專利名稱：用于改善模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)非線性的抖動(dòng)技術(shù)、以及具有改善的動(dòng)態(tài)非線性的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具體地涉及一種4吏用抖動(dòng)以改善其中的 動(dòng)態(tài)非線性的轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
期望*轉(zhuǎn)換器應(yīng)當(dāng)不但具有良好的分辨率，而且具有良好的線性。
轉(zhuǎn)換器的分辨率用其轉(zhuǎn)換的位數(shù)表示。通常高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器具備14、 16或18位的分辨率。然而，用戶還應(yīng)當(dāng)注意 轉(zhuǎn)換器的其它性能指標(biāo)， 例如積分非線性INL、以及差分非線性DNL。差分非線性是指模數(shù)轉(zhuǎn)換
器產(chǎn)生的每個(gè)離散碼的相對(duì)步長(zhǎng)大小。在理想情況下如果向m轉(zhuǎn)換器提 員坡輸入電壓，那么從一個(gè)數(shù)字碼到下一個(gè)數(shù)字碼的每一個(gè)轉(zhuǎn)換應(yīng)當(dāng)是 沿著模擬輸入斜坡為等距間隔。然而，差分非線性誤差可能導(dǎo)致這些轉(zhuǎn)換 變?yōu)椴坏染嚯x間隔。因此，可以想到將模擬值劃分為不同的數(shù)字"箱 (bin)"，并且每個(gè)箱應(yīng)具有相同的大小。
US 5,010,339教導(dǎo)使用抖動(dòng)技術(shù)如果不能去除也至少能夠極大地降 低轉(zhuǎn)換器的DNL誤差。在該文件中，由雙極數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成隨機(jī)偏移， 并在模擬域添加到采樣保持電路獲取之后的輸入信號(hào)中。然后將該抖動(dòng)的 輸入值發(fā)送到m轉(zhuǎn)換器，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換通過將輸入電壓與抖動(dòng)電壓 合并所獲得的電壓。m轉(zhuǎn)換器向下一級(jí)電膝渝出數(shù)字字，該下一級(jí)電路 接著從數(shù)字化的輸出字中減去抖動(dòng)值以產(chǎn)生最終結(jié)果。從轉(zhuǎn)換結(jié)果中減去 該隨機(jī)偏移需要附加的數(shù)字硬件，并且導(dǎo)致從轉(zhuǎn)換周期結(jié)束到能夠呈現(xiàn)被 校正的值、即其中去除了抖動(dòng)偏移的值的時(shí)刻之間的延遲。該技術(shù)可應(yīng)用 于所有類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
向要轉(zhuǎn)換的模擬值添加抖動(dòng)值，接著從轉(zhuǎn)換結(jié)果中減去該抖動(dòng)值的數(shù) 字等價(jià)，將減少DNL誤差。DNL誤差的減少是由于轉(zhuǎn)換結(jié)果被擴(kuò)展到多 個(gè)代碼上。否則將在特定代碼處造成DNL誤差的 轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù) 的階差被在多個(gè)代碼上"抹平"。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種 轉(zhuǎn)換器，包括具有冗余的 轉(zhuǎn)換引擎；抖動(dòng)裝置，用于向轉(zhuǎn)換引擎應(yīng)用抖動(dòng)；以及控制器，適用于操 作所述轉(zhuǎn)換引擎來進(jìn)行對(duì)模擬輸入的逐次逼近轉(zhuǎn)換，其中在m轉(zhuǎn)換完成 之前去除所述抖動(dòng)。
發(fā)明人意識(shí)到當(dāng)使用具有冗余的m轉(zhuǎn)換器時(shí)，能夠避免由于在m
