分辨率對采樣與保持信道的數目可互換的模擬-數字轉換器的制作方法

專利名稱：分辨率對采樣與保持信道的數目可互換的模擬-數字轉換器的制作方法
技術領域：
本揭示案涉及模擬一數字轉換器，更確切地說，涉及具有可互換的分辨率和采樣與 保持放大器信道的模擬一數字轉換器。
背景技術：
結合用于大量不同的工業和消費應用的數字系統使用模擬一數字轉換器。然而，這 些不同的應用要求不同的模擬一數字轉換器配置，例如采樣信道數目和位分辨率。舉例 來說，馬達控制裝置可使用4信道IO位的模擬一數字轉換器(ADC)，而通用裝置可采 用單信道12位的ADC。一般來說，可將逐步逼近寄存器ADC(SARADC)用于10和12位分辨率轉換。SAR ADC的成本較低，消耗的操作功率較低，且具有合理的轉換速度。也可結合SAR ADC 使用采樣與保持電路。采樣與保持電路包括電容器和用以將電容器耦合到待轉換的模擬 電壓的切換器。將這個模擬電壓進行采樣并保持在電容器中。接著將保持在電容器中的 電壓樣本耦合到ADC比較器，以便將模擬電壓轉換成數字表示形式(例如，10或12位)。SARADC中的電容器可提供兩種功能采樣和轉換。在采樣階段期間，電容器可存 儲待轉換的模擬電壓，例如模擬電壓與內部參考電壓(例如，Vdd/2)之間的電壓差。電 容器的電容值在采樣階段期間并不重要。當電容器與內部參考之間的切換器打開時，采 樣階段結束且保持階段開始。下一階段是轉換。在轉換階段期間，允許電容器的耦合到 電壓比較器的末端浮動(例如，不被驅動)。接著，在逐步逼近過程期間，通過逐步逼近 寄存器(SAR)和控制電路將電容器的其它末端以二進制加權群組切換到電壓參考，例 如Vrefh或Vrefl (例如，接地或常用電壓)。在此轉換過程期間，電容器的電容值非常重 要。電容器的電容值匹配的質量可能會決定SARADC的微分非線性(DNL)和積分非線
性(INL)性能。 發明內容需要一種具有采樣與保持電路的逐步逼近寄存器模擬一數字轉換器(SARADC)，其 可容易地針對單采樣信道ADC或多(例如四)采樣信道ADC來配置。需要此種可配置 的采樣與保持SARADC可使用大致相同的集成電路布局。根據本揭示案的教示，可通過 利用與IC小片上的SARADC電路采樣與保持電容器相關聯的金屬遮罩、可編程熔絲鏈 和/或可編程切換器，將集成電路(IC)小片上的SARADC電路配置成N位的SARADC， 例如具有多個采樣信道(例如，四個(4)采樣信道)的10位SARADC，其可用于(例 如但不限于)馬達控制應用；或者M位的SARADC (其中M>N)，例如具有比N位SAR ADC少的輸入采樣信道(例如， 一個(1)采樣信道)的12位SARADC，其可用于(例 如但不限于)普通應用。可通過存儲在非易失性存儲器(例如，電可擦除可編程只讀存 儲器(EEPROM)、快閃存儲器等)中的位圖案來控制可編程切換器。因此，相同的可配 置SARADC IC遮罩組布局可用于專門馬達控制和/或較普通的應用。根據本揭示案的教示，可將與SARADC的電容器區域結合的分別(例如)為位可配 置或金屬遮罩可配置的切換器或金屬連接選項連接成單采樣信道12位電容器配置或四 采樣信道IO位電容器配置。SAR ADC電路的其它所有部分對于任一配置可以是大致相 同的，例如數字一模擬轉換器(DAC)、逐步逼近寄存器(SAR)、 ADC控制器、輸入采 樣與保持切換器、比較器等。所述SARADC可包括用于低位分辨率的電阻器數字一模擬 轉換器(RDAC)與用于高位分辨率的電荷重新分配數字一模擬轉換器(CDAC)結合。 這種結合也可稱為"混合SARDAC"，且可有利于使用容易在集成電路小片上制造的電 路來進行有效、低成本、低功率且快速的模擬一數字轉換。