专利名称：闪速模拟-数字转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于把模拟输入信号转换成代表了输入信号的数字 输出代码的闪速模拟-数字转换器，所述模拟-数字转换器包括具有基 本上相等的电阻值并且由基准电压源供电的电阻串、比较器组、编码 器和切换装置，该基准电压源用于提供多个等距离的基准电压，比较 器组用于将模拟输入信号与多个基准电压进行比较，编码器接收比较 器组的结果，从中得到数字输出代码，切换装置被布置和控制来执行 减小失配算法。
背景技术：
这种闪速模拟-数字转换器在例如美国专利6281828 Bl中是公 知的。在闪速模拟-数字转换器中，每个比较器的作用是来确定模拟 输入信号是高于或低于施加到比较器上的基准电压。基准电压高于模 拟输入信号的所有比较器将产生例如"0"，而基准电压低于模拟输 入信号的所有比较器将产生"1"。因此整个比较器组以温度计代码 形式给出输入信号的数字表示。该温度计代码随后可以在编码器中被 转换成例如PCM代码。模拟-数字转换器运算很快，这是因为所有比 较器可以在一个单一时钟沿同时运算来产生数字输出代码采样。比较器中MOS晶体管的失配严重破坏了这种模拟-数字转换器 的精度，这是因为这些失配在比较器的输入引起了随机的偏移电压。 一个比较器的偏移电压与其相同设计的相邻比较器的偏移电压的差 很可能约为5到10毫伏，然而在现代信号处理中期望精度小于1毫 伏。由于一个单个比较器鉴别某一输入电平，该比较器的偏移将使得 一直处在该特定输入电平的判定的精度下降。这引起被转换信号的不 可接受的高非线性失真。因此，上述美国专利公开了一种结构，其中某一输入电平不再3由一个特定比较器来鉴别，而是交换比较器使得在时钟周期内用来鉴 别一个输入电平的特定比较器被用来鉴别下一时钟周期内的其他输 入电平。更具体地根据(伪)随机减小失配算法来选择每个比较器 以鉴别多个或者全部输入电平。结果是，在没有减小失配的情况下出 现在闪速模拟-数字转换器中的非线性失真被转化成频率范围中的高 频噪声，在该频率范围内被转换的信号失真程度略低。在上述美国专利(图8)中，采用开关电路来执行减小失配算法， 该开关电路使得每个比较器的基准输入端连接到电阻串的每个分接 头。然而，这种现有技术的模拟-数字转换器的一个重要问题是，电 阻串的分接头和比较器的基准输入端之间的许多开关晶体管在这些 比较器输入端和供电电压电平之间呈现出大电容(总开关电容 10-20pF)，当开关导通时这些开关晶体管的栅极连接到供电电压电 平。这些电容严重地降低了模拟-数字转换器的速度。另一个问题是， 在供电电压上一直存在的波动将通过这些电容耦合到比较器的输入 端，在那里降低了转换操作的精度。发明内容本发明寻求克服现有技术的模拟-数字转换器的上述缺点，因此 本发明的模拟-数字转换器的特征在于，在所述基准电压源和电阻串 之间布置了用于执行减小失配算法的开关装置，来在不同时钟周期在 电阻串的不同部分之间切换基准电压源，由此所述电阻串的不同部分 的每个部分都包括固定数量的电阻。再依此方式，用多个比较器鉴别模拟输入信号的每个电平，使 得比较器偏移的失配被求平均后被转化为高频噪声。然而，因为在电 阻分接头和比较器输入端之间的连接中没有开关，所以这些开关的栅 沟道电容所引起的破坏不再存在。而且，现在每个模拟输入电平由多 个串电阻鉴别，这些电阻之间的失配也被平均掉。为这种优点所付出 的代价是需要采用比现有技术的闪速模拟-数字转换器中所采用的电 阻数量更多的电阻串。本发明的闪速模拟-数字转换器的特征还在于，电阻值基本相等的电阻串为圆形电阻串。换句话说，线形串的两端连在一起。