[发明专利]一种适用于SAR ADC的自适应预测型低功耗开关方法

摘要

本发明公开了一种适用于SAR ADC的自适应预测型低功耗开关方法，方法基于的SAR ADC包括采样开关、电容阵列、比较器和数字控制逻辑，其中电容阵列包括上电容阵列和下电容阵列；输入信号通过采样开关同相端连接到上电容阵列的顶极板，输入信号通过采样开关反相端连接到下电容阵列的顶极板；上下电容阵列的顶极板分别与比较器的同相输入端、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上下电容阵列的底极板开关，使底极板连接到对应的参考电压上，且控制信号用于控制比较器的时钟。本发明能够通过数字负反馈来自适应地调节预测深度，实现开关功耗最小化。输出共模电平始终保持不变，极大地减小了比较器的设计复杂度。

主权项

1.一种适用于SARADC的自适应预测型低功耗开关方法，其特征在于，该方法基于的SAR ADC包括采样开关、电容阵列、比较器和数字控制逻辑，其中电容阵列包括完全相同的上电容阵列和下电容阵列；输入信号Vip通过采样开关同相端连接到上电容阵列的顶极板，输入信号Vin通过采样开关反相端连接到下电容阵列的顶极板；上电容阵列的顶极板与比较器同相输入端相连，下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上下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，且控制信号用于控制比较器的时钟；所述上下电容阵列均包括一个dummy电容C_d、最低位电容C₀、最高位电容为C_N‑2以及从最低位到最高位逐位按照二进制权重增加的电容；具体为：①最低位电容C₀至最高位电容C_N‑2符合二进制电容权重，其表达式为：C_i＝2ⁱC_u，0≤i≤N‑2其中，C_u为单位电容大小；C_i代表第i位电容；②dummy电容C_ddummy电容C_d与最低位电容C₀的电容值相同，均为单位电容大小，即C_d＝C_u；本方法的步骤包括：对于一个差分输入信号，经过模数转换器的N次比较后，得到N位数字输出码，具体为：步骤A、采样阶段步骤A1，预测深度K值初始化，若N为偶数，则K＝N/2，若N为奇数，则K＝(N‑1)/2；步骤A2，输入信号Vip和Vin通过采样开关分别连接到上电容阵列和下电容阵列的顶极板；步骤A3，确定上电容阵列所有电容的底极板电压：首先根据预测深度K，用第j‑1次转换得出的最高位电容C_N‑2至第K位电容C_N‑K‑1对应的高K位数字码D_j‑1，0，D_j‑1，1，...D_{j‑1，K‑2}，D_{j‑1，K‑1}控制上电容阵列高K位电容的底极板电压，具体为：若D_j‑1，i＝1，其中0≤i≤K‑1，i表示电容所在第i位，则C_N‑2‑i电容的底极板连接到参考电压Vref；若D_j‑1，i＝0，其中0≤i≤K‑1，则C_N‑2‑i电容的底极板连接到GND；直至上电容阵列高K位电容的底极板电压全部确定，其余所有低位电容的底极板连接Vcm参考电压；步骤A4，确定下电容阵列所有电容的底极板电压：首先根据预测深度K，用第j‑1次转换得出的最高位电容C_N‑2至第K位电容C_N‑K‑1对应的高K位数字码D_j‑1，0，D_j‑1，1，...D_{j‑1，K‑2}，D_{j‑1，K‑1}控制下电容阵列高K位电容的底极板电压，具体为：若D_j‑1，i＝1，其中0≤i≤K‑1，i表示电容所在第i位，则C_N‑2‑i电容的底极板连接到GND；若D_j‑1，i＝0，其中0≤i≤K‑1，则C_N‑2‑i电容的底极板连接到参考电压Vref；直至下电容阵列高K位电容的底极板电压全部确定，其余所有低位电容的底极板连接Vcm参考电压；步骤B、溢出检查阶段步骤B1，断开上、下电容阵列顶极板连接的采样开关，然后将所有电容的底极板连接至Vcm参考电压；此时，上、下电容阵列的顶极板电压差变为第j次采样值V_j和第(j‑1)次高K位数字码对应的模拟量V_j‑1，K的差值，其中步骤B2，判断差值V_j‑V_j‑1，K是否落在预定义的两个子区间[0，Vr]或者[‑Vr，0]，其中步骤C、转换阶段步骤C1，根据步骤B2的判断结果，分情况进行逐次逼近转换，得出SAR ADC整体第j次转换的最高位电容C_N‑2至最低位电容C₀对应的数字码D_j，0，D_j，1，...D_j，N‑2，D_j，N‑1；步骤D、预测深度调整阶段步骤D1，若连续出现三次CMP[0]和CMP[1]等于11或者00，则将K值减小1；若连续出现三次CMP[0]和CMP[1]等于01或者10，则将K值增大1。