电荷域流水线模拟到数字转换器的制作方法

专利名称：电荷域流水线模拟到数字转换器的制作方法
技术领域：
本申请案主张2007年2月15日提出的美国临时专利申请案第 60/901,597号、2007年1月19日提出的美国临时专利申请案第 60/881,392号、2007年1月23日提出的美国临时专利申请案第 60/881,967号、2007年2月9日提出的美国临时专利申请案第 60/900,675号的权益。本文以引用的方式将以上申请案的全部内容并入 作为参考。
背景技术：
在电荷域信号处理电路中，信号被表示为电荷封包(charger packets)。这些电荷封包被储存、从储存位置转移到另一个、此外将被 处理以实现特定的信号处理功能。电荷封包能够代表模拟量，而以库 伦为单位的电荷封包的大小则正比于所代表的信号。通过"吋钟"电压 来驱动电荷域的操作，诸如电荷的转移，以提供离散时间的处理。因 此，电荷域电路提供模拟与离散时间的信号处理能力。此能力相当适 合执行使用流水线(pipeline)算法的模拟到数字转换。
电荷域电路以电荷耦合装置(CCDs) 、 MOS组桶式装置 (bucket-brigade devices, BBDs)、以及双极性BBD等实现。本发明涉 及MOS BBD。
流水线模拟到数字转换器(ADC)在ADC设计的一般领域中是众所 周知的。其广泛地使用在高釆样率与高分辨率必须组合的应用中。流 水线ADC实现众所周知的逐次-逼近模拟到数字(A/D)转换算法，其中 在连续的次数下进行逐渐精微的估算。在此算法的流水线描述中，于 每个流水线级(pipelinestage)分辨一个或者多个位(bit),从信号中减去 量化的估算，并且将所剩余者传到下一个流水线级，以便进行进一步 的处理。基本逐次-逼近算法一般所使用的变型为RSD算法，其中每一 级的分辨率会比此级的额定位权重更好。此种算法提供本质的数字码 冗位，此可减轻每一级中的比较器的精度需求。
6各种不同的电路技术己经被开发使用，包括开关电容电路与电荷
域电路，实现了流水线ADC。本发明涉及电荷域流水线ADC。使用本 发明的电路技术便能够实现所有众所周知的传统流水线ADC所使用的 算法。

发明内容
在现有技术中，利用开关电容电路技术实现了大多数的流水线 ADC。在这些电路中，将信号表示成暂时储存于电容器上的电压。通 过使用MOS开关以及运算放大器来实现信号的流水线操作技术。由于 需要使用运算放大器，这些方法会消耗相对较大量的功率，并且受限 于采样率。
电荷域流水线ADC具有不需运算放大器充当流水线必要组件的优 点。其反而是直接将电荷封包从每个流水线级以必要的电荷增益转移 到下一个。
现有技术的电荷域流水线ADC已因诸多不同的结构缺陷而受限于 精度或者操作速度。由于流水线级间的BBD电荷转移不精准的本质， 因此基于BBD的ADC已遇到非线性以及其他不准确的问题。基于CCD 的实现方式则由于需要以高速时钟信号驱动多个CCD门而已遇到功耗 过大的问题。
本发明提供一种使用MOS BBD的改进的ADC实现方式。通过使 用锥形流水线(tapered pipeline),此种实现方式相比于其他电荷域方 法，实现较低的功耗以及改进的分辨率，其中在后端的流水线级中， 相比于前端，会减少所要处理的电荷数量。在其中的实施例中，通过 改善众所周知的"提升"电荷转移电路的传统BBD，提供高速以及高精 度(A/D)转换。


从以下本发明示例性实施例更具体的说明，前述者将显而易见， 如所附的图示中所阐述的，其中在所有不同的图示中，相似的参考标 记指称相同的部件。附图并不需要按比例绘制，基于阐述本发明的实 施例而强调其设置。
图1显示一种BBD电荷流水线级的简化电路图。图2阐述与图1相关的电压波形。
图3显示两级的BBD电荷流水线。 图4阐述与图3有关的电压波形。
图5显示一种包含有条件的电荷附加的BBD电荷流水线级。 图6阐述与图5有关的电压波形。
图7显示一种包含有条件的电荷附加的BBD电荷流水线级，所附 加的电荷则是由两个独立的组件所构成。
