改进的模数转换器和操作模数转换器的方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请涉及美国专利申请序列号13/624334,通过引用将其全部并入本文。
技术领域
[0003] 本公开一般地涉及数字转换器技术。在某些示例实施例中，本公开内容提供了方 法、系统和装置，用于减小由模数转换器（ADC)呈现的负载和/或操作模数转换器W降低它 呈现的负载。
【背景技术】
[0004]有多种类型的模数转换器技术，诸如闪存、2-A、逐次逼近常规转换器等。该些不 同类型的转换器可组合使用。在一些转换器拓扑中，在模数转换发生之前，输入信号被采样 到采样电容器（或电容器阵列）。在采样操作期间，电荷在采样电容器和驱动模数转换器采 样电容器的电路之间交换。该驱动电路可W具有阻抗，使得它需要时间来充电和放电采样 电容器到其正确的电压。此时将在一定程度上取决于从之前采样和转换周期得到的横跨采 样电容器的电压。当在获取操作开始采样电容器两端的电压对应于之前采样的电压并不被 ADC的操作扰动时，应得到充足性能。
【附图说明】
[0005] 仅仅通过非限制性示例，下面将参照相应附图描述改进的模数转换器的实施例， 其中：
[0006] 图1是开关电容阵列模数转换器的示意图；
[0007] 图2示出包括兀余电容器的开关电容阵列的电路图的示例；
[000引图3W示意形式示出图2的阵列的示例，该阵列分成由单个电容器表示的主阵列， 和由另一个单个电容器表示的兀余阵列，并且进一步示意性地表示电荷转移，作为在逐次 逼近寄存器（SAR)位试验期间选择兀余电容器的结果；
[0009] 图4示意性示出关联于校正数模转换器值AC)的可切换电容器阵列的示例；和
[0010] 图5示意性地示出开关电容阵列的示例，其中兀余电容器与同伴电容器相关。
【具体实施方式】
[0011] 在转向本公开的示例实施例之前，理解由模数转换器（ADC)的设计师所遇到的比 较常见的问题是很重要的。为简单起见，尽管本发明适用于其中将被转换的电压由采样电 容器获得并保持在其上的任何技术，但下面的讨论将集中在连续逼近转换器架构。
[0012] 采用逐次逼近常规的ADC是常见的，其中转换器可W利用开关电容器阵列来制 造。开关电容器阵列可W作为输入电压采样电容器和作为电荷再分配数模转换器，从而使 所述开关电容器阵列涉及采样输入信号，并然后通过选择性在第一和第二参考电压之间切 换电容器W产生它的数字表示。某些系统可W通过包含在附加位试验中所用的附加电容器 (可w将其称作"兀余电容器"）而提供该种开关电容器阵列的兀余，w给予在位试验中阵 列从不正确决定恢复的潜力。当等效于测试作为部分转换程序的数字值的模拟非常接近采 样信号值时，该种不正确决定可发生。由于进行比较的比较器的供电轨上的噪声，或者作为 没有彻底解决的电路的结果，错误可能发生。在具有兀余的模数转换器的一些实施例中，附 加（兀余）位不用于采样输入电压，而是用来采样ADC内的可用DC电压。虽然使用该样的 兀余位有利于制造更准确的转换器，和/或由于从不正确的位测试确定恢复的能力而允许 转换时间缩短，他们也具有允许一些电荷从采样电容丢失的可能，诸如在转换过程中开关 电容器阵列。即使当信号是直流信号时，该本身可W表现为模数转换器，需要从它采样的消 耗额外的电流，或仅非常缓慢改变。该不是不具有兀余的开关电容器阵列模数转换器的情 况，因为在该转换器中，当它们被重新连接并联用于随后的信号采集时，在转换结束时整个 阵列的电容器上的电压应该等于之前获取的信号。该是因为没有电荷已从阵列丢失。因此， 在阵列上的电压应返回到之前样本值。
[0013] 信号可W通过连接到模数转换器的信号输入的低通滤波器（LP巧传递，W限制由 该转换器进行采样的噪声功率。从采样电容器到例如在模数转换过程中选择的任何兀余电 容器的电荷损失可不利地影响随后转化的准确度，由于需要经由低通滤波器向采样电容器 或该些电容器的阵列提供或吸收电流。
