专利名称：电容平均转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电容平均转换器，尤 及但不限于电容平均流水线模数转换器。2、 背景技术
过去20年间，研究并开发了使用流水线结构的高精度数据转换。成 功提出了模拟补偿及数字校正方案，以达到15b分辨率的高精度。模拟补偿方 案的主要作用在于补偿开关电容流水级的电容失配，电容失配限制了高^fJf率 涼i7燃微转换器(ADC)。
—种技术是在单独的平均阶段使用专用的基于运放的开关电容级来 进行电荷平均。效果不好的是该第一技术功耗高，并且其运行速度限制在 20Msps。产生第一个问题的部分原因是主动平均技术，主动平均技术^M于基 于运放的大功率反馈网络。此外，为产生残留信号，该第一技术必须运行在至 少三个时钟阶段内。因此，漏掉了大量电流，并且数据转换率也非常低。
继续参考图1和图2，需要四个时钟阶段以从每个流水级输出残留 信号。对于^7X级-(i)，在采样阶段Ol期间，闭合开关Sl和S2以获取输入信 号。也闭合开关S3和S4以进行底极舰样。可以j柳附加采样阶段①2 (或比 较阶段)来在^H^K级中进行sub-ADC 转换。(未显示①！和02的示意 图)。这是优选的，但并不排除使用其它的比较技术来消除对附加阶段02的需 要。，两个时钟阶段内，相关运放是空闲阶段的。
在放大阶段0>3中，采样开关S1， S2， S3和S4是开的，并且使开 关电容电路和输入信号绝缘。同时，开关S0和S5的闭合的，并且构造^ig放 的环路，以用于带有增益(1W1S1/C1S2)的残留放大。级(i+l)将级(i)的残留信 号采样到电容C1S2。最后阶段①4中，交换电容C1S1和C2S1以提供与 (1+C2S1/C1S1)略微不同的增益。由于C1S1和C2S2间的内在电容失配，其 与增益(1+ C1S1/C1S2)是不同的。级(i+l)再次将信号采样到另一采样电容 C2S2。这样，通过开关电容，随后再分配两个电容上的电荷，并且获取合成补 偿残留信号。这仅受二阶误差影响，该误差非常小，其数M通常只有IO"6。可 见，为正确运行，平均过禾廷少需要三个时钟阶段，这降低了操作速度。因此， 需要一种改进的电容平均转换器。发明内容
根据 实施例，提供了多级电容平均流7jC^模数转换器。每一级 均具有第一开关电容电路和与第一开关电容电路并行的第二开关电容电路。
第二开关电容电路可与第一开关电容电路相同。 地，第二开关 电容电路可与第一开关电容电路完全相同。
多极的某一级第一开关电容电路与多极的另一级第一开关电容电路 可以相同。可选择的，它们也可以不同。某一级的第二开关电容电路与另一级 的第二开关电容电路可以相同。可选择的，它们也可以不同。
当第一开关电容电路采样输入信号时，第二开关电容电路可用于同 时残留信号的放大和平均；当第二开关电容电路采样输入信号时，第一开关电 容电路可用于同时残留信号的放大和平均。
转换器还可进一步包括用于多极的每一级的运算放大器。可以将第 一和第二开关电容电路的输出输入纟^算放大器，转换期间，运算放大器持续 运行。
多极的每一级均可运行在两个时钟阶段内。对每两个时钟阶段，可 产生一残留信号。
根据另一,实施例，提供了一种将模拟信号转换为数字信号的方 法。在时钟周期的第一阶段，在多极电容平均流7乂线模数转换器的第一级的第 一开关电容电路中采样输入信号。在多极电容平均^7K线模数转换器的第一级 的第二开关电容电路中对时钟周期先前阶皿样的早期输入信号进行残留放大和平均。在该时钟周期的第二阶段，在第二开关电容电路中釆样输入信号，在 第一开关电容电路中对时钟周期先前阶段采样的输入信号进行残留放大和平 均。第一级平均的残留信号输入给多极的第二级。
在时钟周期的第一阶段将第一级生成的平均残留信号采样至瞎二 级的第一开关电容电路，并且在第二级的第二开关电容电路，放大和平均先前 阶M样的早期平均残留信号。在时钟周期的第二阶段将第一级生成的平均 残留信号采样至l傑二级的第二开关电容电路，在第二级的第一幵关电容电路中， 放大和平均先前阶 样的早期平均残留信号。
多极电容平均、^7K线tim转换器的每一级可包JSig算放大器。每一 级的第一和第二开关电容电路的输出可以输入纟^算放大器，并且运算放大器 在转换期间内持续运行。多极的每一级可在两阶段时钟方案内运行。
图1是现有技术中，四阶段运行的时序图2是现有技术中，阶段03和054中用于>^^级的示例电路；
图3是两阶段运行的本发明实施例的时序图4是、^7K级残留输出电压的图；禾口
图5是阶段O和0)2中用于、船K级的本发明典型实施例的示例电路。
具体实施方式
