本發(fā)明是關(guān)于連續(xù)逼近式adc，尤其是關(guān)電荷再分配連續(xù)逼近式adc及其控制方法。

背景技術(shù)：

圖1是已知電荷再分配(chargeredistribution)連續(xù)逼近式(successiveapproximation)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analogtodigitalconverter,adc)的功能方塊圖。在電荷再分配連續(xù)逼近式adc的某一次操作周期(包含電容切換階段與電壓比較階段)中，連續(xù)逼近緩存器(successiveapproximationregister,sar)120依據(jù)比較器105的比較結(jié)果，決定數(shù)字輸出碼dn的其中一位的值(1/0)，控制電路130再依據(jù)數(shù)字輸出碼dn(亦即間接依據(jù)比較結(jié)果)產(chǎn)生控制信號(hào)csw。之后，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(digitaltoanalogconverter,dac)110依據(jù)控制信號(hào)csw改變其內(nèi)部的電容陣列的切換狀態(tài)(控制電容的其中一端耦接至地或參考信號(hào)vref)，使電容上的電荷重新分布，進(jìn)而改變比較器105的反相輸入端或非反相輸入端的準(zhǔn)位，以改變連續(xù)逼近式adc下一個(gè)操作周期的比較對(duì)象。重復(fù)上述的步驟，數(shù)字輸出碼dn由最高有效位(msb)往最低有效位(lsb)依序被決定，過程中其所代表的值也漸漸往輸入信號(hào)vi逼近。

圖1的電路可用于差動(dòng)信號(hào)(differentialsignal)或單端信號(hào)(single-endedsignal，即由一數(shù)據(jù)信號(hào)及一共模信號(hào)所組成)。由于比較器105非理想，其輸入偏移電壓(inputoffsetvoltage)受到輸入信號(hào)vi的共模(commonmode)信號(hào)的影響極大，舉例來說，在某些情況下，當(dāng)輸入信號(hào)vi的共模信號(hào)有250mv的變化時(shí)，會(huì)造成比較器105的輸入偏移電壓有1.8mv之多，使連續(xù)逼近式adc的總諧波失真(totalharmonicdistortion,thd)變差，以及造成連續(xù)逼近式adc的精準(zhǔn)度降低。文獻(xiàn)「a10-bit100-ms/sreference-freesaradcin90nmcmos」(yanzhu,etal.,"a10-bit100-ms/sreference-freesaradcin90nmcmos,"ieeej.solid-statecircuits,vol.45,no.6,pp.1111-1121,june2010)提供一個(gè)取正電壓vdd的一半作為一額外的參考電壓的解決方案，但正電壓vdd隨著制程的演進(jìn)而降低，所以此文獻(xiàn)的解決方案在先進(jìn)制程中面臨參考電壓過低而不易被導(dǎo)通的問題，造成實(shí)作上的困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于先前技術(shù)的不足，本發(fā)明的一目的在于提供一種電荷再分配連續(xù)逼近式adc及其控制方法，以解決連續(xù)逼近式adc應(yīng)用于單端信號(hào)時(shí)精準(zhǔn)度下降的問題。

本發(fā)明公開一種電荷再分配連續(xù)逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用于一單端信號(hào)，包含：一比較器，用來接收該單端信號(hào)，并產(chǎn)生一比較結(jié)果；一緩存器，耦接該比較器，用來儲(chǔ)存一數(shù)字輸出碼，并依據(jù)該比較結(jié)果決定該數(shù)字輸出碼的位值；一控制電路，耦接該緩存器，用來依據(jù)該數(shù)字輸出碼產(chǎn)生一控制信號(hào)；多個(gè)第一電容，各該第一電容具有一第一端點(diǎn)及一第二端點(diǎn)，該第一端點(diǎn)耦接該比較器的一第一輸入端；至少一第二電容，具有一第三端點(diǎn)及一第四端點(diǎn)，該第三端點(diǎn)耦接該比較器的該第一輸入端。當(dāng)該控制信號(hào)控制該些第一電容的其中一者的該第二端點(diǎn)由一第一電壓切換至一第二電壓時(shí)，該第二電容的該第四端點(diǎn)維持在該第二電壓，而當(dāng)該控制信號(hào)控制該第二電容的該第四端點(diǎn)由該第二電壓切換至該第一電壓時(shí)，該第一電容的該第二端點(diǎn)維持在該第一電壓。

