模数转换器输入电荷的辅助输入的制作方法

本公开涉及提供在模数转换器(adc)的输入级中对非线性电容充电的电路，并且特别涉及这样的电路，允许充电非线性电容，同时允许电荷绕过位于输入级输入端的任何频带限制滤波器。

背景技术：

对于每个要采样的通道，模数转换器(adc)通常包括输入开关和采样电容器，在该采样电容器上通过开关对要转换的信号进行采样。为了限制采样信号中的噪声量，通常在输入节点和输入开关之间的adc通道的输入端包括带限rc滤波器。理想情况下，rc滤波器的带宽将与所采样的所需信号的带宽相匹配，但实际上，这并未证明是可能的，同时还允许adc的可接受的短建立时间。这是因为adc的元件引入了各种非线性寄生电容，特别是在输入开关的后栅极，这需要充分充电以允许稳定的信号采集。为了在给定这些寄生电容的有限充电时间的情况下允许足够快的adc操作，必须采用更宽带宽的rc滤波器，以允许电荷足够快地通过来自输入节点的寄生电容，以允许对于所需的采样率它们足够快地稳定。例如，在本申请人可获得的一种已知adc(ltc2387-18)中，为了采样50khz信号，需要77mhz的rc滤波器带宽。这种大带宽会显着增加采样噪声，这在很多情况下会导致adc驱动电路的高功耗。

技术实现要素：

本公开的示例涉及用于模数转换器的输入级，其中用于对输入级中的寄生电容充电的电荷，特别是输入开关中的寄生电容来自节点，这意味着它不必通过输入rc滤波器。这具有输入rc滤波器可以具有较低带宽和/或具有较大电阻值的效果，结果是adc驱动电路中的功耗较低。在一个例子中，通过提供单独的输入来实现这种效果，其中可以从外部电路馈送用于对寄生电容充电的电荷。在另一个例子中，具有高(理想无限)输入阻抗的运算放大器可用于将电荷从输入到rc滤波器或从滤波器的电阻器和电容器之间的节点馈送到输入开关，同样不会使滤波器不稳定。

更详细地，在一个例子中，提供用于包括模数转换器(adc)的信号处理块的输入级，输入级包括第一输入节点、在其输入节点处的rc滤波器、以及接收要在通过所述rc滤波器提供的输入节点处转换的输入信号的输入开关。输入级还包括与所述第一输入节点分开的第二输入节点、以及布置成经由第二输入节点驱动一个或多个内部负载的第一电路。内部负载使得如果从所述第一输入节点驱动，它们将否则破坏所述输入信号。例如，内部负载可以是电抗性负载或电阻性负载，并且特别地可以是电容性负载。

在一个例子中，第一电路至少从adc的转换阶段到采集阶段的转换，和/或至少在adc的采集阶段期间通过第二输入节点向输入开关中的一个或多个内部负载提供电荷。

在一个例子中，第一输入节点连接到集成电路封装上提供的第一输入引脚，并且第二输入节点连接到集成电路封装上的第二输入引脚。这在没有引脚约束的现代ic封装布置上尤其可能，例如在集成电路封装包括球栅阵列型封装的情况下。

在一个例子中，一个或多个内部负载是一个或多个寄生电容，并且将足够的电荷从第二输入节点路由到寄生电容以对寄生电容充电，使得需要可忽略的电荷经由rc滤波器从第一输入节点馈送到寄生电容。如果所述内部负载仅经由所述rc滤波器从所述第一输入节点驱动，所述rc滤波器的带宽小于否则就是这种情况。

在一个例子中，输入开关是场效应晶体管(fet)，并且至少一个或多个内部负载是所述fet的后栅极与所述电路中的一个或多个其他电节点之间的寄生电容。

在另一个例子中，升压电路还可包括升压电路，被设置为在adc的采集阶段期间将升压电压馈送到所述输入开关，所述升压电路在所述输入开关和所述第二输入节点之间提供升压电压。在特定例子中，升压电路可包括升压电容器和升压开关电路，并且升压开关电路工作以：i)在第一阶段期间对所述升压电容器充电；和ii)在adc的第二次采集阶段期间，在所述输入开关和所述第二输入节点之间连接升压电容器。

