一種sar adc的低壓超低功耗高精度比較器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及電子電路技術，具體涉及一種SAR ADC的低壓超低功耗高精度比較器。包括前置放大器、可再生鎖存器、檢測器、比較器時鐘發生器和傳輸門開關。單個可再生鎖存器構成精度較低的粗比較器；前置放大器級聯可再生鎖存器構成精度較高的精比較器。給定一個電壓范圍，當比較器的輸入電壓落在電壓范圍之外，精比較器不工作；當其落在電壓范圍之內，精比較器工作。本發明的有益效果為，通過檢測比較器輸入電壓的大小來選擇不同精度的比較器工作，從而在不影響比較器精度的情況下降低比較器的功耗。本發明尤其適用于低壓超低功耗SAR ADC。
【專利說明】—種SAR ADC的低壓超低功耗高精度比較器
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子電路技術，具體的說是涉及一種SAR ADC的低壓超低功耗高精度比較器。
【背景技術】
[0002]模數轉換器(ADC)是現實世界中模擬信號通向數字信號的橋梁，一些生物醫學信號諸如心電圖、腦電圖、肌電圖需要通過一個中等分辨率(8-14bits)和采樣率(1-1OOOkHz)的ADC來數字化。逐次逼近型模數轉換器(SAR ADC)因為其在能量效率、轉換精度以及設計復雜度之間的良好折中而使得其非常適合于生物醫學應用。
[0003]一般來說，對于分辨率在10位或者以下的SAR ADC,通常采用一個動態可再生鎖存器作為比較器。然而，由于動態可再生鎖存器具有較大的噪聲，因此這種比較器對于更高分辨率如12位或者以上的SAR ADC是不適合的。通常，為了提高比較器的精度，往往會在動態可再生鎖存器前級聯一級或多級放大器。這樣做的代價是大大增加了比較器的功耗。
[0004]目前見諸于報道的應用于測量生物醫學信號的SARADC精度普遍在10位或者以下，功耗在納瓦級別。對于更高精度的測量要求，由于比較器功耗的限制，要做到納瓦級別的超低功耗SAR ADC，往往是非常困難的。
【發明內容】
[0005]針對上述問題，本發明提出了一種SAR ADC的低壓超低功耗高精度比較器。
[0006]其具體技術方案是:
[0007]該SAR ADC的低壓超低功耗高精度比較器，包括前置放大器、可再生鎖存器、檢測器、比較器時鐘發生器和傳輸門開關；
[0008]比較器時鐘發生器用于產生前置放大器控制信號以及可再生鎖存器時鐘，檢測器用于設定電壓范圍的大小以及檢測比較器輸入電壓差的范圍，傳輸門開關用于選擇信號的傳輸路徑。
[0009]所述前置放大器輸入端通過一對傳輸門開關與可再生鎖存器輸入端相連接，其輸出端通過另一對傳輸門開關與可再生鎖存器輸入端相連接；可再生鎖存器的輸出端與檢測器輸入端相連接，檢測器輸出端分別與比較器時鐘發生器的輸入端以及傳輸門開關的控制端相連接，比較器時鐘發生器的輸出端分別與前置放大器的控制端以及可再生鎖存器的時鐘端相連接。
[0010]所述檢測器包括一個延時可調的延遲單元、一個或門和2個D觸發器(DFF);延遲可調延遲單元的輸入端與可再生鎖存器的時鐘輸入端相連接，其輸出端與DFF2的時鐘輸入端相連接，或門的輸入端與可再生鎖存器的輸出端相連接，其輸出端與DFFl的時鐘輸入端相連接，DFFl的輸出端與DFFl的數據輸入端相連接。
