可編程放大輸入信號振幅的sar模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器及其方法
【專利摘要】一種可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（SAR?ADC）及其方法，其于取樣階段期間將電容陣列中至少一電容的下極板電性連接至輸入信號，以由電容陣列對輸入信號進(jìn)行取樣及放大，藉以降低所需的取樣電容，或減少噪聲的產(chǎn)生。
【專利說明】可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種逐漸逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（successive-approximation-regis ter analog-to-digital converter ;SAR ADC)，特別是涉及一種可編程放大輸入信號振幅 的SAR ADC及其方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter ;ADC)有多種架構(gòu)，例如：快閃 式（flash) ADC、管路式（pipelined) ADC、逐漸逼近式（successive-approximation-regis ter ;SAR) ADC等。這些架構(gòu)各有各的優(yōu)點(diǎn)，通常會依據(jù)不同的應(yīng)用需求來選定。其中，SAR ADC較其他架構(gòu)消耗較低功率、較小面積及較低成本。
[0003] SAR ADC的運(yùn)作始于取樣階段（sampling phase)。在取樣階段期間，取樣保持電路 對模擬輸入信號進(jìn)行取樣存取。接著，SAR ADC進(jìn)入位元循環(huán)階段（bit-cycling phase), 以決定數(shù)字碼的轉(zhuǎn)換輸出。
[0004] N位元（N-bit) SAR ADC通常包括一取樣保持（S/Η)電路、一 N位元數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換 器（digital-to-analog converter ;DAC)、一電壓比較器以及一 SAR 控制電路。
[0005] 輸入電壓經(jīng)由取樣保持電路提供穩(wěn)定電壓給電壓比較器，并且電壓比較器將此穩(wěn) 定電壓與N位元DAC的輸出電壓做比較。SAR控制電路使用二元搜索算法（binary search algorithm)控制N位元DAC的輸出。
[0006] 其中，取樣保持電路及N位元DAC -般是以電容陣列組成的電容式DAC實(shí)現(xiàn)。SAR 控制電路通過控制電容式DAC中的開關(guān)元件的開關(guān)來調(diào)整N位元DAC的輸出。
[0007] 為了抑制電源噪聲和共模噪聲，常見的SAR ADC會采用全差分結(jié)構(gòu)。常見的全差 分結(jié)構(gòu)的SAR ADC主要有兩種：一種采用上極板取樣，一種采用下極板取樣。也就是說，在 取樣階段期間，電容陣列的上極板均耦接至輸入信號或電容陣列的下極板均耦接至輸入信 號，以取樣輸入信號。
[0008] 由于受到電容的取樣噪聲（KT/C noise)的限制，SAR ADC的取樣電容的大小通常 是與輸入信號的振幅的平方成反比。因此，若能將輸入信號的振幅增大，則可大幅減小取 樣電容的大小?，F(xiàn)有技術(shù)主要是使用可編程增益放大器（programmable gain amplifier; PGA)來實(shí)現(xiàn)對輸入信號的振幅進(jìn)行放大，但PGA本身會消耗芯片面積，并且會帶來額外的 噪聲（noise)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 在一實(shí)施例中，一種可編程放大輸入信號振幅的逐漸逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器包括 一第一端點(diǎn)、一第二端點(diǎn)、一第三端點(diǎn)、一第四端點(diǎn)、一第五端點(diǎn)、一比較器、一 SAR控制電 路、一選擇模塊以及一電容模塊。