專利名稱：開關(guān)電容器管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用單元級聯(lián)的開關(guān)電容管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，每個(gè)單元包括-比較裝置，用來將一個(gè)接收到的模擬信號與至少一個(gè)預(yù)定的比較電平相比較，并輸出表示比較結(jié)果的一個(gè)和多個(gè)數(shù)字位，-乘法和移位裝置，將模擬信號乘以一個(gè)因數(shù)2，并根據(jù)比較結(jié)果將模擬輸入信號移動(dòng)一個(gè)移位電平，-輸出裝置，輸出乘以2和位移的模擬信號，用于單元級聯(lián)中的下一個(gè)單元，-乘法和移位裝置，比較第一個(gè)和第二個(gè)電容器，兩者都是被切換用來在輸入模式期間接收模擬信號。
在當(dāng)今的電子技術(shù)中，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器起著十分重要的作用。因?yàn)榕c模擬信號處理相比，數(shù)字信號處理是很容易設(shè)計(jì)和重放效果好，因此在數(shù)字領(lǐng)域中趨于使用更多的信號處理。這就要求具有更高轉(zhuǎn)換率和更高分辨率，最好是功耗更低，而且可以用低成本的CMOS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)這些要求的很好的選擇。
上面描述的現(xiàn)有技術(shù)的管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的單元可以利用模擬輸入信號的最大幅距一半的一個(gè)比較電平來實(shí)現(xiàn)。而后，該比較確定信號電平是在其幅距的上一半還是下一半。如果信號是在上半部分，比較器產(chǎn)生一個(gè)“1”位，信號被向下移動(dòng)最大幅距的一半。另一方面，如果信號處于其幅距的下半部分，則產(chǎn)生一個(gè)“0”位，信號不移位。結(jié)果是，信號被乘以2，用于下一個(gè)單元。級聯(lián)單元產(chǎn)生的位共同組建一個(gè)數(shù)字字，其中最重要的位是由第一個(gè)單元產(chǎn)生的，最不重要的位是由最后一個(gè)單元產(chǎn)生的。這一數(shù)字字形成了模擬輸入信號的數(shù)字表示。
但是，采用這種方法，不能夠獲得高分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，因?yàn)榈谝粋€(gè)單元的比較電平的精度應(yīng)該高于級聯(lián)的最后一個(gè)單元產(chǎn)生的最不重要位所表示的精度。換句話說當(dāng)產(chǎn)生一個(gè)10位的字時(shí)，第一個(gè)單元比較的精度應(yīng)當(dāng)高于1/1024。為了避免這一不便，管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的每個(gè)單元可以有兩個(gè)比較器電平，如在最大信號電平的3/8和5/8處。這兩個(gè)比較器的每一個(gè)都是在模擬信號低于比較電平時(shí)產(chǎn)生一個(gè)“0”位，當(dāng)模擬信號高于比較電平時(shí)產(chǎn)生一個(gè)“1”位。由單元的低電平比較器產(chǎn)生的位共同形成一個(gè)數(shù)字位，由單元的高電平比較器產(chǎn)生的位共同形成另一個(gè)數(shù)字位。當(dāng)這兩個(gè)字完成時(shí)，將其相加，共同產(chǎn)生構(gòu)成模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器最終結(jié)果的數(shù)字字。這種情況下，當(dāng)輸入信號電平接近于幅距的中間電平時(shí)，并因此落入最大幅距的3/8和5/8之間最重要位值的確定被延遲。僅當(dāng)后面單元結(jié)果可以被獲得而且兩個(gè)數(shù)字字被相加時(shí)，最重要位的值才被最終確定。其它位的確定也是一樣的。這種方法的效果是比較器電平的值不像僅用一個(gè)比較器的轉(zhuǎn)換器的情況時(shí)那么重要。