图8显示一种包含电荷比较的单端BBD电荷流水线级。
图9显示一种包含电荷比较的差动BBD电荷流水线级。
图10显示每级分辨一个位的差动电荷流水线ADC的其中一级。
图11显示实现RSD算法的差动电荷流水线ADC的其中一级。
具体实施例方式
本发明示例性实施例的说明如下。所有专利、公开申请书、以及 所引证的参考文献的学说，在此合并参考其全部。
传统使用共栅极的FET充当电荷转移装置，从而实现MOS BBD 流水线，其将电荷从 -个流水线级传递到下一个流水线级。在同一发 明者的先前专利申请书中(美国专利申请书第11/807,914号，于2007 年3月30日申请，标题为"提升电荷转移电路"(Boosted Charge Transfer Circuit))，在此合并参考其全部。能够使用传统或者提升电荷转移电 路来实现本发明的ADC;优选实施例则是利用提升电荷转移电路，其 提供较高的操作速度以及精度。在以下的探讨与图示中，抽象地描绘 电荷转移电路，并且说明这些电路的某些行为观点，但不提供这些电 路的操作细节。
在以下的说明中，假设电子为信号的电荷载子，而NFETs则是用 于信号电荷的转移，以探讨所有的电路。通过利用PFETs与反相的信 号及控制电压极性，使用空穴充当电荷载子，便能够同样适当地应用 相同的电路。
图1辅助说明本发明所利用的通用型式BBD流水线的基本原理， 其描述该流水线的单级。在此级中，将电荷储存在连接于储存节点2 以及电压VC1的电容器5上。电荷经由电荷转移电路1进入此级中，并且经由电荷转移电路3而退离此级。电压Vd为数字时钟信号，其 控制此级中的电荷处理时序。其他并无显示的数字时钟信号可用来控 制电荷转移电路的动作。
流水线级的操作波形显示于图2。在时间t。，时钟电压Vd具有正
值25。图1储存节点2的电压V2同样也位于高初始电压21。在、，负 电荷经由电荷转移电路1开始由前一级转移(图1的左边)进入所示的该 级。随着此负电荷累加于电容器5上，V2会降到一更负的数值。如果 转移相对较小的负电荷，节点2的电压便会稳定到相对较高的数值 22A;而如果转移较大的电荷，节点2则会稳定于更负的电压22B。在 时间12，完成电荷进入此级的转移。通过众所周知的表达式Q = CV， 节点2的电压与电荷便有所关系，其中C为节点2的总电容量。在图 1中，C由电容器的电容量C加上节点2的任何寄生电容量所构成；所 述的寄生电容量通常微小，而在此探讨中予以忽略。
在时间t3,当时钟电压Vcn切换到低态时，脱离此级的电荷转移便 会开始。电容器5将此电压转变耦合到节点2，同样也驱使V2为低态。 电荷转移电路3会吸收来fl电容器5的电荷，限制节点2的负偏离， 并且最终致使节点2在t4稳定于电压23。电压23为电荷转移电路3 的特性，并且与己经储存在节点2上的电荷数量无关。电荷转移电路 会将从电容器5所吸收的电荷转移到节点4，其为所显示的级后端的级 部分。在t;之后，电荷的转移便完成。
最后，在吋间t5，时钟电压Vc,返回到其初始状态(电压25)。此正 向的转变会通过电容器5耦合到节点2，使节点2上升到电压24。忽 略寄生电容，在此转变期间中，无任何的电荷会流过或流离节点2;在
t5的转变期间屮，V2的电压变化因此等于Va的电压变化。由于在此转
变一开始2的数值，即电压23，与所处理的电荷无关，因此电压24 同样也与所处理的电荷无关。此转变完成操作循环周期；所产生的节 点2的电压24因此为下一个循环周期的初始电压。因此，此级的初始 电压状态在周期到周期中是同定的，而电压21二电压24。所以，节点 2上的初始与最终电荷同样也会相等，而且所转移出的电荷会等于转入 的电荷。
总之在t,-t2期间中，电荷会转移到图1所示的级之中；在时间12与13之间，其暂时储存在电容器5上，并且呈现出V2的数值；在时 间t3-t4期间中，此电荷会全部转移到下一级；在k，此级会返回到其初 始状态，在此准备接收输入的电荷。因此，所示的基本级充当一种模 拟电荷封包的移位寄存器。