[0011]所述比較器時鐘發生器包括一個延時固定的延遲單元、一個同或門、一個與門、三個DFF和3個反相器；上述檢測器輸出端經過反相之后分別與延時固定延遲單元的輸入端、DFF5的時鐘輸入端以及另一個反相器的輸入端相連接，延時固定延遲單元的輸出端與DFF4的時鐘輸入端相連接，DFF4的反相輸出端與DFF4數據輸入端相連接，DFF5的反相輸出端與DFF5數據輸入端相連接，DFF4、DFF5的同相輸出端與同或門輸入端相連接，同或門輸出端、DFF3的輸出端與與門的輸入端相連接，DFF3的復位端與反相器的輸出端相連接。
[0012]由單個可再生鎖存器組成精度較低的粗比較器，由前置放大器級聯可再生鎖存器組成精度較高的精比較器，粗比較器的輸入端通過一對傳輸門開關與精比較器的輸出端相連接，其輸出端通過另一對傳輸門開關與精比較器輸入端相連接。給定一個電壓范圍，當比較器的輸入電壓落在電壓范圍之外，精比較器不工作；當比較器的輸入電壓落在電壓范圍之內，精比較器工作。
[0013]對于一個全差分電荷再分配型SAR ADC，在轉換的過程中，DAC輸出端的電壓即比較器的輸入電壓逐次逼近到共模電壓。參閱圖1，在逐次逼近的過程中，并不是每一位的轉換都需要高精度的比較器來進行比較。當DAC輸出電壓落在某一電壓范圍之外時，采用精度較低的粗比較器進行比較；當DAC輸出電壓落在該電壓范圍之內時，采用精度較高的精比較器進行比較。由于精比較器具有比粗比較器大得多的功耗，因此通過設置電壓范圍的大小，減少轉換過程中精比較器的工作次數，可以降低比較器的功耗。
[0014]綜上所述本發明的有益效果為:通過檢測比較器輸入電壓的大小來選擇不同精度的比較器工作，通過設置電壓范圍的大小來減少精比較器的工作次數，從而在不影響比較器精度的情況下降低比較器的功耗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為傳統SAR ADC的轉換過程；
[0016]圖2為本發明應用于SAR ADC的低壓超低功耗高精度比較器原理示意圖；
[0017]圖3為每一位轉換開始時第一次比較電路結構示意圖；
[0018]圖4為二次比較時電路結構示意圖；
[0019]圖5為帶有失調校正的前置放大器和可再生鎖存器原理示意圖；
[0020]圖6為可再生鎖存器的比較時間與輸入電壓差的關系圖；
[0021 ] 圖7為檢測器原理不意圖；
[0022]圖8為比較器時鐘發生器原理示意圖；
[0023]圖9為比較器工作時序示意圖；
[0024]圖10為實施例電路原理圖；
[0025]圖11為實施例輸出結果頻譜圖。
[0026]附圖標記:clk_l可再生鎖存器時鐘，PffD前置放大器時鐘。
【具體實施方式】
[0027]下面根據附圖和實施例，對本發明做進一步的詳細描述:
[0028]參閱圖2，一種應用于SAR ADC的低壓超低功耗高精度比較器，包括前置放大器、可再生鎖存器、檢測器、比較器時鐘發生器和傳輸門開關；前置放大器輸入端通過一對傳輸門開關與可再生鎖存器輸入端相連接，其輸出端通過另一對傳輸門開關與可再生鎖存器輸入端相連接；可再生鎖存器的輸出端與檢測器輸入端相連接，檢測器輸出端分別與比較器時鐘發生器的輸入端以及傳輸門開關的控制端相連接，比較器時鐘發生器的輸出端分別與前置放大器的控制端以及可再生鎖存器的時鐘端相連接。