本發(fā)明另公開一種電荷再分配連續(xù)逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的控制方法，應(yīng)用于包含一比較器的一連續(xù)逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該控制方法包含：提供多個(gè)第一電容；耦接各該第一電容的一第一端點(diǎn)至該比較器的一第一輸入端，并且耦接各該第一電容的一第二端點(diǎn)至一第一電壓；提供至少一第二電容；耦接該第二電容的一第三端點(diǎn)至該比較器的該第一輸入端，并且耦接該第二電容的一第四端點(diǎn)至一第二電壓；以及依據(jù)該比較器的一比較結(jié)果控制該些第一電容的一目標(biāo)電容的該第二端點(diǎn)由該第一電壓切換至該第二電壓，或是依據(jù)該比較器的該比較結(jié)果控制該第二電容的該第四端點(diǎn)由該第二電壓切換至該第一電壓。

本發(fā)明另公開一種電荷再分配連續(xù)逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，包含：一比較器，產(chǎn)生一比較結(jié)果；一緩存器，耦接該比較器，用來儲(chǔ)存一數(shù)字輸出碼，并依據(jù)該比較結(jié)果決定該數(shù)字輸出碼的位值；一控制電路，耦接該緩存器，用來依據(jù)該數(shù)字輸出碼產(chǎn)生一控制信號(hào)；多個(gè)第一電容，各該第一電容具有一第一端點(diǎn)及一第二端點(diǎn)，該第一端點(diǎn)耦接該比較器的一第一輸入端；至少一第二電容，有一第三端點(diǎn)及一第四端點(diǎn)，該第三端點(diǎn)耦接該比較器的該第一輸入端。在各該第一電容的該第二端點(diǎn)及該第二電容的該第四端點(diǎn)的電壓被切換之前，該第二端點(diǎn)耦接一第一電壓并且該第四端點(diǎn)耦接一第二電壓，該第一電壓不等于該第二電壓。

本發(fā)明的電荷再分配連續(xù)逼近式adc及其控制方法能夠降低連續(xù)逼近式adc的內(nèi)部比較器的共模電壓偏移與輸入信號(hào)的關(guān)聯(lián)性，以提升adc的精準(zhǔn)度。相較于已知技術(shù)，本發(fā)明所提出的解決方案無需取用正電壓vdd的一半來提供額外的參考電壓，因此更適用于先進(jìn)制程。

有關(guān)本發(fā)明的特征、實(shí)作與功效，茲配合附圖作實(shí)施例詳細(xì)說明如下。

附圖說明

圖1為已知電荷再分配連續(xù)逼近式adc的功能方塊圖；

圖2為圖1的dac110的內(nèi)部電容陣列；

圖3為本發(fā)明用于電荷再分配連續(xù)逼近式adc的dac的一實(shí)施例的電路圖；

圖4為本發(fā)明用于電荷再分配連續(xù)逼近式adc的dac的另一實(shí)施例的電路圖；以及

圖5為本發(fā)明電荷再分配連續(xù)逼近式adc的控制方法其中一實(shí)施例的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下說明內(nèi)容的技術(shù)用語是參照本技術(shù)領(lǐng)域的習(xí)慣用語，如本說明書對(duì)部分用語有加以說明或定義，該部分用語的解釋系以本說明書的說明或定義為準(zhǔn)。

