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)明涉及用于將顫振施加到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的裝置和方法，以及涉及包 括這種裝置的^^t轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
通常希望模數(shù)轉(zhuǎn)換器應當具有良好的分辨率，而且也呈現(xiàn)良好的線 性。轉(zhuǎn)換器的分辨率由其轉(zhuǎn)換的位數(shù)來表示。典型的高性能轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)
14位或18位的分辨率。然而，用戶還應當注意皿轉(zhuǎn)換器的其它性能度 量，如整體非線性(INL)和差分非線性(DNL)。差分非線性是指由模 數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的每個離散碼的相對步長。在理想情況下，如果將斜坡輸入 電壓施加于模數(shù)轉(zhuǎn)換器，則從一個數(shù)字碼到下一個數(shù)字碼的每一次過渡應 當是沿模擬斜坡等間隔的。然而，差分非線性誤差會導致這些過渡變?yōu)榉?等間隔的。設想將模擬值分類到不同的數(shù)字"容器(bin)，，中而由此每 個容器應當具有相同的尺寸可能是有用的。差分非線性可以用最低有效位 的尺寸來表達?？梢钥吹剑ㄟ^^_用圖2所示的DNL描述,具有大于-1 LSB (-1 LSB<DNL誤差)的差分非線性的轉(zhuǎn)換器保證沒有失碼。為了最優(yōu)化 的直流性能，DNL誤差在所有的碼上應當是零。
雖然制造商努力使得差分非線性最小化，但工藝變化和對于制造器件 可達到的物理精度的限制幾乎不可避免地意味著仍將存在某些DNL誤 差。
US 5，010，339公開了 一種配置，其中標準模數(shù)轉(zhuǎn)換器被結(jié)合于包括位 于該模數(shù)轉(zhuǎn)換器前面的加法器的附加外部電路中。加法器在第一輸入端接
收要被轉(zhuǎn)換的信號，并在第二輸出端接收數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出。驅(qū)動m轉(zhuǎn)
換器，以便在轉(zhuǎn)換之前將變化的、但已知的電壓加到模擬信號。這導致具 有相同值的重復的輸入電壓信號被轉(zhuǎn)換到才級轉(zhuǎn)換器的不同容器中，從而 由于不等的容器寬度而使DNL誤差最小化。然而，這種電路增加了模數(shù) 轉(zhuǎn)換器的復雜性，且附加電路可能是偏移誤差和增益誤差的源。
US 7,015,853 7〉開了一種提供有N個電容器的開關(guān)電容器陣列的轉(zhuǎn)換器。這些電容器中的K個可以在其余N-K個電容器對輸入信號進行采 樣期間被切換到+Vref。當逐次近似轉(zhuǎn)換開始時，全部N個電容器被牽涉 到搜索過程中，因此在用于對輸入進行采樣的N-K個電容器與不對輸入 進行采樣的那K個電容器之間出現(xiàn)電荷重新分布。這必然引起電路中的 增益誤差。另外，顫振是單極性的(即，僅具有單個符號)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種m轉(zhuǎn)換器，其包括用于參加逐 次近似轉(zhuǎn)換的第一組電容器，每個電容器具有至少一個相關(guān)的開關(guān)，用于 將電容器的端子可控地連接到第一參考電壓或笫二參考電壓；具有對應開 關(guān)的第二組電容器，這些開關(guān)用于將其電容器連接到第三參考電壓或第四 參考電壓；以及用于生成位序列的序列發(fā)生器，其中，在第一組電容器中 的至少一些電容器對輸入進行采樣期間，或進行樣本轉(zhuǎn)換期間，序列發(fā)生
器的輸出被提供給第二組電容器的開關(guān)，以控制第二組電容器中的給定電 容器被其相關(guān)的開關(guān)連接到第三參考電壓還是第四參考電壓，使得能夠?qū)?顫振施加于m轉(zhuǎn)換器。
因此可以使用電容器向被釆樣的輸入提供受控擾動。對基本上相同的
的擾動從而使輸入值被分配到不同的"容器"中。這造成DNL誤差的改 善，顯著減小了失碼的可能性，且在設計優(yōu)良的轉(zhuǎn)換器中，有效的地保證 沒有失碼。
第三參考電壓和第四參考電壓可以等于第一參考電壓和第二參考電壓。
第二組中的電容器優(yōu)選地不參加SAR轉(zhuǎn)換。
然而，第二組電容器中的電容器也可以被用于求平均步驟中，在該求 平均步驟中，進行一次或多次平均轉(zhuǎn)換，然后在前的轉(zhuǎn)換結(jié)果(例如，在 傳統(tǒng)的SAR轉(zhuǎn)換(但任選地可施加顫振)中對電容器CN到Cl進行連 續(xù)設置和測試而得到的)通過多個校正轉(zhuǎn)換被修改，每個校正轉(zhuǎn)換可造成 的對轉(zhuǎn)換結(jié)果的改變通常是小的，例如約1或0,5LSB。
第一組電容器被包括在SAR轉(zhuǎn)換中，這樣，例如，如果轉(zhuǎn)換器提供 第N位的結(jié)果，則在第一組電容器中有N個電容器，加上可能被提供以 允許冗余的任何附加電容器。有益的是，電容器陣列中的一些電容器用于對輸入信號進行釆樣，以 及參與其轉(zhuǎn)換。
優(yōu)選地，第二組電容器選自電容器陣列中的最低有效電容器。