另一方面，在每個(gè)管線單元中，模擬信號必須乘以因數(shù)2，來產(chǎn)生下一個(gè)管線單元的輸入信號，為了得到一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器要求的高分辨率，這一因數(shù)必須是非常精確的。在現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)電容器管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器中，這一因數(shù)受到乘法和移位裝置的電容器值的嚴(yán)重影響。本發(fā)明的一個(gè)主要目的是切實(shí)改進(jìn)乘法因子的精度，因此，本發(fā)明的開關(guān)電容器管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的特征是，在輸出模式期間，第一個(gè)和第二個(gè)電容器進(jìn)行開關(guān)切換，以保持相應(yīng)的電荷，并將其電壓相加，來產(chǎn)生下一個(gè)單元的輸入信號。
在大多數(shù)的現(xiàn)有技術(shù)的電路中，在輸出模式期間，第一個(gè)和第二個(gè)電容器都是連接到一個(gè)運(yùn)算放大器的倒相輸入端子上，即一個(gè)連接在運(yùn)算放大器的倒相輸入和輸出之間，而另一個(gè)是連接在倒相輸入和參考電位之間。然后，由于在輸出模式期間第二個(gè)電容器的電荷被傳輸?shù)降谝粋€(gè)電容器上，與其原有的電荷相加，實(shí)現(xiàn)乘2的操作。如果兩個(gè)電容器是完全相同的，用這種方法就實(shí)現(xiàn)了乘2的操作。但是，在CMOS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，很難做到兩個(gè)電容器充分精確地相同。
本發(fā)明的要點(diǎn)是，在輸出模式期間，在輸入模式期間充入電容器的電荷保留在相應(yīng)的電容器中，通過將兩個(gè)電容器的電壓相加來實(shí)現(xiàn)乘2的操作。就是說，電容器可以具有不同的值，而不會影響該乘法因子。寄生電容，特別是運(yùn)算放大器輸入端的寄生電容，會導(dǎo)致第一個(gè)和第二個(gè)電容器不等，仍會對乘法因子的值產(chǎn)生一些影響，但是這一影響要遠(yuǎn)低于現(xiàn)有技術(shù)中的情況，現(xiàn)有技術(shù)中是將一個(gè)電容器的電荷傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電容器上，以實(shí)現(xiàn)乘法因子2。本發(fā)明的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的其它優(yōu)勢是-通常在第一個(gè)和第二個(gè)開關(guān)電容器之一上增加所需的位移電平。本發(fā)明的這種方法使得該位移電平受這些電容器值的影響更小。
-電荷的傳輸意味著能量的消耗，運(yùn)行頻率越高，消耗的能量越大。通過避免在輸出模式期間進(jìn)行電荷傳輸，切實(shí)減小了所需的功率。
-電荷傳輸需要時(shí)間。通過避免在輸出模式期間進(jìn)行電荷傳輸，加快了模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行速度，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)行頻率。
通過在輸出模式期間將兩個(gè)電容器串聯(lián)，無需在兩個(gè)電容器之間進(jìn)行電荷傳輸即可實(shí)現(xiàn)乘法。但是，寄生電容仍會從電容器中吸取一些電荷，因此不能夠達(dá)到所要求的乘法因子2。依照本發(fā)明的另一個(gè)特征，在輸出模式期間，將第一個(gè)電容器切換到一個(gè)差動(dòng)放大器的輸出和倒相輸入之間，而將第二個(gè)電容器切換到差動(dòng)放大器的非倒相輸入和一個(gè)參考電壓之間，即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單可靠的配置。采用這種配置，即可實(shí)現(xiàn)差動(dòng)放大器的一個(gè)輸入端寄生電容的有害作用被該差動(dòng)放大器的另一個(gè)輸入端的寄生電容所抵消。
