TWI647917B - 類比至數位轉換器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種類比至數位轉換器，包括：一第一逐次逼近塊以及一第二逐次逼近塊，用於輪流對輸入電壓進行取樣；一噪聲整形電路，交替地從該第一逐次逼近塊接收第一殘餘電壓以及從該第二逐次逼近塊接收第二殘餘電壓，並且輸出一噪聲整形信號以注入該第一逐次逼近塊與該第二逐次逼近塊中。

Description

類比至數位轉換器
本發明涉及電子電路領域，特別係涉及一種類比至數位轉換器(analog-to-digital converter，ADC)。
在電子領域中，ADC係一種將類比輸入轉換為數位信號的系統。當今，具有電荷再分配的SAR ADC(successive approximation analog-to-digital converter，逐次逼近型類比至數位轉換器)非常普遍。
第1圖描繪了SAR ADC的示例。在第一操作階段，輸入電壓Vin被底板取樣(bottom-plate sampled)到加權電容陣列102上。在該取樣階段之後，將加權電容陣列102中的電容的底板切換至用於逐次逼近方案的共模電壓GND。比較器104測試取樣電壓(從加權電容陣列102的頂板TP得到)的符號以及自比較器104輸出的符號決定被迴授以切換加權電容陣列102中當前MSB(Most Significant Bit，最低有效位)電容的底板電壓。當需要電壓减法(voltage subtraction)時，當前MSB電容的底板切換至更低的參考電壓Vrefl。當需要電壓加法(voltage addition)時，當前MSB電容的底板切換至更高的參考電壓Vrefh。在逐次逼近方案中，逐個地切換加權電容陣列102中的電容的底板。收集比較器104的輸出並轉換為 輸入電壓Vin的數位表示Dout。
但是，取樣階段加上逐次逼近方案限制了ADC的速度。
另外，當設計ADC時，也需要考慮來自比較器104的量化誤差和噪聲。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種類比至數位轉換器。
根據本發明至少一個實施例的類比至數位轉換器，包括：一第一逐次逼近塊以及一第二逐次逼近塊，用於輪流對輸入電壓進行取樣；一噪聲整形電路，交替地從該第一逐次逼近塊接收第一殘餘電壓以及從該第二逐次逼近塊接收第二殘餘電壓，並且輸出一噪聲整形信號以注入該第一逐次逼近塊與該第二逐次逼近塊中。
本發明實施例，能夠在降低噪聲的同時提高淨取樣率。
Vin‧‧‧輸入電壓
102‧‧‧加權電容陣列
GND‧‧‧共模電壓
104‧‧‧比較器
TP‧‧‧頂板
Vrefl、Vrefh‧‧‧參考電壓
Dout、Dout1‧‧‧數位表示
Vres、Vres1、Vres2‧‧‧殘餘電壓
Sns‧‧‧噪聲整形信號
202‧‧‧噪聲整形電路
204‧‧‧回路濾波器
Q‧‧‧量化噪聲
Φ1、Φ2‧‧‧控制信號
SAR1、SAR2‧‧‧SAR塊
402、504‧‧‧SAR轉換
404、502‧‧‧殘餘取樣
CLK‧‧‧時鍾信號
1/fs‧‧‧輸入取樣周期
通過閱讀接下來的詳細描述以及參考所附的圖式所做的示例，可以更全面地理解本發明，其中：第1圖描繪了SAR ADC的示例；第2圖描繪了具有噪聲整形(noise shaping)功能的SAR ADC的示例；第3圖描繪了根據本發明實施例的具有噪聲整形功能的交織SAR ADC的示例； 第4圖描繪了根據本發明實施例的時序圖，用於操作第3圖的ADC；第5圖描繪了根據本發明實施例的時序圖，用於操作第3圖的ADC。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有習知技術者應可理解，電子裝置製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。以外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接到一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
