專利名稱：雙殘余流水線型ad轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號的雙殘余(residue)流水線型AD轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器包括級聯(lián)的雙殘余轉(zhuǎn)換器級，所述級的第一級包括用于接收模擬輸入信號的裝置、用于從所述模擬輸入信號得到一個或多個數(shù)字位的裝置以及用于產(chǎn)生第一和第二殘余信號的裝置，所述殘余信號代表在所述第一級的AD轉(zhuǎn)換之后留下的量子誤差，級聯(lián)的雙殘余轉(zhuǎn)換器級中的后面每一級都包括用于接收由級聯(lián)中的前一級產(chǎn)生的第一和第二殘余信號的裝置、用于從所述接收到的第一和第二殘余信號得到一個或多個另外的數(shù)字位的裝置，并且除了級聯(lián)中的最后一級以外的所述以下級中的每一級都包括產(chǎn)生第一和第二殘余信號的裝置，所述第一和第二殘余信號代表在該級的AD轉(zhuǎn)換之后留下的量子誤差。這種雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器可從Mangelsdorf等人在1993年2月24日的1993IEEE國際固態(tài)電路會議上發(fā)表的論文“A Two Residue Architecture forMultistage ADC’s”中獲知。
單殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器包括多個級聯(lián)級，這些級聯(lián)級中的每個級只計(jì)算所想要的總的數(shù)字字的一部分(k個)位。為此，該級包含k位AD轉(zhuǎn)換器，該k位AD轉(zhuǎn)換器將模擬輸入與至少一個參考電壓進(jìn)行比較，并輸出通過這個比較得到的k位數(shù)字信號。接著，推導(dǎo)出殘余信號。這種推導(dǎo)可以認(rèn)為是將AD轉(zhuǎn)換器的k位數(shù)字輸出應(yīng)用于提供這k位信號的模擬表示法的DAC，并產(chǎn)生模擬輸入和這k位信號的模擬表示法之間的差值。這個差值是應(yīng)用于級聯(lián)的下一級以得到數(shù)字詞的下一位(下面多個位)的量子誤差或殘余數(shù)。這種單殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器的主要缺陷是在施加于級聯(lián)的下一級之前，殘余信號必須被放大一定倍數(shù)，這個倍數(shù)非常接近于2k。這不僅是為了最佳地使用下一級的動態(tài)范圍，而且更重要的是為了能夠?qū)⒌玫降膮⒖茧妷河糜诩壜?lián)的所有級中的殘余信號的數(shù)字化。
當(dāng)不僅放大殘余數(shù)而且以相同放大倍數(shù)放大參考電平時，可以解決這個問題，例如參見美國專利5739781。結(jié)果是增益因子的數(shù)值不再是關(guān)鍵的因素，因?yàn)楝F(xiàn)在級間放大的任務(wù)只是使殘余信號適應(yīng)于該流水線中的下一級的動態(tài)范圍。與殘余信號同時地放大參考電平的等效方式是處理和放大兩個殘余信號。這些殘余信號之一代表模擬輸入信號和該輸入信號以下的最接近的參考電平之間的距離，而另一殘余信號代表模擬輸入信號和該輸入信號之上的最接近參考電平之間的距離。這種AD轉(zhuǎn)換器公知為“雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器”。
現(xiàn)有技術(shù)的雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器通常和電阻分壓器一起工作。本發(fā)明提供一種雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器，其具有現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)并以減少的功率工作，因此根據(jù)本發(fā)明的雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器的特征在于除了最后一級以外，雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器的每一級都包括用于產(chǎn)生第一和第二殘余信號的開關(guān)電容器裝置。
可以看到，在單殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器中使用開關(guān)電容器這一技術(shù)本身在本領(lǐng)域是公知的。在這些現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)換器中，為了沒有線性的問題，級間增益應(yīng)該理想地精確等于2。在這些轉(zhuǎn)換器中，級間增益由不同電容器的電容器比來確定，因此取決于用作這些級中的放大元件的運(yùn)算放大器的寄生電容。在實(shí)踐中，以各種方式來著手解決不夠準(zhǔn)確的級間放大倍數(shù)的問題。一種方式是校準(zhǔn)誤差并且使用校準(zhǔn)結(jié)果來彌補(bǔ)誤差的作用。例如在“IEEE Journal of Solid StateCircuits，Vol.33，No12，1998年12月，第1898-1903頁”中，建議通過在初始供電(power up)周期期間進(jìn)行校準(zhǔn)來校準(zhǔn)由于有限的運(yùn)放-增益引起的電容器失配和誤差，然后在與模擬流水線同步工作的雙數(shù)字流水線中完成校正。