本發(fā)明屬于模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具體涉及一種基于電荷泵量化范圍加倍的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

1、adc(analog-to-digital?converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器)作為模擬信號和數(shù)字信號之間的橋梁，能夠?qū)⒆匀唤缰羞B續(xù)變換的模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機可處理的離散數(shù)字信號，是通信、人工智能物聯(lián)網(wǎng)和生物醫(yī)療等領(lǐng)域不可或缺的電路模塊。

2、隨著先進半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，制造工藝已經(jīng)發(fā)展到了納米節(jié)點，允許電路工作在更低的電壓下即電源電壓小于1v，這給數(shù)字電路帶來了諸多優(yōu)勢，如更低的功耗、更高的集成度和更小的面積等；但對于模擬電路來說，考慮到晶體管的本征增益和信號擺幅等指標(biāo)，其設(shè)計變得更加困難。adc作為混合信號電路的代表之一，兼具模擬和數(shù)字電路，所以能夠在低電壓的條件下協(xié)同兼顧模擬和數(shù)字電路是設(shè)計adc時必須考慮的因素。

3、在眾多adc架構(gòu)中，sar(successive?approximation?register，逐次逼近型)?adc由于其結(jié)構(gòu)高度數(shù)字化而適合于低電壓的應(yīng)用場景，但其仍包括采樣開關(guān)和參考電壓產(chǎn)生等模擬電路部分。在現(xiàn)有技術(shù)中，文獻[李俊輝.?10bit低電壓低功耗sar?adc的設(shè)計[d].南京:東南大學(xué),2022]改進了用于采樣的柵壓自舉開關(guān)，使采樣管在保持相位時其柵極電壓為負(fù)電源電壓，抑制了其在低電壓下亞閾值漏電導(dǎo)致的采樣失真，并基于此設(shè)計了一款在40納米工藝0.6伏電壓下工作的sar?adc。文獻[池哲涵.?18位20ms/s流水線adc中參考電壓電路研究與設(shè)計[d].?江蘇:東南大學(xué),2022]基于帶隙基準(zhǔn)電路設(shè)計了一款低溫度系數(shù)、高精度的1.2v參考電壓電路用于流水線adc中的電容陣列切換，但是并未針對低電壓設(shè)計做出優(yōu)化。文獻[貝卡.?低電壓、電流模型帶隙基準(zhǔn)參考電路的設(shè)計[d].?北京:北京理工大學(xué),2016]基于折疊式共源共柵運算放大器的帶隙基準(zhǔn)電路，設(shè)計了一款0.6v穩(wěn)定輸出的參考電壓電路，支持adc在低電壓下工作，并適用于低功耗設(shè)計。

4、然而，上述已有的研究工作多聚焦于如何在低電壓供電下支持模擬電路能夠正常工作，而并未考慮低電壓帶來的adc量化范圍減小的問題，限制了adc的應(yīng)用場景。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于上述，本發(fā)明提供了一種基于電荷泵量化范圍加倍的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠解決低電壓帶來的最大輸入信號量化范圍減小的問題。

2、一種基于電荷泵量化范圍加倍的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括：

3、雙倍柵壓自舉采樣開關(guān)電路，用于對差分輸入信號進行精準(zhǔn)采樣；

4、電容陣列，用于接收采樣得到的信號，通過下極板電平切換產(chǎn)生差分的余差信號；

5、基于電荷泵的無源參考電壓升壓電路，用于為電容陣列下極板提供雙倍的電源電壓作為參考電壓；

6、動態(tài)比較器，用于對差分的余差信號進行比較，逐次產(chǎn)生 n個比較結(jié)果作為saradc的最終輸出， n為sar?adc的比特數(shù)；

7、逐次逼近控制邏輯模塊，根據(jù)比較結(jié)果控制電容陣列下極板電平切換，同時為無源參考電壓升壓電路和動態(tài)比較器提供相應(yīng)的時鐘信號。

8、進一步地，所述無源參考電壓升壓電路包含有 n組電荷泵升壓電路，所述電荷泵升壓電路用于為電容陣列中對應(yīng)位的比特電容下極板提供雙倍電源電壓的參考電壓，電荷泵升壓電路包括四個開關(guān)s1~s4以及兩個容值相等的電容cnref,1和cnref,2，其中s1的一端接電源電壓vdd，s1的另一端與cnref,1的一端相連作為節(jié)點a，cnref,1的另一端與s2的一端以及s4的一端相連，s2的另一端接地，s4的另一端與cnref,2的一端相連并接電源電壓vdd，cnref,2的另一端與s3的一端相連作為節(jié)點b，s3的另一端接地，節(jié)點a和b與電容陣列中對應(yīng)位的p端比特電容下極板或n端比特電容下極板相連，s1~s3的控制極接時鐘信號φ1，s4的控制極接時鐘信號φ2。

9、進一步地，當(dāng)動態(tài)比較器正相輸出的比較結(jié)果為0時，節(jié)點a接對應(yīng)位的p端比特電容下極板，節(jié)點b接對應(yīng)位的n端比特電容下極板；當(dāng)動態(tài)比較器正相輸出的比較結(jié)果為1時，節(jié)點a接對應(yīng)位的n端比特電容下極板，節(jié)點b接對應(yīng)位的p端比特電容下極板。