選擇模塊包括多個第一切換單兀UA1、UA2?UA(N-l)、多 個第二切換單元UB1、UB2?UB(N-l))、一第一開關(guān)SW1以及一第二開關(guān)SW2。電容模塊170 包括多個第一電容CA1、CA2?CA (N-1)以及多個第二電容CB1、CB2?CB (N-1)。
[0010] 第一端點(diǎn)用以接收一差動輸入信號中的一者、第二端點(diǎn)用以接收此差動輸入信號 中的另一者、第三端點(diǎn)用以接收正相參考電壓、第四端點(diǎn)用以接收反相參考電壓、以及第五 端點(diǎn)用以接收共模電壓。
[0011] SAR控制電路耦接比較器的輸出端，并根據(jù)比較器的輸出產(chǎn)生第一控制信號、第二 控制信號以及數(shù)字信號。于此，第一切換單元受控于第一控制信號，而第二切換單元受控于 第二控制信號。
[0012] 第一開關(guān)耦接在比較器的第一輸入端與第一端點(diǎn)之間，并且第二開關(guān)耦接在比較 器的第二輸入端與第二端點(diǎn)之間。
[0013] 第一電容分別對應(yīng)第一切換單元，并且耦接在比較器的第一輸入端與對應(yīng)的第一 切換單元之間。其中，各第一電容經(jīng)由對應(yīng)的第一切換單元耦接至第三端點(diǎn)、第四端點(diǎn)及第 五端點(diǎn)，并且至少一第一電容還經(jīng)由對應(yīng)的第一切換單元耦接至第二端點(diǎn)。
[0014] 第二電容分別對應(yīng)第二切換單元，并且耦接在比較器的第二輸入端與對應(yīng)的第二 切換單元之間。其中，各第二電容經(jīng)由對應(yīng)的第二切換單元耦接至第三端點(diǎn)、第四端點(diǎn)及第 五端點(diǎn)。
[0015] 在一實(shí)施例中，一種可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換方法，包括：依 序執(zhí)行的一取樣階段、一保持階段以及一位元循環(huán)階段。
[0016] 在取樣階段期間的步驟包括：利用電容模塊中的多個第一電容的上極板取樣一差 動輸入信號中的一者、利用此些第一電容中的至少一第一電容的下極板取樣此差動輸入信 號中的另一者、以及利用電容模塊中的多個第二電容的上極板取樣此差動輸入信號中的另 一者。其中，此些第二電容分別對應(yīng)此些第一電容。
[0017] 在保持階段期間的步驟包括：將第一電容及第二電容的上極板與差動輸入信號斷 開，以及將第一電容的下極板置位至電性連接一共模電壓。
[0018] 于位元循環(huán)階段期間的步驟包括：利用一比較器比較第一電容的上極板的端電壓 與第二電容的上極板的端電壓、依序根據(jù)比較器的輸出將一第一電容的下極板及對應(yīng)的第 二電容的下極板由電性連接共模電壓切換成分別電性連接差動參考電壓，并于每次切換后 再次利用比較器比較第一電容的上極板的端電壓與第二電容的上極板的端電壓、以及根據(jù) 比較器的輸出產(chǎn)生一數(shù)字信號。
[0019] 在一些實(shí)施例中，在取樣階段期間還包括：利用此些第二電容中的至少一者的下 極板取樣差動輸入信號中的一者。并且，在保持階段期間還包括：將此些第二電容的下極板 置位至電性連接共模電壓。
