無(wú)負(fù)載多級(jí)逐次逼近寄存器輔助的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多級(jí)逐次逼近寄存器(SAR)流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其在兩個(gè)開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)之間有一個(gè)放大器，每個(gè)開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)都由一個(gè)SAR控制。由于放大器增益，該放大器的負(fù)載電容被放大。該放大的負(fù)載電容會(huì)不成比例地增加功率消耗。在放大階段，使用反饋開關(guān)，將第二級(jí)開關(guān)電容器的背極板連接到放大器輸入，因此第二級(jí)開關(guān)電容器就連接在放大器的輸入和輸出之間，作為反饋電容器，而不是負(fù)載電容器。在重置階段，重置開關(guān)驅(qū)動(dòng)第二級(jí)開關(guān)電容器的兩個(gè)極板接地，然后進(jìn)入放大階段。因此第二級(jí)開關(guān)電容器既作為反饋電容器又作為第二級(jí)SAR的開關(guān)電容器。因?yàn)樵诜糯箅A段沒有單獨(dú)的負(fù)載電容器，所以放大器功率降低了。
【專利說明】無(wú)負(fù)載多級(jí)逐次逼近寄存器輔助的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converters,ADC),特別涉及多級(jí)逐次逼近寄存器(Successive-Approximat1n Register, SAR)ADC。
【【背景技術(shù)】】
[0002]有多種類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)已經(jīng)廣泛用于各種應(yīng)用當(dāng)中。閃速式(flash)ADC在一瞬間比較模擬信號(hào)電壓和多個(gè)電壓電平，產(chǎn)生一個(gè)代表該模擬電壓的多位數(shù)字值。逐次逼近ADC使用一系列步驟將一個(gè)模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字位。每一級(jí)比較一個(gè)模擬電壓和一個(gè)參考電壓，產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字位。在分級(jí)比較(sub-ranging)ADC中，每一級(jí)比較一個(gè)模擬電壓和幾個(gè)電壓電平，所以每一級(jí)產(chǎn)生幾個(gè)位。后面的級(jí)比前面的級(jí)產(chǎn)生更低的有效數(shù)字位。
[0003]算法、或周期型ADC使用一個(gè)環(huán)路去轉(zhuǎn)換模擬電壓。該模擬電壓被取樣和比較以產(chǎn)生一個(gè)最高有效數(shù)字位。然后該數(shù)字位被轉(zhuǎn)換回模擬電壓并從原模擬電壓中減去，產(chǎn)生一個(gè)殘余電壓。然后該殘余電壓乘以2，再返回比較器以產(chǎn)生下一個(gè)數(shù)字位。所以數(shù)字位是在同一比較器里的多個(gè)周期里產(chǎn)生的。
[0004]圖1是一種逐次逼近寄存器ADC。逐次逼近寄存器SAR 102接收一個(gè)時(shí)鐘CLK并包含一個(gè)寄存器值，其不斷改變而逐漸接近模擬輸入電壓VIN。例如，當(dāng)和VIN 0.312伏特比較時(shí)，在SAR 102中的值可以開始是0.5，然后是0.25，然后是0.375，然后0.312，然后0.281，然后 0.296，然后 0.304，然后 0.308，然后 0.31，然后 0.311，最后是 0.312。SAR102輸出當(dāng)前寄存器值到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)10，其接收一個(gè)參考電壓VREF，并將寄存器值轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬電壓VA。
[0005]輸入模擬電壓VIN被施加在取樣保持電路104上，其取樣并保持VIN值。例如，一個(gè)電容器可以由VIN充電，然后該電容器和VIN隔離，保持該模擬電壓。被取樣保持電路104取樣的輸入電壓施加在比較器106的反相輸入上。被轉(zhuǎn)換的模擬電壓VA施加在比較器106的非反相輸入上。
[0006]比較器106比較轉(zhuǎn)換的模擬電壓VA和取樣的輸入電壓，當(dāng)轉(zhuǎn)換的模擬電壓高于取樣的VIN時(shí)，產(chǎn)生一高電平輸出，這表明SAR 102內(nèi)的寄存器值太高。然后SAR 102內(nèi)的寄存器值就降低。
[0007]當(dāng)轉(zhuǎn)換的模擬電壓VA低于取樣的輸入電壓時(shí)，比較器106就產(chǎn)生一低電平輸出到SAR 102。這表明SAR 102內(nèi)的寄存器值太低，然后SAR 102內(nèi)的寄存器值就升高用于下一周期。
[0008]SAR 102中的寄存器值是N位的二進(jìn)制值，其中D(N-l)是最高有效位(MSB)，D0是最低有效位(LSB)。SAR 102可以首先設(shè)置MSB D(N_1)，然后比較轉(zhuǎn)換的模擬電壓VA和輸入電壓VIN，然后基于比較而調(diào)整MSB和/或設(shè)置下一個(gè)MSB D(N_2)。重復(fù)該設(shè)置和比較周期，直到N次周期后設(shè)置LSB。在最后一個(gè)周期后，周期結(jié)束信號(hào)E0C被激活，指示完成。一個(gè)狀態(tài)機(jī)或其他控制器可以與SAR 102 一起使用或包含在SAR102內(nèi)，以控制順序。
[0009]DAC 100或取樣保持電路104可以有一電容器陣列。電容器有二進(jìn)制加權(quán)值，如1,2,4,8, 16，32，…乘以一單位尺寸電容。例如，一個(gè)6位DAC可以有一排1,2,4,8, 16，32乘以一單位尺寸電容C的電容器。較高精度的DAC如11位DAC有較大的電容器值，如2"—1=1024。
[0010]雖然這樣的電容器陣列DAC是有用的，但是大尺寸的單位電容C需要大量的電荷轉(zhuǎn)移，增加功率消耗。單位電容C的最小尺寸是由噪聲和ADC規(guī)范的線性要求來確定的。
[0011]圖2顯示SAR ADC分辨輸入電壓。SAR 102的寄存器值初始被設(shè)置為1/2，或10000。比較器106確定輸入電壓VIN低于來自SAR 102的轉(zhuǎn)換值，所以在下一周期，SAR102被設(shè)置為1/4，或01000。比較器106確定輸入電壓VIN高于來自SAR 102的轉(zhuǎn)換值，所以在第三周期，SAR 102被設(shè)置為3/8，或01100。比較器106確定輸入電壓VIN低于來自SAR 102的轉(zhuǎn)換值，所以在第四周期，SAR 102被設(shè)置為5/6，或01010?，F(xiàn)在比較器106確定輸入電壓VIN高于來自SAR 102的轉(zhuǎn)換值，所以在第五周期，SAR 102被設(shè)置為9/32，或01011。最后的比較是VIN高于轉(zhuǎn)換值，因此最終結(jié)果是01011。
[0012]SAR ADC在速度上受限是由于其串行判定流程。另外，SAR ADC的有效分辨率是受至IJ比較器噪聲和有限電容器匹配的限制的。多級(jí)SAR流水線式ADC可提高ADC的轉(zhuǎn)換速率和分辨率。通過將轉(zhuǎn)換位分成幾個(gè)級(jí)(stage)，就可縮短SAR轉(zhuǎn)換周期。此外，級(jí)與級(jí)之間的流水線運(yùn)作可以增加ADC的吞吐量。
[0013]可以在級(jí)與級(jí)之間使用運(yùn)算放大器來放大來自第一級(jí)的殘余電壓，然后再輸入到第二級(jí)。在SAR轉(zhuǎn)換后，第一級(jí)的殘余電壓被放大并傳送到第二級(jí)，放寬對(duì)后面級(jí)的比較器的要求。
[0014]在第二級(jí)的開關(guān)電容器與第一和第二級(jí)之間運(yùn)算放大器上的反饋電容器作為第一級(jí)的負(fù)載。當(dāng)電容器充電和放電時(shí)，消耗電能。所以減少這個(gè)負(fù)載電容是很有意義的，不僅可以降低功耗還可以節(jié)省面積和成本。
