專利名稱：電容快速模數(shù)轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及模數(shù)轉換器(ADC)，具體地說，涉及具有準確電容加權、一個時鐘周期轉換、簡單控制、可互換輸入以及線性或非線性轉換的快速ADC的電子電路。
背景技術：
電容在許多超大規(guī)模集成(VLSI)過程中是最準確的器件。這是許多ADC使用電容器和電荷重分配原理的原因之一。先有技術中大多數(shù)緊湊結構都以許多步驟執(zhí)行轉換，而不是為了節(jié)省硬件而并行執(zhí)行轉換(例如美國專利4831381、美國專4517549、美國專利4129863和美國專利4922252)。這些ADC是硬件高效的，但因為轉換需要許多時鐘周期，故不能以非常高的速度使用。
快速轉換器通常在一個時鐘周期中并行地執(zhí)行轉換。先有技術中大部分n-位結構使用具有2n個電阻器的電阻梯(resistive ladder)以產生2n個參考電壓系列，并使用2n個比較器來將輸入電壓和多個參考電壓并行地進行比較。在這些結構中，必須考慮將電阻梯連接到參考電壓的開關的電阻。
美國專利4742330公開了一種電容快速ADC。這種ADC在三個階段中使用2n個并行分支執(zhí)行2n位轉換。在第一階段，出現(xiàn)偏移相消(offset cancellation)。在第二和第三階段分別得到n位最高有效位(MSB)和n位最低有效位(LSB)。第二階段的操作與上述具有電阻梯的傳統(tǒng)快速ADC結構的操作密切相關。MSB確定輸入信號所處的大致范圍{Vi…Vi+1。在第三階段，通過使用2n個并行分支將大致電壓范圍{Vi…Vi+1分成2n個精細電壓等級來確定LSB，其中每個并行分支都包括log2n個二進制加權電容器。這些電容器的某些連接到Vi而其它的則連接到Vi+1以在兩端間進行內插。2n個比較器并行地將輸入電壓和所產生的2n個精細參考電壓進行比較。
先有技術ADC實現(xiàn)的一般特征是對參考電壓和將被轉換的信號電壓這兩個輸入電壓來說結構不對稱。一般還假定參考電壓是非時變的。下文公開了克服上述局限的一個原理。
本發(fā)明的目的是提供改進或克服已知電容快速ADC電路中一個或多個缺點的電容快速ADC的電子電路如果●對兩個輸入電壓而言，電路結構對稱，因此參考電壓和將被轉換的信號電壓在操作期間可以互換；●參考電壓可以是時間變化的，而且可以具有和將被轉換的信號電壓一樣高的頻率分量；●將受益于用VLSI過程中最準確的元件—電容器來進行處理；●將在一個時鐘周期中執(zhí)行模數(shù)轉換；以及●結構易于控制，則所述電路符合要求。
發(fā)明概要本發(fā)明在于一種用于電容快速模數(shù)轉換器的電子電路，用于利用并行電容比較器分支的排列把第一和第二模擬信號的比值轉換成數(shù)字碼表示，每個分支根據(jù)其排列下標(index)同時計算所述數(shù)字碼的其中一位，其中所述第一模擬信號作為包括第一正信號節(jié)點和第一負信號節(jié)點的第一信號節(jié)點之間的電壓差而被施加，所述第二模擬信號作為包括第二正信號節(jié)點和第二負信號節(jié)點的第二信號節(jié)點之間的電壓差而被施加，每個分支包括(i)比較器，它具有正輸入節(jié)點、負輸入節(jié)點、正輸出節(jié)點和負輸出節(jié)點，
(ii)第一和第二正電容器，它們具有連接到所述比較器的所述正輸入節(jié)點的正公共板(common plate)，(iii)第一和第二負電容器，它們具有連接到所述比較器的所述負輸入節(jié)點的負公共板，和(iv)第一和第二反饋開關；并且其中所述第一和第二正電容器還分別具有分別可轉換地連接到所述第一和第二信號節(jié)點的第一和第二正對置板(opposite plate)，而所述第一和第二負電容器還分別具有分別可轉換地連接到所述第一和第二信號節(jié)點的第一和第二負對置板。
最好，在包括第一和第二階段的一個時鐘周期內完成所述模數(shù)轉換。
最好，所述數(shù)字碼是數(shù)字溫度計碼。
