闪速a/d转换器的制作方法

文档序号:7539937阅读:402来源:国知局
专利名称:闪速a/d转换器的制作方法
技术领域
本发明涉及权利要求l前序部分定义的闪速模拟到数字转换器。
技术背景从碰der Ploeg等人在《IEEE Journal of Solid State Circuits》中发表的文章《A 2. 5V 12-b 54-Msample/s 0. 25 u m CMOS ADC in l-mra2 With Mixed-Signal Chopping and Calibration》 (2001 年12月,第12期,第36巻,第1859— 1867页)中可以了解到这样 的转换器。闪速模拟到数字转换器包含电阻参考梯级电路,用于产生多个 参考电压。单级闪速转换器的问题在于,对于数字输出信号的各个值, 都需要参考电压,以致对于12位转换器来说,需要具有2"-l = 1023 个电阻元件的参考梯级电路。为了避免这种和其它的问题,研发了多 级闪速转换器。两级闪速转换器使用粗糙和精细量化来实现期望的分 辨率。例如,粗糙量化利用25-1=31个抽头的参考梯级电路生成5位 数字字。随后,在数字到模拟转换器中将该5位字转换成它的模拟等价量,将这个模拟等价量从模拟输入信号中减掉并且将差值(残余量) 施加到第二DA级上,该第二DA级进行残余量的精细量化。这个第二 级可以例如生成7位精细码。在数字解码器中,将5位粗糙码和7 位精细码组合起来获得12位数字输出信号。在实践中,这意味着必 须要给参考梯级电路连上具有大量开关的选择器来进行数字到模拟 转换。这些大量的开关以及相应产生的到达这些开关和从这些开关引 出的大量引线会使得芯片的布局更加复杂,并且会造成很大的寄生电 容,对于高速转换来说,不希望有很大的寄生电容。

发明内容
本发明寻求大幅减少前述类型的闪速模拟到数字转换器的开关 数量,并且因此本发明的模拟到数字转换器的特征在于权利要求1 的特征部分。在前述类型的现有技术的闪速单端、单残余量模拟到数字转换 器中,与参考梯级电路相连的开关的数量是2",其中n是由粗糙量化 级生成的位数。在双残余量形式中,开关的数量加倍到2n+1,并且在 差异形式中,这些开关的数量再次加倍到2n+2。在按照本发明的转换 器中,避免了针对差异形式的加倍,并且取而代之,每个残余量需要 4个开关来进行交叉功能。这意味着,在3位粗糙量化的情况下,在 双残余量差异转换器中,生成残余信号所用的开关的数量从32减少 到了 24。这看起来似乎不是很大的改进,不过,如果粗糙量化的位 数增加到例如5,开关的数量将会从128减少到68,这就是很重大的 改进了。这意味着参考梯级电路的容性负载会小得多,这有助于更快 地生成残余信号,并且因此模拟到数字转换器将会具有更高的速度。 而且,损耗将会更低并且硅面积将会更小。另一个优点是,减少了连 接到这些开关和从这些开关引出的导线的数量。优选的是,参考梯级电路具有双重功能。为粗糙闪速转换生成 第一参考电压。在粗糙量化完成之后,存储粗糙码,并且与参考梯级 电路的抽头相连且由所存储的粗糙码控制的多个选择器生成粗糙码 的模拟表达。优选的是,由参考梯级电路和选择器构成的模拟到数字转换器 生成粗糙码的两个模拟表达,从而能够实现两个残余信号的生成。而 且,在具有大量数字处理的低电压CMOS芯片上,模拟到数字转换器中的所有信号应当优选地是差异信号。本发明此外还涉及权利要求4所述的用在闪速模拟到数字转换 器中的数字到模拟转换器和权利要求6所述的模拟到数字转换方法。