依照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的特征還在于，在輸入模式期間，乘法和移位裝置的第一個(gè)電容器接收差動(dòng)輸入信號的部分信號，而乘法和移位裝置的第一個(gè)電容器接收另外部分的信號。通常采用差動(dòng)輸入信號，使得差動(dòng)放大器的輸入端的寄生電容彼此之間更加一致因此可以改善對不利作用的抵消。另一個(gè)優(yōu)勢是在輸出模式期間，要求位移電平是可以獲得的，這樣在輸入模式期間可以實(shí)現(xiàn)輸入信號與預(yù)定的比較電平的比較。
當(dāng)一個(gè)管線單元具有一個(gè)差動(dòng)信號輸入時(shí)，為了能夠通過差動(dòng)輸入與下一個(gè)單元相連，這種單元還應(yīng)有一個(gè)差動(dòng)輸出。但是，采用一個(gè)單差動(dòng)放大器具有兩個(gè)反饋差動(dòng)輸出的對稱配置是不可能的，因?yàn)榉糯笃鞯膬蓚€(gè)輸入端已經(jīng)被用于產(chǎn)生一個(gè)單目標(biāo)輸出信號。因此，本發(fā)明的管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的進(jìn)一步的特征在于，通過兩個(gè)相同的乘法和移位裝置反相接收差動(dòng)輸入信號，另外反相接收開關(guān)切換的位移電平，可以實(shí)現(xiàn)差動(dòng)輸出。
為了提高模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的速度，進(jìn)而提高采樣率和/或分辨率，依照本發(fā)明的開關(guān)電容器模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器特征還在于乘法和開關(guān)切換裝置包括兩個(gè)相同的開關(guān)電容器電路組，其中的一組具有輸入和輸出端子，與另一組的相應(yīng)輸入和輸出端子互聯(lián)，切換這些組，使得一組運(yùn)行在輸入模式，而另一組運(yùn)行在輸出模式，或者相反。
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的解釋。附圖中

圖1為管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的一個(gè)單元的示意圖，圖2為用于管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的現(xiàn)有技術(shù)的乘法和移位單元的示意圖，圖3和4為依照本發(fā)明的用于管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的乘法和移位單元的示意圖，圖5為依照本發(fā)明的管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的一個(gè)單元的示意圖，圖6為圖5中的用于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的修正的乘法和移位單元的示意圖。
在圖1中，管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的一個(gè)單元S包括一個(gè)輸入端子I，其上施加的是由轉(zhuǎn)換器的前面單元產(chǎn)生的輸入信號V。信號V被施加到兩個(gè)比較器P1和P2上。比較器P1將信號V與一個(gè)比較電平，例如信號的最大幅距的3/8(3/8Vm)，相比較。類似地，比較器P2將信號V與一個(gè)比較電平，如該最大幅距的5/8(5/8Vm)相比較，比較器P1產(chǎn)生一個(gè)位d，當(dāng)V＜3/8Vm時(shí)，d為“0”，當(dāng)V＞3/8Vm時(shí)，d為“1”；同樣，比較器P2產(chǎn)生一個(gè)位e，當(dāng)V＜5/8Vm時(shí)，e為“0”，當(dāng)V＞5/8Vm時(shí)，e為“1”。信號V還被施加于一個(gè)乘法和移位單元M。該單元提供級聯(lián)中的單元S的模擬信號輸出Vo，用作級聯(lián)的下一個(gè)單元的輸入信號。此外，d和e位還控制一個(gè)邏輯單元L，其反過來控制乘法和移位單元M的運(yùn)行?？偟慕Y(jié)果如下-當(dāng)輸入信號V的電平低于3/8Vm時(shí)，位d和e都位“0”，信號V在單元M中被放大2倍。沒有信號位移發(fā)生。