轉(zhuǎn)換器之后添加進(jìn)一步的數(shù)字加法器以^f吏校正ADC的輸出字以去除抖動(dòng) 而造成的延遲、以及進(jìn)行該轉(zhuǎn)換后處理以提供正確結(jié)果所需要的電路的附 加硬件區(qū)(footprint),為了實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)，發(fā)明人意識(shí)到僅需要在轉(zhuǎn)換 處理中測(cè)試一些較高位時(shí)應(yīng)用抖動(dòng)，并且接著在轉(zhuǎn)換處理中測(cè)試較低位時(shí) 能夠去除抖動(dòng)。因而具有冗余的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行的位嘗試的整體數(shù)量保持 不改變，而從轉(zhuǎn)換器可立即得到輸出，無需為了解決抖動(dòng)而需要進(jìn)一步的 處理開銷。
此處所用的術(shù)語(yǔ)"冗余"應(yīng)用于包括修改的m轉(zhuǎn)換器，使得它們能 夠至少部分地從不正確的位判定中恢復(fù)。具有冗余的轉(zhuǎn)換器的一種拓樸是 改變對(duì)轉(zhuǎn)換器中的位權(quán)重的加權(quán)，使得不再是二進(jìn)制(進(jìn)制(radix) =2) 加權(quán)，并將其改變?yōu)椴煌南鄬?duì)加權(quán)，例如radix=1.8。 一種替代方案， 并且優(yōu)選的方案，是在標(biāo)稱加權(quán)的二進(jìn)制陣列中包括附加位，4吏得一些位 權(quán)重被重復(fù)。由此，從最低位到最高位，不是遵循l、 2、 4、 8、 16、 32、 64、 128…等等的傳統(tǒng)的二進(jìn)制加權(quán)模式，而是陣列可以具有位權(quán)重l、 2、 4、 8、 8、 16、 32、 64、 128、 128、 256...等等。由此可見，由于在轉(zhuǎn)換器 內(nèi)設(shè)置附加位， 一些位權(quán)重被重復(fù)。
有利地，轉(zhuǎn)換器陣列還包括"負(fù)"位權(quán)重，其提供從不正確判定中恢 復(fù)的能力以保持位。在開關(guān)電容器技術(shù)中，僅通過將到那一個(gè)或每個(gè)電容 器參考開關(guān)的連接取反，就能夠容易地產(chǎn)生負(fù)位權(quán)重。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于輸出N位結(jié)果的模數(shù)轉(zhuǎn)換 器，其中使用抖動(dòng)產(chǎn)生器在位嘗試期間在第M位的;^t轉(zhuǎn)換之前應(yīng)用抖 動(dòng)，其中IVKN，在第M位的轉(zhuǎn)換之后去除所述抖動(dòng)，以及其中所述轉(zhuǎn)換 器包括充分的冗余以在轉(zhuǎn)換結(jié)束之前恢復(fù)到非抖動(dòng)值。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種操作模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方法，包括以 下步驟在第M位的轉(zhuǎn)換之前向具有冗余的^轉(zhuǎn)換器應(yīng)用抖動(dòng)值，以 及對(duì)第M位和隨后的位的轉(zhuǎn)換去除抖動(dòng)，其中所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有充分的冗余以在去除抖動(dòng)之后從抖動(dòng)恢復(fù)。


下面將參照附圖以非限定性的示例方式描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中 圖1示意地示出了模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的差分非線性誤差的示例； 圖2是示出差分非線性誤差的圖3是比較示例轉(zhuǎn)換器中的模擬輸入值、結(jié)果以及誤差值的表，其中 最高位權(quán)重是9而不是其標(biāo)稱值8;
圖4是比較模擬輸入、數(shù)字結(jié)果以及誤差的表，其中最高位實(shí)際權(quán)重 是7而不是8;
圖5是示意地示出構(gòu)成本發(fā)明的第一實(shí)施例的m轉(zhuǎn)換器的電路以及
