用于模拟转换器的参考预充电技术的制作方法

本发明通常涉及而不是限制于集成电路，更具体地说，涉及模数转换器(adc)电路。

背景技术：

模数转换器(adc)电路可以用于将模拟信号转换成数字信号，然后可以在数字域中进一步处理或使用数字信号。逐次逼近路由(sar)adc电路可以执行位试验以将模拟信号的部分与参考电压进行比较，以确定表示模拟信号的特定采样的数字字的数字位值。saradc可以使用数模转换器(dac)的电容器阵列来执行位试验以确定数字字的相应数字位值。

技术实现要素：

本公开展现通过包括辅助或预充电参考源(例如预充电参考缓冲器)来减少由adc消耗的参考电流的技术。adc可以解析前几位，例如前3-5位，并且如下面详细描述的那样，adc在加载位试验期间，可以将主要数模转换器(dac)的位试验电容器连接到辅助或预充电参考源。然后adc可以切换到主要参考缓冲器。在允许两个阶段有足够的时间后，主要dac可以继续使用位试验来解析剩余的位。位试验的其余部分可以使用主要参考缓冲器直接执行。由于代表最高有效位(msb)的电容器占用了大部分参考电荷，因此使用辅助参考缓冲器进行预充电可以显着降低所消耗的参考电流。

本概述旨在提供本专利申请的主题的概述。本发明不是提供专门的或详尽的解释。包括详细描述以提供有关本专利申请的进一步信息。

附图说明

在不一定按比例绘制的附图中，相同的数字可以在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似的数字可以表示相似组件的不同实例。附图通过举例而不是限制的方式说明本文件中讨论的各种实施例。

图1是saradc示例的功能框图。

图2是示例saradc的示意图。

图3是包括预充电电路的示例saradc的一部分的示意图。

图4是包括预充电电路的saradc的一部分的示例的时序图。

图5是参考预充电缓冲器示例的示意图。

图6是描绘由主要参考缓冲器提供给adc的5最高有效位的参考电流的图，其中预充电电路就位。

图7是具有adc和预充电缓冲器的多个通道的配置示例的示意图，并且使用公共参考来操作。

图8是具有主要adc和辅助adc的adc的示例的功能框图。

具体实施方式

saradc通过将采样输入电荷与不同量的参考电荷进行连续比较，将输入电压转换为数字码。saradc的方法提供片上/片外参考缓冲器与片外去耦电容器(例如10微法(μf))的比较所需的参考电荷。考虑的是确保参考值保持相对稳定，同时adc在给定转换期间继续从去耦电容器中引用参考电荷。因此，参考缓冲器在下一次转换开始的时候将片外电容器充电到参考。本发明人尤其认识到，通过这种方法，可能存在各种挑战，包括对saradc速度的限制、参考缓冲器的输出阻抗要求、以及多通道adc中的串扰。

saradc的速度可以受到限制，因为当参考电容器的电荷流量受到接合线/引线框架电感的限制时，位试验往往会更长。在给定的封装/技术中，saradc不能超出给定的速度。

关于参考缓冲器的输出阻抗要求、缓冲器的输出阻抗以及由adc绘制的输入相关参考电流设置可实现的积分非线性(inl)的下限。在参考缓冲器必须驱动高精度adcs(例如，大于16位)的情况下，输出阻抗要求可低至50毫欧。当多个adc由单参考缓冲器驱动时，此场景可以变得更糟。

关于多通道adc中的串扰，当单个参考缓冲器驱动多个adc时，第一个adc的临界位试验中的参考值可以取决于第二个adc的输入。使用公共参考缓冲器可能会导致不同adc之间的串扰。

adc可以包括辅助adc(或“微型-adc”)来解析前几个位，例如前3-5位，其中的一个示例如图8所示。微型adc可以使用低电压电源帮助转换更高的输入电压范围，并且可以在采集阶段允许adc关断主要比较器，并在微型adc转换期间提供自动归零。微型adc的结果可以加载到主要dac，然后主要adc可以继续转换。