可預期且在本揭示案范圍內的是，根據本揭示案的多個電容器區域可配置用于各種 位分辨率值和采樣與保持信道的數目，且可與使用CDAC的SARADC —起使用。根據本揭示案的特定示范性實施例，具有可互換分辨率和采樣、保持與轉換信道的 模擬一數字轉換器(ADC)可包括電容器區域，其包括多個第一電容器和多個第二電 容器，其中所述多個第一電容器形成電荷重新分配數字一模擬轉換器(CDAC)的一部分; 多個切換器，其中所述多個切換器中的一些切換器形成CDAC的另一部分；比較器；電阻器數字一模擬轉換器(RDAC);逐步逼近寄存器(SAR);和控制器，其中所述多個第一電容器中的選定電容器耦合在一起以形成所需的第一電容值；所述多個第二電容器中的選定電容器耦合在一起以形成所需的第二電容值；所述多個切換器中的一些切換器
將多個第一和第二電容器中的選定電容器耦合到一個或一個以上模擬輸入、耦合到 RDAC，且耦合到比較器；所述SAR耦合到RDAC和CDAC;且控制器和比較器耦合到 SAR。根據本揭示案的另一特定示范性實施例，用于具有可互換分辨率和采樣信道的模擬 一數字轉換器(ADC)的電容器配置可包括電容器區域，其包括多個第一電容器和多 個第二電容器，其中所述多個第一電容器形成電荷重新分配數字一模擬轉換器(CDAC) 的一部分；其中所述多個第一和第二電容器中的選定電容器可互換地耦合在一起以形成 采樣、保持與轉換電容器，所述采樣、保持與轉換電容器具有所需的電容值且適于耦合 到一個或一個以上輸入、至少一個電壓參考和比較器輸入。根據本揭示案的又一特定示范性實施例，分別具有12位或IO位分辨率以及一個或 四個輸入采樣信道的模擬一數字轉換器(ADC)可包括電容器區域，其包括多個第一 電容器和多個第二電容器，其中所述多個第一電容器形成電荷重新分配數字一模擬轉換 器(CDAC)的一部分；多個切換器，其適于針對一個或四個采樣信道配置所述多個第一 和第二電容器，其中所述多個切換器中的一些切換器形成CDAC的另一部分；比較器； 電阻器數字一模擬轉換器(RDAC);逐步逼近寄存器(SAR);和控制器，其中所述多個第一電容器中的選定電容器耦合在一起以形成具有所需的第一電容值的一個或四個采樣、保持與轉換電容器；所述多個第二電容器中的選定電容器耦合在一起以形成具有所 需的第二電容值的一個或四個采樣、保持與轉換電容器；所述多個切換器中的一些切換 器將多個第一和第二電容器中的選定電容器耦合到一個或一個以上模擬輸入、耦合到 RDAC，且耦合到比較器；所述多個切換器將所述一個或四個采樣、保持與轉換電容器分 別耦合到一個或四個模擬輸入，且耦合到比較器；所述SAR耦合至URDAC和CDAC;且 控制器和比較器耦合到SAR。


通過參看結合附圖進行的以下描述可獲得對本揭示案的更完整的了解，附圖中圖1是根據本揭示案特定示范性實施例的微分逐步逼近寄存器模擬一數字轉換器 (SARADC)的示意方框圖；圖2是根據本揭示案特定示范性實施例的多個電容器和所述多個電容器中用于針對 12位SARADC配置的單微分信道采樣與保持電容器陣列的電容器的布局的示意圖；圖3是根據本揭示案特定示范性實施例的使用圖2所示的單微分信道采樣電容器配 置的12位SARADC的平面圖的示意方框圖4是根據本揭示案特定示范性實施例的多個電容器和所述多個電容器中用于針對 IO位SARADC配置的四微分信道采樣與保持電容器陣列的電容器的布局的示意圖；和圖5是根據本揭示案特定示范性實施例的使用圖4所示的四微分信道采樣電容器配 置的IO位SARADC的平面圖的示意方框圖。雖然本揭示案可接受各種修改和替代形式，但其特定示范性實施例已在圖中展示并 在本文中進行了詳細描述。然而，應了解，本文中對特定示范性實施例的描述并不意圖 將本揭示案限于本文揭示的特定形式，而是相反，本揭示案應涵蓋由所附權利要求書界 定的所有修改和等效物。