最好，在所述時鐘周期的所述第一階段，所述第一正對置板連接到所述第一正信號節(jié)點，而所述第二正對置板連接到所述第二負信號節(jié)點，所述第一負對置板連接到所述第一負信號節(jié)點，而所述第二負對置板連接到所述第二正信號節(jié)點，所述第一反饋開關將所述比較器的所述負輸出節(jié)點連接到所述比較器的所述正輸入節(jié)點，而所述第二反饋開關將所述比較器的所述正輸出節(jié)點連接到所述比較器的所述負輸入節(jié)點；并且在所述時鐘周期的所述第二階段，所述第一正對置板連接到所述第一負信號節(jié)點，而所述第二正對置板連接到所述第二正信號節(jié)點，所述第一負對置板連接到所述第一正信號節(jié)點，而所述第二負對置板連接到所述第二負信號節(jié)點，并且第一和第二反饋開關兩者都是斷開的，因此通過所述比較器的所述正和負輸出節(jié)點之間的電壓差的極性來輸出所述數(shù)字碼的其中一位。
最好，對每個分支來說，所述各個第一正、第一負、第二正、第二負電容器的電容隨所述分支的排列下標而不同。
最好，在任何一個分支中，所述第一正電容器的電容基本等于所述第一負電容器的電容，而所述第二正電容器的電容基本等于所述第二負電容器的電容。
最好，在任何一個分支中，所述第一正和第二正電容器的電容比值是所述分支的排列下標的線性函數(shù)，因此提供所述第一和第二模擬信號的比值與所述數(shù)字碼之間的線性轉換。
另一方面，在任何一個分支中，所述第一正和第二正電容器的電容比值是所述分支的排列下標的非線性函數(shù)，因此提供所述第一和第二模擬信號的比值與所述數(shù)字碼之間的非線性轉換。
最好，不同分支中的所述各個電容器的電容比值作為所述排列下標的函數(shù)而被線性地隔一定間距進行配置。
另一方面，不同分支中的所述各個電容器的電容比值作為所述排列下標的函數(shù)而被非線性地隔一定間距進行配置。
最好，所述第一模擬信號對應于周期信號的相位角的正弦函數(shù)，所述第二模擬信號對應于周期信號的相位角的余弦函數(shù)，并且在任何一個分支中，第一正和第二正電容器的電容比值是所述分支的排列下標的線性函數(shù)的正切函數(shù)，因此提供所述相位角和該相位角的數(shù)字碼表示之間的線性轉換。
附圖簡介

圖1示出說明兩個模擬信號的電容比較的基本原理的電子電路；圖2示出圖1所示電子電路的相應差分布置；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的電容快速ADC的電子電路；圖4示出圖3的一個電容比較器分支的詳細視圖；和圖5示出根據(jù)本發(fā)明的由電子電路執(zhí)行的模數(shù)轉換的一個時鐘周期內的兩個階段。
實現(xiàn)本發(fā)明的方式圖1示出作為根據(jù)本發(fā)明的電容快速ADC的電子電路的基礎的基本原理。模擬輸入信號ΔVx、ΔVr和輸出信號ΔVout為電壓變化，而不是相應的電壓Vx、Vr和Vout。在ADC的傳統(tǒng)討論中，輸入信號Vx可以是與參考電壓Vr預定部分相比較的信號電壓。然而，在本發(fā)明此實施例中，對兩個輸入信號來說，電路應該是對稱的，因此沒有固定參考，并且實際上可互換Vr和Vx。
在以下解釋中，如果一個電容器的板與另一個電容器的板共用，我們則稱電容器的共用板為“公共板”，并且，我們用術語“對置板”表示不公共的板。電容比較的基本思想是將兩個輸入電壓的變化施加到圖1所示電容器的對置板上。所述變化具有相反的符號，因此一個變化減少電容器的公共板電壓，而另一個變化增加電容器的公共板電壓。電容器越大，相應輸入的影響就越大。
利用電荷守恒原理，我們可以計算圖1中施加到比較器輸入端的輸出電壓變化為ΔVout=ΔVr·Cr-ΔVx·CxCr+Cx+Co]]>[方程1]其中ΔVx和ΔVr是輸入電壓的變化，Cx和Cr是相應的電容值，而Co是公共板與地之間的寄生電容。假定在施加輸入電壓變化之前，Vout＝0，因此，在輸入電壓變化之后，比較器輸出將取決于輸出電壓變化的符號。如果Vout增加，則比較器輸出“位(Bit)”為“1”，或如果Vout減少則比較器輸出“位”為-1。從方程1，我們得到比較器輸出 [方程2]因此，電容比較器電路將輸入電壓變化的比值與預定電容比值Cx/Cr進行比較。
