本發明屬于集成電路設計，涉及模數轉換器集成電路設計技術，具體涉及一種逐次逼近型模數轉換器參考電源波動穩定方法。

背景技術：

1、近年來移動通信、物聯網等應用領域的發展對模數轉換器（analog-to-digitalconverters，adc）的設計提出了新的挑戰，要求其實現高速高精度的同時，兼顧功耗和芯片面積開銷。在眾多類型的adc中，逐次逐次逼近型（successive?approximationregister，?sar）adc由于其高度數字化的特點，表現出了極強的低功耗和面積優勢。但由于sar?adc二進制搜索的原理，n位sar?adc一次完整的模數轉換需要n個轉換周期，因此其一直以來主要被應用于中等速度和中等精度的場合。

2、隨著工藝的演進，先進工藝下晶體管的本征頻率不斷提高，sar?adc完成一次轉換的時間也逐漸縮短，工作頻率逐漸提高，因此有望將其低功耗特性帶入到高速應用領域，吸引了越來越多的研究者開始探索高速sar?adc的設計。研究者們在研究過程中發現，限制sar?adc同時兼顧高速和高精度的一個關鍵挑戰是參考電平波動難以穩定。在sar?adc中，電容數字-模擬轉換器（cdac）的參考電源在電容陣列切換過程中需提供瞬態電流，因而會引發參考電平波動。在高速應用場景下，由于每一位sar轉換的時間極短，所產生的參考電平波動難以在一個轉換周期內完全穩定，進而對下一位sar轉換結果造成影響，顯著降低了整體轉換精度。同時，由于電容陣列的容值大小受限于adc的采樣噪聲，無法隨著工藝的演進等比縮小，因此在高速sar?adc的設計中，電容dac參考電平波動難以穩定的問題成為了研究者們亟待解決的難題。

3、傳統用于解決高速sar?adc參考電平波動問題的方法即采用片上緩沖器或加入片上去耦電容。采用強驅動能力的片上緩沖器可以使參考電源在一個轉換周期內快速穩定，但強驅動能力的片上緩沖器也伴隨著更大的功耗，驅動器的功耗甚至超過了adc本身的功耗，喪失了sar?adc本身的低功耗優勢。加入片上去耦電容可以減小波動的幅度，這雖然不需要消耗大量功耗，但參考電源的波動與輸入信號強相關，因此需要大容值的去耦電容才能保證參考電平恒定，大容值的去耦電容占據了大量的芯片面積，喪失了sar?adc的面積優勢。

4、綜上所述，對于高速sar?adc設計中參考電源不穩定的問題，現有的解決方案均具有一定的局限性，如何在保持sar?adc小面積低功耗等優勢的前提下解決該問題仍亟待研究。

技術實現思路

1、針對上述現有技術中存在的不足，本發明提供了一種逐次逼近型模數轉換器（saradc）參考電源波動穩定方法，是一種基于線性電荷補償的sar?adc參考電源穩定技術，以低面積和功耗開銷幫助sar?adc參考電平波動穩定，提升量化精度。

2、為方便起見，本發明定義以下術語名稱和相應的中文名稱：

3、模數轉換器（adc）；?逐次逼近型模數轉換器（sar?adc）；

4、檢測跳過（das）；

5、電容數模轉換器（cdac）；

6、msb（mostsignificantbit，最高有效位）；

7、lsb（?least?significant?bit，最低有效位）。

8、本發明首先構建一個分段式的sar?adc，包含多位sar?adc1（第一多位sar?adc或粗量化adc）和多位sar?adc2（第二多位sar?adc，細量化adc）、das邏輯電路及參考電源電路；參考電源電路部分包含粗量化adc的參考電源電路和細量化adc的參考電源電路；粗量化adc的參考電源電路包含一個緩沖器；設計線性電荷補償電路，對細量化adc的參考電源電路進行改進；細量化adc的參考電源電路包含一個緩沖器和一個基于線性電荷補償的輔助供電電路（即線性電荷補償電路）；線性電荷補償電路包含用于提供補償電荷的二進制電容陣列和控制電路，用于使細量化adc的最高有效位msbs切換產生的參考電源波動在lsbs進行比較前快速穩定，提升細量化的轉換精度。根據細量化adc中cdac的電容值，設計輔助供電電路中二進制電容陣列的大小，使得輔助供電電路能提供粗量化與細量化交接的前一位cdac切換所需要的電荷量，可使得參考電平波動恢復。