-當(dāng)輸入信號V的電平介于3/8Vm和5/8Vm之間時(shí)，位d位“1”而位e位“0”。信號V被放大2倍，并且放大的信號被向下移動(dòng)最大幅距Vm的一半。
-當(dāng)輸入信號V的電平高于5/8Vm時(shí)，位d和e都位“1”，信號V被再次放大2倍，并且放大的信號被向下移動(dòng)整個(gè)的最大幅距Vm值。
在級聯(lián)的其它單元中進(jìn)行同樣的操作，下面的每一個(gè)單元都比其前一個(gè)單元遲一個(gè)時(shí)鐘周期。所有單元的位d被收集到寄存器裝置(沒有顯示)中，并進(jìn)行延遲。級聯(lián)中一個(gè)特定單元的位d比級聯(lián)的下一個(gè)單元多延遲一個(gè)時(shí)鐘周期，這樣，一個(gè)采樣的所有的位d同時(shí)可用來組建一個(gè)數(shù)字字。對于位e也是一樣，這樣，最后同時(shí)存在一個(gè)包括所有的位d的數(shù)字字和一個(gè)包含所有位e的數(shù)字字。然后，這兩個(gè)數(shù)字字相加，構(gòu)成模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出。
圖2顯示的是圖1配置中的乘法和移位單元的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)例子。該單元分別包括第一個(gè)和第二個(gè)電容器C1和C2和一個(gè)運(yùn)算放大器A。兩個(gè)雙極開關(guān)Sa和Sb，和一個(gè)單極開關(guān)Sc在一個(gè)輸入模式和一個(gè)輸出模式間同步切換；在圖2中所描繪的是它們在輸入模式期間的位置。通過邏輯L(圖1)控制一個(gè)三極開關(guān)Sd，來提供所需的位移電平Vs，0，或1/2Vm，或Vm，如已經(jīng)參照圖1所解釋的一樣。在圖2中，為了便于理解，開關(guān)Sa、Sb和Sc被顯示為二極或三極開關(guān)，然而，在特定的實(shí)施方案中，雙極開關(guān)Sa最好由兩個(gè)單極開關(guān)組成，三極開關(guān)Sd和雙極開關(guān)Sb最好由四個(gè)單極開關(guān)組成。
開關(guān)Sa在輸入模式期間將電容器C1的一個(gè)端子與輸入信號V相連，在輸出模式期間與放大器A的輸出相連。開關(guān)Sb在輸入模式期間將電容器C2的一個(gè)端子與輸入信號V相連，在輸出模式期間與開關(guān)Sd相連。電容器C1和C2的其它端子都連接到運(yùn)算放大器A的倒相輸入(-)。在輸入模式期間，開關(guān)Sc將運(yùn)算放大器的輸出端與其倒相輸入相連。運(yùn)算放大器的非倒相輸入端(+)與地相連。
運(yùn)行中，在輸入模式期間，通過閉合的開關(guān)Sc對運(yùn)算放大器進(jìn)行反饋，這樣，認(rèn)為倒相輸入端(-)與非倒相輸入端(+)基本上具有相同的電位(地電位)。而且，通過開關(guān)Sa和Sb，兩個(gè)電容器C1和C2都通過輸入信號V充電。在輸出模式期間，邏輯L將開關(guān)Sd置于提供所需的位移電平Vs的位置，Sa和Sc都變化位置，這樣，電容器C1現(xiàn)在是連接在運(yùn)算放大器的輸出和倒相輸入之間，電容器C2連接在位移電平Vs和運(yùn)算放大器的倒相輸入之間。這就意味著，電流是從運(yùn)算放大器的輸出端流出，經(jīng)過電容器C1和C2，流向Vs源。該電流導(dǎo)致兩個(gè)電容器間的電荷傳輸，使得運(yùn)算放大器的倒相輸入端的電壓等于非倒相輸入端的電壓(地電壓)。當(dāng)這些電容器的電容相等(＝C)時(shí)，傳輸?shù)碾姾搔＝(V-Vs)C，而運(yùn)算放大器的輸出電壓Vc＝2.V-Vs，這樣實(shí)現(xiàn)了所需的乘以2的放大和所需的電壓位移。但是，當(dāng)電容器C1和C2不等同時(shí)，傳輸?shù)碾姾搔＝(V-Vs)C，而輸出信號Vo＝V.(1+C2/C1)-Vs.C2/C1。放大因數(shù)和電壓位移都是不正確的，取決于電容器的值。