[0015]期望有一種多級(jí)SAR輔助的流水線式ADC。期望有一種更低功耗的多級(jí)SAR輔助的流水線式ADC。期望有一種多級(jí)SAR輔助的流水線式ADC，其能再利用電容用于多種用途，以減少有效負(fù)載和功耗。
【【專利附圖】
【附圖說明】】
[0016]圖1顯不一種逐次逼近寄存器ADC。
[0017]圖2顯示SAR ADC分辨輸入電壓。
[0018]圖3顯示一種兩級(jí)SAR輔助流水線式ADC。
[0019]圖4顯示在級(jí)與級(jí)之間使用運(yùn)算放大器和反饋電容器的兩級(jí)SAR輔助流水線式ADC。
[0020]圖5更詳細(xì)地顯示級(jí)與級(jí)之間的放大。
[0021]圖6顯示無(wú)負(fù)載殘余轉(zhuǎn)移的兩級(jí)SAR輔助的流水線式ADC。
[0022]圖7A-1顯示無(wú)負(fù)載殘余轉(zhuǎn)移的兩級(jí)SAR輔助流水線式ADC的運(yùn)行階段。
[0023]圖8是無(wú)負(fù)載殘余轉(zhuǎn)移的兩級(jí)SAR輔助流水線式ADC運(yùn)行的波形圖。
[0024]圖9顯示一種級(jí)與級(jí)之間無(wú)負(fù)載殘余轉(zhuǎn)移的三級(jí)SAR輔助流水線式ADC。
[0025]圖10顯示圖9的三級(jí)SAR輔助流水線式ADC的運(yùn)行?！尽揪唧w實(shí)施方式】】
[0026]本發(fā)明涉及一個(gè)改進(jìn)的多級(jí)流水線式逐次逼近寄存器(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。以下描述使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠依照特定應(yīng)用及其要求制作和使用在此提供的本發(fā)明。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明了對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的各種修改，且本文所界定的一般原理可應(yīng)用于其它實(shí)施例。因此，本發(fā)明不希望限于所展示和描述的特定實(shí)施例，而是應(yīng)被賦予與本文所揭示的原理和新穎特征一致的最廣范圍。
[0027]圖3所示為一種多級(jí)SAR輔助流水線式ADC。輸入電壓VIN施加在第一級(jí)110中的采樣保持電路112上。然后Μ位ADC 114將采樣電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)Μ位的值，存儲(chǔ)在SAR128中。存儲(chǔ)的Μ位值又被DAC 116轉(zhuǎn)換回模擬電壓，并被減法器118從采樣的輸入電壓中減去，產(chǎn)生殘余電壓。殘余電壓由殘余放大器122放大，并傳送到第二級(jí)120。
[0028]在第二級(jí)120，放大的殘余電壓被Κ位ADC 124轉(zhuǎn)換為Κ位的數(shù)字值。來自第二級(jí)120的Κ位和來自第一級(jí)110的Μ位在SAR128中組合，以產(chǎn)生Ν位數(shù)字值，其代表VIN。
[0029]SAR 128控制ADC、放大器和其他電路。SAR 128可以糾正數(shù)字錯(cuò)誤。在Μ和Κ位之間可以有一些重疊。例如，Ν可以比Μ+Κ小1，所以有一個(gè)冗余位。第一級(jí)的轉(zhuǎn)換可以和第二級(jí)的轉(zhuǎn)換同時(shí)進(jìn)行，但針對(duì)不同的模擬采樣值。當(dāng)兩級(jí)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，放大器可以將第一級(jí)的殘余傳送到第二級(jí)。
[0030]圖3中的方框都是概念性的。第一級(jí)110、第二級(jí)120、和殘余放大器122的實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)如圖4所示。
[0031]圖4所示為一種兩級(jí)SAR輔助流水線式ADC，其在級(jí)與級(jí)之間使用了運(yùn)算放大器和反饋電容。輸入電壓VIN通過開關(guān)12施加到第一級(jí)開關(guān)電容器10上，開關(guān)12因?yàn)樾盘?hào)S1而閉合。取樣時(shí)背板開關(guān)18閉合，使得第一級(jí)開關(guān)電容器10的背極板接地。
[0032]在轉(zhuǎn)換時(shí)，開關(guān)12、18斷開，開關(guān)14閉合。第一級(jí)開關(guān)電容器10的背極板和節(jié)點(diǎn)VX連接到比較器30，它提供反饋給第一級(jí)SAR 32。第一級(jí)SAR 32中的4位數(shù)字值(Β8:Β5)通過控制開關(guān)14將參考電壓VR連接到第一級(jí)開關(guān)電容器10的前極板。當(dāng)?shù)谝患?jí)SAR 32的數(shù)字值改變時(shí)，不同的第一級(jí)開關(guān)電容器10會(huì)通過開關(guān)14在參考電壓VR和地之間切換。由于電容耦合，這會(huì)導(dǎo)致VX改變，VX上的電壓由比較器30進(jìn)行比較，并被反饋回第一級(jí)SAR 32。因此各種數(shù)字值被第一級(jí)SAR 32連續(xù)檢測(cè)，直到發(fā)現(xiàn)一個(gè)最佳匹配，如圖2所示的曲線。
[0033]一旦第一級(jí)SAR 32已經(jīng)找到最佳匹配VIN的數(shù)字值B8:B5，VX上的殘余電壓就被運(yùn)算放大器40放大并通過開關(guān)22施加到第二級(jí)開關(guān)電容器20的前極板上。信號(hào)Α1、Α3、RS啟動(dòng)并閉合開關(guān)22、42、28。在放大結(jié)束之后，在第二級(jí)發(fā)生另一轉(zhuǎn)換階段。
[0034]在第二級(jí)的轉(zhuǎn)換期間，開關(guān)22、28斷開，開關(guān)24閉合。第二級(jí)開關(guān)電容器20的背極板，節(jié)點(diǎn)VY，連接到比較器34，比較器34為第二級(jí)SAR 36提供了反饋。第二級(jí)SAR 36中的5位數(shù)字值(Β4:Β0)通過控制開關(guān)24將參考電壓VR連接到第二級(jí)開關(guān)電容器20的前極板。當(dāng)?shù)诙?jí)SAR 36的數(shù)字值改變時(shí)，不同的第二級(jí)開關(guān)電容器20會(huì)通過開關(guān)24在參考電壓VR和地之間切換。由于電容性耦合，這會(huì)導(dǎo)致VY改變，VY上的電壓由比較器34進(jìn)行比較，并被反饋回第二級(jí)SAR 36。
[0035]由于來自第一級(jí)的殘余電壓在施加到第二級(jí)之前被放大，所以每一級(jí)可以使用不同的最小尺寸電容器。第一級(jí)開關(guān)電容器10的尺寸可以是兩個(gè)最小尺寸電容16C的二進(jìn)制加權(quán)值。但是，第二級(jí)開關(guān)電容器20的尺寸可以是兩個(gè)最小尺寸電容C的二進(jìn)制加權(quán)值。除了圖例中的16:1，兩級(jí)中的最小尺寸電容器可以有其他比例。第一級(jí)電容器(CS1)的總電容可以根據(jù)ADC的噪聲和線性要求來進(jìn)行選擇。由于第一級(jí)的殘余電壓已經(jīng)放大，所以來自第二級(jí)的噪聲和非線性轉(zhuǎn)換到ADC輸入時(shí)，它們會(huì)被抑制。結(jié)果是，第二級(jí)電容器(CS2)的總電容通常是CS1除以放大增益。
[0036]最終的數(shù)字值是將來自第一級(jí)SAR 32的4位作為MSB和來自第二級(jí)SAR 36的5位作為L(zhǎng)SB組合而成。
[0037]圖5更詳細(xì)地顯示級(jí)與級(jí)之間的放大。在放大期間，開關(guān)14驅(qū)動(dòng)來自第一級(jí)SAR32的最終值到達(dá)第一級(jí)開關(guān)電容器10的前極板，而背極板、節(jié)點(diǎn)VX經(jīng)過開關(guān)42到達(dá)運(yùn)算放大器40的反相輸入端。開關(guān)46斷開。運(yùn)算放大器40的輸出通過開關(guān)22驅(qū)動(dòng)第二級(jí)開關(guān)電容器20。第二級(jí)開關(guān)電容器20的背極板、節(jié)點(diǎn)VY通過開關(guān)28接地。
