本發(fā)明涉及一種可在模數(shù)轉(zhuǎn)換是特別有用的改進(jìn)的電壓采樣電路。

背景技術(shù)：

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)被廣泛使用，并且被設(shè)計(jì)用于采樣和進(jìn)行量化輸入電壓，通過與參考電壓比較。參考電壓可以每個表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)值。電容器充當(dāng)存儲器元件以保持所采樣的輸入電壓進(jìn)行處理。常規(guī)逐次逼近(sar)adc是一種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的一種類型，雖然其他是可能的，包括流水線型adc。共同轉(zhuǎn)讓的美國專利6,667,707b2，其中描述了一種用于saradc的基于地面的電壓采樣方法，其中采樣電容器的基準(zhǔn)板在采樣期間連接到地，在此通過引用以其整體并入。共同轉(zhuǎn)讓的美國專利7,167,121b2描述分割參考電壓采樣，以對于saradc在正電源電壓vdd和接地之間產(chǎn)生參考電壓，在此通過引用以其整體并入。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

術(shù)本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，除其他事項(xiàng)外，所使用的電壓采樣電路的具體的改進(jìn)，例如在模數(shù)轉(zhuǎn)換器是可能的。本文件描述了一種saradc采樣電路，該電路使用非零電壓電源vdd作為共模電壓，用于電壓采樣。這種方法可改進(jìn)供電效率，諸如經(jīng)過產(chǎn)生具有連續(xù)工作的共模電壓發(fā)生器電路的共模電壓。

該采樣電路設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多種優(yōu)點(diǎn)。例如，它可以減少或消除基于地面采樣方法的泄漏的擔(dān)憂，諸如不需要共模升壓電路。這種方法可允許更大的可用電壓擺動，例如，vdd±vdd，取代vdd/2±vdd/2，從而潛在地加倍adc輸入電壓范圍。由于vdd可在電路中容易獲得，就像地面，如本文所述設(shè)計(jì)的adc可還適合于被動采樣，以及因而超低功耗應(yīng)用。

在一個示例中，用于采樣電壓的集成電路可包括多個開關(guān)電路，每個在采樣階段經(jīng)由各自的基準(zhǔn)開關(guān)電連接相應(yīng)電容的相應(yīng)基準(zhǔn)板到非零電源電壓vdd，并經(jīng)由各自的輸入開關(guān)電連接所述電容器的相應(yīng)輸入板到相應(yīng)的輸入電壓，以及在保持階段，保持電容器的采樣電壓。

在一個例子中，電壓采樣方法可以包括，在采樣階段中使用多個開關(guān)電路的每個，通過基準(zhǔn)開關(guān)電連接電容器的基準(zhǔn)板到非零電源電壓vdd，和通過輸入開關(guān)電連接電容器的輸入板到輸入電壓的。在保持階段，開關(guān)電路可以保持每個電容器采樣的電壓。

在一個例子中，系統(tǒng)可以包括裝置，用于采樣和保持多個數(shù)字電壓，每個相對于非零電源的共模電壓vdd測量，以及裝置，用于執(zhí)行如下至少一個的模數(shù)數(shù)據(jù)：(a)輸入電壓之一和(b)兩個輸入電壓之間的差。

此概述旨在提供本專利申請的主題的概述。它并非意在提供本發(fā)明的排他性或窮盡的說明。詳細(xì)的描述包括提供關(guān)于本專利申請進(jìn)一步的信息。

附圖說明

在附圖中，附圖不一定按比例繪制，相同的標(biāo)號可以描述在不同的視圖類似的組件。就像后綴字母數(shù)字可能代表著不同的情況下，類似的是不同的組件。附圖通常以舉例的方式示出，而不是以限制的方式，各種實(shí)施例討論了本文件。

