[发明专利]逐次逼近寄存器模数转换器及模数转换方法

说明书

技术领域

本发明有关于一种模数转换器（analog to digital converter，ADC），且特别有关于一种逐次逼近（successive approximation）寄存器模数转换器及模数转换方法。

背景技术

目前，模数转换器广泛地使用在各种应用中，例如医学系统、音频系统、测试和测量设备、通信系统以及影像和视频系统等。常见的模数转换器的结构包含快速（flash）模数转换器、流水线（pipeline）模数转换器以及逐次逼近寄存器（successive approximation register，SAR）模数转换器。虽然快速模数转换器与流水线模数转换器的处理速度比逐次逼近寄存器模数转换器快，然而快速模数转换器与流水线模数转换器的耗电量相当大，因而不适用于使用有限电源供应的系统，例如便携式设备。

逐次逼近寄存器模数转换器（SAR ADC）的类型包含使用电阻式数模转换器（digital to analog converter，DAC）的电阻串SAR ADC、使用电容式数模转换器的电容阵列SAR ADC以及使用混合式数模转换器（例如电阻-电容数模转换器，C+R DAC）的电阻-电容混合SAR ADC。一般而言，相较于电阻串SARADC，电容阵列SAR ADC具有较佳的线性。此外，电阻-电容混合SAR ADC通常用于减少实际布局中冗长电阻串或是大面积电容阵列所导致的布局面积。然而，由于半导体工艺的限制，大的电容值是必要的，于是会牺牲面积以及增加耗电量。

对SAR ADC而言，由于电容式数模转换器或是混合式数模转换器中电容的不匹配，会使得中间码（middle-code）的转变（transition）成为造成非线性的主要原因。因此，需要能在不增加SARADC的电容值的情况下，改善线性。

发明内容

有鉴于此，特提供以下技术方案：

本发明的实施方式提供一种逐次逼近寄存器模数转换器，用于将模拟输入信号转换成数字输出信号，包含数模转换器、比较器、以及逐次逼近寄存器逻辑。数模转换器具有用来接收模拟输入信号的输入端、用来根据模拟输入信号、最高有效位电容值以及小于最高有效位电容值的多个有效位电容值而提供中间模拟信号的输出端，以及数模转换器包含第一切换式电容阵列与第二切换式电容阵列。第一切换式电容阵列耦接于数模转换器的输入端以及输出端，用来根据选择信号选择性地提供最高有效位电容值或是多个有效位电容值，其中多个有效位电容值的总和等于最高有效位电容值；以及第二切换式电容阵列耦接于数模转换器的输入端以及输出端，用来当第一切换式电容阵列提供最高有效位电容值时提供多个有效位电容值，以及当第一切换式电容阵列提供多个有效位电容值时提供最高有效位电容值。比较器用来根据中间模拟信号而提供比较结果。逐次逼近寄存器逻辑用来根据比较结果而提供数字输出信号。

本发明的实施方式另提供一种模数转换方法，适用于逐次逼近寄存器模数转换器，其中逐次逼近寄存器模数转换器具有数模转换器以及逐次逼近寄存器逻辑，所述模数转换方法包含：根据选择信号，通过数模转换器的第一切换式电容阵列来选择性地提供最高有效位电容值或是小于最高有效位电容值的多个有效位电容值；当多个有效位电容值是由第一切换式电容阵列所提供时，通过数模转换器的第二切换式电容阵列来提供最高有效位电容值；当最高有效位电容值是由第一切换式电容阵列所提供时，通过数模转换器的第二切换式电容阵列来提供多个有效位电容值；根据模拟输入信号、最高有效位电容值以及多个有效位电容值，得到中间模拟信号；根据中间模拟信号，提供比较结果；以及根据比较结果，通过逐次逼近寄存器逻辑来提供数字输出信号。

以上所述的逐次逼近寄存器模数转换器及模数转换方法能够在不增加电容值的前提下改善模数转换的线性。

附图说明

图1A是根据本发明实施例的底板采样逐次逼近寄存器模数转换器的示意图；

图1B是根据本发明实施例的顶板采样逐次逼近寄存器模数转换器的示意图；

图2A是根据本发明实施例的二进制加权M位电容式数模转换器的示意图，适用于图1B的顶板采样逐次逼近寄存器模数转换器；

图2B是根据本发明实施例的M位电容式数模转换器的示意图，适用于图1A的底板采样逐次逼近寄存器模数转换器；

图3是根据本发明实施例的3位电容式数模转换器的示意图；

图4A是第K个采样周期期间的数模转换电路的等效电路的示意图；