專利名稱：用于管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器，并且尤其涉及一種用于管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器且利用補(bǔ)償電容來減少功率消耗的乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(pipelinedanalog-to-digital converter)兼具高取樣速率及高解析度的優(yōu)點(diǎn)，常應(yīng)用于視訊 影像系統(tǒng)、數(shù)字用戶回路(digitalsubscriberloop)、超音波醫(yī)療影像應(yīng)用、數(shù)字接收器、快速以太網(wǎng)，或無線通訊系統(tǒng)中。一般來說，管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的運(yùn)作包括取樣(sample)和保持(hold)兩個(gè)階段，常以切換電容的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。圖I為管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器100的功能方塊圖。管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器100包括取樣和保持放大器(sample-and-hold amplifier) SHA、復(fù)數(shù)級管線階段(pipelinestage)電路ST1 STn(n為正整數(shù))，以及邏輯修正電路10。管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器100可將模擬輸入信號Din轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號Dtot。若管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器100的解析度為N位，代表數(shù)字輸出信號Dott為N位數(shù)據(jù)，而所需管線階段電路STl STn的數(shù)目和其精確度(precision)有關(guān)。取樣和保持放大器SHA為管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器100的起始級，用來取樣模擬輸入信號DIN，再將取樣得到的模擬輸入信號V1輸出至第一級管線階段電路ST1以作其輸入信號。依據(jù)其預(yù)設(shè)的精確度，每一級管線階段電路會分別依據(jù)其模擬輸入信號來產(chǎn)生下一級管線階段電路的模擬輸入信號，并輸出對應(yīng)于本身模擬輸入信號的數(shù)字碼至邏輯修正電路10。以N-2的精確度為例，第j級管線階段電路SI^會先將模擬輸入信號 ' 數(shù)字化，減去兩位后再將剩余值(residue)轉(zhuǎn)換為下一級模擬輸入信號'+1 (j+1為介于I和η之間的正整數(shù))，并將減去的兩位數(shù)字碼Mj輸出至邏輯修正電路10，其中一位作為解析之用，而另一位則作為錯(cuò)誤修正之用。依此類推，第η級管線階段電路STn會先將模擬輸入信號Vn數(shù)字化，再將減去的兩位數(shù)字碼Mn輸出至邏輯修正電路10，其中一位作為解析之用，而另一位則作為錯(cuò)誤修正之用。圖2為用于管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器100的第j級管線階段電路STj的功能方塊圖。管線階段STj包括乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器(multiplyingdigital-to-analogconverter) MDAC 和子模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(subanalog-to-digital converter) S_ADC。乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器MDAC包括子數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器(sub digital-to-analog converter) S_DAC、運(yùn)算放大器0P，和邏輯運(yùn)算單元20。子模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器S_ADC可將模擬輸入信號Vj轉(zhuǎn)換成兩位數(shù)字碼Mj，再將兩位數(shù)字碼Mj輸出至子數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器S_DAC以及圖I中的邏輯修正電路10 (圖2中未顯示)。子數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器S_DAC可將兩位數(shù)字碼Mj轉(zhuǎn)換成模擬參考信號后輸出至邏輯運(yùn)算單元20。通過邏輯運(yùn)算單元20可得到模擬輸入信號Vj減去模擬參考信號VRj后的值，使得運(yùn)算放大器OP能依此產(chǎn)生第(j+Ι)級管線階段電路STj+1運(yùn)作所需的模擬輸入信號'+1。