[0020] 綜上，根據(jù)本發(fā)明的可編程放大輸入信號振幅的逐漸逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器及其 方法利用電容的上下極板同時取樣，因而能同時放大輸入信號的振幅，以致于在同樣程度 的噪聲的考慮下，所需的取樣電容會更小，或者，對于相同的取樣電容，所帶來的噪聲會更 小。并且，對于偽差動輸入信號，在經(jīng)過取樣以后，就將偽差動輸入信號自動轉(zhuǎn)換成全差動 輸入信號，藉以抑制電源噪聲和共模噪聲。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的可編程放大輸入信號振幅的逐漸逼近式模擬數(shù)字 轉(zhuǎn)換器（SAR ADC)的概要不意圖。
[0022] 圖2為于取樣階段期間圖1中的可編程放大輸入信號振幅的SARADC的一示范性 狀態(tài)的示意圖。
[0023] 圖3為于保持階段及位元循環(huán)階段的第1次比較期間圖1中的可編程放大輸入信 號振幅的SAR ADC的一示范性狀態(tài)的示意圖。
[0024] 圖4為于位元循環(huán)階段的第2次比較期間圖1中的可編程放大輸入信號振幅的 SAR ADC的一示范性狀態(tài)的示意圖。
[0025] 圖5為于位元循環(huán)階段的第2次比較期間圖1中的可編程放大輸入信號振幅的 SAR ADC的另一示范性狀態(tài)的示意圖。
[0026] 圖6為于位元循環(huán)階段的第3次比較期間圖1中的可編程放大輸入信號振幅的 SAR ADC的一示范性狀態(tài)的局部示意圖。
[0027] 圖7為于位元循環(huán)階段的第3次比較期間圖1中的可編程放大輸入信號振幅的 SAR ADC的另一不范性狀態(tài)的局部不意圖。
[0028] 圖8為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的可編程放大輸入信號振幅的SARADC的局部示意 圖。
[0029] 圖9為于取樣階段期間圖8中的可編程放大輸入信號振幅的SARADC的一示范性 狀態(tài)的局部不意圖。
[0030] 圖10為于保持階段及位元循環(huán)階段的第1次比較期間圖8中的可編程放大輸入 信號振幅的SAR ADC的一不范性狀態(tài)的局部不意圖。
[0031] 圖11為切換單元的一示范性結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0032] 圖12為切換單元的另一示范性結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0033] 【符號說明】
[0034] 10 逐漸逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器
[0035] 110比較器
[0036] 130 SAR控制電路
[0037] 150 電容模塊
[0038] 170選擇模塊
[0039] N1 第一端點(diǎn)
[0040] N2 第二端點(diǎn)
[0041] N3 第三端點(diǎn)
[0042] N4 第四端點(diǎn)
[0043] UA1?UA(N-l) 第一切換單元
[0044] UB1?UB(N-l) 第二切換單元
[0045] SW1 第一開關(guān)
[0046] SW2 第二開關(guān)
[0047] CA1 ?CA(N-l)第一電容
[0048] CB1 ?CB(N-l)第二電容
[0049] IN1第一輸入端
[0050] IN2第二輸入端
[0051] OUT輸出端
[0052] ScAO ?ScA(N-l)第一控制信號
[0053] ScBO ?ScB(N-l)第二控制信號
[0054] B1?BN數(shù)字碼
[0055] Vip正相輸入信號
[0056] Vin反相輸入信號
[0057] Vrp正相參考電壓
[0058] Vrn反相參考電壓
[0059] Vcm共模電壓
[0060] CAN第三電容
[0061] CBN第四電容
[0062] VA 端電壓
[0063] VB 端電壓
[0064] C 電容
[0065] SW3 開關(guān)