本公开尤其描述了通过包括辅助或预充电参考缓冲器和微型adc来减少adc(例如saradc)所绘制的参考电流量的技术。在加载微型-adc位试验期间adc可以将主要数模转换器(dac)的位试验电容器连接到辅助或预充电参考缓冲器，然后adc可以切换到主要参考缓冲器。在允许两个阶段有足够的时间后，主要dac可以继续使用位试验来解决剩余的位。位试验的其余部分可以使用主要参考缓冲器直接执行。由于来自参考的大部分电荷是由表示最高有效位(msb)的电容器进行的，所以使用辅助参考缓冲器的预充电可以显着地减少所消耗的参考电流，例如减少80％。预充电还可以减少参考电流的变化，同时进行输入。

图1是saradc100的示例的功能框图。在该示例中，使用采样电路105对差分模拟输入电压进行采样和保持，并且使用比较器电路115将dac电路110的差分输出电压与采样和保持的电压进行比较。dac电路110的位值基于比较器电路的输出进行调整。转换可以从dac设置为中档开始。比较器115确定dac输出是大于还是小于采样输入电压，并将结果存储为dac的该位的一个或零。转换然后进行到下一个位值，直到确定数字值的所有位。改变dac输出并将电压与采样输入进行比较的一个迭代可以称为位试验。sar逻辑电路120在位试验期间控制adc操作。当位试验完成时，采样和保持电压的数字值在输出dout处可用。

在一些示例性实现中，dac电路110可以包括两个开关电容器dac(cdac)阵列、称为“p-dac”的第一个cdac，并连接到比较器115的非反相输入，第二个cdac被称为“n-dac”并连接到比较器115的反相输入端。各cdac包括多个电容器，每个电容器具有第一和第二板。

cdac阵列的每个电容器具有相关联的开关，其可操作以根据第一参考电压vrefp或第二参考电压vrefn选择性地将第一板，例如最底或底板连接到第一参考电压vrefp，依据位试验结果。通常vrefn对应于地，vrefp相对于vrefn是正的。在一些实施方式中，基本的sar算法可以在切换位试验电容器中涉及到“guess->decide->set”方式。每个位可以在特定位试验开始时被“设置”，例如连接到vrefp，并且基于位试验输出，该位设置可被保持或“复位”，例如连接到vrefn。

图2是示例saradc200的一部分的示意图。特别地，图2示出了传统saradc电路中的单个msb位试验电容器202的底板连接。典型的adc可以有12个位试验电容器。图2的右侧示出了接收和放大带隙参考电压vbg输入的参考缓冲器电路204(或“主要参考缓冲器”)，例如内部或外部。外部去耦电容器206耦合到参考缓冲器电路204的输出端。

位试验电容器202可以在采集阶段期间闭合开关sip来对输入电压vin进行采样。一旦采集阶段结束，电荷将被存储在位试验电容器202上，并且可以打开开关sip。adc可以根据sar算法执行位试验，并且根据位试验结果，adc可以控制任意一个开关srefp或srefn将电容器202的底板分别连接到vrefp和vrefn。对于多位试验电容器，每个位试验电容器可以对输入电压vin进行采样，然后根据位试验的结果使用单独的开关连接到vrefp或vrefn。每当位试验电容器例如位试验电容器202连接到vrefp时，位试验电容器从去耦电容器206中抽取电荷。

为了减小外部去耦电容器206的尺寸，应该减小从去耦电容器206抽出的电流。使用本公开的技术，在位试验结果之后，位试验电容器例如位试验电容器202可以在位试验电容器连接到vrefp或者vrefn之前首先连接到接近vrefp或vrefn的电压。以这种方式，当位试验电容器例如位试验电容器202连接到vrefp或vrefn时，位试验电容器可以从去耦电容器206中抽取较少的电荷，因为它已被预充电到接近于vrefp或vrefn。图3描绘了可以用于实现本公开的各种技术的预充电电路的示例。

