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(fā)明涉及電子電路技術(shù)，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(cè)器、比較器時(shí)鐘發(fā)生器和傳輸門開關(guān)。單個(gè)可再生鎖存器構(gòu)成精度較低的粗比較器；前置放大器級(jí)聯(lián)可再生鎖存器構(gòu)成精度較高的精比較器。給定一個(gè)電壓范圍，當(dāng)比較器的輸入電壓落在電壓范圍之外，精比較器不工作；當(dāng)其落在電壓范圍之內(nèi)，精比較器工作。本發(fā)明的有益效果為，通過檢測(cè)比較器輸入電壓的大小來(lái)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(fā)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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子電路技術(shù)，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(shù)】
[0002]模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是現(xiàn)實(shí)世界中模擬信號(hào)通向數(shù)字信號(hào)的橋梁，一些生物醫(yī)學(xué)信號(hào)諸如心電圖、腦電圖、肌電圖需要通過一個(gè)中等分辨率(8-14bits)和采樣率(1-1OOOkHz)的ADC來(lái)數(shù)字化。逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SAR ADC)因?yàn)槠湓谀芰啃省⑥D(zhuǎn)換精度以及設(shè)計(jì)復(fù)雜度之間的良好折中而使得其非常適合于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
[0003]一般來(lái)說，對(duì)于分辨率在10位或者以下的SAR ADC,通常采用一個(gè)動(dòng)態(tài)可再生鎖存器作為比較器。然而，由于動(dòng)態(tài)可再生鎖存器具有較大的噪聲，因此這種比較器對(duì)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(huì)在動(dòng)態(tài)可再生鎖存器前級(jí)聯(lián)一級(jí)或多級(jí)放大器。這樣做的代價(jià)是大大增加了比較器的功耗。
[0004]目前見諸于報(bào)道的應(yīng)用于測(cè)量生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的SARADC精度普遍在10位或者以下，功耗在納瓦級(jí)別。對(duì)于更高精度的測(cè)量要求，由于比較器功耗的限制，要做到納瓦級(jí)別的超低功耗SAR ADC，往往是非常困難的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述問題，本發(fā)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(shù)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(cè)器、比較器時(shí)鐘發(fā)生器和傳輸門開關(guān)；
[0008]比較器時(shí)鐘發(fā)生器用于產(chǎn)生前置放大器控制信號(hào)以及可再生鎖存器時(shí)鐘，檢測(cè)器用于設(shè)定電壓范圍的大小以及檢測(cè)比較器輸入電壓差的范圍，傳輸門開關(guān)用于選擇信號(hào)的傳輸路徑。
[0009]所述前置放大器輸入端通過一對(duì)傳輸門開關(guān)與可再生鎖存器輸入端相連接，其輸出端通過另一對(duì)傳輸門開關(guān)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(cè)器輸入端相連接，檢測(cè)器輸出端分別與比較器時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端以及傳輸門開關(guān)的控制端相連接，比較器時(shí)鐘發(fā)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(shí)鐘端相連接。
[0010]所述檢測(cè)器包括一個(gè)延時(shí)可調(diào)的延遲單元、一個(gè)或門和2個(gè)D觸發(fā)器(DFF);延遲可調(diào)延遲單元的輸入端與可再生鎖存器的時(shí)鐘輸入端相連接，其輸出端與DFF2的時(shí)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(shí)鐘輸入端相連接，DFFl的輸出端與DFFl的數(shù)據(jù)輸入端相連接。