应该了解到的是，实际的电路在诸多细节上不同于此理想化的叙 述。这些偏差包含诸如非零的寄生电容以及非理想的电荷转移。然而， 这些效应并不会改变上述的基本操作原理；而且就有用的目的而言， 这些原理能够充分准确地施加于实际的电路。
传统BBD电荷流水线已经使用同时控制电荷储存电容器以及电荷 转移FETs的简单两相数字时钟信号。诸如图1以及以下所要说明的流 水线电路同样也使用两相时钟激励系统来操作。然而，在这些电路中， 需要提供电荷转移电路的动作以及其级中时钟所激励的其他诸如电容 器切换事件的独立控制。以此，本发明的电路利用控制电荷转移电路 动作的额外的时钟信号。将以图3与4为辅助来解释这些信号及其功 能。
图3显示包含两个连续级的流水线片段，每级皆相似于图1的基 本流水线级。此流水线级片段由共同建构第一流水线级的第一电荷转 移电路31、第一储存节点32与第一电容器35、以及一起建构第二流 水线级的第二电荷转移电路33、第二储存节点34与第二电容器36、 以及并无显示的作为下一个流水线级输入点的第三电荷转移电路37所 构成。时钟电压Vd与Vc2分别会驱动这两个电容器；而数字时钟信号 SCT1与Scn则控制电荷转移电路。
与图3电路操作相关的波形显示于图4。有关于图3中第一级的波 形Vp与VC1分别相同于图2中的V2与Vc,。有关于图3屮第二级的波 形Vm与Vc2相似，但偏移第一级一半时钟周期。因此，图3的两级在 整个时钟周期的交替的半周期上操作。在所示的第一半周期中，当电 荷通过电荷转移电路31转移到图3的第一级时，电荷便会通过电荷转 移电路37转移出第二级(进入下一级，并无显示)。相似的是，在第二 半周期中，随着电荷通过电荷转移电路33而转移出第一级，电荷便会 转移进入第二级。
为了控制电荷转移的方向，需要有所选择地启动适当的电荷转移电路。数字信号Scn与ScT2提供此种控制。如图4所示的，在t，-t2期
间中，ScQ被设定(高态)。此控制信号会启动电荷转移电路31与37，
在上述的此时间区间中，其为有效的。在第二半周t3-t4所相应的时间
区间中，Scn被设定(asserted),启动电荷转移电路33。数字信号SCT1
与ScT2用以控制电荷转移电路动作的确切装置与本发明不相干。所述
控制的某些范例说明于前述的专利申请书(美国专利申请书第
11/807,914号，于2007年月30日申请，标题为"提升电荷转移电路")。 上文所说明的两相操作模式随同电荷转移电路的控制(由等效于 Sen与SCT2的信号所控制)使用于以下所要说明的所有流水线电路中。 为清晰起见，在之后的图示或说明中不再重复这些细节。
为了由相似于图1的级所组成的流水线来形成电荷域ADC，除了 电荷储存与偏移之外，尚需要至少两种操作电荷必须与参考数值比 较，典型为另一电荷；以及参考电荷必须有条件地附加于信号电荷(此 "附加"可以是不同符号的)。在本发明的ADC中，这两种操作实现于多 个流水线级的每一个之中。这些操作的实现说明于下，以电荷的条件 附加开始。
有条件的电荷附加所使用的基本原理叙述于图5，其操作波形显示 于图6。就此探讨的目的而言，显示单端级。在实际的ADC设计上， 差动操作通常为优选的，在本发明的范畴内，两种模式皆为可行。
图5所示的流水线级保留图1所示的所有元件。此外，图5包含 两个新元件连接于电荷储存节点2与电压VQR1之间的电容器6(其数 值为QO、以及连接于节点2与电压Vp之间的开关7。开关7受控于周 期性的数字时钟信号(等同于图6的S7)。
图6显示图5电路的操作波形。图6中的初始条件相似于图2: VC1处于高电压45，而节点2的电压VJ!I」是处于高电压41。此外，VQR1 处于高电压47，而开关则是处于截止状态，由图6中其控制信号S7的 低数值所指明。如图2，在t,与t2之间，电荷转移到该级之中，致使 V2以输入电荷的比例降低，稳定于电压42。 V2因输入电荷所致的改变 反比于节点2的电容量，如以上所解释的。在图5中(忽略寄生电容)， 此总电容量为C二Q+C6。