[0038]第二級(jí)開關(guān)電容器20—起作為運(yùn)算放大器40輸出端上的負(fù)載電容器200。第一級(jí)開關(guān)電容器10和反饋電容器41確定運(yùn)算放大器40的增益或放大量。增益可近似為CS1/CFB，其中CS1是第一級(jí)開關(guān)電容器10的總電容，CFB是反饋電容器41的電容。
[0039]例如，第一級(jí)開關(guān)電容器10總共4pF，而反饋電容器41為0.5pF，寄生運(yùn)算放大器輸入電容可以忽略不計(jì)。然后，增益為4/0.5 = 8，反饋系數(shù)為1/(1+6) =1/9。反饋系數(shù)表示第一級(jí)輸入VIN上負(fù)載電容器200的等效電容。因此，第二級(jí)開關(guān)電容器20的一個(gè)0.5pF的總電容相當(dāng)于一個(gè)9X0.5 = 4.5pF的等效輸入電容，由于運(yùn)算放大器40的負(fù)載被放大了。因?yàn)榉糯笃飨母喙β?，所以不希望有更高的等效輸入電容?br>
[0040]運(yùn)算放大器40的等效輸入負(fù)載增加時(shí)，其消耗的功率會(huì)增加。因?yàn)楫?dāng)負(fù)載電容器200增加時(shí)等效輸入負(fù)載增加得更快，功率消耗對(duì)負(fù)載電容器200就特別敏感。
[0041]發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，減少或去除負(fù)載電容器200可以顯著減少運(yùn)算放大器40消耗的功率。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在放大期間將第二級(jí)開關(guān)電容器20作為反饋電容器41，從而可以有效地去除負(fù)載電容器200。一旦放大階段結(jié)束，第二級(jí)開關(guān)電容器20被用于轉(zhuǎn)換。因此第二級(jí)開關(guān)電容器20既作為反饋電容器41又作為第二級(jí)開關(guān)電容器20。
[0042]在放大階段，第二級(jí)開關(guān)電容器20以與反饋電容器41相同的方式連接到運(yùn)算放大器40。但是，由于第二級(jí)開關(guān)電容器20和反饋電容器41連接方式一樣，因此不再有負(fù)載電容器200。因此在運(yùn)算放大器40上的負(fù)載已經(jīng)被減少到零。由于運(yùn)算放大器40有一個(gè)接近于零的負(fù)載，所以其功率消耗顯著降低。
[0043]圖6顯示無(wú)負(fù)載殘余轉(zhuǎn)移的兩級(jí)SAR輔助的流水線式ADC。反饋電容器41已被去除。相反，在放大階段，當(dāng)信號(hào)A2有效，第二級(jí)開關(guān)電容器20被反饋開關(guān)44連接作為反饋電容器。第二級(jí)開關(guān)電容器20的另一側(cè)由開關(guān)22連接到運(yùn)算放大器40的輸出，在放大階段，開關(guān)22也閉合。
[0044]第二級(jí)開關(guān)電容器20通過反饋開關(guān)44連接到運(yùn)算放大器40的輸入端，通過開關(guān)22連接到運(yùn)算放大器40的輸出端。因此第二級(jí)開關(guān)電容器20被準(zhǔn)確地連接作為圖5的反饋電容器41。第二級(jí)開關(guān)電容器20在放大階段作為反饋電容器41。沒有負(fù)載電容器連接到運(yùn)算放大器40，因?yàn)樵诜糯箅A段第二級(jí)開關(guān)電容器20的終端都不接地，因?yàn)樗械拈_關(guān)24、26、28在放大階段都斷開。由于沒有負(fù)載電容器，只有一個(gè)反饋電容器，運(yùn)算放大器40的功率消耗被降低。
[0045]在轉(zhuǎn)換階段，來自第一級(jí)SAR 32的二進(jìn)制MSB通過控制開關(guān)14將參考電壓VR施加到第一級(jí)開關(guān)電容器10上，而來自第二級(jí)SAR 36的二進(jìn)制LSB通過控制開關(guān)24將參考電壓VR施加到第二級(jí)開關(guān)電容器20上。比較器30比較第一求和節(jié)點(diǎn)VX和一個(gè)參考值，如地電壓，并反饋回到第一級(jí)SAR 32。比較器34進(jìn)行比較第二求和節(jié)點(diǎn)VY和一個(gè)參考值，如地電壓，并反饋回到第二級(jí)SAR 36。
[0046]通過采樣開關(guān)12，VIN被采樣到第一級(jí)開關(guān)電容器10。通過接地開關(guān)18，VX接地；通過接地開關(guān)28，VY接地。通過重置開關(guān)26，第二級(jí)開關(guān)電容器20的前極板被重置而接地。
[0047]在放大階段，當(dāng)?shù)诙?jí)開關(guān)電容器20用作反饋電容器時(shí)，開關(guān)42、44、22閉合。為了重置或清零運(yùn)算放大器40，開關(guān)42、44斷開，清零開關(guān)46閉合。
[0048]圖7A-1顯示無(wú)負(fù)載殘余轉(zhuǎn)移的兩級(jí)SAR輔助流水線式ADC的運(yùn)行階段。虛線顯示的組件或信號(hào)路徑是指在本階段不使用的。每個(gè)階段P1、P2、P3......則由以下三個(gè)主要功能模塊的運(yùn)行來確定:第一級(jí)SAR-ADC、殘余放大器和第二級(jí)SAR ADC。在圖7A中，階段一(P1)有第一級(jí)取樣、放大器重置和第二級(jí)轉(zhuǎn)換。在圖7F中，所有級(jí)都用于放大。
[0049]在圖7A中，P1階段有:由S1閉合開關(guān)12，采樣VIN至第一級(jí)開關(guān)電容器10的前極板。開關(guān)14保持?jǐn)嚅_，比較器30和第一級(jí)SAR 32都不檢查VX。開關(guān)42、44、22斷開，清零開關(guān)46閉合，將運(yùn)算放大器40的輸入和輸出連接在一起，使得任何偏移誤差(offseterror)都存儲(chǔ)在運(yùn)算放大器輸入端的寄生電容上。
[0050]在第二級(jí)，會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換。重置開關(guān)26和28斷開，第二級(jí)SAR 36驅(qū)動(dòng)不同二進(jìn)制值B4:B0通過控制開關(guān)24將參考電壓VR連接到第二級(jí)開關(guān)電容器20的前極板，以測(cè)試使用比較器34的不同數(shù)字值。在第一級(jí)，在采樣期間，開關(guān)18閉合，驅(qū)動(dòng)VX接地。
[0051]在圖7B中，P1階段繼續(xù)。信號(hào)CM關(guān)掉，斷開開關(guān)18，這讓第一求和節(jié)點(diǎn)VX成為浮動(dòng)點(diǎn)。
[0052]在圖7C中，P1階段繼續(xù)。采樣信號(hào)S1也關(guān)掉，斷開開關(guān)22，這讓第一級(jí)開關(guān)電容器10的前極板浮起。
[0053]在圖7D中，第二階段，第一級(jí)已經(jīng)完成采樣并開始轉(zhuǎn)換。開關(guān)14閉合，將地連接到第一級(jí)開關(guān)電容10中的最低有效電容器，并將參考電壓VR連接到那些控制位(B8至B5)已由第一級(jí)SAR 32選通的那些電容器上。第一級(jí)SAR 32按順序測(cè)試各個(gè)值，對(duì)于受檢測(cè)的B8: B5的每一種組合，檢查來自比較器30的比較結(jié)果，類似于圖2所示的順序。一旦B8: B5的值已經(jīng)被第一級(jí)SAR 32確定，這些值就通過開關(guān)14在節(jié)點(diǎn)VX上產(chǎn)生一個(gè)殘余電壓。一旦施加了最高位的B8:B5，這個(gè)殘余電壓就表示VIN的誤差或剩余。第一級(jí)轉(zhuǎn)換繼續(xù)，如圖7D-7E。
[0054]在圖7A-7D中，第二級(jí)SAR 36通過開關(guān)24進(jìn)行了類似的過程，直到比較器34找到VY的最小誤差電壓，B4:B0的這些值被存儲(chǔ)為轉(zhuǎn)換值的LSB。
[0055]在圖7E中，第二級(jí)的轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成。B4:B0的值由第二級(jí)SAR36存儲(chǔ)或輸出發(fā)送至其他邏輯。第二級(jí)開關(guān)電容器20因?yàn)殚_關(guān)24斷開和重置開關(guān)26、28閉合而被重置。在重置期間，第二級(jí)開關(guān)電容器20的兩個(gè)極板都接地。