有益地，具有基本上在0.5到2 LSB的范圍內(nèi)的位權(quán)數(shù)(bit weight) 的多個電容器被提供為開關(guān)電容器陣列中的附加電容器，這些電容器構(gòu)成 第二組電容器。
有益地，第二組電容器是電容器陣列的整體組成部分，雖然可替選地， 它們可以被形成為通it^合電容器連接到主電容器陣列的副陣列。主陣列 本身可以是分段陣列。
有益地，序列發(fā)生器生成隨機或偽隨機序列，用于控制第二組電容器 的開關(guān)。4吏用隨機或偽隨機序列有助于避免系統(tǒng)誤差，該系統(tǒng)誤差在最壞 情況下可能導致某些碼丟失一段短暫的時間。
有益地，提供算術(shù)單元，其接收來自序列發(fā)生器的位序列，從而獲知 施加到輸入信號的擾動的大小。算術(shù)單元還接收來自開關(guān)電容器陣列的轉(zhuǎn) 換碼，并對來自開關(guān)電容器陣列的碼施加補償，以^t考慮所施加的擾動。
序列發(fā)生器可以生成用于設置階段的第 一開關(guān)控制字，這可以在對輸 入信號采樣期間發(fā)生；以及生成在轉(zhuǎn)換期間使用的第二開關(guān)控制字。這些 字的值之間的差異引起雙極性的顫振，即顫振的符號可以是正或負。
才艮據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括
開關(guān)電容器陣列，用于采樣模擬值并用于將模擬值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值；以
及
響應于控制字的開關(guān)電容器數(shù)模轉(zhuǎn)換器；
其中，在開關(guān)電容器陣列采樣輸入信號后，開關(guān)電容器數(shù)模轉(zhuǎn)換器被 操作成對于存儲于開關(guān)電容器陣列的電荷造成已知的擾動，或?qū)⒁阎臄_ 動施加到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比較器。
優(yōu)選地，開關(guān)電容器數(shù)模轉(zhuǎn)換器是通過使用與開關(guān)電容器陣列相同的 技術(shù)實現(xiàn)，并可選地可以是開關(guān)電容器陣列的整體組成部分。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種將顫振拖加到^lt轉(zhuǎn)換器的方法， 其中轉(zhuǎn)換器包括第一電容器陣列，每個電容器具有至少一個相關(guān)的開關(guān)， 用于將電容器的端子可控地連接到第一參考電壓或第二參考電壓，其中第 一陣列的電容器在逐次近似轉(zhuǎn)換期間，在逐次近似控制器的控制下在第一參考電壓和第二參考電壓之間切換；其中提供了具有相應開關(guān)的第二電容 器陣列，在電容器陣列的至少一個電容器對輸入進行采樣期間，或在樣本 轉(zhuǎn)換期間，擾動控制字被提供給第二電容器陣列的開關(guān)，以控制第二陣列 中的給定電容器被其相關(guān)的開關(guān)連接到第 一參考電壓還是第二參考電壓。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種將顫振加到要被模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化
的輸入信號的方法，其中m轉(zhuǎn)換器包括開關(guān)電容器陣列，用于對輸入值
進行采樣，且用于將該輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字值；#轉(zhuǎn)換器還包括響應于控制 字的開關(guān)電容器數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中在開關(guān)電容器陣列對輸入信號采樣后， 開關(guān)電容器數(shù)模轉(zhuǎn)換器被操作以對存儲于開關(guān)電容器陣列的電荷、或?qū)υ?陣列上產(chǎn)生的電壓、或?qū)δ?shù)轉(zhuǎn)換器的比較器造成已知的擾動。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種改善m轉(zhuǎn)換器的差分非線性的方
法，該方法包括以下步驟
a) 生成顫振值；
b) 將顫振值施加于到比較器，以便擾動比較器的比較閾值；以及
c) 執(zhí)行一個或多個模數(shù)轉(zhuǎn)換步驟。


下面將參照附圖通過非限制性實例對本發(fā)明的實施例進行描述，其
中
圖1示意性地示出了模數(shù)轉(zhuǎn)換器差分非線性誤差的實例；
圖2是示出了差分非線性誤差的圖3示意地示出了構(gòu)成本發(fā)明實施例的才莫數(shù)轉(zhuǎn)換器；
圖4示出了又一個實施例，其中主電容器陣列是分段陣列；
圖5示出了本發(fā)明的另 一個實施例，其中顫振被施加到比較器的輸入 端以改變比較器的比較閾值；
圖6示出了差分ADC的另一個實施例，并示出了添加顫振的可替選 的(但不是互相排斥的)方法；
圖7示意性地示出了具有通過電壓模式DAC添加顫振的設備的比較 器的輸入級;以及
圖8示意性地示出了具有用于添加顫振的電流才莫式DAC的比較器的輸入級。
具體實施例方式
