預(yù)充電電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本公開的實(shí)施方案可以提供一種具有兩組電容器的電荷再分布DAC，所述電荷再分布DAC通過在多對電容器之間共享電荷以代替使用傳統(tǒng)外部參考電壓對電容器充電來提供DAC輸出。所述電荷再分布DAC可以包括各自具有第一端和第二端的多對第一和第二電容器，以及一組第一開關(guān)和一組第二開關(guān)。每個(gè)第一或第二開關(guān)根據(jù)DAC輸入字選擇性地控制相應(yīng)第一或第二電容器的第一端至一對輸出信號線中的一個(gè)的連接。所述電荷再分布DAC還包括一組橋式開關(guān)，所述一組橋式開關(guān)各自連接在成對的第一和第二電容器的第二端之間。
【專利說明】預(yù)充電電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及信號處理器，且以及更具體地來說涉及一種可以在IC芯片上完整地進(jìn)行電荷再分布的電荷再分布數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。
【背景技術(shù)】
[0002]電荷再分布DAC在現(xiàn)代集成電路中(尤其是在開關(guān)電容器CMOS設(shè)計(jì)中)是很常見的。它們在許多應(yīng)用中使用，包括模數(shù)(ADC)架構(gòu)，如流水線結(jié)構(gòu)ADC和逐次逼近(SAR)ADC中。具體根據(jù)應(yīng)用而定，關(guān)鍵的性能度量可以是DAC的線性化及其沉降速度。
[0003]圖1A和圖1B中示出示例性3位電荷再分布DAC100。DAC100由端接電容器102和具有相應(yīng)電容1C、1C、2C和4C的二進(jìn)制加權(quán)的電容器104.1、104.2和104.3的陣列組成。DAC100可以在兩個(gè)階段中運(yùn)行。在第一階段期間，如圖1A所示，閉合開關(guān)108以將DAC輸出連接到共模電壓VCM，以及電容器104.1-104.3分別通過開關(guān)106.1-106.3全部連接到接地GND。由此在第一階段期間將DAC輸出保持在VCM處。
[0004]在第二階段期間，打開開關(guān)108，并由DAC電容器104.1-104.3和端接電容器102生成DAC輸出。在第二階段中，DAC輸入字的每個(gè)位(3位二進(jìn)制數(shù)字字)控制開關(guān)106.1、106.2和106.3的相應(yīng)開關(guān)以將電容器104.1-104.3中的相應(yīng)電容器連接到參考電壓Vkef或接地GND。通常，數(shù)字“I”控制對應(yīng)開關(guān)以連接到參考電壓Vkef以及數(shù)字“O”控制對應(yīng)開關(guān)以連接到GND。由等式確定DAC輸出，其中Cselerted是由DAC字選定以連接到參考電壓Vkef的電容的量值，以及Ctotal是DAC100中的所有電容之和。例如，如圖1B所示，如果DAC輸入字是110，則通過將開關(guān)106.2和106.3連接到參考電壓Vkef來選擇電容器104.2和104.3，以及開關(guān)106.1將電容器104.1連接到接地GND。輸出將是V0Ut=VCM+VEEF* (4C+2C) / (4C+2C+1C+1C) =VCM+6/8*VKEF。
[0005]參考電壓Vkef和接地GND具有與之關(guān)聯(lián)的寄生電感(“寄生”)(例如，Lpaki和LPAK2)。當(dāng)DAC電容器開關(guān)的任何一個(gè)從Vkef切換到GND (或反之)時(shí)，DAC輸出處的電壓將振鈴一段時(shí)間，這取決于DAC100的寄生電感和電容的特征。在典型的集成電路中，振鈴現(xiàn)象限制了可驅(qū)動(dòng)DAC的頻率。
[0006]由此,在高速下，DAC的性能往往受限于寄生電感。因此,尤其是對于SAR ADC應(yīng)用，需要改進(jìn)電荷再分布DAC沉降的速度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1A和圖1B示出傳統(tǒng)的電荷再分布DAC。
[0008]圖2A示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的電荷再分布DAC。
[0009]圖2B和圖2C示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的處于運(yùn)行中的圖2A的電荷再分布 DAC。
[0010]圖2D示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的電荷再分布DAC。
[0011]圖3不出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的電荷再分布DAC。[0012]圖4示出具有根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的電荷再分布DAC的SAR ADC。
[0013]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的電荷再分布DAC的過程。