[0056]在圖7F中，由運(yùn)算放大器40進(jìn)行放大。第一級(jí)SAR 32已經(jīng)完成轉(zhuǎn)換，B8:B5已被儲(chǔ)存，并通過開關(guān)14選擇性地控制第一級(jí)開關(guān)電容器10的前極板與VR或地相連接。在VX上產(chǎn)生一個(gè)殘余電壓，并通過開關(guān)42到運(yùn)算放大器40的反相輸入端。在第一級(jí)開關(guān)電容10與運(yùn)算放大器的輸入電容之間共享電荷。
[0057]開關(guān)42、44閉合，清零開關(guān)46斷開。存儲(chǔ)在運(yùn)算放大器輸入電容上的任何偏移誤差都被加到來自第一級(jí)開關(guān)電容器10的電荷上，由運(yùn)算放大器40放大,產(chǎn)生其輸出。
[0058]反饋開關(guān)44閉合，連接第二級(jí)開關(guān)電容器20的背極板、求和節(jié)點(diǎn)VY到運(yùn)算放大器40的輸入端。重置開關(guān)26、28斷開，第二級(jí)開關(guān)電容器20的兩個(gè)極板成為浮動(dòng)點(diǎn)。開關(guān)24保持?jǐn)嚅_。但是，開關(guān)22閉合，連接第二級(jí)開關(guān)電容20的前極板與運(yùn)算放大器40的輸出端。因此第二級(jí)開關(guān)電容器20連接在運(yùn)算放大器40的輸入和輸出之間。第二級(jí)開關(guān)電容器20作為一個(gè)反饋電容器。
[0059]在第一求和節(jié)點(diǎn)VX上的來自第一級(jí)的殘余電壓仍然被放大以產(chǎn)生運(yùn)算放大器40的輸出電壓。電壓增益是CS1/CS2，其中CS1是第一級(jí)開關(guān)電容器10的總電容，CS2是第二級(jí)開關(guān)電容器20的總電容。但是，該輸出電壓是相對(duì)于地的，但第二級(jí)開關(guān)電容器20的兩個(gè)極板都不接地。運(yùn)算放大器40的輸出電壓是在節(jié)點(diǎn)VX上輸入殘余電壓的一個(gè)放大的結(jié)果，但第二級(jí)開關(guān)電容器20不接地。沒有接地的負(fù)載電容器。但是，電荷仍然由運(yùn)算放大器40傳送到第二級(jí)開關(guān)電容器20，放大了來自第一級(jí)的殘余電壓。
[0060]在圖7G中，放大階段已經(jīng)結(jié)束。信號(hào)A1首先降低，斷開開關(guān)22，使第二級(jí)開關(guān)電容器20的前極板成為浮動(dòng)點(diǎn)。然后在圖7H中，信號(hào)A2降低，斷開反饋開關(guān)44。第二級(jí)開關(guān)電容器20的背極板也成為浮動(dòng)點(diǎn)。在圖71中，信號(hào)NA3升高，閉合清零開關(guān)46。放大階段已經(jīng)結(jié)束，運(yùn)算放大器40再次被重置。第二級(jí)與第一級(jí)隔離?，F(xiàn)在又可以從階段一(圖7A)開始重復(fù)。
[0061]被轉(zhuǎn)換的模擬電壓可以是流水線式的。在圖7A中被取樣的、在圖7D-E的階段一中被轉(zhuǎn)換的、在圖7F中被第二級(jí)開關(guān)電容器20放大并存儲(chǔ)的模擬電壓VIN，現(xiàn)在可以在接下來的圖7A中被第二級(jí)SAR 36轉(zhuǎn)換。因此，直到圖7A-7I中所有階段都完成，第二級(jí)才轉(zhuǎn)換由第一級(jí)轉(zhuǎn)換的模擬電壓。在圖7A-7D中，第二級(jí)正在轉(zhuǎn)換的模擬電壓不同于第一級(jí)正在轉(zhuǎn)換的，第二級(jí)轉(zhuǎn)換的是第一級(jí)已經(jīng)轉(zhuǎn)換的一個(gè)模擬電壓。因此，第一級(jí)和第二級(jí)的轉(zhuǎn)換運(yùn)作是流水線式的。
[0062]圖8是無(wú)負(fù)載殘余轉(zhuǎn)移的兩級(jí)SAR輔助流水線式ADC運(yùn)行的波形圖。模擬電壓VIN首先因?yàn)樾盘?hào)S1升高而被第一級(jí)SAR-ADC(SARl)采樣(圖7A)。接地開關(guān)18斷開(圖7B)，然后S1結(jié)束(圖7C)。信號(hào)C1在采樣階段降低，但在采樣結(jié)束時(shí)升高，在第一級(jí)SAR1的轉(zhuǎn)換和放大階段保持升高。
[0063]信號(hào)A1、A2、A3都升高，而運(yùn)算放大器40(RA1)正被重置和置零。在放大階段，信號(hào)A1、A2、A3升高。
[0064]第二級(jí)，SAR2，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而信號(hào)C2升高。在SAR2轉(zhuǎn)換后，C2降低，重置RS升高以重置第二級(jí)。在SAR2重置期間，第二級(jí)開關(guān)電容器20的兩個(gè)極板都被接地。在放大期間，第一級(jí)連接到第二級(jí)，信號(hào)S1、CM、C2和RS都降低。在放大期間信號(hào)C1保持高電平，使得第一級(jí)SAR 32可以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制值到第一級(jí)開關(guān)電容器10的前極板上，以驅(qū)動(dòng)殘余電壓到運(yùn)算放大器40的輸入端。在下一個(gè)SAR2轉(zhuǎn)換時(shí)(未所示)該殘余值是由SAR2轉(zhuǎn)換。SAR2轉(zhuǎn)換的是一個(gè)比SAR1更早的值，因?yàn)樗鼈兪橇魉€式的。
[0065]圖9顯示一個(gè)級(jí)與級(jí)之間無(wú)負(fù)載殘余轉(zhuǎn)移的三級(jí)SAR輔助流水線式ADC。第一級(jí)150使用第一級(jí)SAR-ADC 162轉(zhuǎn)換4位，最高有效位。殘余電壓被施加到第一殘差放大器156，而在第二級(jí)SAR-ADC 164中的第二級(jí)開關(guān)電容器被連接作為反饋電容器，因此存在無(wú)負(fù)載電容器。在第二級(jí)152中的SAR-ADC164然后將殘壓轉(zhuǎn)換成另外四個(gè)二進(jìn)制位。第一級(jí)150和第二級(jí)152和第一殘差放大器156的運(yùn)行是如之前對(duì)圖6_8的描述。
[0066]來自第二級(jí)152的殘余電壓(例如圖6的第二求和節(jié)點(diǎn)VY)可輸入到第二級(jí)殘差放大器158，它使用第三級(jí)SAR ADC 166中的第三級(jí)開關(guān)電容器作為反饋電容器，因此具有無(wú)負(fù)載電容器。然后，第三級(jí)SAR-ADC 166轉(zhuǎn)換該殘余電壓到最后8位。
[0067]還可以增加其他級(jí)，每一級(jí)轉(zhuǎn)換的位的數(shù)量也可以不同。一些級(jí)可以是標(biāo)準(zhǔn)的級(jí)，而不是無(wú)負(fù)載級(jí)。
[0068]圖10顯示圖9的三級(jí)SAR輔助流水線式ADC的運(yùn)行。第一級(jí)SAR-ADC 162 (SAR1)對(duì)輸入進(jìn)行采樣，而第二級(jí)SAR-ADC 164(SAR2)對(duì)之前采樣的輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換，之前采樣的輸入是在之前的周期里通過第一殘余放大器156(RA1)進(jìn)行傳送的。第三級(jí)SAR-ADC166(SAR3)轉(zhuǎn)換在之前兩個(gè)周期里通過第一和第二殘余放大器(RA1、RA2)傳送的之前采樣的輸入。SAR1轉(zhuǎn)換最近的VIN，SAR2轉(zhuǎn)換之前一個(gè)周期采樣的次近VIN，SAR3轉(zhuǎn)換是從3個(gè)周期前的一個(gè)較早的VIN。圖10僅顯示一個(gè)周期。
[0069]SAR3 一旦完成轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)結(jié)果，SAR3就重置。然后SAR2完成轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)其結(jié)果，第二放大器RA2開啟并放大和傳送來自SAR2和SAR3的殘余電壓。
[0070]對(duì)于將放大殘壓輸入給那個(gè)級(jí)的放大器來說，在放大階段之前，SAR2和SAR3每個(gè)都重置。對(duì)于SAR2，轉(zhuǎn)換后，下一個(gè)放大器RA2和下一級(jí)SAR3進(jìn)入RA2 —起進(jìn)入放大階段。然后SAR2重置，并通過第一放大器RA1接收來自第一級(jí)SAR1的殘余電壓，所以SAR1、RA1和SAR2都一起進(jìn)入放大階段。然后SAR2可以轉(zhuǎn)換傳送的殘余電壓。