圖1示出saradc100的示例的功能框圖。

圖2表示基于差分輸入開關(guān)電容器saradc200的示例的功能框圖。

圖3示出開關(guān)電容器電路實(shí)施方式202的示例，如用于模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖4示出電壓采樣電路400的例子，vdd作為共模電壓的采樣，諸如用于模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖5示出具有柵極升壓參考板開關(guān)的電壓采樣電路500的示例，諸如用于模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖6示出具有使用輸入/輸出(i/o)設(shè)備的基準(zhǔn)板的電壓采樣電路600的示例，諸如用于模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖7示出了使用高閾值電壓p溝道設(shè)備的基準(zhǔn)板開關(guān)的電壓采樣電路700，諸如用于模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖8示出電壓采樣方法800的流程圖，諸如用于模數(shù)轉(zhuǎn)換。

具體實(shí)施方式

圖1示出saradc100的示例的功能框圖。采樣電路102可以在采樣階段采樣在節(jié)點(diǎn)104和106的輸入電壓，并在保持階段保持這些電壓，到隨后的轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換階段，比較器電路118可以順序執(zhí)行在節(jié)點(diǎn)104和106的輸入電壓與在節(jié)點(diǎn)108和110的參考電壓的各種加權(quán)比較，如能由數(shù)模轉(zhuǎn)換器(dac)112產(chǎn)生，諸如基于從控制電路116的一個或多個控制信號114。控制電路116可以包括逐次逼近邏輯，其反復(fù)調(diào)整dac112的輸出以最佳匹配采樣的輸入差分電壓，在給定的分辨率，從而完成離散時間的負(fù)反饋回路。saradc可執(zhí)行二進(jìn)制搜索，其可以解決每個比較電路118決定的一個位?？刂齐娐?16可以接收每個比較器電路118決策，并相應(yīng)更新應(yīng)用到dac112的控制信號114。

圖2示出根據(jù)示例性差分輸入saradc的功能框圖切換電容器200。開關(guān)電容器電路202可以執(zhí)行在圖1中所示的采樣和dac功能。在采樣階段之后，開關(guān)電容器電路202可以一起切換二進(jìn)制加權(quán)電容器陣列的構(gòu)件，以重新分配存儲的電荷。在開關(guān)電容電路202中各種電荷再分發(fā)產(chǎn)生的在節(jié)點(diǎn)204和206的電壓可被提供給該比較電路器118。比較器電路118可以執(zhí)行按位試驗(yàn)序列，其反復(fù)管理之前所述的dac。控制電路116還提供了數(shù)字輸出信號208，它對應(yīng)于上次使用的數(shù)字字，例如，電容器連接的位的值，其中，在完成sar之后，提供從模擬輸入信號值轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號值。

圖3示出如用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的開關(guān)電容器電路202實(shí)施的一個例子。為了說明的清晰，對于4位adc的開關(guān)電容器電路202被示出。第一開關(guān)電路302可以包括電容器c1-c4x和開關(guān)s1-s4x和s9，用于執(zhí)行例如由控制信號114指定的dac值的最顯著位的數(shù)模轉(zhuǎn)換。電容器c1-c4可能分別有二進(jìn)制加權(quán)電容值c/2，c/4，c/8，c/16。電容器c4x可以具和c4相同的電容，即c/16，所以即電容c2-c4x之和等于c1的電容。類似的第二開關(guān)電路304可以包括c5-c8x和開關(guān)s5-s8x和s10，用于執(zhí)行例如由控制信號114指定的dac值的最顯著位的數(shù)模轉(zhuǎn)換。電容器c5-c8可以分別具有二進(jìn)制加權(quán)電容值c/2，c/4，c/8，和c/16。電容器c8x可以具有和c8相同的電容，即c/16，所以c6-c8x電容之和等于c5的電容。開關(guān)s1-s10可以由控制電路116提供的控制信號114來控制。

