專利名稱：電容平均轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電容平均轉(zhuǎn)換器，尤 及但不限于電容平均流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器。2、 背景技術(shù)
過去20年間，研究并開發(fā)了使用流水線結(jié)構(gòu)的高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。成 功提出了模擬補(bǔ)償及數(shù)字校正方案，以達(dá)到15b分辨率的高精度。模擬補(bǔ)償方 案的主要作用在于補(bǔ)償開關(guān)電容流水級的電容失配，電容失配限制了高^fJf率 涼i7燃微轉(zhuǎn)換器(ADC)。
—種技術(shù)是在單獨(dú)的平均階段使用專用的基于運(yùn)放的開關(guān)電容級來 進(jìn)行電荷平均。效果不好的是該第一技術(shù)功耗高，并且其運(yùn)行速度限制在 20Msps。產(chǎn)生第一個問題的部分原因是主動平均技術(shù)，主動平均技術(shù)^M于基 于運(yùn)放的大功率反饋網(wǎng)絡(luò)。此外，為產(chǎn)生殘留信號，該第一技術(shù)必須運(yùn)行在至 少三個時鐘階段內(nèi)。因此，漏掉了大量電流，并且數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率也非常低。
繼續(xù)參考圖1和圖2，需要四個時鐘階段以從每個流水級輸出殘留 信號。對于^7X級-(i)，在采樣階段Ol期間，閉合開關(guān)Sl和S2以獲取輸入信 號。也閉合開關(guān)S3和S4以進(jìn)行底極艦樣?？梢詊柳附加采樣階段①2 (或比 較階段)來在^H^K級中進(jìn)行sub-ADC 轉(zhuǎn)換。(未顯示①！和02的示意 圖)。這是優(yōu)選的，但并不排除使用其它的比較技術(shù)來消除對附加階段02的需 要。，兩個時鐘階段內(nèi)，相關(guān)運(yùn)放是空閑階段的。
在放大階段0>3中，采樣開關(guān)S1， S2， S3和S4是開的，并且使開 關(guān)電容電路和輸入信號絕緣。同時，開關(guān)S0和S5的閉合的，并且構(gòu)造^ig放 的環(huán)路，以用于帶有增益(1W1S1/C1S2)的殘留放大。級(i+l)將級(i)的殘留信 號采樣到電容C1S2。最后階段①4中，交換電容C1S1和C2S1以提供與 (1+C2S1/C1S1)略微不同的增益。由于C1S1和C2S2間的內(nèi)在電容失配，其 與增益(1+ C1S1/C1S2)是不同的。級(i+l)再次將信號采樣到另一采樣電容 C2S2。這樣，通過開關(guān)電容，隨后再分配兩個電容上的電荷，并且獲取合成補(bǔ) 償殘留信號。這僅受二階誤差影響，該誤差非常小，其數(shù)M通常只有IO"6?？?見，為正確運(yùn)行，平均過禾廷少需要三個時鐘階段，這降低了操作速度。因此， 需要一種改進(jìn)的電容平均轉(zhuǎn)換器。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù) 實(shí)施例，提供了多級電容平均流7jC^模數(shù)轉(zhuǎn)換器。每一級 均具有第一開關(guān)電容電路和與第一開關(guān)電容電路并行的第二開關(guān)電容電路。
第二開關(guān)電容電路可與第一開關(guān)電容電路相同。 地，第二開關(guān) 電容電路可與第一開關(guān)電容電路完全相同。
多極的某一級第一開關(guān)電容電路與多極的另一級第一開關(guān)電容電路 可以相同?？蛇x擇的，它們也可以不同。某一級的第二開關(guān)電容電路與另一級 的第二開關(guān)電容電路可以相同。可選擇的，它們也可以不同。
當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)電容電路采樣輸入信號時，第二開關(guān)電容電路可用于同 時殘留信號的放大和平均；當(dāng)?shù)诙_關(guān)電容電路采樣輸入信號時，第一開關(guān)電 容電路可用于同時殘留信號的放大和平均。
轉(zhuǎn)換器還可進(jìn)一步包括用于多極的每一級的運(yùn)算放大器。可以將第 一和第二開關(guān)電容電路的輸出輸入纟^算放大器，轉(zhuǎn)換期間，運(yùn)算放大器持續(xù) 運(yùn)行。
多極的每一級均可運(yùn)行在兩個時鐘階段內(nèi)。對每兩個時鐘階段，可 產(chǎn)生一殘留信號。