圖I中其他各級管線階段電路的功能、結(jié)構(gòu)與運(yùn)作皆相同，在此不另加贅述?，F(xiàn)有技術(shù)的乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器MDAC包括反饋電容Cf、輸入電容C1和運(yùn)算放大器0P。圖3A為現(xiàn)有技術(shù)的乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器MDAC在取樣階段運(yùn)作時(shí)的等效電路圖，此時(shí)運(yùn)算放大器OP的正輸入端和負(fù)輸入端耦接至共同信號VOT，而反饋電容Cf和輸入電容C1皆耦接于模擬輸入信號Vj和運(yùn)算放大器OP的 負(fù)輸入端之間。因此，反饋電容Cf和輸入電容C1會對模擬輸入信號 ' 進(jìn)行取樣。假設(shè)共同信號Vot為接地電位，取樣階段所儲存電荷Qs的值如下Qs = Vj* (^+C1)圖3B為現(xiàn)有技術(shù)的乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器MDAC在保持階段運(yùn)作時(shí)的等效電路圖，此時(shí)反饋電容Cf耦接運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端和輸出端之間，而輸入電容C1耦接于模擬參考信號VRj和運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端之間。在保持階段運(yùn)作時(shí)，運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端可視為虛接地電位，因此保持階段時(shí)所儲存電荷Qh的值如下Qh = Vj+1*CF+VRj*Ci依據(jù)能量守衡原理，Qs = Qh,因此VJ+1 = [Vj* (Cp+Cj) -VRj^Ci]/Cf若Cf = CJlJVJ+1 = 2Vj-VRj一般來說，乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器MDAC會使用相同電容值的反饋電容Cf和輸入電容C1,因此運(yùn)算放大器OP的反饋因數(shù)(feedback factor)僅約為O. 5，往往需要將運(yùn)算放大器OP的單位增益頻寬(unit-gain bandwidth)設(shè)計(jì)為較大值,但如此會增加管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的功率消耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的相乘數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器，該相乘數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器包括有放大器，其包括第一輸入端和第一輸出端；第一反饋電容，其第一端選擇性地耦接于第一輸入信號或該放大器的第一輸出端，而其第二端耦接至該放大器的第一輸入端或共同信號；第一輸入電容，其第一端選擇性地耦接于該第一輸入信號或該共同信號，而其第二端選擇性地電性連接至該放大器的第一輸入端或該共同信號；第一補(bǔ)償電容，其第一端選擇性地耦接于第一參考信號或該共同信號，而其第二端耦接于該第一輸入電容的第二端。于第一取樣階段時(shí)，該第一反饋電容稱接于該第一輸入信號和該共同信號之間，該第一輸入電容稱接于該第一輸入信號與該共同信號之間，該第一補(bǔ)償電容的第一端耦接于該共同信號以重置該第一補(bǔ)償電容；于第二取樣階段時(shí)，該第一反饋電容耦接于該第一輸入信號和該共同信號之間，該第一輸入電容稱接于該第一輸入信號與該共同信號之間，該第一補(bǔ)償電容的第一端耦接于該第一參考信號；于第一保持階段時(shí)，該第一反饋電容稱接于該放大器的第一輸入端和該放大器的第一輸出端之間，該第一輸入電容的第一端耦接于該共同信號，且通過第一開關(guān)使該第一輸入電容的第二端耦接于該放大器的第一輸入端，而該第一補(bǔ)償電容并聯(lián)于該第一輸入電容；且于第二保持階段時(shí)，該第一反饋電容率禹接于該放大器的第一輸入端和該放大器的第一輸出端之間，該第一輸入電容的第一端耦接于該共同信號，且通過該第一開關(guān)使該第一輸入電容的第二端與該放大器的第一輸入端為電性分離，而該第一補(bǔ)償電容并聯(lián)于該第一輸入電容。


圖I為管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的功能方塊圖。圖2為用于管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的管線階段電路的功能方塊圖。圖3A為現(xiàn)有技術(shù)的乘積數(shù)字至模擬 轉(zhuǎn)換器在取樣階段運(yùn)作時(shí)的等效電路圖。圖3B為現(xiàn)有技術(shù)的乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器在保持階段運(yùn)作時(shí)的等效電路圖。圖4A為本發(fā)明的乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器在第一取樣階段運(yùn)作時(shí)的等效電路圖。