理想地，,轉(zhuǎn)換器應當是線性的。所以，如圖1所示，數(shù)字碼XX001 (其中XX代表在前的位，其狀態(tài)與本討論無關(guān))跨越從0.5到1.5個任 意單位的輸入電壓Vin。同樣地，范圍XX010跨越從1.5到2.5的輸入電 壓。每個數(shù)字碼應當在模擬域中跨越相同的距離，即如圖1所示的1個電 壓輸入單位。然而，如圖1所示，出現(xiàn)DNL誤差，從而碼XX011跨越從 2.25到4.25的輸入范圍，而不是它應當跨越的2.5到3.5的輸入范圍。這 將意味著在大于1.5的V&和小于2.5的Vin范圍內(nèi)的某些輸入值將被正確 地轉(zhuǎn)換為XXOIO，在該范圍內(nèi)的某些輸入電壓將被不正確地轉(zhuǎn)換為 XXOll。在所示實例中，碼XX100丟失，碼XX101跨越4到5.5的范圍。 圖1所示的后續(xù)碼跨越它們的正確范圍。
進一步考慮DNL誤差是有用的。圖2示出了一系列數(shù)字輸出碼與模 擬輸入電壓的關(guān)系。在本實例中，假設第一數(shù)字輸出碼，即碼l，正好跨 越其正確的范圍1 LSB，因此它的DNL誤差是零。下一個碼，即碼2， 僅跨越它應當跨越的模擬輸入電壓范圍的一半，它具有-0,5LSB的DNL。 第三個碼，即碼3，跨越更大的范圍，在本實例中它跨越等同于1.5 LSB 的范圍，這樣，其具有+ 0.5LSB的DNL。第四個碼，即碼4，僅跨越等 同于0.25 LSB的范圍，這樣，其具有-0.75 LSB的DNL。有趣的是，第 五個碼丟失，第六個碼，即碼6，在模擬電壓范圍內(nèi)跨越正確的距離1 LSB, 因此其DNI^0,但是將會看到，碼6偏離其預期的電壓范圍1.75LSB。
對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的操作添加已知的顫振可以減小失碼的問題，也可以改 善差分非線性誤差。這是因為當轉(zhuǎn)換具有所施加顫振的固定輸入電壓時， 轉(zhuǎn)換的結(jié)果散布于多個轉(zhuǎn)換容器，而不是一致地落到同一個容器中。
在US 5,010,339中描述的現(xiàn)有才支術(shù)解決方案中，對輸入電壓i^-f亍采 樣，然后，在發(fā)送到才莫數(shù)轉(zhuǎn)換器之前，^使用加法器將其與顫振電壓相加， 由于需要提供附加的模擬元件，這在整體上增加了轉(zhuǎn)換器電路的復雜性。 而且，用于生成模擬顫振電壓的DAC和加法器可能是噪聲、偏移和增益 誤差的源，因此可能會降低模數(shù)轉(zhuǎn)換器其它方面的性能。即使元件被集成 在ADC中，在所使用的硅的面積和ADC的功耗方面，這也是實現(xiàn)顫振 功能的昂貴的方法。另外，US 5,010,339還需要采取另外的預防措施來防止輸入電壓和顫振之和超過ADC的全刻度范圍。
發(fā)明人意識到，在許多逐次近似轉(zhuǎn)換器中使用的開關(guān)電容器結(jié)構(gòu)可用 于將擾動或顫振施加到釆樣信號上。根據(jù)開關(guān)電容器陣列的配置，特別是 根據(jù)開關(guān)電容器陣列是否具有包括在該開關(guān)電容器陣列中的糾錯電容器 以及如果有的話有多少，本發(fā)明可以在不修改開關(guān)電容器陣列的情況下而 被實現(xiàn)。然而在某些情況下，通過形成可被用作顛振源的多個低值(例如， 接近于1LSB)附加電容器有助于本發(fā)明的實現(xiàn)。形成附加電容器是有益 的，這是因為通過得到多個轉(zhuǎn)換結(jié)果，附加電容器隨后可以用于改善轉(zhuǎn)換 器的信噪比，如在題目為"An Analog to Digital Converter"、向USPTO提 交的、申請人的共同待決的專利申請US 11/226,071中說明的，該專利申 請通過引用合并與此。
圖3示意地示出了構(gòu)成本發(fā)明一個實施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。典型地，模 數(shù)轉(zhuǎn)換器包括兩個開關(guān)電容器陣列， 一個用"P-DAC"標明，總體上用2 表示，其被連接到比較器6的非反相輸入端4;等同的開關(guān)電容器陣列用 "N-DAC"標明，其被連接到比較器6的反相輸入端8。這兩個陣列是相同 的，為了簡化起見，只需要描述一個陣列。實際上，如果假"^殳"N-DAC" 陣列被省略，且反相輸入端8連接到參考電壓，例如接地，則模數(shù)轉(zhuǎn)換器 的操作可以更筒單地被理解。
通常，N位轉(zhuǎn)換器，例如14位轉(zhuǎn)換器具有在其中制造的14個二進制 加權(quán)的電容器。最低有效電容器C1具有1任意單位的電容值，下一個最 高有效電容器C2具有2任意單位的值，下一個最高有效電容器C3具有 4單位的值，下一個最高有效電容器C4具有8單位的值，依此類推，直 到CN(例如C14)電容器，其具有8，192單位的值。實際上，這代表從 最小電容器到最大電容器的非常大的標定(scale)，并且#^保持在整個 14位范圍上精確的標定。為了克服這個問題，開關(guān)電容器陣列可被實現(xiàn) 為分段陣列。所以，如圖3所示，在以2表示的主要的或主陣列中提供最 高有效電容器，在以IO表示的的副陣列中提供最低有效電容器。在任何 陣列中的電容器必須是相對于彼此二進制加權(quán)的(雖然基數(shù)<2的其它加 權(quán)也是可能的)，但在陣列之間的標定可以是斷開的，且通it^連接副陣 列10與主陣列2的耦合電容器12制定適當?shù)某叽缈梢曰謴碗娙萜鞯恼_ 相對尺寸。這樣，考慮14位的m轉(zhuǎn)換器，最低有效的七個電容器Cl 到CA,其中A=7，可祐放置在副陣列10中；最高有效的電容器CB到 CN,其中B-8和N-14，可祐放置在主陣列2中。在副陣列10中，最小電容器Cl具有1任意單位的值，但該陣列中的最大電容器CA僅具有64 任意單位的值。同樣地。在主陣列中，最小電容器CB具有1任意單位的 值，最大電容器CN具有64任意單位的值。所以，在任何陣列中標定電 容器的問題#^著地減小了 ，在集成電路中電容器陣列需要的硅的總面積 也減小了。在16位轉(zhuǎn)換器的情況下，在副陣列10中提供8個電容器，在 主陣列2中提供8個電容器。每個陣列中的相對尺寸會僅變化1到128 倍。不強制轉(zhuǎn)換器的設計者在副陣列IO與主陣列2之間相等地劃分電容 器，例如，主陣列2可以比起副陣列IO具有更多的電容器。