如图3和图4所示，显示了 1.5b/stage结构下的两相电容平均方案， 其中移除了仅采样的阶段。在采样阶段，^M—级i中加入了附加开关电容电路 SCN2i，在第二级i+l中加入了SCN2i+l，以同时进行残留信号放大。这样，没 有运放是空闲的，并且整个流7]C级均可运行在两阶段时钟方案内。对每两个阶 段，生成一个残留信号Vo(i+l)，以至于^t流水级的整体上具有较高的吞吐量， 进而具有，交高的 转换率。以下是该实施例的具体运纟亍瞎况。
图3是两阶^t喿作的时序图。SCNl,i和SCN2,i ， i的两个开关电 容电路；SCNl,i+l禾[J SCN2,i+l是级i+l的两个开关电容电路。Vres,Ui和 Vres,i+1乂+1表示不同级内处理的相同信号采样。其同样应用于Vres,i乂+2和 Vres，i+l，k+3; Vres，i夂+1和Vres,i+l乂+2。放大模式标放大和保持操作。
图4表示某时刻内淀冰级残留输出电压的图。針时钟周期具有两 个放力保持阶段AMP1和AMP2。采样操作在同一时亥lj进行，因此#时钟周期具有两个采样操作。为使图示更加清晰，放大了残留输出信号值Vres,讽AMPl) 和Vres，i,k(AMP2)的差异。类似地，Vres,i,k+1(AMP1)和Vres，i乂+1(AMP2)的差异也微大。
Vres,ijc作为图3中AMP1和AMP2共同的输出电压并不准确。AMP1 和AMP2模式中的残留输出信号值具有微小差别如图4所示，Vres,Uc(AMPl) 和Vres，i,k(AMP2)之间差了一个因子(1《1/C2) / (l+C2/Cl)。 ^!常在下一级被移除。但为了更加简明的阐述本发明，仍f顿相同的名字。
图5中，对第一流水级(i)，加入附加开关电容电路SCN2，i，并使之与原始开关电容电路SCNl，i并行；对下一流水级(i+l)，加入附加开关电容电 路SCN2，i+l，并使之与原始开关电容电路SCNl,i+l并行。输入Vin,iail开关 Sla和S2a可操作的连接到电路SCNl,i; i!31开关Slb和S2b可操作的连接到 电路SCN2。
将每个开关电容电路SCNl，i和SCN2,i，以及SCNl,i+l和SCN2，i+l的输出输入^^一级i和i+l中的运算放大器("运放")。同样地，每一个船K 级均具有与两个开关电容电路相关的一个运放。因为运放放大采样信号两次， 所以运放总处于激活状态。因为两阶段时钟方案是相同的，所以数据吞吐量与 传统流7娥ADC相同。这使其可成为倉辦高速运行的高^f,率电容平均ADC。 每个开关电容电路可操作的M开关连接到运放。SCN1可操作的连接到S6a， SCN2可操作的连接到S6b。 SCNl,i+l可操作的连接到S16a， SCN2,i+l可操作 的连接到S16b。
如图5所示，级(i)中的运放，旨偶数时钟阶段kjcf2等，将输出 平均(补偿)残留信号Vres,i，k， VresUc+2等；每两个阶段k+l乂+3等，将输出 平均(补偿)残留信号Vres丛+l， Vres,Ucf3等，(如图5所示的Vo,i)将残留 信号输入给下一流7X级(i+l)。
该雌实施例中，替代仅仅在阶段0,和阶段①2中的采样，也执行放大和平均操作以提高转换率。在只X^样模式中^A平均操作。
,地，旨附加开关电容电路SCN2, SCN2,i+l与各个原始开关 电容电路SCN1， SCNl,i+l是相同的(也就是，是副本)。更,地，在标准制 造误差内，每个附加开关电容电路SCN2， SCN2,i+l与各个原始开关电容电路 SCN1， SCNl,i+l是完全相同的(也就是，是完全副本)。 地，某一级的原始开关电容电路SCN1与下一级的原始开关电容电路SCNl，i+l相同；但也可不 同。 的，某一级的附加开关电容电路SCN2与下一级的附加开关电容电路 SCN2,i+l是相同的；但也可不同。
阶段O,中，级(i)的开关电容电路SCNU采样输入信号Vin,i。如图 所示，闭合Slb、 S2b和S3b以获取输入信号V^到ClSl中。对级i的另一开 关电容电路SCN2，i，闭合开关S0a、S5a和S6a，以用于带有增益(1+C3S1/C4S1) 的残留放大。闭合S0a以用于减法。
对于级(i+l)，将级(i)的残留信号Vres,i夂(V。，i)采样到开关电容电路 SCNl,i+l的C3S2。另一开关电容电路SCN2,i+l放大先前时钟周期采样的具有 增益(1+C2S2/C1S2)的残留信号。
P介段①2中，开关电容电路SCN2，i仍采样输入信号V一闭合Slb、 S2b和S4b以获取输入信号到C2S1中。对另一开关电容电路SCNl，i，再次闭 合开关S0a、 S5a和S6a，以用于因电容交换而带有增益(1化4S1/C3S1)的残 留放大。
