CN101128980A - 分辨率对采样与保持信道的数目可互换的模拟-数字转换器 - Google Patents

分辨率对采样与保持信道的数目可互换的模拟-数字转换器 Download PDF

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Abstract

一种具有采样、保持与转换放大器电路的逐步逼近寄存器模拟－数字转换器(SARADC)可被配置用于单信道SAR ADC或多信道SAR ADC。可分别使用切换器或金属连接选项(例如，位可配置或金属遮罩可配置)来配置共用电容器区域，所述共用电容器区域的一部分可用作所述SAR ADC的可重新配置的电荷重新分配数字－模拟转换器(CDAC)，或作为单信道采样、保持与转换12位电容器配置或作为四信道采样、保持与转换10位电容器配置。所述SAR ADC电路的所有其它部分对于任一配置可大致相同，例如，电阻数字－模拟转换器(RDAC)、逐步逼近寄存器(SAR)、ADC控制器、采样、保持与转换切换器、比较器等对于单或多信道SAR ADC配置可大致相同。

Description

分辨率对采样与保持信道的数目可互换的模拟-数字转换器
相关专利申请案
本申请案主张2005年2月24日申请的Sumit K.Mitra、Harry Hu和Pieter Schieke的题为“Analog-to-Digital Converter With Interchangeable Resolution and SamplingChannels”的第60/655,933号共同拥有的美国临时专利申请案的优先权，所述申请案为了所有目的而以引用的方式并入本文中。
技术领域
本揭示案涉及模拟-数字转换器，更确切地说，涉及具有可互换的分辨率和采样与保持放大器信道的模拟-数字转换器。
背景技术
结合用于大量不同的工业和消费应用的数字***使用模拟-数字转换器。然而，这些不同的应用要求不同的模拟-数字转换器配置，例如采样信道数目和位分辨率。举例来说，马达控制装置可使用4信道10位的模拟-数字转换器(ADC)，而通用装置可采用单信道12位的ADC。
一般来说，可将逐步逼近寄存器ADC(SARADC)用于10和12位分辨率转换。SARADC的成本较低，消耗的操作功率较低，且具有合理的转换速度。也可结合SAR ADC使用采样与保持电路。采样与保持电路包括电容器和用以将电容器耦合到待转换的模拟电压的切换器。将这个模拟电压进行采样并保持在电容器中。接着将保持在电容器中的电压样本耦合到ADC比较器，以便将模拟电压转换成数字表示形式(例如，10或12位)。
SAR ADC中的电容器可提供两种功能：采样和转换。在采样阶段期间，电容器可存储待转换的模拟电压，例如模拟电压与内部参考电压(例如，Vdd/2)之间的电压差。电容器的电容值在采样阶段期间并不重要。当电容器与内部参考之间的切换器打开时，采样阶段结束且保持阶段开始。下一阶段是转换。在转换阶段期间，允许电容器的耦合到电压比较器的末端浮动(例如，不被驱动)。接着，在逐步逼近过程期间，通过逐步逼近寄存器(SAR)和控制电路将电容器的其它末端以二进制加权群组切换到电压参考，例如Vrefh或Vrefl(例如，接地或常用电压)。在此转换过程期间，电容器的电容值非常重要。电容器的电容值匹配的质量可能会决定SAR ADC的微分非线性(DNL)和积分非线性(INL)性能。
发明内容
需要一种具有采样与保持电路的逐步逼近寄存器模拟-数字转换器(SARADC)，其可容易地针对单采样信道ADC或多(例如四)采样信道ADC来配置。需要此种可配置的采样与保持SARADC可使用大致相同的集成电路布局。根据本揭示案的教示，可通过利用与IC小片上的SAR ADC电路采样与保持电容器相关联的金属遮罩、可编程熔丝链和/或可编程切换器，将集成电路(IC)小片上的SAR ADC电路配置成：N位的SAR ADC，例如具有多个采样信道(例如，四个(4)采样信道)的10位SARADC，其可用于(例如但不限于)马达控制应用；或者M位的SARADC(其中M＞N)，例如具有比N位SARADC少的输入采样信道(例如，一个(1)采样信道)的12位SAR ADC，其可用于(例如但不限于)普通应用。可通过存储在非易失性存储器(例如，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器等)中的位图案来控制可编程切换器。因此，相同的可配置SAR ADC IC遮罩组布局可用于专门马达控制和/或较普通的应用。
