專(zhuān)利名稱(chēng)：閃速a/d轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及權(quán)利要求l前序部分定義的閃速模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
技術(shù)背景從碰der Ploeg等人在《IEEE Journal of Solid State Circuits》中發(fā)表的文章《A 2. 5V 12-b 54-Msample/s 0. 25 u m CMOS ADC in l-mra2 With Mixed-Signal Chopping and Calibration》 (2001 年12月，第12期，第36巻，第1859— 1867頁(yè))中可以了解到這樣 的轉(zhuǎn)換器。閃速模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器包含電阻參考梯級(jí)電路，用于產(chǎn)生多個(gè) 參考電壓。單級(jí)閃速轉(zhuǎn)換器的問(wèn)題在于，對(duì)于數(shù)字輸出信號(hào)的各個(gè)值， 都需要參考電壓，以致對(duì)于12位轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，需要具有2"-l = 1023 個(gè)電阻元件的參考梯級(jí)電路。為了避免這種和其它的問(wèn)題，研發(fā)了多 級(jí)閃速轉(zhuǎn)換器。兩級(jí)閃速轉(zhuǎn)換器使用粗糙和精細(xì)量化來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的分 辨率。例如，粗糙量化利用25-1=31個(gè)抽頭的參考梯級(jí)電路生成5位 數(shù)字字。隨后，在數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器中將該5位字轉(zhuǎn)換成它的模擬等價(jià)量，將這個(gè)模擬等價(jià)量從模擬輸入信號(hào)中減掉并且將差值(殘余量) 施加到第二DA級(jí)上，該第二DA級(jí)進(jìn)行殘余量的精細(xì)量化。這個(gè)第二 級(jí)可以例如生成7位精細(xì)碼。在數(shù)字解碼器中，將5位粗糙碼和7 位精細(xì)碼組合起來(lái)獲得12位數(shù)字輸出信號(hào)。在實(shí)踐中，這意味著必 須要給參考梯級(jí)電路連上具有大量開(kāi)關(guān)的選擇器來(lái)進(jìn)行數(shù)字到模擬 轉(zhuǎn)換。這些大量的開(kāi)關(guān)以及相應(yīng)產(chǎn)生的到達(dá)這些開(kāi)關(guān)和從這些開(kāi)關(guān)引 出的大量引線會(huì)使得芯片的布局更加復(fù)雜，并且會(huì)造成很大的寄生電 容，對(duì)于高速轉(zhuǎn)換來(lái)說(shuō)，不希望有很大的寄生電容。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明尋求大幅減少前述類(lèi)型的閃速模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān) 數(shù)量，并且因此本發(fā)明的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的特征在于權(quán)利要求1 的特征部分。在前述類(lèi)型的現(xiàn)有技術(shù)的閃速單端、單殘余量模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換 器中，與參考梯級(jí)電路相連的開(kāi)關(guān)的數(shù)量是2"，其中n是由粗糙量化 級(jí)生成的位數(shù)。在雙殘余量形式中，開(kāi)關(guān)的數(shù)量加倍到2n+1，并且在 差異形式中，這些開(kāi)關(guān)的數(shù)量再次加倍到2n+2。在按照本發(fā)明的轉(zhuǎn)換 器中，避免了針對(duì)差異形式的加倍，并且取而代之，每個(gè)殘余量需要 4個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行交叉功能。這意味著，在3位粗糙量化的情況下，在 雙殘余量差異轉(zhuǎn)換器中，生成殘余信號(hào)所用的開(kāi)關(guān)的數(shù)量從32減少 到了 24。這看起來(lái)似乎不是很大的改進(jìn)，不過(guò)，如果粗糙量化的位 數(shù)增加到例如5，開(kāi)關(guān)的數(shù)量將會(huì)從128減少到68，這就是很重大的 改進(jìn)了。這意味著參考梯級(jí)電路的容性負(fù)載會(huì)小得多，這有助于更快 地生成殘余信號(hào)，并且因此模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器將會(huì)具有更高的速度。 而且，損耗將會(huì)更低并且硅面積將會(huì)更小。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，減少了連 接到這些開(kāi)關(guān)和從這些開(kāi)關(guān)引出的導(dǎo)線的數(shù)量。優(yōu)選的是，參考梯級(jí)電路具有雙重功能。