在“IEEE Journal of Solid State Circuits，Vol.33，No12，1998年12月，第1920-1931頁”中，流水線級依次用預(yù)校正的額外級來代替，然后被校正并且被放回到它們的原始位置。在“2001 International Solid State Circuits Conference/Session 8，Digest ofTechnical Papers，pp.136-137，439-440”中，使各個級的電容器改變位置以便通過求平均來使誤差最小。在“IEEE Journal of Solid StateCircuits，Vol.36，No12，2001年12月，第1931-1936頁”中，建議使用更復(fù)雜的技術(shù)，如雙poly來增加部件的精度。顯然，這后一種方案使轉(zhuǎn)換器更昂貴，并且當(dāng)轉(zhuǎn)換器應(yīng)該作為通常用標(biāo)準(zhǔn)工藝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模集成電路的一部分時尤其不合適。
在根據(jù)本發(fā)明的流水線型AD轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換器的線性不再由輸入和輸出電容器的比率，即不同電容器的比率來確定，而只是由一級內(nèi)的增益系數(shù)的匹配，即由該級內(nèi)的相似電容器的匹配來確定。這個要求通常在單片集成電路技術(shù)中很容易滿足，而不需要校準(zhǔn)或者使用更昂貴的IC工藝技術(shù)。
在開關(guān)電容器結(jié)構(gòu)中，在第一時鐘相位期間，一個或多個電容器可以連接到輸入端，隨后，這些電容器在第二時鐘相位期間可以被切換到輸出端。在根據(jù)本發(fā)明的雙殘余發(fā)生器中，殘余信號的增益精確地等于2不再是關(guān)鍵問題，而重要的是兩個殘余信號的增益彼此相等。為了便于這種彼此增益相等，根據(jù)本發(fā)明的AD轉(zhuǎn)換器的特征還在于除了最后一級以外，所述以下級中的每一級包括用于在采樣階段期間接收由前一級產(chǎn)生的第一和第二殘余信號的輸入電容器、用于在跟蹤階段(tracking phase)期間將所述輸入電容器的電荷傳輸給第一和第二輸出電容器的開關(guān)裝置、以及用于分別從所述第一和第二輸出電容器產(chǎn)生第一和第二殘余信號的裝置。
本發(fā)明的流水線型AD轉(zhuǎn)換器的特征還在于所述開關(guān)裝置被設(shè)置成在第一子范圍模式下以大約2的增益因子將電荷從所述第一接收到的殘余信號傳輸?shù)剿龅谝惠敵鲭娙萜髑曳謩e以大約1的增益因子將電荷從所述第一和第二接收到的殘余信號傳輸?shù)剿龅诙敵鲭娙萜?，并且在第二子范圍模式下以大約2的增益因子將電荷從所述第二接收到的殘余信號傳輸?shù)剿龅诙敵鲭娙萜髑曳謩e以大約1的增益因子將電荷從所述第一和第二接收到的殘余信號傳輸?shù)剿龅谝惠敵鲭娙萜?。利用這種設(shè)置，提供了一種簡單且可靠的電路，用于從這兩個輸入殘余信號來組合成這兩個輸出殘余信號中的每一個殘余信號。
如前面所述，級聯(lián)中的每一級包括用于得到一個或多個位的比較器裝置，所述一個或多個位用于構(gòu)成AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出字。比較器的判定點(diǎn)是非常關(guān)鍵的，尤其是在級聯(lián)的較前面的級當(dāng)中和/或在AD轉(zhuǎn)換器必須產(chǎn)生例如12位或以上的高精度數(shù)字輸出信號時。這種判定點(diǎn)容易被諸如比較器中的偏差等缺陷破壞。為了防止比較器輸出的這種破壞，已經(jīng)有人提出使用所謂的1，5位轉(zhuǎn)換器級，其中關(guān)鍵的判定點(diǎn)被原始的子范圍之間且部分地與原始的子范圍重疊的第三子范圍有效地代替。本發(fā)明的另一目的是提供一種這種1，5位轉(zhuǎn)換器級的開關(guān)電容器的實(shí)施方式，因此根據(jù)本發(fā)明的AD轉(zhuǎn)換器的特征還在于所述開關(guān)裝置被附加地設(shè)置成在第三子范圍模式下，分別以大約3/2和1/2的增益因子將電荷從所述第一和第二接收到的殘余信號傳輸?shù)剿龅谝惠敵鲭娙萜?，并且分別以大約1/2和3/2的增益因子將電荷從所述第一和第二接收到的殘余信號傳輸?shù)剿龅诙敵鲭娙萜?，其中所述第三子范圍模式對稱地位于所述第一和第二子范圍模式之間。
本發(fā)明的另一方面是，為了產(chǎn)生每個殘余信號，提供一個運(yùn)算放大器，并且在跟蹤階段期間將每個輸出電容器連接在所述運(yùn)算放大器的輸出端和反相輸入端之間。利用這種設(shè)置，可以制成高速AD轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗衅鏀?shù)級的采樣階段可以與所有偶數(shù)級的跟蹤階段同時發(fā)生。運(yùn)算放大器輸送的能量不僅用于將電荷從一級的輸入電容器傳輸?shù)捷敵鲭娙萜?，而且還用于同時對下一級的輸入電容器進(jìn)行充電。通常，在流水線型AD轉(zhuǎn)換器中使用運(yùn)算放大器的缺點(diǎn)是，運(yùn)算放大器完全解決并且完成從輸入電容器到輸出電容器的電荷傳輸需要相對長的時間段。這限制了轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。然而，在根據(jù)本發(fā)明的雙殘余開關(guān)電容器中，轉(zhuǎn)換器級不需要達(dá)到它們的全增益，因此輸出電容器不需要被完全充電，只要對于這兩個殘余信號的輸出電容器來說不完全充電情況相似即可。這為增加轉(zhuǎn)換速度提供了可能性，同時不存在使轉(zhuǎn)換線性損失大的風(fēng)險。