[0029]本發明可以看做是由兩個比較器組成:一個由單個可再生鎖存器組成精度較低的粗比較器；一個由前置放大器級聯可再生鎖存器組成精度較高的精比較器。參閱圖3，在每一位轉換開始時，開關SpS2導通，S3、S4關斷，前置放大器關閉，DAC的輸出信號傳輸到粗比較器的輸入端進行比較。然后檢測器判斷粗比較器的輸入電壓差范圍，若輸入電壓差較大，該次比較的結果即為該位轉換的最終結果；參閱圖4，若輸入電壓差較小，開關Sp S2斷開，S3、S4導通，前置放大器開啟，DAC的輸出信號傳輸到精比較器的輸入端進行二次比較，第二次比較的結果為該位轉換的最終結果。參閱圖5，比較器的失調會對系統的性能產生影響，本發明所使用的比較器均帶有失調校正。
[0030]參閱圖6，可再生鎖存器的比較時間與輸入電壓差的呈反比關系，當輸入電壓差較大時，比較時間較短，當輸入電壓差較小時，比較時間較長。可以通過檢測器來判斷輸入電壓差的范圍。參閱圖7,檢測器包括一個延時可調的延遲單元、一個或門和2個DFF。在復位階段，DFFl復位，DFF2置位并且時鐘clk_l置低，此時可再生鎖存器的輸出節點cp和cn預充電到電源電壓。或門的輸入電壓都為低，輸出eol也為低。在clk_l由低變高之后，t匕較過程開始，節點cp和cn電壓以不同的速率下降。當比較結束時，其中一端的電壓為高電平而另外一端的電壓為低電平。或門的輸出eol由低變高，DFFl被觸發，輸出也由低變高。clk_l的上升沿到DFFl輸出信號的上升沿之間的間隔就是可再生鎖存器的比較時間Τ_ρ。可調延遲單元的作用是通過對時鐘clk_l進行固定延遲(Td)來設置電壓范圍的大小。若DFF2的輸出out為高電平，說明輸入信號落在電壓范圍之外；SDFF2的輸出out為低電平，說明輸入信號落在電壓范圍之內，需要進行二次比較。
[0031]參閱圖8，為比較器時鐘發生器原理示意圖，包括一個延時固定的延遲單元、一個同或門、一個與門、三個DFF和3個反相器。參閱圖9，為其工作時序圖。每一位比較開始時，clk_l為高電平，可再生鎖存器開始工作。當輸入電壓差較大時，檢測器輸出out為高電平，節點A保持高電平。同時，可再生鎖存器比較完成信號eol為高，將DFF3復位，clk_l變為低電平，比較結束，等待下一位比較開始。在此過程中，PWD信號始終為高電平，前置放大器處于關斷狀態。當輸入電壓差較小時，檢測器輸出out為低，這會在節點A產生一個負脈沖。由于可再生鎖存器沒有完成比較，因此eol信號保持為低電平，DFF3的輸出保持為高電平。這樣clk_l亦產生一個負脈沖，形成二次比較。在此過程種，PWD信號由高變低，前置放大器由關斷狀態轉為工作狀態。
[0032]圖10為應用了本發明的SAR ADC電路，其分辨率為12位，時鐘頻率為10kHz，電源電壓VDD以及參考電壓VREF均為0.6V。結合圖1、圖9，以phase I和phase2來說明該電路中比較器的工作過程:
[0033]在phasel，開關SpS2導通，S3、S4關斷，前置放大器關閉。比較器時鐘發生器產生一次比較信號，由于比較器的輸入電壓在預設電壓范圍之外，檢測器輸出為高。開關Sy以及前置放大器保持狀態不變。此時的比較結果即為該位比較的最終結果。
[0034]在phase2，開關SpS2導通，S3、S4關斷，前置放大器關閉。比較器時鐘發生器產生一次比較信號，由于比較器的輸入電壓在預設電壓范圍之內，檢測器輸出為低。此時，開關SpS2關斷，s3、s4導通，前置放大器開啟，比較器時鐘發生器產生二次比較信號，精比較器開始工作。二次比較的結果即為該位比較的最終結果。
[0035]參閱圖11，比較器輸入信號電壓范圍大小設置為3LSB(lLSB = VDD/2n)，輸入信號頻率為3.3594kHz，幅度為0.57V，對SAR ADC的轉換結果進行快速傅立葉變換(FFT)得到輸出數字信號的頻譜，經過計算得到無雜散動態范圍(SFDR)為83.9dB，信噪失真比(SNDR)為73.2dB，有效位數(ENOB)約為11.86bits。其中比較器功耗為96nff ;若不采用本發明，即精比較器在每一位比較時均工作一次，比較器功耗為409nW。