根据本揭示案的教示，可将与SAR ADC的电容器区域结合的分别(例如)为位可配置或金属遮罩可配置的切换器或金属连接选项连接成单采样信道12位电容器配置或四采样信道10位电容器配置。SAR ADC电路的其它所有部分对于任一配置可以是大致相同的，例如数字-模拟转换器(DAC)、逐步逼近寄存器(SAR)、ADC控制器、输入采样与保持切换器、比较器等。所述SAR ADC可包括用于低位分辨率的电阻器数字-模拟转换器(RDAC)与用于高位分辨率的电荷重新分配数字-模拟转换器(CDAC)结合。这种结合也可称为“混合SAR DAC”，且可有利于使用容易在集成电路小片上制造的电路来进行有效、低成本、低功率且快速的模拟-数字转换。
可预期且在本揭示案范围内的是，根据本揭示案的多个电容器区域可配置用于各种位分辨率值和采样与保持信道的数目，且可与使用CDAC的SAR ADC一起使用。
根据本揭示案的特定示范性实施例，具有可互换分辨率和采样、保持与转换信道的模拟-数字转换器(ADC)可包括：电容器区域，其包括多个第一电容器和多个第二电容器，其中所述多个第一电容器形成电荷重新分配数字-模拟转换器(CDAC)的一部分；多个切换器，其中所述多个切换器中的一些切换器形成CDAC的另一部分；比较器；电阻器数字-模拟转换器(RDAC)；逐步逼近寄存器(SAR)；和控制器，其中：所述多个第一电容器中的选定电容器耦合在一起以形成所需的第一电容值；所述多个第二电容器中的选定电容器耦合在一起以形成所需的第二电容值；所述多个切换器中的一些切换器将多个第一和第二电容器中的选定电容器耦合到一个或一个以上模拟输入、耦合到RDAC，且耦合到比较器；所述SAR耦合到RDAC和CDAC；且控制器和比较器耦合到SAR。
根据本揭示案的另一特定示范性实施例，用于具有可互换分辨率和采样信道的模拟-数字转换器(ADC)的电容器配置可包括：电容器区域，其包括多个第一电容器和多个第二电容器，其中所述多个第一电容器形成电荷重新分配数字-模拟转换器(CDAC)的一部分；其中所述多个第一和第二电容器中的选定电容器可互换地耦合在一起以形成采样、保持与转换电容器，所述采样、保持与转换电容器具有所需的电容值且适于耦合到一个或一个以上输入、至少一个电压参考和比较器输入。
根据本揭示案的又一特定示范性实施例，分别具有12位或10位分辨率以及一个或四个输入采样信道的模拟-数字转换器(ADC)可包括：电容器区域，其包括多个第一电容器和多个第二电容器，其中所述多个第一电容器形成电荷重新分配数字-模拟转换器(CDAC)的一部分；多个切换器，其适于针对一个或四个采样信道配置所述多个第一和第二电容器，其中所述多个切换器中的一些切换器形成CDAC的另一部分；比较器；电阻器数字-模拟转换器(RDAC)；逐步逼近寄存器(SAR)；和控制器，其中：所述多个第一电容器中的选定电容器耦合在一起以形成具有所需的第一电容值的一个或四个采样、保持与转换电容器；所述多个第二电容器中的选定电容器耦合在一起以形成具有所需的第二电容值的一个或四个采样、保持与转换电容器；所述多个切换器中的一些切换器将多个第一和第二电容器中的选定电容器耦合到一个或一个以上模拟输入、耦合到RDAC，且耦合到比较器；所述多个切换器将所述一个或四个采样、保持与转换电容器分别耦合到一个或四个模拟输入，且耦合到比较器；所述SAR耦合到RDAC和CDAC；且控制器和比较器耦合到SAR。
附图说明
通过参看结合附图进行的以下描述可获得对本揭示案的更完整的了解，附图中：
图1是根据本揭示案特定示范性实施例的微分逐步逼近寄存器模拟-数字转换器(SAR ADC)的示意方框图；
图2是根据本揭示案特定示范性实施例的多个电容器和所述多个电容器中用于针对12位SAR ADC配置的单微分信道采样与保持电容器阵列的电容器的布局的示意图；
图3是根据本揭示案特定示范性实施例的使用图2所示的单微分信道采样电容器配置的12位SAR ADC的平面图的示意方框图；
图4是根据本揭示案特定示范性实施例的多个电容器和所述多个电容器中用于针对10位SAR ADC配置的四微分信道采样与保持电容器阵列的电容器的布局的示意图；和
图5是根据本揭示案特定示范性实施例的使用图4所示的四微分信道采样电容器配置的10位SAR ADC的平面图的示意方框图。
虽然本揭示案可接受各种修改和替代形式，但其特定示范性实施例已在图中展示并在本文中进行了详细描述。然而，应了解，本文中对特定示范性实施例的描述并不意图将本揭示案限于本文揭示的特定形式，而是相反，本揭示案应涵盖由所附权利要求书界定的所有修改和等效物。
