專利名稱：模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
在設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)時(shí)高速和高分辨率是非常需要的特性。最新的ADC是12位65MS/s水平的轉(zhuǎn)換器，它的一個(gè)例子就是菲利普的型號(hào)TDA 8767/8。期望獲得14位或是更高的精確度。
一種已知的獲得高速和高分辨率的方法是使用校準(zhǔn)，即存儲(chǔ)非線性信息并且按數(shù)字化方式在線校正ADC。這需要大量數(shù)位和存儲(chǔ)電路，而且當(dāng)產(chǎn)生校準(zhǔn)信號(hào)時(shí)ADC必須是離線的，然而，這是不希望的。
另一種方法是在二或三級(jí)14位ADC中與偏移補(bǔ)償放大器相結(jié)合使用階梯電阻。在精確地實(shí)現(xiàn)階梯電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生問題，并且噪聲水平有可能高于所期望的噪聲水平。
還有一種方法是使用電流DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)的靜態(tài)線性。例如，一種已知的這種實(shí)現(xiàn)包括-采樣保持電路；-粗模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)；-數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)；-組合邏輯電路；和-精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。
這被稱為基本流水線/子范圍結(jié)構(gòu)。然而，將DAC與級(jí)間增益相匹配和與精密ADC的范圍和偏移相匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大問題，而且已知的實(shí)現(xiàn)方法的速度和分辨率會(huì)受到限制。
本發(fā)明目的在于提供具有高速和高分辨率的ADC，而不具有上述已知實(shí)施方法的缺點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明提供一種用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路，該電路包括-采樣保持電路；-粗模數(shù)轉(zhuǎn)換器；-數(shù)模轉(zhuǎn)換器；-組合邏輯電路；-精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器；其特征在于-電壓/電流轉(zhuǎn)換器(R1)；
-用于在電流域進(jìn)行減法運(yùn)算的裝置；-用在虛擬接地點(diǎn)求和的裝置；以及-用于在精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端將電流轉(zhuǎn)換成電壓的裝置。
根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，該減法裝置包括電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及優(yōu)選地包括匹配的單位電流單元(unit current cell)。
優(yōu)選地，精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器另外還包括與該將電流轉(zhuǎn)換成電壓的裝置匹配的電阻和與該數(shù)模轉(zhuǎn)換器電流單元的電流匹配的電流源。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供多個(gè)以級(jí)聯(lián)形式連接的電壓/電流和電流/電壓轉(zhuǎn)換器對(duì)。因此，第二ADC的階梯僅僅近似地確定第二ADC的范圍，并且將驅(qū)動(dòng)另一系列的匹配電流源。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面的優(yōu)選實(shí)施例，提供多個(gè)采樣保持電路。這具有增加電路采樣率的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施，使得能夠減少要匹配的元件數(shù)量，并且將匹配級(jí)別減少到子范圍的精確度。
為了更好地理解本發(fā)明以及為了顯示本發(fā)明是如何被實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在將參考附圖，其中

圖1是已知現(xiàn)有技術(shù)電路的電路圖；圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電路圖；圖3是圖2和3電路的另一個(gè)實(shí)施例的電路圖；即，流水線實(shí)現(xiàn)的電路圖；圖4是一部分的電路圖，即圖2和3電路的V/I轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖5是圖2和3電路的另一部分的電路圖；即圖2和3電路的電流DAC的電路圖。
在圖1中示出了一種基本已知的流水線/子范圍結(jié)構(gòu)電路，如在美國專利5 283 581中所述。它實(shí)質(zhì)上是模擬電壓減法電路，并包括采樣保持電路1，該采樣保持電路的電壓輸出端連接到粗A/D轉(zhuǎn)換器2用于提供較高階位，其輸出端還連接到一個(gè)負(fù)載電阻4(R1)。粗A/D轉(zhuǎn)換器2的輸出端連接到D/A轉(zhuǎn)換器3。負(fù)載電阻4和D/A轉(zhuǎn)換器3有效地充當(dāng)減法電路，用來計(jì)算從采樣保持電路1輸出的模擬電壓和對(duì)應(yīng)于由A/D轉(zhuǎn)換器2計(jì)算的較高階位的電壓值之差。在信號(hào)被傳送到精密A/D轉(zhuǎn)換器6以提供較低階位之前，這些信號(hào)的差在放大器5中被放大。
