多電平電容性dac的制作方法
【專利說明】多電平電容性DAG
[0001]相關串請案的交叉參考
[0002]本申請案主張于2013年3月11日提出申請的第61/776，620號美國臨時申請案的權益，所述美國臨時申請案的全文并入本文中。
技術領域
[0003]本發(fā)明涉及一種電荷轉(zhuǎn)移的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)，特定來說涉及此DAC在Σ Δ調(diào)制器中的用途。本發(fā)明還涉及一種使用最小數(shù)目個電容器及最小動態(tài)元件匹配序列的多電平電容性DAC。
技術領域
[0004]
[0005]當今，在用于消費型應用、工業(yè)應用等的電子器件中廣泛使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。通常，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器包含用于接收模擬輸入信號并輸出與所述模擬輸入信號成比例的數(shù)字值的電路。此數(shù)字輸出值通常呈并行字組或串列數(shù)字位串的形式。存在例如電壓/頻率轉(zhuǎn)換、電荷重新分布、A調(diào)制以及其它方案的許多類型的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方案。通常，這些轉(zhuǎn)換方案中的每一者具有其優(yōu)點及缺點。已目睹日益增加使用的一種類型的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是切換式電容器Σ-Δ轉(zhuǎn)換器。
[0006]如同許多模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，切換式電容器Σ-Δ轉(zhuǎn)換器在如圖1中所展示的反饋環(huán)路中使用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC且無法比所述數(shù)/模轉(zhuǎn)換器更線性。輸入信號U饋送到環(huán)路濾波器。環(huán)路濾波器的輸出信號Y轉(zhuǎn)發(fā)到提供輸出位流V的量化器。此位流V饋送回到DAC，DAC的輸出饋送回到環(huán)路濾波器。因此，需要極具線性的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器以便實現(xiàn)完全線性的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。然而，對于在Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)路中使用的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，不需要高分辨率:數(shù)/模分辨率可與過取樣比率交換，代價為較長轉(zhuǎn)換時間。
[0007]兩電平數(shù)/模轉(zhuǎn)換器為固有線性的且因此并非為Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的準確度的限制性因素。因此，在Σ-△模/數(shù)轉(zhuǎn)換器中，其為標準方法。舉例來說，此類A/D轉(zhuǎn)換器揭示于以下文章中:在IEEE國際固態(tài)電路會議37(1994) ( 二月，美國紐約)中，馬克A.亞歷山大(Mark A.Alexander)、赫沙姆.穆哈杰拉(Hessam Mohajeri)及賈斯廷 0.彭云鵬(Justin0.Prayogo)的“具有提供-97..4dB THD的集成抽取濾波器的192ks/s的Σ - Δ ADC (A192ks/s Sigma-Delta ADC with integrated Decimat1n Filters Providing-97..4dBTHD)”；及在音響工程協(xié)會39 (1991)的AES期刊(七月/八月，第7/8號，美國紐約)中，R.W.亞當斯(R.ff.Adams)、P.F.弗格森(P.F.Ferguson)、Α.甘尼申(A.Ganesan)、S.萬瑟萊(S.Vincelette), A.沃爾普(A.Volpe)及 R.利伯特(R.Libert)的“五階 Σ-ΔΑ/D 轉(zhuǎn)換器的理論及實際實施方案(Theory and Practical Implementat1n of a fifth-OrderSigma-Delta A/D Converter)”。依據(jù)受讓于申請人的美國專利US7，102，558，還知曉五電平反饋數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，所述美國專利借此以引用方式并入本文中。