圖4B為本發(fā)明的乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器在第二取樣階段運(yùn)作時(shí)的等效電路圖。圖4C為本發(fā)明的乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器在第二保持階段運(yùn)作時(shí)的等效電路圖。圖4D為本發(fā)明的乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器在第二保持階段運(yùn)作時(shí)的等效電路圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例中乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器的示意圖。圖6為本發(fā)明中子模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的示意圖。圖7為本發(fā)明實(shí)施例中乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器的示意圖。主要元件符號說明10邏輯修正電路20邏輯運(yùn)算單元100管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器OP運(yùn)算放大器Cf反饋電容C1輸入電容Cp補(bǔ)償電容SHA取樣和保持放大器MDAC乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器S_ADC子模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器S_DAC子數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器STj.、ST1 STn 管線階段電路
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器MDAC可用于管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器100中的第j級管線階段電路STj，其包括反饋電容Cf、輸入電容C1、補(bǔ)償電容CP，和運(yùn)算放大器0P。每ー級管線階段電路的周期包括四個(gè)階段第一取樣階段、第二取樣階段、第一保持階段，以及第二保持階段。圖4A為本發(fā)明乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器MDAC在第一取樣階段運(yùn)作時(shí)的等效電路圖，此時(shí)反饋電容Cf和輸入電容C1皆耦接于模擬輸入信號 ' 和運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端之間，補(bǔ)償電容Cp耦接于共同信號Vot和運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端之間，而運(yùn)算放大器OP的正輸入端和負(fù)輸入端耦接至共同信號VOT。在第一取樣階段時(shí)，補(bǔ)償電容Cp進(jìn)行重置，因此能清除補(bǔ)償電容Cp的內(nèi)存電荷，而反饋電容Cf和輸入電容C1會對模擬輸入信號 ' 進(jìn)行取樣。圖4B為本發(fā)明乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器MDAC在第二取樣階段運(yùn)作時(shí)的等效電路圖，此時(shí)反饋電容Cf和輸入電容C1皆耦接于模擬輸入信號 ' 和運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端之間，補(bǔ)償電容Cp耦接于參考信號VIij和運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端之間，而運(yùn)算放大器OP的正輸入端和負(fù)輸入端耦接至共同信號VOT。子模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器S_ADC(圖2)將模擬輸入信號 ' 轉(zhuǎn)換成數(shù)字碼Mp子模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器S_DAC再依據(jù)數(shù)字碼來產(chǎn)生參考信號VRjo其中參考信號VI^_可根據(jù)數(shù)字碼從ー組電壓(+AV，VCOM, -AV)中，選取電壓當(dāng)參考信號(如圖6所示)。在第二取樣階段時(shí)，此時(shí)參考信號VRj會對補(bǔ)償電容Cp進(jìn)行充電或放電，而反饋電容Cf和輸入電容C1會 對模擬輸入信號Vj進(jìn)行取樣。假設(shè)共同信號Vcmm為接地電位，第二取樣階段所儲存電荷Qs’的值如下Q/ = Vj* (Cp+Cj)+VRj^Cp圖4C為本發(fā)明乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器MDAC在第一保持階段運(yùn)作時(shí)的等效電路圖，此時(shí)反饋電容Cf耦接于運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端和輸出端之間，輸入電容C1和補(bǔ)償電容Cp皆耦接于共同信號Vot和運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端之間。