对于级(i+l)，将级(i)的残留信号Vres,Uc(Vo,i)采样到SCNl,i+l的 C4S2。另一开关电容电路SCN2,i+l放大先前时钟周期采样的具有增益 (1+C2S2/C1S2)的残留信号。
级i中，闭合开关S6a以用于放大模式下的阶段①,和02，阶段①1 和①2分别具有不同的增益(1+C3S1/C4S1)和(1+C4S1和C3S1)。这样，在 下一流水级中可具有两个电容的失配补偿。这也可应用到采样过程中，其中， 打开开关S5b和S6b;在获 样信号时交替改变C2S1和C1S2。
在时钟周期的下两个阶段，^M^7jC级i和i+l的两个开关电容电 路分别工作在时间交错方式。因此，所有流水级i和i+l可仅在两个时钟阶段内 并发运行，且在每个时钟周期内提供输出残留信号。同样地，两时钟阶段方案 使流7KaADC會,高艇行，从而解决电容器平均技术带来的多阶段约束。此 外，因为转换过程中功放均不空闲，因此降低了功耗。
本领域技术人员应该知晓，战描述仅是本发明原理的具体实现的 示例。该描述并不限制本发明的范围鹏用，本发明允许不脱离如在下面权利 要求中定义的本发明精神的情况下进行改变、变形^化。
权利要求
1、一种电容平均流水线模数转换器，包括多个级，多个极的每一级由第一开关电容电路和第二开关电容电路组成，其中第二开关电容电路与第一开关电容电路并行。
2、 如权利要求1所述的转换器，其中，第二开关电容电路与第一开关电容 电路相同。
3、 如权利要求1所述的转换器，其中，第二开关电容电路与第一开关电容电路完全相同。
4、 如权利要求i戶;M的转换器，其中，多极中的第一级的第一开关电容电 路与多极中的第二级的第一开关电容电路相同。
5、 如权利要求1所述的转换器，其中，多极中的第一级的第一开关电容电 路与多极中的第二级的第一开关电容电路不同。
6、 如权利要求4所述的转换器，其中，多极中的第一级的第二开关电容电 路与多极中的第二级的第二开关电容电路相同。
7、 如权利要求5戶腿的转换器，其中，多极中的第一级的第二开关电容电路与多极中的第二级的第二开关电容电路不同。
8、 如权利要求1戶腿的转换器，其中，当第一开关电容电路采样输入信号时，第二开关电容电路配置为同时放大和平均残留信号；当第二开关电容电路 采样输入信号时，第一开关电容电路配置为同时放大和平均残留信号。
9、 如权利要求8所述的转换器，每一级进一步包括一运算放大器，其中对 于多个级中的每一级，第一开关电容电路和第二开关电容电路的输出被配置为 输入至运算放大器，运算放大親皮配置为持续运行。
10、 如权利要求1戶腿的转换器，其中，多个级中的每一级均被配置为运 行在两个时钟阶段内。
11、 如权利要求10戶腿的转换器，其中，多个级中的每一级均被配置为， 在每两个时钟阶段，产生一残留信号。
12、 一种将模拟信号转换为数字信号的方法，戶，方^S括 在时钟周期的第一阶段，电容平均、^7X^，，转换器的多个极中的第一级的第一开关电容电路采样输入信号；在时钟周期的第一阶段，电容平均流水线1ti(转换器的多个极中的第一级 的第二开关电容电路对时钟周期先前阶段中采样的早期输入信号进行残留放大 和平均；在时钟周期的第二阶段，第二开关电容电路采样输入信号；以及 在时钟周期的第二阶段，第一开关电容电路对时钟周期先前阶段中采样的 输入信号进行残留放大和平均。
13、 如权利要求12戶腿的方法，其中进一步包括以下步骤将平均后的残留信号从第一级输入给多个级中的第二级。
14、 如权禾腰求13戶诚的方法，其中，在时钟周期的第一阶段，将第一级生成的平均残留信号采样到第二级的第 一开关电容电路；在时钟周期的第一阶段，在第二级的第二开关电容电路，对时钟周期先前 阶段中采样的并平均的早期平均残留信号进行放大；在时钟周期的第二阶段，将第一级生成的平均残留信号采样到第二级的第 二开关电容电路；在时钟周期的第二阶段，在第二级的第一开关电容电路，对时钟周期先前 阶段中采样的并平均的早期平均残留信号进行放大。
15、 如权利要求12戶服的方法，其中，电容平均^7K线+纖转换器的多个 级中的每一级包括运算放大器，对于多个级中的每一级，将第一开关电容电路 和第二开关电容电路的输出输入至运算放大器，并且运算放大器^f^卖运行。
16、 如权利要求12戶腿的方法，其中，多个级中的每一级运行在两阶段时钟方案内。
全文摘要
一种具有多级的电容平均流水线模数转换器。每一级均具有第一开关电容电路和与第一开关电容电路并行的第二开关电容电路。同时，还公开了相应的方法。
文档编号H03M1/06GK101227190SQ20071018007
公开日2008年7月23日 申请日期2007年12月5日 优先权日2006年12月5日
发明者Y·T·黄 申请人:英飞凌科技股份有限公司