[0011]所述比較器時(shí)鐘發(fā)生器包括一個(gè)延時(shí)固定的延遲單元、一個(gè)同或門、一個(gè)與門、三個(gè)DFF和3個(gè)反相器；上述檢測(cè)器輸出端經(jīng)過反相之后分別與延時(shí)固定延遲單元的輸入端、DFF5的時(shí)鐘輸入端以及另一個(gè)反相器的輸入端相連接，延時(shí)固定延遲單元的輸出端與DFF4的時(shí)鐘輸入端相連接，DFF4的反相輸出端與DFF4數(shù)據(jù)輸入端相連接，DFF5的反相輸出端與DFF5數(shù)據(jù)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(fù)位端與反相器的輸出端相連接。
[0012]由單個(gè)可再生鎖存器組成精度較低的粗比較器，由前置放大器級(jí)聯(lián)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(duì)傳輸門開關(guān)與精比較器的輸出端相連接，其輸出端通過另一對(duì)傳輸門開關(guān)與精比較器輸入端相連接。給定一個(gè)電壓范圍，當(dāng)比較器的輸入電壓落在電壓范圍之外，精比較器不工作；當(dāng)比較器的輸入電壓落在電壓范圍之內(nèi)，精比較器工作。
[0013]對(duì)于一個(gè)全差分電荷再分配型SAR ADC，在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換都需要高精度的比較器來(lái)進(jìn)行比較。當(dāng)DAC輸出電壓落在某一電壓范圍之外時(shí)，采用精度較低的粗比較器進(jìn)行比較；當(dāng)DAC輸出電壓落在該電壓范圍之內(nèi)時(shí)，采用精度較高的精比較器進(jìn)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(shè)置電壓范圍的大小，減少轉(zhuǎn)換過程中精比較器的工作次數(shù)，可以降低比較器的功耗。
[0014]綜上所述本發(fā)明的有益效果為:通過檢測(cè)比較器輸入電壓的大小來(lái)選擇不同精度的比較器工作，通過設(shè)置電壓范圍的大小來(lái)減少精比較器的工作次數(shù)，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(tǒng)SAR ADC的轉(zhuǎn)換過程；
[0016]圖2為本發(fā)明應(yīng)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(zhuǎn)換開始時(shí)第一次比較電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4為二次比較時(shí)電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖5為帶有失調(diào)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(shí)間與輸入電壓差的關(guān)系圖；
[0021 ] 圖7為檢測(cè)器原理不意圖；
[0022]圖8為比較器時(shí)鐘發(fā)生器原理示意圖；
[0023]圖9為比較器工作時(shí)序示意圖；
[0024]圖10為實(shí)施例電路原理圖；
[0025]圖11為實(shí)施例輸出結(jié)果頻譜圖。
[0026]附圖標(biāo)記:clk_l可再生鎖存器時(shí)鐘，PffD前置放大器時(shí)鐘。

【具體實(shí)施方式】
[0027]下面根據(jù)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述:
[0028]參閱圖2，一種應(yīng)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(cè)器、比較器時(shí)鐘發(fā)生器和傳輸門開關(guān)；前置放大器輸入端通過一對(duì)傳輸門開關(guān)與可再生鎖存器輸入端相連接，其輸出端通過另一對(duì)傳輸門開關(guān)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(cè)器輸入端相連接，檢測(cè)器輸出端分別與比較器時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端以及傳輸門開關(guān)的控制端相連接，比較器時(shí)鐘發(fā)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(shí)鐘端相連接。
[0029]本發(fā)明可以看做是由兩個(gè)比較器組成:一個(gè)由單個(gè)可再生鎖存器組成精度較低的粗比較器；一個(gè)由前置放大器級(jí)聯(lián)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(zhuǎn)換開始時(shí)，開關(guān)SpS2導(dǎo)通，S3、S4關(guān)斷，前置放大器關(guān)閉，DAC的輸出信號(hào)傳輸?shù)酱直容^器的輸入端進(jìn)行比較。然后檢測(cè)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(jié)果即為該位轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果；參閱圖4，若輸入電壓差較小，開關(guān)Sp S2斷開，S3、S4導(dǎo)通，前置放大器開啟，DAC的輸出信號(hào)傳輸?shù)骄容^器的輸入端進(jìn)行二次比較，第二次比較的結(jié)果為該位轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果。參閱圖5，比較器的失調(diào)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響，本發(fā)明所使用的比較器均帶有失調(diào)校正。