使用用于在輸入和輸出電容器之間傳輸電荷的運(yùn)算放大器的缺點(diǎn)是通常在運(yùn)算放大器中發(fā)生的DC偏置，尤其是由于在實(shí)踐中不可能使各個運(yùn)算放大器輸入端的DC偏置彼此相等。本發(fā)明的再一目的是補(bǔ)償運(yùn)算放大器的偏置電壓，因此根據(jù)本發(fā)明的AD轉(zhuǎn)換器的特征在于每個輸入電容器的一側(cè)在采樣階段和跟蹤階段過程中都連接到所述反相輸入端，并且在采樣階段過程中每個輸出電容器被運(yùn)算放大器的反相輸入端的偏置電壓充電。
根據(jù)本發(fā)明的雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器的特征還在于開關(guān)電容器裝置被設(shè)置成接收平衡的第一和第二殘余信號并由此產(chǎn)生用于施加到級聯(lián)中的下一級的平衡的第一和第二殘余信號。平衡的雙殘余轉(zhuǎn)換器級需要平衡的運(yùn)算放大器以及是非平衡形式的兩倍的電容器和開關(guān)。但是，其允許兩倍大的輸入信號擺幅，并且其操作受基板干擾甚至是諧波失真的影響的程度較小。
下面將參照附圖介紹本發(fā)明。其中

圖1是非平衡雙殘余流水線轉(zhuǎn)換器的方框圖2是在如圖1所示的轉(zhuǎn)換器的第一級中使用的雙殘余發(fā)生器的圖1的流水線型AD轉(zhuǎn)換器包括級聯(lián)的轉(zhuǎn)換器級S1......SN，它們中的每一級產(chǎn)生數(shù)字輸出字中的一位(k＝1)。第一級S1產(chǎn)生最高有效位D1，第二級S2產(chǎn)生第二高有效位D2，等等，而最后一級SN產(chǎn)生最低有效位DN。
級S1接收模擬輸入信號I以及代表輸入信號可能在其間變化的極值的電壓R1和R2。相等電阻器V1和W1的分壓器得到這些極值的平均電壓Z(Z＝(R1+R2)/2)，并且這個電壓Z作為參考電壓也被傳輸?shù)较旅娴募?。級S1還包括比較器G1，在該比較器中將輸入信號I與參考電壓Z進(jìn)行比較，并且該比較器產(chǎn)生位D1。當(dāng)輸入信號I在Z之上，即在R1和R2之間的電壓范圍的上半部中時，這個位是1，而當(dāng)輸入信號在Z以下，即在這個電壓范圍的下半部中時，這個位D1為0。最后，級S1包含殘余發(fā)生器H1，其接收輸入信號I、位D1和參考電壓R1、R2、Z，并且產(chǎn)生兩個殘余信號A1和B1。下面將參照圖2解釋這個殘余發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和操作。
這兩個殘余信號A1和B1被施加到第二級S2。相等電阻器V2和W2的分壓器得到這兩個殘余信號的平均值(A1+B1)/2，并且在比較器G2中將這個平均值與參考電壓Z相比較。這個比較器產(chǎn)生第二位D2，當(dāng)殘余信號的平均值(A1+B1)/2在參考電壓Z之下時，第二位D2為0，而當(dāng)這個平均值在參考電壓Z之上時，位D2是1。殘余發(fā)生器H2接收這兩個殘余信號A1和B1以及Z參考電壓，并且產(chǎn)生下一殘余信號A2和B2。下面參照圖3來說明殘余發(fā)生器H2的結(jié)構(gòu)和操作。
除了最后一級以外的其它級S3......SN-1在結(jié)構(gòu)和操作上與級S2相同，并且所述其它級中的每一級都產(chǎn)生數(shù)字輸出字中的另外一位和用于下一級的殘余信號。
圖2的雙殘余發(fā)生器包括運(yùn)算放大器J1，該運(yùn)算放大器具有反饋地設(shè)置在運(yùn)算放大器的輸出端和反相輸入端之間的輸出電容器C1’，以及連接到其非反相輸入端的參考電壓Z。輸入電容器C1通過開關(guān)接收輸入電壓I和參考電壓R1和Z。這些開關(guān)沒有參考標(biāo)記，而是用它們的開關(guān)階段來表示。用表示的開關(guān)在時鐘周期的采樣階段閉合，并在時鐘周期的跟蹤階段打開。用表示的開關(guān)在跟蹤階段閉合，并在采樣階段打開。用D1表示的開關(guān)在跟蹤階段并只在位D1為“0”時閉合，而用D1表示的開關(guān)在跟蹤階段并只在位D1為“1”時閉合。因此，從圖1可以看出，在采樣階段期間，輸入電容器C1被加載到電壓I-Z，并且輸出電容器C1’在這個階段被清空。在跟蹤階段并且如果位D1為“0”，則輸入電容器的左手板連接到電壓R1，而這個電容器的右手板連接到運(yùn)算放大器J1的反相輸入端。這個反相輸入端通過這個放大器的反饋操作而保持在電壓Z。因而，在采樣階段結(jié)束時為(I-Z)·C的輸入電容器的電荷在跟蹤階段變?yōu)?R1-Z)C。差值(I-R1)·C被傳輸給輸出電容，使得這個電容器兩端的電壓變?yōu)?I-R1)·C/C’，并且運(yùn)算放大器J1的A1輸出端上的電壓變?yōu)锳1＝Z+(I-R1)·C/C’。這里，C是輸入電容器C1和其它輸入電容器的電容。C’是輸出電容器C1’和其它輸出電容器的電容。如果位D1是“1”，采用類似的操作，除了在跟蹤階段期間，代替電壓R1而將電壓Z施加到輸入電容器C1的左側(cè)板。結(jié)果是現(xiàn)在殘余信號A1變?yōu)锳1＝Z+(I-Z)·C/C’。