具体实施方式
现参看图式，图中示意说明示范性实施例的细节。图中的相同元件将由相同标号来表示，且相似元件将由相同标号加上不同的小写字母下标来表示。
参看图1，图中描绘根据本揭示案特定示范性实施例的微分逐步逼近寄存器模拟-数字转换器(SAR ADC)的示意方框图。通常由标号100概括表示的微分SAR ADC可包括：(分别为)正和负(Vin+和Vin-)的模拟输入102a和102b；电压参考高(Vrefh)103；电压参考低(Vrefl)或接地输入107；正输入采样、保持与转换电容器324a和326a；负输入采样、保持与转换电容器324b和326b；比较器110；电阻器数字-模拟转换器(RDAC)112；逐步逼近寄存器(SAR)114；和控制器116。
正和负模拟输入102a和102b可分别耦合到切换器104a和104b。正输入采样与保持电容器324a和326a可耦合到切换器104a和105。负输入采样与保持电容器324b和326b可耦合到切换器104b。比较器110的负输入可耦合到电容器324a和326a，且比较器110的正输入可耦合到电容器324b和326b。
在采样期间，正输入电容器324a和326a充电到Vin+(输入102a上的电压)减去内部参考107(例如，Vdd/2，其中Vdd可为电源电压)，且负输入电容器324b和326b充电到Vin-(输入102b上的电压)减去内部参考107。在采样之后，切换器106a和106b打开，因此保持这些采样的电压。可通过控制CDAC切换器105和通过控制RDAC 112来执行转换。借此可确定最高有效位，例如，对于10位ADC为上面三位，或者对于12位ADC为上面五位。
参看图2，图中描绘根据本揭示案特定示范性实施例的多个电容器和所述多个电容器中用于针对12位ADC配置的单信道采样与保持电容器阵列的电容器的布局的示意图。图2的左列表示各个电容器，其具有由标号326表示的一个电容单位、由标号324和322表示的二分之一电容单位、及由标号320表示的四分之一电容单位。通常，对于采样与保持电容器106只需要使用电容器324与326的组合。这些电容器324和326可经配置(例如，经互连)以形成正和负信道采样与保持电容器，如本文中更充分描述。电容器322和320是“虚设电容器”，其可用于避免处理边缘效应。电容器322和320可用于改进正输入电容器324a和326a与负输入电容器324b和326b之间的电容值匹配。正输入电容器324a和326a与负输入电容器324b和326b的电容值的每一者之间较紧密的匹配可改进SAR ADC 100的微分非线性(DNL)和积分非线性(INL)性能，因为二进制加权群组(例如，1C、4C等)之间的匹配比正和负输入信道(分别为耦合到输入102a和102b的总电容值)之间的匹配更加重要。
现参看图3，图中描绘根据本揭示案的特定示范性实施例的使用图2所示的单微分信道采样电容器配置的12位逐步逼近ADC的平面图的示意方框图。ADC 100可连同其它电路(例如，微控制器等)一起制造在单个集成电路小片(未图示)上。对于12位逐步逼近ADC，可能要求相当大值的采样与保持电容器。因此，举例来说(但不限于此)，电容器106可包括：32C单位的正输入电容326a(例如，32个连接在一起的电容器326a)(图2右半边上描绘的左列电容器)；32C单位的负输入电容326b(例如，32个连接在一起的电容器326b)(图2右半边上描绘的右列电容器)；4C单位的正输入对地电容(capacitance to ground)324a(例如，8个连接在一起的电容器324a(一半单位值))(图2右半边上描绘的左列电容器)；和4C单位的负输入对地电容324b(例如，8个连接在一起的电容器324b(一半单位值))(图2右半边上描绘的右列电容器)。虽未图示但可预期且在本揭示案范围内的是，电容器320、322、324和326可通过(例如但不限于)可编程切换器、金属遮罩、可编程熔丝链等以所需的组合耦合在一起。可根据存储在非易失性存储器(例如，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器等)中的位图案来控制可编程切换器。电容器320、322、324和326可分组成四个不同的区域，其由标号302、304、306和308表示。这种分组可促进四信道采样与保持微分输入，如本文中更充分描述。也可对于单端(非微分)ADC以类似方式实施单端(非微分)输入采样与保持电容器。