圖6是示意地示出構(gòu)成本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
理想地，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的傳遞特性應(yīng)當(dāng)是線性的。因此，如圖1所示， 數(shù)字代碼XX001 (XX代表靠前的位，其狀態(tài)與本討論無關(guān))跨過范圍為 從0.5到1.5個(gè)任意單位的輸入電壓Vin。類似的，設(shè)置的XX010應(yīng)跨過 范圍為從1.5到2.5個(gè)單位的輸入電壓。每個(gè)數(shù)字代碼應(yīng)當(dāng)跨過模擬域中 的相同距離，即l個(gè)電壓?jiǎn)挝弧Ｈ欢?，如圖1所示，發(fā)生DNL誤差，結(jié) 果，代碼義乂011跨過范圍為從2.25到4.25個(gè)單位的輸入，而不是應(yīng)當(dāng)跨 過的2.5到3.5個(gè)單位。這意味著Vin>1.5且Vin<2.5的范圍內(nèi)的一些值 將被正確地轉(zhuǎn)換為XXOIO，而該范圍內(nèi)的一些值將被不正確地轉(zhuǎn)換為 XXOll。在本示例中，代碼XX100丟失，代碼XX101跨過4到5.5個(gè)單 位的范圍。圖1中所示的隨后的代碼跨過它們的正確范圍，
當(dāng)討論DNL誤差時(shí)，使用一致的命名法是有用的。這一點(diǎn)將參照?qǐng)D 2進(jìn)行討論。圖2示出一系列與模擬輸入電壓相對(duì)的數(shù)字輸出代碼。在本 示例中，假設(shè)第一輸出代碼，代碼l，正好跨過其1LSB的正確范圍，因 而其DNL誤差為O。下一代碼，代碼2，僅跨過其應(yīng)當(dāng)跨過的模擬輸入范圍的一半，因而，其DNL誤差為-0,5LSB,第三個(gè)代碼，代碼3,跨過太 大的范圍，在本示例中跨過等價(jià)于1,5LSB的范圍，所以其DNL誤差是 +0.5LSB。第四個(gè)代碼，代碼4， ^[5U^過等價(jià)于0.25LSB的范圍，因而其 DNL誤差是-0.75 LSB。第五個(gè)代碼丟失，因而其DNL誤差是-1。第六個(gè) 代碼，代碼6,跨過1LSB的正確距離，所以其DNL誤差-O,盡管可見 此代碼從其期望電壓范圍偏移了 1.75 LSB。
定義了用于描述DNL誤差的命名法之后，值得考慮它們?nèi)绾卧谥鸫?逼近例程SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器中發(fā)生。逐次逼近算法涉及使用模擬比較器將 采樣模擬值與一組嘗試"權(quán)重"相比較。首先用最大權(quán)重與采樣值相比較 (嘗試)。如果該權(quán)重大于采樣模擬值，則被拒絕，而如果小于則被保持。 接著以相同方式嘗試下一最大權(quán)重，從最大權(quán)重到最小權(quán)重重復(fù)該處理。 權(quán)重通常是二進(jìn)制加權(quán)。
由于在嘗試位權(quán)重中制造誤差，導(dǎo)致DNL誤差上升。在SAR轉(zhuǎn)換 器中，最終結(jié)果是保持的位權(quán)重之和。例如，我們可以考慮筒單的4位轉(zhuǎn) 換器的情況，其中位權(quán)重之間的理想相對(duì)權(quán)重將是8、 4、 2和1。現(xiàn)在假 設(shè)權(quán)重應(yīng)是8的最高位實(shí)際權(quán)重是9.0。如果要轉(zhuǎn)換的模擬值是8.9，那么 第一次將被拒絕，因?yàn)閲L試的為9.0的實(shí)際權(quán)重大于為8.9的輸入值。隨 后全部的位權(quán)重將被保持。轉(zhuǎn)換的結(jié)果將為4 + 2 + 1=7。該特定轉(zhuǎn)換器 對(duì)為8.9的輸入的理想值可能是8，因此在轉(zhuǎn)換結(jié)果中將存在1 LSB的誤 差。圖3列出了針對(duì)一個(gè)范圍內(nèi)的模擬輸入的轉(zhuǎn)換結(jié)果和誤差，其中LSB 的實(shí)際權(quán)重是9?？梢姡a(chǎn)生大大超過1LSB的明顯誤差。
在模擬輸入為8以下時(shí)，誤差在0到1的范圍內(nèi)指示正確轉(zhuǎn)換。在輸 入為8以上時(shí)，誤差在1到2的范圍內(nèi)。對(duì)于均勻間隔的輸入，結(jié)果為7 的次4fbl兩倍這一事實(shí)指示轉(zhuǎn)換器在為7的代碼具有1 LSB的DNL誤差。
