減少sar adc中的元件失配的影響的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體涉及模式轉(zhuǎn)換器（ADC)，具體地，涉及減少在基于ADC的逐次逼近寄存 器（SAR)中的元件失配的影響。
【背景技術(shù)】
[0002] ADC將模擬信號的采樣值轉(zhuǎn)換到包括有限數(shù)目位（例如，N位）的數(shù)字碼。通常， SARADC通過連續(xù)將輸入的模擬信號樣本與中間數(shù)字碼的模擬值進(jìn)行比較而逐位產(chǎn)生數(shù)字 碼。該中間數(shù)字碼通常通過測試從最高有效位（MSB)到最低有效位（LSB)的每一位來連續(xù) 地產(chǎn)生。SARADC通常使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC)產(chǎn)生對應(yīng)于中間數(shù)字碼的中間模擬值。常規(guī) 的SARADC的操作在專利號6, 894, 627的美國專利中被描述。
[0003] SARADC中的DAC通常使用不同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)（例如，二進(jìn)制加權(quán)解碼和測溫解 碼）。在測溫式解碼器DAC中，每個(gè)元件被構(gòu)造成同一值。測溫式解碼器被用于連接期望數(shù) 目的元件以形成本領(lǐng)域中熟知的對應(yīng)于中間數(shù)字碼的比率。每個(gè)元件值被期望與其他元件 值匹配，以便精確代表中間數(shù)字碼。
[0004] 通常，在元件之間存在失配。失配的一個(gè)來源可能是在制造過程引起的跨越集成 電路的物理參數(shù)上的差異。這種失配可以影響產(chǎn)生的數(shù)字碼的精確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，根據(jù)兩個(gè)或多個(gè)代表性電容器堆的不同組，SARADC中的 一組中間位被分別轉(zhuǎn)換為兩個(gè)或多個(gè)中間模擬值。中間模擬值與輸入的模擬樣本比較以產(chǎn) 生精確的數(shù)字碼位。根據(jù)另一方面，電容器的不同組選自不同的位置，以減小由于在制造過 程中的變化而產(chǎn)生的電容器失配的影響。根據(jù)另一方面，電容器的不同組選自對應(yīng)于該組 中間位的測溫碼。
[0006] 根據(jù)另一方面，僅針對中間數(shù)字位的LSB部分重復(fù)轉(zhuǎn)換過程，而保持MSB位相同。 代表MSB位的代表性電容器在每次轉(zhuǎn)換過程中被改變。
[0007] 根據(jù)另一方面，每個(gè)電容器堆（bank)在形成在集成電路內(nèi)的半導(dǎo)體管芯上的二 維電容器陣列的每行和/或列中包含至少一個(gè)單元電容器。
[0008] 根據(jù)另一方面，N位SARADC的分辨率通過產(chǎn)生相應(yīng)地使用一個(gè)以上的轉(zhuǎn)移函數(shù) 操作N位SARADC的兩個(gè)或多個(gè)N位數(shù)字碼來增強(qiáng)。每個(gè)轉(zhuǎn)移函數(shù)被選擇，以使N位SAR ADC偏移LSB值的分?jǐn)?shù)。兩個(gè)或多個(gè)N位數(shù)字碼接著被相加以形成P位數(shù)字碼，以使由于相 加導(dǎo)致P大于N。
【附圖說明】
[0009] 圖1是示例SARADC的框圖。
[0010] 圖2是描述在圖1的DAC中所使用的示例電容器陣列的電路圖。
[0011] 圖3示出單元電容器被實(shí)現(xiàn)在圖2的示例陣列的在半導(dǎo)體管芯上的方式。
[0012] 圖4示出在圖1的SARADC中可以產(chǎn)生N位數(shù)字碼的方式的流程圖。
[0013] 圖5是示例6位測溫解碼器DAC的電路圖。
[0014] 圖6是并入SARADC的示例集成電路中的電容器網(wǎng)格。
