[发明专利]一种用于传感器的低功耗电容阵列及其切换方法

说明书

本发明涉及一种用于传感器的低功耗电容阵列及其切换方法，包括第一电容阵列、第二电容阵列、第三电容阵列、第四电容阵列、比较器CMP1、比较器CMP2、4个采样开关、4个电平切换开关组和数字逻辑；本发明通过整体的阵列设计，并结合电容拆分组合方案，实现了采样、最高位和次高位比较不消耗能量。

技术领域

本发明涉及智能传感器控制领域，具体涉及一种用于传感器的低功耗电容阵列及其切换方法。

背景技术

随着科学与技术的发展，特别是这些年物联网的兴起，智能传感器市场正在以爆发式的速度扩张。传感器通过感知自然信号，将其转化为模拟信号，经过信号调理电路，将读出的数据交由微系统处理。集成的信号调理电路一般由模拟数字转换器组建，通常需要应用大量通道，这些必须要求模拟数字转换电路在面积和能耗方面达到高效。更糟糕的是，传感器系统一般是一个便携式或者独立的微系统，一般由电池供电，这进一步对模拟数字转换电路提出了更加严格的功耗要求。

SAR ADC由于其在中等分辨率的绝佳能效，在传感器模拟数字转换电路中被广泛使用。电容阵列是SAR ADC的最主要功耗来源，电容阵列切换方案的功耗直接影响了模拟数字转换电路的功耗。并且随着传感器正在向微型化发展，所以一个低功耗的电容阵列切换方案是传感器设计的一个关键。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种于传感器的低功耗电容阵列及其切换方法，实现了采样、最高位和次高位比较均不消耗能量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于传感器的低功耗电容阵列，包括第一电容阵列、第二电容阵列、第三电容阵列、第四电容阵列、比较器CMP1、比较器CMP2、4个采样开关、4个电平切换开关组和数字逻辑；输入信号V_IP通过采样开关1和采样开关3分别连接到第一电容阵列和第三电容阵列的顶极板，输入信号V_IN通过采样开关2和采样开关4分别连接到第二电容阵列和第四电容阵列的顶极板；所述第一电容阵列的顶极板与比较器CMP1的同相输入端相连，第二电容阵列的顶极板与比较器CMP1的反相输入端相连，第三电容阵列的顶极板与比较器CMP2的同相输入端相连，第四电容阵列的顶极板与比较器CMP2的反相输入端相连；所述第一电容阵列、第二电容阵列、第三电容阵列、第四电容阵列的电容的底极板分别与第一电平切换开关组、第二电平切换开关组、第三电平切换开关组、第四电平切换开关组的一端相接；所述电平切换开关组的另一端连接基准电平V_REF、地电平V_SS和共模电平V_CM；所述数字逻辑与比较器CMP1、比较器CMP2分别连接。

进一步的，所述第一电容阵列、第二电容阵列、第三电容阵列和第四电容阵列的最高位电容权重值均拆分成除最高位外一样的电容阵列，称为MSB array，其它电容阵列称为main array。

进一步的，所述第一电容阵列、第二电容阵列、第三电容阵列和第四电容阵列的MSB array和main array结构完全相同，均由二进制权重值为C、C、2C……2^N-5C的N-3个电容组成。

进一步的，所述第一电平切换开关组与第一电容阵列的底极板连接的2N-6个电平切换开关为单刀三掷开关，第二电平切换开关组与第二电容阵列的底极板连接的2N-6个电平切换开关为单刀三掷开关，第三电平切换开关组与第三电容阵列的底极板连接的2N-6个电平切换开关为单刀三掷开关，第四电平切换开关组与第四电容阵列的底极板连接的2N-6个电平切换开关为单刀三掷开关。

一种用于传感器的低功耗电容阵列的切换方法，包括对于输入信号V_IP和V_IN，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：