[发明专利]一种应用于逐次逼近模数转换器的低功耗开关方法

说明书

本发明公开了一种应用于逐次逼近模数转换器的低功耗开关方法，涉及微电子学与固体电子学领域，特别是该领域中电容型逐次逼近模数转换器中的电容阵列开关方法。本发明将电容阵列对半分成两个子电容阵列，在采样阶段减少了参考电压V_CM的使用，从而减少了额外的带隙基准电路的电路损耗。本发明基于拆分电容阵列提出了低位模拟比较单元思路，利用小电容模拟比较减少大电容在比较转换过程中频繁的开关操作导致额外的能量损耗。相较于传统的电容阵列开关方法，减少了额外的电路损耗以及能量损耗，大大地节省了面积和功耗。

技术领域

本发明涉及微电子学与固体电子学领域，特别是该领域中电容型逐次逼近模数转换器中的电容阵列开关方法。

背景技术

模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)作为连接数字离散世界与模拟连续世界的桥梁，广泛应用于军事、医疗、测控、人工智能、5G以及音频图像等领域。随着计算机科学和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)集成工艺的高速发展，数字电路的集成程度越来越高，模拟电路的功耗与面积越来越低，因此对于中高精度的模数转换器的需求也越来越高。常见的ADC主要分为流水线模数转换器(Pipelined ADC)，闪烁型模数转换器(Flash ADC)以及逐次逼近型模数转换器(Successive-Approximation-Register ADC,SAR ADC)。在众多的模数转换器中，逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)具有结构简单，数字化程度高，易集成，功耗低以及面积小等优势，使得SAR ADC成为满足中高精度、低功耗以及低成本ADC的首要选择并成为近几年ADC的研究热门之一。中高精度的逐次逼近型模数转换器在军事方面主要应用于雷达的精准测量以及导弹的精准打击；在医疗方面，SAR ADC主要对人脑电信号、心电信号以及肌肉电信号的精准测量；在网络建设方面，高精度SAR ADC对于5G基站的建立有着举足轻重的作用；在音频图像方面，为了保证高质量、高效地录制保存音频视频，也将需要高精度SAR ADC的使用。综上所述，高精度的模数转换器应用于生活中的各个方面，因此对于高精度模数转换器的研究与设计具有很高的价值。

在高精度SAR ADC设计过程中，主要的功耗来自于电容阵列、比较器以及SAR逻辑电路。随着CMOS工艺器件尺寸的进一步减小以及模拟电路的发展，数字电路和比较器的损耗得到明显的降低，因此电容阵列成为SAR ADC主要功耗的来源。这是因为：(1)电容阵列需要快速准确的开关操作，以便精准快速的对输入信号进行二进制搜索，冗长的开关方法操作将会造成多余的能耗以及转换周期偏长；(2)随着精度的提升，电容呈指数增长，芯片面积也随之增大，因此驱动电容的参考电压也更加困难，驱动功耗也随之增加。因此采用不同的开关切换方法会影响到电容阵列的能量损耗，高能耗的传统开关方法将会造成过多的能量损耗，将不再满足低功耗、高精度SAR ADC的设计要求。

传统差分电容阵列开关方法采用下极板进行采样，上极板连接参考电压V_CM，采样结束后，断开采样开关，正端电容阵列电容连接V_REF，负端电容阵列互补连接GND，则开始进行第一次比较，即输入电压与零之间的比较。此开关切换方法在转换过程中，正负电容阵列开关操作互补，则每一次比较过程中，正负电容阵列均会进行开关操作。因此，传统开关方法能量损耗严重。

V_CM-based开关方法采用上极板采样，下极板与V_CM连接，采样完成之后断开采样开关，比较器就开始进行第一次比较。此开关方法在第一次比较时没有任何能量损耗，相较于传统开关方法减少了很多的能耗。但是此开关方法需要一个精确的基准电压V_CM，此基准电压则需要精准的带隙基准电压源提供，而这部分电路所消耗的能量将高于电容阵列所节约的能量。此外，该开关方法在开始对大电容进行开关转换的时候依旧会产生较大的能量损耗以及采用上极板采样会受到寄生电容的影响，从而影响到电路的精度。

因此本发明采用一种基于拆分电容阵列的低位模拟开关方法，避免使用额外的基准电压V_CM以及降低大电容在比较过程中的能量损耗。