参看图4，图中描绘根据本揭示案的特定示范性实施例的多个电容器和所述多个电容器中用于配置用于10位ADC的四信道采样与保持电容器阵列的电容器的布局的示意图。图4的左列表示各个电容器，其具有由标号326表示的一个电容单位、由标号324和322表示的二分之一电容单位、及标号320表示的四分之一电容单位。通常，对于微分输入四信道的每个采样与保持电容器106只需要使用电容器324与326的组合。这些电容器324和326可经配置(例如，经互连)以形成正和负信道采样与保持电容器，如本文中更充分描述。然而，如果要求额外的分数电容单位，则可使用电容器322和320，使得采样与保持电容器106(对于12位ADC为一个微分集合，且对于10位ADC为四个微分集合)可被配置用于大致准确的电容值(例如，正与负信道之间的大致电容值平衡)。
参看图5，图中描绘根据本揭示案的特定示范性实施例的使用图4所示的四微分信道采样电容器配置的10位逐步逼近ADC的平面图的示意方框图。对于10位逐步逼近ADC，可使用比12位逐步逼近ADC所需的值小的值的采样与保持电容器。因此，举例来说(但不限于此)，四信道10位ADC的10位采样与保持电容器106的每个微分信道可包括：8C单位的正输入电容326a(例如，8个连接在一起的电容器326a)(图4右半边上描绘的左列电容器)；8C单位的负输入电容326b(例如，8个连接在一起的电容器326b)(图4右半边上描绘的右列电容器)；2C单位的正输入对地电容324a(例如，4个连接在一起的电容器324a(一半单位值))(图4右半边上描绘的左列电容器)；和2C单位的负输入对地电容324b(例如，4个连接在一起的电容器324b(一半单位值))(图4右半边上描绘的右列电容器)。虽未图示但可预期且在本揭示案范围内的是，电容器320、322、324和326可通过(例如但不限于)可编程切换器、金属遮罩、可编程熔丝链等以所需的组合耦合在一起。可根据存储在非易失性存储器(例如，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器等)中的位图案来控制可编程切换器。电容器320、322、324和326可分组成四个不同的区域，其通常由标号302、304、306和308表示，且可促进10位ADC的四信道采样与保持微分输入。也可对于具有多个采样信道的单端(非微分)ADC以类似方式实施单端(非微分)输入采样与保持电容器。
如本文所描述，单位、二分之一单位和四分之一单位电容器320、322、324和326的布局可配置用于具有采样与保持的单微分输入12位ADC或具有用于四个信道中每一者的采样与保持的四微分输入10位ADC。可预期且在本揭示案范围内的是，模拟-数字转换器领域的技术人员在得益于本揭示案的教示的情况下，可了解其它位大小的ADC和其它数目的采样与保持信道的组合。同样可预期且在本揭示案范围内的是，多个电容器区域可被配置用于各种电容值和采样与保持信道的数目，且所述多个电容器区域可与模拟-数字转换器领域的技术人员在得益于本揭示案的教示的情况下可了解的任何类型的模拟-数字转换器一起使用。
虽然已参照本揭示案的示范性实施例描绘、描述和界定了本揭示案的实施例，但这种参照并不暗示对本揭示案的限制，且不应推断出此种限制。所揭示的主题在形式和功能方面能够具有相当多的修改、更改和等效物，相关领域的一般技术人员在得益于本揭示案的情况下将构想出所述修改、更改和等效物。本揭示案的已描绘和描述的实施例只是实例，且并未详尽列出本揭示案的范围。

Claims (23)

1.一种模拟-数字转换器(ADC)，其具有可互换的分辨率和采样、保持与转换信道，其包括：
电容器区域，其包括多个第一电容器和多个第二电容器，其中所述多个第一电容器形成电荷重新分配数字-模拟转换器(CDAC)的一部分；
多个切换器，其中所述多个切换器中的一些切换器形成所述CDAC的另一部分；比较器；
电阻器数字-模拟转换器(RDAC)；
逐步逼近寄存器(SAR)；以及
控制器，其中：
所述多个第一电容器中的选定电容器耦合在一起以形成所需的第一电容值；
所述多个第二电容器中的选定电容器耦合在一起以形成所需的第二电容值；
所述多个切换器中的一些切换器将所述多个第一和第二电容器中的选定电容器耦合到一个或一个以上模拟输入、耦合到所述RDAC，且耦合到所述比较器；
所述SAR耦合到所述RDAC和所述CDAC；以及
所述控制器和所述比较器耦合到所述SAR。
2.根据权利要求1所述的ADC，其中所述多个第一和第二电容器中的一些电容器具有不同的电容值。