在采樣階段中，開關(guān)s9可以閉合，開關(guān)s1-s4可以連接每一個電容器c1-c4x，以相對于在節(jié)點(diǎn)210的共模電壓節(jié)點(diǎn)采樣節(jié)點(diǎn)104的輸入電壓。開關(guān)s10可還關(guān)閉，開關(guān)s5s8可連接每個電容器c5-c8x，以相對于在節(jié)點(diǎn)210處的共模電壓采樣在節(jié)點(diǎn)106的輸入電壓。在采樣階段的結(jié)束，開關(guān)s9和s10可以被打開。在隨后的階段轉(zhuǎn)換時，控制電路116可以基于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法而設(shè)置s4x和開關(guān)s1-s5-s8x的各種狀態(tài)，并監(jiān)視由比較器電路118提供的信號。

比較器電路118可以在給定的輸入電壓范圍最佳操作。因此adc可以包括電路以在采樣階段在節(jié)點(diǎn)210生成特定共模電壓，在比較階段進(jìn)行個體比較。在節(jié)點(diǎn)210的共模電壓可設(shè)置為任意的恒定值，如在采樣期間在用于兩個比較器電路118輸入的示例。在節(jié)點(diǎn)210的共模電壓可設(shè)定在電源電壓vss和vdd之間的中間，以便增加或最大化比較器電路118輸入信號擺幅。adc還可使用共同模式緩沖電路，如在采樣階段有助于驅(qū)動每個采樣轉(zhuǎn)換電容器的基準(zhǔn)板到其對應(yīng)的基準(zhǔn)電壓，同時采樣電容器的輸入板連接到輸入電壓。

參考電壓發(fā)生器電路和共模緩沖電路的連續(xù)功耗可不利得限制adc在行業(yè)的廣泛應(yīng)用。在sar類型adc的總功率耗散可以由參考電壓發(fā)生器電路來支配，尤其是當(dāng)adc大部分時間斷電，而輸入電路保持跟蹤所述輸入信號。與此相反，當(dāng)激活時，由比較器電路和切換電路信號的總功率僅是所用的總功率的一小部分。

在一種方法中，分裂參考采樣可在采樣期間在vdd和地之間生成參考電壓。這種方法可不需要共模發(fā)生器電路也不需要共模緩沖電路，并且因此可以降低功耗。然而，這種方法可涉及附加電路的復(fù)雜性。

在另一種方法中，基于地面的采樣電路可以在采樣期間連接采樣電容器的參考板到地。這種方法可不另外需要共模電壓發(fā)生器電路和共模緩沖電路，并且因此可以降低功耗。然而，這種方法可涉及附加電路的復(fù)雜性，用于提升adc操作的至少一部分的共模電壓。當(dāng)采樣電容的參考板電壓擺幅低于地面時，可需要該提升以避免晶體管漏電流。

所述的分割參考采樣和基于地面的采樣方法可每個適用于被動采樣，以便可以完全關(guān)閉adc以節(jié)省電力，同時采樣電路跟蹤輸入電壓。被動采樣對于許多adc應(yīng)用是重要的，用于實(shí)現(xiàn)超低功耗。然而，這兩種方法可潛在地在采樣電容器的基準(zhǔn)板具有限制的電壓擺動。

圖4示出具有電源電壓(vdd)的電壓采樣電路400的示例，作為共模電壓的采樣，諸如用于模數(shù)轉(zhuǎn)換。在采樣階段中，第一輸入開關(guān)402、第二輸入開關(guān)404、第一基準(zhǔn)開關(guān)406和第二基準(zhǔn)開關(guān)408全都關(guān)閉。第一電容器412的第一輸入410板可以因此在節(jié)點(diǎn)104被充電到輸入電壓，和第二板電容器416的第二輸入端414可因此在節(jié)點(diǎn)106被充電至輸入電壓。第一電容器412的第一基準(zhǔn)板418可以因此被充電到vdd，而第二電容器416的第二基準(zhǔn)板420可以被充電到vdd。比較器電路118(或其他類似的電連接電路)可以從電壓采樣電路400在節(jié)點(diǎn)204和206接收作為其輸入的電壓，其可每個在采樣期間等于vdd，所以在節(jié)點(diǎn)210的共模電壓也可等于vdd。

