專利名稱：前后級解析度可調(diào)的共享運算放大器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC，以下均稱為ADC)，特別是涉及一種適用于流 水線式(pipelined)ADC或循環(huán)式(cyclic)ADC的前后級解析度可調(diào)(stage-resolution scalable)的共享運算放大器技術(shù)，藉此大幅減少運算放大器數(shù)量及其功率消耗并提高操 作速度。
背景技術(shù)：
近年來可攜式通訊及影音電子裝置的發(fā)展迅速，使得裝置操作時間的增長成為迫 切的需求。但是，由于電池續(xù)航力的成長緩不濟急，因此，降低功率消耗便成為達到該需求 的一種替代可行方案。 在目前的視頻應(yīng)用規(guī)格當中，流水線式(pipelined)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)較其他ADC 架構(gòu)被普遍使用，主要原因在于流水線式ADC的硬件需求只隨解析度增加而呈線性成長， 不會像快閃式(flash)ADC的硬件需求是呈指數(shù)性成長。以十位元解析度的應(yīng)用為例，流水 線式ADC的硬件需求遠低于其他ADC架構(gòu)，使得流水線式ADC在電路面積及功率消耗方面 占有優(yōu)勢。 圖1顯示傳統(tǒng)流水線式ADC架構(gòu)1。輸入信號Vin首先經(jīng)由前端取樣保持放大器 (front-end sample-and-hold amplifier, SHA) 11進行取樣，以提供穩(wěn)定保持信號給后級 電路12。每一級電路12分別解析部分位元(B)。經(jīng)解析的部分位元藉由延遲元件(delay element) 13進行同步，并經(jīng)由數(shù)字校正電路14進行校正及整合，以輸出完整的N位元數(shù) 字碼(N為ADC的解析度)。如圖中的展開方塊所示，每一級電路12包含子模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (sub-ADC，以下稱為子ADC)121、子數(shù)模轉(zhuǎn)換器(sub-DAC，以下稱為子DAC) 122、取樣保持 (S/H)電路123、模擬減法器124及放大器(Gi) 125。每一級電路12的子ADC 121各自對 輸入信號進行初步量化，以產(chǎn)生部分數(shù)字碼；該部分數(shù)字碼再經(jīng)由子DAC 122轉(zhuǎn)換成相對 應(yīng)的模擬電壓值。經(jīng)轉(zhuǎn)換的模擬電壓和取樣的輸入信號經(jīng)由減法器124進行相減，以產(chǎn)生 殘值(residual)信號126，其是代表輸入信號經(jīng)由該級電路所解析的部分數(shù)字碼的量化誤 差。接著，殘值信號126經(jīng)由放大器125放大成為符合整體ADC l的信號范圍。藉此，每級 電路的參考電壓將可共用，以減少系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度。再者，由于愈往后級電路所需解析的 位元數(shù)變得更少，而信號范圍則保持固定，因此，后級電路的精確度要求將較前級電路來得 低。 圖2顯示乘積數(shù)模轉(zhuǎn)換器(multiplying DAC，MDAC，以下稱為MDAC) 120的電路圖 及其操作。MDAC 120包含了前述的子DAC 122、取樣保持放大器123、模擬減法器124及放 大器(Gi)125(例如運算放大器)。在此例子中，MDAC120是以如圖所示的切換式電容電路 來實現(xiàn)，且每一級電路解析1. 5位元(亦即，1. 5位元/級)。當時脈信號clkl變?yōu)楦唠娢?("1")時，MDAC 120進入取樣階段，此時放大器125具有單增益(unity gain)，其偏移量 (offset)V。s則儲存于電容Cf、(；的上極板(亦即，靠近放大器125輸入端)。接著，當時脈 信號clk2變?yōu)楦唠娢?"1")時，MDAC 120進入放大階段，此時電容Cf作為反饋電容，而電容Cs的下極板則連接至子DAC 122的輸出電壓VK，藉此放大殘值信號及校正偏移量。MDAC 120的精確度將決定整體ADC 1的精確度，而MDAC 120本身的精確度則決定于放大器125 的效能參數(shù)(例如增益和頻寬)。由于放大器125是為整體DAC l功率消耗的最大來源， 因此，降低放大器125的功率消耗將可降低整體DAC l的功率消耗。如前所述，后級電路的 精確度要求將較前級電路來得低，因此，如果使用較低增益和頻寬的放大器125來實現(xiàn)后 級電路，將可大幅降低整體電路的功率消耗。但是，如此一來設(shè)計者必須設(shè)計多種運算放大 器，此將增加電路設(shè)計的時間。 —般而言，具數(shù)字校正電路14的流水線式ADC l可容忍相當大的偏移量；所以，只 要不超過數(shù)字校正的容忍范圍，則不會影響整體ADC l的線性度。因此，MDAC 120的實施 并不需要進行偏移量校正。例如，當時脈信號clkl為高電位("1")時，放大器125并不需 要連接為單增益組態(tài)以儲存偏移量。換句話說，放大器125在取樣階段時是為閑置的，如圖 3所示。若能在取樣階段善用此閑置放大器125，將可進一步降低整體電路的功率消耗，如 以下所述的傳統(tǒng)技術(shù)。 (1)重復(fù)取樣(double sampling)技術(shù) 圖4顯示雙通道時分多址ADC架構(gòu)4，用以加速整體ADC的操作。由于取樣階段 與放大階段是互相錯開的，因此當通道40處于取樣階段時，另一通道41則處于放大階段， 所以此二通道不會同時使用放大器42。藉此，運算放大器42可以被共用(共享)，如此每 一級電路的操作速度可變?yōu)閮杀叮蛘?，放大?2的頻寬可以減半，藉此可大幅降低電路 的功率消耗。然而，此技術(shù)必須額外增加一組電容(并增加電路面積)作為通道切換之用。 再者，還需增加額外電路(及其功率消耗)來克服通道不匹配問題(例如時序、偏移量、增 益的不匹配)。 (2)共享運算放大器技術(shù) 由于流水線式ADC前后級電路的操作是互相錯開的(當某級在取樣時，另一級則 進行放大)，因此，前后兩級電路可共用一個運算放大器，此將可減少一半運算放大器的數(shù) 量，如圖5所示。此ADC架構(gòu)5的每一級電路具有相同解析度。共享的運算放大器52的規(guī) 格必須符合前級電路的精確度要求。由于后級(例如第2級)電路的精確度要求將較前級 (例如第l級)電路來得低，此將造成后級電路的浪費。共享運算放大器技術(shù)較重復(fù)取樣技 術(shù)消耗更多的功率，其原因在于重復(fù)取樣技術(shù)的頻寬可降低一半且每一級均可針對該級的 精確度要求進行功率的最佳化。然而，從另一方面來看，共享運算放大器技術(shù)沒有通道不匹 配問題，因此不需要相關(guān)的校正機制，因此其電路設(shè)計較重復(fù)取樣技術(shù)來得簡單。
鑒于傳統(tǒng)各種ADC架構(gòu)各具有其缺點，因此亟需提出一種新穎的ADC架構(gòu)，用以保 持傳統(tǒng)ADC架構(gòu)的優(yōu)點并避免其缺點。 由此可見，上述現(xiàn)有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器在結(jié)構(gòu)與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而 亟待加以進一步改進。為了解決上述存在的問題，相關(guān)廠商莫不費盡心思來謀求解決之道， 但長久以來一直未見適用的設(shè)計被發(fā)展完成，而一般產(chǎn)品又沒有適切結(jié)構(gòu)能夠解決上述問 題，此顯然是相關(guān)業(yè)者急欲解決的問題。因此如何能創(chuàng)設(shè)一種新型的適用于流水線式或 循環(huán)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前后級解析度可調(diào)的共享運算放大器技術(shù)，實屬當前重要研發(fā)課題之 一，亦成為當前業(yè)界極需改進的目標。 有鑒于上述現(xiàn)有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器存在的缺陷，本發(fā)明人基于從事此類產(chǎn)品設(shè)計制造
5多年豐富的實務(wù)經(jīng)驗及專業(yè)知識，并配合學理的運用，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種新 型的適用于流水線式或循環(huán)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前后級解析度可調(diào)的共享運算放大器技術(shù)，能 夠改進一般現(xiàn)有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使其更具有實用性。經(jīng)過不斷的研究、設(shè)計，并經(jīng)過反復(fù)試 作樣品及改進后，終于創(chuàng)設(shè)出確具實用價值的本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器存在的缺陷，而提供一種新型的 適用于流水線式或循環(huán)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前后級解析度可調(diào)的共享運算放大器技術(shù)，所要解 決的技術(shù)問題是使其大幅減少運算放大器數(shù)量及其功率消耗并提高操作速度，非常適于實 用。 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提 出的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其包含至少一組串聯(lián)的二級電路，其中該二級電路具有不同解析位 元；以及一第一放大器，由該二級電路所共享，其中該二級電路的操作是互相錯開的。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進一步實現(xiàn)。
前述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，當該組的二級電路其中一級電路進行取樣時，另一級電路則 進行放大，該二級電路不會同時使用該放大器。 前述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該組的二級電路的前級電路比同組的后級電路解析的位元