本發(fā)明的公開內(nèi)容包含電荷再分配連續(xù)逼近式adc及其控制方法，以提升adc的精準(zhǔn)度。由于本發(fā)明的電荷再分配連續(xù)逼近式adc所包含的部分組件單獨(dú)而言可能為已知組件，因此在不影響該裝置發(fā)明的充分公開及可實(shí)施性的前提下，以下說明對(duì)于已知組件的細(xì)節(jié)將予以節(jié)略。

圖1的dac110內(nèi)部的電容陣列如圖2所示。dac110包含兩個(gè)電容陣列(各自包含電容8c、4c、2c、1c，其中8c、4c、2c、1c僅用以表示相對(duì)電容值)，一個(gè)電容陣列耦接比較器105的非反相輸入端(正端)，另一耦接反相輸入端(負(fù)端)。每個(gè)電容的其中一端耦接比較器105，另一端經(jīng)由開關(guān)sw1～sw4或sw1'～sw4'耦接至地或參考電壓vref。開關(guān)sw1～sw4及sw1'～sw4'為成對(duì)開關(guān)，其切換受控制信號(hào)csw控制。更詳細(xì)地說，在dac110的某個(gè)電容切換階段時(shí)，控制信號(hào)csw控制開關(guān)對(duì)sw1及sw1'的其中之一切換至地，另一個(gè)維持耦接參考電壓vref。開關(guān)對(duì)(sw2,sw2')、(sw3,sw3')、(sw4,sw4')同理。

當(dāng)輸入信號(hào)vi為差動(dòng)信號(hào)時(shí)，差動(dòng)信號(hào)對(duì)vip及vin具有以下的關(guān)系：

vip＝vcm+δv(1)

vin＝vcm-δv(2)

其中vcm為共模信號(hào)，δv則用來表示差模信號(hào)。從連續(xù)逼近式adc開始動(dòng)作至結(jié)束，亦即四組開關(guān)由初始狀態(tài)至切換完成，比較器105最后所看到的共模電壓為：

其中n代表一個(gè)電容陣列中的電容個(gè)數(shù)，在圖2所示的實(shí)施例中n＝4。由上式可知，對(duì)同一個(gè)連續(xù)逼近式adc來說a為定值。因此若輸入信號(hào)vi為差動(dòng)信號(hào)，則比較器105在連續(xù)逼近式adc操作前后所感受到的共模電壓偏移量(-a/2)為定值，與輸入信號(hào)的大小無關(guān)。

然而，當(dāng)輸入信號(hào)vi為單端信號(hào)，比較器105的其中一端接收共模信號(hào)vcm，另一端接收數(shù)據(jù)信號(hào)vcm+2δv，則當(dāng)圖2四組開關(guān)由初始狀態(tài)至切換完成，比較器105最后所看到的共模電壓為：

可以發(fā)現(xiàn)，共模電壓cms不是定值，而是與數(shù)據(jù)信號(hào)相關(guān)。也就是比較器105在連續(xù)逼近式adc操作前后所感受到的共模電壓偏移量(-a/2+δv)不是定值，而是與輸入信號(hào)的大小有關(guān)。此差異會(huì)造成比較器105的輸入電壓產(chǎn)生輸入信號(hào)相依的偏移而使得比較結(jié)果不準(zhǔn)確，最終造成連續(xù)逼近式adc產(chǎn)生誤差。

為了解決連續(xù)逼近式adc應(yīng)用于單端信號(hào)時(shí)，最終的判斷結(jié)果會(huì)因輸入信號(hào)的不同而產(chǎn)生不同程度的誤差，本發(fā)明提供不同的dac實(shí)作方式。圖3為本發(fā)明用于電荷再分配連續(xù)逼近式adc的dac的一實(shí)施例的電路圖。dac310應(yīng)用于電荷再分配連續(xù)逼近式adc時(shí)可以直接取代圖1的dac110。dac310包含三個(gè)電容陣列312、314及316，電容陣列312及314耦接比較器105的同一個(gè)輸入端，電容陣列316耦接比較器105的另一個(gè)輸入端。本實(shí)施例以每個(gè)電容陣列各包含4個(gè)電容8c、4c、2c、1c為例(代表連續(xù)逼近式adc為5位)，同樣的，8c、4c、2c、1c僅用以表示相對(duì)電容值。在不同的實(shí)施例中，電容陣列312、314及316具有不同的電容個(gè)數(shù)。