在电荷转入之后，图5的新特征便会开始有所作用。在时间t^，电压VQR,有条件地从其高态47切换到低态48。 VQR1的这种有条件的 转变会因电容分压而通过Q耦合到节点2，此处其产生相似但较小的 电压改变。如果Vqw切換，则节点2上的电压会改变为电压49(虚线)， 而如果不切换，则保持在电压42(实线)。
在时间t3， Vd会从高电压45切换到低电压46，使电荷转移出此 级。如同参照图2所解释的，由于通过电容器5的耦合而将节点2驱 动到较低的电压。电荷转移电路会从节点2移除电荷，并且将电荷转 移到下一级。在tt， V2会稳定于电压43，其与之前在节点2上的电荷 无关，且此级的电荷转出完成。
在t5， VC1与VQR1两者皆会返回到其初始高态(分别为电压45与 47)。在每一时钟周期中，对Vd而言此转变相同。然而，Vqju可能已
经处于其高电压47，根据其是否在t3A切换而定。因此，在ts耦合到节
点2的正步阶会根据VQR1的状态而具有不同的数值，导致不同的终值 电压。图5中所附加的开关7用以将节点2上的电压(以及电荷)恢复到
可重复的状态，而不论在t5 VQ^的状态为何。在t5-t6期间中，开关7
导通，如同其控制信号S7的高态所指示的，因此在节点2上建立可重 复的电压，以便开始下 -个周期，所以电压44=电压41。以理想开关 来说，电压44二Vp;实际的MOS开关会引进一小"基底"(pedestal), 致使电压44-Vp。然而，此种非理想性质为一周期接着一周期可重复 的，所以在实际电路中，电压44=电压41的条件仍然符合。
不像图1的情况，其转移进入此级的电荷随后便转出，而不需更 改，在图5电路中所输出的电荷通常会不同于输入的电荷
Qout = Qin+C6AVqri+Qconst方程式1
.其中C6为电容器6的电容量，AVQR1为VQRI在t3A的变化量，而 QawsT则为固定的电荷，根据Vp、电压43、 45与46、以及电容器数 值而定。如同图6中所显而易见的，如果VQM切换，贝IJAV(^等于(电 压48-电压47)，而如果不切换，则AV(^等于零。所要注意的是，C6AVQR,
与Qaws两者可以是正或者负的量。
当图5的电路用来形成流水线ADC其中一级时，便会使(电压48-电压47)的量等于参考电压，为方便起见将参考电压称为VR1。所以， QVju量因C6固定于所给定的示例而成为参考电荷。因此，在t3A ，在 方程式1中AVq!U二Vju或者AVq^二0的有条件选择乃是相应于参考电
荷C6 V^有条件的附加到输入电荷封包QIN。图5的电路因此提供电荷 域ADC实现方式所需的两操作的其中一种。
所要强调的是，t3A确切的位置对图5电路的操作而言并不要紧。 VQ^能够发生在t。与t3之间的任何时间，而无电路性能的改变；在某
些可实行的条件下，其同样也可发生于t3-t4的时间区间中。
在某些ADC实现方式中，期望在单一流水线级提供超过一个的有 条件的电荷附加。所述级的范例显示于图7。除了图5电路的元件之外， 此电路还包含额外的电容器6A与电压源VQR2。除了在t3A电压VQR1
与VQK2每个皆会经历大小分别为Vw与VR2的独立的有条件的转变之 外，所述级的操作与图5相同。此级所产生的电荷转移函数给定为
Qout=Qin+C6AVqr1+ C6AAVQR2+QCONST方程式2
相同的原理能够延伸到任何数目的电容器与Va数值。 电荷域ADC操作所需的其他操作为电荷的比较。图8显示提供此 操作的电路。图8的电路与图1相同，并附加电压比较器8与锁存器9。 比较器8会比较节点2的电压与参考电压VRC。如同联系图1与2 所指出的，在b之后节点2上的电压根据所转入此级的电荷数量而定 在图2中，例如两个不同的输入电荷量在节点2上分别产生电压22A 与22B。由于此从属关系，电压比较器8实现节点2上的电压与参考
值的比较。锁存器9会在数字时钟信号Vc2所定义的12与t3之间的时
间点上捕捉此比较的结果，并且提供数字输出电压VB。
如上述，诸多实际的电荷域流水线ADCs利用差动电路。在如此
的电路中，以电荷对来表示信号，其中电荷对的差量正比于信号。此