[0071]對(duì)于最后級(jí)SAR3，在轉(zhuǎn)換階段結(jié)束時(shí)，存儲(chǔ)最終的數(shù)字位，并與前兩個(gè)周期由SAR1確定的、在前一周期由SAR2確定的最佳匹配(最小誤差)數(shù)字位相結(jié)合。一旦來自SAR3的最終數(shù)字值被存儲(chǔ)，SAR3就重置，然后RA2、SAR2和SAR3進(jìn)入放大階段。一旦RA2放大完成，SAR3進(jìn)入下一個(gè)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后，SAR2的殘余電壓被放大，但SAR3的殘余電壓并不需要被放大，因?yàn)闆]有下一級(jí)去轉(zhuǎn)移殘余電壓，所以SAR3可以直接從轉(zhuǎn)換過渡到重置，而在轉(zhuǎn)換和重置階段之間沒有放大階段。
[0072]當(dāng)兩個(gè)殘余放大器RA1、RA2各自的放大階段結(jié)束時(shí)，它們重置并清零。
【替代實(shí)施例】
[0073]發(fā)明人還想到一些其他的實(shí)施例。例如可以使用一個(gè)全差分ADC。第二，使用第二組開關(guān)12、14、18，負(fù)端的一組第一級(jí)開關(guān)電容器10驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)端節(jié)點(diǎn)VX’，并采樣一個(gè)負(fù)端的差分輸入電壓VIN’。比較器30的反相輸入被VX’驅(qū)動(dòng)，而不是接地。類似的負(fù)端的一組第二級(jí)開關(guān)電容器20與開關(guān)22、24、26、28驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)端求和節(jié)點(diǎn)VY’，其驅(qū)動(dòng)第二輸入到比較器34，而不是接地。運(yùn)算放大器40的第二輸入端可以通過另一個(gè)開關(guān)42由VX’來驅(qū)動(dòng)，反饋開關(guān)44和清零開關(guān)46重復(fù)用于運(yùn)算放大器40第二差分輸出端?？梢栽谡斯?jié)點(diǎn)和負(fù)端節(jié)點(diǎn)之間添加均衡開關(guān)用于重置和均衡。
[0074]可以增加校準(zhǔn)硬件和程序。用作反饋電容器的第二級(jí)開關(guān)電容器可以與其他類型的轉(zhuǎn)換器一起使用，如快閃型ADC、SAR-快閃輔助流水線式或多位ADC，以及各種其他組合和變型。ADC可以是交錯(cuò)式的，可以使用或添加子ADC/DAC。使用開關(guān)電容器的其他電路可并入本發(fā)明，諸如開關(guān)電容可編程增益殘余放大器等電路。
[0075]舉例來說，可以不是一個(gè)完全二進(jìn)制加權(quán)電容陣列，而是在兩個(gè)不同級(jí)中，一個(gè)二進(jìn)制加權(quán)電容陣列和一個(gè)非加權(quán)電容陣列的組合，也可以提供期望的精度，同時(shí)還降低了總電容和動(dòng)態(tài)功率。雖然已經(jīng)描述了在SAR ADC里的應(yīng)用，但是該電路和校準(zhǔn)步驟也可以用于其它應(yīng)用和系統(tǒng)中。
[0076]對(duì)于某些信號(hào)可以不是單獨(dú)的階段，例如斷開或閉合接地開關(guān)，這個(gè)階段可以和另一個(gè)階段相結(jié)合，從而使接地開關(guān)在該數(shù)字值或一些其它信號(hào)改變時(shí)同時(shí)斷開。本實(shí)施例可能抗噪聲能力不強(qiáng)，但是從控制的角度來看更簡(jiǎn)單。
[0077]可以調(diào)整二進(jìn)制加權(quán)電容陣列的位數(shù)。例如，一個(gè)15位的ADC可以有9個(gè)電容器在第一級(jí)陣列中和7個(gè)電容器在第二級(jí)陣列中。第一級(jí)開關(guān)電容器10和第二級(jí)開關(guān)電容器20中的最小電容器可以不必有相同的值，但可以不同，如16C用于第一級(jí)開關(guān)電容器10中最小電容器，而C是第二級(jí)開關(guān)電容器20中最小電容器，反之亦然。在圖4-7的例子中，第一和第二級(jí)之間最小電容值的比例為16:1。但是也可以使用14:1、7:1、19:1，或某些其他比例。這個(gè)比值會(huì)影響殘余電壓放大增益，該增益是由第一級(jí)開關(guān)電容器10所有電容器的總電容和第二級(jí)開關(guān)電容器20所有電容器的總電容的比值來確定的。
[0078]可以加入額外的電容器陣列，諸如用于比較器30的差分輸入，而不是接地加到非反相輸入端。可以施加固定的或參考電壓而不是地電壓到運(yùn)算放大器40或比較器30、34的非反相輸入端。
[0079]差分和單端模擬電壓可以互換。單端模擬電壓可以施加在一個(gè)差分輸入上，而參考電壓可以施加在另一個(gè)差分輸入上。
[0080]二進(jìn)制加權(quán)電容器陣列可以是溫度計(jì)加權(quán)或使用格雷碼，或其他加權(quán)安排。來自第一級(jí)SAR 32或第二級(jí)SAR 36的二進(jìn)制位可以和其他控制或計(jì)時(shí)信息合并，如來自控制邏輯或序列發(fā)生器或多階段非重疊時(shí)鐘的信息。
[0081]可以使用不同的位數(shù)用于不同的精度，位數(shù)可以是固定的，或者是可變的。
[0082]一些實(shí)施例不一定使用所有的元件。例如，在一些實(shí)施例里可以增加或刪除開關(guān)。可以使用不同的開關(guān)，如兩路開關(guān)或三路開關(guān)。多路復(fù)用器也可以用做開關(guān)。輸入電阻也可以增加到VIN，或者使用更多的復(fù)雜的輸入濾波器?？梢允褂枚嗉?jí)開關(guān)，如兩路開關(guān)用做開關(guān)，然后一個(gè)總開關(guān)連接VDD或GND到這些兩路開關(guān)。
[0083]雖然已經(jīng)描述了二進(jìn)制加權(quán)電容器，但是可以使用其他加權(quán)，例如十進(jìn)制加權(quán)電容器、質(zhì)數(shù)加權(quán)電容器，或線性加權(quán)電容器，或八進(jìn)制加權(quán)電容器。數(shù)字值可以是這些其他數(shù)字系統(tǒng)，如八進(jìn)制數(shù)字，而不是二進(jìn)制數(shù)字。
[0084]通過互換反相和非反相輸入，可以增加逆變，但是不改變整個(gè)功能，因此可以看成是等同的。在轉(zhuǎn)換階段，穿過開關(guān)的數(shù)字值可以直接應(yīng)用到開關(guān)上，作為通過該開關(guān)的數(shù)據(jù)，或者作為該開關(guān)的控制。更多復(fù)雜的開關(guān)可以使用該數(shù)字值去產(chǎn)生高或低的電壓，其通過該復(fù)雜開關(guān)施加在電容器上。通過開關(guān)連接該數(shù)字值到電容器的其他實(shí)施例，也是有可能的。
[0085]電阻和電容值可以以不同的方式變化。可以增加電容器、電阻器和其他濾波元件。開關(guān)可以是η溝道晶體管、ρ溝道晶體管，或具有并聯(lián)的η溝道和ρ溝道晶體管的傳輸門，或更復(fù)雜的電路，可以是無(wú)源的或有源的，放大的或非放大的。
[0086]可在各個(gè)節(jié)點(diǎn)處添加額外組件，例如電阻器、電容器、電感器、晶體管等，且還可存在寄生組件。啟用和停用所述電路可用額外晶體管或以其它方式實(shí)現(xiàn)?？商砑觽魉烷T晶體管或傳輸門以用于隔離。
[0087]可以添加逆變或額外的緩沖。晶體管和電容最終的尺寸可以在電路仿真或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試之后進(jìn)行選擇?？赡苁褂媒饘傺谀せ蚱渌删幊滩考ゴ_定最終的電容、電阻、或晶體管尺寸。電容器可以并聯(lián)在一起而形成一個(gè)較大的電容器，其和幾個(gè)電容器尺寸有相同的邊緣或邊界效應(yīng)。