以下描述示出了實現本發明的典型實施例。該描述僅係出於說明本發明一般原理的目的，並且不意味著限制。本發明的範圍最好參考所附的申請專利範圍來確定。
本發明涉及ADC(類比至數位轉換器)，例如一種交織的具有噪聲整形功能的SAR ADC，具體內容詳述如下。
參考第1圖的SAR ADC，加權電容陣列102的頂板TP耦接至比較器104，以用于逐次逼近試驗(通過比較器104輸出一系列的比較結果來切換加權電容陣列102從而逐次 逼近輸入電壓Vin的值)。在本公開中，逐次逼近的殘餘電壓(residue voltage，以下表示為Vres)(例如，從加權電容陣列102的頂板TP取回的電壓值)進一步用來發展噪聲整形技術。從殘餘電壓Vres產生一噪聲整形信號(以下表示為Sns)並送給比較器104的負輸入端，從而對SAR ADC的量化噪聲和比較器噪聲進行衰減。
第2圖描繪了具有噪聲整形功能的SAR ADC的示例。在第2圖的上部分中，示出了具有噪聲整形功能的SAR ADC的功能表示。除了含有第1圖所示的加權電容陣列102與比較器104的基本SAR結構之外，上部分中進一步示意了一噪聲整形電路202，用來將加權電容陣列102輸出的殘餘電壓Vres轉換為噪聲整形信號Sns，並提供至比較器104的負輸入端。對於N位類比至數位轉換，在比較器104作出第N個(Nth)決定之後，可以從加權電容陣列102的頂板TP得到殘餘電壓Vres。因此，殘餘電壓Vres包含噪聲信息。在被噪聲整形電路202處理之後，殘餘電壓Vres被轉換為噪聲整形信號Sns以對隨後的類比至數位轉換中的噪聲進行整形。在第2圖的下部分中，示出了一等效信號流程。噪聲整形電路202在SAR ADC的z轉移函數中引入了一個回路濾波器204。通過噪聲整形技術，可以降低量化噪聲Q甚至比較器噪聲(圖中未示出)。
噪聲整形電路202可以僅包括一電池電容，與加權電容陣列102的頂板TP共享電荷(charge-shared)。在一些示例中，噪聲整形電路202可以進一步包括：一積分器，耦接 至該電池電容。在其他示例中，噪聲整形電路202可以包括：級聯電路，形成FIR-IIR(Finite Impulse Response-Infinite Impulse Response)回路濾波器。任何能夠模仿類比至數位轉換器中的噪聲的電路均可以作為該噪聲整形電路202。
為了得到更高的轉換率，在此處引入時間交織(time interleaving)的概念。
第3圖示出了根據本發明實施例的具有噪聲整形功能的交織SAR ADC。基於使用噪聲整形電路202的基本SAR結構(參考回第2圖)，在第3圖中，提供了一SAR塊SAR1以及另一SAR塊SAR2，其中SAR塊SAR1和SAR2用於輪流對輸入電壓進行取樣，以供輸入電壓的逐次逼近以及觀察輸入電壓的數位表示。切換SAR塊SAR1和SAR塊SAR2(通過控制信號Φ1和Φ2)從而以交織的方式對輸入電壓Vin進行取樣。當SAR塊SAR1和SAR2之一對輸入電壓Vin進行取樣時，另一個執行逐次逼近甚至殘餘取樣。因此，可以得到更高的淨取樣率。如所示，SAR塊SAR1和SAR2共享噪聲整形電路202。來自SAR塊SAR1和SAR2的殘餘電壓Vres1和Vres2被交替地取樣至噪聲整形電路202中。因此，噪聲整形電路202基於該交替的殘餘電壓Vres1和Vres2而產生包含充分的噪聲信息的噪聲整形信號Sns。噪聲整形信號Sns耦合至SAR塊SAR1和SAR2。因此，可以相當地改善SAR塊SAR1和SAR2中執行的逐次逼近。由SAR塊SAR1得到的數位表示Dout1以及由SAR塊SAR2得到的數位表示Dout2被多工器輸出作為Dout。變化的輸入電壓Vin可以被轉換為數位形式並且由數位表示 Dout所表示。