圖4示出針對(duì)最高位權(quán)重是7而不是8的情況下的轉(zhuǎn)換結(jié)果。對(duì)于模 擬輸入6.9，轉(zhuǎn)換器正確地給出結(jié)果6。對(duì)于模擬輸入7.1，具有實(shí)際權(quán)重 7的MSB被保持，給出為8的代碼。因此可見為7的代碼完全丟失。
為了實(shí)現(xiàn)上述示例中的代碼完全丟失，位權(quán)重必須具有為-1 LSB的 誤差。為此，上述MSB (標(biāo)稱地具有權(quán)重8)需要具有12.5%的誤差。 對(duì)于在下一位發(fā)生的LSB誤差，需要發(fā)生25%的位權(quán)重誤差，而對(duì)于位 2 (具有為2的標(biāo)稱權(quán)重)的-lLSB誤差，需要50%的位權(quán)重誤差。因此 可見更高位比較小的較低位更容易發(fā)生能夠產(chǎn)生丟失代碼的誤差。
7發(fā)明人意識(shí)到該結(jié)果可以用于改善應(yīng)用到,轉(zhuǎn)換器的抖動(dòng)處理，使 得僅在轉(zhuǎn)換最高位期間應(yīng)用抖動(dòng)，因而不需要從轉(zhuǎn)換結(jié)果中減去任何隨機(jī) /抖動(dòng)值。消除了提供附加計(jì)算邏輯電路來進(jìn)行減法的需要，并且還去除 了與數(shù)字減法相關(guān)聯(lián)的時(shí)間延遲，因而與現(xiàn)有技^M目比是有利的。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，在進(jìn)行一些主要的、即更高位代碼/位權(quán)重的 轉(zhuǎn)換之前或同時(shí)，用隨機(jī)量偏移或抖動(dòng)模擬輸入。當(dāng)進(jìn)行了能夠造成不可 接受的誤差的位嘗試時(shí)，去除抖動(dòng)，使得在轉(zhuǎn)換結(jié)束前去除抖動(dòng)對(duì)最終結(jié)
果的全部數(shù)值貢獻(xiàn)，同時(shí)還具有抹平可能提高DNL誤差的臨界判定 (critical decision )的效果。因此，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)不存在需要從轉(zhuǎn)換結(jié)果 減去的抖動(dòng)偏移，由此避免現(xiàn)有技術(shù)中的處理開銷。
在通常的二進(jìn)制加權(quán)的轉(zhuǎn)換器中，在轉(zhuǎn)換期間減去或加入隨機(jī)偏移將 不可避免地導(dǎo)致轉(zhuǎn)換誤差。為了避免這一點(diǎn)，在位權(quán)重中需要一些冗余， 以允許轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換期間發(fā)生的偏移變化中"恢復(fù)"。所述冗余能夠通過 利用進(jìn)制(radix)小于2的數(shù)模轉(zhuǎn)換器或包括一個(gè)或更多個(gè)冗余位來實(shí) 現(xiàn)。冗余位通常是附加到正常的二進(jìn)制加權(quán)位的位。例如，在8、 4、 2、 因、1系列中的突出位是冗余位。具有冗余的DAC的更廣泛(但不一定完 整)的定義是一種全部權(quán)重或位的值之和大于2N-1的DAC，其中N是最 終二進(jìn)制加權(quán)輸出字的位的數(shù)量。由此，對(duì)于4位的DAC， N=4， 2N-1=15, 因此其中位權(quán)重之和大于15的轉(zhuǎn)換器將呈現(xiàn)冗余。
適應(yīng)去除抖動(dòng)偏移所需要的最小冗余量對(duì)應(yīng)于應(yīng)用的抖動(dòng)偏移的范 圍。例如，如果在早期的位嘗試之前或期間引入的隨機(jī)抖動(dòng)偏移值具有2、 l以及0的值，那么為了去除原始抖動(dòng)偏移，在轉(zhuǎn)換結(jié)束之前將需要添加 相應(yīng)的-2、 -l或O的偏移。為了使得轉(zhuǎn)換器仍然實(shí)現(xiàn)正確結(jié)果，在抖動(dòng)被 去除之后，需要最少至少2 LSB的冗余。在具有雙極抖動(dòng)的轉(zhuǎn)換器中， 隨機(jī)抖動(dòng)偏移可以是2、 1、 0、和-1。那么，冗余必須覆蓋2到-l的范圍， 這可以通過權(quán)重為+2的冗余位和另一個(gè)權(quán)重為-1的冗余位來實(shí)現(xiàn)。
