[发明专利]一种用于单调开关方式的逐次逼近型模数转换器

说明书

技术领域

本发明涉及高速逐次逼近型(SAR)模数转换器(ADC)的电路结构和比较器电路的设计和实现，并涉及SAR ADC失调和噪声误差的容忍算法。

背景技术

ADC是通信、数字信号处理等系统中必不可少的模块。同时，随着消费类电子、手持式设备以及生物医疗设备的逐渐开发和流行，再加上电池技术的发展滞后于电子技术，对电子设备的可持续性和低功耗的要求逐渐提高。因此，开发高性能低功耗的ADC芯片是近年来的发展方向和趋势。

随着集成电路工艺的进步，电源电压必须下降，晶体管本征增益也随之下降，导致模拟电路的实现更加困难。因此，模拟电路的工艺通常落后数字电路两代或者更多。ADC作为模数转换接口，具有众多模拟电路的特征，通常也受限于上述缺陷。但是，作为特殊的一类ADC，SAR ADC中几乎不含模拟电路，因此可以在最大程度上得益于工艺的进步。

采用数字电路实现SAR ADC，可以在提高其采样率的同时降低系统的功耗，进而满足移动设备对低功耗和性能的要求。逐次逼近型模数转换器包括：电荷重分配数模转换器(DAC)、比较器、控制逻辑单元；其中n位电荷重分配数模转换器包括两端，每个单端的结构为2^n-1(n为大于1的整数)个单位电容并联，并且根据开关的先后顺序按照二进制累加的方式将每个单端的单位电容分组为n个组合电容：第1组有2^n-2个单位电容，最后两组都为1个电容，每个组合电容对应一位输出，通过控制逻辑单元分别控制除最后一组组合电容外的其它组合电容的开、关，从而n位SAR ADC需要n-1次组合电容的开关过程。其中，单调开关工作模式是SAR ADC控制逻辑和DAC的一种工作方式，具有逻辑简单，速度快的优势。但是由于工艺和电路的限制，SAR ADC中存在比较器失调和噪声误差，这些误差会降低系统的有效分辨率，在单调开关工作模式下SAR ADC的功耗、速度、精度的波动较大，导致该模数转换器工作不稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于单调开关方式下，功耗低，性能稳定的逐次逼近型模数转换器。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案一种用于单调开关方式的逐次逼近型模数转换器包括：电荷重分配数模转换器、比较器、控制逻辑单元。本发明在背景技术模数转换器中的电荷重分配数模转换器添加一个冗余电路，并对背景技术中比较器做出相应的修改，通过增加可以由逻辑控制的尾电流源，并且通过调节不同比较周期内尾电流的比例来实现对比较器失调和噪声的调节，从而达到功耗低，性能稳定的目的。

因而本发明一种用于单调开关方式的逐次逼近型模数转换器包括：电荷重分配数模转换器、比较器、控制逻辑单元；电荷重分配数模转换器的输出为比较器的输入，比较器的输出为控制逻辑单元的输入，控制逻辑单元根据输入反馈控制电荷重分配数模转换器和比较器。

所述电荷重分配数模转换器为n位电荷重分配数模转换器，包括两端，其中每个单端包括：2^n-1个单位电容和2^m个冗余单位电容，其中n为大于1的整数，m为大于0小于n-1的整数；各单端的所有电容并联，将所有单位电容根据开关的先后顺序按照二进制累加的方式分组为n个组合电容：第1组为2^n-2个单位电容，最后两组都为1个电容；所有冗余单位电容组合为一个冗余组合电容；组合电容和冗余组合电容的一端与采样输入连接，最后一组组合电容的另一端与参考电压GND连接，其余组合电容和冗余组合电容的另一端与参考电压V_ref或参考电压GND连接；控制逻辑单元分别控制除最后一组组合电容外的其它组合电容和冗余组合电容与参考电压V_ref或参考电压GND连接，并且控制冗余组合电容与参考电压V_ref或参考电压GND连接。

所述比较器包括：输入电路和输出电路；

其中输入电路包括5个PMOS管：第一PMOS管(M1)、第二PMOS管(M2)、第三PMOS管(M5)、第四PMOS管(M5`)、第五PMOS管(M14)；2个NMOS管：第一NMOS管(M3)、第二NMOS管(M4)；