单位电容大小。