[0014]圖6A和圖6B不出具有根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的電荷再分布DAC的另一個(gè)實(shí)施方案中的一對DAC電容器。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本公開的實(shí)施方案可以提供一種具有兩組電容器的電荷再分布DAC，該電荷再分布DAC通過在多對電容器之間共享電荷以代替使用傳統(tǒng)外部參考電壓對電容器充電來提供DAC輸出。該電荷再分布DAC可以包括各自具有第一端和第二端的多對第一和第二電容器，以及一組第一開關(guān)和一組第二開關(guān)。每個(gè)第一或第二開關(guān)根據(jù)DAC輸入字選擇性地控制相應(yīng)第一或第二電容器的第一端至一對輸出信號線中的一個(gè)的連接。該電荷再分布DAC還可以包括一組橋式開關(guān)，所述橋式開關(guān)各自連接在成對的第一和第二電容器的第二端之間。
[0016]本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案可以提供一種用于為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)生成數(shù)字至模擬輸出的方法。該方法包括將多對第一和第二電容器的第一端連接到共模電壓，并且將第一或第二外部參考電壓取樣到每個(gè)第一電容器或第二電容器的第二端。該方法還包括將多對第一和第二電容器的第一端與共模電壓斷開連接，并且根據(jù)DAC輸入字將第一和第二電容器的第一端連接到第一或第二信號線。此外，該方法還包括將第一和第二電容器的第二端與第一和第二外部參考電壓斷開連接，并分別成對地短接第一組和第二組電容器的第二端。
[0017]圖2A圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的電荷再分布DAC200。電荷再分布DAC200可以是N位DAC (例如，N是大于I的整數(shù))。DAC200可以包括兩組二進(jìn)制加權(quán)的電容器202.1-202.N (例如，第一電容器)和204.1-204.N (例如第二電容器)。由此，DAC200包括由DAC200支持的每個(gè)位位置的一對電容器(例如，202.1和204.1 )。DAC200還可以包括多個(gè)開關(guān)222.1-222.N和224.1-224.N,這些開關(guān)選擇性地將電容器202.1-202.N和204.1-204.N的第一極板耦合到共模電壓VCM。DAC200還可以包括輸出開關(guān)206.1-206.N和208.1-208.N，這些開關(guān)選擇性地將電容器202.1-202.N和204.1-204.N的第一極板耦合到DAC200的正輸出端210.1或負(fù)輸出端210.2。DAC200還可以包括多組輸入開關(guān)212.1-212.N和214.1-214.N，這些開關(guān)選擇性地將電容器的第二極板耦合到一對參考電壓VKEF1、Veef2中的一個(gè)。再者，DAC200可以在每個(gè)位位置處包括橋式開關(guān)216.1-216.N以選擇性地將電容器(例如，202.1和204.1)的第二極板短接在一起。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以將電荷再分布DAC200的所有這些組件集成在共用IC芯片230上(例如，相同的裸片上)。
[0018]DAC還可以包括一對附加的電容器218.1,218.2(稱為端接電容器)，電容器218.1、218.2具有與最低有效位位置中使用的電容器匹配的電容C。該DAC還可以包括一對開關(guān)220.1和220.2，所述開關(guān)選擇性地將共模電壓源VCM與輸出端210.1,210.2接合或與之分離。
[0019]輸出開關(guān)206.1-206.N和208.1-208.N可以由DAC輸入字來控制。DAC輸入字可以是N位二進(jìn)制數(shù)字字，其每個(gè)位分別控制一對開關(guān)(例如206.1或208.1、206.N和208.N)。在一個(gè)實(shí)施方案中，每對DAC電容器可以由DAC輸入字的相應(yīng)位來控制。例如，每組二進(jìn)制加權(quán)的電容器202.1-202.N和204.1-204.N分別可以具有電容2^21^…和2N4C。該對電容器202.1和204.1可以各自具有單位電容(例如，1C)，并且可以對應(yīng)于LSB，由此開關(guān)206.1和208.1可以由DAC輸入字的最低有效位(LSB )來控制。該對電容器202.N和204.N可以各自具有單位電容，并且可以對應(yīng)于最高有效位(MSB)，由此開關(guān)206.N和208.N可以由DAC輸入字的最高有效位(MSB)來控制。在一個(gè)實(shí)施方案中，該單位電容可以是任何適合的電容值。
[0020]圖2B和圖2C示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方案的在兩個(gè)不同階段運(yùn)行的電荷再分布DAC200。圖2B示出在第一階段(例如，樣本階段)中運(yùn)行的電荷再分布DAC200。在第一運(yùn)行階段(例如樣本階段)期間，可以將一對開關(guān)208.1和208.2閉合，以及可以將兩個(gè)輸出端210.1和210.2耦合到共模電壓VCM。所有DAC電容器202.1-202.N和204.1-204.N的第一極板可以通過開關(guān)222.1-222.N和224.1-224.N電連接到共模電壓VCM。同時(shí)，可以通過開關(guān)212.1-212.N將第一組二進(jìn)制加權(quán)的電容器202.1-202.N的第二端電連接到第一參考電壓VKEF1，以及可以通過開關(guān)214.1-214.N將第二組二進(jìn)制加權(quán)的電容器204.1-204.N的第二端電連接到第二參考電壓Vkef2。在此階段期間，可以將第一組二進(jìn)制加權(quán)的電容器202.1-202.N的第二端(例如，背極板)充電到VKEF1，以及可以將第二組二進(jìn)制加權(quán)的電容器204.1-204.N的第二端(例如，背極板)充電到VKEF2。