线形串 的限制是，基准电压源的正极端子不可以连接到电阻串的较低部分， 同样基准电压源的负极端子也不可以连接到电阻串的较高部分。因 此，限制了减小失配所需的元件的变化范围。对于圆形电阻串来说， 不存在这种限制。具有圆形电阻串的本发明的闪速模拟-数字转换器的特征还在 于，在任一时钟周期，基准电压源在圆形电阻串的两个斜对面的分接 头之间切换。这种实现方式在电阻串中包含的电阻数量和电阻串中的 功耗之间给出了最佳的折中。而且，这种实现方式能够同时使用圆形 电阻串的两个半圆，来将模拟输入信号与由电阻串提供的基准电压进 行比较。本实现方式的特别有利的用途的特征在于，模拟输入信号为 差分信号，把差分信号的一部分与在基准电压源的连接的一侧的半个 圆形电阻串的分接头所提供的基准电压进行比较，把差分信号的另一 部分与在基准电压源的连接的另一侧的半个圆形电阻串的分接头所 提供的基准电压进行比较。这样，圆形电阻串的每个分接头在每个时 钟周期用于模拟输入信号的模拟-数字转换。注意，在申请人的美国专利6621440 B2中，公开了一种结构， 其具有到可控制部分的线形或者圆形电阻串，通过开关把基准电压源连接到该可控制部分。在这种结构中，该开关由数字输入信号所控制， 模拟信号输出连接至该电阻串。该结构的目的在于对数字输入信号进 行数字-模拟转换，并且从电阻串的输出端得到被转换的模拟信号。 在现在技术的数字-模拟转换器中没有比较器，并且开关的目的不是 用来降低元件失配。
将参考附图进一步说明本发明。在此示出了图1是根据本发明的闪速模拟-数字转换器的第一实施例，以及 图2是根据本发明的闪速模拟-数字转换器的第二实施例。
具体实施方式
图1的闪速模拟-数字转换器是包括偶数2n个等值电阻R的圆 形电阻串RS。这些电阻之间的连接形成了 2n个分接头IV..T2n。这 些分接头的每一个都连接到比较器Q…C2n的基准输入端。这些比较器C卜.C2n的每一个都具有被连接来接收模拟输入信号Vi的信号输入端。比较器的输出端连接到时钟控制的编码器E，该编码器把比较 器的输出信号转换成数字PCM代码D。电阻串RS的2n个分接头T卜.T2n连接到相同数量的三工位开关 S卜.S^。这些开关的每一个都将其各个分接头在第一工位连接到基准电压源Vr的正极端子，在第二工位连接到基准电压源Vf的负极端子，并且在第三工位未连接。时钟控制的控制器CO控制着开关 S,...S2n。对数字输入信号的每个采样D来说，该控制器把开关中的 一个设置在第一工位，并且把位于圆形电阻串中斜对面的开关设置在 第二工位处。其他的所有开关都设置在未连接的第三工位。在图1的结构中，开关S5在第一工位，斜对面的Sn+5位于第二工位，开关 S卜.S4,S6…Sn+4和Sn+6...S2n在第三工位。结果是，对于该采样，基 准电压源、连接在圆形电阻串ST的分接头Ts和Tn+5之间，使得圆形电阻串的两个半圆(每一半有n个电阻R)由基准电压源K供电。 模拟输入电压Vi由连接到圆形电阻串中的半圆的比较器进行比较，由此具有基准电压低于模拟输入电压的比较器产生例如"1"，而具有基准电压高于模拟输入电压的比较器产生"0"。因此，比较 器c5...cn+5的输出一起产生了模拟输入信号的数字温度计代码，该 温度计代码随后可以在编码器E中被转换成数字PCM信号D的采 样。可以注意到，在连接到圆形电阻串的另一半圆的比较器的输出端 产生了基本相同的第二温度计代码，但是该第二温度计代码保持不 用。正如在其专利申请的介绍部分中所述，比较器产生的温度计代 码以及随之由编码器E产生的数字代码可能由于元件失配，特别是 在比较器的偏移电压中的失配而被破坏。为了降低这种失配破坏，连 接基准电压源Vr来在圆形电阻串的另外两个斜对面的分接头(例如， 分接头K和Tn+6)之间产生下一采样。