[发明专利]逐次逼近模数转换器

说明书

本申请公开了一种SAR(Ai)，其包括：接收输入电压(Vin)的输入端；比较器(100)；配置为由SAR状态机(110)控制并连接到SAR ADC(Ai)的输入端和参考电压节点的第一开关网络(120)；以及，第一电容器网络(130)。第一电容器网络(130)包括：连接到比较器(100)输入端的第一节点(140)；第二节点(150)；以及，连接在第一节点(140)和第二节点(150)之间的桥式电容器(Cb)。此外，第一电容器网络(130)包括具有第一和第二端子的第一组(160)电容器，其中第一组中每个电容器的第一端子连接至第一节点(140)，第一组中每个电容器的第二端子连接到开关网络(120)。此外，第一电容器网络(130)包括具有第一和第二端子的第二组(170)电容器，其中第二组中每个电容器的第一端子连接至第二节点(150)，并且第二组中每个电容器中的第二端子连接到开关网络(120)。SAR ADC(Ai)还包括第二电容器网络(180)，其连接到第一电容器网络的第二节点(150)并配置为控制SAR ADC(Ai)的增益。

技术领域

本发明涉及模数转换器(ADC)，尤其涉及逐次逼近(SAR)ADC。此类SAR ADC例如可以用作时间交替ADC中的子ADC。

背景技术

模数转换器(ADC)是模拟和数字信号处理域之间的接口电路，其将输入信号由模拟表现形式转换为数字表现形式。ADC用于许多不同类型的电子电路。例如，ADC可以用于接收器电路中，以将接收到的模拟信号转换为数字表现形式，然后其在数字信号处理器等中受到进一步的信号处理。

通常用于实现较高采样率的ADC的一种类型为所谓的时间交替ADC(TI-ADC)。TI-ADC包含M个名义上相同的子ADC，每个子ADC都以时间交替的方式作用在每一第M个输入采样上。如果TI-ADC以采样率f_s工作，每个子ADC都以明显较低的采样率f_s,sub＝f_s/M工作。

时间交替的一个缺点是子ADC之间在时间(采样时刻)、偏移和增益方面要求很高的匹配。通过在ADC的前面设置采样保持(S/H)电路，可以避免对时间失配的估算和校正。偏移和增益的失配可以在数字域中处理，分别通过减法装置和乘法装置校正。特别地，乘法装置会耗费功率和硅面积，因此替代方法可能是优选的。

例如，可以通过使用具有电容式数模转换器(DAC)的逐次逼近(SAR)ADC来实现子ADC。DAC的直接实现利用了一组二进制加权或基数为2的电容器。DAC将B位的数字字转换为电压，该电压被馈入比较器以便与采样的输入电压进行比较。该数字字的最低有效位(LSB)具有相应的权重为1的电容器(即具有电容量C，C为某个单位电容值)，并且该数字字的最高有效位(MSB)具有相应的权重为2^B-1的电容器(即具有电容量2^B-1C)。

US 6,720,903 B2公开了一种将要转换的输入电压信号的动态范围与转换器的满量程范围相匹配的SAR型模数转换器的操作方法，该转换器包括至少一个二进制加权电容器阵列。该方法包括以下步骤：获得数字增益码，该数字增益码表示满量程范围和要转换的电压信号的动态范围之间的比率；将要转换的电压信号施加到电容器阵列，以便仅对具有(与具有选定二进制值的增益码的位相同的)二进制权重的阵列电容器使用要转换的电压信号进行充电；以及，根据SAR技术将阵列中的电容器选择性地联接到第一和第二预定参考电压端子中的一个，以获得对应于输入电压信号的输出数字编码。应当注意的是，在US 6,720,903 B2中SAR-ADC实现的增益控制是相对粗糙的。如果用作TI-ADC中的子ADC，则可能需要更精细的增益控制，这取决于给定应用的要求。

二进制加权电容器组的一个问题在于，大小随位数的增加而呈指数增长。B大时，DAC耗费大量的功率、硅片面积，并且由于匹配要求而导致布局复杂。另一个副作用是，驱动ADC输入的电路需要提供大电流以在采样阶段对大的电容器进行充电。