将参照附图对本发明加以介绍。本文给出了图l表示从参考文章中获知的两级闪速模拟到数字转换器,图2a表示图1的模拟到数字转换器中的参考梯级电路和数字到模拟转换器,图2b表示图2a的数字到模拟转换器的输出信号, 图3a表示本发明的模拟到数字转换器中的参考梯级电路和数字 到模拟转换器,和图3b表示图3a的数字到模拟转换器的输出信号。
具体实施方式
图1的模拟到数字转换器示出正施加到粗糙模拟到数字转换器 单元1的模拟输入信号I。通常输入信号是通过采样和保持电路(未 示出)施加的。模拟到数字转换器从电阻参考梯级电路6接收多个参 考电压,该电阻参考梯级电路6的端子与DC电压VT和VB相连。粗 糙模拟到数字转换器单元1包含多个用于将输入信号与梯级电路6 的参考电压进行比较的比较器,并且这些比较结果被作为粗糙量化码 C馈送给数字解码器2。还将粗糙量化码C施加给数字到模拟转换器单元3。这个单元也 接收梯级电路6的参考电压并且包含多个由码C控制的开关。单元3 的输出信号是码C的模拟形式,并且因此通过粗糙量化跟随输入信号 I。将会参照图2和3进一步解释说明这个数字到模拟转换器3的操 作。在减法器4中,从输入信号I中减掉来自数字到模拟转换器3 的经过粗糙量化的模拟信号并且这样获得的差值信号(残余信号R) 是在单元1中进行了粗糙量化之后遗留的量化误差。在精细模拟到数 字转换器5中对这个残余信号R进行数字化并且将由此得到的精细量 化码F施加到数字解码器2的第二输入端上。这个解码器的输出信号 O构成这种电路结构的数字输出信号。打算将图2a中所示的数字到模拟转换器用在具有n = 3位粗糙 量化的双残余量差异模拟到数字转换器中。该数字到模拟转换器利用 了电阻参考梯级电路6,该电阻参考梯级电路6给出多个等差额参考 电压V, —V9。这个梯级电路具有双重功能在粗糙模拟到数字转换器 1中生成用来与输入信号进行比较的参考电压和在数字到模拟转换
器3中创建数字码C的模拟形式。图2a的数字到模拟转换器包括四 个选择器7、 8、 9和10,各选择器具有2n = 8个用于与梯级电路6 的8个参考电压连接的位置。选择器7和8与参考电压V2到V9连接, 用于分别生成模拟信号Ra+和Ra-,而选择器9和10与参考电压VjlJ V8相连,用于分别生成模拟信号Rb+和Rb-。该电路结构此外还包括控 制单元11,该控制单元11从粗糙模拟到数字转换器1接收数字码C。 将选择器7、 8、 9和10画在处于输入信号I具有其最低值时这些选 择器所具有的位置上。在控制单元ll的控制下,这四个选择器是这 样操作的随着输入信号的不断增多,选择器7从V9步进到V2,选 择器8从V2步进到Vg,选择器9从V,步进到^,选择器10从Vs步进 到V,。图2b图解说明图2a的数字到模拟转换器的操作。该图表示对 于输入信号I的8个粗糙量化子范围的数字到模拟转换器的四个输出信号Ra+、 Ra-、 Rh +和Rb-的值。两个信号Ra +和Ra-—起形成用于构成第一残余量的差异粗糙量化信号,两个信号R"和Rh-—起形成用于构成 第二残余量的差异粗糙量化信号。如参照图1所介绍的,精细转换器 5使用这些残余信号来确定精细位F。可以观察到,在实践中,8个单刀开关构成四个选择器7、 8、 9 和10的每一个。因此这种方案需要总共32个单刀开关来进行3位粗 糙量化(2n'2=32,其中n = 3)。在图3a的方案中,开关的数量大幅减少。这种方案的参考梯级 电路与图2a的参考梯级电路完全相同。随着输入信号的不断增多, 输出信号为Q:的4位置选择器12接连选择参考电压V9、 V8、 l和V6 并且之后向回接连选择Vfi、 V7、 Vs和V9。输出信号为Q2的4位置选择 器13接连选择参考电压V2、 V3、 V4和Vs并且之后向回接连选择V5、 V4、 VdBV2。