圖2示出圖1所示電子電路的相應差分布置。差分布置的優(yōu)點之一在于可以通過反轉差分信號的極性可以簡單地產生正負電壓變化。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的電容快速ADC的實施例，所述實施例利用電容比較器并行分支排列將第一和第二模擬信號的比值轉換成數(shù)字碼。在該實施例中，所示數(shù)字碼是數(shù)字溫度計碼。因此，例如十進制數(shù)字“5”的8位表示是00011111，而十進制數(shù)字“6”的8位表示是00111111等。應該認識到，按照本發(fā)明，除溫度計碼外，數(shù)字碼也可用作它用。如圖5所示，在包括第一階段31和第二階段32的一個時鐘周期33中執(zhí)行模數(shù)轉換。在第一階段31中產生偏移相消，而在第二階段32期間執(zhí)行實際的模數(shù)轉換。圖4示出圖3中的一個電容比較器分支10的詳細視圖。
如圖3和圖4所示，在第一階段中，所有開關都在位置“1”，開關組11和12處于第一配置，以便第一模擬信號Vx具有有效正極性而第二模擬信號Vr具有有效負極性。因此，第一正電容器20的第一正對置板20a連接到開關組11的第一正信號節(jié)點11a，而第二正電容器18的第二正對置板18a連接到開關組12的負信號節(jié)點12b。第一負電容器21的第一負對置板21a連接到開關組11的第一負信號節(jié)點11b，而第二負電容器19的第二負對置板19a連接到開關組12的第二正信號節(jié)點12a。第一反饋開關13將負輸出節(jié)點16連接到比較器15的正輸入節(jié)點22，而第二反饋開關14將正輸出節(jié)點17連接到比較器15的負輸入節(jié)點23。通過閉合的反饋開關13、14的負反饋強制比較器15的正輸入節(jié)點22和負輸入節(jié)點23之間的差分電壓以及比較器15的正輸出節(jié)點17和負輸出節(jié)點16之間的差分電壓都為0。
在第二階段，圖中未示出，但除了所有的開關現(xiàn)在都在位置“2”外，第二階段類似圖3及圖4，開關組11和12處于第二配置，以便第一模擬信號Vx具有有效負極性，而第二模擬信號Vr具有有效正極性。因此，第一正電容器20的第一正對置板20a連接到開關組11的第一負信號節(jié)點11b，而第二正電容器18的第二正對置板18a連接到開關組12的第二正信號節(jié)點12a。第一負電容器21的第一負對置板21a連接到開關組11的第一正信號節(jié)點11a，而第二負電容器19的第二負對置板19a連接到開關組12的第二負信號節(jié)點12b。反饋開關13和14斷開，由此通過比較器15的正輸出節(jié)點17和負輸出節(jié)點16之間的電壓差極性來輸出一位溫度計碼。
并行電容比較器分支排列中的電容比值定義模數(shù)轉換的參考等級?，F(xiàn)參考來進行描述，圖4詳細地示出電容比較器分支10。應該指出，除了電容器18、19、20和21的實際電容值外，所有并行分支都有類似的電子電路。
并行分支的總數(shù)n確定數(shù)字溫度計碼的分辨率(即位數(shù))，例如，如果使用8個并行分支(n＝8)的電容比較器，則ADC的輸出將具有8位的分辨率。在本文中，應該指出，在溫度計碼情況下的8位分辨率僅能對8個不同等級而不是對非冗余8位二進制碼情況下的256個等級進行編碼。n個并行電容比較器分支(例如分支10)都接收對應于第一和第二模擬信號的相同的電壓變化，并通過n個預定電容比值并行地比較這些電壓變化的比值。預定比值是加權電容20和18(或21和19)的比值，即Cx/Cr。