[0021]圖2C示出在第二階段(例如，DAC階段)中運(yùn)行的電荷再分布DAC200。在運(yùn)行的第二階段，可以將開關(guān)220.1和220.2開路，以將DAC輸出端210.1,210.2與共模電壓VCM斷開連接?？梢酝ㄟ^將橋式開關(guān)216.1-216.N閉合來將每對DAC電容器(例如，202.1與204.1、…、202.N與204.N)的第二端電短接在一起。DAC電容器的第二端處的電壓電平可以是(Vrefi+Vref2)/2。開關(guān)222.1-222.N和224.1-224.N可以開路以將DAC電容器的第一端與VCM斷開連接。替代地，可以采用由DAC輸入字所確定的途徑經(jīng)對應(yīng)開關(guān)206.1-206.1和 208.1-208.N 將每對 DAC 電容器(例如，202.1 與 204.1、...、202.N 與 204.N)的第一端電連接到DAC輸出端210.1、210.2?？梢杂傻仁?V麗+V顯)*(Cselected/Ctotal - 0.5)確定DAC輸出，其中Cselerted是已經(jīng)預(yù)先充電達(dá)到第一電壓參考Vkefi且接著被連接到第一 DAC正輸出端210.1的總電容。Cttrtal可以是一組二進(jìn)制加權(quán)的電容器202.1-202.N (或204.1-204.N)的總電容。
[0022]在運(yùn)行的第二階段，如果DAC輸入字的位是“1”，則可以將對應(yīng)的第一電容器的第一端I禹合到正輸出端210.1,以及可以將對應(yīng)的第二電容器的第一端I禹合到負(fù)輸出端210.2。相反,如果DAC輸入字的位是“O”,則可以將對應(yīng)的第一電容器的第一端f禹合到負(fù)輸出端210.2，以及可以將對應(yīng)的第二電容器的第一端耦合到正輸出端210.1。在圖2C所示的示例中，輸入字可以是“ 1....00”，其中MSB是I，以及最后兩個(gè)LSB是O。
[0023]圖2D示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的電荷再分布DAC200A。與電荷再分布DAC200的差分實(shí)現(xiàn)相比，電荷再分布DAC200A可以是單端實(shí)現(xiàn)。即電荷再分布DAC200A可以具有單一輸出端210，其可以類似于電荷再分布DAC200的正輸出端210.1 (可以丟棄電荷再分布DAC200的負(fù)輸出端210.2)。電荷再分布DAC200A在所有其它方面可以與電荷再分布DAC200完全相同。
[0024]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的電荷再分布DAC300。電荷再分布DAC300可以是N位DAC，其包括一組第一電容器302.1-302.M和一組第二電容器304.1-304.M (數(shù)值M可以等于2n-1)。由此，DAC300包括M對第一和第二電容器(例如，302.1與304.1、…、302.M與304.M)。該DAC還可以包括一對附加的端接電容器318.1、318.2，它們具有與電容器302.1-302.M和304.1-304.M中每一個(gè)的電容匹配的電容C。在一個(gè)實(shí)施方案中，電容器318.1,318.2,302.1-302.M和304.1-304.M中每一個(gè)電容器可以具有單位電容。
[0025]DAC300還可以包括多個(gè)開關(guān)322.1-322.M和324.1-324.M,這些開關(guān)選擇性地將電容器302.1-302.M和304.1-304.M的第一極板耦合到共模電壓VCM。DAC300還可以包括輸出開關(guān)306.1-306.M和308.1-308.M，這些開關(guān)選擇性地將電容器302.1-302.M和304.1-304.M的第一極板耦合到正輸出端310.1或負(fù)輸出端310.2。輸出開關(guān)306.1-306.M和308.1-208.M可以由解碼器332來控制，解碼器332將N位DAC輸入字解碼。DAC300還可以包括兩組輸入開關(guān)312.1-312.M和314.1-314.M，這些開關(guān)選擇性地將電容器的第二極板耦合到一對參考電壓VKEF1、VKEF2中的一個(gè)。再者，DAC300可以包括橋式開關(guān)316.1-316.M以選擇性地將每對第一和第二電容器的第二極板短接在一起。該DAC還可以包括一對開關(guān)320.1和320.2，它們選擇性地將共模電壓源VCM與輸出端310.1,310.2接合或與之分離。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以將電荷再分布DAC300的所有這些組件集成在共用IC芯片330上(例如，相同的裸片上)。在一個(gè)實(shí)施方案中，電荷再分布DAC300可以使用由解碼器332以“溫度計(jì)編碼”方式控制的單位電容器，解碼器332將將N位DAC輸入字解碼。
[0026]DAC300也可以在運(yùn)行期間的兩個(gè)階段中工作，與DAC200相似。在運(yùn)行的第一階段，可以將一對開關(guān)320.1和320.2閉合，以及可以將兩個(gè)DAC輸出端310.1和310.2耦合到共模電壓VCM。電容器302.1-302.M和304.1-304.M的第一端可以通過開關(guān)322.1-322.M和324.1-324.M電連接到共模電壓VCM。可以將第一電容器302.1-302.M的第二端電連接到第一參考電壓VKEF1，以及可以將第二電容器304.1-304.M的第二端電連接到第二參考電壓。