電壓采樣電路400可包括基于差分輸入開關(guān)電容的saradc200的開關(guān)電容電路202的實(shí)例的子集，如示于圖3。其上半部包括第一開關(guān)電路302和其下半包含第二開關(guān)電路304。換句話說，在圖4中，在每一個開關(guān)電路中僅示出單個電容器，然而多個電容器可以被取代。另外，電壓采樣電路400可以應(yīng)用在其它應(yīng)用中。例如，電壓采樣電路400可以作為運(yùn)算放大器電路的輸入級。該運(yùn)算放大器電路可以例如作為流水線adc電路的輸入。在一個例子中，電壓采樣電路400可以用作比較器電路118的輸入級，其可以單獨(dú)應(yīng)用在其它應(yīng)用中。

在保持階段，第一輸入開關(guān)402，第二輸入開關(guān)404、第一基準(zhǔn)開關(guān)406和第二基準(zhǔn)開關(guān)408都打開。因此，在示出的電容器的各種板上的多種電壓可以都在保持期間保持，諸如用于隨后的處理，諸如先前描述的轉(zhuǎn)換階段。該后續(xù)處理可包括在saradc電路中的電荷再分配，由于之前所述的開關(guān)重新配置，但其他例子是可能的。

在轉(zhuǎn)換階段，在節(jié)點(diǎn)204和206的電壓擺幅可以高于vdd。超越供電電壓發(fā)生，泄漏電流和可損害或應(yīng)用于集成電路的場效設(shè)備，用于信號處理。這些不希望的后果可影響用作電壓采樣電路400中開關(guān)的晶體管，以及在連接的電路的輸入級中使用的晶體管，如此前描述的比較器電路118或運(yùn)算放大器電路。本文件現(xiàn)在具體的解決方案的實(shí)施例中，每一個適用于saradc、比較器電路118或之前描述的運(yùn)算放大器電路，和其它電路設(shè)計(jì)應(yīng)用。

圖5示出具有柵極升壓參考板開關(guān)的電壓采樣電路500的示例，諸如用于模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖4的第一基準(zhǔn)開關(guān)406和第二基準(zhǔn)開關(guān)408不必使用單獨(dú)用常規(guī)n溝道場效應(yīng)晶體管實(shí)現(xiàn)，由于潛在損害或晶體管的漏電流。相反，時鐘升壓電路可以升壓非零供應(yīng)電壓vdd，例如，2*vdd的升壓電壓值，用于施加到開關(guān)晶體管的柵極端子。例如相對于開關(guān)晶體管的源極端產(chǎn)生的其他vdd被描繪為每個n溝道場效應(yīng)晶體管510和512的柵極和源極之間的有效電壓，用于清晰。圖4的每個基準(zhǔn)開關(guān)406和408因此可以包括n溝道場效應(yīng)晶體管(例如，510和512)，每個從時鐘升壓電路接收升壓電壓作為其柵極端子電壓，和vdd作為其源極電壓端子。這允許電容器的基準(zhǔn)板418和420，以圍繞vdd共模電壓潛在地?cái)[動到vdd正和負(fù)，當(dāng)柵極電壓為2*vdd時，沒有顯著泄漏。