具體實施方式
現參看圖式，圖中示意說明示范性實施例的細節。圖中的相同元件將由相同標號來 表示，且相似元件將由相同標號加上不同的小寫字母下標來表示。參看圖1，圖中描繪根據本揭示案特定示范性實施例的微分逐步逼近寄存器模擬一 數字轉換器(SARADC)的示意方框圖。通常由標號100概括表示的微分SAR ADC可 包括(分別為)正和負(Vin+和Vin—)的模擬輸入102a和102b;電壓參考高(Vrefh) 103;電壓參考低(Vrefl)或接地輸入107;正輸入采樣、保持與轉換電容器324a和326a; 負輸入采樣、保持與轉換電容器324b和326b;比較器110;電阻器數字一模擬轉換器 (RDAC) 112;逐步逼近寄存器(SAR) 114;和控制器116。正和負模擬輸入102a和102b可分別耦合到切換器104a和104b。正輸入采樣與保持 電容器324a和326a可耦合到切換器104a和105。負輸入采樣與保持電容器324b和326b 可耦合到切換器104b。比較器110的負輸入可耦合到電容器324a和326a，且比較器110 的正輸入可耦合到電容器324b和326b。在采樣期間，正輸入電容器324a和326a充電到Vin+ (輸入102a上的電壓)減去 內部參考107 (例如，Vdd/2，其中Vdd可為電源電壓)，且負輸入電容器324b和326b 充電到Vin—(輸入102b上的電壓)減去內部參考107。在采樣之后，切換器106a和106b 打開，因此保持這些采樣的電壓。可通過控制CDAC切換器105和通過控制RDAC 112 來執行轉換。借此可確定最高有效位，例如，對于10位ADC為上面三位，或者對于12 位ADC為上面五位。參看圖2，圖中描繪根據本揭示案特定示范性實施例的多個電容器和所述多個電容 器中用于針對12位ADC配置的單信道采樣與保持電容器陣列的電容器的布局的示意圖。 圖2的左列表示各個電容器，其具有由標號326表示的一個電容單位、由標號324和322
表示的二分之一電容單位、及由標號320表示的四分之一電容單位。通常，對于采樣與 保持電容器106只需要使用電容器324與326的組合。這些電容器324和326可經配置(例如，經互連)以形成正和負信道采樣與保持電容器，如本文中更充分描述。電容器 322和320是"虛設電容器"，其可用于避免處理邊緣效應。電容器322和320可用于改 進正輸入電容器324a和326a與負輸入電容器324b和326b之間的電容值匹配。正輸入 電容器324a和326a與負輸入電容器324b和326b的電容值的每一者之間較緊密的匹配 可改進SARADC 100的微分非線性(DNL)和積分非線性(INL)性能，因為二進制加 權群組(例如，1C、 4C等)之間的匹配比正和負輸入信道(分別為耦合到輸入102a和 102b的總電容值)之間的匹配更加重要。現參看圖3,圖中描繪根據本揭示案的特定示范性實施例的使用圖2所示的單微分 信道采樣電容器配置的12位逐步逼近ADC的平面圖的示意方框圖。ADC IOO可連同其 它電路(例如，微控制器等) 一起制造在單個集成電路小片(未圖示)上。對于12位逐 步逼近ADC，可能要求相當大值的采樣與保持電容器。因此，舉例來說(但不限于此)， 電容器106可包括32C單位的正輸入電容326a(例如，32個連接在一起的電容器326a)(圖2右半邊上描繪的左列電容器)；32C單位的負輸入電容326b (例如，32個連接在 一起的電容器326b)(圖2右半邊上描繪的右列電容器)；4C單位的正輸入對地電容(capacitance to ground) 324a (例如，8個連接在一起的電容器324a (—半單位值))(圖 2右半邊上描繪的左列電容器)；和4C單位的負輸入對地電容324b (例如，8個連接在 一起的電容器324b ( —半單位值))(圖2右半邊上描繪的右列電容器)。