對于不具有糾錯電容器的14位DAC，電容器的相對尺寸是
Cl=l， C2=2， C3=4, C4=8, C5=16， C6=32， C7=64
耦合電容器12=1
C8=l, C9=2， C10=4， Cll=8， C12=16, C13=32, C14=64
其中電容器Cl到C7在副陣列內(nèi)，電容器C8到C14在主陣列內(nèi)。
類似的方案可應用于16位的ADC，但每個陣列將具有另一個128單 位電容器。
每個電容器Cl到CN具有相關(guān)的開關(guān)SI到SA以及SB到SN,這 些開關(guān)可被操作成將第一私敗(如圖3所示的電容器的最低私板)連接到
第一參考電壓"Vrefp"或第二參考電壓"Vrefn"。通常，V曲對應于地。主
DAC陣列2的電容器CB到CN還可以通過開關(guān)SB到SN分別被連接到 信號路徑"Ain"，以使得電容器CB到CN能夠采樣輸入電壓。在釆樣期 間，開關(guān)22閉合，以便將電容器的第二fe板(如圖3所示的最高松tl)
接地或連接到某個其它適當?shù)膮⒖茧妷?，諸如^Vref。開關(guān)22在其它所
有時間是斷開的?？梢钥吹?，在圖3所示的那種分段轉(zhuǎn)換器中，副陣列 10的電容器Cl到CA不必釆樣輸入電壓。
僅由主陣列采樣的結(jié)果l良生增益誤差。這可以通過增加額外的單位 值電容器以校正副陣列不采樣而被校正。增加的電容器可以稱為"采樣電 容器"，因為它僅用于采樣階段，并且具有等同的位權(quán)數(shù)，如下面闡述的， 等于副陣列中電容器位權(quán)數(shù)加一個LSB之和(如果在副陣列中存在糾錯 位的話，不包括該糾錯位)。4吏用分段陣列和采樣電容器來校正增益誤差 是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。所以在16位ADC中有
g容器號
1 23 4 5 6 7 S CC SC9 10 U 12 J3 !4 15 16
電容器的物
理單l^ f直！ 24 8 I;6 32 (54 1.2S !1 1 2 4 8 16 32 64 128 電容器
位禾又數(shù) ！ 24 816 32 328 256 256 512 204fl% i63S4 32768
其中cc-耦合電容器 sc-采樣電容器
當電容器CB到CN對輸入電壓Ain進行采樣，開關(guān)22被斷開，由此 捕獲主陣列2的電容器上的電荷。然后可以開始逐次近似搜索。逐次近似 搜索策略是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的，因此這里僅需要給出最簡要的說明。
本質(zhì)上，所有開關(guān)Sl到SN被切換為將電容器連接到Vrefn參考電壓。接
著，最高有效電容器CN被測試，它的開關(guān)SN用于將其連接到參考電壓
Vrefp。該陣列的電容器有效地形成電容分壓器，因此在非反相輸入端4出
現(xiàn)的電壓改變了。比較器6進行測試，查明該電壓大于還是小于在其>^相 輸入端的電壓。根據(jù)比較結(jié)果，對應于電容器CN的位或者被保持(即置
位)或者被丟棄(復位)。如果被轉(zhuǎn)換的模擬值是在轉(zhuǎn)換范圍的上半部分，
則位CN被保持，否則被丟棄。第一位試驗的結(jié)果向前傳遞到下一個最高 有效位試驗C (N-l)，其以類似的方式3皮設置和測試，結(jié)果隨后通過自 始至終逐次近似搜索而再次向前傳遞，直到最后的位Cl被測試。
為了增強性能和提高m轉(zhuǎn)換器的整體轉(zhuǎn)換速度，已知的是在陣列中
制作附加的糾錯電容器。這些電容器在陣列中提供額外的"權(quán)數(shù)"，使得逐 次近似搜索能夠從餘溪的判決中恢復，結(jié)果，使得在切換開關(guān)Sl到SN 與捕獲來自于比較器6的判決之間的處理時間被大大地減小了 。
電容器Cl到CN形成參與逐次近似算法的第一組電容器。
現(xiàn)代模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常包括糾錯電容器，使得能夠從錯誤的判決中恢 復。在本發(fā)明的實例中，電容器的有效權(quán)數(shù)(通過在副陣列10中重新標 定而得到的)遵循以下形式譜68,1S3糾,《恥，船線2,， ±鵬《！麵,5i2., 256， l風禍* 64, % 16, 風4S 2，
* J ±〗s ，,.贈A膽,5,鋪.\ *0,SS. i0,i '
在該優(yōu)選實施例中，制作了具有權(quán)數(shù)為土0.5的七個附加電容器AC1 到AC7，在圖3中為了筒化起見僅示出了 3個電容器AC1到AC3。這些 附加電容器AC1到AC7可被看作為用于將顫振施加到ADC的第二組電
容器。在獲得要被轉(zhuǎn)換的模擬值之后、得到第一m轉(zhuǎn)換之前，附加電容
器AC1到AC7在SAR控制器的控制下不被切換成參與位試驗。
