逐次逼近寄存器模數轉換器及模數轉換方法技術

一種逐次逼近寄存器模數轉換器及模數轉換方法。所述逐次逼近寄存器模數轉換器用于將模擬輸入信號轉換成數字輸出信號，包含數模轉換器、比較器、以及逐次逼近寄存器邏輯。數模轉換器具有用來接收模擬輸入信號的輸入端，以及用來根據模擬輸入信號、最高有效位電容值以及小于最高有效位電容值的多個有效位電容值而提供中間模擬信號的輸出端；比較器用來根據中間模擬信號而提供比較結果；逐次逼近寄存器邏輯用來根據比較結果而提供數字輸出信號。以上所述的逐次逼近寄存器模數轉換器及轉換方法能夠改善模數轉換的線性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術有關于ー種模數轉換器(analog to digital converter, ADC),且特別有關于ー種逐次逼近(successive approximation)寄存器模數轉換器及模數轉換方法。
技術介紹
目前，模數轉換器廣泛地使用在各種應用中，例如醫學系統、音頻系統、測試和測量設備、通信系統以及影像和視頻系統等。常見的模數轉換器的結構包含快速(flash)模數轉換器、流水線(pipeline)模數轉換器以及逐次逼近寄存器(successive approximationregister, SAR)模數轉換器。雖然快速模數轉換器與流水線模數轉換器的處理速度比逐次逼近寄存器模數轉換器快，然而快速模數轉換器與流水線模數轉換器的耗電量相當大，因而不適用于使用有限電源供應的系統，例如便攜式設備。 逐次逼近寄存器模數轉換器(SAR ADC)的類型包含使用電阻式數模轉換器(digital to analog converter,DAC)的電阻串SAR ADC、使用電容式數模轉換器的電容陣列SAR ADC以及使用混合式數模轉換器(例如電阻-電容數模轉換器，C+R DAC)的電阻-電容混合SAR ADC0 一般而言，相較于電阻串SARADC，電容陣列SAR ADC具有較佳的線性。此夕卜，電阻-電容混合SAR ADC通常用于減少實際布局中冗長電阻串或是大面積電容陣列所導致的布局面積。然而，由于半導體エ藝的限制，大的電容值是必要的，于是會犧牲面積以及増加耗電量。對SAR ADC而言，由于電容式數模轉換器或是混合式數模轉換器中電容的不匹配，會使得中間碼(middle-code)的轉變(transition)成為造成非線性的主要原因。因此,需要能在不增加SARADC的電容值的情況下，改善線性。
技術實現思路
有鑒于此，特提供以下技術方案本專利技術的實施方式提供ー種逐次逼近寄存器模數轉換器，用于將模擬輸入信號轉換成數字輸出信號，包含數模轉換器、比較器、以及逐次逼近寄存器邏輯。數模轉換器具有用來接收模擬輸入信號的輸入端、用來根據模擬輸入信號、最高有效位電容值以及小于最高有效位電容值的多個有效位電容值而提供中間模擬信號的輸出端，以及數模轉換器包含第一切換式電容陣列與第二切換式電容陣列。第一切換式電容陣列耦接于數模轉換器的輸入端以及輸出端，用來根據選擇信號選擇性地提供最高有效位電容值或是多個有效位電容值，其中多個有效位電容值的總和等于最高有效位電容值；以及第二切換式電容陣列耦接于數模轉換器的輸入端以及輸出端，用來當第一切換式電容陣列提供最高有效位電容值時提供多個有效位電容值，以及當第一切換式電容陣列提供多個有效位電容值時提供最高有效位電容值。比較器用來根據中間模擬信號而提供比較結果。逐次逼近寄存器邏輯用來根據比較結果而提供數字輸出信號。本專利技術的實施方式另提供ー種模數轉換方法，適用于逐次逼近寄存器模數轉換器，其中逐次逼近寄存器模數轉換器具有數模轉換器以及逐次逼近寄存器邏輯，所述模數轉換方法包含根據選擇信號，通過數模轉換器的第一切換式電容陣列來選擇性地提供最高有效位電容值或是小于最高有效位電容值的多個有效位電容值；當多個有效位電容值是由第一切換式電容陣列所提供時，通過數模轉換器的第二切換式電容陣列來提供最高有效位電容值；當最高有效位電容值是由第一切換式電容陣列所提供時，通過數模轉換器的第ニ切換式電容陣列來提供多個有效位電容值；根據模擬輸入信號、最高有效位電容值以及多個有效位電容值，得到中間模擬信號；根據中間模擬信號，提供比較結果；以及根據比較結果，通過逐次逼近寄存器邏輯來提供數字輸出信號。