[0027]在運(yùn)行的第二階段，可以使開關(guān)320.1和320.2保持開路，以將DAC輸出端310.1和310.2與共模電壓VCM斷開連接。 可以將每對DAC電容器(例如，302.1與304.1、…、302.M與304.M)的第二端分別電短接在一起?？梢詫⒌谝缓偷诙娙萜?02.1-302.M和304.1-304.M的第一端電連接到輸出開關(guān)306.1-306.M和308.1-208.M控制的DAC輸出端310.1或310.2，輸出開關(guān)306.1-306.M和308.1-208.M進(jìn)而由解碼器332根據(jù)DAC輸入字來控制。
[0028]可以由等式V0Ut=V0Ut+-V0Ut_=2* (VEEF1+VEEF2) * (Cselected/Ctotal _ 0.5)確定 DAC 輸出，其中Cselerted是已經(jīng)預(yù)先充電達(dá)到第一電壓參考VKEn且接著被連接到正輸出端310.1的總電容。Ctotal是一組電容器302.1-302.M2 (或304.12-304.M2)的總電容。解碼器332可以基于DAC輸入字生成用于輸出開關(guān)306.1-306.M和308.1-308.M的控制信號，以選擇將連接到正輸出端310.1的一些第一電容器的第一端以及將連接到負(fù)輸出端310.2的其它一些第一電容器的第一端。對于選為連接到正輸出端310.1的每個(gè)第一電容器,可以將該對電容器中的第二電容器連接到負(fù)輸出端310.2。同時(shí)，對于未選為連接到正輸出端310.1的每個(gè)第一電容器，可以將該對電容器中的第二電容器連接到正輸出端310.1。
[0029]DAC輸入字可以是N位二進(jìn)制字，其具有O~2N_1的值范圍(例如，對于N=3，值范圍可以是O~7)。當(dāng)DAC輸入字具有特定值F時(shí)，解碼器332可以從M個(gè)第一電容器302.1-302.M中選擇F個(gè)第一電容器以連接到正輸出端310.1，并且使其余(M減去F個(gè))第一電容器連接到負(fù)輸出端310.2。
[0030]例如，假定N=3和F=5 (例如，對應(yīng)于二進(jìn)制DAC輸入字“101”)。在運(yùn)行的第一階段，可以將所有7個(gè)第一電容器(M=2n-1=7)充電到第一電壓參考Vkefi。在運(yùn)行的第二階段，可以選擇五(5)個(gè)第一電容器以使其相應(yīng)的上端連接到正輸出端310.1，并且可以使其電容器對中的對應(yīng)第二電容器的相應(yīng)上端連接到負(fù)輸出端310.2。同時(shí)，可以使其余兩(2)個(gè)第一電容器的相應(yīng)上端連接到負(fù)輸出端310.2，并且可以使其對應(yīng)第二電容器的相應(yīng)上端連接到正輸出端310.1。在另一個(gè)示例中，如果F是0，則在運(yùn)行的第二階段，可以選擇所有第一電容器以使其相應(yīng)上端連接到負(fù)輸出端310.2，并且可以使所有第二電容器的相應(yīng)上端連接到正輸出端310.1。
[0031 ] 在一個(gè)實(shí)施方案中，因?yàn)樗械谝浑娙萜?02.1-302.M均可以具有單位電容，所以可以在運(yùn)行期間任意選擇所述電容器以連接到正輸出端310.1。此外，在一個(gè)實(shí)施方案中，電荷再分布DAC300可以被應(yīng)用于單端實(shí)現(xiàn)，其中該DAC將僅具有I個(gè)輸出端。例如，單端OUT可以是與圖3所示的正輸出端310.1相同的一端。在單端實(shí)現(xiàn)中，可以將負(fù)輸出端310.2連接到接地GND或共模電壓VCM。即可以僅使用兩個(gè)輸出中的一個(gè)，而另一個(gè)可以丟棄。電荷再分布DAC300的單端實(shí)現(xiàn)的電路與圖3所示的電荷再分布DAC300的差分實(shí)現(xiàn)完全相同。
[0032]在一個(gè)實(shí)施方案(例如，電荷再分布DAC200或電荷再分布DAC300)中，第一參考電壓V.可以具有比第二參考電壓Vkef2高的電壓值。例如，第一參考電壓可以是正參考值Vkef+ (例如，正電源VDD)，以及第二參考電壓Vkef2可以是低于Vkef+的正參考值或接地GND，或者是負(fù)參考值VKEF_ (例如，負(fù)電源VSS)。
[0033]此外，在一個(gè)實(shí)施方案中，在運(yùn)行的第二階段，可以將電荷再分布DAC200或電荷再分布DAC300的第二端全部電連接在一起。再者，在一個(gè)實(shí)施方案中，在運(yùn)行的第二階段，可以將電荷再分布DAC200或電荷再分布DAC 300的第二端全部驅(qū)動(dòng)到共模電壓VCM2。共模電壓VCM2在運(yùn)行的第一階段可以 與連接到DAC輸出線路的共模電壓VCM相同或可以是不同的電壓值。在另一個(gè)實(shí)施方案中，VCM2可以與VCM不同。
[0034]圖4示出具有根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的電荷再分布DAC的SAR ADC 400。SAR ADC400可以包括取樣保持電路(S/H)402、電壓比較器404、內(nèi)部N位DAC 408和數(shù)字控制邏輯塊406。在運(yùn)行期間，S/Η電路402可以獲取輸入電壓Vin,以及模擬電壓比較器404可以將輸入電壓Vin與內(nèi)部N位DAC 408的輸出比較?？梢詫⒈容^的結(jié)果輸出到數(shù)字控制邏輯塊406，數(shù)字控制邏輯塊406可以將Vin的近似數(shù)字碼提供到N位DAC 408。Vin的近似數(shù)字碼可以是N位控制字(例如，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的DAC輸入字)。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以將S/Η電路402合并到DAC模塊408中。