类似地,输出信号为Q3的第三选择器14接连选择电压 Vh V2、 V:,、 V4、 V4、 V3、 VjPVu并且输出信号为Q4的第四选择器15 接连选择电压V8、 V7、 V6、 V5、 V5、 V6、 V7和V8。由图3b的下四行示 出了所有这些电压的选择过程。其本身由粗糙量化码C控制的控制单 元16控制这四个选择器开关。将选择器12和13的信号Qt和Q2馈送给交叉开关17,以构成信 号Ra+和Ra—,并且将选择器14和15的输出信号Q3和Q4馈送给交叉开 关18,以构成信号Rb+和IV。这两个交叉开关在输入信号处于它的整 个变化范围的一半时进行切换。在图3b的上四行中示出了交叉开关的这一动作的结果。图2b 和3b之间的比较表明,在这两种情况下四个输出信号Ra+、 Ra—、 Rb+、 Rb-实际上是一样的。不过,在图3a的方案中所需开关的数量大幅减 少。考虑到图3a中四个单刀开关构成各个选择器开关(对于n二3) 并且还有四个单刀开关构成各个交叉开关(对于任何n值),开关的 总数为24,而图2a的方案中的开关总数为32。在粗糙量化的位数较 高的情况下,这一差异会明显增大。总地来说,本发明涉及一种闪速模拟到数字转换器,该转换器 包括电阻参考梯级电路; 一组比较器,用于将模拟输入信号与梯级 电路的参考电压进行比较,以给出代表输入信号的粗糙量化结果的数 字码; 一组开关,该组开关与参考梯级电路相连并且由所述数字码控 制,以给出输入信号的粗糙量化结果的模拟表达;装置,用于由所述 粗糙量化结果的模拟表达和由输入信号来得出一个或多个残余信号; 和精细模拟到数字转换器级,用于生成代表一个或多个残余信号的精 细量化结果的数字码。为了使所需开关的数量最小,针对一个残余信 号的每个选择器针对粗糙量化结果的两个值选择梯级电路的一半电 压,并且在粗糙量化结果到达它的中值时,由交叉开关将针对所述残 余信号的两个选择器的输出信号颠倒过来。本发明还可以用在单残余量多级闪速模拟到数字转换器中。因 为在仅需要一对差值信号IC和的情况下,可以省去选择器13和 14以及交叉开关18。显然,本发明也可以用在具有多于两级的闪速模拟到数字转换 器中。在这种情况下,可以将具有其选择器和交叉开关的数字到模拟 转换器应用在这些级中的任何一级中,当然,除了最后一级之外。
权利要求
1.一种闪速模拟到数字转换器,用于将模拟输入信号(I)转换为数字输出信号(O),所述转换器包括至少两个转换器级的级联结构,所述级中的第一级包括用于接收模拟输入信号的装置;提供一系列参考电压的电阻参考梯级电路(6);装置(1),用于将输入信号与所述多个参考电压进行比较并且由此得出代表了模拟输入信号的粗糙量化结果的数字码(C);数字到模拟转换器级(3),包括了多个由所述数字码(C)控制并且从多个参考电压中选择所述粗糙量化结果的模拟表达的选择器(8-10);装置(4),用于从模拟输入信号(I)中减掉所述模拟表达来获得残余信号(R),所述闪速模拟到数字转换器的特征在于,对于数字码(C)的各个采样,一对选择器(12-13,14-15)中的一个选择器从所述一系列参考电压的一半参考电压中选择第一参考电压,而另一个选择器从这一系列参考电压的另一半参考电压中选择第二参考电压,使得第一和第二参考电压相对于这一系列参考电压的中心而彼此对称,并且使得通过交叉开关(17,18)来传送所述一对选择器的输出信号,该交叉开关被安排成用来在粗糙量化结果的范围的中心处进行切换。
2. 按照权利要求1所述的模拟到数字转换器,其特征在于,参 考梯级电路(6)被安排成用来提供多个等差额的参考电压。