雙殘余發(fā)生器H1還包括具有第二運(yùn)算放大器J2、第二輸出電容器C2’、和第二輸入電容器C2的第二分支，用于產(chǎn)生殘余信號B1。該第二分支與第一分支相同，除了以下不同之處代替電壓R1和Z，現(xiàn)在在跟蹤階段并在位D1分別為“0”和“1”時，將電壓Z和R2施加到輸入電容器C2。結(jié)果是，對于第二殘余信號B1來說，保持以下關(guān)系式如果D1＝0，則B1＝Z+(I-Z)·C/C’；如果D1＝1，則B1＝Z+(I-R2)·C/C’。
利用上述給定的四個關(guān)系式，在圖4a和4b的箭頭圖中示出了輸入信號I和兩個殘余信號A1和B1。這些圖示出，對于在其范圍R1＜I＜Z的下半部中的輸入信號值和在其范圍Z＜I＜R2的上半部中的輸入信號值，這兩個殘余信號相同。這對于流水線型轉(zhuǎn)換器級是必需的。
圖1的流水線型轉(zhuǎn)換器的第二級S2中的殘余發(fā)生器H2必須從第一級產(chǎn)生的信號A1和B1計(jì)算兩個殘余信號A2和B2。圖3所示的這個發(fā)生器具有兩個分支，每個分支具有運(yùn)算放大器J3、J4、在反饋設(shè)置中的輸出電容器C3’、C4’、輸入電容器C3-C4、C5-C6以及附帶的開關(guān)。與圖2的分支不同，圖3的兩個分支各具有兩個輸入電容器。用于產(chǎn)生第一殘余信號A2的分支具有兩個輸入電容器C3和C4，用于產(chǎn)生殘余信號B2的分支具有輸入電容器C5和C6。輸入電容器C3在采樣階段接收第一級的殘余信號A1。如果位D2為“0”，則輸入電容器C4在采樣階段接收殘余信號A1，如果位D2為“1”，則在采樣階段接收第二殘余信號B1。在跟蹤階段并在位D2為“0”時，兩個輸入電容器C3和C4各將電荷(A1-Z)·C傳輸?shù)捷敵鲭娙萜鰿3’，結(jié)果輸出殘余信號A2＝Z+2·(A1-Z)·C/C’。另一方面，當(dāng)位D2為“1”時，輸入電容器C3在跟蹤階段將電荷(A1-Z)·C傳輸?shù)捷敵鲭娙萜鰿3’，并且輸入電容器C4將電荷(B1-Z)·C傳輸給這個輸出電容器C3，結(jié)果輸出殘余A2＝Z+(A1-Z)·C/C’+(B1-Z)·C/C’。
圖3的雙殘余發(fā)生器的第二分支用于產(chǎn)生殘余B2。這個分支包含運(yùn)算放大器J4，其具有反饋設(shè)置的輸出電容器C4’、輸入電容器C5和C6以及附帶的開關(guān)。該分支與A2-分支相同，除了現(xiàn)在輸入電容器C5在采樣模式期間接收殘余信號B1而不是接收殘余信號A1以外。結(jié)果是，當(dāng)位D2為“0”時，輸出殘余B2＝Z+(A1-Z)·C/C’+(B1-Z)·C/C’，并且當(dāng)位D2為“1”時，這個輸出殘余B2＝Z+2·(B1-Z)·C/C’。
利用用于殘余A2和B2的四個等式，可以繪制出這些殘余隨著輸入信號增加而變化的箭頭。這在圖4c中示出。還可以看出，當(dāng)D2＝1時對于輸入殘余A1和B1的上部產(chǎn)生的兩個殘余信號A2和B2中的每一個各與D2＝0時對于輸入殘余的下部產(chǎn)生的同一信號相同。
轉(zhuǎn)換器級S3......SN-1的雙殘余發(fā)生器H3...HN-1都與上述雙殘余發(fā)生器H2相同。當(dāng)然，只有輸入殘余參考和輸出殘余參考信號必須相應(yīng)地增加。
從圖4b和4c的圖示中明顯看出，雙殘余信號A2和B2相對于雙殘余信號A1和B1被放大2倍。這樣做是為了最佳地使用轉(zhuǎn)換器級的動態(tài)范圍。通過以下行為來實(shí)現(xiàn)放大在圖3的雙殘余發(fā)生器中，將兩個輸入電容器的電荷傳輸?shù)絾蝹€輸出電容器。由此假設(shè)每個輸出電容器的電容值C’大約等于每個輸入電容器的值C。注意到第一級S1的雙殘余發(fā)生器的增益(大約)為1，因?yàn)檫@里兩個輸出殘余信號必須使用單個輸入信號的動態(tài)范圍。
實(shí)際上，不可能使輸入和輸出電容器的電容值精確地彼此相等。這是因?yàn)檫\(yùn)算放大器和開關(guān)的寄生電容對輸入電容值C和輸出電容值C’具有不同的影響。因此，在上述給定等式中出現(xiàn)的“放大因子”C/C’實(shí)際上不具有精確所希望的值。與單個殘余轉(zhuǎn)換器相比，雙殘余轉(zhuǎn)換器對放大因子的這些不準(zhǔn)確性不靈敏，因?yàn)橛杀容^器G1......GN所做的決定不受不準(zhǔn)確的放大因子C/C’的影響。這可以用圖4b的箭頭圖來例示。用于產(chǎn)生第二位D2的決定標(biāo)準(zhǔn)在于(A1+B1)/2＝Z。換言之在這個點(diǎn)的一側(cè)，位D2＝0，而在另一側(cè)，這個位D2＝1。當(dāng)比例C/C’增加或減小時，則圖4b中的箭頭A1和B1的斜率增加或減小。而且，恰好在箭頭A1和B1之間的虛箭頭(A1+B1)/2的斜率增加或減小，但是這個箭頭與值Z的交點(diǎn)保持不變，因而由比較器G2做出的決定保持正確。轉(zhuǎn)換器級的比例C/C’的值可以不準(zhǔn)確，甚至一個級的比例C/C’可以不同于級聯(lián)中的其他級的比例C/C’。重要的是一個級中的輸入電容的值C充分地彼此相等，而且一個級中的輸出電容的值C’充分地彼此相等。這在單片集成工藝中不是個大問題，因?yàn)樵诩呻娐芳夹g(shù)中，可以容易地為具有相應(yīng)功能的元件提供具有基本上相等的值的相應(yīng)結(jié)構(gòu)。