[0035]數(shù)字控制邏輯塊406可以包括逐次逼近寄存器。SAR ADC 400可以按如下運(yùn)行?？梢猿跏蓟鸫伪平拇嫫?，使得最高有效位(MSB)可等于數(shù)字I?？梢詫⒋舜a饋送到DAC
408，DAC 408接著可以將與此數(shù)字碼等效的模擬電壓(例如，V^+ V^')提供到比較器電




2
路中以用于與取樣的輸入電壓Vin相比較。如果此模擬電壓超過Vin，則比較器404可以使SAR保留此位為I ;否則，可以將該位復(fù)位。然后，將下一個(gè)位設(shè)為1，以及可以執(zhí)行相同的測試。此二進(jìn)制搜索可以持續(xù)到SAR中的每個(gè)位均已被測試為止。所得到的碼是取樣的輸入電壓Vin的數(shù)字逼近，并且最后可由SAR ADC 400在轉(zhuǎn)換結(jié)束(EOC)時(shí)輸出。[0036]SAR ADC 400的內(nèi)部N位DAC 408可以是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的N位電荷再分布DAC (例如，DAC 200、200A、300)。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以控制DAC 408以便順序地測試DAC輸入字的每個(gè)位。因?yàn)镾AR在時(shí)間上順序地作出位判斷，所以DAC沉降時(shí)間的改進(jìn)可對最大SAR吞吐量有顯著影響。
[0037]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的電荷再分布DAC的過程流程500。過程500可以在框502處開始。在框502處，可以將多組第一和第二電容器的第一端連接到共模電壓VCM,同時(shí)將第一電容器的第二端連接到第一電壓參考，以及可以將第二電容器的第二端連接到第二電壓參考。例如，正如上文結(jié)合圖2和圖3描述的，在運(yùn)行的取樣階段，電荷再分布DAC200和電荷再分布DAC300均可以使第一和第二電容器的第一端(或上端)連接到共模電壓VCM，同時(shí)第一電容器的第二端連接到第一電壓參考Vkefi以及第二電容器的第二端連接到弟二電壓參考Vref2。
[0038]在一個(gè)實(shí)施方案中，電荷再分布DAC可以是ADC的內(nèi)部DAC。在此實(shí)施方案中，框502可以在ADC的取樣保持電路(S/Η)可對輸入電壓Vin取樣時(shí)執(zhí)行。由此，根據(jù)本發(fā)明的示例ADC可以使其DAC將外部參考電壓取樣到第一和第二電容器，同時(shí)ADC的S/Η對輸入電壓Vin取樣。
[0039]在完成框502后，過程500可以繼續(xù)到框504。在框504處，可以根據(jù)DAC輸入字將兩組DAC電容器的第一端連接到正輸出端或負(fù)輸出端，同時(shí)可以分別將每對第一和第二電容器的第二端短接在一起。例如，正如上文結(jié)合圖2和圖3描述的，在運(yùn)行的第二階段，可以將兩個(gè)DAC輸出端與外部共模電壓VCM斷開連接，并且可以根據(jù)DAC輸入字將這兩組DAC電容器的第一端(例如，前極板)連接到兩個(gè)DAC輸出端，以及可以將這兩組DAC電容器的第二端(例如，背極板)成對地短接并且與外部參考電壓Vkefi和Vkef2斷開連接。
[0040]在一個(gè)實(shí)施方案中，電荷再分布DAC可以是ADC的內(nèi)部DAC。在此實(shí)施方案中，框504可以在ADC完成其輸入電壓Vin的取樣之后執(zhí)行。再者，在此運(yùn)行階段中，根據(jù)本發(fā)明的示例ADC可以按需多次更改DAC碼。由此，ADC可以將所取樣的輸入電壓與通過在多個(gè)值之間更改DAC輸入字編碼的多個(gè)DAC進(jìn)行一系列比較。因?yàn)殡姾稍贒AC電容器之間再分布，所以根據(jù)本發(fā)明的ADC可以改進(jìn)其性能。
[0041]圖6A和圖6B不出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的電荷再分布DAC600的另一個(gè)實(shí)施方案中的一對DAC電容器602.1和602.2。一對第一 DAC電容器602.1和第二 DAC電容器602.2可以是電荷再分布DAC600的多對DAC電容器的一個(gè)示例對。如圖6A所示，可以在運(yùn)行的第一階段(例如，階段I)通過一對開關(guān)606.1和606.2將一對DAC電容器602.1和602.2的上端(例如，第一端)電連接到共模電壓VCM?？梢苑謩e通過一對開關(guān)604.1和604.2將電容器602.1和602.2的下端(例如，第二端)電連接到第一和第二外部電源Vkefi和VKEF2。DAC600還可以包括存儲(chǔ)電容器Ckes610?？梢酝ㄟ^一對開關(guān)608.1和608.2將存儲(chǔ)電容器Cees610的第一端和第二端分別電連接到第三和第四外部電源Vkef3和VKEF4。