[0036]本發明通過檢測比較器輸入電壓的大小來選擇不同精度的比較器工作，通過設置電壓范圍的大小來減少精比較器的工作次數，在不影響比較器精度的情況下降低比較器的功耗。
[0037]本發明實施例公布的為較佳實施方式，但其具體實施并不限于此，本領域的普通技術人員極易根據上述實施例，領會本發明的精神，并做出不同的引申和變化，只要不脫離本發明的精神，都屬本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種SAR ADC的低壓超低功耗高精度比較器，包括前置放大器、可再生鎖存器，其特征在于:還包括檢測器、比較器時鐘發生器和傳輸門開關； 比較器時鐘發生器用于產生前置放大器控制信號以及可再生鎖存器時鐘，檢測器用于設定電壓范圍的大小以及檢測比較器輸入電壓差的范圍，傳輸門開關用于選擇信號的傳輸路徑； 所述前置放大器輸入端通過一對傳輸門開關與可再生鎖存器輸入端相連接，其輸出端通過另一對傳輸門開關與可再生鎖存器輸入端相連接；可再生鎖存器的輸出端與檢測器輸入端相連接，檢測器輸出端分別與比較器時鐘發生器的輸入端以及傳輸門開關的控制端相連接，比較器時鐘發生器的輸出端分別與前置放大器的控制端以及可再生鎖存器的時鐘端相連接； 所述檢測器包括一個延時可調的延遲單元、一個或門和2個D觸發器(DFF);延遲可調延遲單元的輸入端與可再生鎖存器的時鐘輸入端相連接，其輸出端與DFF2的時鐘輸入端相連接，或門的輸入端與可再生鎖存器的輸出端相連接，其輸出端與DFFl的時鐘輸入端相連接，DFFl的輸出端與DFFl的數據輸入端相連接； 所述比較器時鐘發生器包括一個延時固定的延遲單元、一個同或門、一個與門、三個DFF和3個反相器；上述檢測器輸出端經過反相之后分別與延時固定延遲單元的輸入端、DFF5的時鐘輸入端以及另一個反相器的輸入端相連接，延時固定延遲單元的輸出端與DFF4的時鐘輸入端相連接，DFF4的反相輸出端與DFF4數據輸入端相連接，DFF5的反相輸出端與DFF5數據輸入端相連接，DFF4、DFF5的同相輸出端與同或門輸入端相連接，同或門輸出端、DFF3的輸出端與與門的輸入端相連接，DFF3的復位端與反相器的輸出端相連接； 由單個可再生鎖存器組成精度較低的粗比較器，由前置放大器級聯可再生鎖存器組成精度較高的精比較器，粗比較器的輸入端通過一對傳輸門開關與精比較器的輸出端相連接，其輸出端通過另一對傳輸門開關與精比較器輸入端相連接；給定一個電壓范圍，當比較器的輸入電壓落在電壓范圍之外，精比較器不工作；當比較器的輸入電壓落在電壓范圍之內，精比較器工作。
2.如權利要求1所述SARADC的低壓超低功耗高精度比較器，其特征在于:比較器輸入信號電壓范圍大小設置為3LSB，輸入信號頻率為3.3594kHz和幅度為0.57V, SAR ADC分辨率為12位，時鐘頻率為10kHz，電源電壓VDD以及參考電壓VREF均為0.6V。
【文檔編號】H03M1/38GK104253613SQ201410462018
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月11日 優先權日:2014年9月11日
【發明者】寧寧, 汪正鋒, 吳霜毅, 王偉, 杜翎, 蔣旻, 閆小艷 申請人:電子科技大學