圖2中示出根據(jù)本發(fā)明的新電路的一個(gè)實(shí)施例。采樣保持電路1將電壓輸入信號(hào)同時(shí)施加到電壓/電流(V/I)轉(zhuǎn)換器7和粗A/D轉(zhuǎn)換器2。V/I轉(zhuǎn)換器7包括負(fù)載電阻R1。然后結(jié)果電流信號(hào)在節(jié)點(diǎn)9相減。進(jìn)行具有虛擬接地的輸入節(jié)點(diǎn)的I/V轉(zhuǎn)換以便減少在求和節(jié)點(diǎn)上的電壓擺動(dòng)是有好處的。使用包括負(fù)載R2的I/V轉(zhuǎn)換器10將由減法操作產(chǎn)生的剩余電流轉(zhuǎn)換回電壓，并將該電壓信號(hào)饋給精密A/D轉(zhuǎn)換器6，如圖所示。I/V轉(zhuǎn)換器10包括電阻R2和運(yùn)算放大器5。放大器5的增益應(yīng)該足夠大以使得I/V轉(zhuǎn)換器10的增益誤差最小。
為了得到轉(zhuǎn)換器的良好性能，即良好的線性，精密A/D轉(zhuǎn)換器6的范圍必須與剩余信號(hào)匹配，而這是由包括D/A轉(zhuǎn)換器步長和放大器增益等因素的結(jié)合所決定的。在根據(jù)本發(fā)明的電路中，在精密A/D轉(zhuǎn)換器6中使用與IV轉(zhuǎn)換器10的負(fù)載R2匹配的負(fù)載電阻R3以及使用與電流D/A轉(zhuǎn)換器3匹配的電流源11，可以相對(duì)容易地獲得精密A/D范圍的匹配。電阻并不要求完全的A/D線性匹配，而且因?yàn)镽2和R3的比率很小，所以可以比如圖1中所示的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案更容易地獲得匹配。此外要匹配的元件數(shù)量實(shí)際上減少了。
在另外的實(shí)施例中，如圖5所示，V/I和I/V部分可以級(jí)聯(lián)，其中第二個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的階梯僅僅近似地確定范圍并驅(qū)動(dòng)另一系列的匹配電流源?？梢栽谛盘?hào)鏈中插入更多的采樣保持功能來增加采樣率。采樣保持電路1將輸入電壓Vin施加到包括兩條支路的第一部分，兩條支路中一條支路包括粗A/D轉(zhuǎn)換器2A和電流D/A轉(zhuǎn)換器3A，而另一條支路包括具有負(fù)載R1A的V/I轉(zhuǎn)換器7A。來自兩條支路的電流在節(jié)點(diǎn)9A相減，并且其結(jié)果施加到包括放大器5A和負(fù)載R2A的I/V轉(zhuǎn)換器10A。I/V轉(zhuǎn)換器10A的電壓輸出施加到第二部分B中具有負(fù)載R1B的V/I轉(zhuǎn)換器7B，并且經(jīng)由跨接放大器輸出端和電流源11A的負(fù)載電阻R而被施加到第二級(jí)粗A/D轉(zhuǎn)換器2B。第二級(jí)粗A/D轉(zhuǎn)換器2B連接到第二級(jí)電流D/A轉(zhuǎn)換器3B，并且電流在第二級(jí)的節(jié)點(diǎn)9B處相減。該結(jié)果信號(hào)被提供到包括放大器5B和負(fù)載R2B的第二級(jí)I/V轉(zhuǎn)換器11B的輸入端。然后將轉(zhuǎn)換器11B的電壓輸出施加到具有負(fù)載R5B和電流源11B的精密A/D轉(zhuǎn)換器6。
在這個(gè)級(jí)聯(lián)形式中，電阻R2A、R3A、R2B和R3B必須形成匹配。此外，電流源11B必須與第一級(jí)的電流D/A轉(zhuǎn)換器3A和第二級(jí)的電流D/A轉(zhuǎn)換器3B匹配。
優(yōu)選地，精密A/D階梯不應(yīng)該被基極電流加載。優(yōu)選的是使用MOST型晶體管，或者可替換的是可以實(shí)施一個(gè)第二個(gè)階梯電路。
這樣的安排提供具有高速和高分辨率的緊湊型A/D轉(zhuǎn)換器。在求和節(jié)點(diǎn)9使用虛擬接地12可以減少對(duì)于D/A轉(zhuǎn)換的要求，并且為V/I轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行操作提供增加的電壓的自由空間(headroom)。
圖3說明如圖2中的轉(zhuǎn)換器7或圖5中的轉(zhuǎn)換器7A和7B的電壓/電流(V/I)轉(zhuǎn)換器的可能實(shí)施方案。輸入電壓施加到兩個(gè)放大器13和14，這兩個(gè)放大器的另一個(gè)輸入端經(jīng)過負(fù)載R1而連接在一起，從而由電流源15向其提供輸入。放大器13和14的輸出被分別施加到場效應(yīng)晶體管(FET)16和17的基極，每個(gè)場效應(yīng)晶體管又提供輸出電流Iout。這種實(shí)現(xiàn)形式是基于由反饋放大器驅(qū)動(dòng)的線性電阻(例如聚乙烯)。放大器的增益是由所需要的線性確定的，而它的帶寬是由穩(wěn)定時(shí)間和穩(wěn)定誤差確定的。第一級(jí)中的放大器對(duì)噪聲的作用最大。優(yōu)選使用MOST以避免基極電流損耗，而FET16和17的輸出電導(dǎo)提供給虛擬接地。
圖4說明如圖1和2中的3和圖5中的3A和3B所說明的數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器的可能實(shí)施。它包括向晶體管20和負(fù)載22供電的源極耦合FET24和25。這提供高精確度的電流源，并且基于在每一級(jí)中將晶體管20和21與電阻負(fù)載22和23相匹配，或者可替換地基于校準(zhǔn)或動(dòng)態(tài)元件的匹配。
權(quán)利要求
1.一種用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路，包括-采樣保持電路(1)，該采樣保持電路(1)連接到-粗模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)，該粗模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)連接到-數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3)，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3)連接到-組合邏輯電路，和；-精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)；-其中該電路的特征在于-電壓/電流轉(zhuǎn)換器(7；R1)，該電壓/電流轉(zhuǎn)換器(7；R1)連接到-該采樣保持電路(1)的輸出端；-并且還