圖6示出具有使用輸入/輸出(i/o)設(shè)備的基準(zhǔn)板的電壓采樣電路600的示例，諸如用于模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖4的第一基準(zhǔn)開關(guān)406和第二基準(zhǔn)開關(guān)408再次可不使用單獨(dú)規(guī)則n溝道場效應(yīng)晶體管來實(shí)現(xiàn)，由于潛在的損害或晶體管的漏電流。相反，在本實(shí)施例中，i/o晶體管610和612用作基準(zhǔn)開關(guān)。在混合集成電路中使用的i/o晶體管可以具有比場效應(yīng)晶體管較厚的柵極電介質(zhì)等，如圖所示，以承受其他晶體管較高的柵極電壓。在給定電路設(shè)計(jì)中，i/o設(shè)備可運(yùn)行在和其它晶體管的電壓域不同的電壓域，例如，在電源電壓和時鐘的電壓可能會更高的域中。因此，i/o電壓域可以驅(qū)動時鐘信號切換晶體管柵極端子，使用比vdd更高的電壓iovdd可能。圖4的每個基準(zhǔn)開關(guān)406和408因此可以包括i/o型n溝道場效應(yīng)晶體管，每個從時鐘電壓升壓電路接收iovdd作為其柵極端子，并vdd作為其源極端子電壓。這允許該基準(zhǔn)板418和電容器420，以從地面潛在擺動到iovdd，沒有顯著泄漏的擔(dān)憂或設(shè)備的可靠性。

圖7示出了使用高閾值電壓p溝道設(shè)備的基準(zhǔn)板開關(guān)的電壓采樣電路700，諸如用于模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖4的第一基準(zhǔn)開關(guān)406和第二基準(zhǔn)開關(guān)408再次可不使用單獨(dú)規(guī)則n溝道場效應(yīng)晶體管來實(shí)現(xiàn)，由于潛在的損害或晶體管的漏電流。相反，圖4的每個基準(zhǔn)開關(guān)406和408可以包括高閾值電壓的p溝道場效應(yīng)晶體管(例如，710和712)。每個p溝道場效應(yīng)晶體管可具有閾值電壓，可足夠高使得p溝道場效應(yīng)晶體管保持關(guān)閉，例如，基本上不導(dǎo)電的期間從地電壓波動，在vdd，并且至vdd加閾值電壓，即，不超出典型顯著電流的亞閾值漏電流通常與弱反轉(zhuǎn)或p溝道場效應(yīng)晶體管的中等反轉(zhuǎn)操作關(guān)聯(lián)。

圖8示出電壓采樣方法800的流程圖，如用于模數(shù)轉(zhuǎn)換。在802，該方法可包括：在采樣階段，采用第一切換電路，經(jīng)第一基準(zhǔn)開關(guān)，將第一參考電容器的第一板電連接到非零電源電壓vdd。在804，該方法可以進(jìn)一步包括：經(jīng)由第一輸入電壓開關(guān)，將第一輸入電容器的第一板電連接至第一輸入。

在806，該方法可以進(jìn)一步包括，使用第二開關(guān)電路，經(jīng)由第二基準(zhǔn)開關(guān)電連接第二電容器的第二參考板與vdd。在808，該方法可以進(jìn)一步包括：經(jīng)由第二輸入電壓開關(guān)，將第二輸入電容器的第二板電連接到第二輸入端。單獨(dú)列出操作802-808，并可同時發(fā)生。在810，在保持階段，該方法可以進(jìn)一步包括：保持在每個電容器采樣的電壓。在812，在轉(zhuǎn)化階段，該方法可以進(jìn)一步包括：執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，但電壓采樣方法的該特定應(yīng)用是可選的。

上述提供的示例每個處理差分輸入信號，例如，由兩個獨(dú)立輸入電壓之間的差表示，諸如節(jié)點(diǎn)104和106。然，系統(tǒng)的原理可更廣泛地用于處理單端輸入信號，例如，由諸如節(jié)點(diǎn)104或106的輸入電壓表示，相對于地面。在每個圖3-7中，例如，所提供的每個電路的一半可以處理單端輸入信號，例如輸入信號vin+，如之前所述。同樣地，在圖8中，關(guān)于第一輸入電壓的操作可對于單端輸入信號執(zhí)行，因此關(guān)于適用于差分輸入信號的第二輸入電壓的操作可省略。