根據(jù)另一,實(shí)施例，提供了一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的方 法。在時鐘周期的第一階段，在多極電容平均流7乂線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的第一級的第 一開關(guān)電容電路中采樣輸入信號。在多極電容平均^7K線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的第一級 的第二開關(guān)電容電路中對時鐘周期先前階皿樣的早期輸入信號進(jìn)行殘留放大和平均。在該時鐘周期的第二階段，在第二開關(guān)電容電路中釆樣輸入信號，在 第一開關(guān)電容電路中對時鐘周期先前階段采樣的輸入信號進(jìn)行殘留放大和平 均。第一級平均的殘留信號輸入給多極的第二級。
在時鐘周期的第一階段將第一級生成的平均殘留信號采樣至瞎二 級的第一開關(guān)電容電路，并且在第二級的第二開關(guān)電容電路，放大和平均先前 階M樣的早期平均殘留信號。在時鐘周期的第二階段將第一級生成的平均 殘留信號采樣至l傑二級的第二開關(guān)電容電路，在第二級的第一幵關(guān)電容電路中， 放大和平均先前階 樣的早期平均殘留信號。
多極電容平均、^7K線tim轉(zhuǎn)換器的每一級可包JSig算放大器。每一 級的第一和第二開關(guān)電容電路的輸出可以輸入纟^算放大器，并且運(yùn)算放大器 在轉(zhuǎn)換期間內(nèi)持續(xù)運(yùn)行。多極的每一級可在兩階段時鐘方案內(nèi)運(yùn)行。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中，四階段運(yùn)行的時序圖2是現(xiàn)有技術(shù)中，階段03和054中用于>^^級的示例電路；
圖3是兩階段運(yùn)行的本發(fā)明實(shí)施例的時序圖4是、^7K級殘留輸出電壓的圖；禾口
圖5是階段O和0)2中用于、船K級的本發(fā)明典型實(shí)施例的示例電路。
具體實(shí)施方式
如圖3和圖4所示，顯示了 1.5b/stage結(jié)構(gòu)下的兩相電容平均方案， 其中移除了僅采樣的階段。在采樣階段，^M—級i中加入了附加開關(guān)電容電路 SCN2i，在第二級i+l中加入了SCN2i+l，以同時進(jìn)行殘留信號放大。這樣，沒 有運(yùn)放是空閑的，并且整個流7]C級均可運(yùn)行在兩階段時鐘方案內(nèi)。對每兩個階 段，生成一個殘留信號Vo(i+l)，以至于^t流水級的整體上具有較高的吞吐量， 進(jìn)而具有，交高的 轉(zhuǎn)換率。以下是該實(shí)施例的具體運(yùn)纟亍瞎況。
圖3是兩階^t喿作的時序圖。SCNl,i和SCN2,i ， i的兩個開關(guān)電 容電路；SCNl,i+l禾[J SCN2,i+l是級i+l的兩個開關(guān)電容電路。Vres,Ui和 Vres,i+1乂+1表示不同級內(nèi)處理的相同信號采樣。其同樣應(yīng)用于Vres,i乂+2和 Vres，i+l，k+3; Vres，i夂+1和Vres,i+l乂+2。放大模式標(biāo)放大和保持操作。
圖4表示某時刻內(nèi)淀冰級殘留輸出電壓的圖。針時鐘周期具有兩 個放力保持階段AMP1和AMP2。采樣操作在同一時亥lj進(jìn)行，因此#時鐘周期具有兩個采樣操作。為使圖示更加清晰，放大了殘留輸出信號值Vres,諷AMPl) 和Vres，i,k(AMP2)的差異。類似地，Vres,i,k+1(AMP1)和Vres，i乂+1(AMP2)的差異也微大。
Vres,ijc作為圖3中AMP1和AMP2共同的輸出電壓并不準(zhǔn)確。AMP1 和AMP2模式中的殘留輸出信號值具有微小差別如圖4所示，Vres,Uc(AMPl) 和Vres，i,k(AMP2)之間差了一個因子(1《1/C2) / (l+C2/Cl)。 ^!常在下一級被移除。但為了更加簡明的闡述本發(fā)明，仍f頓相同的名字。
圖5中，對第一流水級(i)，加入附加開關(guān)電容電路SCN2，i，并使之與原始開關(guān)電容電路SCNl，i并行；對下一流水級(i+l)，加入附加開關(guān)電容電 路SCN2，i+l，并使之與原始開關(guān)電容電路SCNl,i+l并行。輸入Vin,iail開關(guān) Sla和S2a可操作的連接到電路SCNl,i; i!31開關(guān)Slb和S2b可操作的連接到 電路SCN2。