少，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前后級電路具有不同解析度。 前述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該組的二級電路具有不同放大率。 前述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該組的二級電路的每一級電路包含一子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對該級 電路的輸入信號進行初步量化；一子數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將該子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)換成相對應(yīng) 的模擬信號；一取樣保持放大器，用以取樣及保持該級電路的輸入信號；一模擬減法器，將 取樣的輸入信號減去該模擬信號，以產(chǎn)生一殘值信號；以及一第二放大器，用以放大該殘值信號。 前述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其更包含一前端取樣保持放大器，用以提供該輸入信號給該 組的二級電路。 前述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其更包含一數(shù)字校正電路，用以校正及整合該組的二級電路 的輸出。 前述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其更包含一延遲元件，連接于該組的二級電路的輸出與該數(shù) 字校正電路之間，用以同步該組的二級電路的輸出。 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明提出的
一種前后級解析度可調(diào)的共享運算放大器的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其包含多組串聯(lián)的電
路，該多組的電路中的每一組電路包含串聯(lián)的二級電路，其中該每一組電路的前級電路比
同組的后級電路解析的位元少；以及多個運算放大器，每一該運算放大器由一組電路共享，
其中同一組的二級電路的操作是互相錯開的，藉此，當該組的其中一級電路進行取樣時，另
一級電路則進行放大，該二級電路不會同時使用該運算放大器。 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進一步實現(xiàn)。 前述的前后級解析度可調(diào)的共享運算放大器的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該組的二級
電路的每一級電路包含一子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對該級電路的輸入信號進行初步量化；一子數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將該子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號；一取樣保持放大器，用以取 樣及保持該級電路的輸入信號；一模擬減法器，將取樣的該輸入信號減去該模擬信號，以產(chǎn) 生一殘值信號；以及一放大器，用以放大該殘值信號。 前述的前后級解析度可調(diào)的共享運算放大器的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于 其更包含一前端取樣保持放大器，用以提供該輸入信號給第一組電路，該前端取樣保持放 大器與該第一組電路共享一放大器。 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題另采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明提出的
一種前后級解析度可調(diào)的共享運算放大器的循環(huán)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其包含一組串聯(lián)的二級
電路，該組二級電路的前級電路比后級電路解析的位元少；一運算放大器，由該二級電路共
享，其中該二級電路的操作是互相錯開的，藉此，當其中一級電路進行取樣時，另一級電路
則進行放大，該二級電路不會同時使用該運算放大器；以及一模擬多工器，在一解析循環(huán)結(jié)
束時，該后級電路的輸出藉由該模擬多工器而反饋至該前級電路。 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進一步實現(xiàn)。 前述的前后級解析度可調(diào)的共享運算放大器的循環(huán)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該組的每一級
電路包含一子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對該級電路的輸入信號進行初步量化；一子數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將該
子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號；一取樣保持放大器，用以取樣及保持該級