每個這些非限制性實(shí)施例的可代表它自己，或在各種排列或組合中組合一個或多個其它實(shí)施例。

上面的描述包括具體參照附圖，附圖構(gòu)成了詳細(xì)描述的一部分。附圖示出，通過可實(shí)踐本發(fā)明的例證，具體實(shí)施例的方式。這些實(shí)施方案在此也稱為為“實(shí)施例”。這樣的實(shí)施例可以包括除了那些示出或元件。然而，發(fā)明人出席例子，其中只考慮那些元素顯示或描述提供。此外，本發(fā)明還考慮使用中所示的那些元件或描述(或其一個或多個方面)的任何組合或置換例中，任一相對于一特定實(shí)施例(或者一個或多個方面體)，或相對于其它實(shí)施例(或者一個或多個方面)或其描述本文所示。

在本文件和任何文件之間不一致用法的情況下，因此通過引用并入，本文件控件的使用。

在該文件中，如在專利文件中常見，術(shù)語“一”或“一個”的使用，包括一個或一個以上，獨(dú)立于“至少一個”或“一個或更多個”的任何其他示例或使用。在本文件中，術(shù)語“或”用來指非排他的或，使得“a或b”包括“a不是b”，“b不是a”和“a和b”，除非另有表示。在所附的權(quán)利要求，術(shù)語“包含”和“其中”相應(yīng)術(shù)語“包括”和“其中”的普通英語等效。另外，在下面的權(quán)利要求，術(shù)語“包含”和“包括”是開放式的，即包括所列元件的元件的系統(tǒng)、設(shè)備，物品或過程，除了在權(quán)利要求仍被認(rèn)為在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。此外，在下面的權(quán)利要求中，術(shù)語“第一”、“第二”和“第三”等僅被用作標(biāo)簽，并且不旨在以給其數(shù)值的對象的要求。本文所描述的方法示例可至少部分機(jī)器或計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

幾何術(shù)語，如“平行”，“垂直”，“圓”或“方”，不打算絕對需要數(shù)學(xué)精度，除非上下文另有說明。相反，這樣的幾何條件允許因制造或同等功能的變化。例如，如果一個元件描述為“圓形”或“一般圓形”，不是正圓形的組件(例如，略呈長方形或者是多邊形)仍然由該描述包括。

實(shí)例方法可以機(jī)器或至少部分計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。一些示例可以包括具有指令編碼的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或機(jī)器可讀介質(zhì)，其可操作以配置電子設(shè)備來執(zhí)行法如在上述示例中描述的方法。該方法的實(shí)施方式包括代碼，如微代碼，匯編語言代碼，高級語言代碼等。該代碼可以包括用于執(zhí)行各種方法的計(jì)算機(jī)可讀指令。代碼可形成計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的部分。此外，在一個例子中，代碼可以被有形地存儲在一個或多個易失性的，非短暫的，有形的或非易失性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，諸如在執(zhí)行期間或在其它時間。這些有形計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以例如包括(而不限于)硬盤、可移動磁盤、可移動光盤(例如，壓縮盤和數(shù)字視頻盤)、磁帶盒、存儲卡或棒、隨機(jī)存取存儲器(的ram)、只讀存儲器(rom)和類似物。

上面的描述旨在示例性的，而不是限制性的。例如，上述示例(或其一個或多個方面)可以被用于在相互結(jié)合?？墒褂闷渌麑?shí)施例，如由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在回顧上面的描述。摘要被提供以遵從37c.f.r.§1.72(b)，以允許讀者快速地確定該技術(shù)公開的性質(zhì)。據(jù)稱它不用來解釋或限制權(quán)利要求的范圍或含義。另外，在上述的詳細(xì)說明中，各種特征可組合在一起以簡化本公開。這不應(yīng)理解為意圖使該公開特征對于任何權(quán)利要求是必不可少的。相反，創(chuàng)造性的主題可以少于所公開的實(shí)施例的特定所有特征。至此，以下權(quán)利要求在此并入詳細(xì)說明中，沒想權(quán)利要求代表自己作為單獨(dú)的實(shí)施例。本發(fā)明的范圍應(yīng)確定參考所附的權(quán)利要求，隨著這些權(quán)利要求聲稱的等價(jià)物的全部范圍。