可見，本發(fā)明僅工作于具有冗余的轉(zhuǎn)換器，在該轉(zhuǎn)換器中各個(gè)位不直 接對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)的二進(jìn)制加權(quán)的轉(zhuǎn)換器的輸出所要求的正常的二進(jìn)制位。結(jié) 果，提供加法器來將4^P保持位的位權(quán)重相加到一起，以將轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)器陣列的 輸出轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制加權(quán)的結(jié)果。
在很多轉(zhuǎn)換器中添加了冗余以允許轉(zhuǎn)換器在不能完善解決DAC時(shí)正 確地運(yùn)行。數(shù)字校正的轉(zhuǎn)換器也需要冗余來避免DNL誤差。由于以上或 其它原因，在很多轉(zhuǎn)換器中需要的冗余量很可能大大超出這里建議的抖動(dòng)方案中在轉(zhuǎn)換期間從偏移變化恢復(fù)而需要的冗余量。結(jié)果，很可能不需要 附加的冗余來實(shí)現(xiàn)該新抖動(dòng)方案。
抖動(dòng)可以利用通過線性反饋移位寄存器提供的偽隨機(jī)產(chǎn)生器與數(shù)模 轉(zhuǎn)換器一起來產(chǎn)生。該轉(zhuǎn)換器可以耦合到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主陣列中，例如耦
合到開關(guān)電容器陣列中，或m轉(zhuǎn)換器陣列分割為子陣列。然而，當(dāng) 轉(zhuǎn)換器利用開關(guān)電容器陣列實(shí)現(xiàn)時(shí)，那么可以通過修改陣列的控制將抖動(dòng) 直接引入陣列。還可以或者通過改變單端轉(zhuǎn)換器中的比較器參考電壓，或 者通過利用比較器的附屬輸入以 m擾動(dòng)比較器的判定閾值，將抖動(dòng)直接
引入。這一類似于利用有時(shí)在比較器中i殳置的偏移補(bǔ)償端子的技術(shù)能夠與
單端和差分驅(qū)動(dòng)的比較器一起使用。
圖5示意地示出了構(gòu)成本發(fā)明的實(shí)施例的開關(guān)電容器數(shù)模轉(zhuǎn)換器的 簡(jiǎn)化版本。模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括第一開關(guān)電容器陣列，總體上用IO表示，用 作數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并且根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員使用的命名法可被認(rèn)為是 P-DAC。對(duì)于全差分比較器，相同的陣列可以形成N-DAC，并可以連接 到比較器22的反相輸入端20。 P-DAC 10連接到比較器22的非反相輸入 端24。
在該示例中P-DAC 10以分割陣列實(shí)現(xiàn)，包括主陣列30和經(jīng)由耦合 電容器34連接到主陣列的子陣列32。子陣列包括電容器Cl到C4，對(duì)陣 列的總權(quán)重具有l(wèi)、 2、 4和4任意權(quán)重的貢獻(xiàn)。主陣列的電容器C6、 C7 和C8分別具有8、 16和32任意單位的相對(duì)權(quán)重。子陣列的使用允許電 容器之間的相對(duì)縮放，例如可以直接保持C1到C8，而無需物理地將C8 做成大小是C1的32倍。該技術(shù)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的，不需要進(jìn) 一步描迷。每個(gè)電容器，C1到C8，具有兩個(gè)板，在本領(lǐng)域中已知是"頂 板"和"底板"，C6、 C7和C8的頂板直接連接到比較器22，電容器C1 到C4的頂板也連接到比較器22，但此時(shí)經(jīng)由耦合電容器34。每個(gè)電容 器Cl到C8的底板均經(jīng)由相應(yīng)的開關(guān)連接到Vref+、 Vref-或者Vin。