圖5的平衡的雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器包括N個級聯(lián)的級T1......TN，這些級中的第一級接收平衡輸入信號I+、I-，并且其包含用于產(chǎn)生兩個平衡殘余信號A1+、A1-和B1+、B1-的雙殘余信號發(fā)生器M1。這兩個平衡殘余信號施加于第二級T2，該第二級T2包括用于產(chǎn)生兩個平衡殘余信號A2+、A2-和B2+、B2-的雙殘余信號發(fā)生器M2等。每個級T1......TN具有用于得到一個數(shù)字位D1...DN的比較器K1...KN。在平衡轉(zhuǎn)換器中，可以通過將接收到的信號彼此進(jìn)行比較而簡單地獲得這些位，使得可以省去圖1的分壓器V2、W2、...VN、WN。比較器K1將輸入信號I+和I-彼此進(jìn)行比較，并產(chǎn)生第一位D1，當(dāng)I+＜I-時第一位D1為“0”，而當(dāng)I+＞I-時第一位D1為“1”。比較器K2將殘余信號A1+和B1-彼此進(jìn)行比較，并產(chǎn)生第二位D2，當(dāng)A1+＜B1-時第二位D2為“0”，而當(dāng)A1+＞B1-時第二位D2為“1”，等等。只有第一級T1含有用于得到參考電平Z的相等電阻器L1和L2的分壓器，在所有的級T1...TN-1中都使用該參考電平Z。當(dāng)在轉(zhuǎn)換器級S2中，殘余信號A1+、A1-和B1+、B1-具有不同的共模偏置ΔA≠ΔB時，位D2的決定點(diǎn)處于A1++ΔA＝B1-+ΔB，即，在于A1+-B1-＝ΔB-ΔA≠0?？梢酝ㄟ^向比較器K2施加四個殘余信號A1+、A1-、B1+和B1-并且使位D2的決定點(diǎn)處于A1+-A1-＝B1--B1+來避免這個誤差。于是A1+和A1-中的共模偏置彼此抵消，而且B1+和B1-中的偏置也是一樣。在其他比較器K3...KN的任何一個中當(dāng)然也可以采取相應(yīng)的措施。
圖6示出了圖5的AD轉(zhuǎn)換器的第一平衡殘余發(fā)生器M1的內(nèi)容。該發(fā)生器包含兩個分支，一個分支用于產(chǎn)生平衡殘余信號A1+和A1-，另一個分支用于產(chǎn)生平衡殘余信號B1+和B1-。第一分支包括平衡的運(yùn)算放大器J5，其具有用于A1+殘余信號的一個輸出端、用于A1-殘余信號的一個輸出端以及兩個輸入端。兩個輸出電容器C5’和C6’反饋設(shè)置地連接在運(yùn)算放大器的每個輸出端與各自的反相輸入端之間。輸入電容器C7和C8被設(shè)置成用于在跟蹤階段期間耦合到運(yùn)算放大器的所述輸入端。存在一些開關(guān)，用于在時鐘脈沖周期的采樣階段分別用施加的輸入信號I+和I-對輸入電容器C7和C8充電，并且在跟蹤階段將電荷分別傳輸?shù)捷敵鲭娙萜鰿5’和C6’。在圖6中，開關(guān)沒有參考標(biāo)記，但是它們具有關(guān)于它們的打開和閉合階段的指示，正如在圖2和3中所做的一樣。
具有平衡的運(yùn)算放大器J6、輸出電容器C7’和C8’、輸入電容器C9和C10以及相關(guān)開關(guān)的圖6的發(fā)生器的第二分支在結(jié)構(gòu)上與第一分支相同，但是用不同的輸入電壓來進(jìn)行操作。圖6的平衡雙殘余發(fā)生器根據(jù)以下等式產(chǎn)生兩個平衡殘余信號A1+、A1-和B1+、B1-
如果D1＝0(I+＜I-)，則A1+＝Z+(I+-R1)·C/C’，A1-＝Z+(I--R2)·C/C’，B1+＝Z+(I+-Z)·C/C’，B1-＝Z+(I--Z)·C/C’；如果D1＝1(I+＞I-)，則A1+＝Z+(I+-Z)·C/C’，A1-＝Z+(I--Z)·C/C’，B1+＝Z+(I+-R2)·C/C’，B1-＝Z+(I--R1)·C/C’。
圖7示出圖5的轉(zhuǎn)換器的平衡雙殘余發(fā)生器M2的示例性示意圖。兩個平衡運(yùn)算放大器J7和J8以及反饋設(shè)置地連接到這兩個運(yùn)算放大器的四個輸出電容器C9’、C10’、C11’和C12’具有與參照圖6所述的類似的操作。該設(shè)置包括八個輸入電容器2C11、C12、2C13、C14、2C15、C16、2C17和C18。電容器C12、C14、C16和C18理想地具有相等的值C，并且電容器2C11、2C13、2C15、2C17理想地具有雙倍的值2C。在時鐘周期的采樣階段輸入電容器的充電以及在時鐘周期的跟蹤階段從輸入電容器到輸出電容器的電荷傳輸是通過開關(guān)來執(zhí)行的，這些開關(guān)的打開和閉合階段的表示方式與圖2、3和6中的表示方式相同。
在操作中在采樣階段，輸出電容器C9’被清空，而輸入電容器2C11載有電荷(A1+-Z)·2C。在跟蹤階段且當(dāng)位D2＝0時，這個電荷被傳輸?shù)捷敵鲭娙萜鰿9’，從而這個電容器兩端的電壓將等于(A1+-Z)·2C/C’，并且輸出信號A2+將等于A2+＝Z+(A1+-Z)·2C/C’。當(dāng)D2＝1時，輸入電容器2C11的電荷保持不被使用。在采樣階段，輸入電容器C12充有(A1+-Z)·C。在跟蹤階段且當(dāng)D2＝0時，這個電荷通過由箭頭1表示的連接而被傳輸?shù)捷敵鲭娙萜鰿11’，并且當(dāng)D2＝1時，這個電荷被傳輸?shù)捷敵鲭娙萜鰿9’。同時，當(dāng)D2＝1時，輸出電容器C9’通過由箭頭3表示的連接接收來自輸入電容器C16的電荷(B1+-Z)·C。結(jié)果是，當(dāng)D2＝1時，輸出殘余A2+＝Z+(A1+-Z)·C/C’+(B1+-Z)·C/C’。圖7的殘余發(fā)生器的其它元件以相似的方式工作，從而這個發(fā)生器的總結(jié)果可以用以下等式表示