連接到用于在電流域中進(jìn)行減法操作的裝置，所述用于進(jìn)行減法操作的裝置的輸入端連接到-該電流轉(zhuǎn)換器和該數(shù)模轉(zhuǎn)換器；-用于在虛擬接地點(diǎn)(9)求和的裝置；和-用于把該減法裝置的輸出電流轉(zhuǎn)換成-在該精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)的輸入端處的電流-電壓(10；R2)的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中減法裝置包括電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的電路，其中電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3)包括匹配的單位電流單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的電路，其中精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)還包括與用于將電流轉(zhuǎn)換成電壓的裝置(R2)相匹配的電阻(R3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電路，其中精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)還包括與流到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3)的電流相匹配的電流源。
6.根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的電路，包括多個(gè)以級(jí)聯(lián)形式連接的電壓/電流(7A；7B)和電流/電壓(10A；10B)轉(zhuǎn)換器對(duì)，這樣的安排，使得第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器的階梯能驅(qū)動(dòng)另一個(gè)系列的匹配電流源。
7.根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的電路，還包括提供多個(gè)采樣保持電路(1)。
8.根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的電路，其中電流/電壓轉(zhuǎn)換器(10)包括虛擬接地輸入節(jié)點(diǎn)(12)。
9.根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的電路，其中電流/電壓轉(zhuǎn)換器(R2)包括電阻和運(yùn)算放大器(5)。
10.根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的電路，包括電壓/電流和電流/電壓部分的級(jí)聯(lián)安排，其中具有匹配的電阻以及與第一級(jí)的電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3A)和第二級(jí)的電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3B)匹配的電流源(11A；11B)。
11.根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的電路，包括MOST型晶體管。
12.根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的電路，其中至少一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3)包括一對(duì)源極耦合FET(24，25)、一個(gè)晶體管(20)和一個(gè)負(fù)載(22)。
全文摘要
本發(fā)明使用基本流水線/子范圍結(jié)構(gòu)來提供用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路，該電路包括采樣保持電路(1)；粗模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)；數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3)；組合邏輯電路；精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)；以及還包括電壓/電流轉(zhuǎn)換器(7；R1)；用于在電流域中進(jìn)行減法操作的裝置，優(yōu)選地包括用于在虛擬接地點(diǎn)(9)求和的裝置；以及用于在精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)的輸入端將電流轉(zhuǎn)換成電壓的裝置(10；R2)。精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)優(yōu)選地還包括與用于將電流轉(zhuǎn)換成電壓的裝置(10；R2)匹配的電阻，以及與流到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3)的電流匹配的電流源。多個(gè)電壓/電流(7A；7B)和電流/電壓(10A；10B)轉(zhuǎn)換器對(duì)可以以級(jí)聯(lián)形式連接，并且提供多個(gè)采樣保持電路(1)。這具有增加電路采樣率的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案使得能夠減少要匹配的元件數(shù)量以及匹配程度，并且向ADC提供高速和高分辨率而沒有已知實(shí)現(xiàn)方案的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)H03M1/14GK1630982SQ02819580
公開日2005年6月22日 申請(qǐng)日期2002年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月3日
發(fā)明者R·L·J·魯維斯, H·范德普洛格, G·胡格扎德 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司