雖未圖示但可 預期且在本揭示案范圍內的是，電容器320、 322、 324和326可通過(例如但不限于) 可編程切換器、金屬遮罩、可編程熔絲鏈等以所需的組合耦合在一起。可根據存儲在非 易失性存儲器(例如，電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)、快閃存儲器等)中的位 圖案來控制可編程切換器。電容器320、 322、 324和326可分組成四個不同的區域，其 由標號302、 304、 306和308表示。這種分組可促進四信道采樣與保持微分輸入，如本 文中更充分描述。也可對于單端(非微分)ADC以類似方式實施單端(非微分)輸入采 樣與保持電容器。參看圖4，圖中描繪根據本揭示案的特定示范性實施例的多個電容器和所述多個電 容器中用于配置用于10位ADC的四信道采樣與保持電容器陣列的電容器的布局的示意 圖。圖4的左列表示各個電容器，其具有由標號326表示的一個電容單位、由標號324 和322表示的二分之一電容單位、及標號320表示的四分之一電容單位。通常，對于微
分輸入四信道的每個采樣與保持電容器106只需要使用電容器324與326的組合。這些 電容器324和326可經配置(例如，經互連)以形成正和負信道采樣與保持電容器，如 本文中更充分描述。然而，如果要求額外的分數電容單位，則可使用電容器322和320， 使得采樣與保持電容器106 (對于12位ADC為一個微分集合，且對于10位ADC為四 個微分集合)可被配置用于大致準確的電容值(例如，正與負信道之間的大致電容值平 衡)。參看圖5，圖中描繪根據本揭示案的特定示范性實施例的使用圖4所示的四微分信 道采樣電容器配置的10位逐步逼近ADC的平面圖的示意方框圖。對于10位逐步逼近 ADC，可使用比12位逐步逼近ADC所需的值小的值的采樣與保持電容器。因此，舉例 來說(但不限于此)，四信道10位ADC的10位采樣與保持電容器106的每個微分信道 可包括8C單位的正輸入電容326a (例如，8個連接在一起的電容器326a)(圖4右半 邊上描繪的左列電容器)；8C單位的負輸入電容326b (例如，8個連接在一起的電容器 326b)(圖4右半邊上描繪的右列電容器)；2C單位的正輸入對地電容324a (例如，4個 連接在一起的電容器324a (—半單位值))(圖4右半邊上描繪的左列電容器)；和2C單 位的負輸入對地電容324b (例如，4個連接在一起的電容器324b (—半單位值))(圖4 右半邊上描繪的右列電容器)。雖未圖示但可預期且在本揭示案范圍內的是，電容器320、 322、 324和326可通過(例如但不限于)可編程切換器、金屬遮罩、可編程熔絲鏈等以 所需的組合耦合在一起。可根據存儲在非易失性存儲器(例如，電可擦除可編程只讀存 儲器(EEPROM)、快閃存儲器等)中的位圖案來控制可編程切換器。電容器320、 322、 324和326可分組成四個不同的區域，其通常由標號302、 304、 306和308表示，且可 促進10位ADC的四信道采樣與保持微分輸入。也可對于具有多個采樣信道的單端(非 微分)ADC以類似方式實施單端(非微分)輸入采樣與保持電容器。如本文所描述，單位、二分之一單位和四分之一單位電容器320、 322、 324和326 的布局可配置用于具有采樣與保持的單微分輸入12位ADC或具有用于四個信道中每一 者的采樣與保持的四微分輸入IO位ADC。可預期且在本揭示案范圍內的是，模擬一數 字轉換器領域的技術人員在得益于本揭示案的教示的情況下，可了解其它位大小的ADC 和其它數目的采樣與保持信道的組合。同樣可預期且在本揭示案范圍內的是，多個電容 器區域可被配置用于各種電容值和采樣與保持信道的數目，且所述多個電容器區域可與 模擬一數字轉換器領域的技術人員在得益于本揭示案的教示的情況下可了解的任何類型 的模擬一數字轉換器一起使用。