第一和第二正電容器18和20的公共板20b/18b連接到比較器15的正輸入節(jié)點22，而第一和第二負電容器21和19的公共板21b/19b連接到比較器15的負輸入節(jié)點23。在時鐘周期的第二階段期間，第一正電容器20的第一對置板20a和第一負電容器21的第一負對置板21a分別連接到第一負信號節(jié)點11b(Vx-)和第一正信號節(jié)點11a(Vx+)。類似地，第二正電容器18的第二正對置板18a和第二負電容器19的第二負對置板19a分別連接到第二正信號節(jié)點12a(Vr+)和第二負信號節(jié)點(Vr-)。第一正、負電容器20和21的電容準確匹配(即設計成具有相等電容)，并且第二正、負電容器21和19的電容也同樣匹配。因此，在時鐘周期的第二階段期間，比較器5的正輸入節(jié)點22和負輸入節(jié)點23上的電壓變化分別能從方程1得到ΔV22=(Vr+-Vr-)·Cr-(Vx+-Vx-)·CxCr+Cx+Co=Vr·Cr-Vx·CxCr+Cx+Co]]>[方程3]ΔV23=(Vr--Vr+)·Cr-(Vx--Vx+)·CxCr+Cx+Co=-Vr·Cr+Vx·CxCr+Cx+Co]]>[方程4]其中，Vr+和Vr-分別為開關組12的第二正信號節(jié)點12a和第二負信號節(jié)點12b上由第二模擬(差分電壓)信號Vr(即Vr＝Vr+-Vr-)所致的電壓，Vx+和Vx-分別為開關組11的第一正信號節(jié)點11a和第一負信號節(jié)點11b上由第一模擬(差分電壓)信號Vx(即Vx＝Vx+-Vx-)所致的電壓，Cx是Vx的加權電容，Cr是Vr的加權電容，以及Co是相應的公共板與地之間的寄生電容。
因此，在比較器15的正輸入節(jié)點22和負輸入節(jié)點23之間的差分電壓變化由下述減法給出ΔV22,23=2Vr·Cr-Vx·CxCr+Cx+Co]]>[方程5]通常，對應于比較器15的正輸出節(jié)點16和負輸出節(jié)點17之間的(二進制)差分電壓變化的溫度計碼的第n位，可以類似于方程2，由下式得到 [方程6]
因此二進制串(位，1；位，2；位，3；…位，n)包括第一和第二模擬(差分電壓)信號比值Vr/Vx的數(shù)字n位溫度計碼表示。
為了得到對第一模擬信號Vx進行模數(shù)轉換的線性ADC，第二模擬信號Vr作為參考被施加，并且安排加權電容比值為排列下標的線性函數(shù)。因此Cx，1/Cr，1＝nCx，2/Cr，2＝n-1Cx，3/Cr，3＝n-2Cx，n/Cr，n＝n應該指出，在該實施例中，較大模擬信號(即參考電壓)的加權電容小于較小信號(即將要進行模數(shù)轉換的電壓信號)的加權電容。因此，在這樣的安排中，固定電容比值后輸入信號是不可互換的。
在其它可能的根據(jù)本發(fā)明的電子電路的實施例中，對電容比值的設置不限于線性空間向量。實際上甚至也不要求有單調性。
這樣一個可能的實施例是某一種非線ADC的電子電路。假定要對周期性信號的相位角α進行編碼，但相位角α不能直接獲得。關于相位角α僅有的間接信息是兩個模擬信號，一個與相位角的正弦函數(shù)成比例，另一個與相位角的余弦函數(shù)成比例，即Vr＝c·sin(α) [方程7]Vx＝c·cos(α) [方程8]為了得到從相位角α到α的n位溫度計碼表示的線性轉換，把加權電容比值設計成相位角的正切函數(shù)，即排列下標的線性函數(shù)的正切函數(shù)。即對在 范圍內變化的相位角α有Cxi/Cri＝tan(αi)，αi＝iπ/4n 當i＝1……n時應該理解，以上描述僅用作示例，在本發(fā)明的精神和范圍內可能會有許多其它實施例。
權利要求
1.一種用于電容快速模數(shù)轉換器的電子電路，用于利用并行電容比較器分支的排列把第一和第二模擬信號的比值轉換成數(shù)字碼表示，每個分支根據(jù)其排列下標(index)同時計算所述數(shù)字碼的其中一位，其中所述第一模擬信號作為包括第一正信號節(jié)點和第一負信號節(jié)點的第一信號節(jié)點之間的電壓差而被施加，所述第二模擬信號作為包括第二正信號節(jié)點和第二負信號節(jié)點的第二信號節(jié)點之間的電壓差而被施加，每個分支包括(i)比較器，它具有正輸入節(jié)點、負輸入節(jié)點、正輸出節(jié)點和負輸出節(jié)點，(ii)第一和第二正電容器，它們具有連接到所述比較器的所述正輸入節(jié)點的正公共板(common plate)，(iii)第一和第二負電容器，它們具有連接到所述比較器的所述負輸入節(jié)點的負公共板，和(iv)第一和第二反饋開關；并且其中所述第一和第二正電容器還分別具有分別可轉換地連接到所述第一和第二信號節(jié)點的第一和第二正對置板(opposite plate)，而所述第一和第二負電容器還分別具有分別可轉換地連接到所述第一和第二信號節(jié)點的第一和第二負對置板。