可以注意到，實(shí)際上，當(dāng)運(yùn)算放大器具有差動(dòng)輸出而電路的其它部分是鏡像，圖2的配置可以擴(kuò)展用于差動(dòng)信號，由此，運(yùn)算放大器的輸入端子(+)用作信號Vo的差動(dòng)對應(yīng)信號的倒相輸入端。
圖3的乘法和移位單元減小了乘法因子對電容C1和C2的相關(guān)性。在該圖中，與圖2中對應(yīng)的元件采用相同的參考符號。開關(guān)S1在輸入模式期間將電容器C1的一個(gè)端子與輸入信號相連，在輸出模式期間與運(yùn)算放大器A的輸出端相連。開關(guān)S2在輸入模式期間將電容器C1的另外一個(gè)端子與參考電位(在下面的計(jì)算中設(shè)為0)相連，在輸出模式期間與放大器的倒相輸入(-)相連。開關(guān)S3在輸入模式期間將電容器C2的一個(gè)端子輸入信號V相連，在輸出模式期間與放大器的非倒相輸入端(+)相連。開關(guān)S4在輸入模式期間將電容器C2的另外一個(gè)端子與上述參考電位相連，在輸出模式期間移位電平Vs相連。現(xiàn)在，在輸入模式期間，電容器C1被再次充電至輸入信號V，電容器C2被充電至輸入信號V減去移位電平Vs；因此電容器C2上的電壓為V-Vs。在輸出模式期間，電容器C2被連接與運(yùn)算放大器A的非倒相輸入端和地之間，這樣該非倒相輸入端(+)的電壓為V-Vs。而且，運(yùn)算放大器通過電容器C1進(jìn)行反饋，由此，倒相輸入端(-)采用非倒相輸入端的電位V-Vs，運(yùn)算放大器的輸出電壓Vo為電容器C1的電壓，高于倒相輸入端(-)的電壓V-Vs。因此，運(yùn)算放大器的輸出為Vo＝2.V-Vs。這一結(jié)果是與電容器C1和C2的值無關(guān)的，因?yàn)樵谳敵瞿Ｊ狡陂g沒有電流流過這些電容器，在此期間也就沒有兩個(gè)電容器之間的電荷傳輸。
可以看出，上述的電壓都是以“地”為參照的，即相對與移位電平信號Vs的0電位的。實(shí)際中，該地電位通常是建立在電路的負(fù)電源電壓之上的。標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的實(shí)際配置可以具有一個(gè)高于負(fù)電源電壓0.7伏的“地”電位和Vm＝1.4伏，信號V可以在高于負(fù)電源電壓0.7和2.1伏之間變化。其它圖表的配置也是一樣的。
理論上講，還可以通過簡單地將兩個(gè)電容串聯(lián)，在輸出模式期間避免兩個(gè)電容之間的電荷傳輸。如圖4中所示。在輸入模式期間，電容器C1和C2被分別充電V和V-Vs，在輸出模式期間串連，由此提供2.V-Vs的輸出信號。在輸出端，運(yùn)算放大器被連接作為阻抗變換器，以便防止在兩個(gè)電容器上流過很大的輸出電流。但是，當(dāng)考慮不可避免的寄生電容時(shí)，可以看出，在輸出模式期間，電容C1和C2相對于地間的寄生電容的互聯(lián)，和電容C1和運(yùn)算放大器的非倒相輸入端(+)相對于地間的寄生電容的互聯(lián)，造成了輸出電壓的衰減，這樣就不能實(shí)現(xiàn)理想的放大因數(shù)2。在圖3的配置中，放大器的非倒相輸入端(+)對地的寄生電容產(chǎn)生了一個(gè)衰減，但是放大器的倒相輸入端(-)對地的寄生電容卻產(chǎn)生了一個(gè)放大。理想情況下，這兩種情況可以平衡掉，可以實(shí)現(xiàn)最佳的乘法因子2。
但是，圖3的實(shí)施方案的一個(gè)嚴(yán)重缺陷是，在輸入模式期間，移位電平Vs必須是已經(jīng)可以被獲得。因此，在給電容器C1和C2充電的輸入模式之前，必須引入一個(gè)額外的模式，其中，比較器P1和P2都是有效的。當(dāng)然，這樣一個(gè)額外模式減小了模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的采樣率。圖3的實(shí)施方案的另一個(gè)缺陷是電容器C2和開關(guān)S3之間互聯(lián)的寄生電容，造成放大器A的非倒相輸入端(+)的位移電平Vs的衰減。
圖5的實(shí)施方案可以克服這些缺陷，圖5顯示了一個(gè)具有差動(dòng)信號輸入的管線單元。該實(shí)施方案包括兩個(gè)乘法和移位單元，分別為M和M’，其中與前面的圖中相對應(yīng)的元件采用相同的參考數(shù)字。