D2=0,A2+=Z+(A1+-Z)2CC′,A2-=Z+(A1--Z)2CC′,]]>B2+=Z+(B1+-Z)CC′+(A1+-Z)CC′,B2-=Z+(B1-Z)CC′+(Z1--Z)CC′;]]>D2=1,A2+=Z+(A1+-Z)CC′+(B1+-Z)CC′,A2-=Z+(A1--Z)CC′]]>+(B1--Z)CC′,B2+=Z+(B1+-Z)2CC′,B2-=Z+(B1--Z)2CC′.]]>第二級的輸入殘余信號和輸出殘余信號之間的這些關(guān)系式用圖4e和4f的箭頭圖示出?？梢钥闯鯠2＝1時產(chǎn)生的殘余信號與D2＝0時產(chǎn)生的殘余信號相同。這個特性在其它轉(zhuǎn)換器級中也會再次出現(xiàn)。還注意到確定位D3將改變其值的信號電平的A2+箭頭和B2-箭頭的交叉點(diǎn)精確地位于范圍D2＝0和D2＝1的中間，并且當(dāng)殘余信號A2+和B2-的斜率變化時這個交叉點(diǎn)也保持在原位。這意味著位的產(chǎn)生與級的增益無關(guān)，即與級的輸入電容和輸出電容的比例無關(guān)。另一方面，這兩個箭頭的斜率必須盡可能地彼此相等，這意味著該級的輸入電容必須盡可能地彼此相等，并且對該級的輸出電容的要求也一樣。
在圖3的殘余發(fā)生器中，位D2控制在采樣階段閉合的開關(guān)(D2、D2)。這意味著比較器G2的決定必須在級G2的采樣階段之前做出，即該級必須具有三個時鐘階段比較階段、采樣階段和跟蹤階段。相比較而言，在以更多的輸入電容為代價的情況下，圖7的設(shè)置只具有在跟蹤階段閉合的受D2控制的開關(guān)(D2、D2)。這意味著比較器決定可以在采樣階段做出，結(jié)果是具有更高轉(zhuǎn)換率的AD轉(zhuǎn)換器。
圖8的設(shè)置包括平衡運(yùn)算放大器J9和J10，它們分別用于產(chǎn)生第一和第二殘余輸出信號A2+、A2-、B2+、B2-。提供四個輸出電容器C13’、C14’、C15’和C16’，每個輸出電容器通過在跟蹤階段閉合的開關(guān)而反饋設(shè)置地連接在放大器輸出端和相應(yīng)的反相放大器輸入端之間。提供其它開關(guān)，它們直接將每個放大器輸出端連接到相應(yīng)的反相放大器輸入端，并且在采樣階段將輸出電容器放電到參考電壓Z。
運(yùn)算放大器J9和J10的每個輸入端連接到三個輸入電容器的一側(cè)，這三個輸入電容器的另一側(cè)在采樣階段接收輸入殘余信號。例如，放大器J9的上輸入端連接到在采樣階段接收輸入殘余信號A1+的第一輸入電容器2C19、連接到在這個階段也接收輸入殘余信號A1+的第二輸入電容器C20、還連接到在這個階段接收輸入殘余信號B1+的第三輸入電容器C21。輸入電容器的所述另一側(cè)在跟蹤階段接收參考電壓Z，其中電容器2C19是當(dāng)位D2＝0時接收，而電容器C20和C21是在D2＝1時接收。以相似的方式，三個輸入電容器2C22、C23和C24被設(shè)置成連接到J9的下輸入端，三個輸入電容器2C25、C26和C27連接到放大器J10的上端，而三個輸入電容器2C28、C29和C30連接到J10的下輸入端。電容器2C19、2C22、2C25和2C28的標(biāo)記表示這些電容器相對于具有值C的其他輸入電容器具有雙倍的電容值2C。
在圖8中，在放大器J9的上輸入端出現(xiàn)的DC偏置由具有值ΔV的偏置源表示。盡管這個偏置示于運(yùn)算放大器的外面，但是顯然該偏置是運(yùn)算放大器固有的，因此偏置電壓源的左手端是放大器的實(shí)際輸入端。
當(dāng)將圖8的設(shè)置與圖7的設(shè)置進(jìn)行比較時，可以看出在采樣階段，輸入電容器的右手側(cè)不連接到參考電壓Z(圖7中的情況是連接到參考電壓Z)而是連接到運(yùn)算放大器的輸入端的虛擬參考電壓。由于在這一端上的偏置ΔV，這個虛擬參考電壓具有值Z+ΔV。而且，輸出電容器C13’在采樣階段不被完全放電，而是連接在一側(cè)的虛擬參考電壓Z+ΔV與另一側(cè)的參考電壓之間，從而輸出電容器被偏置電壓-ΔV來“裝載”。
在工作中，在采樣階段，輸入電容器2C19連接在輸入殘余信號A1+和虛擬參考電壓Z+ΔV之間，使得這個電容器的電荷為{A1+-(Z+ΔV)}·2C。在跟蹤階段且當(dāng)D2＝0時，這個電容器連接在Z和Z+ΔV之間，使得其電荷為{Z-(Z+ΔV)}·2C。在跟蹤階段，其間的差值，即電荷(A1+-Z)·2C被傳輸?shù)捷敵鲭娙萜鰿13’。在采樣階段裝載了電荷-ΔV·C’的這個輸出電容器從輸入電容器接收電荷(A1+-Z)·2C，使得得到的電荷為(A1+-Z)·2C-ΔV·C’。這個電荷導(dǎo)致在輸出電容器C’的兩端產(chǎn)生電壓(A1+-Z)·2C/C’-ΔV，并且由于C13’的左手側(cè)保持連接到虛擬參考電壓Z+ΔV，因此在這個電容器的右手側(cè)的輸出電壓A2+等于A2+＝Z+(A1+-Z)·2C/C’。在輸出信號中完全消去了偏置電壓ΔV，并且這個輸出殘余信號的表達(dá)式與圖7的設(shè)置中的相同。實(shí)現(xiàn)這個結(jié)果是因?yàn)樵趫D8的設(shè)置中，在采樣階段和跟蹤階段，輸入電容都連接到運(yùn)算放大器的偏置干擾輸入端，使得從輸入電容器傳輸?shù)捷敵鲭娙萜鞯碾姾蓻]有偏置。而且，在采樣階段，通過偏置電壓給輸出電容器充電，使得通過輸出電容器施加于輸出端的偏置被這個電容器兩端的偏置抵消。
可以注意到在圖8中，只示出了運(yùn)算放大器J9的上輸入端的偏置電壓。同樣，其他運(yùn)算放大器輸入端也具有偏置，這些偏置的值通常彼此不同。這些偏置中的每一個在與如上面參照電容器2C19和C13’所述的相似的開關(guān)輸入和輸出電容器的設(shè)置中被抵消。還觀察到在圖7的設(shè)置中，輸入電容器C12、C14、C16和C18中的每一個用于產(chǎn)生兩個殘余輸出信號。例如，輸入電容器C12用于產(chǎn)生輸出殘余A2+和B2+。在圖8的設(shè)置中，輸入電容器的相似的雙重使用將導(dǎo)致一個運(yùn)算放大器輸入端的偏置必須抵消另一個運(yùn)算放大器輸入端的偏置。由于這些偏置通常不相等，因此輸入電容器的這種雙重使用不能應(yīng)用在圖8的設(shè)置中。