在第一保持階段運(yùn)作時(shí)，運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端可視為虛接地電位，因此輸入電容C1和補(bǔ)償電容Cp的內(nèi)存電荷移至反饋電容Cf進(jìn)行充電。圖4D為本發(fā)明乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器MDAC在第二保持階段運(yùn)作時(shí)的等效電路圖，此時(shí)反饋電容Cf耦接于運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端和輸出端之間，輸入電容C1和補(bǔ)償電容Cp彼此并聯(lián)但和運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端為電性分離(可通過開關(guān)使之電性分離)。因此，反饋電容Cf的內(nèi)存電荷能提供第(j+Ι)級管線階段電路SIV1運(yùn)作所需的模擬輸入信號'+1，其中第二保持階段時(shí)所儲存電荷Qh’的值如下Qh，= VJ+1*CF依據(jù)能量守衡原理，Qs’ = Qh’，因此VJ+1 = V產(chǎn)(Cp+Cj) /Cf+VRj*Cp/Cf如上所示，本發(fā)明的乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器MDAC能利用補(bǔ)償電容Cp來提高運(yùn)算放大器OP的反饋因數(shù)(β = I)，降低運(yùn)算放大器OP所需的單位増益頻寬，因此能減少管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的功率消耗。圖5為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器MDAC的示意圖。通過在不同時(shí)間點(diǎn)開啟或關(guān)閉相對應(yīng)的開關(guān)，即能達(dá)到圖4Α至圖4D所示四個(gè)階段的運(yùn)作。圖5所示僅為本發(fā)明乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器MDAC的一個(gè)實(shí)施例，并不限定本發(fā)明的范疇。在本發(fā)明其他實(shí)施例中，乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器MDAC亦可為差分切換電容電壓倍增器(differential switched capacitor voltage doubler),其利用兩組反饋電容、兩組輸入電容和兩組補(bǔ)償電容來將差分模擬輸入信號'P及％轉(zhuǎn)換成差分?jǐn)?shù)字輸出信號Vj+1P及'+1N (如圖7)，其中參考電壓VRp和VRjn為共軛關(guān)系。綜上所述，本發(fā)明的乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器MDAC能利用反饋電容Cf、輸入電容C1和補(bǔ)償電容Cp來切換四個(gè)階段的運(yùn)作，并可利用補(bǔ)償電容Cp來提高運(yùn)算放大器OP的反饋因數(shù)以減少管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的功率消耗。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，凡根據(jù)本發(fā)明的權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的相乘數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器，所述相乘數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器包括 放大器，其包括第一輸入端和第一輸出端； 第一反饋電容，其第一端選擇性地耦接于第一輸入信號或所述放大器的第一輸出端，而其第二端耦接至所述放大器的第一輸入端或共同信號； 第一輸入電容，其第一端選擇性地耦接于所述第一輸入信號或所述共同信號，而其第ニ端選擇性地電性連接至所述放大器的第一輸入端或所述共同信號；以及 第一補(bǔ)償電容，其第一端選擇性地耦接于第一參考信號或所述共同信號，而其第二端耦接于所述第一輸入電容的第二端，其中 于第一取樣階段時(shí)，所述第一反饋電容耦接于所述第一輸入信號和所述共同信號之間，所述第一輸入電容耦接于所述第一輸入信號與所述共同信號之間，所述第一補(bǔ)償電容的第一端耦接于所述共同信號以重置所述第一補(bǔ)償電容； 于第二取樣階段時(shí)，所述第一反饋電容耦接于所述第一輸入信號和所述共同信號之間，所述第一輸入電容耦接于所述第一輸入信號與所述共同信號之間，所述第一補(bǔ)償電容的第一端耦接于所述第一參考信號； 于第一保持階段時(shí)，所述第一反饋電容耦接于所述放大器的第一輸入端和所述放大器的第一輸出端之間，所述第一輸入電容的第一端耦接于所述共同信號，且通過第一開關(guān)使所述第一輸入電容的第二端耦接于所述放大器的第一輸入端，而所述第一補(bǔ)償電容并聯(lián)于所述第一輸入電容；且 于第二保持階段時(shí)，所述第一反饋電容耦接于所述放大器的第一輸入端和所述放大器的第一輸出端之間，所述第一輸入電容的第一端耦接于所述共同信號，且通過所述第一開關(guān)使所述第一輸入電容的第二端與所述放大器的第一輸入端為電性分離，而所述第一補(bǔ)償電容并聯(lián)于所述第一輸入電容。