在本 示例中，最低位用電容器Cl表示，可以使用開關(guān)Sl將Cl的底板連接到 Vref-，而4吏用開關(guān)S2將Cl的底板連接到Vref+。開關(guān)Sl和S2以反相 位驅(qū)動(dòng)，使得它們從不同時(shí)都閉合(導(dǎo)通)。類似地，表示次最低位(B1) 的C2與開關(guān)S3和S4關(guān)聯(lián)，在子陣列中以此類推。在主陣列30中，略 微不同，電容器C5是所謂的"采樣電容器"，包括它僅僅是為了避免因 為選擇以分割的陣列實(shí)現(xiàn)開電容器陣列而引入的增益誤差。電容器C6、 C7和C8用于在模數(shù)轉(zhuǎn)換中進(jìn)行位嘗試，還用作采樣電容器。因此，代表位4的C6具有與其關(guān)聯(lián)的3個(gè)開關(guān)，即開關(guān)Sll、 S12和S13。在本示 例中，Sll用于將C6的底板連接到Vref-， S13用于將電容器C6的底板 連接到Vref+，以及S12用于在采樣期間將電容器C6的底板連接到Vin。 提供了分別與電容器C7和C8關(guān)聯(lián)的類似開關(guān)。
在現(xiàn)有的即沒有抖動(dòng)的轉(zhuǎn)換器的采樣階段中，在采樣期間S12、 S15 和S18將閉合，在采樣期間Sll、 S13、 S14、 S16、 S17和S19將打開。 此外，Sl、 S3、 S5、 S7和S9將閉合，S2、 S4、 S6、 S8將打開。因?yàn)樘?供了采樣電容器，S10也將閉合，S9將打開。在該場(chǎng)景中，閉合意p未著導(dǎo) 通，打開意味著高阻抗。在采樣階段，另一開關(guān)S20也將閉合。通過打開 S20結(jié)束采樣，
如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)者例如認(rèn)為任何顯著的DNL誤差僅有可能與主陣列30 中設(shè)置的最高位權(quán)重的電容器C6、 C7和C8相聯(lián)系地發(fā)生，那么在對(duì)應(yīng) 于位B4、 B5和B6的C6、 C7、 C8的轉(zhuǎn)換期間，或至少在位B4的轉(zhuǎn)換 期間可以提供抖動(dòng)。假i殳"沒計(jì)者選擇為位B4、 B5和B6的轉(zhuǎn)換添加抖動(dòng)。 為此，在開關(guān)S20打開之后，偽隨機(jī)抖動(dòng)電路40產(chǎn)生2位的抖動(dòng)字，用 于控制與電容器Cl和C2關(guān)聯(lián)的開關(guān)。所述抖動(dòng)字被傳遞到控制邏輯電 路42，控制邏輯電路42按照本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方式控制開關(guān)位置， 以進(jìn)行SAR轉(zhuǎn)換。來自抖動(dòng)電路40的值改變針對(duì)Cl和C2的開關(guān)位置， 使得如果抖動(dòng)位DO被置位，那么開關(guān)S2閉合而開關(guān)S1打開，而如果抖 動(dòng)位D1被置位，那么開關(guān)S4閉合而S3打開。采樣階段完成之后，開關(guān) 狀態(tài)的變化造成比較器22的非反相輸入端24出現(xiàn)的電壓wm改變。接著 按照正常方式進(jìn)行位B6、 B5和B4的位嘗試。在確定這些位之后，與電 容器Cl和C2相關(guān)聯(lián)的開關(guān)被切換回正常狀態(tài)，即Cl和C2的底板被切 換回Vref-，使得數(shù)模轉(zhuǎn)換處理能夠以正常方式繼續(xù)。按照正常方式進(jìn)行 剩余的位嘗試BO、 Bl、 B2和B3，通過將所保持的位、包括冗余位B3 的權(quán)重相加確定最終結(jié)果。
在本處理中，以傳統(tǒng)方式進(jìn)行對(duì)BO到B6的位嘗試，即，被嘗試的 位，例如最高位使其底板暫時(shí)連接到Vref+,比較器的非反相輸入端24 出現(xiàn)的電壓與反相輸入端出現(xiàn)的電壓相比較，如果非反相輸入端24的電 壓超過反相輸入端的電壓，那么該位被丟棄，否則被保持。接著，任何更 高位的狀態(tài)保持在通過其各自的位嘗試確定的嘗試狀態(tài)的同時(shí)，對(duì)下一位 進(jìn)行嘗試。