[0030]參閱圖6，可再生鎖存器的比較時(shí)間與輸入電壓差的呈反比關(guān)系，當(dāng)輸入電壓差較大時(shí)，比較時(shí)間較短，當(dāng)輸入電壓差較小時(shí)，比較時(shí)間較長(zhǎng)?？梢酝ㄟ^檢測(cè)器來(lái)判斷輸入電壓差的范圍。參閱圖7,檢測(cè)器包括一個(gè)延時(shí)可調(diào)的延遲單元、一個(gè)或門和2個(gè)DFF。在復(fù)位階段，DFFl復(fù)位，DFF2置位并且時(shí)鐘clk_l置低，此時(shí)可再生鎖存器的輸出節(jié)點(diǎn)cp和cn預(yù)充電到電源電壓?；蜷T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(jié)點(diǎn)cp和cn電壓以不同的速率下降。當(dāng)比較結(jié)束時(shí)，其中一端的電壓為高電平而另外一端的電壓為低電平?；蜷T的輸出eol由低變高，DFFl被觸發(fā)，輸出也由低變高。clk_l的上升沿到DFFl輸出信號(hào)的上升沿之間的間隔就是可再生鎖存器的比較時(shí)間Τ_ρ。可調(diào)延遲單元的作用是通過對(duì)時(shí)鐘clk_l進(jìn)行固定延遲(Td)來(lái)設(shè)置電壓范圍的大小。若DFF2的輸出out為高電平，說明輸入信號(hào)落在電壓范圍之外；SDFF2的輸出out為低電平，說明輸入信號(hào)落在電壓范圍之內(nèi)，需要進(jìn)行二次比較。
[0031]參閱圖8，為比較器時(shí)鐘發(fā)生器原理示意圖，包括一個(gè)延時(shí)固定的延遲單元、一個(gè)同或門、一個(gè)與門、三個(gè)DFF和3個(gè)反相器。參閱圖9，為其工作時(shí)序圖。每一位比較開始時(shí)，clk_l為高電平，可再生鎖存器開始工作。當(dāng)輸入電壓差較大時(shí)，檢測(cè)器輸出out為高電平，節(jié)點(diǎn)A保持高電平。同時(shí)，可再生鎖存器比較完成信號(hào)eol為高，將DFF3復(fù)位，clk_l變?yōu)榈碗娖?，比較結(jié)束，等待下一位比較開始。在此過程中，PWD信號(hào)始終為高電平，前置放大器處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)輸入電壓差較小時(shí)，檢測(cè)器輸出out為低，這會(huì)在節(jié)點(diǎn)A產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖。由于可再生鎖存器沒有完成比較，因此eol信號(hào)保持為低電平，DFF3的輸出保持為高電平。這樣clk_l亦產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，形成二次比較。在此過程種，PWD信號(hào)由高變低，前置放大器由關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)。
[0032]圖10為應(yīng)用了本發(fā)明的SAR ADC電路，其分辨率為12位，時(shí)鐘頻率為10kHz，電源電壓VDD以及參考電壓VREF均為0.6V。結(jié)合圖1、圖9，以phase I和phase2來(lái)說明該電路中比較器的工作過程:
[0033]在phasel，開關(guān)SpS2導(dǎo)通，S3、S4關(guān)斷，前置放大器關(guān)閉。比較器時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生一次比較信號(hào)，由于比較器的輸入電壓在預(yù)設(shè)電壓范圍之外，檢測(cè)器輸出為高。開關(guān)Sy以及前置放大器保持狀態(tài)不變。此時(shí)的比較結(jié)果即為該位比較的最終結(jié)果。
[0034]在phase2，開關(guān)SpS2導(dǎo)通，S3、S4關(guān)斷，前置放大器關(guān)閉。比較器時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生一次比較信號(hào)，由于比較器的輸入電壓在預(yù)設(shè)電壓范圍之內(nèi)，檢測(cè)器輸出為低。此時(shí)，開關(guān)SpS2關(guān)斷，s3、s4導(dǎo)通，前置放大器開啟，比較器時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生二次比較信號(hào)，精比較器開始工作。二次比較的結(jié)果即為該位比較的最終結(jié)果。