[0015] 圖7A-7D示出第一三個(gè)MSB位（位1、位2和位3)的電容器堆的連接。
[0016] 圖7E-7H示出剩下的三個(gè)MSB位（位4、位5和位6)的電容器堆的連接。
[0017] 圖8A-8D分別代表在產(chǎn)生第一、第二、第三以及第四SARADC輸出的同時(shí)網(wǎng)格內(nèi)的 電容器堆的配置。
[0018] 圖9示出通過對部分14位進(jìn)行重復(fù)轉(zhuǎn)換過程而產(chǎn)生四個(gè)不同的14位SARADC輸 出的時(shí)序圖。
[0019] 圖10是描述圖1的SARADC的轉(zhuǎn)移函數(shù)的圖形。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 在圖1中，可以看到示例SARADC100的框圖。示出的SARADC100包括采樣保持 (S/H)電路IKKDAC150、比較器170以及SAR邏輯單元190。下面進(jìn)一步詳細(xì)描述每個(gè)框。
[0021] 采樣保持（S/H)電路110在一時(shí)刻對在路徑101上接收到的輸入模擬信號進(jìn)行采 樣，并且在路徑117上保持模擬樣本（采樣值）達(dá)期望的時(shí)長，以便進(jìn)一步處理。S/H電路 110可以通過時(shí)鐘信號來操作，從而控制采樣率，并保持樣本達(dá)期望的時(shí)長。S/H電路110 還可以使用已知的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。
[0022] 比較器170在其輸入路徑157和117上比較模擬信號，并且如果路徑117 (非倒相 輸入端）上的模擬信號的值大于路徑157上的模擬信號的值（倒相（inverting)輸入端）， 則產(chǎn)生邏輯值"1"作為路徑179上的輸出。否則，比較器170產(chǎn)生邏輯值"0"。比較器170 可以使用相關(guān)領(lǐng)域的已知的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。
[0023] SAR邏輯190在每個(gè)時(shí)鐘周期處產(chǎn)生中間數(shù)字碼，并且將中間數(shù)字碼發(fā)送到路徑 195上的DAC150。如本領(lǐng)域所熟知的，每個(gè)中間數(shù)字碼在每個(gè)時(shí)鐘周期處被產(chǎn)生以連續(xù)測 試（確定）N位數(shù)字碼中從MSB到LSB的位值。在每個(gè)時(shí)鐘周期SAR190中，基于來自比較 器170的比較結(jié)果來確定測試的位的值。在N個(gè)時(shí)鐘周期的結(jié)束處，SAR邏輯190發(fā)送N個(gè) 確定的位作為SACADC的輸出199。
[0024] DAC150將在路徑195上接收的中間數(shù)字碼轉(zhuǎn)換成中間模擬值。中間模擬值被提 供在路徑157上以便比較。DAC150使用元件陣列諸如電容器和/或電阻器來產(chǎn)生中間模 擬信號。通常由于若干優(yōu)點(diǎn)諸如實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性、能源效率等，電容器被用作元件陣列。
[0025] 圖2是描述DAC150部分的電路圖。如圖中所示，電容器210A至210H的陣列、開 關(guān)220A至220H以及二進(jìn)制測溫解碼器240。每個(gè)部件在以下進(jìn)一步被描述。
[0026] 二進(jìn)制測溫解碼器240將在路徑241上接收的中間數(shù)字碼轉(zhuǎn)換到測溫碼。例如，N 位的二進(jìn)制中間數(shù)字碼被轉(zhuǎn)換成2N-1位測溫碼。測溫碼被提供以切換路徑242上的配置。