[0066] SW4 開關(guān)
[0067] SW5 開關(guān)
[0068] SW6 開關(guān)

【具體實(shí)施方式】
[0069] 以下述及之"第一"、"第二"等術(shù)語，其用以區(qū)別所指的元件，而非用以排序或限定 所指元件的差異性，且也非用以限制本發(fā)明的范圍。
[0070] 參照圖1，可編程放大輸入信號振幅的逐漸逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器10 (successi ve-approximation-register analog-t〇-digital converter ；SAR ADC)包括一第一端點(diǎn) N1、一第二端點(diǎn)N2、一第三端點(diǎn)N3、一第四端點(diǎn)N4、一第五端點(diǎn)N5、一比較器110、一 SAR控 制電路130、一選擇模塊170以及一電容模塊150。
[0071] 選擇模塊170包括多個切換單元（以下稱之為第一切換單元UA1、UA2?UA(N-l) 以及第二切換單元UB1、UB2?UB (N-1))以及二輸入開關(guān)（以下稱之為第一開關(guān)SW1以及第 二開關(guān)SW2)。電容模塊150包括多個電容（以下稱之為第一電容CA1、CA2?CA(N-l)以及 第二電容CB1、CB2?CB(N-l))。于此，第一電容CA1、CA2?CA(N-l)分別對應(yīng)于第一切換 單元UA1、UA2?UA(N-l)，而第二電容CB1、CB2?CB(N-l)分別對應(yīng)于第二切換單元UB1、 UB2?UB(N-l)。其中，N為大于1的正整數(shù)。在一些實(shí)施例中，此些切換單元與電容構(gòu)成 一開關(guān)切換電容陣列（switched-capacitor array (SCA))。
[0072] 第一電容CA1、CA2?CA(N-l)的下極板均經(jīng)由對應(yīng)的第一切換單元UA1、UA2? UA(N-l)耦接至第二端點(diǎn)N2、第三端點(diǎn)N3、第四端點(diǎn)Μ及第五端點(diǎn)N5。舉例來說，第一電 容CA1的下極板經(jīng)由對應(yīng)的第一切換單元UA1耦接至第二端點(diǎn)Ν2、第三端點(diǎn)Ν3、第四端點(diǎn) Ν4及第五端點(diǎn)Ν5。即，第一切換單元UA1耦接在第一電容CA1的下極板與第二端點(diǎn)Ν2之 間、在第一電容CA1的下極板與第三端點(diǎn)Ν3之間、在第一電容CA1的下極板與第四端點(diǎn)Ν4 之間、以及在第一電容CA1的下極板與第五端點(diǎn)Ν5之間。同樣地，第一電容CA2的下極板 則經(jīng)由對應(yīng)的第一切換單元UA2耦接至第二端點(diǎn)Ν2、第三端點(diǎn)Ν3、第四端點(diǎn)Μ及第五端點(diǎn) N5。依此類推，第一電容CA(N-l)的下極板則經(jīng)由對應(yīng)的第一切換單元UA(N-l)耦接至第 二端點(diǎn)N2、第三端點(diǎn)N3、第四端點(diǎn)Μ及第五端點(diǎn)N5。
[0073] 第二電容CB1、CB2?CB(N-l)的下極板均經(jīng)由對應(yīng)的第二切換單元UB1、UB2? UB(N-l)耦接至第一端點(diǎn)N1、第三端點(diǎn)N3、第四端點(diǎn)Μ及第五端點(diǎn)N5。舉例來說，第二電 容CB1的下極板經(jīng)由對應(yīng)的第二切換單元UB1耦接至第一端點(diǎn)Ν1、第三端點(diǎn)Ν3、第四端點(diǎn) Ν4及第五端點(diǎn)Ν5。即，第二切換單元UB1耦接在第二電容CB1的下極板與第一端點(diǎn)Ν1之 間、在第二電容CB1的下極板與第三端點(diǎn)Ν3之間、在第二電容CB1的下極板與第四端點(diǎn)Ν4 之間、以及在第二電容CB1的下極板與第五端點(diǎn)Ν5之間。同樣地，第二電容CB2的下極板 則經(jīng)由對應(yīng)的第二切換單元UA2耦接至第一端點(diǎn)Ν1、第三端點(diǎn)Ν3、第四端點(diǎn)Μ及第五端點(diǎn) Ν5。依此類推，第二電容CB(N-l)的下極板則經(jīng)由對應(yīng)的第二切換單元UB(N-l)耦接至第 一端點(diǎn)N1、第三端點(diǎn)N3、第四端點(diǎn)Μ及第五端點(diǎn)N5。