電容陣列312及314的所有電容的其中一端耦接比較器105的正端，而另一端則透過開關(guān)sw耦接至地或參考電壓vref。在連續(xù)逼近式adc的初始狀態(tài)(即開關(guān)sw1～sw4及sw1'～sw4'尚未切換之前，例如連續(xù)逼近式adc最初的電壓比較階段)時(shí)，電容陣列312的所有電容的非耦接比較器105的一端耦接至地，而電容陣列314的所有電容的非耦接比較器105的一端耦接至參考電壓vref。在連續(xù)逼近式adc的操作過程中，開關(guān)對(duì)(sw1,sw1')、(sw2,sw2')、(sw3,sw3')及(sw4,sw4')受到控制信號(hào)csw的控制而依序切換，使比較器105的正端電壓往負(fù)端電壓逼近(在不同的實(shí)施例中比較器105的正負(fù)端可互換)。請(qǐng)注意，當(dāng)某個(gè)開關(guān)對(duì)受到控制時(shí)，只有其中一個(gè)開關(guān)會(huì)切換，另一個(gè)開關(guān)則維持原本的切換狀態(tài)。舉例來說，當(dāng)開關(guān)對(duì)(sw1,sw1')受到控制時(shí)，如果開關(guān)sw1由參考電壓vref切換至地，則開關(guān)sw1'維持不變(繼續(xù)耦接至地)；而如果開關(guān)sw1'由地切換至參考電壓vref，則開關(guān)sw1維持不變(繼續(xù)耦接至參考電壓vref)。藉由此設(shè)計(jì)，在連續(xù)逼近式adc的操作過程中，電容陣列314會(huì)在比較器105的正端提供正的電壓變化量，而電容陣列312會(huì)在比較器105的正端提供負(fù)的電壓變化量，而且因?yàn)殚_關(guān)sw1'～sw4'的切換狀態(tài)與數(shù)據(jù)信號(hào)vcm+2δv息息相關(guān)，所以電容陣列312及314在比較器105的正端所造成的正負(fù)電壓變化量與δv成比例。

更明確地說，圖3的比較器105于連續(xù)逼近式adc完成操作后所看到的共模電壓為：

其中的「±」符號(hào)為正或負(fù)取決于每個(gè)開關(guān)對(duì)的切換狀態(tài)，因此a’不是定值，而是會(huì)隨δv變化。舉例來說，當(dāng)δv很大時(shí)，當(dāng)所有開關(guān)切換完畢后，開關(guān)sw1～sw4皆發(fā)生切換，而開關(guān)sw1'～sw4'皆維持原狀，使得方式程(5)中的「±」符號(hào)皆為「+」，因此(-a′/2)為負(fù)值，得以抵消正的數(shù)據(jù)信號(hào)成分δv；另一方面，當(dāng)δv很小時(shí)(為負(fù)值)，當(dāng)所有開關(guān)切換完畢后，開關(guān)sw1'～sw4'皆發(fā)生切換，而開關(guān)sw1～sw4皆維持原狀，使得方式程(5)中的「±」符號(hào)皆為「-」，因此(-a′/2)為正值，得以抵消負(fù)的數(shù)據(jù)信號(hào)的成分δv。

請(qǐng)注意，上述的電容陣列312及314具有相同的電容個(gè)數(shù)，而且任一開關(guān)對(duì)所耦接的兩個(gè)電容具有實(shí)質(zhì)上相同的電容值。電容陣列316的非耦接比較器105的一端也可以耦接至地而非參考電壓vref。在一個(gè)實(shí)施例中，比較器105接收信號(hào)vin的一端可以不耦接電容陣列，也就是圖3的實(shí)施例中可以不實(shí)作電容陣列316。