圖9示出用在所謂的1，5位轉(zhuǎn)換器級中的平衡殘余發(fā)生器。用于1，5位流水線結(jié)構(gòu)的殘余發(fā)生器本身從以下文章中已知“A 10b，20Msample/s，35mW Pipeline A/D Converter”，來自T.B.Cho和P.R Gray等人在IEEE Journal of Solid State Circuits，第30卷，第3號，1995年3月，第166-172頁。假設(shè)圖9的殘余發(fā)生器與提供兩位D和E的比較器一起工作，所述位D和E在第一輸入范圍內(nèi)為0、0，在第二輸入范圍為1、0，而在對稱地位于第一和第二輸入范圍之間的第三輸入范圍內(nèi)時為0、1。圖9的發(fā)生器包括用于平衡殘余信號A2+、A2-的輸出電路，其具有運(yùn)算放大器J11和兩個輸出電容器2C17’和2C18’，該輸出電路在操作上與圖7的設(shè)置的輸出電路相同。該設(shè)置具有用于儲存輸入殘余信號A1+的三個輸入電容器4C31、3C32和2C33、用于儲存輸入殘余信號B1+的兩個輸入電容器C34和2C35、用于儲存輸入殘余信號A1-的三個輸入電容器4C36、3C37和2C38、和用于儲存輸入殘余信號B1-的兩個輸入電容器C39和2C40。如在圖7中那樣，這些標(biāo)記的首位數(shù)字表示這些電容器的電容值。4C31和4C36的電容等于4C，3C32和3C37的值等于3C，2C33、2C35、2C38和2C40的值為2C，C34和C39的值等于C。在采樣模式期間閉合且在跟蹤模式期間打開的用表示的開關(guān)用于用信號A1+-Z、B1+-Z、A1--Z和B1--Z給輸入電容器充電，并且在采樣模式期間對輸出電容器放電。在采樣模式期間打開且可以在跟蹤模式期間閉合的用表示的開關(guān)用于在跟蹤模式期間將輸入電容器的電荷傳輸?shù)捷敵鲭娙萜鳌?br> 用于將電荷從輸入電容器傳輸?shù)捷敵鲭娙萜鞯拈_關(guān)具有表示這些開關(guān)在跟蹤階段閉合的范圍模式的標(biāo)記D、E、D和E。具有標(biāo)記DE的開關(guān)在跟蹤階段且當(dāng)D＝0和E＝0時閉合，在這種情況下發(fā)生分別從輸入電容器4C31和4C36到輸出電容器2C17’和2C18’的電荷傳輸。同樣地，用E表示的開關(guān)3C32、C34、3C37和C39在跟蹤階段且E＝1時閉合，而用DE表示的開關(guān)2C33、2C35、2C38和2C40在跟蹤階段且D＝1和E＝0時閉合。
雖然殘余發(fā)生器的用于第二平衡輸出殘余信號B2+、B2-的部分在圖9中未示出，但是除了標(biāo)記A和B應(yīng)該互換且參考標(biāo)記D和D應(yīng)該互換之外，其與圖中所示的部分相同。從這個設(shè)置中的電荷傳輸?shù)玫降牡仁饺缦聦τ贒＝0和E＝0，A2+=Z+(A1+-Z)4C2C′,A2-=Z+(A1--Z)4C2C′,]]>B2+=Z+(B1+-Z)2C2C′+(A1+-Z)2C2C′,B2-=Z+(B1--Z)2C2C′+(A1--Z)2C2C′;]]>對于E＝1，A2+=Z+(A1+-Z)3C2C′+(B1+-Z)C2C′,A2-=Z+(A1--Z)3C2C′+(B1--Z)C2C′,]]>B2+Z+(B1+-Z)3C2C′+(A1+-Z)C2C′,B2-=Z+(B1-Z)3C2C′+(A1--Z)C2C′]]>對于D＝1和E＝0，A2+=Z+(A1+-Z)2C2C′+(B1+-Z)2C2C′,A2-=Z+(A1--Z)2C2C′+(B1--Z)2C2C′,]]>B2+=Z+(B1+-Z)4C2C′,B2-=Z+(B1--Z)4C2C′]]>在圖10的箭頭圖中示出了圖9的1，5位結(jié)構(gòu)的操作。輸入電容器3C32、C34、3C37和C39的引入在原始第一和第二范圍之間產(chǎn)生了第三范圍(E＝1)，如圖10所示。
當(dāng)在圖5的比較器K2中確定的臨界決定點(diǎn)，即A1+＝B1-的點(diǎn)例如被比較器的DC偏置破壞時，那么在不存在范圍E＝1的情況下，不僅是產(chǎn)生的位而且所產(chǎn)生的用于級聯(lián)中接下來的級的殘余信號都將被破壞。第三范圍(E＝1)的引入用兩個非臨界決定點(diǎn)，即第三范圍的兩個邊界來代替所述臨界決定點(diǎn)。上面參照圖9所述的設(shè)置在這個范圍內(nèi)產(chǎn)生未被破壞的平衡殘余輸出信號。在數(shù)字處理器(未示出)中，該級的E位和由下面的級產(chǎn)生的位用于計(jì)算代替未產(chǎn)生的D位的新的位。
在本申請的附圖中說明的轉(zhuǎn)換器級都旨在每一級產(chǎn)生一個位。本發(fā)明還涵蓋了每一級產(chǎn)生一位以上的級。例如，十分可行的是使轉(zhuǎn)換器中的第一級產(chǎn)生兩位，而其他級都是單個位。在兩位的第一級中，需要用于至少三個參考電壓的分壓器，并且開關(guān)電容器殘余發(fā)生器的開關(guān)必須由產(chǎn)生的兩個位來控制。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以在第一級中實(shí)現(xiàn)更高的增益，這改善了轉(zhuǎn)換器的噪聲特性。
權(quán)利要求