[0088]可以比較一個(gè)參考電壓和一個(gè)單獨(dú)的模擬電壓，或者可以比較一個(gè)差分模擬電壓。差分輸入電壓可以被鎖存，然后該鎖存單端電壓與求和節(jié)點(diǎn)電壓比較。第一電壓可以被一個(gè)電容器取樣，然后第二電壓可以被同一電器取樣。差分電荷通過放大器的反饋存儲(chǔ)在另一電容器里。比較差分模擬電壓的另一個(gè)方法是將一個(gè)差分放大器置于具有確定增益的輸入上。雖然可以使用一個(gè)運(yùn)算放大器，也可以使用其他類型的放大器，如非放大比較緩存器。
[0089]可以添加一個(gè)均衡開關(guān)。兩個(gè)接地開關(guān)可以用在比較器輸入的正端和負(fù)端輸入線上。一些開關(guān)可以連接到另一個(gè)固定電壓上，如VDD或VDD/2，而不是接地。在某些電路中地電壓和參考電壓可以反過來，可以使用不同的電源方案。參考電壓可以低于地電壓，或者地電壓用作參考電壓，一個(gè)負(fù)電壓代替地電壓使用。
[0090]本發(fā)明【背景技術(shù)】部分可含有關(guān)于本發(fā)明的問題或環(huán)境的背景信息而非描述其它現(xiàn)有技術(shù)。因此，在【背景技術(shù)】部分中包括的內(nèi)容并不是 申請(qǐng)人:承認(rèn)的現(xiàn)有技術(shù)。
[0091]本文中所描述的任何方法或工藝為機(jī)器實(shí)施或計(jì)算機(jī)實(shí)施的，且既定由機(jī)器、計(jì)算機(jī)或其它裝置執(zhí)行且不希望在沒有此類機(jī)器輔助的情況下單獨(dú)由人類執(zhí)行。所產(chǎn)生的有形結(jié)果可包括在例如計(jì)算機(jī)監(jiān)視器、投影裝置、音頻產(chǎn)生裝置和相關(guān)媒體裝置等顯示裝置上的報(bào)告或其它機(jī)器產(chǎn)生的顯示，且可包括也為機(jī)器產(chǎn)生的硬拷貝打印輸出。對(duì)其它機(jī)器的計(jì)算機(jī)控制為另一有形結(jié)果。
[0092]已出于說明和描述的目的呈現(xiàn)了對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的先前描述。其不希望為詳盡的或?qū)⒈景l(fā)明限于所揭示的精確形式。鑒于以上教示，許多修改和變型是可能的。希望本發(fā)明的范圍不受此詳細(xì)描述限制，而是由所附權(quán)利要求書限制。
【權(quán)利要求】
1.一種無(wú)負(fù)載兩級(jí)逐次逼近寄存器輔助的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包括: 第一級(jí)，其包括: 模擬輸入，用于接收模擬電壓，以轉(zhuǎn)換成表示所述模擬電壓的數(shù)字值； 第一逐次逼近寄存器，用于存儲(chǔ)和調(diào)整所述數(shù)字值的第一部分； 第一比較器，其輸入連接到第一求和節(jié)點(diǎn)，其輸出連接到所述第一逐次逼近寄存器，其中在第一轉(zhuǎn)換階段，所述第一逐次逼近寄存器根據(jù)所述第一比較器的所述輸出，調(diào)整所述數(shù)字值的第一部分； 復(fù)數(shù)個(gè)采樣開關(guān)，其連接在所述模擬輸入和復(fù)數(shù)個(gè)第一內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間； 第一級(jí)開關(guān)電容器，其有加權(quán)電容值，每個(gè)所述第一級(jí)開關(guān)電容器連接在所述第一求和節(jié)點(diǎn)和所述復(fù)數(shù)個(gè)第一內(nèi)部節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間； 復(fù)數(shù)個(gè)第一可控開關(guān)，每個(gè)都連接到所述復(fù)數(shù)個(gè)第一內(nèi)部節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，根據(jù)所述第一逐次逼近寄存器接收到的所述數(shù)字值的第一部分，每個(gè)所述第一可控開關(guān)都用于將所述復(fù)數(shù)個(gè)第一內(nèi)部節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到一個(gè)參考電壓上或一個(gè)固定電壓上；第二級(jí)，其包括: 第二逐次逼近寄存器，用于存儲(chǔ)和調(diào)整所述數(shù)字值的第二部分； 第二比較器，其輸入連接到第二求和節(jié)點(diǎn)，其輸出連接到所述第二逐次逼近寄存器，其中在第二轉(zhuǎn)換階段，所述第二逐次逼近寄存器根據(jù)所述第二比較器的所述輸出，調(diào)整所述數(shù)字值的第二部分； 復(fù)數(shù)個(gè)連接開關(guān)，其連接在放大器輸出節(jié)點(diǎn)和復(fù)數(shù)個(gè)第二內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間； 第二級(jí)開關(guān)電容器，其有加權(quán)電容值，每個(gè)所述第二級(jí)開關(guān)電容器連接在所述第二求和節(jié)點(diǎn)和所述復(fù)數(shù)個(gè)第二內(nèi)部節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間； 復(fù)數(shù)個(gè)第二可控開關(guān)，每個(gè)都連接到所述復(fù)數(shù)個(gè)第二內(nèi)部節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，根據(jù)所述第二逐次逼近寄存器接收到的所述數(shù)字值的第二部分，每個(gè)所述第二可控開關(guān)都用于將所述復(fù)數(shù)個(gè)第二內(nèi)部節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到所述參考電壓上或所述固定電壓上；連接放大器，其包括: 運(yùn)算放大器，其有第一輸入和所述放大器輸出節(jié)點(diǎn)； 放大器輸入開關(guān)，其連接所述第一求和節(jié)點(diǎn)到所述運(yùn)算放大器的所述第一輸入，用以在放大階段將來自所述第一級(jí)的殘余電壓傳送到所述運(yùn)算放大器； 清零開關(guān)，其連接所述放大器輸出節(jié)點(diǎn)到所述第一輸入，當(dāng)所述放大階段結(jié)束時(shí)，用以重置所述運(yùn)算放大器； 反饋開關(guān)，其連接所述第一輸入到所述第二求和節(jié)點(diǎn)，當(dāng)所述復(fù)數(shù)個(gè)連接開關(guān)連接所述放大器輸出節(jié)點(diǎn)到所述第二級(jí)開關(guān)電容器的所述復(fù)數(shù)個(gè)第二內(nèi)部節(jié)點(diǎn)時(shí)，在所述放大階段，所述反饋開關(guān)使得所述第二級(jí)開關(guān)電容器作為所述運(yùn)算放大器的反饋電容器； 其中所述第二級(jí)開關(guān)電容器在所述放大階段作為所述運(yùn)算放大器的反饋電容器，在所述第二轉(zhuǎn)換階段作為開關(guān)電容器； 由此，所述第二級(jí)開關(guān)電容器用于運(yùn)算放大器反饋和用于二進(jìn)制轉(zhuǎn)換。
2.如權(quán)利要求1所述的無(wú)負(fù)載兩級(jí)逐次逼近寄存器輔助的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中在所述放大階段，每個(gè)所述第二級(jí)開關(guān)電容器的兩個(gè)極板都通過閉合開關(guān)連接到所述運(yùn)算放大器；對(duì)于每個(gè)所述第二級(jí)開關(guān)電容器，其中一個(gè)極板連接到所述放大器輸出節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)極板連接到所述運(yùn)算放大器的所述第一輸入。
3.如權(quán)利要求1所述的無(wú)負(fù)載兩級(jí)逐次逼近寄存器輔助的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中: 在所述放大階段，所述第二級(jí)開關(guān)電容器與所述固定電壓斷開； 其中在所述放大階段，所述放大器輸出節(jié)點(diǎn)沒有通過任何所述第二級(jí)開關(guān)電容器與所述固定電壓連接； 由此，在所述放大階段，沒有放大器負(fù)載。
