[发明专利]具有二进制加权电容器采样阵列和子采样电荷分配阵列的混合模数转换器(ADC)

说明书

技术领域

本发明涉及模数转换器（ADC），特别涉及具有混合电容器阵 列的逐次逼近寄存器（SAR）ADC。

背景技术

大型系统芯片通常包括模拟和数字电路。信号可以从数字域 （digital domain）到模拟域（analog domain），反之亦然。模拟信号可以被 转换成数字以通过诸如数字信号处理器（DSP）进行复杂的数字处理。

许多类型的模数转换器（ADC）已经被广泛应用。闪存ADC 将模拟信号电压和多个瞬时电平进行比较以产生一个多比特的数字字，其 表示模拟电压。逐次逼近ADC使用一系列阶段（stage）以将模拟电压转 换成数字比特。每个阶段将一个模拟电压和一个参考电压进行比较，产生 一个数字比特。在高速分级比较（sub-ranging）ADC里，每个阶段将一个 模拟电压与几个电平进行比较，从而每个阶段产生几个比特。在流水线 （pipeline）内后续阶段产生的数字比特比前期阶段产生的具有更低有效 位。

算法、循环ADC使用一个回路来转换模拟电压。模拟电压被 采样，并被比较以产生一个最高有效位数字比特。接着，该数字比特被转 换回模拟状态，再被模拟电压减去以产生一个剩余电压。然后，剩余电压 乘以2再回到比较器以产生下一个数字比特。因此，在相同的比较器阶段， 在多个循环上产生数字比特。

图1显示一个逐次逼近寄存器ADC。逐次逼近寄存器SAR 102 接收一个时钟信号CLK，并包括一个寄存器值，其不断变化并逐渐近似逼 近模拟输入电压VIN。例如，当与0.312伏特的VIN进行比较时，SAR 102 的值可以首先是0.5，然后是0.25，然后是0.375，然后是0.312，然后是 0.281，然后是0.296，然后是0.304，然后是0.31，然后是0.311，最后是 0.312。SAR 102输出当前的寄存器值到数模转换器（DAC）100，DAC接 收一个参考电压VREF，将寄存器值转换成一个模拟电压VA。

输入模拟电压VIN被施加到采样保持电路（sample-and-hold  circuit）104，其采样并保持VIN的数值。例如，电容器可以由VIN进行 充电，然后电容器与VIN隔离以保持模拟电压。从采样保持电路104采样 的输入电压被施加到比较器106的反相输入（inverting input）。被转换的模 拟电压VA被施加到比较器106的非反相输入。

比较器106比较被转换的模拟电压VA和被采样的输入电压， 当被转换的模拟电压VA高于被采样的VIN时产生一个高输出，并且SAR  102里的寄存器值很高。接着，SAR 102里的寄存器值可以减小。

当被转换的模拟电压VA低于被采样的输入电压时，比较器106 产生一个低输出到SAR 102。SAR 102里的寄存器值很低。接着，SAR 102 里的寄存器值可以在下一个循环被提高。

SAR 102里的寄存器值是一个N比特的二进制数值，D(N-1)是 最高有效比特（MSB），D0是最低有效比特（LSB）。首先，SAR 102可以 设置MSB D(N-1)，然后比较被转换的模拟电压VA和输入电压VIN，接着 根据比较结果调整MSB和/或设置下一个MSB D(N-2)。设重复置和比较循 环直到N个循环后LSB被设置。在最后一个循环之后，一个循环结束EOC 信号被激活以显示循环完成。一个状态机或其它控制器可以与SAR 102一 起使用或者包含在SAR 102内以控制次序。

DAC 100或采样保持电路104可以有一个电容器阵列。电容器 有二进制加权数值，如1,2,4,8,16,32,…乘以一个最小的电容器尺寸。例如， 一个6比特的DAC可以有一系列电容器1,2,4,8,16,32乘以一个最小电容C。 更高解析度的DAC，如一个11比特的DAC，有更高的电容器值，如 2^N-1=1024。

尽管这种电容器阵列DAC是有用的，大尺寸的MSB电容器需 要转换大量的电荷。一个二进制加权的电容器阵列的总电容Ct是2^N*C， 其中N是二进制比特的数目，而C是最小电容器的电容。

ADC的DAC部分的动态功率需求随着电容器阵列的总电容Ct 的增加而增加，因为动态功率是f*Ct*V²，其中f是频率，V电压摆幅（voltage  swing）。