[0074] 在一些實(shí)施例中，于電容量上，第一電容CA1、CA2?CA(N-l)分別對應(yīng)于第二電容 CB1、CB2?CB(N-l)。即，第一電容CAj的電容量等于第二電容CBj的電容量。再者，第一 電容CAj的電容量等于2倍的第一電容CA (j+Ι)的電容量，而第二電容CBj的電容量等于 2倍的第二電容CB(j+l)的電容量。其中，j=l?N-2。
[0075] 比較器110的第一輸入端IN1電性f禹接第一開關(guān)SW1的一端以及第一電容CA1、 CA2?CA(N-l)的上極板。比較器110的第二輸入端IN2電性耦接第二開關(guān)SW2的一端以 及第二電容CB1、CB2?CB(N-l)的上極板。比較器110的輸出端OUT電性耦接至SAR控制 電路130。第一開關(guān)SW1的另一端電性耦接第一端點(diǎn)N1，并且第二開關(guān)SW2的另一端電性 耦接第二端點(diǎn)N2。換言之，第一開關(guān)SW1耦接在比較器110的第一輸入端IN1與第一端點(diǎn) N1之間，而第二開關(guān)SW2耦接在比較器110的第二輸入端IN2與第二端點(diǎn)N2之間。
[0076] SAR控制電路130耦接在比較器110的輸出端OUT與選擇模塊170的控制端之間， 并且根據(jù)比較器130的輸出產(chǎn)生第一控制信號ScAO?ScA(N-l)、第二控制信號ScBO? ScB(N-l)以及數(shù)字信號（即數(shù)字碼B1?BN)。
[0077] 于此，第一端點(diǎn)N1用以接收正相輸入信號Vip、第二端點(diǎn)N2用以接收反相輸入信 號Vin、第三端點(diǎn)N3用以接收正相參考電壓Vrp、第四端點(diǎn)Μ用以接收反相參考電壓Vrn、 以及第五端點(diǎn)N5用以接收共模電壓Vcm。其中，正相輸入信號Vin與反相輸入信號Vip為 一差動輸入信號（Vi)。正相參考電壓Vrp與反相參考電壓Vrn為一差動參考電壓（Vref )。
[0078] 在一些實(shí)施例中，電容模塊150還具有一第三電容CAN以及一第四電容CBN。第三 電容CAN耦接在比較器110的第一輸入端IN1與第五端點(diǎn)N5之間。第四電容CBN耦接在 比較器110的第二輸入端IN2與第五端點(diǎn)N5之間。
[0079] 在一些實(shí)施例中，于電容量上，第三電容CAN對應(yīng)第四電容CBN。S卩，第三電容CAN 的電容量等于第四電容CBN的電容量。再者，第三電容CAN的電容量等于第一電容CA (N-1) 的電容量，而第四電容CBN的電容量等于第二電容CB(N-l)的電容量。
[0080] 于運(yùn)作時，SAR ADC10首先進(jìn)入一取樣階段。參照圖2,于取樣階段期間，SAR控制 電路130輸出第一控制信號ScAl?ScA(N-l)至所有第一切換單元UA1、UA2?UA(N-l)的 控制端，以致使第一切換單元UA1、UA2?UA (N-1)分別響應(yīng)第一控制信號ScAl?ScA (N-1) 而將第一電容CA1、CA2?CA(N-l)的下極板電性連接至第二端點(diǎn)N2。
[0081] SAR控制電路130輸出第二控制信號ScBl?ScB(N-l)至所有第二切換單元UB1、 UB2?UB(N-l)的控制端，以致使第二切換單元UB1、UB2?UB(N-l)分別響應(yīng)第二控制信 號ScBl?ScB(N-l)而將第二電容CB1、CB2?CB(N-l)的下極板電性連接至第一端點(diǎn)N1。