將每個開關(guān)電容電路SCNl，i和SCN2,i，以及SCNl,i+l和SCN2，i+l的輸出輸入^^一級i和i+l中的運(yùn)算放大器("運(yùn)放")。同樣地，每一個船K 級均具有與兩個開關(guān)電容電路相關(guān)的一個運(yùn)放。因?yàn)檫\(yùn)放放大采樣信號兩次， 所以運(yùn)放總處于激活狀態(tài)。因?yàn)閮呻A段時鐘方案是相同的，所以數(shù)據(jù)吞吐量與 傳統(tǒng)流7娥ADC相同。這使其可成為倉辦高速運(yùn)行的高^f,率電容平均ADC。 每個開關(guān)電容電路可操作的M開關(guān)連接到運(yùn)放。SCN1可操作的連接到S6a， SCN2可操作的連接到S6b。 SCNl,i+l可操作的連接到S16a， SCN2,i+l可操作 的連接到S16b。
如圖5所示，級(i)中的運(yùn)放，旨偶數(shù)時鐘階段kjcf2等，將輸出 平均(補(bǔ)償)殘留信號Vres,i，k， VresUc+2等；每兩個階段k+l乂+3等，將輸出 平均(補(bǔ)償)殘留信號Vres叢+l， Vres,Ucf3等，(如圖5所示的Vo,i)將殘留 信號輸入給下一流7X級(i+l)。
該雌實(shí)施例中，替代僅僅在階段0,和階段①2中的采樣，也執(zhí)行放大和平均操作以提高轉(zhuǎn)換率。在只X^樣模式中^A平均操作。
,地，旨附加開關(guān)電容電路SCN2, SCN2,i+l與各個原始開關(guān) 電容電路SCN1， SCNl,i+l是相同的(也就是，是副本)。更,地，在標(biāo)準(zhǔn)制 造誤差內(nèi)，每個附加開關(guān)電容電路SCN2， SCN2,i+l與各個原始開關(guān)電容電路 SCN1， SCNl,i+l是完全相同的(也就是，是完全副本)。 地，某一級的原始開關(guān)電容電路SCN1與下一級的原始開關(guān)電容電路SCNl，i+l相同；但也可不 同。 的，某一級的附加開關(guān)電容電路SCN2與下一級的附加開關(guān)電容電路 SCN2,i+l是相同的；但也可不同。
階段O,中，級(i)的開關(guān)電容電路SCNU采樣輸入信號Vin,i。如圖 所示，閉合Slb、 S2b和S3b以獲取輸入信號V^到ClSl中。對級i的另一開 關(guān)電容電路SCN2，i，閉合開關(guān)S0a、S5a和S6a，以用于帶有增益(1+C3S1/C4S1) 的殘留放大。閉合S0a以用于減法。
對于級(i+l)，將級(i)的殘留信號Vres,i夂(V。，i)采樣到開關(guān)電容電路 SCNl,i+l的C3S2。另一開關(guān)電容電路SCN2,i+l放大先前時鐘周期采樣的具有 增益(1+C2S2/C1S2)的殘留信號。
P介段①2中，開關(guān)電容電路SCN2，i仍采樣輸入信號V一閉合Slb、 S2b和S4b以獲取輸入信號到C2S1中。對另一開關(guān)電容電路SCNl，i，再次閉 合開關(guān)S0a、 S5a和S6a，以用于因電容交換而帶有增益(1化4S1/C3S1)的殘 留放大。
對于級(i+l)，將級(i)的殘留信號Vres,Uc(Vo,i)采樣到SCNl,i+l的 C4S2。另一開關(guān)電容電路SCN2,i+l放大先前時鐘周期采樣的具有增益 (1+C2S2/C1S2)的殘留信號。
級i中，閉合開關(guān)S6a以用于放大模式下的階段①,和02，階段①1 和①2分別具有不同的增益(1+C3S1/C4S1)和(1+C4S1和C3S1)。這樣，在 下一流水級中可具有兩個電容的失配補(bǔ)償。這也可應(yīng)用到采樣過程中，其中， 打開開關(guān)S5b和S6b;在獲 樣信號時交替改變C2S1和C1S2。
在時鐘周期的下兩個階段，^M^7jC級i和i+l的兩個開關(guān)電容電 路分別工作在時間交錯方式。因此，所有流水級i和i+l可僅在兩個時鐘階段內(nèi) 并發(fā)運(yùn)行，且在每個時鐘周期內(nèi)提供輸出殘留信號。同樣地，兩時鐘階段方案 使流7KaADC會,高艇行，從而解決電容器平均技術(shù)帶來的多階段約束。此 外，因?yàn)檗D(zhuǎn)換過程中功放均不空閑，因此降低了功耗。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知曉，戰(zhàn)描述僅是本發(fā)明原理的具體實(shí)現(xiàn)的 示例。該描述并不限制本發(fā)明的范圍鵬用，本發(fā)明允許不脫離如在下面權(quán)利 要求中定義的本發(fā)明精神的情況下進(jìn)行改變、變形^化。
權(quán)利要求
1、一種電容平均流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括多個級，多個極的每一級由第一開關(guān)電容電路和第二開關(guān)電容電路組成，其中第二開關(guān)電容電路與第一開關(guān)電容電路并行。
2、 如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中，第二開關(guān)電容電路與第一開關(guān)電容 電路相同。