9、本發明設計線性電荷補償技術，應用于分段式sar?adc結構，將參考電平不穩定的問題定位到了sar轉換過程的某一位上，再結合das算法和線性電荷補償技術解決該位的參考電源不穩定問題。相比于其他現有的電源穩定技術，本發明提供的sar?adc參考電源穩定方案以很小的面積和功耗開銷為sar轉換過程中msbs的轉換提供了保護，大幅減小了參考電平波動對saradc轉換精度的影響，能同時提升sar?adc的精度和轉換速度，降低系統對強驅動能力參考電源驅動器或大面積去耦電容的需求。分段式的sar?adc工作時進行兩步轉換，首先sar?adc1進行第一步粗量化，用檢測跳過算法將sar?adc1粗量化的結果部署到saradc2上，隨后saradc2進行第二步細量化；在第一步與第二步銜接時，觸發線性電荷補償電路，使得由于第一步轉換導致的參考電源波動在第二步轉換之前穩定。

10、將上述參考電源波動穩定方法應用于sar?adc中，可使得參考電源波動穩定，上述sar?adc工作時，包括如下步驟：

11、1）sar?adc1和sar?adc2同時對輸入信號進行采樣。

12、2）采樣完成后，在轉換過程中，首先用sar?adc1進行第一步粗量化，在sar?adc1得到量化結果的同時，根據sar?adc1的量化結果，結合檢測跳過算法控制sar?adc2中cdac的最高有效位msb電容切換。

13、3）設計線性電荷補償電路，對參考電源電路進行改進；

14、在采用檢測跳過算法的分段式sar?adc?中的sar?adc1粗量化完成后，在該種結構下sar?adc2中cdac的msb最后一位切換需要參考電源提供的電荷量與sar?adc1的粗量化結果之間線性相關。因此觸發本發明設計的線性電荷補償電路工作，該線性電荷補償電路包含一個二進制電容陣列及控制電路，工作時根據sar?adc1的粗量化結果，控制電路選擇二進制電容陣列中的電容，將所選電容的底極板從低電平切換到高電平，從而快速提供saradc2中cdac的msb最后一位切換所需要的電荷量，幫助sar?adc2中cdac的msb電容切換產生的參考電源波動在sar?adc2中cdac的lsb轉換開始前穩定，提升量化精度。

15、4）在sar?adc2中cdac的lsb電容上繼續進行第二步細量化。

16、根據上述的工作過程，整個sar?adc的量化包含sar?adc1上進行的粗量化和saradc2中cdac的lsb上進行的細量化。兩步量化均切換小電容值，因此參考電源的波動小，通過設計低成本的參考電源緩沖器可以保證其能快速穩定。saradc2中cdac的msb電容切換產生大的參考電源波動，但在sar?adc2中cdac的msb切換完成后通過本發明提供的線性電荷補償技術幫助其產生的波動快速穩定，因此不會對saradc2中cdac的lsb上進行的細量化精度產生影響，有利于提升sar?adc的轉換精度和速度。相比于現有的參考電源穩定技術，本發明提供的參考電源穩定技術僅需要一個小面積的二進制電容陣列用于電荷補償及低功耗弱驅動能力的緩沖器，因此具有更低的面積和功耗開銷。