在上述特定例子中，输入开关可以是场效应晶体管(fet)，并且升压电压设置在fet的栅极端子和第二输入节点之间。

在另外例子中，提供用于模数转换器(adc)的输入级，所述输入级包括：第一输入节点，在该节点处在使用中接收要转换的输入信号；rc滤波器；以及接收要在通过所述rc滤波器转换的输入信号的输入开关。输入级还包括与所述第一输入节点分开的第二输入节点和升压电路，升压电路被设置成在adc的采集阶段期间将升压电压馈送到输入开关，所述升压电路在所述输入开关和所述第二输入节点之间提供升压电压。

在一个例子中，所述第二输入节点基本上没有在输入节点处接收的输入信号，使得所述升压电压不与其一起调制。

在一个例子中，所述升压电路包括升压电容器和升压开关电路，所述升压开关电路工作以：

i)在adc的转换或充电期间，将所述升压电容器连接到电压差以对所述电容器充电；

ii)在adc的采集期间，连接所述输入开关和所述第二输入节点之间的升压电容器。

在一个例子中，所述输入开关是场效应晶体管(fet)，并且在fet的栅极端子和所述第二输入节点之间提供升压电压。

在本公开的又一例子中，用于模数转换器(adc)的输入级包括具有串联第一输入节点的输入信号线、低通rc滤波器和输入开关，所述输入信号线的布置使得在使用中所述输入开关接收要通过rc滤波器从所述输入节点转换的输入信号。输入级还包括放大器，所述放大器具有在所述输入节点和所述输入开关之间的输入信号线上的任何点处连接的输入、以及用于驱动一个或多个内部负载的输出。内部负载的性质使得如果从所述第一输入节点驱动，它们将否则破坏所述输入信号。例如，内部负载可以是电抗性负载或电阻性负载，并且特别地可以是电容性负载，更具体地是输入开关与电路中的一个或多个其他电气节点之间的寄生电容。

在一个例子中，所述放大器是具有高输入阻抗的运算放大器，并且输入开关是场效应晶体管(fet)。寄生电容中的至少一个或多个是fet的背栅与电路中的一个或多个其他电节点之间的寄生电容。在另外例子中，提供用于模数转换器(adc)的输入级，所述输入级包括具有串联第一输入节点的输入信号线、低通rc滤波器、输入开关和采样电容器，所述输入信号线的布置使得在使用中所述输入开关接收要通过rc滤波器从所述输入节点转换的输入信号，并将所述输入信号输出到所述采样电容器以进行数字转换，输入级还包括与第一输入节点分开的第二输入节点、以及将所述第二输入节点连接到所述采样电容器的第一电路，该布置使得所述第二输入节点在使用中接收预充电信号，该预充电信号用于对所述采样电容器进行预充电，而不对所述预充电信号进行进一步放大。利用这种布置，辅助输入还可以用于为采样电容器的预充电目的提供电荷。为此目的，辅助输入可以连接到低输出阻抗电流源，从而绕过连接到信号线的adc芯片本身的电压跟随放大器的需要。

上述例子还包括第二电路，其在输入开关中至少从adc的转换阶段到采集阶段的转换或者在adc的采集阶段期间将所述第二输入节点或第三输入节点连接到一个或多个内部负载，所述内部负载使得如果从所述第一输入节点驱动，它们将否则破坏所述输入信号。因此，用于对采样电容器进行预充电和对输入开关进行导通偏置(即栅极升压)的电流都可以来自位于芯片外的适当电流源，并且不需要每个电流干扰adc输入端的rc滤波器。