電路的輸入信號；一模擬減法器，將取樣的輸入信號減去該模擬信號，以產(chǎn)生一殘值信號；
以及一放大器，用以放大該殘值信號。 前述的前后級解析度可調(diào)的共享運算放大器的循環(huán)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其更包含一前 端取樣保持放大器，用以提供該輸入信號給該組二級電路。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。由以上技術(shù)方案可知，本發(fā) 明的主要技術(shù)內(nèi)容如下 為達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明一實施例，前后級解析度可調(diào)(stage-resolution scalable)的共享運算放大器的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(pipelined ADC)包含多組串聯(lián)的電 路，每一組電路包含串聯(lián)的二級電路。每一組電路的前級電路的解析位元(例如1.5位元 /級)少于同組后級電路的解析位元(例如2. 5位元/級)。每一組的二級電路共享一運 算放大器，且該二級電路的操作是互相錯開的，藉此，當其中一級電路進行取樣時，另一級 電路則進行放大，因此二級電路不會同時使用運算放大器。本實施例的流水線式ADC較傳 統(tǒng)ADC架構(gòu)使用較少的運算放大器及消耗較少功率。 另夕卜，為達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明另 一 實施例，前后級解析度可調(diào) (stage-resolution scalable)的共享運算放大器的循環(huán)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(cyclic ADC)包含 一組串聯(lián)的二級電路，其前級電路的解析位元(例如1.5位元/級)少于同組后級電路的 解析位元(例如2. 5位元/級)。該二級電路的操作是互相錯開的，藉此，當其中一級電路 進行取樣時，另一級電路則進行放大，因此二級電路不會同時使用運算放大器。在每一解析 循環(huán)結(jié)束時，后級電路的輸出藉由模擬多工器而反饋至前級電路。本實施例循環(huán)式ADC的 操作速度較傳統(tǒng)循環(huán)式ADC架構(gòu)來得快。 借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明適用于流水線式或循環(huán)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前后級解析度 可調(diào)的共享運算放大器技術(shù)至少具有下列優(yōu)點及有益效果 本發(fā)明是有關(guān)于一種流水線式( )或循環(huán)式(cyclic)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器包含至少一組串聯(lián)的二級電路，其具有各自不同的解析位元。二級 電路共享一放大器，且其操作是互相錯開的。此種前后級解析度可調(diào)(stage-resolution scalable)的共享運算放大器技術(shù)可適用于流水線式或循環(huán)式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，藉此大幅減 少功率消耗并提高操作速度。本發(fā)明在技術(shù)上有顯著的進步，并具有明顯的積極效果，誠為 一新穎、進步、實用的新設(shè)計。 上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能夠 更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。


圖1是顯示傳統(tǒng)流水線式ADC架構(gòu)的示意圖。 圖2是顯示具偏移量校正機制的乘積數(shù)模轉(zhuǎn)換器(MDAC)的電路及其操作示意圖。
圖3是顯示不具偏移量校正機制的乘積數(shù)模轉(zhuǎn)換器(MDAC)的電路及其操作示意 圖4是顯示雙通道時分多址ADC的示意圖。 圖5是顯示共享運算放大器的流水線式ADC的示意圖。 圖6顯示本發(fā)明實施例之一的可適用于流水線式ADC的前后級解析度可調(diào) (stage-resolution scalable)的共享運算放大器示意圖。 圖7A至圖7D是比較傳統(tǒng)流水線式ADC(圖1)、傳統(tǒng)重復(fù)取樣技術(shù)(圖4)、傳統(tǒng)共 享運算放大器技術(shù)(圖5)及本發(fā)明實施例(圖6)的功率消耗的示意圖。
圖8是顯示另一實施例的可適用于流水線式ADC的前后級解析度可調(diào) (stage-resolution scalable)的共享運算放大器示意圖。 圖9是顯示本發(fā)明另一實施例的適用于循環(huán)式ADC前后級解析度可調(diào) (stage-resolution scalable)的共享運算放大器的示意圖。 1 :傳統(tǒng)流水線式ADC架構(gòu) 12:ADC各級電路 121 :子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(sub-ADC) 122 :子數(shù)模轉(zhuǎn)換器(sub-DAC) 123:取樣保持(S/H)電路 125 :放大器 13 :延遲元件 4 :雙通道時分多址ADC架構(gòu) 40 :通道 41 :通道 42 :運算放大器 5 :共享運算放大器的流水線式ADC 52 :運算放大器 6 :本發(fā)明實施例之一的流水線式ADC 61:ADC各級電路 62:放大器 9 :本發(fā)明另一實施例的循環(huán)式ADC
