[发明专利]用于实现最小动态范围的逐次渐近型模数转换电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种模数转换电路(Analog-to-Digital Converter，ADC)，尤其是涉及一种通过对逐次渐近型积分器的输入参考电压的调整有效的实现以最小的动态范围的逐次渐近型模数转换电路(SAR ADC)。

背景技术

逐次渐近型模-数转换器(Successive Approximation Register Analog-to-Digital Converter，SAR ADC)诞生于20世纪40年代的美国贝尔实验室，SAR ADC仍是当今流行的ADC的主要架构之一。

尽管实现SAR ADC的方式千差万别，但其基本结构非常简单。模拟输入电压Vin由采样/保持电路保持。如图1所示，为电容式DAC实现SAR ADC的电路示意图。电容式DAC包括一个由N个按照二进制加权排列的电容C₁、C₂、C₃、...、C_N(N表示将模拟输入信号Vin进行模拟-数字转换后的数字信号位数)和一个电容C₀组成的阵列；假如最低位对应的电容C₁＝C，那么，C₀＝C；C₂＝2C；C₃＝4C；...；C_N＝2^N-1C。电容C₁、C₂、C₃、...、C_N以及电容C₀的公共端通过开关S_X接地，且该公共端连接比较器的负输出端；另外，C0通过切换开关S₀在模拟输入信号Vin和地GND之间切换，而电容C₁、C₂、C₃、...、C_N的自由端分别通过开关S₁、S₂、...、S_N在模拟输入信号Vin、参考电压信号Vref和地GND之间切换。

在采样阶段，由开关S_X将电容阵列的公共端接地，而电容阵列的自由端连接到输入信号Vin。采样后，公共端与地断开，自由端与Vin断开，在电容阵列上有效地获得了与输入电压成比例的电荷量。然后，将所有电容的自由端接地，驱动公共端(其电压为Vx)至一个负压-Vin。

作为二进制搜索算法的第一步，比较器U₁先输出数字信号的最高位(即第N位)。电容C_N通过开关S_N与地断开并切换连接至参考电压信号Vref，驱动公共端Vx向正端移动1/2*Vref。因此，Vx＝-Vin+1/2×Vref。

如果Vx＜0(即Vin＞1/2×Vref)，比较器输出为逻辑1。如果Vin＜1/2×Vref，比较器输出为逻辑0；如果比较器输出为逻辑1，最高位的电容C_N保持连接至考电压信号Vref，否则，最高位的电容C_N通过开关S_N连接至地。

第二步，对应转换后数字信号次高位的电容C_N-1通过开关S_N-1连接至Vref，此时：当上一步比较器输出逻辑为1时，Vx＝-Vin+(1/2+1/4)×Vref；当上一步比较器U₁输出逻辑为0时，Vx＝-Vin+(1/2-1/4)×Vref。将新的Vx电压与地电位进行比较，比较器U₁输出对应的逻辑。

继续上述过程，一共经过N步直至数字信号所有位的值均确定下来。

简言之，Vx＝-Vin+B_N-1×Vref/2+B_N-2×Vref/4+B_N-3×Vref/8+...+B₀×Vref/2^N-1，其中B为比较器U₁输出的数字信号对应位数的逻辑电平，且该数字信号从最低位至最高位分别为第1位至第N位。

从前面描述的SAR ADC的工作原理可知，SAR ADC的最小可分辨电压与其位数N成反比。如果基准电压Vref＝1V，SAR ADC的量化位数N＝8，那么其最小可分辨电压约为3.9mV，即SAR ADC的最低有效位LSB＝3.9mV。而基准电压Vref＝1V则限定了SARADC可有效转换的动态范围为0～1V。