圖4為本發(fā)明用于電荷再分配連續(xù)逼近式adc的dac的另一實(shí)施例的電路圖。dac410應(yīng)用于電荷再分配連續(xù)逼近式adc時(shí)可以直接取代圖1的dac110。在這個(gè)實(shí)施例中，dac410包含電容陣列412、414及416，電容陣列412及414耦接比較器105的同一個(gè)輸入端，電容陣列416耦接比較器105的另一個(gè)輸入端。在這個(gè)實(shí)施例中，電容陣列412與電容陣列416的電容個(gè)數(shù)總和等于電容陣列414的電容個(gè)數(shù)；然而，電容陣列412的電容的非耦接比較器105的一端在初始狀態(tài)時(shí)耦接至地(與電容陣列414不同)，而電容陣列416的電容的非耦接比較器105的一端在初始狀態(tài)時(shí)耦接至參考電壓vref(與電容陣列414相同)。同樣的，任一開關(guān)對(duì)受控制信號(hào)csw而切換狀態(tài)時(shí)，只有其中一開關(guān)切換，另一個(gè)維持原有狀態(tài)。在此實(shí)施例中，比較器105于連續(xù)逼近式adc完成操作后所看到的共模電壓為：：

雖然補(bǔ)償量由方程式(5)的變?yōu)榉匠淌?6)的但卻是最關(guān)鍵的補(bǔ)償量。也就是說雖然電容陣列412只實(shí)作1個(gè)電容，但是此電容對(duì)應(yīng)電容陣列414的最大電容8c(兩者為相對(duì)應(yīng)的電容，具有實(shí)質(zhì)上相同的電容值)，所以dac410仍具有相當(dāng)程度的共模電壓補(bǔ)償效果。

除前述的電荷再分配連續(xù)逼近式adc外，本發(fā)明亦相對(duì)應(yīng)地公開了一種電荷再分配連續(xù)逼近式adc的控制方法。圖5為其中一實(shí)施例的流程圖，包含下列步驟：

步驟s510：為連續(xù)逼近式adc的dac提供多個(gè)第一電容以及至少一第二電容。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖4所示，提供4個(gè)第一電容及1個(gè)第二電容，4個(gè)第一電容構(gòu)成dac410的電容陣列414，該第二電容構(gòu)成電容陣列412。在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖3所示，提供4個(gè)第一電容及4個(gè)第二電容，4個(gè)第一電容構(gòu)成dac310的電容陣列314，4個(gè)第二電容構(gòu)成電容陣列312。此外，該第二電容對(duì)應(yīng)該些第一電容的其中之一，更明確地說，第二電容與該些第一電容中電容值實(shí)質(zhì)相同的電容互相對(duì)應(yīng)。以圖4為例，耦接開關(guān)sw1的電容與耦接開關(guān)sw1'的電容互相對(duì)應(yīng)(電容值同為8c)；其中，開關(guān)sw1及開關(guān)sw1'為成對(duì)的開關(guān)，亦即在連續(xù)逼近式adc的某一個(gè)電容切換階段中，開關(guān)sw1及開關(guān)sw1'的其中之一受控制信號(hào)csw的控制而切換，另一者維持原狀態(tài)。而在圖3中，4個(gè)第二電容與4個(gè)第一電容一對(duì)一互相對(duì)應(yīng)(8c對(duì)應(yīng)8c、4c對(duì)應(yīng)4c，以此類推)；

步驟s520：耦接該些第一電容以及該第二電容的其中一端點(diǎn)至連續(xù)逼近式adc的比較器的同一輸入端。如圖3及圖4所示，第一電容的其中一端耦接比較器105的正端，以及第二電容的其中一端同樣耦接比較器105的正端；