然而，在優(yōu)選實施例中的七個附加電容器AC1到AC7在另 一個過程 中被再j吏用，以改善^lt轉(zhuǎn)換器的信噪比，該過程不構(gòu)成本發(fā)明的部分。 所以為了簡化起見，只需要假設在P-DAC陣列中需要提供一個電容器 AC1，以及這個附加的％ LSB電容器只需要具有0.5 LSB的值。
形成具有例如±1024的值的糾錯電容器是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的。 在優(yōu)選實施例中，具有值士 1024的電容器由兩個電容器組成，每個電容 器具有1024位的權(quán)數(shù)。這些電容器不對模擬輸入釆樣。在采樣階段，這 些電容器中的第一個電容器被連接到Vrefp，第二個電容器被連接到Vrefn。
在位試驗期間，這些電容器中的第二個電容器與Vrefn斷開連接，并被連 接到Vrefp，以測試權(quán)數(shù)+1024。如果該位被:接受，則第一個電容器和第二 個電容器均保持與Vrefp連接。如果該位被拒絕，則第一個電容器和第二
個電容器均與Vrefp斷開連接，并被連接到Vrefn，以生成-1024 LSB的負步 進。
如前所述，在釆樣階段，電容器CB到CN的第一機板(圖3所示的 最低抓板)連接到P-DAC上的Vrefn。 N-DAC上的相應電容器(圖3未 詳細地示出)通過它們各自的電子可控開關(guān)被連接到Vrefp。應當注意，因 為僅對通過耦合電容器12從副陣列IO傳播到主陣列2的電荷的改變感興 趣，因此不必將副陣列中的電容器的第一極板連接到任何特定的參考電 壓。
發(fā)明人已經(jīng)意識到，通it^采樣期間更改開關(guān)位置以使得在釆樣階段 期間P-DAC副陣列10中某些較低位權(quán)數(shù)的電容器的第一極板連接到
Vrefp，而不是連接到Vrefn,而可以將顫振引入 1轉(zhuǎn)換器。當開關(guān)在逐次 近似轉(zhuǎn)換過程中的某個時間被連接回Vrefn時，且優(yōu)選地但不是必須地，
在最高有效位CN被測試之前，發(fā)生電荷重新分布，這對于副DAC 10的 公共軌14的電壓造成負的擾動，進而引起負的擾動通過耦合電容器12被引入到主陣列2，由此導致主陣列2采樣的電壓的細微的但已知的改變。 將相同的顫振技術(shù)應用于N-DAC副陣列，會對采樣的輸入產(chǎn)生正的擾動。 通過改變副陣列的任何電容器Cl到CA的開關(guān)Sl到SA，可以引入顫振， 但是通常優(yōu)選地將顫振保持為小顫振。因此可以看到，副陣列中的電容器 的選擇性切換可用于對在采樣階段由主電容器陣列采樣的電壓進行擾動， 從而將正的或負的顫振引入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而不會使轉(zhuǎn)換器中的模擬信號路 徑復雜化。
如上所述，優(yōu)選地，顫振可被分辨到0.5 LSB。因此希望形成至少一 個值為0.5 LSB的附加電容器ACI 。這種電容器可以通過將兩單位(1 LSB)的電容器串聯(lián)連接而形成。這個附加電容器AC1可以結(jié)合幾個較 低值的電容器，例如副陣列的Cl和C2 —起使用，以便將范圍是0LSB 到-3.5LSB的顫振添加到副陣列10。同樣地，N-DAC的副陣列中的電容 器可用于添加范圍是0LSB到+3.5 LSB的顫振。
如圖3所示，提供了多個附加電容器AC1到AC3，可以只使用這些 電容器，或除了副DAC的較低權(quán)數(shù)電容器之外還使用這些電容器，以便 實現(xiàn)顫振功能。在本發(fā)明的實施例中，值均為0.5 LCB的七個附加電容器 AC1到AC7在副DAC中實現(xiàn)。為了方侵爽見，這些附加電容器中的第 一個附加電容器AC1凈皮單獨切換，以形成0.5 LSB顫振的電容器。這些 電容器中的兩個電容器AC2和AC3被一致地切換，以合成1 LSB顫振電 容器，其余的電容器AC4到AC7被一致地切換，以合成2 LSB顫振電容 器。開關(guān)SAC1、 SAC2等響應于由偽隨機lt良生器40生成的偽隨機數(shù)而 被驅(qū)動。這隨機地產(chǎn)生了在-3.5與+3.5之間(包括-3.5和+3.5 )的數(shù)，以 便控制與P-DAC相關(guān)的副DAC 10中的開關(guān)和與N-DAC相關(guān)的副DAC (未示出)中相應的開關(guān)。
對于只具有一個附加電容器AC1的那些實施例，偽隨機M生器40 控制開關(guān)SAC1、 Sl、 S2、 S3等。因此為了引入-5 LSB的負顫振值，開 關(guān)Sl和S3被連接到Vrefp， S2被連接到P-DAC副陣列上的Vrefn，如圖3 所示，以及在N-DAC副陣列(為了清晰起見，在圖3上被省略)上類似 的開關(guān)在采樣階段被連接到Vrefp。當采樣階段結(jié)束，開關(guān)22被斷開，隨 后開關(guān)SB到SN將電容器CB到CN的第一私tl與模擬輸入信號的連接 斷開。然后，開關(guān)SB到SN可被設置為初始逐次近似狀態(tài)，以準備用于
最高有效位的位試驗。如前所述，當開關(guān)S1和S3被連接回Vrefn時，負