[0042]在階段II中，可以使開關(guān)606.1和606.2、606.I和606.2以及606.1和606.2保持開路(未示出)。即可以將DAC電容器602.1和602.2的第一端與VCM斷開連接，可以將DAC電容器602.1和602.2的第二端與外部電壓Vkefi和Vkef2斷開連接，以及可以將存儲(chǔ)電容器CKES610與外部電壓Vkef3和Vkef4斷開連接。如圖6B所示，在階段II中，可以根據(jù)DAC輸入字將DAC電容器602.1和602.2的第一端分別電連接到DAC正輸出端Outp或負(fù)輸出端Outn。與DAC200和DAC300中的DAC輸入控制相似，如果被選擇，則可以將第一電容器的第一端連接到正輸出端Outp，以及可以將第二電容器的第一端連接到負(fù)輸出端Outn ;如果未被選擇，則可以將第一電容器的第一端連接到負(fù)輸出端Outn，以及可以將第二電容器的第一端連接到正輸出端Outp?？梢詫AC電容器602.1和602.2的第二端電連接到存儲(chǔ)電容器Ckes610的兩端。例如，可以將電容器602.1的第二端電連接到已經(jīng)電連接到外部電壓Veef3的存儲(chǔ)電容器Ckes610的第一端，以及可以將電容器602.2的第二端電連接到已經(jīng)電連接到外部電壓Vkef4的存儲(chǔ)電容器Ckes610的第二端。在一個(gè)實(shí)施方案中，這些外部電壓可以疋 Vhep1-Vref4 和 Veef2 和 Vref3 的關(guān)系。
[0043]在一個(gè)實(shí)施方案中，電荷再分布DAC600可以具有多個(gè)二進(jìn)制加權(quán)的電容器(與電荷再分布DAC200相似)或溫度計(jì)編碼的單位電容的電容器(與電荷再分布DAC300相似)。即DAC電容器602.1和602.2可以是多對DAC電容器的一個(gè)示例對。
[0044]在一個(gè)實(shí)施方案中，電荷再分布DAC600可以具有多個(gè)二進(jìn)制加權(quán)的或溫度計(jì)編碼的電容器中的每對DAC電容器的存儲(chǔ)電容器Ckes610。在另一個(gè)實(shí)施方案中，電荷再分布DAC600具有由所有DAC電容器共享的一個(gè)單一存儲(chǔ)電容器CKES610。利用存儲(chǔ)電容器Cees610, DAC電容器的第二端不被短接為(Vkefi+Vkefi)/2，而是達(dá)到存儲(chǔ)電壓。這可以促使DAC600的電荷轉(zhuǎn)移不同于DAC200和DAC300。例如，對于4C的二進(jìn)制加權(quán)的電容器，如果VEEF1=Vref, Vkef2=GND,則從 4C 電容器轉(zhuǎn)移的電荷可以是(VKEF1_VKEF2/2) *4C= (Vref/2) *4C。利用圖6A和圖6B所示的存儲(chǔ)電容器Ckes610，電荷轉(zhuǎn)移可以是(Vkef1-Vkef3)*4C。如果VEEFi=VEEF4=Vref和Vkef2=Vkef4=GND，則電荷轉(zhuǎn)移可以是Vref*4C。這為短接背極板的電荷的兩倍。即使用存儲(chǔ)電容器CKES610可以獲得更多的電荷轉(zhuǎn)移。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以將存儲(chǔ)電容器Ckes610作為DAC600的其它組件合并在集成電路(IC)芯片630上，并且存儲(chǔ)電容器Cees610可以稱為片載存儲(chǔ)電容器。
[0045]在先前的示例DAC200、DAC300或DAC600中，N位DAC可以具有為整數(shù)的數(shù)值N。例如，對于N=3，在二進(jìn)制加權(quán)的電容器實(shí)現(xiàn)中，可以有電容為4C、2C、IC并由3組開關(guān)和3個(gè)信號控制的三對電容器；在溫度計(jì)編碼的實(shí)現(xiàn)中，可以有相等電容的7對電容器。在另一個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明的電荷再分布N位DAC可以具有為分?jǐn)?shù)的數(shù)值N。例如，根據(jù)本發(fā)明的電荷再分布DAC可以具有電容分別為4C、2C、1C、1C、1C的多對電容器(例如，分別為9C的第一和第二電容器電容)?？梢杂?組開關(guān)和5個(gè)信號控制五對電容器。在這種情況下，總輸出范圍可以是0-9 (10個(gè)電平，而非傳統(tǒng)的8個(gè)電平)。該DAC可以被視為3.3位DAC (N=3.3)，此值來自1g2 (10) =3.3。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以將DAC控制字舍入為比該分?jǐn)?shù)大的下一個(gè)整數(shù)。例如，對于3.3位DAC，DAC控制字可以是4位字，其中一些DAC碼未被使用。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該DAC可以具有溫度計(jì)編碼的控制字，其具有(例如，對應(yīng)于9對單位電容器的)9個(gè)信號。
[0046]本文中具體地圖示和描述了本發(fā)明的若干實(shí)施方案。然而，應(yīng)認(rèn)識到，上文的教導(dǎo)涵蓋本發(fā)明的修改和變化，并且在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)而不背離本發(fā)明的精神或應(yīng)有范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種電荷再分布數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC),其包括: 多對第一和第二電容器，所述多對第一和第二電容器各自具有第一端和第二端；一組第一開關(guān)，每個(gè)第一開關(guān)選擇性地控制相應(yīng)第一電容器的第一端至一對輸出信號線中的一個(gè)的連接，所述一組第一開關(guān)由DAC輸入字控制； 一組第二開關(guān)，每個(gè)第二開關(guān)選擇性地控制相應(yīng)第二電容器的第一端至一對輸出信號線中的一個(gè)的連接，所述一組第二開關(guān)由DAC輸入字控制；以及 一組橋式開關(guān)，所述一組橋式開關(guān)各自連接在成對的第一和第二電容器的第二端之間。