以上所述的能夠在不増加電容值的前提下改善模數轉換的線性。附圖說明 圖IA是根據本專利技術實施例的底板采樣逐次逼近寄存器模數轉換器的示意圖；圖IB是根據本專利技術實施例的頂板采樣逐次逼近寄存器模數轉換器的示意圖；圖2A是根據本專利技術實施例的ニ進制加權M位電容式數模轉換器的示意圖，適用于圖IB的頂板采樣逐次逼近寄存器模數轉換器；圖2B是根據本專利技術實施例的則立電容式數模轉換器的示意圖，適用于圖IA的底板采樣逐次逼近寄存器模數轉換器；圖3是根據本專利技術實施例的3位電容式數模轉換器的示意圖；圖4A是第K個采樣周期期間的數模轉換電路的等效電路的示意圖；圖4B是第K+1個采樣周期期間的數模轉換電路的等效電路的示意圖；圖5是圖3中切換式電容陣列的電容交換操作的示意圖。具體實施例方式在說明書及權利要求書當中使用了某些詞匯來指稱特定的元件。所屬
的技術人員應可理解，硬件制造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及權利要求書并不以名稱的差異作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異作為區分的準貝1J。在通篇說明書及權利要求項中所提及的「包含」為ー開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定干」。此外，「耦接」一詞在此包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述第一裝置耦接于第二裝置，則代表第一裝置可直接電氣連接于第二裝置，或透過其它裝置或連接手段間接地電氣連接至第二裝置。為了讓本專利技術的該和其他目的、特征、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下實施例圖IA是根據本專利技術實施例的底板采樣(bottom-plate sampling)逐次逼近寄存器模數轉換器(SAR ADC) 100A的示意圖。逐次逼近寄存器模數轉換器100A可在全部可能的量化電平(quantization level)之間來透過ニ進制搜尋■程序產生數字輸出信號SD()Ut,其中數字輸出信號SD()Ut表不模擬輸入信號SAin的強度(在ー個米樣時間的情況下)。逐次逼近寄存器模數轉換器100A包含采樣與保持電路110、數模轉換器(DAC) 120、比較器130以及逐次逼近寄存器邏輯140。采樣與保持電路110對模擬輸入信號SAin進行采樣，而得到已采樣的模擬信號SSH。數模轉換器120根據已采樣的模擬信號Ssh、參考信號SMf、選擇信號Sa以及多個控制信號CNT1-CNTn來產生中間模擬信號SIA。在一個實施例中，數模轉換器120更可根據多個參考信號(例如Sraf+與Sref-)以及共同信號(common signal,例如Vcm)而產生中間模擬信號SIA。比較器130根據中間模擬信號Sia而提供比較結果CMP。逐次逼近寄存器邏輯140根據比較結果CMP而提供數字輸出信號SD()Ut。此外，逐次逼近寄存器邏輯140更可根據比較結果CMP來提供控制信號CNT1-CNTn至數模轉換器120。在此實施例中，逐次逼近寄存器邏輯140會提供選擇信號Sa至數模轉換器120，以執行電容交換操作，其中電容交換操作的詳細實施方式將描述于下文。在此實施例中，數模轉換器120為電容式數模轉換器或是混合式數模轉換器(C+R DAC)。在逐次逼近寄存器模數轉換器100A中，數字輸出信號Sllwt的每一位，從最高有效位(most significant bit, MSB)開始，是由逐次逼近寄存器邏輯140在采樣與保持電路110的一個采樣周期的期間所決定的。