图3是包括预充电电路的示例saradc210的一部分的示意图。图3示出了为了简单起见，包括预充电电路的saradc电路中的单个msb位试验电容器202的底板连接。如图2所示，图3的右侧示出了接收和放大带隙参考电压vbg输入的主要参考缓冲器电路204，例如内部或外部。外部去耦电容器206耦合到参考缓冲器电路204的输出端。

预充电电路可以包括预充电参考缓冲器电路212，例如高速内部缓冲器，可以将位试验电容器202的底板连接到电压vrefp_预充电的预充电开关srefp_preq，以及预充电开关srefn_preq，其可以将位试验电容器202的底板连接到电压vrefn_预充电(例如，内部地)。在图3所示的示例中，没有电容器耦合到预充电参考缓冲器212的输出端。

当在位试验电容器(例如位试验电容器202)上加载微型-adc的位试验结果时，adc210可以临时关闭开关srefp_preq或开关srefn_preq中的一个，以将位试验电容器连接到电压vrefp_预充电或电压vrefn_预充电，分别取决于位试验结果。以这种方式，adc210可以在绘制最大电流的阶段期间对位试验电容器进行预充电。一旦已经足够的时间将位试验电容器充电到预充电参考电压(例如约3-4纳秒)，则adc210可以打开预充电开关srefp_preq或srefn_preq中的任何一个，然后adc210可以控制主要开关srefp或主要开关srefn根据位试验结果分别将电容器202的底板连接到vrefp和vrefn。

在一些实施方式中，既不需要预充电参考缓冲器电路也不需要微型adc。例如，saradc电路可以包括接近主参考电压的次参考电压源，例如vrefp或vrefn，使得不需要预充电参考缓冲器。adc可以控制第一相和第二相的开关，其中在第一阶段期间，adc可以将位试验电容器连接到接近主参考电压的二次参考电压源。然后，在第二阶段，根据位试验结果，adc可以分别控制主要开关srefp或主要开关srefn，以将电容器202的底板分别连接到vrefp和vrefn。总而言之，adc可以将位试验电容器连接到相对不准确的参考电压，例如二次参考电压源或预充电参考缓冲器，然后将位试验电容器连接到由主要参考缓冲器提供的精确主参考电压。将每个或某些位试验划分为两个阶段可以减少从主要参考中获取的电流，这可能会牺牲adc的速度，因为每个位试验的每个阶段都必须具有足够的建立时间。

在其他一些实现中，位试验不需要分为两个阶段。相反，可以使用相对不准确的电压参考来执行前几个位试验，并且随后的位试验可以使用由主要参考缓冲器提供的更准确的主参考电压来执行。通过使用相对不准确的电压参考，早期位置试验产生的任何错误都可以通过在这些早期位试验之后具有足够的冗余来纠正。希望这个冗余位试验也使用更准确的主参考电压来执行。总而言之，使用相对不精确的参考来执行早期试验可以减少从主要参考提取的电流，但是以增加的冗余使用为代价。

图4是包括预充电电路的saradc的一部分的示例的时序图214。特别地，图4描绘了转换开始信号(“convst”)216、微型adc位试验结果、218、主要开关的参考开关状态220例如srefp和srefn以及预充电开关例如srefp_preq和srefn_preq以及主要adc位试验结果222。

如图4所示，一旦接收到转换开始信号216，就可以开始微型-adc位试验218。在微型-adc位试验218的末尾，预充电开关例如srefp_preq和开关srefn_preq例如在一段时间内是有效的。当最大电流被拉伸时，预充电开关可以被激活，这可以是当微型adc(较小的电容器)的位试验结果被加载到主要adc(较大的电容器)上时。一段时间结束后，主要开关，例如srefp和srefn，都是活动的。主要开关活动时，可以开始主要adc位试验。在一些例子中，预充电参考缓冲器，例如图3的预充电参考缓冲器212，一旦它已经完成了对位试验电容器的预充电，并且可以在再次下一次转换期间再次上电。