第4圖描繪了根據本發明實施例的用於操作第3圖的ADC的時序圖。參考控制信號Φ1和Φ2，SAR塊SAR1和SAR2均使用全輸入取樣周期(1/fs)來對輸入電壓Vin進行取樣。因此，ADC之前的前端輸入緩衝級的頻寬要求變得寬鬆。當SAR塊SAR1取樣輸入電壓Vin時，SAR塊SAR2執行逐次逼近以及維持殘餘電壓Vres2供噪聲整形電路202取樣。如所示，半個輸入取樣周期的SAR轉換被另一半個輸入取樣周期的殘餘取樣所跟隨。當輸入電壓Vin切換至由SAR塊SAR2取樣時，SAR塊SAR1切換為執行逐次逼近以及維持殘餘電壓Vres1供噪聲整形電路202取樣。噪聲整形電路202將殘餘電壓Vres1/Vres2轉換為噪聲整形信號Sns。當執行SAR轉換402時，根據回路濾波器204所提供的延遲，在更早殘餘取樣中得到的殘餘電壓Vres1/Vres2(如，在殘餘取樣404中得到的殘餘電壓Vres2)可以被考慮。相比於第2圖的SAR ADC(僅使用單個SAR塊)，第3圖的ADC(包含多於一個的SAR塊並且根據第4圖的時序圖來操作)可以得到更高的取樣率。
第5圖描繪了根據本發明實施例的時序圖，用於操作第3圖的ADC。參考控制信號Φ1和Φ2，SAR塊SAR1和SAR2均使用半個輸入取樣周期(1/2fs)來對輸入電壓Vin進行取樣。當SAR塊SAR2仍然在SAR轉換處理中時，SAR塊SAR1對輸入電壓Vin取樣。當SAR塊SAR1結束輸入取樣時，SAR塊SAR2也結束SAR轉換。接著，SAR塊SAR1開始持續整個輸入取樣周期(1/fs)的SAR轉換以及噪聲整形電路 202開始持續半個輸入取樣周期的殘餘電壓Vres2取樣。在殘餘取樣之後，SAR塊SAR2執行輸入電壓Vin的下個取樣處理，同時SAR塊SAR1持續進行SAR轉換。SAR塊SAR1的SAR轉換與SAR塊SAR2的輸入取樣處理同時結束。接著，噪聲整形電路202切換為對殘餘電壓Vres1取樣以及SAR塊SAR2切換為執行逐次逼近。殘餘電壓Vres1/Vres2由噪聲整形電路202轉換為噪聲整形信號。當執行SAR轉換時，根據回路濾波器204提供的延遲，可以考慮在更早殘餘取樣中得到的殘餘電壓Vres1/Vres2。例如，在殘餘取樣502中得到的殘餘電壓Vres2可以在SAR轉換504的稍後部分中使用。相比於第2圖的SAR ADC(僅使用單個SAR塊)，第3圖的ADC(包含多於一個的SAR塊並且根據第5圖的時序圖來操作)可以取得更高的取樣率。
除了第3圖描述的兩路交織結構之外，對於更高階的交織結構，在本發明的其他實施例中可以使用多於兩個的SAR塊。不同SAR塊交替地對輸入電壓Vin進行取樣以保證更高的取樣率。對於每個SAR塊，在其他的SAR塊輪流對輸入電壓Vin進行取樣時，有充足的時間來執行SAR轉換和殘餘取樣。
本實施例的SAR ADC的控制可以組織如下。
在一些實施例中，SAR塊SAR1的輸入取樣時段與SAR塊SAR2的殘餘取樣時段重疊。SAR塊SAR2的殘餘取樣(時段)與SAR塊SAR1的輸入取樣(時段)可以一並結束。SAR塊SAR1的輸入取樣(時段)可以持續整個輸入取樣周期 1/fs。SAR塊SAR2的輸入取樣(時段)在SAR塊SAR2的殘餘取樣(時段)之後重復並且接著的SAR塊SAR1的輸入取樣(時段)也可以持續整個輸入取樣周期1/fs。SAR塊SAR1的SAR轉換可以與SAR塊SAR2的輸入取樣一起開始。SAR塊SAR1的殘餘取樣時段可以與SAR塊SAR2的輸入取樣時段重疊。SAR塊SAR1的殘餘取樣時段與SAR塊SAR2的輸入取樣時段可以一並結束。SAR塊SAR1的SAR轉換與殘餘取樣均可以持續半個輸入取樣周期1/2fs。SAR塊SAR1的輸入取樣時段可以進一步與SAR塊SAR2的SAR轉換時段重疊。SAR塊SAR2的SAR轉換與SAR塊SAR1的輸入取樣可以同時開始。SAR塊SAR2的SAR轉換與殘餘取樣均可以持續半個輸入取樣周期1/2fs。第4圖示出的控制方案僅是眾多典型控制方案中的一個示例。