10、進一步地，所述時鐘信號φ1與φ2相位互補且存有一定的死區(qū)時間，且φ1與saradc采樣時鐘φs的開關(guān)時序同步。

11、進一步地，所述電容陣列采用cdac(capacitive?digital-to-analog?converter，電容式數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器)。

12、進一步地，所述雙倍柵壓自舉采樣開關(guān)電路包含兩個雙倍柵壓自舉采樣開關(guān)，分別用于對正相和反相的輸入信號進行采樣，所述雙倍柵壓自舉采樣開關(guān)包括四個pmos管m1~m4、七個nmos管m5~m11以及兩個容值相等的電容c1和c2，其中m1的源極與m2的源極以及m5的柵極相連并接電源電壓vdd，m1的漏極與c1的一端以及m3的漏極相連，m1的柵極與m3的源極、m11的柵極、c2的一端以及m10的漏極相連，m2的漏極與c2的另一端以及m4的漏極相連，m2的柵極與m4的源極、m5的源極、m7的柵極以及m8的柵極相連，m5的漏極與m6的源極相連，m6的漏極接地，c1的另一端與m9的漏極、m11的漏極、m11的源極以及m7的源極相連，m9的源極與m10的源極相連并接地，m7的漏極與m8的源極相連并作為雙倍柵壓自舉采樣開關(guān)的輸入端，m8的漏極作為雙倍柵壓自舉采樣開關(guān)的輸出端與電容陣列中p端或n端的比特電容上極板相連，m3、m4、m6、m9、m10的控制極接時鐘信號，為sar?adc采樣時鐘φs的反相時鐘。

13、進一步地，所述動態(tài)比較器包括六個pmos管q4、q5、q10、q11、q12、q13以及七個nmos管q1、q2、q3、q6、q7、q8、q9，其中q4的源極與q5的源極、q12的源極以及q13的源極相連并接電源電壓vdd，q4的柵極與q5的柵極以及q1的柵極相連并接時鐘信號φc，q4的漏極與q2的漏極以及q10的柵極相連，q5的漏極與q3的漏極以及q11的柵極相連，q2的柵極為動態(tài)比較器的正相輸入端，q3的柵極為動態(tài)比較器的反相輸入端，q2的源極與q3的源極以及q1的漏極相連，q1的源極接地，q12的漏極與q10的源極相連，q13的漏極與q11的源極相連，q12的柵極與q7的柵極、q8的漏極、q9的漏極以及q11的漏極相連并作為動態(tài)比較器的反相輸出端，q13的柵極與q8的柵極、q7的漏極、q6的漏極以及q10的漏極相連并作為動態(tài)比較器的正相輸出端，q6的源極與q7的源極、q8的源極以及q9的源極相連并接地，q6的柵極與q9的柵極相連并接時鐘信號，為φc的反相時鐘。

14、由于電容間的電荷共享效應(yīng)存在，sar?adc量化的實際權(quán)重偏離標(biāo)準(zhǔn)二進制，需要根據(jù)電容結(jié)構(gòu)進行重新計算，用于后端利用sar?adc輸出的數(shù)字碼進行信號重構(gòu)的數(shù)模轉(zhuǎn)換工作中。進一步地，所述電容陣列中的第n位比特電容，其實際權(quán)重wn的計算表達式如下：

15、

16、

17、其中：cn為電容陣列中的第n位比特電容的電容值，cnref為第n位比特電容對應(yīng)連接的電荷泵升壓電路中電容cnref,1的電容值且cnref=8cn，ck為電容陣列中的第k位比特電容的電容值，ckref=8ck，n為自然數(shù)且1≤n≤ n。

18、基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：

19、1.?本發(fā)明創(chuàng)新性地提出了基于電荷泵升壓電路的無源參考電壓升壓電路，利用電荷泵電容堆疊的特性，能夠?qū)⒌碗妷簐dd升壓到2×vdd，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化的參考電壓。

20、2.?本發(fā)明創(chuàng)新性地將基于電荷泵升壓電路的無源參考電壓升壓電路應(yīng)用于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，并結(jié)合基于電荷泵的雙倍柵壓自舉采樣開關(guān)，實現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化輸入信號幅度加倍的功能。

21、3.?本發(fā)明基于電荷泵的無源參考電壓升壓電路的開銷只有2個電容和若干開關(guān)，且具有全動態(tài)的工作特性，僅具有動態(tài)電流；相比于其他具有靜態(tài)電流的基于帶隙基準(zhǔn)的參考電壓電路，功耗更低，適合低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計。

22、4.?本發(fā)明無需另外片內(nèi)產(chǎn)生或片外注入共模電壓，相比于其他基于共模電壓開關(guān)切換策略的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有更高的能量效率和硬件效率。

23、5.?本發(fā)明實現(xiàn)了低電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的模擬電路和數(shù)字電路的協(xié)同設(shè)計，適合先進工藝節(jié)點下的低電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計。