[0008]在Σ △轉(zhuǎn)換器中，如果調(diào)制器由切換式電容器制成，那么通常使用電容性電荷轉(zhuǎn)移的DAC來實現(xiàn)所述調(diào)制器的反饋。多位架構具有包含較少量化噪聲、較大穩(wěn)定性、對閑置頻調(diào)的較小敏感性以及較好失真行為的良好優(yōu)點。由于DAC輸出駐留于調(diào)制器的輸入處，因此DAC的不準確度直接傳輸?shù)叫盘柷译y以補償。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有盡可能多電平的線性DAC為至關重要的(制成多電平快閃ADC為較容易的，這是因為在Σ Δ調(diào)制器中，其不需要具有與DAC在其處于信號鏈的末端時一樣的準確度)。具有5個以上電平的多電平DAC需要多個電容器及動態(tài)元件匹配以能夠在兩個相中傳送信號(基于切換式電容器的大多數(shù)Σ Δ調(diào)制器具有兩個相，一者用于取樣信號，一者用于將信號傳送到下一級)。這些多電平DAC通常實現(xiàn)為電荷轉(zhuǎn)移的DAC。在這些類型的DAC中，每一輸出電平是由轉(zhuǎn)移到DAC的輸出的不同電荷量來定義的。因此，電荷轉(zhuǎn)移的DAC轉(zhuǎn)移電荷且因此以不同于電壓或電流DAC的方式操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)各種實施例，Σ △模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可具備具有比常規(guī)電荷轉(zhuǎn)移的DAC多的電平的電荷轉(zhuǎn)移類型的多電平DAC，所述多電平DAC在具有最小數(shù)量的匹配及不匹配電容器的此類轉(zhuǎn)換器中使用，其中使用相當簡單的動態(tài)匹配技術。
[0010]根據(jù)實施例，一種供在Σ Δ調(diào)制器中用于產(chǎn)生N個輸出電平的電荷轉(zhuǎn)移類型的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)，其中輸出電平是通過由所述DAC轉(zhuǎn)移的電荷的相應量來定義，所述DAC可包括:第一電容器開關單元，其接收參考電壓及第一數(shù)字輸入值且可操作以轉(zhuǎn)移第一多個輸出電荷；至少一個第二電容器開關單元，其接收所述參考電壓及第二數(shù)字輸入值，其中所述第二電容器開關單元的輸出與所述第一電容器開關單元的輸出并聯(lián)耦合以產(chǎn)生所述第一多個經(jīng)轉(zhuǎn)移輸出電荷與來自所述第二電容器開關單元的第二多個經(jīng)轉(zhuǎn)移輸出電荷的和；及定序器，其可操作以控制所述第一及第二電容器開關單元的切換，其中針對每一 DAC輸入值提供根據(jù)個別第一及第二數(shù)字輸入值的切換序列以產(chǎn)生所述N個輸出電平。
[0011]根據(jù)又一實施例，所述切換序列可經(jīng)選擇使得由相應第一及第二多個經(jīng)轉(zhuǎn)移輸出電荷產(chǎn)生的所述N個輸出電平中的至少一者與所述第一及第二電容器開關單元的所述電容器的和成比例。根據(jù)又一實施例，針對所述N個輸出電平中的與所述第一及第二電容器開關單元的所述電容器的和不成比例的每一輸出電平，可提供至少一個替代切換序列以轉(zhuǎn)移相應電荷，其中通過改變所述第一及/或第二電容器開關單元的相關聯(lián)切換序列使具有相同值的循序DAC輸入值的平均DAC輸出電荷與所述第一及第二電容器開關單元的所述電容器的和成比例。根據(jù)又一實施例，切換序列可包括取樣相、后續(xù)接著轉(zhuǎn)移相。根據(jù)又一實施例，多個切換序列可用以產(chǎn)生與所述第一及/或第二電容器開關單元的一個DAC輸入值相關聯(lián)的經(jīng)轉(zhuǎn)移輸出電荷且所述定序器經(jīng)配置以借助偽隨機算法而隨機排列所述多個切換序列的次序。根據(jù)又一實施例，切換序列可包括取樣相、后續(xù)接著轉(zhuǎn)移相，且其中電壓參考是由在所述取樣相與所述轉(zhuǎn)移相之間雙態(tài)切換的斬波器電壓參考而產(chǎn)生。根據(jù)又一實施例，所述DAC可經(jīng)配置以產(chǎn)生7個輸出電平。