擾動被引入到主陣列2上的采樣電壓。對于具有附加電容器，例如AC1到AC7的那些實施例，雖然由于標 定，偽隨機數(shù)-5在本例中將對與0.5 LSB電容器AC1和由電容器AC4到 AC7形成的組合的2 LSB電容器相關(guān)的開關(guān)進行操作以引入-2.5 LSB的 顫振，但使用類似的考慮。在任一種情況下，位試驗被執(zhí)行到其末端，逐次近似轉(zhuǎn)換的結(jié)果由逐 次近似控制器44傳送到加法器42。然后，加法器校正該結(jié)果，以說明在 釆樣結(jié)束后施加到采樣信號的顫振的大小。顯然，在采樣期間，所有的電容器可被連接到同一個參考電壓，當采 樣階段結(jié)束，某些電容器響應于偽隨機數(shù)發(fā)生器而被切換。該切換可以在 位試驗開始之前或在位試驗期間進行。而且，由于采樣電荷沒有從電容器陣列丟失，所以一個釆樣事件后可 以跟隨一個以上的轉(zhuǎn)換，全部地或者僅部分地重新轉(zhuǎn)換某些最^f氐有效位， 不同的顫振可被應用于這些轉(zhuǎn)換中的每個轉(zhuǎn)換，即使它們僅與單個釆樣事 件有關(guān)。所以可以看到，本發(fā)明在不將任何附加部件引入模擬信號路徑的情況 下能夠?qū)㈩澱袷┘拥讲蓸与妷?。而且，可以施加顫振而不用在模?shù)轉(zhuǎn)換器 中制作任何附加部件。然而，在本發(fā)明的某些實施方案中，可以在副陣列 中制作附加電容器，這是因為這些電容器可以方便地用于施加小于1LSB 的顫振。當制作附加電容器時，可以很容易地提供副LSB電容值。雖然在給 定實例中，制作的最小的電容是0,5LSB，但通過使用在制作m轉(zhuǎn)換器 期間布置的單位尺寸的電容器可以容易地制作更小的電容。因此，可以通 過串聯(lián)連接三個單位電容器而制作HLSB的電容器。同樣地，可以通過 串聯(lián)連接四個單位電容器而制作，4LSB的電容器，通過串聯(lián)連接五個單 位電容器而制作^LSB的電容器等等。由此可以看到，顫振可以容易地 背離電容器值的標稱二進制加^列。如前所述，顫振電容器不必是附加電容器，而是可以從采樣和轉(zhuǎn)換的 開關(guān)電容器陣列的電容器中選擇。而且，雖然該技術(shù)是參照分段ADC描 述的，但它同樣可被應用于非分段陣列。因此，可以通過使用陣列中現(xiàn)有 的電容器或通過僅添加新的額外電容器來校正DNL誤差。這提供具有低 功耗和與ADC設計的具有良好兼容性的便宜的解決方案。圖4所示的安排示出了對于圖3所示安排的修改方案，其中電容器Cl到CN參與逐次近似轉(zhuǎn)換，其位于總體上以80表示的主陣列中，該主 陣列包括提供有最低有效電容器Cl到CA的第一電容器陣列82和提供 有最高有效電容器CB到CN的第二電容器陣列84。這些陣列通過耦合電 容器86被耦合在一起。用于提供顫振的電容器AC1到ACN位于副陣列 卯中，該副陣列卯通過另一個耦合電容器92被耦合到主陣列80。和前 面一樣，用于電容器AC1到CAN的開關(guān)響應于偽隨機氣發(fā)生器40，而 用于控制到電容器Cl到CN的底部抓板的連接的開關(guān)響應于SAR控制 器44。
在圖5所示的本發(fā)明的再一個實施例中，附加電容器AC1、 AC2、 AC3等被形成在副陣列100中，這些電容器的底部私仗可以通過在偽隨 機數(shù)發(fā)生器40的控制下操作的相應開關(guān)而被連接到顛振參考D^和
Dref2，雖然不一定絕對必需，但為了方侵爽見，D^和D^可以對應于
Vrefl和Vref2。然而，當前副陣列100被連接到比較器6的反相輸入端，而 正常的采樣和轉(zhuǎn)換陣列被連接到比較器6的非反相輸入端(或反之亦然)。 這樣，在該單端轉(zhuǎn)換器中，對用于根據(jù)逐次近似例程來對采樣輸入電壓進 行釆樣和轉(zhuǎn)換的電容器陣列沒有任何修改。由第二陣列提供的顫振用于擾 動比較器6的反相輸入端的電壓，由此通過顫振值來調(diào)節(jié)比較器閾值。利 用如圖3所示的安排，顫振值被提供到加法器42，這樣，形成輸出結(jié)果 的數(shù)字字可被校正以補償所施加的顫振。
副陣列100由偽隨機lt義生器40驅(qū)動，而主陣列80由SAR控制器 驅(qū)動?？梢钥吹剑瑢υ搯味税才胖械男盘柭窂讲蛔鞲淖僞1相當有用的。
這個概念可以進一步擴展，如圖6所示，其中類似于圖3所示的^: 轉(zhuǎn)換器的差分m轉(zhuǎn)換器配備有連接到比較器6的非反相輸入端的P電容 器陣列120和連接到比較器6的反相輸入端的N電容器陣列122。該圖還 示出了不互相排斥的、用于施加顴振的可替選的方式。數(shù)模轉(zhuǎn)換器130 與P陣列120相關(guān)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出在呈現(xiàn)到比較器6之前與P陣列 的輸出端產(chǎn)生的電壓相加。當DAC和P陣列被實現(xiàn)為開關(guān)電容器時，DAC 130可以直接連接到P陣列120,這是因為在這兩個元件之間的電荷轉(zhuǎn)移 將引起顫振。然而應注意到，實際上沒有電荷損失，因此施加任何顫振的 影響可以被消除。作為替選方案，另一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器140可以被連接到比 較器6的輸入級，或可以作為比較器6的輸入級的一部分，使得DAC 140 的輸出可被用來修改比較器6的內(nèi)部電壓，以便移位/修改比較器的開關(guān) 閾值以施加顫振。對于差分ADC或單端ADC，可以添加到通過專用顫振DAC驅(qū)動的 比較器的一個或多個附加輸入。圖7示出了這種安排的實例，圖中示出了 比較器的第一前置放大級。MOS器件Ml和M2是驅(qū)動負載電阻Rl和 R2的常規(guī)差分輸入器件。節(jié)點P_out和N_out可以連接到另 一個前置放
大級或可以直接驅(qū)動鎖存器。該i置放大k的增益等于輸入器件的跨導