例如，為了決定數字輸出信號Sltout的最高有效位，逐次逼近寄存器邏輯140會將最高有效位控制信號CNT1設為ー特定邏輯值(例如“ 1”本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種逐次逼近寄存器模數轉換器，用于將模擬輸入信號轉換成數字輸出信號，包含：數模轉換器，具有用來接收該模擬輸入信號的輸入端、用來根據該模擬輸入信號、最高有效位電容值以及小于該最高有效位電容值的多個有效位電容值而提供中間模擬信號的輸出端，以及該數模轉換器包含：第一切換式電容陣列，耦接于該數模轉換器的該輸入端以及該輸出端，用來根據選擇信號選擇性地提供該最高有效位電容值或是該多個有效位電容值，其中該多個有效位電容值的總和等于該最高有效位電容值；以及第二切換式電容陣列，耦接于該數模轉換器的該輸入端以及該輸出端，用來當該第一切換式電容陣列提供該最高有效位電容值時，提供該多個有效位電容值，以及當該第一切換式電容陣列提供該多個有效位電容值時，提供該最高有效位電容值；比較器，用來根據該中間模擬信號而提供比較結果；以及逐次逼近寄存器邏輯，用來根據該比較結果而提供該數字輸出信號。

【技術特征摘要】
2011.06.24 US 61/500,911;2011.07.05 US 61/504,5411.一種逐次逼近寄存器模數轉換器，用于將模擬輸入信號轉換成數字輸出信號，包含: 數模轉換器，具有用來接收該模擬輸入信號的輸入端、用來根據該模擬輸入信號、最高有效位電容值以及小于該最高有效位電容值的多個有效位電容值而提供中間模擬信號的輸出端，以及該數模轉換器包含 第一切換式電容陣列，耦接于該數模轉換器的該輸入端以及該輸出端，用來根據選擇信號選擇性地提供該最高有效位電容值或是該多個有效位電容值，其中該多個有效位電容值的總和等于該最聞有效位電容值；以及 第二切換式電容陣列，耦接于該數模轉換器的該輸入端以及該輸出端，用來當該第一切換式電容陣列提供該最高有效位電容值時，提供該多個有效位電容值，以及當該第一切換式電容陣列提供該多個有效位電容值時，提供該最高有效位電容值； 比較器，用來根據該中間模擬信號而提供比較結果；以及 逐次逼近寄存器邏輯，用來根據該比較結果而提供該數字輸出信號。2.如權利要求I所述的逐次逼近寄存器模數轉換器，其特征在于該第一切換式電容陣列與該第二切換式電容陣列的每一個都包含多個二進制加權電容，以及該逐次逼近寄存器邏輯更提供該選擇信號至該第一切換式電容陣列與該第二切換式電容陣列，以便控制該第一切換式電容陣列與該第二切換式電容陣列交替地或是隨機地提供該最高有效位電容值。3.如權利要求I所述的逐次逼近寄存器模數轉換器，其特征在于該逐次逼近寄存器邏輯更分別提供多個控制信號至該第一切換式電容陣列與該第二切換式電容陣列，其中該多個控制信號包含最高有效位控制信號。4.如權利要求3所述的逐次逼近寄存器模數轉換器，其特征在于該第一切換式電容陣列與該第二切換式電容陣列的每一個都包含多個分支，其中該多個分支的每一個包含 電容，耦接于該數模轉換器的該輸入端以及該輸出端； 開關，耦接于該電容；以及 復用器，用來根據該選擇信號而選擇性地提供該最高有效位控制信號或是其他該多個控制信號中的一個來控制該開關，使得該開關選擇性地提供第一參考信號或是第二參考信號至該電容。5.如權利要求4所述的逐次逼近寄存器模數轉換器，其特征在于該數模轉換器為N位的數模轉換器，以及該多個有效位電容值的數量為N個。6.如權利要求5所述的逐次逼近寄存器模數轉換器，其特征在于該多個控制信號的數量為(N+1)個，以及該多個分支的數量為N個。7.如權利要求5所述的逐次逼近寄存器模數轉換器，其特征在于該電容的每一個都是用來提供該N個有效位電容值的一個別的電容值。8.如權利要求5所述的逐次逼近寄存器模數轉換器，其特征在于該N個有效位電容值的每一個都...

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳孟軒，鐘勇輝，
申請(專利權)人：聯發科技股份有限公司，
類型：發明
國別省市：