2.如權(quán)利要求1所述的電荷再分布DAC，其還包括第一和第二組取樣開關(guān)，每個(gè)第一取樣開關(guān)將相應(yīng)的第一電容器的第二端耦合到第一參考電壓源，以及每個(gè)第二取樣開關(guān)將相應(yīng)的第二電容器的第二端耦合到第二參考電壓源。
3.如權(quán)利要求1所述的電荷再分布DAC，其還包括多個(gè)開關(guān)，所述多個(gè)開關(guān)將多對第一和第二電容器的第一端連接到共模電壓VCM。
4.如權(quán)利要求1所述的電荷再分布DAC，其中所述多對第一和第二電容器具有共有電容。
5.如權(quán)利要求1所述的電荷再分布DAC，其中根據(jù)所述電容器對的位位置對所述多對第一和第二電容器進(jìn)行二進(jìn)制加權(quán)。
6.如權(quán)利要求1所述的電`荷再分布DAC，其中當(dāng)施加所述DAC輸入字時(shí)，電荷再分布在每對的兩個(gè)電容器之間發(fā)生。
7.如權(quán)利要求1所述的電荷再分布DAC，其還包括多個(gè)開關(guān)，在運(yùn)行的第一階段，所述多個(gè)開關(guān)將所述一對輸出信號線連接到共模電壓VCM。
8.如權(quán)利要求7所述的電荷再分布DAC，其中在所述運(yùn)行的第一階段，所述第一和第二電容器的第一端連接所述共模電壓VCM，所述第一電容器的第二端連接到第一參考電壓源，以及所述第二電容器的第二端連接到第二參考電壓源。
9.如權(quán)利要求8所述的電荷再分布DAC，其中在運(yùn)行的第二階段，所述第一組開關(guān)根據(jù)所述DAC輸入字將所述第一和第二電容器的第一端連接到所述第一或第二信號線，并且分別將每對電容器的第二端短接在一起。
10.如權(quán)利要求9所述的電荷再分布DAC，其中所述第一和第二電容器是兩組二進(jìn)制加權(quán)的電容器，以及每組中電容器的數(shù)量等于所述DAC輸入字的位數(shù)，且 其中在所述運(yùn)行的第二階段，所述DAC輸入字的每個(gè)位確定一對電容器的第一端的連接。
11.如權(quán)利要求9所述的電荷再分布DAC，其還包括解碼器，所述解碼器將所述DAC輸入字解碼并生成用于所述第一組開關(guān)的控制信號， 其中所述第一和第二組電容器的每個(gè)電容器具有相等的電容，并且每組的電容器的總數(shù)等于2N-1，其中N是表示所述DAC輸入字的總位數(shù)的大于I的整數(shù)，以及 其中在所述運(yùn)行的第二階段，由所述解碼器控制所述第一組中選定數(shù)量的電容器以連接到所述第一信號線，以及由所述解碼器控制所述第一組的其余電容器以連接到所述第二信號線，所述選定數(shù)量等于所述DAC輸入字的值。
12.如權(quán)利要求8所述的電荷再分布DAC，其中所述第一和第二參考電壓源是所述DAC所在的集成電路(IC)外部的電源。
13.如權(quán)利要求8所述的電荷再分布DAC，其中所述電荷再分布DAC是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。
14.如權(quán)利要求13所述的電荷再分布DAC，其中所述ADC是逐次逼近ADC，以及所述第一和第二電容器在所述ADC對輸入電壓取樣的同時(shí)對所述第一和第二參考電壓源取樣。
15.如權(quán)利要求1所述的電荷再分布DAC,所述第一和第二信號線形成差分輸出。
16.如權(quán)利要求1所述的電荷再分布DAC,所述第一信號線提供單一DAC輸出。
17.如權(quán)利要求1所述的電荷再分布DAC，在運(yùn)行期間，每對電容器的短接第二端耦合到共模電壓。
18.一種用于為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)生成數(shù)字至模擬輸出的方法，其包括: 將多對第一和第二電容器的第一端連接到共模電壓； 將第一外部參考電壓取樣到每個(gè)第一電容器的第二端，以及將第二外部參考電壓取樣到每個(gè)第二電容器的第二端； 將所述多對第一和第二電容器的第一端與所述共模電壓斷開連接，并且根據(jù)DAC輸入字將所述第一和第二電容器的第一端連接到第一或第二信號線；以及 將所述第一和第二電容器的第二端與所述第一和第二外部參考電壓斷開連接，并分別成對地短接所述第一組和第二組電容器的第二端。`
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中當(dāng)施加所述DAC輸入字時(shí)，電荷再分布在每對的兩個(gè)電容器之間發(fā)生。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述DAC是逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，以及所述第一和第二電容器在所述ADC對輸入電壓取樣的同時(shí)對所述外部參考電壓取樣。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中當(dāng)所述第一和第二電容器與所述外部參考電壓和所述共模電壓斷開連接時(shí)，所述DAC輸入字在多個(gè)值之間順序地改變以改變所述第一和第二電容器之間的再分布以生成多個(gè)DAC輸出。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述第一和第二電容器是兩組二進(jìn)制加權(quán)的電容器，以及每組中電容器的數(shù)量等于所述DAC輸入字的位數(shù)，以及所述DAC輸入字的每個(gè)位確定一對電容器的第一端的連接。