在一些實施例中，SAR塊SAR1的輸入取樣時段與SAR塊SAR2的SAR轉換時段重疊。SAR塊SAR1的輸入取樣時段與SAR塊SAR2的SAR轉換時段可以一並結束。對於SAR塊SAR2，殘餘取樣時段加上輸入取樣時段可以等於全輸入取樣周期1/fs，以及可以分配在SAR塊SAR1的SAR轉換時段中。SAR塊SAR1的SAR轉換時段持續整個輸入取樣周期1/fs。SAR塊SAR1的輸入取樣時段和殘餘取樣時段均可以持續半個輸入取樣周期1/2fs。SAR塊SAR2的輸入取樣時段和殘餘取樣時段均可以持續半個輸入取樣周期1/2fs。第5圖的控制方案僅是眾多典型控制方案中的一個示例。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用 以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。

Claims (10)

  1. 一種類比至數位轉換器，包括：一第一逐次逼近塊以及一第二逐次逼近塊，用於輪流對輸入電壓進行取樣；一噪聲整形電路，交替地從該第一逐次逼近塊接收第一殘餘電壓以及從該第二逐次逼近塊接收第二殘餘電壓，並且輸出一噪聲整形信號以注入該第一逐次逼近塊與該第二逐次逼近塊中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的類比至數位轉換器，其中，進一步包括：一多工器，交替地輸出來自該第一逐次逼近塊的第一數位表示以及來自該第二逐次逼近塊的第二數位表示，以形成該輸入電壓的數位表示。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的類比至數位轉換器，其中，該第一逐次逼近塊及該第二逐次逼近塊在各自的輸入取樣時段內取樣該輸入電壓；該第一逐次逼近塊及該第二逐次逼近塊在各自的逐次逼近轉換時段內執行該輸入電壓的逐次逼近；該第一逐次逼近塊及該第二逐次逼近塊在各自的殘餘取樣時段內分別維持該第一殘餘電壓及該第二殘餘電壓以供該噪聲整形電路取樣。
  4. 如申請專利範圍第1至第3項中任一項所述的類比至數位轉換器，其中，該第一逐次逼近塊的輸入取樣時段與該第二逐次逼近塊的逐次逼近轉換時段及/或殘餘取樣時段重疊； 該第二逐次逼近塊的殘餘取樣時段接著該第二逐次逼近塊的逐次逼近轉換時段。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的類比至數位轉換器，其中，該第一逐次逼近塊的輸入取樣時段與該第二逐次逼近塊的逐次逼近轉換時段同時開始，及/或，該第一逐次逼近塊的輸入取樣時段與該第二逐次逼近塊的殘餘取樣時段同時結束。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的類比至數位轉換器，其中，該第二逐次逼近塊的輸入取樣時段接著該第一逐次逼近塊的輸入取樣時段。
  7. 如申請專利範圍第4項所述的類比至數位轉換器，其中，該第一逐次逼近塊的輸入取樣時段持續整個輸入取樣周期，該第二逐次逼近塊的逐次逼近轉換時段及殘餘取樣時段均持續半個輸入取樣周期。
  8. 如申請專利範圍第1至第3項中任一項所述的類比至數位轉換器，其中，該第一逐次逼近塊的逐次逼近轉換時段與該第二逐次逼近塊的殘餘取樣時段及/或輸入取樣時段重疊；其中，該第二逐次逼近塊的輸入取樣時段接著該第二逐次逼近塊的殘餘取樣時段。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的類比至數位轉換器，其中，該第一逐次逼近塊的逐次逼近轉換時段與該第二逐次逼近塊的殘餘取樣時段同時開始，及/或，該第一逐次逼近塊的逐次逼近轉換時段與該第二逐次逼近塊的輸入取樣時段同 時結束。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的類比至數位轉換器，其中，該第一逐次逼近塊的逐次逼近轉換時段持續整個輸入取樣周期，該第二逐次逼近塊的殘餘取樣時段及輸入取樣時段均持續半個輸入取樣周期。
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