1.一種用于將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號的雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器包括級聯(lián)的雙殘余轉(zhuǎn)換器級(S1…SN)，所述級中的第一級(S1)包括用于接收所述模擬輸入信號(I)的裝置、用于從所述模擬輸入信號得到一個或多個數(shù)字位(D1)的裝置(G1)以及用于產(chǎn)生第一和第二殘余信號(A1、B1)的裝置(H1)，所述殘余信號代表在所述第一級的AD轉(zhuǎn)換之后留下的量子誤差，所述級聯(lián)的雙殘余轉(zhuǎn)換器級中的以下每一級(S2…SN)都包括用于接收由所述級聯(lián)中的前一級產(chǎn)生的第一和第二殘余信號(A1…AN-1、B1…BN-1)的裝置、用于從所述接收到的第一和第二殘余信號得到一個或多個另外的數(shù)字位(D2…DN)的裝置(G2…GN)，并且除了級聯(lián)中的最后一級以外的所述以下級中的每一級都包括產(chǎn)生代表在該級的AD轉(zhuǎn)換之后留下的量子誤差的第一和第二殘余信號(A2…AN-1、B2…BN-1)的裝置(H1…HN-1)，其特征在于除了最后一級以外，所述雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器中的每一級(S1…SN)都包括用于產(chǎn)生所述第一和第二殘余信號(A1…AN-1、B1…BN-1)的開關(guān)電容器裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器，其特征在于除了最后一級以外，所述以下級中的每一級包括用于在采樣階段期間接收由前一級產(chǎn)生的所述第一和第二殘余信號的輸入電容器(C3…C6)、用于在跟蹤階段期間將所述輸入電容器的電荷傳輸?shù)降谝缓偷诙敵鲭娙萜?C3’、C4’)的開關(guān)裝置()、以及用于分別從所述第一和第二輸出電容器(C3’、C4’)產(chǎn)生第一和第二殘余信號(A2、B2)的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述開關(guān)裝置()被設(shè)置成在第一子范圍模式下(D2＝0)以大約為2的增益因子將電荷從所述第一接收到的殘余信號(A1)傳輸?shù)剿龅谝惠敵鲭娙萜?C3’)且分別以大約為1的增益因子將電荷從所述第一(A1)和第二(B1)接收到的殘余信號傳輸?shù)剿龅诙敵鲭娙萜?C4’)，并且在第二子范圍模式下(D2＝1)以大約為2的增益因子將電荷從所述第二接收到的殘余信號(B1)傳輸?shù)剿龅诙敵鲭娙萜?C4’)且分別以大約為1的增益因子將電荷從所述第一(A1)和第二(B1)接收到的殘余信號傳輸?shù)剿龅谝惠敵鲭娙萜?C3’)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述開關(guān)裝置被附加地設(shè)置成在第三子范圍模式下(E＝1)，分別以大約為3/2和1/2的增益因子將電荷從所述第一(A1+、A1-)和第二(B1+、B1-)接收到的殘余信號傳輸?shù)剿龅谝惠敵鲭娙萜?2C17’)，并且分別以大約為1/2和3/2的增益因子將電荷從所述第一(A1+、A1-)和第二(B1+、B1-)接收到的殘余信號傳輸?shù)剿龅诙敵鲭娙萜?2C18’)，其中所述第三子范圍模式對稱地位于所述第一和第二子范圍模式之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器，其特征在于為了產(chǎn)生每個殘余信號(A2、B2)，提供了運(yùn)算放大器(J3、J4)，并且在跟蹤階段()期間，每個輸出電容器(C3’、C4’)連接在所述運(yùn)算放大器的輸出端和反相輸入端之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器，其特征在于每個輸入電容器(2C19…C30)的一側(cè)在所述采樣階段()和所述跟蹤階段()期間都連接到所述反相輸入端，并且在所述采樣階段通過在所述運(yùn)算放大器(J9、J10)的反相輸入端的偏置電壓來對每個輸出電容器(C13’…C16’)充電。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器，其特征在于設(shè)置所述開關(guān)電容器裝置，用于接收平衡的第一和第二殘余信號(A1+、A1-、B1+、B1-)并由此產(chǎn)生用于施加到所述級聯(lián)中的下一級的平衡的第一和第二殘余信號(A2+、A2-、B2+、B2-)。
全文摘要
一種雙殘余流水線型AD轉(zhuǎn)換器，包括級聯(lián)的、優(yōu)選平衡的開關(guān)電容器雙殘余轉(zhuǎn)換器級，用于從第一和第二殘余輸入信號產(chǎn)生一個或多個位以及用于施加到級聯(lián)中的下一級的第一和第二殘余輸出信號。優(yōu)選地，第一和第二殘余輸入信號對輸入電容器充電，隨后借助于運(yùn)算放大器將其電荷傳輸?shù)捷敵鲭娙萜?。該開關(guān)電容器結(jié)構(gòu)允許補(bǔ)償運(yùn)算放大器的DC偏置電壓。該開關(guān)電容器結(jié)構(gòu)還允許實(shí)現(xiàn)1，5位轉(zhuǎn)換器級。
文檔編號H03M1/16GK1871774SQ200480031077
公開日2006年11月29日 申請日期2004年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月23日
發(fā)明者亨德里克·范德普勒格 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司