2.權利要求1的電子電路，其特征在于在包括第一和第二階段的一個時鐘周期內完成所述模數(shù)轉換。
3.權利要求1的電子電路，其特征在于所述數(shù)字碼是數(shù)字溫度計碼。
4.權利要求2的電子電路，其特征在于在所述時鐘周期的所述第一階段，所述第一正對置板連接到所述第一正信號節(jié)點，而所述第二正對置板連接到所述第二負信號節(jié)點，所述第一負對置板連接到所述第一負信號節(jié)點，而所述第二負對置板連接到所述第二正信號節(jié)點，所述第一反饋開關將所述比較器的所述負輸出節(jié)點連接到所述比較器的所述正輸入節(jié)點，而所述第二反饋開關將所述比較器的所述正輸出節(jié)點連接到所述比較器的所述負輸入節(jié)點；并且在所述時鐘周期的所述第二階段，所述第一正對置板連接到所述第一負信號節(jié)點，而所述第二正對置板連接到所述第二正信號節(jié)點，所述第一負對置板連接到所述第一正信號節(jié)點，而所述第二負對置板連接到所述第二負信號節(jié)點，并且第一和第二反饋開關兩者都是斷開的，因此通過所述比較器的所述正和負輸出節(jié)點之間的電壓差的極性來輸出所述數(shù)字碼的其中一位。
5.權利要求1的電子電路，其特征在于對每個分支來說，所述各個第一正、第一負、第二正、第二負電容器的電容隨所述分支的排列下標而不同。
6.權利要求1的電子電路，其特征在于在任何一個分支中，所述第一正電容器的電容基本等于所述第一負電容器的電容，而所述第二正電容器的電容基本等于所述第二負電容器的電容。
7.權利要求6的電子電路，其特征在于在任何一個分支中，所述第一正和第二正電容器的電容比值是所述分支的排列下標的線性函數(shù)，因此提供所述第一和第二模擬信號的比值與所述數(shù)字碼之間的線性轉換。
8.權利要求6的電子電路，其特征在于在任何一個分支中，所述第一正和第二正電容器的電容比值是所述分支的排列下標的非線性函數(shù)，因此提供所述第一和第二模擬信號的比值與所述數(shù)字碼之間的非線性轉換。
9.權利要求1中的電子電路，其特征在于不同分支中的所述各個電容器的電容比值作為所述排列下標的函數(shù)而被線性地隔一定間距進行配置。
10.權利要求1中的電子電路，其特征在于不同分支中的所述各個電容器的電容比值作為所述排列下標的函數(shù)而被非線性地隔一定間距進行配置。
11.權利要求8中的電子電路，其特征在于所述第一模擬信號對應于周期信號的相位角的正弦函數(shù)，所述第二模擬信號對應于周期信號的相位角的余弦函數(shù)，并且在任何一個分支中，第一正和第二正電容器的電容比值是所述分支的排列下標的線性函數(shù)的正切函數(shù)，因此提供所述相位角和該相位角的數(shù)字碼表示之間的線性轉換。
全文摘要
一種用于電容快速模數(shù)轉換器的電子電路,用于利用并行電容比較器分支的排列把第一和第二模擬信號的比值轉換成數(shù)字碼表示,每個分支根據(jù)其排列下標同時計算所述數(shù)字碼的其中一位,其中所述第一模擬信號作為包括第一正信號節(jié)點和第一負信號節(jié)點的第一信號節(jié)點之間的電壓差而被施加,所述第二模擬信號作為包括第二正信號節(jié)點和第二負信號節(jié)點的第二信號節(jié)點之間的電壓差而被施加。
文檔編號H03M1/36GK1348628SQ99816194
公開日2002年5月8日 申請日期1999年12月1日 優(yōu)先權日1998年12月22日
發(fā)明者P·海姆, A·莫爾塔拉, P·馬薩, F·海特格 申請人:畢曉普創(chuàng)新有限公司, 瑞士微電子技術中心