gml乘以負栽電阻Rl和R2。為了提供對比較器的輸入進行偏移的能力， 增加了跨導為gm2、具有相關(guān)的電流源I2的器件M3和M4。這些器件的 柵極由顫振DAC 150的輸出控制。運行逐次近似算法以從該級提供零差 分輸出電壓。即使在顫振DAC 150正在向器件M3和M4提供顫振偏移 的情況下這也是正確的。因此，無論器件M3和M4提供何種差分電流， 輸入器件Ml和M2都會提供等值反向電流。這導致了在顫振DAC輸出 端的顫振電壓Vdither與在該級輸入端的最終得到的偏移改變Voffset之 間的筒單的關(guān)系，由公式l給出
Voffset/Vdither=gm2/gml 公式1
由于所需的前置放大器輸入偏移的擾動僅是非常小的，因此希望器件 M3和M4比Ml和M2小得多。另外為了保證公式1保持合理的準確性， 顴振DAC輸出端的差分電壓應當被限制為足夠小，以保證器件M3和 M4都工作在其線性區(qū)域內(nèi)。顯然，這種安排使得能夠提供正的或負的顫 振。
圖8示出了可替選的安排，其中電流導引DAC 160將電流注入到前 置放大器的輸出。與前面的實例一樣，運行逐次近似算法以從該級提供零 差分輸出電壓。由DAC2提供的任何差分電流將導致在前置放大器的輸 入端的偏移的相應改變。通過使得由DAC提供的總電流跟蹤輸入器件的 跨導，這種安排也可以被做成對于溫度和工藝改變是不敏感的。在所有的 這種安排中，代表所需的顫振值的數(shù)字值被轉(zhuǎn)換成前置放大器的輸入對的 電流改變。這導致器件的柵極-源極電壓的改變，其也是前置放大器的偏 移的改變。
雖然對前置放大器的偏移進行顫振的方法都是差分的，但同樣的技術(shù) 可以應用于單端安排。另外，如果第一前置放大器的增益,皮合理地控制， 則顫振可以被施加到跟隨在第一前置放大級后面的前置放大級。
因此，可以改善^:轉(zhuǎn)換器的動態(tài)非線性，以避免與失碼相關(guān)的問題。
權(quán)利要求
1. 一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括用于參加逐次近似轉(zhuǎn)換的第一組電容器，每個電容器具有至少一個相關(guān)的開關(guān)，用于將電容器的端子可控地連接到第一參考電壓或第二參考電壓；用于施加顫振并具有開關(guān)的第二組電容器，其中開關(guān)用于將電容器選擇性地連接到第三參考電壓或第四參考電壓；以及用于生成位序列的序列發(fā)生器，其中，在第一組電容器中的至少一些電容器對輸入進行采樣期間，或?qū)颖具M行轉(zhuǎn)換期間，序列發(fā)生器的輸出被提供給第二組電容器的開關(guān)，以控制第二組電容器中的給定電容器被其相關(guān)的開關(guān)連接到第三參考電壓還是第四參考電壓，使得能夠施加顫振。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中第一組電容器中的某些 電容器具有開關(guān)，其可被操作用于在采樣期間將電容器連接到輸入。
3. 根據(jù)權(quán)利要求i所述的m轉(zhuǎn)換器，其中第二組電容器的總電容小于電容器陣列的電容的1%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中第二組電容器是通過耦 合電容器連接到主電容器陣列的副電容器陣列的一部分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述陣列中的電容器被 標稱地二進制加權(quán)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的m轉(zhuǎn)換器，其中電容器陣列包括糾錯位。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的m轉(zhuǎn)換器，其中在第一組電容器對輸入 信號采樣后，第二組中的電容器被切換到預定狀態(tài)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中在釆樣后，第二組中的 電容器被連接到第二參考電壓。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中序列發(fā)生器生成偽隨機 位序列。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中加法器接收來自于轉(zhuǎn)換 器的轉(zhuǎn)換結(jié)果和序列發(fā)生器的輸出，并根據(jù)該序列發(fā)生器的輸出進行校 正。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括在第二組中的、值小 于1 LSB的至少一個電容器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的才 轉(zhuǎn)換器，包括連接到比較器的非反相 輸入端的P-DAC和連接到比較器的反相輸入端的N-DAC，其中N-DAC 和P-DAC中的至少一個中具有第二組電容器，該第二組電容器的開關(guān)響 應于序列發(fā)生器。
