一种逐次逼近型模数转换器及其模数转换时开关切换方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种模数转换器及模数转换方法，特别是设及一种逐次逼近型模数转 换器及其模数转换时开关切换方法，属于模拟或数模混合集成电路技术领域。
【背景技术】
[0002] 逐次遍近型模数转换器（Successive Approximation Register Analog to Digital Converter, SAR ADC)是一种中高精度和中等速度的模数转换器，它的优点是低功 耗和面积小，常被应用于雷达、通信、图像传感和手机触摸屏等领域。
[0003] SAR ADC通常采用电荷重分配型结构，由于电容型逐次逼近型模数转换器的单位 电容总量与ADC精度成指数关系，对于较高精度的SAR ADC，电容总量和忍片面积会急剧增 加，开关电容切换时消耗的动态功耗也会随之增加；W至于电容型逐次逼近型模数转换器 在高分辨率情况下，需要使用大电容，不仅充放电功耗大，而且制作大电容浪费忍片面积、 经济效益不高。
【发明内容】
[0004] 本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种逐次逼近型模数转换 器及其模数转换时开关切换方法，不仅能有效减小电容阵列面积，还能节省开关切换时引 起的动态功耗。 阳〇化]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0006] 一种逐次逼近型模数转换器，包括多参考生成电路、电容阵列数模转换器、比较器 和逐次逼近控制逻辑，所述电容阵列数模转换器包括与比较器的同相输入端相连的同相端 电容阵列和与比较器的反相输入端相连的反相端电容阵列。
[0007] 其中，所述多参考生成电路用于输入参考电压化ef而生成共模电压Vcm、四分之 一参考电压Vref/4和四分之S参考电压3Vref/4 ;所述同相端电容阵列和反相端电容阵列 分别包括比逐次逼近型模数转换器输出的二进制编码位数N少3位的N-3位电容，每个电 容的非公共端通过开关选择连接多参考生成电路的输出端；所述比较器的输出端与逐次逼 近控制逻辑的输入端连接，所述逐次逼近控制逻辑的输出端分别与同相端电容阵列和反相 端电容阵列的开关控制端连接。
[0008] 本发明进一步设置为：所述多参考生成电路包括第一开关和八个等阻值电阻，所 述八个等阻值电阻为依次串联的第一电阻、第二电阻、第=电阻、第四电阻、第五电阻、第六 电阻、第屯电阻和第八电阻，所述第一电阻通过第一开关接地，所述第八电阻直接接地。
[0009] 其中，所述第四电阻和第五电阻连接的节点与参考电压化ef相连，所述第六电 阻和第屯电阻连接的节点生成共模电压Vcm,所述第一电阻和第二电阻连接的节点生成 四分之一参考电压化ef/4,所述第S电阻和第四电阻连接的节点生成四分之S参考电压 3化ef/4。
[0010] 本发明进一步设置为：所述同相端电容阵列包括并联连接的同相端第一位权重电 容子阵列、同相端第i-3位权重电容子阵列和同相端终端电容；所述反相端电容阵列包括 并联连接的反相端第一位权重电容子阵列、反相端第i-3位权重电容子阵列和反相端终端 电容。
[0011] 其中，所述同相端第一位权重电容子阵列和反相端第一位权重电容子阵列均包括 2^4个并联的单位电容，其中N为大于4的自然数；所述同相端第i-3位权重电容子阵列和 反相端第i-3位权重电容子阵列均包括2^ 1个并联的单位电容，其中i为5《i《N的自 然数；所述同相端终端电容和反相端终端电容均为一个单位电容。
[0012] 而且，所述同相端第一位权重电容子阵列、同相端第i-3位权重电容子阵列和同 相端终端电容中每个电容的公共端禪合在一起与比较器的同相端连接并通过正相开关连 接输入信号Vip ;所述反相端第一位权重电容子阵列、反相端第i-3位权重电容子阵列和 反相端终端电容中每个电容的公共端禪合在一起与比较器的反相端连接并通过反相开关 连接输入信号Vin ;所述同相端第一位权重电容子阵列、同相端第i-3位权重电容子阵列、 反相端第一位权重电容子阵列和反相端第i-3位权重电容子阵列中每个电容的非公共端 通过开关选择连接参考电压化ef、共模电压Vcm或接地；所述同相端终端电容和反相端 终端电容的非公共端通过开关选择连接参考电压化ef、共模电压Vcm、四分之一参考电压 化ef/4或四分之=参考电压:Wref/4。
[0013] 本发明还提供一种逐次逼近型模数转换器的模数转换时开关切换方法，包括W下 步骤：
[0014] 1)采样阶段；
[0015] 采用N-3位电容对构成的电容阵列数模转换器，通过N次比较实现精度为N位的 逐次逼近型模数转换器的模数转换；将同相端电容阵列的正相开关和反相端电容阵列的反 相开关闭合，使得同相端电容阵列中每个电容的公共端接输入信号Vip、使得反相端电容阵 列中每个电容的公共端接输入信号Vin ;
[0016] 将同相端第一位权重电容子阵列和反相端第一位权重电容子阵列中每个电容的 非公共端均通过开关选择接地，将同相端第i-3位权重电容子阵列和反相端第i-3位权重 电容子阵列中每个电容的非公共端、W及同相端终端电容和反相端终端电容的非公共端均 通过开关选择连接共模电压Vcm,模拟输入信号经过电容阵列数模转换器得到保持信号；
[0017] 。比较阶段； 阳0化]2-1)第一次比较：
[0019] 通过比较器对同相输入端和反相输入端的保持信号直接进行比较，并输出第一次 比较结果B(N);
[0020] 2-。第二次比较：
[0021] 根据第一次比较结果B (脚进行开关切换；