步驟s530：于連續(xù)逼近式adc的初始狀態(tài)下，將該些第一電容的另一端點(diǎn)耦接至一第一電壓，并且將該第二電容的另一端點(diǎn)耦接至一第二電壓。如圖3及圖4所示，第一電容的另一端(非耦接比較器105的一端)經(jīng)由開關(guān)sw1～sw4耦接至參考電壓vref或地，以及第二電容的另一端(非耦接比較器105的一端)經(jīng)由開關(guān)sw1'～sw4'耦接至參考電壓vref或地。然而在連續(xù)逼近式adc的初始狀態(tài)(也就是dac310及410的所有開關(guān)尚未切換之前，亦即所有電容的非耦接比較器105的一端尚未切換電壓準(zhǔn)位之前)，第一電容的非耦接比較器105的一端經(jīng)由開關(guān)sw1～sw4耦接至參考電壓vref，而第二電容的非耦接比較器105的一端經(jīng)由開關(guān)sw1'～sw4'耦接至地；以及

步驟s540：在連續(xù)逼近式adc的某一電容切換階段中，控制一目標(biāo)電容(該些第一電容的其中之一)的非耦接該比較器的一端由該第一電壓切換至該第二電壓，或是控制對(duì)應(yīng)該目標(biāo)電容之一第二電容的非耦接該比較器的一端由該第二電壓切換至該第一電壓。舉例來說，如圖4所示，在連續(xù)逼近式adc的第一次電容切換階段(控制信號(hào)csw控制開關(guān)sw1及sw1'的其中之一進(jìn)行切換)，如果信號(hào)vip大于信號(hào)vin，則開關(guān)sw1切換且開關(guān)sw1'不切換，亦即則目標(biāo)電容(即耦接開關(guān)sw1的電容8c)的非耦接比較器105的一端由參考電壓vref切換至地；然而如果信號(hào)vip小于等于信號(hào)vin，則開關(guān)sw1不切換且開關(guān)sw1'切換，亦即與目標(biāo)電容相對(duì)的第二電容(即耦接開關(guān)sw1'的電容8c)的非耦接比較器105的一端由地切換至參考電壓vref。

請(qǐng)注意，在圖3及圖4的實(shí)施例中，信號(hào)vin是共模信號(hào)vcm，而信號(hào)vip則是數(shù)據(jù)信號(hào)vcm+2δv。對(duì)比于習(xí)知的方法，本發(fā)明提出的解決方案不需取正電壓vdd的一半作為額外的參考電壓。此外，圖3的電容陣列312或是圖4的電容陣列412還可以被用來當(dāng)作衰減電容(attenuationcapacitor)之用，也就是說當(dāng)參考電壓vref被提高以確保其可以被導(dǎo)通至電容時(shí)，因衰減電容的分壓作用使電容陣列314及414所得到的電壓仍可符合最初的設(shè)計(jì)。

由于本技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員可藉由圖3至圖4的裝置發(fā)明的公開內(nèi)容來了解圖5的方法發(fā)明的實(shí)施細(xì)節(jié)與變化，因此，為避免贅文，在不影響該方法發(fā)明的公開要求及可實(shí)施性的前提下，重復(fù)的說明在此予以節(jié)略。請(qǐng)注意，前揭圖標(biāo)中，組件的形狀、尺寸、比例以及步驟的順序等僅為示意，系供本技術(shù)領(lǐng)域具有通常知識(shí)者了解本發(fā)明之用，非用以限制本發(fā)明。

雖然本發(fā)明的實(shí)施例如上所述，然而該些實(shí)施例并非用來限定本發(fā)明，本技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員可依據(jù)本發(fā)明的明示或隱含的內(nèi)容對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征施以變化，凡此種種變化均可能屬于本發(fā)明所尋求的專利保護(hù)范疇，換言之，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍須視本說明書的權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。

符號(hào)說明

105比較器

110、310、410數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器

120連續(xù)逼近緩存器

130控制電路

140參考電壓產(chǎn)生單元

312、314、316、412、414、416電容陣列

s510～s540步驟。