23.如權(quán)利要求18所述的方法，其還包括將所述DAC輸入字解碼，并且為所述多對第一和第二電容器的第一端的連接生成控制信號， 其中每個(gè)電容器具有相等的電容，以及所述第一或第二電容器的總數(shù)等于2N-1，其中N是表示所述DAC輸入字的總位數(shù)的大于I的整數(shù)，且 其中在運(yùn)行期間，由所述控制信號來控制選定數(shù)量的所述第一電容器以連接到所述第一信號線，以及由所述解碼器控制其余第一電容器以連接到所述第二信號線，所述選定數(shù)量等于所述DAC輸入字的值。
24.一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其包括: 電荷再分布數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，其包括: 多對第一和第二電容器，所述多對第一和第二電容器各自具有第一端和第二端； 一組第一開關(guān)，每個(gè)第一開關(guān)選擇性地控制相應(yīng)第一電容器的第一端至一對輸出信號線中的一個(gè)的連接，所述一組第一開關(guān)由DAC輸入字控制；一組第二開關(guān)，每個(gè)第二開關(guān)選擇性地控制相應(yīng)第二電容器的第一端至一對輸出信號線中的一個(gè)的連接，所述一組第二開關(guān)由DAC輸入字控制；以及 一組橋式開關(guān)，所述一組橋式開關(guān)各自連接在成對的第一和第二電容器的第二端之間。
25.如權(quán)利要求20所述的ADC，其中當(dāng)施加所述DAC輸入字時(shí)，電荷再分布在每對的兩個(gè)電容器之間發(fā)生。
26.如權(quán)利要求20所述的ADC，其中所述ADC是逐次逼近ADC，以及所述第一和第二電容器在所述ADC對輸入電壓取樣的同時(shí)對所述第一和第二參考電壓取樣。
27.一種集成電路(IC)芯片，其包括: 電荷再分布數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，其包括: 多對第一和第二電容器，所述多對第一和第二電容器各自具有第一端和第二端；一組第一開關(guān)，每個(gè)第一開關(guān)選擇性地控制相應(yīng)第一電容器的第一端至一對輸出信號線中的一個(gè)的連接，所述一組第一開關(guān)由DAC輸入字控制； 一組第二開關(guān)，每個(gè)第二開關(guān)選擇性地控制相應(yīng)第二電容器的第一端至一對輸出信號線中的一個(gè)的連接，所述一組第二開關(guān)由DAC輸入字控制；以及 一組橋式開關(guān)，所述一組橋式開關(guān)各自連接在成對的第一和第二電容器的第二端之間。
28.如權(quán)利要求23所述的IC`芯片，其中當(dāng)施加所述DAC輸入字時(shí)，電荷再分布在每對的兩個(gè)電容器之間發(fā)生。
29.如權(quán)利要求23所述的IC芯片，其中所述電荷再分布DAC在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中，以及所述ADC是逐次逼近模數(shù)ADC，并且所述第一和第二電容器在所述ADC對輸入電壓取樣的同時(shí)對所述第一和第二參考電壓取樣。
30.一種從數(shù)字輸入碼生成模擬電壓的方法,其包括: 在運(yùn)行的取樣階段， 在多個(gè)第一取樣電容器上對第一參考電壓取樣，且 在多個(gè)第二取樣電容器上對第二參考電壓取樣；以及 在運(yùn)行的輸出階段， 在成對基礎(chǔ)上將所述第一和第二取樣電容器的第一極板短接在一起，以及將所述成對的第一或第二取樣電容器的第二極板連接到輸出端，響應(yīng)所述數(shù)字輸入碼選擇所述第一或第二取樣電容器。
31.一種電荷再分布數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，其包括: 多對第一和第二電容器，所述多對第一和第二電容器各自具有第一端和第二端；一組第一開關(guān)，每個(gè)第一開關(guān)選擇性地控制相應(yīng)第一電容器的第一端至一對輸出信號線中的一個(gè)的連接，所述一組第一開關(guān)由DAC輸入字控制； 一組第二開關(guān)，每個(gè)第二開關(guān)選擇性地控制相應(yīng)第二電容器的第一端至一對輸出信號線中的一個(gè)的連接，所述一組第二開關(guān)由DAC輸入字控制；以及 一組第三開關(guān)，每個(gè)第三開關(guān)將相應(yīng)第一和第二電容器的第二端連接到片載存儲(chǔ)電容器。
32.如權(quán)利要求31所述的電荷再分布DAC，其中所述片載存儲(chǔ)電容器被所有第一和第二電容器共用。
33.如權(quán)利要求31所述的電荷再分布DAC，其中每對第一和第二電容器具有相應(yīng)的片載存儲(chǔ)電容 器。
【文檔編號】H03M7/00GK103518329SQ201280023106
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月28日
【發(fā)明者】R·卡普斯塔 申請人:美國亞德諾半導(dǎo)體公司