4.如權(quán)利要求1所述的無(wú)負(fù)載兩級(jí)逐次逼近寄存器輔助的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括: 復(fù)數(shù)個(gè)重置開關(guān)，每個(gè)都連接到所述復(fù)數(shù)個(gè)第二內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，用于在第二級(jí)重置階段將每個(gè)第二內(nèi)部節(jié)點(diǎn)重置到所述固定電壓上； 第二求和節(jié)點(diǎn)重置開關(guān)，用于在第二級(jí)重置階段將所述第二求和節(jié)點(diǎn)連接到所述固定電壓； 其中在所述第二級(jí)重置階段，每個(gè)所述第二級(jí)開關(guān)電容器的兩個(gè)極板都連接到所述固定電壓上。
5.如權(quán)利要求4所述的無(wú)負(fù)載兩級(jí)逐次逼近寄存器輔助的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括: 第一求和節(jié)點(diǎn)重置開關(guān)，用于在第一級(jí)采樣階段將所述第一求和節(jié)點(diǎn)連接到所述固定電壓。
6.如權(quán)利要求1所述的無(wú)負(fù)載兩級(jí)逐次逼近寄存器輔助的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括: 所述運(yùn)算放大器的第二輸入，所述運(yùn)算放大器比較所述第一輸入和所述第二輸入，以產(chǎn)生所述放大器輸出節(jié)點(diǎn)； 所述第一比較器的第一級(jí)第二輸入，所述第一比較器比較所述第一級(jí)第二輸入和所述第一求和節(jié)點(diǎn)，以產(chǎn)生所述第一比較器的輸出； 所述第二比較器的第二級(jí)第二輸入，所述第二比較器比較所述第二級(jí)第二輸入和所述第二求和節(jié)點(diǎn)，以產(chǎn)生所述第二比較器的輸出； 其中所述第二輸入、所述第一級(jí)第二輸入和所述第二級(jí)第二輸入都連接到所述固定電壓。
7.如權(quán)利要求6所述的無(wú)負(fù)載兩級(jí)逐次逼近寄存器輔助的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述固定電壓是地電壓。
8.如權(quán)利要求1所述的無(wú)負(fù)載兩級(jí)逐次逼近寄存器輔助的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括: 所述運(yùn)算放大器的第二輸入，所述運(yùn)算放大器比較所述第一輸入和所述第二輸入，以產(chǎn)生所述放大器輸出節(jié)點(diǎn)； 所述運(yùn)算放大器的負(fù)端輸出； 其中所述放大器輸出節(jié)點(diǎn)是所述運(yùn)算放大器的正端輸出； 所述第一比較器的第一級(jí)第二輸入，所述第一比較器比較所述第一級(jí)第二輸入和所述第一求和節(jié)點(diǎn)，以產(chǎn)生所述第一比較器的輸出； 所述第二比較器的第二級(jí)第二輸入，所述第二比較器比較所述第二級(jí)第二輸入和所述第二求和節(jié)點(diǎn)，以產(chǎn)生所述第二比較器的輸出； 其中所述第一級(jí)第二輸入是來自負(fù)端第一求和節(jié)點(diǎn)的差分電壓，所述負(fù)端第一求和節(jié)點(diǎn)連接到負(fù)端第一級(jí)開關(guān)電容器，所述負(fù)端第一級(jí)開關(guān)電容器是從所述模擬電壓的負(fù)端進(jìn)行采樣的，其中所述模擬電壓是一個(gè)精確差分電壓； 其中所述第二級(jí)第二輸入是來自負(fù)端第二求和節(jié)點(diǎn)的差分電壓，所述負(fù)端第二求和節(jié)點(diǎn)連接到負(fù)端第二級(jí)開關(guān)電容器； 其中所述運(yùn)算放大器的所述第二輸入通過一個(gè)負(fù)端放大器輸入開關(guān)從所述負(fù)端第一求和節(jié)點(diǎn)接收差分電壓。
9.如權(quán)利要求1所述的無(wú)負(fù)載兩級(jí)逐次逼近寄存器輔助的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括: 在所述第二級(jí)開關(guān)電容器中的第二末端電容器，所述第二末端電容器有一個(gè)最小電容值，所述第二末端電容器在其第二內(nèi)部節(jié)點(diǎn)上只連接到所述固定電壓，并不連接到所述參考電壓； 其中在所述第二級(jí)開關(guān)電容器中除了所述第二末端電容器之外的電容器都是二進(jìn)制加權(quán)的，具有從所述最小電容值開始以2的整數(shù)次方的順序加權(quán)的電容值； 其中在所述第二級(jí)開關(guān)電容器中有兩個(gè)電容器有所述最小電容值。
10.如權(quán)利要求1所述的無(wú)負(fù)載兩級(jí)逐次逼近寄存器輔助的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括: 階段順序控制器，用于在采樣階段閉合復(fù)數(shù)個(gè)采樣開關(guān)和所述第一求和節(jié)點(diǎn)重置開關(guān)，用于斷開所述第一可控開關(guān)，以對(duì)所述模擬輸入進(jìn)行采樣； 在所述第二轉(zhuǎn)換階段，斷開所述復(fù)數(shù)個(gè)連接開關(guān)、所述復(fù)數(shù)個(gè)重置開關(guān)和所述第二求和節(jié)點(diǎn)重置開關(guān)，閉合所述復(fù)數(shù)個(gè)第二可控開關(guān)，并啟動(dòng)所述第二逐次逼近寄存器，以調(diào)整所述數(shù)字值第二部分的值，以轉(zhuǎn)換所述第二求和節(jié)點(diǎn)的電壓； 在所述第一放大階段，閉合所述復(fù)數(shù)個(gè)第一可控開關(guān)，斷開所述采樣開關(guān)和所述第一求和節(jié)點(diǎn)重置開關(guān)，啟動(dòng)所述第一逐次逼近寄存器，以調(diào)整所述數(shù)字值第一部分的值，以轉(zhuǎn)換所述第一求和節(jié)點(diǎn)的電壓； 當(dāng)所述放大階段結(jié)束時(shí)，閉合所述清零開關(guān)，以重置所述運(yùn)算放大器，斷開所述放大器輸入開關(guān)和所述反饋開關(guān)； 在所述放大階段期間，斷開所述清零開關(guān)，閉合所述放大器輸入開關(guān)和所述反饋開關(guān)，以放大所述第一求和節(jié)點(diǎn)，以使用所述第二級(jí)開關(guān)電容器作為所述運(yùn)算放大器的反饋電容器。
11.如權(quán)利要求10所述的無(wú)負(fù)載兩級(jí)逐次逼近寄存器輔助的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述第一轉(zhuǎn)換階段和所述第二轉(zhuǎn)換階段在時(shí)間上有重疊，其中相較于所述第一逐次逼近寄存器產(chǎn)生的數(shù)字值的第一部分，由所述第二逐次逼近寄存器產(chǎn)生的數(shù)字值的第二部分是較早的所述模擬輸入采樣值，由此，逐次逼近寄存器轉(zhuǎn)換是流水線式的。
12.如權(quán)利要求1所述的無(wú)負(fù)載兩級(jí)逐次逼近寄存器輔助的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述數(shù)字值的第一部分包括M位； 其中M是一個(gè)至少為4的整數(shù)； 其中所述數(shù)字值的第二部分包括K位； 其中K是一個(gè)至少為4的整數(shù)； 其中所述第一級(jí)開關(guān)電容器包括M+1個(gè)電容器； 其中所述復(fù)數(shù)個(gè)第一可控開關(guān)包括M+1個(gè)開關(guān)； 其中所述復(fù)數(shù)個(gè)第一內(nèi)部節(jié)點(diǎn)包括M+1個(gè)第一內(nèi)部節(jié)點(diǎn)； 其中所述復(fù)數(shù)個(gè)采樣開關(guān)包括M+1個(gè)開關(guān)； 其中所述第二級(jí)開關(guān)電容器包括K+1個(gè)電容器； 其中所述復(fù)數(shù)個(gè)第二可控開關(guān)包括K+1個(gè)開關(guān)； 其中所述復(fù)數(shù)個(gè)第二內(nèi)部節(jié)點(diǎn)包括K+1個(gè)第二內(nèi)部節(jié)點(diǎn)； 其中所述復(fù)數(shù)個(gè)連接開關(guān)包括K+1個(gè)開關(guān)。