為粗糙閃速轉(zhuǎn)換生成 第一參考電壓。在粗糙量化完成之后，存儲(chǔ)粗糙碼，并且與參考梯級(jí) 電路的抽頭相連且由所存儲(chǔ)的粗糙碼控制的多個(gè)選擇器生成粗糙碼 的模擬表達(dá)。優(yōu)選的是，由參考梯級(jí)電路和選擇器構(gòu)成的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器 生成粗糙碼的兩個(gè)模擬表達(dá)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)殘余信號(hào)的生成。而 且，在具有大量數(shù)字處理的低電壓CMOS芯片上，模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的所有信號(hào)應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地是差異信號(hào)。本發(fā)明此外還涉及權(quán)利要求4所述的用在閃速模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換 器中的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器和權(quán)利要求6所述的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換方法。
將參照附圖對(duì)本發(fā)明加以介紹。本文給出了圖l表示從參考文章中獲知的兩級(jí)閃速模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，圖2a表示圖1的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的參考梯級(jí)電路和數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器，圖2b表示圖2a的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)， 圖3a表示本發(fā)明的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的參考梯級(jí)電路和數(shù)字 到模擬轉(zhuǎn)換器，和圖3b表示圖3a的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)。
具體實(shí)施方式
圖1的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器示出正施加到粗糙模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器 單元1的模擬輸入信號(hào)I。通常輸入信號(hào)是通過(guò)采樣和保持電路(未 示出)施加的。模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器從電阻參考梯級(jí)電路6接收多個(gè)參 考電壓，該電阻參考梯級(jí)電路6的端子與DC電壓VT和VB相連。粗 糙模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器單元1包含多個(gè)用于將輸入信號(hào)與梯級(jí)電路6 的參考電壓進(jìn)行比較的比較器，并且這些比較結(jié)果被作為粗糙量化碼 C饋送給數(shù)字解碼器2。還將粗糙量化碼C施加給數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器單元3。這個(gè)單元也 接收梯級(jí)電路6的參考電壓并且包含多個(gè)由碼C控制的開(kāi)關(guān)。單元3 的輸出信號(hào)是碼C的模擬形式，并且因此通過(guò)粗糙量化跟隨輸入信號(hào) I。將會(huì)參照?qǐng)D2和3進(jìn)一步解釋說(shuō)明這個(gè)數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器3的操 作。在減法器4中，從輸入信號(hào)I中減掉來(lái)自數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器3 的經(jīng)過(guò)粗糙量化的模擬信號(hào)并且這樣獲得的差值信號(hào)(殘余信號(hào)R) 是在單元1中進(jìn)行了粗糙量化之后遺留的量化誤差。在精細(xì)模擬到數(shù) 字轉(zhuǎn)換器5中對(duì)這個(gè)殘余信號(hào)R進(jìn)行數(shù)字化并且將由此得到的精細(xì)量 化碼F施加到數(shù)字解碼器2的第二輸入端上。這個(gè)解碼器的輸出信號(hào) O構(gòu)成這種電路結(jié)構(gòu)的數(shù)字輸出信號(hào)。打算將圖2a中所示的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器用在具有n = 3位粗糙 量化的雙殘余量差異模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器中。該數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器利用 了電阻參考梯級(jí)電路6，該電阻參考梯級(jí)電路6給出多個(gè)等差額參考 電壓V, —V9。這個(gè)梯級(jí)電路具有雙重功能在粗糙模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器 1中生成用來(lái)與輸入信號(hào)進(jìn)行比較的參考電壓和在數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換