雖然已參照本揭示案的示范性實施例描繪、描述和界定了本揭示案的實施例，但這 種參照并不暗示對本揭示案的限制，且不應推斷出此種限制。所揭示的主題在形式和功 能方面能夠具有相當多的修改、更改和等效物，相關領域的一般技術人員在得益于本揭 示案的情況下將構想出所述修改、更改和等效物。本揭示案的已描繪和描述的實施例只 是實例，且并未詳盡列出本揭示案的范圍。
權利要求
1.一種模擬-數字轉換器(ADC)，其具有可互換的分辨率和采樣、保持與轉換信道，其包括電容器區域，其包括多個第一電容器和多個第二電容器，其中所述多個第一電容器形成電荷重新分配數字-模擬轉換器(CDAC)的一部分；多個切換器，其中所述多個切換器中的一些切換器形成所述CDAC的另一部分；比較器；電阻器數字-模擬轉換器(RDAC)；逐步逼近寄存器(SAR)；以及控制器，其中所述多個第一電容器中的選定電容器耦合在一起以形成所需的第一電容值；所述多個第二電容器中的選定電容器耦合在一起以形成所需的第二電容值；所述多個切換器中的一些切換器將所述多個第一和第二電容器中的選定電容器耦合到一個或一個以上模擬輸入、耦合到所述RDAC，且耦合到所述比較器；所述SAR耦合到所述RDAC和所述CDAC；以及所述控制器和所述比較器耦合到所述SAR。
2. 根據權利要求1所述的ADC，其中所述多個第一和第二電容器中的一些電容器具有 不同的電容值。
3. 根據權利要求2所述的ADC，其中所述不同的電容值包括第一、第二和第三電容值。
4. 根據權利要求3所述的ADC，其中所述第一電容值是一個電容單位，所述第二電容 值是二分之一電容單位，且所述第三電容值是四分之一電容單位。
5. 根據權利要求1所述的ADC，其中所述多個切換器被配置用于多個模擬采樣信道， 且所述多個第一和第二電容器中的選定電容器被配置成用于所述多個模擬采樣信 道中的每一者的采樣、保持與轉換電容器。
6. 根據權利要求1所述的ADC，其中所述多個切換器被配置用于四個模擬采樣信道， 且所述多個第一和第二電容器中的選定電容器被配置用于所述四個模擬采樣信道 中的每一者的采樣、保持與轉換電容器。
7. 根據權利要求6所述的ADC，其中所述SAR、所述RDAC和所述CDAC具有10 位分辨率。
8. 根據權利要求1所述的ADC，其中所述多個切換器被配置用于一個模擬采樣信道， 且所述多個第一和第二電容器中的選定電容器被配置用于所述一個模擬采樣信道 的采樣、保持與轉換電容器。
9. 根據權利要求8所述的ADC，其中所述SAR、所述RDAC和所述CDAC具有12位分辨率。
10. 根據權利要求1所述的ADC，其中所述多個第一和第二電容器中的選定電容器與金 屬遮罩耦合在一起。
11. 根據權利要求l所述的ADC，其中所述多個第一和第二電容器中的選定電容器與電 容器切換器耦合在一起。
12. 根據權利要求1所述的ADC，其中所述多個第一和第二電容器中的選定電容器的選 擇由存儲在非易失性存儲器中的位圖案來確定。
13. 根據權利要求1所述的ADC，其中所述多個切換器、包括所述多個第一和第二電容 器的電容器區域、所述比較器、所述RDAC、所述SAR和所述控制器均制造在集成 電路小片上。