在那里控制器CO把开关S5和Sn+5设置在未连接工位，把开关S6设置在连接到基准电压源K的 正极端子的工位上，而把开关Sn+6设置在连接到基准电压源^的负 极端子的工位上。基准电压源的改变的工位通过导线L被传递到编码器E，使得编码器E现在对比较器(:6..."+6的温度计代码进行编码。为了产生下一采样，基准电压源Vr可以连接到圆形电阻串的分 接头T7和T。+7等。因为所有比较器被同样设计，所以所有电阻基本上具有相同的阻值，并且因为基准电压源、总是连接在相同数量(n)的电阻两端，所以模拟-数字转换器的结构以及由此导致的基本模拟-数字转换操作不受圆形电阻串中基准电压源切换的影响。这种切换的 影响仅在于，个别元件(比较器和电阻)改变了在结构中的工位，其 结果是由元件失配造成的错误显示为高频噪声而不是被转换信号的 非线性失真。当以随机方式执行切换操作而不是以常规方式执行切换 操作时，能更好的减小失配。以不需要随机产生器的伪随机方式来执 行切换操作的简单容易的算法是把基准电压源切换到电阻串中在前 一时钟在周期温度计代码中发生跳转处的分接头。该切换次序将有选 择地降低低频噪声，并且从信号处理观点等同于在数字4莫拟转换中公知的"旋转数据加权平均"。例如，参见由Radke， R.E; Eshraghi, A.; Fiez, T.S.在2000年8月IEEE Journal of Solid-State Circuits的第35 巻、第8期、第1074-1084页上的题为"A 14-bit current mode DAC Based Upon Rotated Data Weighted Averaging"。通常，已经描述的用于在数字-模拟转换中选择性的减小噪声的 切换次序可以应用在根据本发明的模拟-数字转换器中，产生同样的 效果。例如，在由Barkin， D. B.; Lin， A.C.Y.; Su,D.K.; Wooley, B.A. 在2004年4月在Journal of Solid-State Circuits中第39巻、第4期、 第585-593页，题为"A CMOS Oversampling Bandpass Cascaded D/A Converter with Digital FIR and Current-Mode Semi Digital Filtering"的 文章中展示了在通带去除数字-模拟转换器中的噪声的切换次序。可 以在本发明的模拟-数字转换器中使用相应的切换次序来去除通带中 的噪声。在图1的结构中，在不脱离本发明范围的情况下，可以做出各 种变型。例如，基准电压源不必连接到圆形电阻串的相对分接头。当 圆形电阻串用于模拟-数字转换的部分包括n个电阻并且电阻串未使用部分具有m个电阻时，那么m可以不等于n。 m大于n的选择将 减小电阻串中的功耗，并且增加电阻串中基准电压源的连接范围(即， 可能工位的数量)，但其代价是更多的电阻。另一方面，减小圆形电 阻串中电阻的数量(m<n)将会增加功耗，并且减小基准电压源的连 接范围。因此在实际应用中，基准电压源把电阻串分成n个电阻的相 等的两半的圆形电阻串可能是最好的。图1的结构的另一变型是，例如通过删掉分接头L和T^之间 的电阻来断开圆形电阻串，使得电阻串不再为圆形，而为线形。这种 变型把电阻串中未使用部分的功耗减小为O。另一方面，当电阻串中 未使用部分中的电阻数量(m)基本上小于电阻串中使用部分的电阻 数量(n)时，这种修改基本上减小了基准电压源的连接范围(从n+m 到2m+l)。在图1的模拟-数字转换器中，只使用圆形电阻串的一半用于输 入信号到数字采样的模拟-数字转换，而另一半保持未使用但必须用 来产生用于减小失配的连接范围。在图2的模拟-数字转换器中，圆 形电阻串的未使用一半有利地用于差分模拟信号Vi+,Vi.