根据以下描述和所附权利要求，本公开的其他特征，示例和优点将显而易见。

附图说明

现在将参考附图描述本公开的示例，其中，相同的附图标记表示相同的部件，并且其中：

图1是典型adc输入级的示意图，示出了输入开关的后栅极中存在的寄生电容；

图2是本发明的第一示例的图，其中提供单独的输入，其中可以提供电荷以对寄生电容充电；

图3是本发明的第二示例的示意图，其中通过运算放大器提供电荷以对寄生电容充电；

图4是传统的“栅极-升压”电路图，用于确保在从adc的转换到采集阶段的切换时快速接通输入开关；

图5是本发明的第三示例的图，其中“栅极升压”电路已被修改为具有绕过输入rc滤波器的次级输入；

图6是图5的改进的栅极升压电路的示图；

图7和8是球栅阵列的图片，当示例在集成电路封装中实现时，可用于提供次级输入；

图9是包括预充电放大器的预充电电路的电路图；

图10是使用辅助输入的预充电电路的示图；

图11是使用公共辅助输入的组合预充电和栅极升压电路的示图；

图12是使用用于预充电电路和栅极升压电路的相应单独辅助输入的组合预充电和栅极升压电路的图。

具体实施方式

由于其背栅中的非线性电容，在转换到adc的采集阶段期间或在采集阶段期间，输入开关到模数转换器(adc)中的采样电容器会吸收大量电荷。传统上，通过在adc输入端提供的输入rc滤波器将此电荷从输入vin提供给输入开关，这意味着，为了为这些寄生电荷提供快速建立时间，需要一个大带宽rc滤波器，这反过来增加了采样噪声。

为了解决这个问题，不是通过rc滤波器对开关中的非线性电容充电，而是提供单独的辅助输入，以便从电流源获取电荷，为输入开关中的所有寄生电容充电，而无需通过输入rc滤波器充电。这允许较低带宽滤波器或较大电阻值，从而导致较低的采样噪声。物理上在一个示例中，附加输入可以在adc芯片上作为附加输入引脚表现出来，这与现代球栅阵列芯片封装技术不是问题，与传统dil封装相比允许许多可能的引脚。在另一个例子中，电荷可以由在rc滤波器之前直接连接到vin的运算放大器产生，或者由rc滤波器的电阻器和电容器之间的节点产生。

图1显示了简化的典型adc输入级。adc输入级通常包括输入节点vin，在该输入节点vin处输入要采样的模拟信号。还提供rc输入级，其包括与输入vin串联的电阻器2和连接在电阻器和地之间的电容器4，所得到的rc滤波器用于对输入信号进行频带限制，从而减少采样的噪声。然后，电阻器和电容器之间的节点连接到输入开关6的源极端子，通常是fet。连接到输入开关6的漏极端的是采样电容器8，在采集期间对要数字化的信号进行采样和保持。电阻器10连接到采样电容器8的相对板，adc的其余转换电路是常规的并且未示出。

输入开关6通常是具有前栅极和后栅极的双栅极fet。器件内部产生非线性寄生电容，特别是在fet的栅极和输出节点之间的背栅中。这些在图1中显示为寄生电容12、14和16。fet的背栅通过开关18连接到输入线，并通过开关20连接到地。在采集期间，开关18闭合，开关20断开；在转换开关18期间，开关18断开，开关20闭合。

adc的基本操作在两种模式之间交替进行；获取要采样的信号，以及获取的信号的转换。在采集期间，输入开关接通以允许来自输入vin的电流流过输入开关6并进入采样电容器8，以使保持在采样电容器8上的电压达到在vin处采样的电压的电平。然而，由于寄生背栅电容，开关不能被认为是理想的，并且一些输入电荷例如通过开关18被转移以对寄生电容充电，因此增加了使采样电容器8达到输入电平所需的建立时间。为了最小化该建立时间，包括电阻器2和电容器4的输入rc滤波器通常被设计成具有比要采样的输入信号宽得多的带宽，以允许寄生电容尽可能快地充电并减少建立时间。然而，这种宽带宽本身引入了这样的问题：adc的驱动器电路必须提供和耗散比采样信号带宽严格必需的功率更多的功率，从而增加了器件的功耗。因此，传统上在adc的快速建立时间之间需要权衡，但是具有宽带宽rc滤波器导致驱动器中的较高功耗，或者具有较低驱动功率的较低带宽rc滤波器，但是建立时间较长(因此采样率较低)。