器3中創(chuàng)建數(shù)字碼C的模擬形式。圖2a的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器包括四 個(gè)選擇器7、 8、 9和10，各選擇器具有2n = 8個(gè)用于與梯級(jí)電路6 的8個(gè)參考電壓連接的位置。選擇器7和8與參考電壓V2到V9連接， 用于分別生成模擬信號(hào)Ra+和Ra-，而選擇器9和10與參考電壓VjlJ V8相連，用于分別生成模擬信號(hào)Rb+和Rb-。該電路結(jié)構(gòu)此外還包括控 制單元11，該控制單元11從粗糙模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器1接收數(shù)字碼C。 將選擇器7、 8、 9和10畫(huà)在處于輸入信號(hào)I具有其最低值時(shí)這些選 擇器所具有的位置上。在控制單元ll的控制下，這四個(gè)選擇器是這 樣操作的隨著輸入信號(hào)的不斷增多，選擇器7從V9步進(jìn)到V2，選 擇器8從V2步進(jìn)到Vg，選擇器9從V,步進(jìn)到^，選擇器10從Vs步進(jìn) 到V,。圖2b圖解說(shuō)明圖2a的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器的操作。該圖表示對(duì) 于輸入信號(hào)I的8個(gè)粗糙量化子范圍的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器的四個(gè)輸出信號(hào)Ra+、 Ra-、 Rh +和Rb-的值。兩個(gè)信號(hào)Ra +和Ra-—起形成用于構(gòu)成第一殘余量的差異粗糙量化信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)R"和Rh-—起形成用于構(gòu)成 第二殘余量的差異粗糙量化信號(hào)。如參照?qǐng)D1所介紹的，精細(xì)轉(zhuǎn)換器 5使用這些殘余信號(hào)來(lái)確定精細(xì)位F?？梢杂^察到，在實(shí)踐中，8個(gè)單刀開(kāi)關(guān)構(gòu)成四個(gè)選擇器7、 8、 9 和10的每一個(gè)。因此這種方案需要總共32個(gè)單刀開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行3位粗 糙量化(2n'2=32，其中n = 3)。在圖3a的方案中，開(kāi)關(guān)的數(shù)量大幅減少。這種方案的參考梯級(jí) 電路與圖2a的參考梯級(jí)電路完全相同。隨著輸入信號(hào)的不斷增多， 輸出信號(hào)為Q:的4位置選擇器12接連選擇參考電壓V9、 V8、 l和V6 并且之后向回接連選擇Vfi、 V7、 Vs和V9。輸出信號(hào)為Q2的4位置選擇 器13接連選擇參考電壓V2、 V3、 V4和Vs并且之后向回接連選擇V5、 V4、 VdBV2。類(lèi)似地，輸出信號(hào)為Q3的第三選擇器14接連選擇電壓 Vh V2、 V:,、 V4、 V4、 V3、 VjPVu并且輸出信號(hào)為Q4的第四選擇器15 接連選擇電壓V8、 V7、 V6、 V5、 V5、 V6、 V7和V8。由圖3b的下四行示 出了所有這些電壓的選擇過(guò)程。其本身由粗糙量化碼C控制的控制單 元16控制這四個(gè)選擇器開(kāi)關(guān)。將選擇器12和13的信號(hào)Qt和Q2饋送給交叉開(kāi)關(guān)17，以構(gòu)成信 號(hào)Ra+和Ra—，并且將選擇器14和15的輸出信號(hào)Q3和Q4饋送給交叉開(kāi) 關(guān)18，以構(gòu)成信號(hào)Rb+和IV。這兩個(gè)交叉開(kāi)關(guān)在輸入信號(hào)處于它的整 個(gè)變化范圍的一半時(shí)進(jìn)行切換。在圖3b的上四行中示出了交叉開(kāi)關(guān)的這一動(dòng)作的結(jié)果。圖2b 和3b之間的比較表明，在這兩種情況下四個(gè)輸出信號(hào)Ra+、 Ra—、 Rb+、 Rb-實(shí)際上是一樣的。不過(guò)，在圖3a的方案中所需開(kāi)關(guān)的數(shù)量大幅減 少?？紤]到圖3a中四個(gè)單刀開(kāi)關(guān)構(gòu)成各個(gè)選擇器開(kāi)關(guān)(對(duì)于n二3) 并且還有四個(gè)單刀開(kāi)關(guān)構(gòu)成各個(gè)交叉開(kāi)關(guān)(對(duì)于任何n值)，開(kāi)關(guān)的 總數(shù)為24，而圖2a的方案中的開(kāi)關(guān)總數(shù)為32。在粗糙量化的位數(shù)較 高的情況下，這一差異會(huì)明顯增大。