該配置接收一個(gè)差動(dòng)模擬輸入信號，包括兩個(gè)部分信號V和Vm-V。信號V在0和Vm之間變化，信號Vm-V與其反相，在Vm和0之間變化。這一配置的最根本的一點(diǎn)是，在輸入模式期間，部分信號(電源M中電源的Vm-V)中的一個(gè)被加載到電容器C1，另一個(gè)部分信號(單元M中的V)被加載到電容器C2。在輸出模式期間，開關(guān)S1和S2將電容器C1連接在運(yùn)算放大器A的倒相輸入和輸出之間，而開關(guān)S3和S4將電容器C2連接在移位電平Vs和單元M的運(yùn)算放大器A的非倒相輸入之間。因此，在輸出模式期間，運(yùn)算放大器的非倒相輸入端(+)接收電壓Vs-V；反饋運(yùn)算放大器導(dǎo)致其倒相輸入端(-)采用同樣的電壓Vs-V，該電壓加上電容器C1的電壓Vm-V，構(gòu)成了單元M的輸出電壓Vo＝Vs-V+Vm-V＝Vs+Vm-2.V。
相應(yīng)地，在單元M’中，在輸入模式期間，信號V被加載到電容器C1，信號Vm-V被加載到電容器C2。在輸出模式期間，開關(guān)S1和S2又將電容器C1連接在單元M’的運(yùn)算放大器A的倒相輸入(-)和輸出之間，在這種情況中，開關(guān)S3和S4將電容器C2連接在移位電平Vs’和運(yùn)算放大器的非倒相輸入(+)之間。因此，在輸出模式期間，運(yùn)算放大器A的非倒相輸入端接收的電壓為Vs’減去Vm-V，即Vs’-Vm+V；反饋放大器導(dǎo)致其倒相輸入端采用同樣的電壓Vs’-Vm+V，該電壓加上電容器C1的電壓V，構(gòu)成了單元M’的輸出電壓Vo’＝Vs’Vm+2.V。
可以注意到，雖然通過開關(guān)S5得到單元M的移位電平Vs，而通過與開關(guān)S5反向切換的開關(guān)S5’得到單元M的移位電平Vs’，這樣，兩個(gè)開關(guān)電平的和Vs+Vs’＝Vm。進(jìn)一步可以看出，兩個(gè)輸出電壓Vo和Vo’是反相的，在0和Vm之間變化，其和Vo+Vo’也等于Vm(Vs+Vm-2.V)+(Vs’-Vm+2.V)＝Vs+Vs’＝Vm。因此，輸出信號Vo和Vo’適合用于下一個(gè)管線單元，該單元的結(jié)構(gòu)與圖5中描繪的單元相同。
圖5中的實(shí)施方案顯示了兩個(gè)比較器P1和P2，和控制兩個(gè)開關(guān)S5和S5’的邏輯單元L。與圖1中對應(yīng)的比較器相類似，比較器P1將模擬輸入信號V與3/8Vm的比較器電平相比較。比較器P2將信號Vm-V與3/8Vm的電平相比較，與圖1中電壓V和5/8Vm電平的比較是相同的。
上述圖中的每一個(gè)乘法和移位單元中，電容器(C1，C2)及其開關(guān)(S1，S2，S3，S4)可以通過相應(yīng)的互聯(lián)的輸入和輸出端子方便地加倍，但是開關(guān)S1-S4反相運(yùn)行，使得電容器組中，一組運(yùn)行在輸入模式，而另一組運(yùn)行在輸出模式，反之亦然。圖6中通過電容器C1’和C2’，和開關(guān)S1’-S4’，描繪了單元M的情況。采用這種方式，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的速度可以加倍。而且，避免了放大器的輸出電壓暫時(shí)變得不確定的情況。
可以修正圖5的配置，去掉開關(guān)S2和S4，電容器C1向前連續(xù)連接到放大器A的倒相輸入端(-)，在輸入模式期間，切換到放大器的輸出端(如圖2中的現(xiàn)有技術(shù)一樣)，電容器C2向前連續(xù)連接到放大器A的非倒相輸入端(+)，在輸入模式期間，切換到參考電壓，如1/2Vm。在這一修正中，在輸入和輸出模式期間，將運(yùn)算放大器A用于一個(gè)部分輸出信號(Vo或Vo’)，由此使速度加倍，如前面參考圖6說解釋的，在這一配置中，是不可能的。
必須注意到，從輸入模式切換到輸出模式，或者相反，最好不同時(shí)操作所有的開關(guān)。為了避免不當(dāng)?shù)倪B接，連接到運(yùn)算放大器的輸入端的開關(guān)(如圖5中的開關(guān)S2和S4)應(yīng)當(dāng)在其它開關(guān)之前打開。而后開關(guān)的閉合不很關(guān)鍵，可以同時(shí)進(jìn)行。