11 :前端取樣保持放大器 120 :乘積DAC
124 :模擬減法器 126 :殘值信號 14 :數(shù)字校正電路
91 :第一級電路 93 :多工器 95:數(shù)字校正電路 clkl、clk2 :時脈信號
92 :第二級電路 94 :放大器 Cs、Cf :電容
具體實施例方式
為更進一步闡述本發(fā)明為達成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合 附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的適用于流水線式或循環(huán)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前后級解 析度可調(diào)的共享運算放大器技術(shù)其具體實施方式
、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細說明如后。
有關(guān)本發(fā)明的前述及其他技術(shù)內(nèi)容、特點及功效，在以下配合參考圖式的較佳實 施例的詳細說明中將可清楚呈現(xiàn)。通過具體實施方式
的說明，當可對本發(fā)明為達成預(yù)定目 的所采取的技術(shù)手段及功效得一更加深入且具體的了解，然而所附圖式僅是提供參考與說 明之用，并非用來對本發(fā)明加以限制。 圖6是顯示本發(fā)明實施例之 一 的前后級解析度可調(diào) (stage-resolutionscalable)的共享運算放大器技術(shù)，其可適用于流水線式(pipelined) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 6。在本實施例中，ADC 6的每一級電路具有不同的解析度。相鄰級電路 (例如圖式中的級1及級2)共享一放大器62(例如運算放大器)。相鄰級電路的操作是互 相錯開的(當某級在取樣時，另一級則進行放大)，因此，前后相鄰兩級電路不會同時使用 放大器62，藉此可節(jié)省一半的功率消耗。每一級電路61的組成元件及其連接組態(tài)類似圖1 所示的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(sub-ADC)、子數(shù)模轉(zhuǎn)換器(sub-DAC)、取樣保持(S/H)電路及模擬減 法器，其中的子DAC、取樣保持放大器及模擬減法器共同組成一乘積數(shù)模轉(zhuǎn)換器(MDAC)。圖 6所示的ADC 6還可額外增加如圖l所示的延遲元件，也可額外增加如圖l所示的前端取樣 保持放大器(SHA)。這些組成元件的連接及其操作則不予贅述。 在本發(fā)明實施例中，相鄰二級電路當中的前級(例如級1)的解析度位元較后級 (例如級2)低。由于前后兩級的放大倍率不同，因此MDAC的反饋系數(shù)(feedback factor) 將會不同，此將造成后級電路誤差變大。不過，由于后級電路原本即可比前級電路容許更大 的誤差，因此，后級電路誤差將不會影響整體的效能。 在一例示實施例中，前級電路解析1. 5位元(亦即，1. 5位元/級)而后級電路解 析2. 5位元(亦即，2. 5位元/級)，因此，前級的反饋系數(shù)為1/2 (Cf = Cs)而后級的反饋系 數(shù)為1/4(Cs = 3xCf)。雖然本實施例以1. 5/2. 5的解析位元為例，然熟悉該技術(shù)領(lǐng)域者當 可作其他的改變。反饋系數(shù)的不同將造成以下的議題。
1.反饋誤差不同 反饋誤差(e)是反比于運算放大器的增益(A)與反饋系數(shù)(e)的乘積，亦即 1 由于后級電路具較小反饋系數(shù)，因此，后級電路將感受到較大的反饋誤差。如前所 述，由于流水線式ADC的后級電路的精確度要求較前級電路來得低，因此該反饋誤差是可 以容忍的。 2.電路穩(wěn)定時間不同
在反饋系統(tǒng)中，較小的反饋系數(shù)將造成較小的回路頻寬或者較長的穩(wěn)定時間。在 本實施例中，相對于前級電路，后級電路具有較長的穩(wěn)定時間及較多的穩(wěn)定誤差。然而，由 于流水線式ADC的后級電路的精確度要求較前級電路來得低，此穩(wěn)定誤差是可以容忍的。
3.電路相位邊界(phase margin)不同 在反饋系統(tǒng)中，不同的反饋系數(shù)會造成不同的相位邊界，因而影響電路的穩(wěn)定度。 擁有較大反饋系數(shù)的系統(tǒng)會比較不穩(wěn)定，因而需要較大的相位邊界來保持其穩(wěn)定度。在本 實施例中，由于前后級電路的解析度僅有一位元之差，因此反饋系數(shù)相差不大；若要提供一 足夠的相位邊界并不困難，所以，可輕易確保電路的穩(wěn)定度。 針對上述的討論，本實施例并不需要耗費太多額外的成本來克服這些議題。相較 于傳統(tǒng)共享運算放大器技術(shù)，本發(fā)明實施例可解析出更多位元。換句話說，對于相同的解析 度位元，本發(fā)明實施例比傳統(tǒng)共享運算放大器技術(shù)使用較少級電路。本發(fā)明實施例的功率 消耗相當于傳統(tǒng)的重復(fù)取樣技術(shù)，但是卻無通道不匹配問題。 圖7A至圖7D比較傳統(tǒng)流水線式ADC(圖1)、傳統(tǒng)重復(fù)取樣技術(shù)(圖4)、傳統(tǒng)共享 運算放大器技術(shù)(圖5)及本發(fā)明實施例(圖6)的功率消耗，比較結(jié)果則列于表一。