3.根据权利要求2所述的ADC，其中所述不同的电容值包括第一、第二和第三电容值。
4.根据权利要求3所述的ADC，其中所述第一电容值是一个电容单位，所述第二电容值是二分之一电容单位，且所述第三电容值是四分之一电容单位。
5.根据权利要求1所述的ADC，其中所述多个切换器被配置用于多个模拟采样信道，且所述多个第一和第二电容器中的选定电容器被配置成用于所述多个模拟采样信道中的每一者的采样、保持与转换电容器。
6.根据权利要求1所述的ADC，其中所述多个切换器被配置用于四个模拟采样信道，且所述多个第一和第二电容器中的选定电容器被配置用于所述四个模拟采样信道中的每一者的采样、保持与转换电容器。
7.根据权利要求6所述的ADC，其中所述SAR、所述RDAC和所述CDAC具有10位分辨率。
8.根据权利要求1所述的ADC，其中所述多个切换器被配置用于一个模拟采样信道，且所述多个第一和第二电容器中的选定电容器被配置用于所述一个模拟采样信道的采样、保持与转换电容器。
9.根据权利要求8所述的ADC，其中所述SAR、所述RDAC和所述CDAC具有12位分辨率。
10.根据权利要求1所述的ADC，其中所述多个第一和第二电容器中的选定电容器与金属遮罩耦合在一起。
11.根据权利要求1所述的ADC，其中所述多个第一和第二电容器中的选定电容器与电容器切换器耦合在一起。
12.根据权利要求1所述的ADC，其中所述多个第一和第二电容器中的选定电容器的选择由存储在非易失性存储器中的位图案来确定。
13.根据权利要求1所述的ADC，其中所述多个切换器、包括所述多个第一和第二电容器的电容器区域、所述比较器、所述RDAC、所述SAR和所述控制器均制造在集成电路小片上。
14.一种用于具有可互换的分辨率和采样信道的模拟-数字转换器(ADC)的电容器配置，其包括：
电容器区域，其包括多个第一电容器和多个第二电容器，其中所述多个第一电容器形成电荷重新分配数字-模拟转换器(CDAC)的一部分；
其中所述多个第一和第二电容器中的选定电容器可互换地耦合在一起以形成具有所需电容值的采样、保持与转换电容器，且适于耦合到一个或一个以上模拟输入、至少一个电压参考和比较器输入。
15.根据权利要求14所述的电容器配置，其中所述多个第一和第二电容器中的一些电容器具有不同的电容值。
16.根据权利要求15所述的电容器配置，其中所述不同的电容值包括第一、第二和第三电容值。
17.根据权利要求16所述的电容器配置，其中所述第一电容值是一个电容单位，所述第二电容值是二分之一电容单位，且所述第三电容值是四分之一电容单位。
18.根据权利要求14所述的电容器配置，其中所述多个第一和第二电容器中的选定电容器与金属遮罩耦合在一起。
19.根据权利要求14所述的电容器配置，其中所述多个第一和第二电容器中的选定电容器与多个切换器耦合在一起。
20.根据权利要求14所述的电容器配置，其中所述多个第一和第二电容器中的选定电容器的选择由存储在非易失性存储器中的位图案来确定。
21.一种具有12位或10位分辨率及一个或四个输入采样信道的模拟-数字转换器(ADC)，其包括：
电容器区域，其包括多个第一电容器和多个第二电容器，其中所述多个第一电容器形成电荷重新分配数字-模拟转换器(CDAC)的一部分；
多个切换器，其适于配置所述多个第一和第二电容器以用于一个或四个采样信道，其中所述多个切换器中的一些切换器形成所述CDAC的另一部分；
比较器；
电阻器数字-模拟转换器(RDAC)；
逐步逼近寄存器(SAR)；以及
控制器，其中：
所述多个第一电容器中的选定电容器耦合在一起以形成具有所需的第一电容值的一个或四个采样、保持与转换电容器；
所述多个第二电容器中的选定电容器耦合在一起以形成具有所需的第二电容值的一个或四个采样、保持与转换电容器；
所述多个切换器中的一些切换器将所述多个第一和第二电容器中的选定电容器耦合到一个或一个以上模拟输入、耦合到所述RDAC，且耦合到所述比较器；
所述多个切换器将所述一个或四个采样、保持与转换电容器分别耦合到一个或四个模拟输入，且耦合到所述比较器；
所述SAR耦合到所述RDAC和所述CDAC；以及
所述控制器和所述比较器耦合到所述SAR。
22.根据权利要求21所述的ADC，其中所述SAR和RDAC是12位分辨率，且所述多个切换器被配置用于一个采样信道。
23.根据权利要求21所述的ADC，其中所述SAR和RDAC是10位分辨率，且所述多个切换器被配置用于四个采样信道。
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