3. 按照权利要求1或2所述的模拟到数字转换器,其特征在于, 还包括用于将所述残余信号供应给第二转换器级(5)来生成模拟输 入信号的精细量化结果(F)的装置。
4. 一种用在闪速模拟到数字转换器中的数字到模拟转换器,该 数字到模拟转换器包括提供一系列参考电压的电阻参考梯级电路(6);由数字码(C)控制并且从多个参考电压中选择一个模拟表达 的多个选择器(S—IO),所述数字到模拟转换器的特征在于,对于 数字码(C)的各个采样, 一对选择器(12—13, 14一15)中的一个 选择器从所述一系列参考电压的一半参考电压中选择第一参考电压,而另一个选择器从这一系列参考电压的另一半参考电压中选择第二 参考电压,使得第一和第二参考电压相对于这一系列参考电压的中心 而彼此对称,并且使得通过交叉开关(17, 18)来传送所述一对选择 器的输出信号,该交叉开关被安排成用来在一系列参考电压的中心处 进行切换。
5. 按照权利要求4所述的数字到模拟转换器,其特征在于,参 考梯级电路(6)被安排成用来提供一系列等差额的参考电压。
6. —种将模拟输入信号(I)转换为数字输出信号(0)的方法,包括一得出代表了输入信号(I)的粗糙量化结果的数字码(C)的步骤;一由所述数字码(C)得出模拟表达的步骤,—通过从模拟输入信号(I)中减掉所述模拟表达来获得残余信 号(R)的步骤,所述方法的特征在于,所述模拟表达是由数字到模 拟转换器获得的,该数字到模拟转换器包括提供了一系列参考电压的 电阻参考梯级电路(6),由此从这一系列参考电压的一半参考电压 中选择第一参考电压并且从这一系列参考电压的另一半参考电压中 选择第二参考电压,由此第一和第二参考电压被选择为针对相对于粗 糙量化结果的整个范围的中心而对称的粗糙量化结果的两个值。
7. 按照权利要求6所述的方法,其特征在于,通过交叉开关(17, 18)传送第一和第二参考电压来获得模拟表达,该交叉开关在粗糙量 化结果的整个范围的中心处进行切换。
8. 按照权利要求6或7所述的方法,其特征在于,将残余信号 供应给模拟到数字转换器的第二级来生成模拟输入信号的精细量化 结果(F)。
9. 按照权利要求6到8中任何一项所述的方法,其特征在于, 由参考梯级电路(6)提供的多个参考电压是多个等差额的参考电压。
10. 按照权利要求6到9中任何一项所述的方法,其中将所述 残余信号供应给第二转换器级(5)来生成模拟输入信号的精细量化 结果(F)。
全文摘要
本发明涉及一种闪速模拟到数字转换器,该转换器包括电阻参考梯级电路;一组比较器,用于将模拟输入信号与梯级电路的参考电压进行比较,以给出代表了输入信号的粗糙量化结果的数字码;一组开关,该组开关与参考梯级电路相连并且由所述数字码控制,以给出输入信号的粗糙量化结果的模拟表达;用于由所述粗糙量化结果的模拟表达和由输入信号得出一个或多个残余信号的装置;和精细模拟到数字转换器级,用于生成代表了一个或多个残余信号的精细量化结果的数字码。为了使所需开关的数量最小,针对一个残余信号的每个选择器在粗糙量化结果的两个值中选择梯级电路的一半电压,并且在粗糙量化结果到达它的中值时,由交叉开关将针对所述残余信号的两个选择器的输出信号颠倒过来。
文档编号H03M1/06GK101164238SQ200680009592
公开日2008年4月16日 申请日期2006年3月20日 优先权日2005年3月24日
发明者亨德里克·范·德尔·普勒格, 本·格利森 申请人:Nxp股份有限公司
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