13.一種將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字值的方法，其特征在于，包括步驟: 通過復(fù)數(shù)個(gè)采樣開關(guān)對(duì)模擬電壓進(jìn)行采樣，以對(duì)第一級(jí)開關(guān)電容器的第一極板進(jìn)行充電，而所述第一級(jí)開關(guān)電容器的第二極板被連接到一個(gè)固定電壓； 在第二級(jí)轉(zhuǎn)換階段，使用第二級(jí)逐次逼近寄存器，將先前采樣的模擬電壓的殘余轉(zhuǎn)換成一個(gè)較低位數(shù)字值的測(cè)試值，所述第二級(jí)逐次逼近寄存器連續(xù)交替驅(qū)動(dòng)第二級(jí)開關(guān)電容器的第一極板連接到參考電壓或連接到所述固定電壓；將所述第二級(jí)開關(guān)電容器的所有第二極板的第二求和節(jié)點(diǎn)與第二比較電壓相比較，以確定一個(gè)誤差；其中所述第二級(jí)逐次逼近寄存器找到一個(gè)具有最小誤差的最佳較低位數(shù)字值； 通過閉合清零開關(guān)以連接放大器的第一輸入到放大器輸出，重置所述放大器，并在所述第一輸入的一個(gè)輸入電容器上存儲(chǔ)誤差電荷； 將所述第一級(jí)開關(guān)電容器的第二極板從所述固定電壓上斷開，斷開所述采樣開關(guān)，為第一級(jí)轉(zhuǎn)換階段準(zhǔn)備； 在所述第一級(jí)轉(zhuǎn)換階段，使用第一級(jí)逐次逼近寄存器，將采樣到的所述第一級(jí)開關(guān)電容器上的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)較高位數(shù)字值的測(cè)試值，所述第一級(jí)逐次逼近寄存器連續(xù)交替驅(qū)動(dòng)所述第一級(jí)開關(guān)電容器的第一極板連接到所述參考電壓或連接到所述固定電壓；將所述第一級(jí)開關(guān)電容器的所有第二極板的第一求和節(jié)點(diǎn)和第一比較電壓相比較，以確定一個(gè)誤差；其中所述第一級(jí)逐次逼近寄存器找到一個(gè)具有最小誤差的最佳較高位數(shù)字值；在所述第二級(jí)逐次逼近寄存器找到所述最佳較低位數(shù)字值后，通過將所述第二級(jí)開關(guān)電容器的第一極板和第二極板連接到所述固定電壓，重置所述第二級(jí)開關(guān)電容器； 通過斷開所述清零開關(guān)和閉合放大器輸入開關(guān)以連接所述第一求和節(jié)點(diǎn)到所述放大器的第一輸入，閉合反饋開關(guān)以連接所述放大器的第一輸入到所述第二求和節(jié)點(diǎn)，閉合連接開關(guān)以連接所述放大器輸出到所述第二級(jí)開關(guān)電容器的第一極板，放大所述第一求和節(jié)點(diǎn)上的一個(gè)殘余； 其中在放大階段，所述第二級(jí)開關(guān)電容器是連接在所述放大器的第一輸入和所述放大器輸出之間的一個(gè)反饋電容器，以存儲(chǔ)所述第二級(jí)開關(guān)電容器上的一個(gè)殘余，用于轉(zhuǎn)換成所述較低位數(shù)字值。
14.如權(quán)利要求13的方法，其中所述第一比較電壓是地電壓；其中所述第二比較電壓是地電壓； 其中所述固定電壓是地電壓。
15.如權(quán)利要求13的方法，還包括: 通過斷開所述連接開關(guān)，結(jié)束所述放大階段，然后斷開所述反饋開關(guān)，然后閉合所述清零開關(guān)。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述第一級(jí)轉(zhuǎn)換階段和所述第二級(jí)轉(zhuǎn)換階段在時(shí)間上有重疊，其中第二級(jí)轉(zhuǎn)換和第一級(jí)轉(zhuǎn)換是流水線式的； 其中由所述第二級(jí)逐次逼近寄存器產(chǎn)生的所述最佳較低位數(shù)字值和由所述第一級(jí)逐次逼近寄存器在前一個(gè)周期里先前產(chǎn)生的所述最佳較高位數(shù)字值組合在一起。
17.—種多級(jí)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包括: 第一逐次逼近寄存器，其控制數(shù)字值的較高位，所述較高位被切換以測(cè)試所述較高位的不同值； 第一比較器，其比較第一求和節(jié)點(diǎn)以產(chǎn)生第一誤差，其中所述第一逐次逼近寄存器找到具有最低第一誤差的較高位； 第一級(jí)開關(guān)電容器，根據(jù)來自所述第一逐次逼近寄存器的數(shù)字值的較高位，所述第一級(jí)開關(guān)電容器的前極板在高電壓和低電壓之間切換，所述第一級(jí)開關(guān)電容器的背極板連接到所述第一求和節(jié)點(diǎn)； 采樣開關(guān)，其在采樣階段將模擬輸入電壓連接到所述第一級(jí)開關(guān)電容器的前極板； 放大器輸入開關(guān)，其連接所述第一求和節(jié)點(diǎn)到放大器輸入節(jié)點(diǎn)； 清零開關(guān)，其連接所述放大器輸入節(jié)點(diǎn)到放大器輸出節(jié)點(diǎn)； 放大器，其以所述放大器輸入節(jié)點(diǎn)為輸入，以所述放大器輸出節(jié)點(diǎn)為輸出； 第二逐次逼近寄存器，其控制所述數(shù)字值的較低位，所述較低位被切換以測(cè)試所述較低位的不同值； 第二比較器，其比較第二求和節(jié)點(diǎn)以產(chǎn)生第二誤差，其中所述第二逐次逼近寄存器找到具有最低第二誤差的較低位； 第二級(jí)開關(guān)電容器，根據(jù)來自所述第二逐次逼近寄存器的數(shù)字值的較低位，所述第二級(jí)開關(guān)電容器的前極板在高電壓和低電壓之間切換，所述第二級(jí)開關(guān)電容器的背極板連接到所述第二求和節(jié)點(diǎn)； 連接開關(guān)，其在放大階段將所述放大器輸出節(jié)點(diǎn)連接到所述第二級(jí)開關(guān)電容器的前極板； 反饋開關(guān)，其在所述放大階段將所述第二求和節(jié)點(diǎn)連接到所述放大器輸入節(jié)點(diǎn)；其中在所述放大階段，所述第二級(jí)開關(guān)電容器的后極板連接到所述放大器輸入節(jié)點(diǎn)，所述第二級(jí)開關(guān)電容器的前極板連接到所述放大器輸出節(jié)點(diǎn)，其中在所述放大階段，所述第二級(jí)開關(guān)電容器作為反饋電容器。
18.如權(quán)利要求17所述的多級(jí)轉(zhuǎn)換器，還包括: 重置開關(guān)，其在第二級(jí)開關(guān)電容器重置階段，驅(qū)動(dòng)所述第二級(jí)開關(guān)電容器的前極板和后極板接地，然后進(jìn)入所述放大階段。
19.如權(quán)利要求18所述的多級(jí)轉(zhuǎn)換器，還包括: 階段控制裝置，其在所述采樣階段，斷開和閉合開關(guān)以重置所述放大器，當(dāng)所述第二逐次逼近寄存器正在尋找所述具有最低第二誤差的較低位時(shí)，重置所述放大器；當(dāng)所述第一逐次逼近寄存器正在尋找所述具有最低第一誤差的較高位時(shí)，重置所述放大器；在所述第二電容器重置階段，重置所述放大器；在所述放大階段，將所述第一求和節(jié)點(diǎn)連接到所述放大器輸入節(jié)點(diǎn)，將所述第二級(jí)開關(guān)電容器的前極板連接到所述放大器輸出節(jié)點(diǎn)，將所述第二級(jí)開關(guān)電容器的后極板連接到所述放大器輸入節(jié)點(diǎn)。
20.如權(quán)利要求19所述的多級(jí)轉(zhuǎn)換器，還包括: 順序控制裝置，其啟動(dòng)所述采樣階段，重置所述放大器，產(chǎn)生所述最低第二誤差，然后產(chǎn)生所述最低第一誤差，同時(shí)重置所述放大器，然后啟動(dòng)所述第二電容器重置階段，然后產(chǎn)生所述放大階段，然后從所述采樣階段開始重復(fù)。
【文檔編號(hào)】H03M1/38GK104320140SQ201410529902
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】駱智峯, 鄭士源 申請(qǐng)人:香港應(yīng)用科技研究院有限公司