[0012]根據(jù)另一實施例，Σ Δ調(diào)制器可包括此DAC，且進一步包括電容性輸入開關單元，所述電容性輸入開關單元接收輸入信號且所述電容性輸入開關單元的輸出與所述并聯(lián)耦合的電容性開關單元的輸出并聯(lián)耦合。
[0013]根據(jù)所述Σ Δ調(diào)制器的又一實施例，所述電容性輸入開關單元轉(zhuǎn)移具有增益A的輸出電荷。根據(jù)所述Σ Δ調(diào)制器的又一實施例，所述Σ Δ調(diào)制器可進一步包括與所述第一電容器開關單元并聯(lián)耦合的多個第二電容器開關單元。根據(jù)所述Σ Δ調(diào)制器的又一實施例，所述Σ Δ調(diào)制器可進一步包括將所述電容性開關單元與所述電容性輸入開關單元的所述并聯(lián)耦合的輸出與差分放大器耦合的切換網(wǎng)絡。
[0014]根據(jù)再一實施例，一種用于借助于電荷轉(zhuǎn)移類型的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生N個輸出電平的方法，所述方法可包括:由接收參考電壓的第一電容器開關單元通過以下操作產(chǎn)生多個輸出電荷中的由第一數(shù)字輸入值定義的第一輸出電荷:根據(jù)由所述第一數(shù)字輸入值定義的至少一個預定義切換序列控制第一切換序列以轉(zhuǎn)移多個輸出電荷中的所述第一者；由接收所述參考電壓的第二電容器開關單元通過以下操作產(chǎn)生多個輸出電荷中的由第二數(shù)字輸入值定義的第二輸出電荷:根據(jù)由所述第二數(shù)字輸入值定義的至少一個預定義切換序列控制第二切換序列以轉(zhuǎn)移多個輸出電荷中的所述第二者，其中所述第一及第二數(shù)字輸入值取決于所述DAC的選定數(shù)字輸入值；及將多個輸出電荷中的所述第一者與所述第二者相加以產(chǎn)生所述DAC的輸出電平。
[0015]根據(jù)所述方法的又一實施例，可選擇所述第一及第二切換序列使得由相應第一及第二多個經(jīng)轉(zhuǎn)移輸出電荷產(chǎn)生的所述N個輸出電平中的至少一者與所述第一及第二電容器開關單元的電容值的和成比例。根據(jù)所述方法的又一實施例，針對所述N個輸出電平中的與所述第一及第二電容器開關單元的電容值的和不成比例的每一輸出電平，可提供至少一個替代切換序列以轉(zhuǎn)移相應電荷，其中通過改變所述第一及/或第二電容器開關單元的相關聯(lián)切換序列，具有相同值的循序DAC輸入值的平均DAC經(jīng)轉(zhuǎn)移電荷輸出電荷與所述第一及第二電容器開關單元的所述電容值的和成比例。根據(jù)所述方法的又一實施例，切換序列可包括取樣相、后續(xù)接著轉(zhuǎn)移相。根據(jù)所述方法的又一實施例，多個切換序列可用以產(chǎn)生與所述第一及/或第二電容器開關單元的一個DAC輸入值相關聯(lián)的經(jīng)轉(zhuǎn)移輸出電荷且所述定序器借助偽隨機算法來隨機排列所述多個切換序列的次序。根據(jù)所述方法的又一實施例，切換序列可包括取樣相、后續(xù)接著轉(zhuǎn)移相，且進一步包括:由在所述取樣相與所述轉(zhuǎn)移相之間雙態(tài)切換的斬波器電壓參考來產(chǎn)生電壓參考。根據(jù)所述方法的又一實施例，所述DAC可產(chǎn)生7個輸出電平。根據(jù)所述方法的又一實施例，所述方法可包括:轉(zhuǎn)移相加到多個經(jīng)轉(zhuǎn)移輸出電荷中的所述第一者的多個第二輸出電荷。
[0016]根據(jù)再一實施例，一種使用電荷轉(zhuǎn)移類型的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)來操作Σ Δ調(diào)制器的方法可包括:由所述DAC的接收參考電壓的第一電容器開關單元通過以下操作產(chǎn)生多個輸出電荷中的由第一數(shù)字輸入值定義的第一輸出電荷:根據(jù)由所述第一數(shù)字輸入值定義的至少一個預定義切換序列控制第一切換序列以轉(zhuǎn)移多個輸出電荷中的所述第一者；由所述DAC的接收所述參考電壓的第二電容器開關