進(jìn)一步注意，依照本發(fā)明的配置中的放大器最好是一個(gè)將兩個(gè)輸入端間的電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出電流的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(OTA)。
權(quán)利要求
1.一種采用單元級聯(lián)的開關(guān)電容器管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，每個(gè)單元包括-比較裝置(P1，P2)，用來將一個(gè)接收到的模擬信號(V)與至少一個(gè)預(yù)定的比較電平相比較，并輸出表示比較結(jié)果的一個(gè)和多個(gè)數(shù)字位，-乘法和移位裝置(M)，將模擬信號乘以一個(gè)因數(shù)2，并根據(jù)比較結(jié)果將模擬輸入信號移動(dòng)一個(gè)位移電平(Vs)，-輸出裝置，輸出乘以2和位移的模擬信號(Vo)，用于單元級聯(lián)中的下一個(gè)單元，乘法和移位裝置(M)包括第一個(gè)(C1)和第二個(gè)(C2)電容器，兩者都是被切換用來在輸入模式期間接收模擬信號，其特征在于在一個(gè)輸出模式期間，第一個(gè)(C1)和第二個(gè)(C2)電容器進(jìn)行開關(guān)切換，以保持相應(yīng)的電荷，并將其電壓相加，來產(chǎn)生下一個(gè)單元的模擬信號(Vo)。
2.如權(quán)利要求1的開關(guān)電容器管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征是在輸出模式期間，第一個(gè)電容(C1)在一個(gè)運(yùn)算放大器(A)的輸出和倒相輸入之間進(jìn)行開關(guān)切換，第二個(gè)電容器(C2)在運(yùn)算放大器的非倒相輸入和一個(gè)參考電壓之間，進(jìn)行開關(guān)切換。
3.如權(quán)利要求2的開關(guān)電容器管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中每個(gè)單元接收一個(gè)包括兩個(gè)部分信號(V，Vm-V)的差動(dòng)輸入信號，其特征是在輸入模式期間，乘法和移位裝置(M)的第一個(gè)電容器(C1)接收差動(dòng)輸入信號的一個(gè)部分信號，乘法和移位裝置的第二個(gè)電容器(C2)接收另外的部分信號。
4.如權(quán)利要求3的開關(guān)電容器管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征是兩個(gè)同樣的乘法和移位裝置(M，M’)反相接收差動(dòng)輸入信號(V/Vm-V，Vm-V/V)，此外還接收反相開關(guān)切換的移位電平(Vs，Vs’)。
5.如前面的權(quán)利要求之一的開關(guān)電容器管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征在于乘法和移位裝置包括兩個(gè)相同的開關(guān)電容器的電路組，其中一個(gè)開關(guān)電容器組(C1，C2，S1，S2，S3，S4)的輸入和輸出端子與另一個(gè)開關(guān)電容器組(C1’，C2’，S1’，S2’，S3’，S4’)對應(yīng)的輸入和輸出端子相互連接，并且其特征在于開關(guān)切換這兩個(gè)組，使一組運(yùn)行在輸入模式，而另一組運(yùn)行在輸出模式，反之亦然。
全文摘要
一個(gè)開關(guān)電容器管線模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其單元包括將模擬輸入信號乘以因數(shù)2的裝置。該乘法裝置包括第一個(gè)和第二個(gè)電容器，由輸入信號進(jìn)行充電。兩個(gè)電容器的電壓相加，產(chǎn)生單元的輸出信號，而不會出現(xiàn)電容器間的電荷傳輸。
文檔編號H03M1/44GK1535504SQ01803747
公開日2004年10月6日 申請日期2001年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月16日
發(fā)明者A·J·J·布德維恩斯, A J J 布德維恩斯 申請人:皇家菲利浦電子有限公司