17、本發明方法使用的分段式sar?adc結構包含一個多位的粗量化adc、一個多位的細量化adc、das邏輯電路及參考電源電路。其中，多位的粗量化adc包含采樣電路、cdac、比較器及數字邏輯四部分；多位的細量化adc也包含采樣電路、cdac、比較器及數字邏輯四部分。細量化adc中的cdac位數大于粗量化adc中的cdac位數。粗量化和細量化adc之間通過das邏輯電路銜接。參考電源電路部分包含粗量化adc的參考電源電路和細量化adc的參考電源電路，其中細量化adc的參考電源電路包含一個基于線性電荷補償的輔助供電電路，用于幫助其完成參考電平波動恢復。

18、具體實施時，多位粗量化adc為5位粗量化adc，多位細量化adc為10位細量化adc。需要注意的是，本發明提供的參考電源穩定技術亦可應用于其它粗量化adc和細量化adc位數的情況。下面以5位粗量化adc和10位細量化adc為例，對分段式sar?adc結構中的部件及本發明提供的參考電源穩定技術進行詳細說明：

19、a.?多位粗量化adc及多位細量化adc

20、sar?adc中參考電源的波動與電容大小呈正比，其中二進制電容dac的大小受限于采樣精度的需求和最小可實現電容尺寸，msb電容會隨位數的增長呈指數增長，因此在msbs位置的電容切換產生的波動更大，是參考電源難以穩定的主要原因。

21、為了減小msbs位電容切換波動對比較的影響，本文采用了兩步分段式sar?adc結構，將adc的量化過程拆分成粗量化和細量化兩步，分別在兩個采用獨立參考電源的cdac上進行。采樣時，在粗量化和細量化cdac上采樣得到相同的輸入電壓值。在采樣完成后adc進行轉換時，首先用粗量化adc對采樣的輸入值進行粗量化，并將粗量化得到的粗量化碼復制到細量化adc的msbs控制位。由于粗量化adc需要的精度較低，因此其可以采用小的cdac，參考電源需要提供的電流小，參考電平的波動容易穩定，其參考電源電路開銷可以忽略不記。粗量化結束后，在細量化adc的lsbs上繼續進行細量化。這樣，整個量化過程分別在粗量化adc和細量化adc的lsbs上進行，兩部分對應的電容陣列均具有小的電容值，因此不會對參考電源的恢復產生很大壓力。

22、在將粗量化碼復制到細量化adc的msbs上時，由于粗量化adc和細量化adc的cdac采用獨立的參考電源，兩者之間的參考電平誤差不會相互干擾，因此細量化adc參考電源上沒有穩定下來的波動不會對粗量化adc的轉換結果產生影響，其只要在細量化adc進行lsbs轉換前穩定下來即可，這使得細量化adc的msbs轉換過程中參考電源的波動具有更長的穩定時間，允許其使用低開銷的參考電源電路。分析發現，粗量化與細量化交接前一位電容切換產生的參考電平波動在lsbs轉換前最難以穩定，解決該位的參考電平不穩定問題即可解決整個分段式sar?adc的參考電平不穩定問題。本發明通過下面介紹的das算法結合線性電荷補償技術來保證這一位能夠在細量化adc進行lsbs轉換前穩定。

23、b．das邏輯電路

24、為了進一步降低分段式sar?adc的功耗，在將粗量化adc的量化結果復制到細量化adc的msbs上時，本設計引入了das算法來減小細量化adc電容dac上的動態功耗。在傳統的二進制cdac切換方法中，由于切換前一位cdac之后才能進行下一次的比較和切換，因此相鄰位會出現往相反方向切換的情況，浪費切換功耗。在分段式結構的sar?adc中，加入粗量化adc后預知了全部的量化碼，因此可以采用das算法來消除這種相反方向的切換，進一步減小電容切換的動態功耗。當das算法檢測到相反方向的切換時，通過保持電容底極板電壓不變來跳過該位的切換，減少了切換功耗的同時可以得到與傳統切換方式相同的dac輸出電壓。

25、das邏輯電路根據粗量化adc的量化結果對細量化adc的msbs逐位進行切換。若5位粗量化adc的量化結果為b[4:0]，細量化的控制碼為d[9:0]，則細量化cdac的輸出dout為：