图2示出了解决上述问题的本公开的第一简化示例。具体地，在该示例中通过提供次级输入vin_aux来解决该问题，该次级输入vin_aux可以连接到外部片外电流源，从该外部片外电流源可以提供电流以在切换到采集时对背栅寄生电容充电。具体地，次级输入vin_aux通过开关18直接连接到输入开关6的后栅极节点16。当adc进入采集时，开关18接通，开关20断开，电流直接从vin_aux次级输入提供给背栅16，以对寄生电容12、14和16充电。因此，寄生电容的充电电流完全绕过rc滤波器，因此rc滤波器可以具有更低的带宽，更接近于采样速率，因此需要更少的驱动器功率。

图3示出了第二个简化示例，其以稍微不同的方式解决了相同的问题。这里，开关18通过运算放大器22连接到输入线。运算放大器22的输入连接到rc输入滤波器的电阻器2和电容器4之间的节点，但是同样可以连接到输入节点vin。鉴于理想的运算放大器具有无限输入阻抗(实际运算放大器的输入阻抗非常高)，很少或没有额外的电流通过输入vin吸入运算放大器，因此rc滤波器的带宽可能低于图1中的布置，更接近于要采样的信号。然后，运算放大器(未显示电源)提供电流以对寄生电容充电。因此，再次没有通过rc滤波器提供寄生电容充电电流，这意味着滤波器可以再次具有较低的带宽，伴随着先前描述的驱动器功率优点，即较低的功耗。

图4示出了“栅极升压”adc输入级，可以应用本公开的概念。这里，adc输入级包括输入rc滤波器，其包括布置为低通滤波器的电阻器rf和电容器cf，以及输入背栅fet开关42，其将来自输入vin的输入信号经由rc滤波器切换到采样电容器cdac上。然后提供“栅极升压”电路，以在采集阶段期间在输入开关42上施加偏置电压，以使开关响应更加线性。栅极升压电路包括开关44，开关44在转换阶段期间闭合，并且在采集阶段期间打开。开关44连接在3.3v电压源和大电容器c升压的第一极板之间。c升压的第二个板通过开关50接地，开关50在转换阶段闭合并在采集阶段打开。连接到c升压的第二板的还有开关48，其被控制为在采集阶段期间闭合，并且在转换阶段期间打开。开关48的另一侧连接到输入开关42的源极和rc滤波器之间的节点，标记为vin1。

在c升压的n1的第一极板通过开关46连接到输入开关的栅极节点，开关46被控制以便在采集阶段期间闭合，并且在转换阶段期间打开。在输入开关的栅极节点和地之间还连接有开关52，开关52被控制为在采集阶段期间打开并且在转换阶段期间闭合。

到目前为止所描述的栅极升压电路的组件以将要描述的方式操作，以便控制输入开关42的栅极-源极电压vgs。然而，还需要控制背栅电压，这通过提供开关54和56来实现。具体地说，开关54连接在vin1节点和开关42的背栅节点之间，开关56连接在开关42的背栅节点和本地地之间。两个开关54和56以反相方式工作，即开关54在采集期间关闭并在转换期间打开，而开关56在采集期间打开并在转换期间关闭。

栅极升压输入级的操作如下。在转换阶段期间，开关44、50、52和56接通，并且开关46、48和54断开。这具有将升压电容器c升压与电路的其余部分隔离的效果，而是将其连接在vdd电源(3.3v)和本地接地之间。结果，在转换阶段，c升压充电至vdd(3.3v)。同时，输入开关42的栅极和背栅都接地，因此输入开关被牢固地关断。因此，采样电容器与输入隔离，并且可以进行转换。