可見這一方案允許開關(guān)電容器陣列執(zhí)行采樣、轉(zhuǎn)換以及抖動(dòng)功能。盡管對(duì)于最高位即B4、 B5和B6的位嘗試期間描述為抖動(dòng)值保持恒定，但 是實(shí)際上在此期間抖動(dòng)可以變化。這允許對(duì)臨界判定閾值進(jìn)一步移位，因 此伴隨著DNL誤差相繼的改善允許進(jìn)一步抹平這些判定。
在以上的示例中，通過將抖動(dòng)電容器從獲取階段的固定狀態(tài)切換到早 期位嘗試期間的隨機(jī)狀態(tài)，在早期位嘗試中應(yīng)用抖動(dòng).還能夠通過將抖動(dòng) 電容器在獲取階段i殳定到其隨機(jī)狀態(tài)，接著在早期位嘗試期間將其切換到 固定狀態(tài)或可想到的進(jìn)一步的抖動(dòng)狀態(tài)，對(duì)早期位嘗試施加抖動(dòng)。接著在 轉(zhuǎn)換結(jié)束之前，抖動(dòng)電容器需要切換回原始獲取抖動(dòng)狀態(tài)。該方案能夠工
需要的DAC電壓的隨機(jī)偏移或擾動(dòng)。在轉(zhuǎn)換結(jié)束之前，抖動(dòng)電容器返回 其原始狀態(tài)，因此擾動(dòng)被去除。在一些實(shí)施例中，所選的電容器能夠在獲 取階段被設(shè)定到抖動(dòng)狀態(tài)，接著在早期位嘗試被設(shè)定到固定狀態(tài)或進(jìn)一步 的抖動(dòng)狀態(tài)，然后不同的電容器用于在轉(zhuǎn)換結(jié)束之前在DAC值中去除應(yīng) 用的隨機(jī)偏移。然而，這些方案不具有如圖5所示的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)，其中 不需要附加的電容器來應(yīng)用抖動(dòng)。
如果如圖6所示，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是單端的，那么能夠向比較器22的反 相輸入端20處出現(xiàn)的電壓應(yīng)用擾動(dòng)方向。在該方案中，可以直接從偽隨 機(jī)抖動(dòng)電路40驅(qū)動(dòng)附加的抖動(dòng)DAC 50?；蛘?，與利用數(shù)字域的裝置不 同，元件上的熱噪聲也可以被放大、保持和采樣，以在需要抖動(dòng)的位嘗試 期間向反相輸入端20提供真實(shí)的隨機(jī)值。接著對(duì)于剩余的較低位的位嘗 試，將反相輸入端連接到地或Vref-。這可能需要包括雙極冗余，該雙極 冗余可以通過提供進(jìn)一步的冗余位來引入，例如再一個(gè)C4的實(shí)例、但可 選地具有不同的權(quán)重，其中與圖6所示的S7和S8相比，默認(rèn)連接開關(guān) S7和S8 #^向。
盡管為了簡(jiǎn)化，本發(fā)明是針對(duì)低分辨率轉(zhuǎn)換器描述的，但是本發(fā)明也 可應(yīng)用于高分辨率轉(zhuǎn)換器，例如12、 14和16位轉(zhuǎn)換器。例如在12位轉(zhuǎn) 換器中，在轉(zhuǎn)換比如前8或9位期間應(yīng)用抖動(dòng)，盡管這由設(shè)計(jì)者斟酌而定， 并且抖動(dòng)可以保持更長(zhǎng)或被更早地去除。
因此能夠提供一種m轉(zhuǎn)換器，其具有改善了的DNL誤差，而沒有 增加轉(zhuǎn)換時(shí)間或需要提供附加的板上電路的開銷，該附加的板上電路用于 重新計(jì)算輸出值來去除在轉(zhuǎn)換處理期間向轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的模擬抖動(dòng)值的數(shù)
字等價(jià)。
權(quán)利要求
1. 一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括具有冗余的轉(zhuǎn)換引擎；抖動(dòng)裝置，用于向轉(zhuǎn)換引擎應(yīng)用抖動(dòng)；以及控制器，適用于操作所述轉(zhuǎn)換引擎來進(jìn)行模擬輸入的逐次逼近轉(zhuǎn)換，其中在模數(shù)轉(zhuǎn)換完成之前去除所述抖動(dòng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述轉(zhuǎn)換引擎包括具有冗 余的開關(guān)電容器陣列.