3、 如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中，第二開關(guān)電容電路與第一開關(guān)電容電路完全相同。
4、 如權(quán)利要求i戶;M的轉(zhuǎn)換器，其中，多極中的第一級的第一開關(guān)電容電 路與多極中的第二級的第一開關(guān)電容電路相同。
5、 如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中，多極中的第一級的第一開關(guān)電容電 路與多極中的第二級的第一開關(guān)電容電路不同。
6、 如權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)換器，其中，多極中的第一級的第二開關(guān)電容電 路與多極中的第二級的第二開關(guān)電容電路相同。
7、 如權(quán)利要求5戶腿的轉(zhuǎn)換器，其中，多極中的第一級的第二開關(guān)電容電路與多極中的第二級的第二開關(guān)電容電路不同。
8、 如權(quán)利要求1戶腿的轉(zhuǎn)換器，其中，當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)電容電路采樣輸入信號時，第二開關(guān)電容電路配置為同時放大和平均殘留信號；當(dāng)?shù)诙_關(guān)電容電路 采樣輸入信號時，第一開關(guān)電容電路配置為同時放大和平均殘留信號。
9、 如權(quán)利要求8所述的轉(zhuǎn)換器，每一級進(jìn)一步包括一運(yùn)算放大器，其中對 于多個級中的每一級，第一開關(guān)電容電路和第二開關(guān)電容電路的輸出被配置為 輸入至運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大親皮配置為持續(xù)運(yùn)行。
10、 如權(quán)利要求1戶腿的轉(zhuǎn)換器，其中，多個級中的每一級均被配置為運(yùn) 行在兩個時鐘階段內(nèi)。
11、 如權(quán)利要求10戶腿的轉(zhuǎn)換器，其中，多個級中的每一級均被配置為， 在每兩個時鐘階段，產(chǎn)生一殘留信號。
12、 一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的方法，戶，方^S括 在時鐘周期的第一階段，電容平均、^7X^，，轉(zhuǎn)換器的多個極中的第一級的第一開關(guān)電容電路采樣輸入信號；在時鐘周期的第一階段，電容平均流水線1ti(轉(zhuǎn)換器的多個極中的第一級 的第二開關(guān)電容電路對時鐘周期先前階段中采樣的早期輸入信號進(jìn)行殘留放大 和平均；在時鐘周期的第二階段，第二開關(guān)電容電路采樣輸入信號；以及 在時鐘周期的第二階段，第一開關(guān)電容電路對時鐘周期先前階段中采樣的 輸入信號進(jìn)行殘留放大和平均。
13、 如權(quán)利要求12戶腿的方法，其中進(jìn)一步包括以下步驟將平均后的殘留信號從第一級輸入給多個級中的第二級。
14、 如權(quán)禾腰求13戶誠的方法，其中，在時鐘周期的第一階段，將第一級生成的平均殘留信號采樣到第二級的第 一開關(guān)電容電路；在時鐘周期的第一階段，在第二級的第二開關(guān)電容電路，對時鐘周期先前 階段中采樣的并平均的早期平均殘留信號進(jìn)行放大；在時鐘周期的第二階段，將第一級生成的平均殘留信號采樣到第二級的第 二開關(guān)電容電路；在時鐘周期的第二階段，在第二級的第一開關(guān)電容電路，對時鐘周期先前 階段中采樣的并平均的早期平均殘留信號進(jìn)行放大。
15、 如權(quán)利要求12戶服的方法，其中，電容平均^7K線+纖轉(zhuǎn)換器的多個 級中的每一級包括運(yùn)算放大器，對于多個級中的每一級，將第一開關(guān)電容電路 和第二開關(guān)電容電路的輸出輸入至運(yùn)算放大器，并且運(yùn)算放大器^f^賣運(yùn)行。
16、 如權(quán)利要求12戶腿的方法，其中，多個級中的每一級運(yùn)行在兩階段時鐘方案內(nèi)。
全文摘要
一種具有多級的電容平均流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器。每一級均具有第一開關(guān)電容電路和與第一開關(guān)電容電路并行的第二開關(guān)電容電路。同時，還公開了相應(yīng)的方法。
文檔編號H03M1/06GK101227190SQ20071018007
公開日2008年7月23日 申請日期2007年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月5日
發(fā)明者Y·T·黃 申請人:英飛凌科技股份有限公司