的第二部分的转换。为此，比较器C卜.C2n的每一个都具有极性转换开关U卜.U2n来把比较器的信号输入从Vi+端切换到V.端，反之亦然。在圆形电阻串中改变基准电压源Vr的工位意味着也必须在两个输入端之间切换比较器输入。在图2中，其中描述了临时工位，基准电压源连接在圆形电阻串的分接头Ts和Tw之间，极性转换开关Us到Un+4把其比较器的信号输入连接到Vi+信号输入端，而极性转换开关114到un+5把其比较器的信号输入连接到丫;.信号输入端。极性转换开关1]1...1;211 从控制器co接收其信息。明显的是，在图2的差分模拟-数字转换器中，圆形电阻串不能断开成为线形串，并且基准电压源应该一直连接在圆形电阻串的对 角，使得电阻串总是被分成两个相等的半电阻串。如在本申请的开头中所提到，免去了比较器的基准输入端中的 开关，这是因为这种开关的寄生电容会对模拟-数字转换器的速度和 精度产生不利影响。通过使用用于提供模拟信号Vi+,Vi.的低阻抗电压 源可以避免到比较器的信号输入中的开关U卜.U2n的类似影响。总之，本发明涉及闪速模拟-数字转换器，其包括由基准电压源 供电的电阻串和比较器组，该基准电压源用于提供一组等距离的基准 电压，该比较器组用于将模拟输入信号与基准电压进行比较。布置并 控制一组开关来执行用于减小元件间失配影响的算法。在基准电压源 和电阻串之间布置这些开关，从而免去了基准输入端到比较器中的开 关。电阻串优选地是圆形的。该转换器可以处理差分信号。
权利要求
1.一种闪速模拟-数字转换器，其用于把模拟输入信号(Vi)转换成表示输入信号的数字输出代码(D)，所述模拟-数字转换器包括具有阻值基本相等电阻(R)并且由基准电压源(Vr)供电的电阻串(RS)、比较器组(C1...C2n)、编码器(E)和切换装置(S1...S2n)，该基准电压源用于提供多个等距离的基准电压，该比较器组用于将模拟输入信号与所述多个基准电压进行比较，该编码器接收比较器组的结果并从中得到数字输出代码(D)，该切换装置被布置和控制来执行减小失配的算法，所述模拟-数字转换器的特征在于切换装置(S1...S2n)被布置在所述基准电压源(Vr)和电阻串(RS)之间在不同的时钟周期在电阻串的不同部分之间切换基准电压源(Vr)，由此，所述电阻串的不同部分的每一部分都包括固定数量(n)的电阻。
2. 如权利要求1所述的闪速模拟-数字转换器，其特征在于具 有阻值基本相等电阻的电阻串(RS)是圆形电阻串。
3. 如权利要求2所述的闪速模拟-数字转换器，其特征在于在 任一时钟周期，在圆形电阻串的两个斜对面的分接头(T5,Tn+5)之间 切换基准电压源(Vr)。
4. 如权利要求3所述的闪速模拟-数字转换器，其特征在于模 拟输入信号是差分信号，将差分信号的一部分与在基准电压源连接端 一侧的半个圆形电阻串的分接头所提供的基准电压进行比较，而将差 分信号另一部分与在基准电压源的连接端的另一侧的半个圆形电阻 串的分接头所提供的基准电压进行比较。
全文摘要
闪速模拟-数字转换器包括由基准电压源供电的电阻串和比较器组，该基准电压源用于提供一组等距离的基准电压，比较器组用于将模拟输入信号与基准电压进行比较。开关组被布置和控制来执行用于减小元件之间的失配影响的算法。开关被布置在基准电压源和电阻串之间，免除了基准输入端到比较器的开关。电阻串优选地是圆形的。转换器可以处理差分信号。
文档编号H03M1/06GK101326723SQ200680046508
公开日2008年12月17日 申请日期2006年12月8日 优先权日2005年12月12日
发明者阿图尔·卡托奇, 马尔滕·韦尔特里格特, 马赛尔·佩尔格罗姆 申请人:Nxp股份有限公司