[0082] 并且，SAR控制電路130分別輸出第一控制信號ScAO與第二控制信號ScBO至第 一開關(guān)SW1和第二開關(guān)SW2的控制端，以致使第一開關(guān)SW1響應(yīng)第一控制信號ScAO將第一 電容CA1、CA2?CA(N-l)的上極板電性連接第一端點(diǎn)N1，而第二開關(guān)SW2響應(yīng)第二控制信 號ScBO將第二電容CB1、CB2?CB(N-l)的上極板電性連接第二端點(diǎn)N2。
[0083] 此時，第一電容CA1、CA2?CA(N-l)的上極板以及第二電容CB1、CB2?CB(N-l) 的下極板經(jīng)由第一端點(diǎn)N1接收正相輸入信號Vip并對正相輸入信號Vip進(jìn)行取樣。第一 電容CA1、CA2?CA(N-l)的下極板以及第二電容CB1、CB2?CB(N-l)的上極板經(jīng)由第二端 點(diǎn)N2接收反相輸入信號Vin并對反相輸入信號Vin進(jìn)行取樣。
[0084] 然后，SAR ADC10由取樣階段進(jìn)入一保持階段。參照圖3,于保持階段期間，SAR控 制電路130輸出第一控制信號ScAl?ScA(N-l)至所有第一切換單元UA1、UA2?UA(N-l) 的控制端，以致使第一切換單元UA1、UA2?UA(N-l)分別響應(yīng)第一控制信號ScAl? ScA(N-l)而將第一電容CA1、CA2?CA(N-l)的下極板從電性連接第二端點(diǎn)N2切換成電性 連接第五端點(diǎn)N5。
[0085] SAR控制電路130輸出第二控制信號ScBl?ScB(N-l)至所有第二切換單元UB1、 UB2?UB(N-l)的控制端，以致使第二切換單元UB1、UB2?UB(N-l)分別響應(yīng)第二控制信 號ScBl?ScB(N-l)而將第二電容CB1、CB2?CB(N-l)的下極板從電性連接第一端點(diǎn)N1 切換成電性連接第五端點(diǎn)N5。
[0086] 并且，SAR控制電路130分別輸出第一控制信號ScAO與第二控制信號ScBO至第 一開關(guān)SW1和第二開關(guān)SW2的控制端，以致使第一開關(guān)SW1響應(yīng)第一控制信號ScAO將第一 電容CA1、CA2?CA(N-l)的上極板與第一端點(diǎn)N1斷開，而第二開關(guān)SW2響應(yīng)第二控制信號 ScBO將第二電容CB1、CB2?CB(N-l)的上極板與第二端點(diǎn)N2斷開。
[0087] 然后，SAR ADC10由保持階段進(jìn)入位元循環(huán)階段。于位元循環(huán)階段期間，比較器110 開始第1次比較。此時，比較器110比較第一電容CA1、CA2?CA(N-l)的上極板的端電壓 VA (S卩，第一輸入端IN1所接收到的電壓)與第二電容CB1、CB2?CB(N-l)的上極板的端電 壓VB (S卩，第二輸入端IN2所接收到的電壓)。
[0088] 接著，SAR控制電路130根據(jù)比較器110的輸出（S卩，端電壓VA與端電壓VB的第 1次比較結(jié)果）設(shè)定欲輸出的數(shù)字信號中的第1位元的數(shù)字碼B1，并且根據(jù)比較器110的 輸出產(chǎn)生第一控制信號ScAl?ScA(N-l)至第一切換單元UA1、UA2?UA(N-l)的控制端以 及產(chǎn)生第二控制信號ScBl?ScB(N-l)至第二切換單元UB1、UB2?UB(N-l)的控制端，以 致使第一切換單元UA1響應(yīng)第一控制信號ScAl將第一電容CA1、CA2?CA (N-1)中的最大 電容（即，第一電容CA1)的下極板由電性連接共模電壓Vcm切換成電性連接正相參考電壓 Vrp及反相參考電壓Vrn其中的一者，而第二切換單元UB1響應(yīng)第二控制信號ScBl將第二 電容CB1、CB2?CB(N-l)中的對應(yīng)第一電容CA1者（S卩，最大的第二電容CB1)的下極板由 電性連接共模電壓Vcm切換成電性連接正相參考電壓Vrp及反相參考電壓Vrn其中的另一 者。此時，其余電容(第一電容CA2?CA(N-l)及第二電容CB2?CB(N-l))的下極板則維 持不變，即電性連接共模電壓Vcm。