[0022] 若B(N) = 1，将反相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端通过开关选择连 接到共模电压Vcm,将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端和反相端终端电 容的非公共端均通过开关选择连接到参考电压化ef ;
[0023] 若B(N) = 0,将同相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端通过开关选择连 接到共模电压Vcm,将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端和同相端终端电 容的非公共端均通过开关选择连接到参考电压化ef ;
[0024] 电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相 输入端和反相输入端的信号大小进行比较，输出第二次比较结果B (N-I); 阳0巧]2-如第；次比较：
[00%] 根据第一次比较结果B (脚和第二次比较结果B (N-I)进行开关切换；
[0027] 若B(N)B(N-I) = 11，将反相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端通过开 关选择连接到参考电压化ef ;
[0028] 若B(N)B(N-I) = 10,反相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端连接共模 电压Vcm保持不变，将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端和反相端终端电 容的非公共端均通过开关选择连接到共模电压Vcm ; 阳029] 若B(N)B(N-I) = 01，同相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端连接共模 电压Vcm保持不变，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端和同相端终端电 容的非公共端均通过开关选择连接到共模电压Vcm ;
[0030] 若B(N)B(N-I) = 00,将同相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端通过开 关选择连接到参考电压化ef ;
[0031] 电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相 输入端和反相输入端的信号大小进行比较，输出第S次比较结果B (N-2);
[0032] 2-4)依次进行第四次至第i-2次比较，通过第i-2次比较输出第i-2次比较结果 B (N-i+3)，接着第i-1次比较，i为5《i《N的自然数；
[003引根据第一次比较结果B(N)、第二次比较结果B(N-I)、……和第i-2次比较结果 B(N-i+3)进行开关切换；
[0034] 若B㈱B(N-l)'''B(N-i+^ = 11…1，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的 非公共端均通过开关选择接地； 阳03引若B㈱B(N-I) = 11…0,将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的 非公共端均通过开关选择接共模电压Vcm ;
[0036] 若B㈱B(N-l)'''B(N-i+^ = 10…1，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的 非公共端均通过开关选择接地；
[0037] 若B㈱B (N-I)-B (N-i+扣=10…0,将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的 非公共端均通过开关选择接地；
[0038] 若B (N) B (N-I)…B (N-i+3) = Ol…1，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的 非公共端均通过开关选择接地；
[0039] 若B (N) B (N-I)…B (N-i+3) = Ol…0,将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的 非公共端均通过开关选择接地； W40] 若B (脚B (N-I)…B (N-i+如=00…1，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的 非公共端均通过开关选择接共模电压Vcm ;
[0041] 若B (脚B (N-I)…B (N-i+3) = 00…0,将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的 非公共端均通过开关选择接地；
[0042] 电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相 输入端和反相输入端的信号大小进行比较，输出第i-1次比较结果B (i-1)，i为5《i《N 的自然数；
[00创 2-5)依次进行第i次至第N-I次比较，通过N-I次比较输出第N-I次比较结果 B (2)，接着第N次比较，N为大于4的自然数；
[0044] 根据第N-I