總地來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及一種閃速模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器 包括電阻參考梯級(jí)電路； 一組比較器，用于將模擬輸入信號(hào)與梯級(jí) 電路的參考電壓進(jìn)行比較，以給出代表輸入信號(hào)的粗糙量化結(jié)果的數(shù) 字碼； 一組開(kāi)關(guān)，該組開(kāi)關(guān)與參考梯級(jí)電路相連并且由所述數(shù)字碼控 制，以給出輸入信號(hào)的粗糙量化結(jié)果的模擬表達(dá)；裝置，用于由所述 粗糙量化結(jié)果的模擬表達(dá)和由輸入信號(hào)來(lái)得出一個(gè)或多個(gè)殘余信號(hào)； 和精細(xì)模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器級(jí)，用于生成代表一個(gè)或多個(gè)殘余信號(hào)的精 細(xì)量化結(jié)果的數(shù)字碼。為了使所需開(kāi)關(guān)的數(shù)量最小，針對(duì)一個(gè)殘余信 號(hào)的每個(gè)選擇器針對(duì)粗糙量化結(jié)果的兩個(gè)值選擇梯級(jí)電路的一半電 壓，并且在粗糙量化結(jié)果到達(dá)它的中值時(shí)，由交叉開(kāi)關(guān)將針對(duì)所述殘 余信號(hào)的兩個(gè)選擇器的輸出信號(hào)顛倒過(guò)來(lái)。本發(fā)明還可以用在單殘余量多級(jí)閃速模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器中。因 為在僅需要一對(duì)差值信號(hào)IC和的情況下，可以省去選擇器13和 14以及交叉開(kāi)關(guān)18。顯然，本發(fā)明也可以用在具有多于兩級(jí)的閃速模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換 器中。在這種情況下，可以將具有其選擇器和交叉開(kāi)關(guān)的數(shù)字到模擬 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用在這些級(jí)中的任何一級(jí)中，當(dāng)然，除了最后一級(jí)之外。
權(quán)利要求
1.一種閃速模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于將模擬輸入信號(hào)(I)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)(O)，所述轉(zhuǎn)換器包括至少兩個(gè)轉(zhuǎn)換器級(jí)的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，所述級(jí)中的第一級(jí)包括用于接收模擬輸入信號(hào)的裝置；提供一系列參考電壓的電阻參考梯級(jí)電路(6)；裝置(1)，用于將輸入信號(hào)與所述多個(gè)參考電壓進(jìn)行比較并且由此得出代表了模擬輸入信號(hào)的粗糙量化結(jié)果的數(shù)字碼(C)；數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器級(jí)(3)，包括了多個(gè)由所述數(shù)字碼(C)控制并且從多個(gè)參考電壓中選擇所述粗糙量化結(jié)果的模擬表達(dá)的選擇器(8-10)；裝置(4)，用于從模擬輸入信號(hào)(I)中減掉所述模擬表達(dá)來(lái)獲得殘余信號(hào)(R)，所述閃速模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的特征在于，對(duì)于數(shù)字碼(C)的各個(gè)采樣，一對(duì)選擇器(12-13，14-15)中的一個(gè)選擇器從所述一系列參考電壓的一半?yún)⒖茧妷褐羞x擇第一參考電壓，而另一個(gè)選擇器從這一系列參考電壓的另一半?yún)⒖茧妷褐羞x擇第二參考電壓，使得第一和第二參考電壓相對(duì)于這一系列參考電壓的中心而彼此對(duì)稱(chēng)，并且使得通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)(17，18)來(lái)傳送所述一對(duì)選擇器的輸出信號(hào)，該交叉開(kāi)關(guān)被安排成用來(lái)在粗糙量化結(jié)果的范圍的中心處進(jìn)行切換。
2. 按照權(quán)利要求1所述的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征在于，參 考梯級(jí)電路(6)被安排成用來(lái)提供多個(gè)等差額的參考電壓。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征在于， 還包括用于將所述殘余信號(hào)供應(yīng)給第二轉(zhuǎn)換器級(jí)(5)來(lái)生成模擬輸 入信號(hào)的精細(xì)量化結(jié)果(F)的裝置。