對于圖7A所示的傳統(tǒng)流水線式ADC，每一級電路是使用一放大器。每經(jīng)過一級電 路其解析度要求降一位元，且功率消率也減少一半?？偣β氏膭t為十二級電路功率消耗 之和。對于圖7B所示的傳統(tǒng)重復(fù)取樣技術(shù)，由于每一級的操作速度變?yōu)閮杀?，因此功率?耗為圖7A的一半。對于圖7C所示的傳統(tǒng)共享運算放大器技術(shù)，其僅需要六個共享放大器， 因而節(jié)省了大幅的功率消耗。對于圖7D所示的本發(fā)明實施例，每一放大器由二相鄰級電路 所共享以解析三位元；相對地，圖7C則僅能解析二位元。在本實施例中，僅需要四個放大 器。根據(jù)表一，傳統(tǒng)重復(fù)取樣技術(shù)的功率消耗最小，而本實施例次之。然而，傳統(tǒng)重復(fù)取樣 技術(shù)需要使用額外電路來補償通道不匹配問題，因此會消耗更多的功率并增加電路設(shè)計的 復(fù)雜度。
表一
14位元ADC技術(shù)功率運算放大器的數(shù)量
傳統(tǒng)~ 212
重復(fù)取樣~ 112
共享運算放大器1. 3336
實施例1. 1424 圖8是顯示另一實施例的可適用于流水線式ADC的前后級解析度可調(diào) (stage-resolution scalable)的共享運算放大器的示意圖。在本實施例中，使用前端取樣 保持放大器(SHA)以提供電路高輸入頻寬。該前端取樣保持放大器(SHA)與第一級電路的 操作是互相錯開的，且共享一放大器；而第二級則和第三級電路共享另一放大器，依此類推 至其他級電路。 圖9是顯示本發(fā)明另 一 實施例的前后級解析度可調(diào) (stage-resolutionscalable)的共享運算放大器的示意圖，其是適用于循環(huán)式ADC 9。在
10本實施例中，第一級電路解析部分的位元(例如二位元)。接著，第一級91產(chǎn)生殘值信號并 反饋至第二級92，其再解析其他部分位元(例如三位元)。第二級92所產(chǎn)生的殘值信號則 經(jīng)由多工器93反饋至第一級91，如此完成一個循環(huán)。在此操作循環(huán)當中，是共享一放大器 94。循環(huán)式ADC 9更包含數(shù)字校正電路95，用以校正及整合經(jīng)解析的位元，最終輸出一個N 位元數(shù)字碼。與圖6作比較，由于循環(huán)式ADC 9重復(fù)使用二級電路，因而可以大幅節(jié)省電路 面積，不過操作速度會較慢。相較于傳統(tǒng)的循環(huán)式ADC，本實施例的循環(huán)式ADC 9在每個循 環(huán)當中解析較多的位元，因此其操作速度較傳統(tǒng)循環(huán)式ADC來得快。 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖 然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾 為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì) 對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于其包含至少一組串聯(lián)的二級電路，其中該二級電路具有不同解析位元；以及一第一放大器，由該二級電路所共享，其中該二級電路的操作是互相錯開的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，當該組的二級電路其中一級電路 進行取樣時，另一級電路則進行放大，該二級電路不會同時使用該放大器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該組的二級電路的前級電路比同 組的后級電路解析的位元少，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前后級電路具有不同解析度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該組的二級電路具有不同放大率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該組的二級電路的每一級電路包含一子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對該級電路的輸入信號進行初步量化； 一子數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將該子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號； 一取樣保持放大器，用以取樣及保持該級電路的輸入信號； 一模擬減法器，將取樣的輸入信號減去該模擬信號，以產(chǎn)生一殘值信號；以及 一第二放大器，用以放大該殘值信號。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于其更包含一前端取樣保持放大器， 用以提供該輸入信號給該組的二級電路。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于其更包含一數(shù)字校正電路，用以校 正及整合該組的二級電路的輸出。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于其更包含一延遲元件，連接于該組 的二級電路的輸出與該數(shù)字校正電路之間，用以同步該組的二級電路的輸出。