转换后，操作切换到采集阶段。在该阶段，开关44、50、52和56打开，并且开关46、48和54闭合。如前所述，这具有将保持在c升压上的升压电压切换到栅极-源极结并因此提升vgs的效果。同时，开关56的断开和开关54的闭合将开关54的后栅极连接到vin1节点，因此通过rc滤波器对从vin到vin1的寄生电容充电进行充电，从而出现前面提到的问题然后需要宽的rc带宽。

为了解决这些问题，根据本公开的一个详细示例，然后如图5所示，提供辅助输入62，以便在绕过rc滤波器的同时向栅极升压电路60提供电流。辅助输入62可以例如连接到片外电源，使得电流可以经由不同的电路路径提供给栅极升压电路，而不是通过用于待采样的信号的输入。在一些示例中，辅助输入可以在物理上表现为实现adc的集成电路(ic)的单独外部输入，例如，其中ic封装在球栅阵列封装中。在采集阶段开始时，当开关42中的寄生电容被充电并且信号稳定时，这种寄生的电荷可以来自辅助输入而不是来自经由rc滤波器输入的信号。结果，可以减小rc滤波器的带宽，伴随着adc驱动电路中的功率使用的减少，如前所述。

图6示出了提供上述的改进的栅极升压电路。比较图6和图4，可以看出电路布局是相同的，具有与先前关于图4所述的开关和电容器相同的布置。然而，在图6的布置中，差异在于，图6中的开关48和54在一端连接到辅助输入vin_aux，而不是连接到vin1，如图4的布置中那样。也就是说，如图6所示，开关48现在在电容器c升压的n2的底板和辅助输入之间切换，在开关期间开关接通，在转换期间断开。另外，开关54连接在辅助输入vin_aux和开关42后栅极(bg)之间。这些变化的意义有两个方面；首先，通过开关54，直接从辅助输入vin_aux，而不是通过vin之后的rc电路，来为后栅极中的寄生电容充电，其次，在采集期间切换升压电容器c升压以连接在开关54的栅极端子和辅助输入之间，这意味着在采集过程中由c升压提供给构成开关54的fet的栅极端子的电压不会被任何要采样的输入信号调制，该输入信号也应存在于vin线上。因此，开关的vgs不可能被要被采样的信号调制到可以降低由升压电容器提供的升压偏置的程度，因此开关54可以在整个采集阶段保持硬偏置，从而减少可能存在的任何调制失真。

如上所述，在现代ic封装中，如图7和8所示使用球栅阵列意味着ic封装中通常有大量可用的输入引脚。辅助输入vin_aux62因此可以具有分配给它的自己的输入引脚，即连接到ic封装中的输入引脚，从而可以向其提供与vin输入分开的电压。这样的布置确保了对采样开关反向栅极中的寄生电容充电的电荷保持离开输入通道vin，结果rc滤波器可以具有更窄的带宽，如前所述。

除了用于向adc的输入开关提供电流之外，辅助输入vin还可以用于在采集阶段之前或开始时立即向采样电容器提供电荷以用于预充电目的。已经从我们的早期美国专利us8994564b2已知采样电容器的预充电，两者都在多路复用输入adc的背景下(即，在输入上具有用于单通道adc的多路复用器)。在这两种情况下，通常在rc滤波器之后从输入线获取预充电电流，伴随之前的缺点，然后rc滤波器必须具有更宽的带宽，那么它应该用于理想的噪声滤波目的，以便在可接受的短时间内执行预充电。然而，我们还描述了预充电的输入可以在rc滤波器之前从输入线获取，但是在任何一种情况下，即无论是从rc滤波器的前置还是后置，都包含一个电压跟随放大器作为预充电放大器，并提供输入信号的放大版本以对采样电容器进行预充电。包括电压跟随放大器的原因之一是adc前面的输入级通常具有高阻抗输出，特别是在这是多路复用器的情况下。这种高阻抗输出意味着对采样电容器进行预充电的电流可以仅非常缓慢地流动，并且特别是不足够快以允许预充电足够快地发生以获得来自adc的期望采样速率。