26、

27、根據式(1)可知，根據得到的粗量化碼b[4:0]切換細量化adc的msbs時，控制碼切換順序為d[5]、d[9]、d[8]、d[7]、d[6]，即根據粗量化碼b[4]可以得到c5的控制碼d[5]，根據粗量化碼b[3]可以得到c9的控制碼d[9]，依此類推。

28、das邏輯電路進一步降低了cdac的切換功耗，減輕了參考電源電路的供電壓力和參考電源波動。同時，引入das邏輯電路后，根據上述分析，d[5]、d[9]、d[8]和d[7]切換產生的參考電源波動在細量化adc進行lsbs轉換前均具有較長的穩定時間，基本不會對lsbs的量化結果產生影響，僅控制位d[6]的切換由于穩定時間較短，且電容值大，很難在細量化adc進行lsbs轉化前穩定下來。本發明提供了基于線性電荷補償的輔助供電電路來穩定由該位切換導致參考電源波動。

29、c．參考電源電路

30、參考電路電路包含粗量化adc的參考電源電路和細量化adc的參考電源電路，其中細量化adc的參考電源電路包含基于線性電荷補償的輔助供電電路，使d[6]控制的msb切換產生的參考電源波動在lsbs轉換前快速穩定。

31、在sar?adc中，對于一個采用傳統緩沖器的參考電源，參考電平波動穩定的過程即給負載電容充電的過程，本質上是緩沖器的輸出電阻與負載電容的rc穩定問題。為了保證產生的波動在一個轉換周期內能夠穩定下來，緩沖器的輸出電阻需足夠低，消耗大量靜態功耗。為了降低緩沖器的輸出阻抗的同時保證低緩沖器功耗，本發明中的輔助供電電路采用了具有完全容性輸出阻抗的開關電容電路，這種容性輸出阻抗的輔助供電電路給負載電容充電的過程為電容間的電荷共享過程，穩定速度遠遠快于傳統緩沖器充電的rc穩定過程。

32、該容性輸出阻抗的輔助供電電路工作時，包含兩個階段：在復位階段，將電容的底極板復位到地電平（gnd），頂極板與參考電源相接，給電容充電；在工作階段，根據底極板開關的控制碼s，s為0則保持底極板連接地電平，s為1則將電容的底極板切換到高電平（vdd），參考電源保持其頂級板電壓不變，從而通過電荷共享將電荷快速充入負載電容，即cdac中。通過調整供電電容的電容值可以使得充入cdac的電荷量等于其切換所需要的電荷量，從而實現參考電源波動的快速穩定。

33、在采用了上述的分段式sar?adc結構并加入das算法后，需要輔助參考電平穩定的位為粗量化與細量化adc交接的前一位（即細量化控制碼d[6]控制的位），對該位進行電荷補償保證其參考電平穩定后，采用一個低功耗弱驅動能力的參考電源緩沖器即可滿足saradc中所有位的參考電平穩定。在穩定過程中，由控制位d[6]控制的cdac切換需要參考電源提供的電荷量包含兩部分，一部分為該位電容底極板切換到參考電源上后自身所需要的充電電荷量，另一部分為由該位電容切換導致已經接在參考電源上電容需要的充電電荷量，因此參考電源需要提供的總電荷量為（）。由于電荷量的大小與粗量化結果（b[4:0]）有關，因此總電荷量也與粗量化碼有關。仿真和計算發現，除了被das算法跳過的情況，由控制碼d[6]控制的cdac切換在穩定過程中所需要的總電荷量會隨粗量化結果b[4:0]的增長有線性的增加和下降關系。