14. 一種用于具有可互換的分辨率和采樣信道的模擬一數字轉換器(ADC)的電容器配 置，其包括電容器區域，其包括多個第一電容器和多個第二電容器，其中所述多個第一電容 器形成電荷重新分配數字一模擬轉換器(CDAC)的一部分；其中所述多個第一和第二電容器中的選定電容器可互換地耦合在一起以形成具 有所需電容值的采樣、保持與轉換電容器，且適于耦合到一個或一個以上模擬輸入、 至少一個電壓參考和比較器輸入。
15. 根據權利要求14所述的電容器配置，其中所述多個第一和第二電容器中的一些電 容器具有不同的電容值。
16. 根據權利要求15所述的電容器配置，其中所述不同的電容值包括第一、第二和第 三電容值。
17. 根據權利要求16所述的電容器配置，其中所述第一電容值是一個電容單位，所述 第二電容值是二分之一電容單位，且所述第三電容值是四分之一電容單位。
18. 根據權利要求14所述的電容器配置，其中所述多個第一和第二電容器中的選定電 容器與金屬遮罩耦合在一起。
19. 根據權利要求14所述的電容器配置，其中所述多個第一和第二電容器中的選定電容器與多個切換器耦合在一起。
20. 根據權利要求14所述的電容器配置，其中所述多個第一和第二電容器中的選定電 容器的選擇由存儲在非易失性存儲器中的位圖案來確定。
21. —種具有12位或10位分辨率及一個或四個輸入采樣信道的模擬一數字轉換器(ADC),其包括電容器區域，其包括多個第一電容器和多個第二電容器，其中所述多個第一電容 器形成電荷重新分配數字一模擬轉換器(CDAC)的一部分；多個切換器，其適于配置所述多個第一和第二電容器以用于一個或四個采樣信 道，其中所述多個切換器中的一些切換器形成所述CDAC的另一部分；比較器；電阻器數字一模擬轉換器(RDAC); 逐步逼近寄存器(SAR);以及 控制器，其中所述多個第一電容器中的選定電容器耦合在一起以形成具有所需的第一電容 值的一個或四個采樣、保持與轉換電容器；所述多個第二電容器中的選定電容器耦合在一起以形成具有所需的第二電容 值的一個或四個采樣、保持與轉換電容器；所述多個切換器中的一些切換器將所述多個第一和第二電容器中的選定電容 器耦合到一個或一個以上模擬輸入、耦合到所述RDAC，且耦合到所述比較器；所述多個切換器將所述一個或四個采樣、保持與轉換電容器分別耦合到一個或 四個模擬輸入，且耦合到所述比較器；所述SAR耦合到所述RDAC和所述CDAC;以及所述控制器和所述比較器耦合到所述SAR。
22. 根據權利要求21所述的ADC,其中所述SAR和RDAC是12位分辨率，且所述多 個切換器被配置用于一個采樣信道。
23. 根據權利要求21所述的ADC,其中所述SAR和RDAC是IO位分辨率，且所述多 個切換器被配置用于四個采樣信道。
全文摘要
一種具有采樣、保持與轉換放大器電路的逐步逼近寄存器模擬-數字轉換器(SARADC)可被配置用于單信道SAR ADC或多信道SAR ADC。可分別使用切換器或金屬連接選項(例如，位可配置或金屬遮罩可配置)來配置共用電容器區域，所述共用電容器區域的一部分可用作所述SAR ADC的可重新配置的電荷重新分配數字-模擬轉換器(CDAC)，或作為單信道采樣、保持與轉換12位電容器配置或作為四信道采樣、保持與轉換10位電容器配置。所述SAR ADC電路的所有其它部分對于任一配置可大致相同，例如，電阻數字-模擬轉換器(RDAC)、逐步逼近寄存器(SAR)、ADC控制器、采樣、保持與轉換切換器、比較器等對于單或多信道SAR ADC配置可大致相同。
文檔編號H03M1/80GK101128980SQ200680005768
公開日2008年2月20日 申請日期2006年2月21日 優先權日2005年2月24日
發明者哈里·胡, 彼得·席克, 蘇密特·K·米特拉 申請人:密克羅奇普技術公司