在一些实施方式中，如果微型adc被配置为解析例如12位配置的前5个位，则预充电可以以相位方式发生。例如，微型-adc的前3位试验结果可以使用预充电参考缓冲器加载到相应的位试验电容器上，例如图3的预充电参考缓冲器212，而微型-adc仍然解析5位的最后2位，那么可以使用预充电参考缓冲器将微型-adc加载到相应的位试验电容器上。

在一些实施方式中，预充电参考缓冲器212可以在最短的时间内对主要adc的位试验电容器充电。换句话说，在一些实现中，缓冲器212的转换速率应该非常高。

一个例子非限制性参考预充电缓冲器212如图5所示。可以使用其他替代的放大器配置并将其视为在本公开的范围内。

图5是预充电参考缓冲器电路212的示例的示意图。预充电参考缓冲器电路212可以是单位增益缓冲器，并且可以包括片上电容器224。缓冲器212可以被实现为具有输入电压vrefp和输出电压vrefp_预充电的两级放大器。

图6是描绘由主要参考缓冲器提供给adc的5位的参考电流的曲线图230，其中预充电电路就位。x轴描绘了adc的输入，y轴描绘了以安培为单位的参考电流。图6描绘了由主要电压参考的adc绘制的模拟参考电流，例如图3的电容器206。在图6中，微型adc已经解析了5位，结果被加载到主要adc上。在adc的剩余位试验期间，例如表示5个msb的5位试验电容器仍然可以从参考缓冲器中绘出有限量的电流。可以观察到，例如来自主要参考缓冲器的由5位绘制的电流具有微安的幅度(与没有预充电电路的adc的数百微安相比)，并且很少或几乎没有依赖输入。这意味着可以放宽对参考缓冲器的输出阻抗的要求。

图7是具有adc和预充电缓冲器的多个通道的配置示例的示意图，并且使用公共参考来操作。图7中的每个通道包括被配置为接收电压输入的adc。参考图2和图3，图7的右侧示出了接收和放大带隙参考电压vbg输入的主要参考缓冲器电路204，例如内部或外部。外部去耦电容器206耦合到参考缓冲器电路204的输出端。去耦电容器206提供用于adc1至adcn的参考，其中adc1至adcn中的每一个具有相应的预充电参考缓冲器电路，例如，图3中的预充电参考缓冲器电路212。图7所示的配置可以用一个更小的参考去耦电容器来操作，这可以减少系统占用空间。

在一些实施方式中，而不是包括图3的预充电参考缓冲器电路的各个预充电参考缓冲器电路的adc1至adcn中的每一个，adc1至adcn的全部或一些可以共享普通预充电参考缓冲器电路。

图8是具有主要adc和辅助adc的adc的示例的功能框图。在图8的示例中，通道300可以包括可以包括主要adc302和辅助adc或“微型adc304”的adc。可以向微型adc304和主要adc302两者提供诸如vip和vin之间的差分信号的采样模拟输入信号(将被转换成n位数字字)。微型adc304可以被配置为更快地(比主要adc302)解析要解析的n个比特的第一(例如，最高有效)的k比特。这可以使用不同的微型adc类型(例如，闪存adc304和saradc302)、或者通过在sar微型adc304中使用较小的电容器来实现，因为它不需要主要adc302所需的全分辨率、或使用其他技术。微型adc304可以提供其转换到主要adc302的k位的转换结果。这可以由主要adc302使用。

各种注释

以上描述包括对作为详细描述的一部分的附图的参考。附图通过说明的方式示出可以实施本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”。除了所示出或描述的之外，这些示例可以包括元件。然而，本发明人还考虑了仅提供示出或描述的那些元件的示例。此外，本发明人还考虑了关于特定实施例(或其一个或多个方面)或相对于其它实施例使用所示或描述的那些元件(或其一个或多个方面)的任何组合或排列的示例(或其一个或多个方面)。

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