34、本發明提供了一個二進制的電容陣列作為輔助供電電路，實現了線性電荷補償能力，用以提供該與粗量化結果b[4:0]的增長有線性的增加和下降關系的電荷，通過控制該二進制電容陣列的開啟位數，可以覆蓋所有可能需要的電荷量大小，使得控制碼d[6]控制的cdac切換導致的參考電平波動快速穩定。若細量化adc的msbs電容大小分別為256c、128c、64c、32c、16c，其中c為單位電容大小，則該輔助供電電路的二進制電容值為8c，4c，2c，對應的控制碼（s[2:0]，用于控制線性電荷補償電容的底極板開關切換）與粗量化結果b[4:0]的對應關系為：

35、

36、本發明提供的線性電荷補償電路包含用于提供補償電荷的二進制電容陣列和控制電路。其工作過程包含如下步驟：

37、1）在采樣以及粗量化過程中將用于提供補償電荷的二進制電容陣列的底極板全部接在地電平（gnd）上進行復位。

38、2）當粗量化adc完成最后一位比較后，根據最后一位粗量化碼，得到細量化adc的電容控制碼，控制細量化adc中cdac切換。同時控制電路根據粗量化碼產生控制碼s，控制補償電容陣列中對應的電容底極板接到高電平（vdd）上，給細量化adc中的cdac切換提供其所需要的電荷量，幫助參考電源快速穩定。

39、在本發明提供的線性電荷補償技術中，利用細量化adc部署粗量化最后一位結果時cdac切換所需電荷量與粗量化碼具有線性關系的特點，因此用于提供補償電荷的電容陣列可以為一個小面積的二進制電容陣列，解決了參考電源不穩定問題的同時幾乎無額外硬件開銷和功耗消耗。

40、本發明上述分段sar?adc實現方法包含如下步驟：

41、1）制備第一多位sar?adc，包含采樣電路、cdac、比較器和數字邏輯四部分。結構上該多位sar?adc做粗量化。

42、2）制備第二多位sar?adc，包含采樣電路、cdac、比較器和數字邏輯四部分。結構上該sar?adc做細量化。

43、其中，第一sar?adc用于第一步轉換，第二sar?adc同時用于第一步轉換和第二步轉換，因此，第一個sar?adc位數較少，第二個sar?adc的位數較多。

44、3）制備das邏輯電路，用于根據粗量化的量化結果控制細量化adc中cdac的msbs切換，控制和切換方法如上所述。

45、4）制備參考電源電路，是本發明設計的基于線性電荷補償的參考電源輔助供電電路，包含粗量化adc的參考電源電路和細量化adc的參考電源電路，其中細量化adc的參考電源電路包含一個輔助供電電路，由二進制電容陣列及控制電路組成，用于使細量化adc的msbs切換產生的參考電源波動在lsbs進行比較前快速穩定，提升細量化的轉換精度。根據細量化adc中cdac的電容值，設計輔助供電電路中二進制電容陣列的大小，使得輔助供電電路能提供粗量化與細量化交接的前一位cdac切換所需要的電荷量。

46、5）將較少比特位數的sar?adc和較多比特位數的sar?adc通過das邏輯電路相連，并將參考電源電路的輸出端口分別連接到兩個adc的參考電源上，即可完成本發明提供的分段式sar?adc。

47、與現有技術相比，本發明的有益效果：

48、本發明提供了一種sar?adc參考電源穩定技術，適用于分段式sar?adc結構。量化過程包含粗量化和細量化兩步，根據粗量化的結果控制細量化adc的msbs切換，從而給細量化的msbs切換提供更長的參考電源波動穩定時間。另外，本發明提供了一種線性電荷補償技術，用來提供粗量化與細量化交接前一位切換需要的電荷，保證了細量化adc的msbs切換的參考電源波動在lsbs轉換前快速穩定，提高了adc中lsbs的轉換精度。

49、與其他參考電源穩定技術相比，本發明提供的參考電源穩定技術不僅能減小saradc多位msbs切換產生的參考電源波動對轉換精度的影響，有利于提升sar?adc的轉換速度和轉換精度；同時該線性電荷補償技術只需要很小的硬件面積和功耗開銷，大幅降低對大功耗片內參考電源驅動器和大面積片內去耦電容的需求，有利于減小saradc的功耗和面積開銷。