2.如權(quán)利要求I所述的相乘數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器，其中所述第一參考信號根據(jù)子模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果來決定，其中所述子模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器用來將所述第一輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字碼，再依據(jù)所述數(shù)字碼來產(chǎn)生所述第一參考信號。
3.如權(quán)利要求I所述的相乘數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器，其中所述第一反饋電容的值、所述第ー補(bǔ)償電容和所述第一輸入電容的值實(shí)質(zhì)上相等。
4.如權(quán)利要求I所述的相乘數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器，其中所述放大器還包括第二輸入端和第二輸出端，所述放大器的第一輸入端和第二輸入端為相對應(yīng)的差分輸入，所述放大器的第一輸出端和第二輸出端為相對應(yīng)的差分輸出，且所述相乘數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器還包括 第二反饋電容，其第一端選擇性地耦接于第二輸入信號或所述放大器的第二輸出端，而其第二端耦接至所述放大器的第二輸入端或所述共同信號，其中所述第一輸入信號和所述第二輸入信號為相對應(yīng)的差分信號，而所述子模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器還用來將所述第二輸入信號轉(zhuǎn)換成第二數(shù)字碼，再依據(jù)所述第二數(shù)字碼來產(chǎn)生第二參考信號； 第二輸入電容，其第一端選擇性地耦接于所述第二輸入信號或所述共同信號，而其第ニ端選擇性地電性連接至所述放大器的第二輸入端或所述共同信號；以及 第二補(bǔ)償電容，其第一端選擇性地耦接于所述第二參考信號或所述共同信號，而其第ニ端耦接于所述第二輸入電容的第二端，其中于所述第一取樣階段時(shí)，所述第二反饋電容耦接于所述第二輸入信號和所述共同信號之間，所述第二輸入電容耦接于所述第二輸入信號與所述共同信號之間，所述第二補(bǔ)償電容的第一端耦接于所述共同信號以重置所述第二補(bǔ)償電容； 于所述第二取樣階段時(shí)，所述第二反饋電容耦接于所述第二輸入信號和所述共同信號之間，所述第二輸入電容耦接于所述第二輸入信號與所述共同信號之間，所述第二補(bǔ)償電容的第一端耦接于所述第二參考信號； 于所述第一保持階段時(shí)，所述第二反饋電容耦接于所述放大器的第二輸入端和所述放大器的第二輸出端之間，所述第二輸入電容的第一端耦接于所述共同信號，且通過第二開關(guān)使所述第二輸入電容的第二端耦接于所述放大器的第二輸入端，而所述第二補(bǔ)償電容并聯(lián)于所述第二輸入電容；且 于所述第二保持階段時(shí)，所述第二反饋電容耦接于所述放大器的第二輸入端和所述放大器的第二輸出端之間，所述第二輸入電容的第一端耦接于所述共同信號，且通過所述第ニ開關(guān)使所述第二輸入電容的第二端與所述放大器的第二輸入端為電性分離，而所述第二補(bǔ)償電容并聯(lián)于所述第二輸入電容。
5.如權(quán)利要求4所述的相乘數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器，其中所述第二反饋電容的值和所述第ニ輸入電容的值實(shí)質(zhì)上相等。
6.如權(quán)利要求5所述的相乘數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器，其中所述第一反饋電容的值和所述第ニ反饋電容的值實(shí)質(zhì)上相等。
全文摘要
用于管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器包括反饋電容、輸入電容、補(bǔ)償電容，和運(yùn)算放大器。乘積數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器的運(yùn)作包括第一取樣階段、第二取樣階段、第一保持階段，以及第二保持階段，可利用補(bǔ)償電容來提高運(yùn)算放大器OP的反饋因數(shù)和降低運(yùn)算放大器的單位增益頻寬，進(jìn)而減少管線式模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的功率消耗。
文檔編號H03M1/02GK102684695SQ20111006943
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月16日
發(fā)明者黃志豪 申請人:承景科技股份有限公司