13. —種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括開關(guān)電容器陣列，用于對輸入進行采樣，并用于將輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字值；以及響應于控制字的開關(guān)電容器數(shù)模轉(zhuǎn)換器；其中，在開關(guān)電容器陣列采樣輸入信號后，該開關(guān)電容器數(shù)模轉(zhuǎn)換器 被操作以對于存儲于開關(guān)電容器陣列的電荷造成已知的擾動，或?qū)?轉(zhuǎn) 換器的比較器的操作進行擾動。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的m轉(zhuǎn)換器，其中開關(guān)電容器數(shù)模轉(zhuǎn)換器是開關(guān)電容器陣列的整體組成部分。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換器在對信號 進行采樣期間被設置為顫振值，在釆樣結(jié)束后電容器被切換為另一個值， 以^吏將顫g加到采樣值。
16. —種將顫振施加到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方法，其中轉(zhuǎn)換器包括第一組電 容器，每個電容器具有至少一個相關(guān)的開關(guān)，用于將電容器的端子可控地 連接到第一參考電壓或第二參考電壓，該方法包括在電容器陣列的至少 一個電容器對信號進行采樣期間或在轉(zhuǎn)換期間，將擾動控制字提供給第二 組電容器的開關(guān)，以控制第二組中的給定電容器被其相關(guān)的開關(guān)連接到第 一參考電壓還是第二參考電壓，其中第一組的電容器由逐次近似控制器進 行位試驗，以獲得數(shù)字值。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中擾動控制字從一個樣本到下 一個樣本隨機地或偽隨機地改變。
18. —種將顫振添加到要被模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化的輸入信號的方法，其 中模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括開關(guān)電容器陣列，用于對輸入值進行采樣，以及用于將 該輸入值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值；所述m轉(zhuǎn)換器還包括響應于控制字的開關(guān)電容 器數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中在開關(guān)電容器陣列對輸入信號釆樣后，開關(guān)電容器數(shù) 模轉(zhuǎn)換器被操作成對存儲于開關(guān)電容器陣列的電荷、或?qū)υ撽嚵猩袭a(chǎn)生的 電壓造成已知的擾動。
19. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中顫振有時是加性的，有 時是減性的。
20. —種分段模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括被劃分成主陣列和副陣列的電容器 陣列，所述電容器可被連接到第一參考電壓或第二參考電壓，其中主陣列的電容器還可被連接到輸入信號并存儲輸入信號；以及用于生成顫振字的 序列發(fā)生器，所述顫振字4皮用于控制副陣列中的至少 一個電容器被連接到 第一參考電壓還是第二參考電壓，以便將顴振施加到轉(zhuǎn)換結(jié)果。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的分段模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中用于施加顫振的 電容器在逐次近似轉(zhuǎn)換期間是不變的。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的分段模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中顫振可以從采樣 值中凈皮減去。
23. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中數(shù)模轉(zhuǎn)換器在釆樣完 成后核 沒置為顫振值，以^f更施加顫振。
24. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中第二組電容器在信號采 樣期間被切換到顫振值，在采樣結(jié)束后被切換到另一個值，以便將顫g 加到釆樣值。
25. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中第二組電容器在采樣完 成后被切換到顫振值，以便將顫振加到采樣值。
全文摘要
提供了一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括用于對輸入進行采樣的電容器陣列，每個電容器具有至少一個相關(guān)的開關(guān)，用于將電容器的端子可控地連接到第一參考電壓或第二參考電壓；用于生成位序列的序列發(fā)生器，其中在采樣電容器陣列對輸入進行采樣期間，序列發(fā)生器的輸出被提供給第一組電容器的開關(guān)，以便控制第一組中的給定電容器是被其相關(guān)的開關(guān)連接到第一參考電壓還是第二參考電壓。
文檔編號H03M1/10GK101305518SQ200680042232
公開日2008年11月12日 申請日期2006年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月14日
發(fā)明者克里斯托弗·彼得·赫里爾, 科林·格拉爾德·萊登, 邁克爾·亨尼西 申請人:模擬裝置公司