[0014] 虽然是不太明显的，兀余电容器的电荷损失也影响当转换AC信号时转换器的精 度和性能。当采样电容器需要在每个采样实例进行充电，W及从一次采样到下一次需要充 电的电压差将在一定程度上取决于到兀余电容器的电荷是否丢失。该采样电容可W稳定的 速度受到用于降低噪声功率的低通滤波器的限制。
[0015] 概述
[0016] 根据本公开的第一方面，提供了一种操作模数转换器的方法，该转换器包括在采 样输入信号的过程中使用的至少第一采样电容器。该方法进一步包括：修改跨至少第一采 样电容器的电压的校正步骤，在开始获取阶段之前执行所述校正步骤。
[0017] 有利地，在特定实施例中，可W在第一电容器阵列中提供多个电容器。第一电容器 阵列可用于作为连续近似模数转换器的一部分。第一阵列的一个或多个电容器可用作采样 电容器W采样输入信号。
[0018] 校正步骤可W纠正在采样电容器上的电容变化，或用于采样输入信号的电容器阵 列。电荷变化可由于许多原因发生。原因之一是提供兀余电容器，W帮助该转换器从不正 确的位测试确定中恢复。另一种可是由于从操作ADC中的晶体管开关的电荷注入。此外， 被提供W线性化ADC的响应的一些电路特征可导致电荷从采样电容器或用于采样输入信 号的电容器阵列丢失（W受控方式）。该样的布置可W是不同电容和/或电阻的两个采样 路径的形成，使得采样值之差允许计算并纠正误差值。该布置被描述在于2012年9月21 日提交的美国13/624334(在2014年8月26日授权公告为US8816887)并通过引用并入本 文。该些额外的电路被称为"增强电路"。
[0019] 在提供一个或多个兀余电容器的情况中，校正步骤可包含返回一个或多个兀余电 容器到初始状态。在最近采样/获取事件期间，初始状态可W对应于电容器的连接状态。
[0020] 通过将兀余电容器或电容器返回到初始状态，它由此可W返回一些电荷到参与采 样输入信号的电容器。该减少了在模拟之间的任何电荷转移到数字转换器和所述电路驱动 它为一体的兀余电容器或更多的结果中的被选择模拟到数字的转换。在转换结果得到之后 执行校正步骤。当采样电容器是用作数模转换器的开关电容阵列的成员作为模数转换的一 部分的情况下，当执行校正步骤时，电容器被留在他们实现的连接状态W产生转化结果。然 后该转换器可W移动至获得阶段用于下一次模数转换。
[0021] 逐次逼近ADC的开关电容器阵列可W视为被分成第一和第二阵列，其中，所述兀 余电容器仅在第二阵列中找到。第二阵列可W完全由兀余电容器构成。第一阵列包括多个 电容器，每个电容器具有第一电容器节点和第二电容器节点。每个电容器的第一电容器节 点关联于相应的开关。每个电容器的开关可操作W连接电容器的第一节点到第一参考电压 Vufl或到第二参考电压Vuf2。该操作通过开关进行前断开"方式完成。因此，由此可见， 开关有利地可操作W放置第一阵列的电容器的每个第一节点处于高阻抗状态，其中第一节 点没有连接到任何其他。第一电容器阵列的一些电容器和可选地所有电容器可连接到输入 节点，W便在获取阶段采样或获得输入信号。第一阵列中的每个电容器的第二电容器节点 可连接到第一共用节点。该第一共享节点可W有利地在获取期间被连接到基准电压相位， 使得采样期间所涉及的每个电容器充电到电压V。，其中Ve=Vh-Vf，其中Vf表示基准电压， W及Vi。是输入节点的电压。Vt可W例如是V其中Vuf2表示接地电压，或者它可W是共 模电压，诸如Vuf 1和Vt。。之间的中点。
[0022] 有利地，在某些实施例中，在进入获取阶段之前，在第一共用节点的电压可W由校 正电路进行修改，W便改变跨或每个采样电容器的电压，其可W是第一阵列的每个或一些 电容器。该修改可W基于如下知识来完成，如果有的话，在诸如SAR转换处理的转换过程中 选择哪些兀余电容器。基于哪些电容器被选择的了解W及第一阵列的整体电容的了解，控 制器可估计多少电荷已在所述第一阵列和所述或每个兀余电容器之间转移。在此基础上， 校正电压可被估计W将电荷返回到第一阵列的电容器。该操作可W进行，同时电容器的第 一节点当合适时被连接到Vufl或Vuf2,取决于刚刚完成的模数转换的结果。