图9示出了这种已知的布置。这里，包括电压跟随器预充电放大器92，其从rc滤波器前面的输入信号线获取其输入，并将预充电信号输出到采样电容器8。

这种预充电装置的问题之一是预充电电压跟随放大器92的必要性，其可能占据集成电路实现上的大量硅面积，并且还不必要地消耗额外的功率。为了解决该问题，在本公开的本示例中，不包括预充电放大器，而是通过控制开关94(通常是fet)将采样电容器直接连接到aux_vin输出，如图10所示。

更详细地，图10示出了如前所述的adc的输入级，其包括输入节点vin，在该输入节点vin处输入要采样的模拟信号。adc输入级包括rc滤波器输入级，其包括与输入节点vin串联的电阻器2和连接在电阻器和地之间的电容器4，所得到的rc滤波器用于对输入信号进行频带限制，从而减少采样的噪声。该示例中的rc滤波器位于adc芯片之外，使得adc芯片的输入被示为输入节点22和102，分别标记为vin_aux和vin_采样。然后，电阻器和电容器之间的vin_采样节点连接到输入开关6的源极端子，通常是fet。连接到输入开关6的漏极端的是采样电容器8，在采集期间对要数字化的信号进行采样和保持。电阻器10连接到采样电容器8的相对板，adc的其余转换电路是常规的并且未示出。无源信号调节电路104(可以是rc低通滤波器)包括在辅助输入信号路径内，在vin_aux之后的片上或vin_aux之前的片外，以通过vin_aux匹配辅助输入路径之间的信号相移，以及通过vin_采样匹配主输入信号路径。

然而，为了通过避免rc滤波器并且不需要电压跟随放大器来提供预充电，在该示例中，提供辅助输入vin_aux，在使用中，通过adc驱动电路中的低阻抗驱动电路(未示出)和无源信号调节电路104(如果位于芯片外)，在使用中提供要采样的信号的副本。驱动电路的低阻抗特性允许采样电容器在预充电时间内被预充电信号预充电，同时保持所需的采样速率，而不需要电压跟随器预充电放大器92包括在adc输入级中，如图9的现有技术示例中那样。结果，adc输入级被大大简化。

图11显示了另一个例子，其中vin_aux输入用于提供电荷以对输入开关6进行栅极升压，同时绕过rc输入滤波器，如前所述，以及提供电荷以对采样电容器进行预充电，如上所述。在另一变型中，如图12所示，可以使用相应的单独辅助输入vin_aux和vin_aux2，其中一个输入(vin_aux)为输入开关6提供电荷，在96的另一个输入(vin_aux2)镜像输入线并将预充电电流提供给采样电容器8以在采集之前对采样电容器进行预充电。在图11和12的两个示例中，输入rc滤波器位于芯片外，并且在主信号线上的芯片的一个输入引脚上提供vin_采样节点到采样开关，并且vin_aux和vin_aux2输入节点(视情况而定)作为adc芯片的相应输入引脚提供。

另外，在图11和12的示例中，与图10的示例一样，在适当的情况下，可以在vin_aux和/或vin_aux2信号路径上提供另外的rc滤波器形式的无源信号调节，以便使辅助路径上的信号与通过开关6的主采样输入路径上的信号相位匹配。同样，无源信号调节可以位于adc芯片上(即vin_aux和vin_aux2输入引脚右侧所示的块)或位于输入引脚输入端的adc芯片上(即vin_aux和vin_aux2输入引脚左侧所示的模块)。

可以对上述实施例进行各种修改，无论是通过添加、删除还是替换，以提供进一步的实施例，其任何和所有实施例均旨在由所附权利要求书涵盖。