[0027] 開關(guān)220A至220H中的每個(gè)分別通過K位中間數(shù)字碼來操作（通過相應(yīng)的2k-l 個(gè)測溫碼），其中K小于等于N。作為示例，開關(guān)220A至220H如果操作相應(yīng)開關(guān)的位是處 于邏輯" 1"，則將電容器2IOA至2IOH的底板連接至參考電壓+Vref，否則，連接其至參考電 壓-Vref。親合至參考電壓+Vref的電容器被稱為代表性電容器，因?yàn)榇硇噪娙萜鞯目傠?容對應(yīng)于操作開關(guān)的數(shù)字碼的二進(jìn)制加權(quán)的總和。
[0028] 作為示例，圖2可以代表N位DAC150中的K位的部分實(shí)現(xiàn)方式，而DAC150的其 他部分可以使用任何其他已知方法來實(shí)現(xiàn)。因此，N位中的期望的K位被發(fā)送到路徑241 上。剩下的N-K位（MSB或者LSB側(cè)）可以以相似的方式或者通過使用任何其他技術(shù)諸如 二進(jìn)制加權(quán)陣列來產(chǎn)生。在N-K位代表MSB側(cè)的位的情況下，圖2中的電路有效地對在輸 入模擬樣本和由本領(lǐng)域熟知的中間數(shù)字碼的N-K位的所形成的模擬值之間的差進(jìn)行采樣。
[0029] 電容器210A至210H中的每個(gè)電容器代表形成期望的電容值的單元電容器或者單 元電容器的組（以下稱"電容器堆"）。圖3描述在示例中單元電容器被實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體管芯 上的方式。如該圖所示，期望數(shù)目的單元電容器被展開（spread)(被實(shí)現(xiàn)）在跨越半導(dǎo)體 管芯310的二維陣列（網(wǎng)格）上。電容器堆210A至210H通過組合/耦合不同位置處的單 元電容器而形成。例如，4C電容器（C代表電容單元）的電容器堆可以通過將電容器耦合 在行A和列3、行C和列4、行E和列6以及行H和列7上（一起被稱作電容器堆）來形成。 類似地，同一值的另一電容器堆可以通過選擇網(wǎng)格中的其他4個(gè)電容器的組來實(shí)現(xiàn)。
[0030] 繼續(xù)參照圖2,示出的每個(gè)電容器堆具有nC的電容值?？商鎿Q地，電容器堆 21(^-2100可以被實(shí)現(xiàn)具有一個(gè)電容值（例如，〇，并且電容器21(^-21011可以被實(shí)現(xiàn)具有 其他電容值（例如，nC)。在圖2中，所示的電容器堆的一端耦合至公共端子201，并且每 個(gè)電容器的其他末端可選擇地耦合至依賴于路徑242上所接收的測溫碼的參考電壓+Vref 和-Vref之一（通過切換配置220)。
[0031] 因此，測溫碼1110000(對應(yīng)于中間數(shù)字碼011的三位）將三個(gè)電容器堆210F至 210H(對應(yīng)于碼011的代表性電容器）連接至參考電壓+Vref，并且將其他5個(gè)電容器堆 2IOA至2IOE連接至-Vref，由此在端子210上形成與電容比3 (nC)/8 (nC)成比例的電壓。 類似地，不同的測溫碼在端子201上形成不同的比率，由此產(chǎn)生與中間數(shù)字碼成比例的模 擬電壓。連接以形成與電容比成比例的端子201上的電壓可以以依賴于用于形成比率的參 考電壓的不同方式來實(shí)現(xiàn)。
[0032] 然而，可以認(rèn)識到，單元電容器中的失配可以引起端子201上所形成的期望比率 的誤差，由此在代表中間數(shù)字碼的電壓中引起誤差。以下參照圖4描述在一個(gè)示例中此類 失配的影響可以被減小的方式。
[0033] 圖4是示出在SARADC的示例中可以產(chǎn)生N位數(shù)字碼的方式的流程圖。流程圖開 始于步驟401，并且進(jìn)入步驟410進(jìn)行控制。
[0034] 在步驟410中，SARADC150通過連續(xù)測試一個(gè)時(shí)鐘周期中的每個(gè)位來產(chǎn)生N個(gè) 時(shí)鐘周期中的第一N位數(shù)字碼。SARADC可以針對期望數(shù)目的MSB位使用測溫解碼DAC，并 且針對剩下的低階位任何使用任何其他技術(shù)例如二進(jìn)制加權(quán)電容器陣列DAC。在一個(gè)示例 中，測溫解碼被用于N-KMSB位，而N位的K