4. 一種用在閃速模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器，該 數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器包括提供一系列參考電壓的電阻參考梯級(jí)電路(6);由數(shù)字碼(C)控制并且從多個(gè)參考電壓中選擇一個(gè)模擬表達(dá) 的多個(gè)選擇器(S—IO)，所述數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器的特征在于，對(duì)于 數(shù)字碼(C)的各個(gè)采樣， 一對(duì)選擇器(12—13， 14一15)中的一個(gè) 選擇器從所述一系列參考電壓的一半?yún)⒖茧妷褐羞x擇第一參考電壓，而另一個(gè)選擇器從這一系列參考電壓的另一半?yún)⒖茧妷褐羞x擇第二 參考電壓，使得第一和第二參考電壓相對(duì)于這一系列參考電壓的中心 而彼此對(duì)稱(chēng)，并且使得通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)(17， 18)來(lái)傳送所述一對(duì)選擇 器的輸出信號(hào)，該交叉開(kāi)關(guān)被安排成用來(lái)在一系列參考電壓的中心處 進(jìn)行切換。
5. 按照權(quán)利要求4所述的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器，其特征在于，參 考梯級(jí)電路(6)被安排成用來(lái)提供一系列等差額的參考電壓。
6. —種將模擬輸入信號(hào)(I)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)(0)的方法，包括一得出代表了輸入信號(hào)(I)的粗糙量化結(jié)果的數(shù)字碼(C)的步驟；一由所述數(shù)字碼(C)得出模擬表達(dá)的步驟，—通過(guò)從模擬輸入信號(hào)(I)中減掉所述模擬表達(dá)來(lái)獲得殘余信 號(hào)(R)的步驟，所述方法的特征在于，所述模擬表達(dá)是由數(shù)字到模 擬轉(zhuǎn)換器獲得的，該數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器包括提供了一系列參考電壓的 電阻參考梯級(jí)電路(6)，由此從這一系列參考電壓的一半?yún)⒖茧妷?中選擇第一參考電壓并且從這一系列參考電壓的另一半?yún)⒖茧妷褐?選擇第二參考電壓，由此第一和第二參考電壓被選擇為針對(duì)相對(duì)于粗 糙量化結(jié)果的整個(gè)范圍的中心而對(duì)稱(chēng)的粗糙量化結(jié)果的兩個(gè)值。
7. 按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)(17， 18)傳送第一和第二參考電壓來(lái)獲得模擬表達(dá)，該交叉開(kāi)關(guān)在粗糙量 化結(jié)果的整個(gè)范圍的中心處進(jìn)行切換。
8. 按照權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，將殘余信號(hào) 供應(yīng)給模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的第二級(jí)來(lái)生成模擬輸入信號(hào)的精細(xì)量化 結(jié)果(F)。
9. 按照權(quán)利要求6到8中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于， 由參考梯級(jí)電路(6)提供的多個(gè)參考電壓是多個(gè)等差額的參考電壓。
10. 按照權(quán)利要求6到9中任何一項(xiàng)所述的方法，其中將所述 殘余信號(hào)供應(yīng)給第二轉(zhuǎn)換器級(jí)(5)來(lái)生成模擬輸入信號(hào)的精細(xì)量化 結(jié)果(F)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種閃速模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器包括電阻參考梯級(jí)電路；一組比較器，用于將模擬輸入信號(hào)與梯級(jí)電路的參考電壓進(jìn)行比較，以給出代表了輸入信號(hào)的粗糙量化結(jié)果的數(shù)字碼；一組開(kāi)關(guān)，該組開(kāi)關(guān)與參考梯級(jí)電路相連并且由所述數(shù)字碼控制，以給出輸入信號(hào)的粗糙量化結(jié)果的模擬表達(dá)；用于由所述粗糙量化結(jié)果的模擬表達(dá)和由輸入信號(hào)得出一個(gè)或多個(gè)殘余信號(hào)的裝置；和精細(xì)模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器級(jí)，用于生成代表了一個(gè)或多個(gè)殘余信號(hào)的精細(xì)量化結(jié)果的數(shù)字碼。為了使所需開(kāi)關(guān)的數(shù)量最小，針對(duì)一個(gè)殘余信號(hào)的每個(gè)選擇器在粗糙量化結(jié)果的兩個(gè)值中選擇梯級(jí)電路的一半電壓，并且在粗糙量化結(jié)果到達(dá)它的中值時(shí)，由交叉開(kāi)關(guān)將針對(duì)所述殘余信號(hào)的兩個(gè)選擇器的輸出信號(hào)顛倒過(guò)來(lái)。
文檔編號(hào)H03M1/06GK101164238SQ200680009592
公開(kāi)日2008年4月16日 申請(qǐng)日期2006年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月24日
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