种设置允许以单极性电荷封包表示双极性信号，并且同样也能够提供
动态范围与抗干扰度的优点。
图9阐述一种差动流水线级，其在功能上类似于图8的单端级。
图9的电路包含两个电荷流水线，每个皆与图1相同。上面的流水线包含元件1A、 2A、 3A、 4A与5A，等效于图1的元件1、 2、 3、 4与 5。下面的流水线包含元件1B..5B,也等效于图1的元件1..5。此电路
中的锁存器9提供相同于图8的功能。然而，在此种差动配置中，比 较器8会比较两电荷储存节点A与B的电压，而非如同图8比较固定
的参考值。因此，图9比较器的判断是基于t2-t3时间区间中差动电荷
信号的符号。
上述的多种电路配置提供实现流水线电荷域A/D转换所需的所有 的操作亦即电荷储存与转移、电荷比较、以及有条件与固定电荷的 附加。这些操作能够以各种不同方式组合，从而实现诸多不同的ADC 算法。基于这些操作的两个ADCs范例给定于下；其中之一的每个流 水线级实现一次基本的一位转换；而另一个则每个流水线级实现一次 RSD(有时称为"1.5位")转换。
图10阐述一种差动电荷域流水线ADC级，其每级分辨一个位。 所示的电路组合图9的基本差动流水线、比较器与锁存器、以及图5 的条件性电荷附加能力(在此以差动形式使用)。这些元件相似地视为先 前图示中所相应的元件，并且以相同的方式运作。此外，图10的电路 包含逻辑电路区块，由反相器71与OR (或)逻辑门72和73、加上 电平转换器74与75所构成。
在操作上，两流水线的每个皆与图5的电路相似地运作，Vq^a与 V(^b每个作用于其个别的流水线，相似于图5的VQR1。图10中的逻
辑方块会致使Vqr,a或VQR,b(但并非两者同时)在适当的时间点从高态
切换到低态。响应于OR-逻辑门输出端上的逻辑电平，通过电平转换 器74与75提供确切的高与低电压Vh和Vl。此电路中两流水线的每
个的操作波形与图6相同。时钟电压Vc3决定VQR,a/b切换的时序，等 效于图6的t3A。在VQR,a/b切换之前或者同时的时间点上以时钟激励锁
存器9(通过时钟电压Vc2)。由于这些操作条件，图10中的两流水线便 会根据以下的方程式来处理电荷
Qout=Qna+C6AVqR1A+QCONSt方程式3A Qout = Qinb+C6AVqr1B+ QcONST力1呈^i 3B其中C6为电容器6A与6B的数值，而AVq!ua与AVqr,b則等于AVr =V「VH，或者等于零。(为简化起见而在此假设电容器6A与6B的数 值相等，以及假设两者皆由相同的AVR数值所驱动；这些限制并非必 要的)。在比较器的判断上，方程式3A与3B中有条件的电荷从属关系 能够表示为
C6AVQR1A=bC6AVR 方程式4A C6AVQR1A=(1—b)C6AVR方程式4B
其中b为输出位判断的数值，数值1或0。
在差动流水线配置中，通过"A"电荷与"B"电荷之间的差量来表示 其信号Q=QA-QB。因此，方程式3A、 3B、 4A与4B可组合以表示 差动信号电荷的整体级转移函数
Q0UT=QIN+(2b—l)C6AVR=Q1N+(2b—1)QSTAGE方程式5
其中QSTACE = C6AVR。方程式5显示此级不是附加QsTACE到输入 电荷(若b二 l)便是从输入电荷中减去QSTACE(若b:0)。在众所周知的用
于A/D转换的逐次-逼近算法中，此操作可认为是其中一个阶段，用于
有符号的信号。
N个这样的级的流水线因此会产生电荷转移函数 QoUT(N) 二 QlN + (2b广1 )QsTAGE( 1)
+ (2b广l)Q stage(2)…
+(2bN—l)Q
stage(n)
方程式6
如果级电荷qsta叫w)每个皆较小于前一个qstag刚，则此一系列 的电荷比较与(有符号的)附加便会收敛到QOUTW=0。特别是，如 果级电荷縮小尺度致使QSTAGE(k+1) = ( 1 /2)QSTAGE(k)，则比较器判断序列
b,、 b2…bN便会给N位偏移二进制趋近的位设定比率QiN/2QSTAGE(1)。