[0035]參閱圖11，比較器輸入信號(hào)電壓范圍大小設(shè)置為3LSB(lLSB = VDD/2n)，輸入信號(hào)頻率為3.3594kHz，幅度為0.57V，對(duì)SAR ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)得到輸出數(shù)字信號(hào)的頻譜，經(jīng)過計(jì)算得到無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)為83.9dB，信噪失真比(SNDR)為73.2dB，有效位數(shù)(ENOB)約為11.86bits。其中比較器功耗為96nff ;若不采用本發(fā)明，即精比較器在每一位比較時(shí)均工作一次，比較器功耗為409nW。
[0036]本發(fā)明通過檢測(cè)比較器輸入電壓的大小來(lái)選擇不同精度的比較器工作，通過設(shè)置電壓范圍的大小來(lái)減少精比較器的工作次數(shù)，在不影響比較器精度的情況下降低比較器的功耗。
[0037]本發(fā)明實(shí)施例公布的為較佳實(shí)施方式，但其具體實(shí)施并不限于此，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員極易根據(jù)上述實(shí)施例，領(lǐng)會(huì)本發(fā)明的精神，并做出不同的引申和變化，只要不脫離本發(fā)明的精神，都屬本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)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(cè)器、比較器時(shí)鐘發(fā)生器和傳輸門開關(guān)； 比較器時(shí)鐘發(fā)生器用于產(chǎn)生前置放大器控制信號(hào)以及可再生鎖存器時(shí)鐘，檢測(cè)器用于設(shè)定電壓范圍的大小以及檢測(cè)比較器輸入電壓差的范圍，傳輸門開關(guān)用于選擇信號(hào)的傳輸路徑； 所述前置放大器輸入端通過一對(duì)傳輸門開關(guān)與可再生鎖存器輸入端相連接，其輸出端通過另一對(duì)傳輸門開關(guān)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(cè)器輸入端相連接，檢測(cè)器輸出端分別與比較器時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端以及傳輸門開關(guān)的控制端相連接，比較器時(shí)鐘發(fā)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(shí)鐘端相連接； 所述檢測(cè)器包括一個(gè)延時(shí)可調(diào)的延遲單元、一個(gè)或門和2個(gè)D觸發(fā)器(DFF);延遲可調(diào)延遲單元的輸入端與可再生鎖存器的時(shí)鐘輸入端相連接，其輸出端與DFF2的時(shí)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(shí)鐘輸入端相連接，DFFl的輸出端與DFFl的數(shù)據(jù)輸入端相連接； 所述比較器時(shí)鐘發(fā)生器包括一個(gè)延時(shí)固定的延遲單元、一個(gè)同或門、一個(gè)與門、三個(gè)DFF和3個(gè)反相器；上述檢測(cè)器輸出端經(jīng)過反相之后分別與延時(shí)固定延遲單元的輸入端、DFF5的時(shí)鐘輸入端以及另一個(gè)反相器的輸入端相連接，延時(shí)固定延遲單元的輸出端與DFF4的時(shí)鐘輸入端相連接，DFF4的反相輸出端與DFF4數(shù)據(jù)輸入端相連接，DFF5的反相輸出端與DFF5數(shù)據(jù)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(fù)位端與反相器的輸出端相連接； 由單個(gè)可再生鎖存器組成精度較低的粗比較器，由前置放大器級(jí)聯(lián)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(duì)傳輸門開關(guān)與精比較器的輸出端相連接，其輸出端通過另一對(duì)傳輸門開關(guān)與精比較器輸入端相連接；給定一個(gè)電壓范圍，當(dāng)比較器的輸入電壓落在電壓范圍之外，精比較器不工作；當(dāng)比較器的輸入電壓落在電壓范圍之內(nèi)，精比較器工作。
2.如權(quán)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(hào)電壓范圍大小設(shè)置為3LSB，輸入信號(hào)頻率為3.3594kHz和幅度為0.57V, SAR ADC分辨率為12位，時(shí)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(hào)】H03M1/38GK104253613SQ201410462018
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】寧寧, 汪正鋒, 吳霜毅, 王偉, 杜翎, 蔣旻, 閆小艷 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)