逐步逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digitalconverter, ADC),且特別涉及一種逐步逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(successive approximat1n registeranalog-to-digital converter, SAR-ADC)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來在集成電路設(shè)計上的趨勢，對于更低功耗、更高表現(xiàn)、以及更少的成本有愈來愈嚴(yán)苛的要求，而在模擬前端電路的設(shè)計當(dāng)中，一個有效率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,簡稱ADC)能使系統(tǒng)整體表現(xiàn)大大地提升，ADC負責(zé)將接收的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并提供給后端的數(shù)字信號處理單元來運作，因此其動態(tài)范圍、分辨率、精確度、線性度、取樣速度、功耗、輸入級特性等等，都成為影響系統(tǒng)整體表現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，也成為評估轉(zhuǎn)換器本身表現(xiàn)的重要參數(shù)。
[0003]現(xiàn)有的ADC的架構(gòu)種類繁多，例如導(dǎo)管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(pipelineanalog-to-digital converter,簡稱pipeline ADC)及逐步逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(successive approximat1n register analog-to-digital converter,簡稱 SAR-ADC)等皆為現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域中常用的架構(gòu)。其中，在同樣的規(guī)格需求下，SAR-ADC相較于pipelineADC可具有較低功耗以及較小芯片面積的優(yōu)勢，也因此，對于SAR-ADC架構(gòu)的技術(shù)開發(fā)，也逐漸為業(yè)界所重視。
[0004]在現(xiàn)有的SAR-ADC的架構(gòu)下，其一般會包含有數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(digital-to-analog converter,簡稱DAC)、比較電路以及SAR邏輯控制電路等部分。具體而言，在傳統(tǒng)SAR-ADC的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換操作過程中，DAC —般會先以一個參考電壓作為基準(zhǔn)對模擬輸入信號進行取樣保持(sample-and-hold)，其后SAR邏輯控制電路會以二元搜尋算法(binary search algorithm)來控制DAC的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，以令DAC產(chǎn)生對應(yīng)的比較信號，其中所述比較信號關(guān)聯(lián)于對應(yīng)不同邏輯狀態(tài)的模擬電壓與模擬輸入信號的電壓差值。接著，比較電路會以所述參考電壓作為基準(zhǔn)來與所述比較信號進行比較，從而令SAR邏輯控制電路基于比較電路的比較結(jié)果而逐一決定數(shù)字輸出信號每一位的邏輯狀態(tài)。
[0005]由上述操作過程可知，在現(xiàn)有的SAR-ADC架構(gòu)下，為了實現(xiàn)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換操作，提供一個額外的參考電壓來作為比較器比較的基準(zhǔn)是必須的。除此之外，為了要維持比較電路判斷的精確度，一般會在SAR-ADC進行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換前的期間先進行偏移消除(offsetcancellat1n)的操作。在此操作中，同樣也必須提供一個參考電壓給比較電路的兩輸入端作為共模參考電壓(common-mode voltage)以消除比較電路的不同輸入端間的電壓偏移。
[0006]再者，基于現(xiàn)有的SAR-ADC架構(gòu)下，一般比較電路都是利用由單顆運算放大器所構(gòu)成的比較器來實現(xiàn)。因此，當(dāng)電路操作于高頻時，比較器還可能因為所需的工作電流較大而造成SAR-ADC發(fā)生較為嚴(yán)重的噪聲干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供一種逐步逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其無須使用額外的參考電壓亦可實現(xiàn)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換及偏移消除的操作，并且還可降低電路操作于高頻時的噪聲干擾。
[0008]本發(fā)明的逐步逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器包括數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路、取樣保持電路、t匕較電路以及逐步逼近式邏輯控制電路。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路用于將N位數(shù)字邏輯信號轉(zhuǎn)換為模擬形式的比較信號，其中N為正整數(shù)。取樣保持電路用于取樣并保持模擬輸入信號。比較電路耦接數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路與取樣保持電路，用于將取樣保持電路所保持的模擬輸入信號作為與比較信號進行比較的基準(zhǔn)，從而產(chǎn)生比較結(jié)果信號。逐步逼近式邏輯控制電路用于提供N位數(shù)字邏輯信號，并且依據(jù)比較結(jié)果信號逐一決定數(shù)字邏輯信號的每一位的邏輯狀態(tài)，以產(chǎn)生關(guān)聯(lián)于模擬輸入信號的數(shù)字輸出信號。
[0009]在本發(fā)明一實施例中，比較電路包括M級相互串接的比較單元以及閂鎖單元。第一級比較單元分別從取樣保持電路與數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路接收模擬輸入信號與比較信號。閂鎖單元耦接第M級比較單元的輸出端，用于閂鎖所述多個比較單元的比較結(jié)果，并據(jù)以產(chǎn)生比較結(jié)果信號。其中，M為正整數(shù)，且M至少為N的四分之一。