9. 一種前后級解析度可調(diào)的共享運算放大器的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于其包含多組串聯(lián)的電路，該多組的電路中的每一組電路包含串聯(lián)的二級電路，其中該每一組 電路的前級電路比同組的后級電路解析的位元少；以及多個運算放大器，每一該運算放大器由一組電路共享，其中同一組的二級電路的操作 是互相錯開的，藉此，當該組的其中一級電路進行取樣時，另一級電路則進行放大，該二級 電路不會同時使用該運算放大器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的前后級解析度可調(diào)的共享運算放大器的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換 器，其特征在于，該組的二級電路的每一級電路包含一子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對該級電路的輸入信號進行初步量化； 一子數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將該子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號； 一取樣保持放大器，用以取樣及保持該級電路的輸入信號； 一模擬減法器，將取樣的該輸入信號減去該模擬信號，以產(chǎn)生一殘值信號；以及 一放大器，用以放大該殘值信號。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的前后級解析度可調(diào)的共享運算放大器的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn) 換器，其特征在于其更包含一前端取樣保持放大器，用以提供該輸入信號給第一組電路，該 前端取樣保持放大器與該第一組電路共享一放大器。
12. —種前后級解析度可調(diào)的共享運算放大器的循環(huán)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于其包含一組串聯(lián)的二級電路，該組二級電路的前級電路比后級電路解析的位元少； 一運算放大器，由該二級電路共享，其中該二級電路的操作是互相錯開的，藉此，當其中一級電路進行取樣時，另一級電路則進行放大，該二級電路不會同時使用該運算放大器；以及一模擬多工器，在一解析循環(huán)結(jié)束時，該后級電路的輸出藉由該模擬多工器而反饋至 該前級電路。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的前后級解析度可調(diào)的共享運算放大器的循環(huán)式模數(shù)轉(zhuǎn)換 器，其特征在于，該組的每一級電路包含一子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對該級電路的輸入信號進行初步量化； 一子數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將該子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號； 一取樣保持放大器，用以取樣及保持該級電路的輸入信號； 一模擬減法器，將取樣的輸入信號減去該模擬信號，以產(chǎn)生一殘值信號；以及 一放大器，用以放大該殘值信號。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的前后級解析度可調(diào)的共享運算放大器的循環(huán)式模數(shù)轉(zhuǎn)換 器，其特征在于其更包含一前端取樣保持放大器，用以提供該輸入信號給該組二級電路。
全文摘要
本發(fā)明是有關(guān)于一種流水線式(pipelined)或循環(huán)式(cyclic)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器包含至少一組串聯(lián)的二級電路，其具有各自不同的解析位元。二級電路共享一放大器，且其操作是互相錯開的。此種前后級解析度可調(diào)(stage-resolution scalable)的共享運算放大器技術(shù)可適用于流水線式或循環(huán)式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，藉此大幅減少功率消耗并提高操作速度。
文檔編號H03M1/12GK101741385SQ200810175260
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月10日
發(fā)明者張順志, 林進富, 黃志豪 申請人:承景科技股份有限公司;財團法人成大研究發(fā)展基金會