在此状况下，能够趋近的满量程范围为-2Qstage(^Q,n〈2Qstag印)。
此种算法其中一个特性为，就位于转换处理满量程范围之内的流 水线输入信号而言，来自每个级(k)的输出差动电荷皆遵从以下条件IQoUT(N)l ^ IQsTAGE(k)l方禾呈式7
因此，每个连续级需要处理少于前一个级的差动电荷。就二进制 级縮放尺度而言，每个连续级需要处理前一级大半部分的电荷。此事 实可能会致使本发明其他的优点。
如同以上所指出的，在电荷储存节点(例如，图5的节点2)上的电 压变量为AV二QWC，其中C为节点上的总电容量。在实际的电荷域电 路中，在此储存节点上最大的电压变量AV必须局限于所使用的半导体 工艺、有效的时钟电压等等所指定的限制。就进入此级所给定的电荷 而言，如此的限制会给此级中的总节点电容量强制了最小可能大小；
如果我们称电荷储存节点上最大可容许的电压摆幅为AVMAx，则我们便
能够将节点电容量的限制表示为 Cnode〉 Qin/AVmax 方程式8
然而，大的Ci,De数值所具有的缺点为其降低给定的电荷信号所 呈现于比较器的电压。所以，就所给定的比较器电压分辨率(例如，被 电压噪声或偏移量所限制)而言，最小可分辨的电荷反比于CNODE。将 期望尽可能地降低CN(3DE，从而最大化电荷分辨率(乃至有效位中的整 个ADC分辨率)。因此，方程式的限制与高ADC分辨率的目标有所抵 触。
本发明提供一种满足方程式8的工具，同时提供高ADC分辨率。 方程式7指示相比于前一级，流水线中每个级所要处理的差动电荷信 号减少。(在二进制流水线中，其乃是以2的因数减少)。因此，就每个 连续的流水线级而言，满足有关于差动电荷信号的方程式8所需的最 小可容许的节点电容量较小。然而，为了利用这种机会，在每个连续 级上，不仅是差动电荷，连包含差动对的个别电荷也必须减少。
每个级上的共模(CM)电荷定义为这两个电荷封包的平均值。尽管 在每个级上，信号的电荷(亦即，电荷封包的差量)因比较器与电荷附加 的组合行为而有所降低，但CM并不会降低。使用其定义，我们便能够组合方程式A、 3B、 4A与4B、以及QSTA(3E的定义，得到
QcM-out= 1/2(QoUTA+QoUTB)
=l/2{(Q1NA+QINB)+[b+(l—b)]C6AVR+2QCONST} =Qcm-in十1 /2C6AVr+Qconst
二QcM-in+l/2QsTAGE+QcONST 方程式9
方程式9显示每级上的CM电荷以该级的固定数量特性变动。(此 数量与级的位判断无关)。如以上所述，QsmeE根据C5以及多个其他的
电压而定。因此，例如可选择C(3以及Vp的数值，从而致使Qcm.OUT从
一级到另一级地减少，如QsmciE—样。此结果为能够使每级的总电容 量小于前一级；就二进制的尺度縮放而言，能够趋近其大小的一半。
并入这种电荷与电容量从一级到另一级降低的流水线ADC结构称 为"锥形流水线"。其具有超越现有技术的基于BBD的ADCs的多个重 要优点通过降低一连串级的总电容量，其减少操作的功率；同理， 其降低附加于流水线屮的总"kTC"噪声(因而改善ADC的分辨率)；其 增加流水线后端级比较器的电荷分辨率，因而实现较高的整体分辨率； 以其降低流水线所需的总电容量，因而减小电路的面积。
为了利用锥形流水线中后端流水线级所增加的比较器电荷分辨 率，必须利用一种避免在前端级中不确切的比较器判断连累最后A/D 转换精度的算法。此种需求众所周知的解决方式为利用冗位，致使后 端的级能够修正不确切的前端判断。基于此种观念所广泛使用的算法 为RSD(有时称为"每级1.5位")的算法。在此种方式中，每个流水线级 具冇两个有不同阈值的独立比较器、以及两个相应的冇条件开关电容 对。RSD算法已经广泛地实现于开关电容流水线之中，但并无实现于 之前的电荷域流水线中。其在BBD电荷流水线中的使用为本发明的一 个特征。