3. 如權(quán)利要求2所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述開關(guān)電容器陣列包括 冗余位權(quán)重。
4. 如權(quán)利要求3所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述開關(guān)電容器陣列包括 正和負(fù)的位權(quán)重。
5. 如權(quán)利要求2所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述開關(guān)電容器陣列的至 少一個(gè)電容器用于應(yīng)用抖動(dòng)。
6. 如權(quán)利要求2所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述或每一個(gè)用于應(yīng)用抖 動(dòng)的電容器僅在位嘗試是在測(cè)試與提供抖動(dòng)的電容器相比具有更高位權(quán) 重的電容器時(shí)應(yīng)用抖動(dòng)。
7. 如權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中在對(duì)要轉(zhuǎn)換的模擬輸入進(jìn) 行采樣之后向所述轉(zhuǎn)換引擎應(yīng)用抖動(dòng)。
8. 如權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中在對(duì)要轉(zhuǎn)換的模擬輸入進(jìn) 行采樣期間預(yù)設(shè)定所迷抖動(dòng)。
9. 如權(quán)利要求1所述的 轉(zhuǎn)換器，其中在轉(zhuǎn)換期間所述抖動(dòng)在第 一和第二非零值之間改變。
10. 如權(quán)利要求i所述的m轉(zhuǎn)換器，其中提供用于向所述轉(zhuǎn)換引擎供應(yīng)抖動(dòng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
11. 如權(quán)利要求l所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中抖動(dòng)提供到所述轉(zhuǎn)換引擎 的比較器。
12. 如權(quán)利要求11所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述抖動(dòng)是在測(cè)試具有 比抖動(dòng)電壓大的等同值的位權(quán)重期間應(yīng)用到所述比較器的隨機(jī)或偽隨機(jī)電壓。
13. 如權(quán)利要求l所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中僅在轉(zhuǎn)換處理的多個(gè)較高 位的轉(zhuǎn)換期間由所述抖動(dòng)裝置應(yīng)用偽隨機(jī)或隨機(jī)抖動(dòng)，以改善所述m轉(zhuǎn) 換器的動(dòng)態(tài)非線性。
14. 一種用于輸出N位結(jié)果的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中使用抖動(dòng)產(chǎn)生器在位 嘗試期間在第M位的轉(zhuǎn)換之前應(yīng)用抖動(dòng)，其中]\1<]\，在第M位的轉(zhuǎn)換 之后去除所述抖動(dòng)，以及其中所述轉(zhuǎn)換器中包括充分的冗余以在轉(zhuǎn)換結(jié)束 之前恢復(fù)到非抖動(dòng)值。
15. —種操作模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方法，包括以下步驟在第M位的轉(zhuǎn)換之前向具有冗余的m轉(zhuǎn)換器應(yīng)用抖動(dòng)值，以;sjtt第M位和隨后的位的轉(zhuǎn)換去除抖動(dòng)，其中所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有充分的冗 余以在去除抖動(dòng)之后從抖動(dòng)恢復(fù)。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述抖動(dòng)是通it^模數(shù)轉(zhuǎn)換的 釆樣階段或更高位的轉(zhuǎn)換期間改變與開關(guān)電容器陣列中的至少一個(gè)電容 器的連接而應(yīng)用的。
全文摘要
一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括具有冗余的轉(zhuǎn)換引擎；抖動(dòng)裝置，用于向轉(zhuǎn)換引擎應(yīng)用抖動(dòng)；以及控制器，適用于操作所述轉(zhuǎn)換引擎來進(jìn)行模擬輸入的逐次逼近轉(zhuǎn)換，其中在完成模數(shù)轉(zhuǎn)換之前去除所述抖動(dòng)。
文檔編號(hào)H03M1/06GK101523727SQ200780037575
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2007年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月10日
發(fā)明者克里斯托弗·彼得·赫里爾 申請(qǐng)人:模擬裝置公司