[0010]在本發(fā)明一實施例中，比較電路還包括M組反饋單元以及M組電容單元。所述M組反饋單元分別耦接于每一級比較單元的輸入端與輸出端之間。所述M組電容單元分別耦接每一級比較單元的輸入端。
[0011]在本發(fā)明一實施例中，各比較單元具有差動輸出，且每一級比較單元的正輸出端與負輸出端分別耦接下一級比較單元的正輸入端與負輸入端。各反饋單元包括第一反饋開關(guān)以及第二反饋開關(guān)。第一反饋開關(guān)耦接于對應(yīng)的比較單元的正輸入端與正輸出端之間。第二反饋開關(guān)耦接于對應(yīng)的比較單元的負輸入端與負輸出端之間。其中，第一及第二反饋開關(guān)受控于逐步逼近式邏輯控制電路而導(dǎo)通或截止。
[0012]在本發(fā)明一實施例中，各電容單兀包括第一輸入電容以及第二輸入電容。第一輸入電容耦接對應(yīng)的比較單元的正輸入端。第二輸入電容耦接對應(yīng)的比較單元的負輸入端。
[0013]在本發(fā)明一實施例中，逐步逼近式邏輯控制電路在取樣保持期間內(nèi)導(dǎo)通所述多個反饋單元的第一及第二反饋開關(guān)，并且在電荷再分配期間截止所述多個反饋單元的第一及第二反饋開關(guān)。
[0014]在本發(fā)明一實施例中，取樣保持電路包括第一取樣開關(guān)、第二取樣開關(guān)以及保持電容。第一取樣開關(guān)的第一端接收模擬輸入信號，且第一取樣開關(guān)的第二端耦接第一級比較單元的正輸入端與負輸入端其中之一。第二取樣開關(guān)的第一端接收模擬輸入信號，且第二取樣開關(guān)的第二端耦接第一級比較單元的正輸入端與負輸入端其中的另一。保持電容的第一端耦接第二取樣開關(guān)的第二端，且保持電容的第二端耦接接地端。
[0015]在本發(fā)明一實施例中，逐步逼近式邏輯控制電路在取樣保持期間內(nèi)導(dǎo)通第一及第二取樣開關(guān)，以令模擬輸入信號被保持于保持電容中，并且在電荷再分配期間截止第一及第二取樣開關(guān)。
[0016]在本發(fā)明一實施例中，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路包括N個電容以及N個開關(guān)模塊。所述多個電容的第一端共同耦接第一取樣開關(guān)的第二端。所述N個開關(guān)模塊分別耦接所述多個電容的第二端，用于受控于逐步逼近式邏輯控制電路而選擇性地提供高邏輯電壓、低邏輯電壓以及模擬輸入信號其中之一至對應(yīng)的電容。
[0017]在本發(fā)明一實施例中，所述多個開關(guān)模塊在取樣保持期間內(nèi)受控于逐步逼近式邏輯控制電路而提供模擬輸入信號至對應(yīng)的電容，并且在電荷再分配期間內(nèi)依序受控于數(shù)字邏輯信號每一位的邏輯狀態(tài)而提供高邏輯電壓或低邏輯電壓至對應(yīng)的電容，以產(chǎn)生比較信號。
[0018]在本發(fā)明一實施例中，第一個電容至第N個電容的電容值比例依序為2N-1至20，且N位數(shù)字邏輯信號的最高位(most significant bit,MSB)至最低位(least significantbit, LSB)在電荷再分配期間內(nèi)依序?qū)?yīng)控制第一個開關(guān)模塊至第N個開關(guān)模塊。
[0019]基于上述，本發(fā)明實施例提出一種逐步逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其可僅利用模擬輸入信號來作為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換及偏移消除操作所需的共模參考電壓，因此本發(fā)明實施例的逐步逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器無須使用額外的參考電壓來實現(xiàn)偏移消除及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的操作，從而簡化了整體電路設(shè)計。此外，通過所提出的串接比較單元的比較電路架構(gòu)，還可有效地減少逐步逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器操作于高頻時的噪聲干擾，從而令本發(fā)明實施例的逐步逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可具有更佳的信雜比特性。
[0020]為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖式作詳細說明如下。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明一實施例的逐步逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明另一實施例的逐步逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明又一實施例的逐步逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的示意圖；
[0024]圖4為依照圖3實施例的逐步逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信號時序示意圖。
[0025]【附圖標(biāo)記說明】
[0026]100,200,300:逐步逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器
[0027]110、210、310:數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路
[0028]120、220、320:取樣保持電路
[0029]130、230、330:比較電路
[0030]140,240,340:逐步逼近式邏輯控制電路
[0031]212_1 ?212_N、312_1 ?312_12:開關(guān)模塊
[0032]222、224、322、324:取樣開關(guān)
[0033]232_1 ?232_M、332_1 ?332_3:比較單元
[0034]234、334:閂鎖單元
[0035]236_1 ?236_M、336_1 ?336_3:反饋單元
[0036]238_1 ?238_M、338_1 ?338_3:電容單元
[0037]Cl ?CN、C12:電容
[0038]Cll、C12、C21、C22、C31、C32:輸入電容
[0039]Ch:保持電容
[0040]CHG、CHGB, EOC、LAT:控制信號
[0041]DOUT:數(shù)字輸出信號
[0042]fclk:頻率信號
[0043]GND:接地端
[0044]INV:反相器