图11阐述实现RSD算法的差动电荷域流水线ADC级中的一级。 除了比较器、锁存器、逻辑方块、以及有条件开关电容完全一样之外， 其与图10的电路相似。再者，为两个比较器提供偏移的阈值，致使每 一个都会在"A"与"B"储存节点之间的特定电荷不平衡下进行切换，而不是在图IO所示的平衡点上切换。尽管并非必需的，比较器通常具有 对称于平衡点的阈值，如图ll所指示的。从该级输出两锁存的比较器
的判断作为数字信号b与b'。
假设图11的级置于流水线中，其中输入电荷范围相同于图10的
二进制级，且图11每个有条件开关电容为图io所相应的电容器的一
半大小。因此，如果驱动图11中的两比较器得到相同的判断，指示"A"
与"B"储存节点之间的大电荷差量，则输出位b与b'会具有相同的数值，
而且差动电荷对的相同分支上的有条件开关电容两者都会被切换。在
此状况下，级转移函数给定为方程式5，正如图10的电路。然而，如
果输入电荷接近平衡，则b与b，便会互补，而且将1/2QsTAGE的电荷附
加于每个输出电荷封包。在此状况下，输出(差动)信号电荷并不会改变
(QoUT = QlN)。
这些操作的其中一个结果为级输出电荷仍会遵从方程式7。另一个
结果则是每级所分辨的额外位会提供所需的冗位，致使能够使用后端 的位判断来修正前端较不确切的位判断。因此，在后端级中，锥形流
水线所提供的己改善的电荷分辨率能够用来提供整个改进的ADC分辨 率。在此一范例中从一级到另一级的电荷縮放仍为因数2，正如上述的 二进制流水线ADC。
图8与9阐述本发明的流水线对A/D转换的两个典范应用。对熟 知目前ADC技术者而言，基于相同流水线的相似方法将会是显而易见 的。范例包含通过使用多个比较器与有条件开关电容对而每级分辨两 个或者多个位的流水线ADCs。
主要已经参照差动电荷流水线说明了锥形流水线原理。在某些应 用中，诸如所要转换的输入信号为单端电荷的(如同在成像仪中)，单端 ADC流水线的配置是优选的。锥形流水线原理同样也能够适当地应用 于如此的应用中。
尽管已经参照示例性实施例而特别地说明显示以及说明了木发 明，然本领域技术人员将会了解到可从事型式与细节上各种不同的改 变，而不违反权利要求书范围所包含的本发明范畴。
权利要求
1、一种使用组桶式电荷转移的电荷域流水线，包含第一电荷转移电路；第二电荷转移电路；连接至第一电荷转移电路与第二电荷转移电路的节点；连接至该节点进而连接至时钟电压的电容器；连接至该节点的切换电压；以及第一或第二电荷转移电路至少其中之一为一种提升电荷转移电路。
2、 根据权利要求l所述的电荷域流水线，额外包含用以提供第一 电荷转移电路与第二电荷转移电路之间的电荷储存 与电荷转移时序的独立控制的控制电路系统。
3、 根据权利要求2所述的电荷域流水线，其中该控制电路系统提 供流水线中电荷转移方向的控制。
4、 根据权利要求l所述的电荷域流水线，包含连接至该节点进而连接至条件电压的第二电容器，此第二电容器 用以提供条件电荷至该节点。
5、 根据权利要求4所述的电荷域流水线，其中的第二电容器基于 节点电压与参考电压的比较而提供条件电荷至该节点。
6、 根据权利要求4所述的电荷域流水线，进一歩包含连接至节点 进而连接至条件电压的多个电容器，所述多个电容器其中毎个都是用 以提供条件电荷至该节点。
7、 根据权利要求1所述的电荷域流水线，其设置用以提供一种差 动电荷域流水线，并且进一歩包含第三电荷转移电路；第四电荷转移电路；连接至第三电荷转移电路与第四电荷转移电路的第二节点； 连接至该节点进而连接至第二时钟电压的第二电容器；以及 分别连接至第一节点与第二节点的第三与第四电容器，第三与第四电容器用以提供条件电荷至第一电荷转移电路或第三电荷转移电路。
8、 根据权利要求7所述的差动电荷域流水线，其中第三电荷转移 电路以及第四电荷转移电路至少其中之一为提升电荷转移电路。
9、 根据权利要求7所述的差动电荷域流水线，其中的第三电容器 基于比较第一节点以及第二节点的电压而提供条件电荷。
10、 根据权利要求7所述的差动电荷域流水线，进一步包含连接 至第一与第二节点并且用以提供条件电荷至第一电荷转移电路或第三 电荷转移电路的多个条件电荷电容器。
11、 根据权利要求10所述的差动电荷域流水线，其中所述多个电 容器基于不同阈值下比较第一节点以及第二节点的电压而提供条件电 荷。
12、 一种使用组桶式电荷转移的流水线电荷域模拟到数字转换器，包含第一电荷转移电路； 第二电荷转移电路；连接至第一 电荷转移电路与第二电荷转移电路的节点； 连接至该节点进而连接至时钟电压的电容器； 连接至该节点的切换电压；以及其中第一或第二电荷转移电路至少其中之一为一种提升电荷转移 电路。
13、 根据权利要求12所述的流水线电荷域模拟到数字转换器，还 包含用以提供第一电荷转移电路与第二电荷转移电路之间的电荷储存 与电荷转移时序的独立控制的控制电路系统。
14、 根据权利要求12所述的电荷域流水线，其设置用以提供一种 差动电荷域流水线，并进一歩包含第三电荷转移电路； 第四电荷转移电路；连接至第三电荷转移电路与第四电荷转移电路的第二节点； 连接至该节点进而连接至第二时钟电压的第二电容器；以及 分别连接至第一节点与第二节点并且用以提供条件电荷至第一电 荷转移电路或第三电荷转移电路的第三与第四电容器。
15、 一种使用组桶式电荷转移的流水线电荷域模拟到数字转换器， 包含第一电荷转移电路； 第二电荷转移电路；连接至第一 电荷转移电路与第二电荷转移电路的节点； 连接至该节点进而连接至时钟电压的第一时钟电容器； 连接至该节点进而连接至条件电压的多个条件电荷电容器，所述 多个条件电荷电容器其中每个都用以提供条件电荷至该节点。
16、根据权利要求15所述的流水线电荷域模拟到数字转换器，额 外包含第三电荷转移电路； 第四电荷转移电路；连接至第三电荷转移电路与第四电荷转移电路的第二节点； 连接至该节点进而连接至时钟电压的第二时钟电容器； 连接至第一节点与第二节点并且用以基于不同阈值下比较第一节 点与第二节点的电压来提供条件电荷至第一电荷转移电路或第三电荷转移电路的第二多个条件电荷电容器。
17、 根据权利要求15所述的流水线电荷域模拟到数字转换器，其 中该流水线实现一种RSD模拟到数字转换算法。
18、 根据权利要求15所述的流水线电荷域模拟到数字转换器，其 中该流水线实现二进制级縮放。
19、 一种使用组桶式电荷转移的流水线电荷域模拟到数字转换器， 包含通过多个节点而连接在级联设置中的多个电荷转移电路，每个节 点都进一步连接至分别的电容器，流水线中的后端节点连接至具有相 比于连接至前端节点的电容器较小的电容量的电容器。
20、 根据权利要求19所述的电荷域流水线，其设置以提供一种差动电荷域流水线，并且进一步包含第三电荷转移电路； 第四电荷转移电路；连接至第三电荷转移电路与第四电荷转移电路的第二节点； 连接至该节点进而连接至第二时钟电压的第二电容器；以及 分别连接至第一节点与第二节点并且用以提供条件电荷至第一电 荷转移电路或第三电荷转移电路的第三与第四电容器。
21、 一种使用组桶式电荷转移的流水线电荷域模拟到数字转换器，通过多个节点而连接在级联设置中的多个电荷转移电路，每个节 点皆进一歩连接至分别的电容器，其屮每个节点所提供的最大输出电 荷则是较小的那些前端节点；以及用以提供所述多个电荷转移电路之间的电荷储存与电荷转移时序 的独立控制的控制电路系统。
全文摘要
一种使用能够用于模拟到数字(A/D)转换器与其他应用的金氧半(MOS)组桶式装置(BBDs)的组桶式型式电荷转移流水线的ADC实现方式。在其中的一个实施例中，控制电路提供电荷储存与电荷转移时序的独立控制。其他的设置通过利用一种“提升”电荷转移电路来提供高速与高精度(A/D)转换。其实现方式相比于其他电荷域方法，还能够通过使用一种锥形流水线实现较低的功率消耗与改进的分辨率，其中相比于前端，在后端流水线级中所要处理的电荷数量减少。其他实施例能够实现每级超过一个的判断阈值，从而支持每级的多位分辨率以及RSD型式A/D转换算法。
文档编号H03M1/12GK101611547SQ200880002327
公开日2009年12月23日 申请日期2008年1月18日 优先权日2007年1月19日
发明者J·D·柯慈, M·P·安东尼 申请人:肯奈特公司