[0089] 舉例來說，參照圖4,當(dāng)端電壓VA大于端電壓VB時，SAR控制電路130將欲輸出的 數(shù)字信號中的第1位元的數(shù)字碼B1設(shè)定為" 1"，并且控制第一切換單元UA1將第一電容CA1 的下極板電性連接至反相參考電壓Vrn以及控制第二切換單元UB1將第二電容CB1的下極 板電性連接至正相參考電壓Vrp。并且，其余電容的下極板的電性連接關(guān)系則維持不變。
[0090] 參照圖5,當(dāng)端電壓VA不大于端電壓VB時，SAR控制電路130將欲輸出的數(shù)字信 號中的第1位元的數(shù)字碼B1設(shè)定為"0"，并且控制第一切換單元UA1將第一電容CA1的下 極板電性連接至正相參考電壓Vrp以及控制第二切換單元UB1將第二電容CB1的下極板電 性連接至反相參考電壓Vrn。并且，其余電容的下極板的電性連接關(guān)系則維持不變。
[0091] 然后，比較器110再次比較第一電容CA1、CA2?CA(N-l)的上極板的端電壓VA與 第二電容CB1、CB2?CB(N-l)的上極板的端電壓VB (S卩，進(jìn)行第2次比較)。
[0092] 然后，SAR控制電路130再根據(jù)比較器110的輸出（S卩，端電壓VA與端電壓VB的 第2次比較結(jié)果)設(shè)定欲輸出的數(shù)字信號中的第2位元的數(shù)字碼B2,并且根據(jù)比較器110的 輸出產(chǎn)生第一控制信號ScAl?ScA(N-l)至第一切換單元UA1、UA2?UA(N-l)的控制端以 及產(chǎn)生第二控制信號ScBl?ScB(N-l)至第二切換單元UB1、UB2?UB(N-l)的控制端，以 致使第一切換單元UA2響應(yīng)第一控制信號ScA2將第一電容CA1、CA2?CA (N-1)中的次大 的第一電容CA2的下極板由電性連接共模電壓Vcm切換成電性連接正相參考電壓Vrp及反 相參考電壓Vrn其中的一者，而第二切換單元UB2響應(yīng)第二控制信號ScB2將第二電容CB1、 CB2?CB (N-1)中的對應(yīng)第一電容CA2者（S卩，次大的第二電容CB2 )的下極板由電性連接共 模電壓Vcm切換成電性連接正相參考電壓Vrp及反相參考電壓Vrn其中的另一者。此時，其 余電容(第一電容CA1、CA3?CA(N-l)及第二電容CB1、CB3?CB(N-l))的下極板則維持不 變，即第一電容CA1與第二電容CB1維持分別電性連接正相參考電壓Vrp及反相參考電壓 Vrn，而第一電容CA3?CA(N-l)及第二電容CB3?CB(N-l)維持電性連接共模電壓Vcm。
[0093] 于此，同樣地，參照圖6 (于此，假設(shè)第1次比較結(jié)果為端電壓VA大于端電壓VB)， 當(dāng)端電壓VA大于端電壓VB時，SAR控制電路130將欲輸出的數(shù)字信號中的第2位元的數(shù) 字碼B2設(shè)定為" 1"，并且控制第一切換單元UA2將第一電容CA2的下極板電性連接至反相 參考電壓Vrn以及控制第二切換單元UB2將第二電容CB2的下極板電性連接至正相參考電 壓Vrp。并且，其余電容的下極板的電性連接關(guān)系則維持不變。
[0094] 參照圖7(于此，假設(shè)第1次比較結(jié)果為端電壓VA大于端電壓VB)，當(dāng)端電壓VA不 大于端電壓VB時，SAR控制電路130將欲輸出的數(shù)字信號中的第2位元的數(shù)字碼B2設(shè)定 為"0"，并且控制第一切換單元UA2將第一電容CA2的下極板電性連接至正相參考電壓Vrp 以及控制第二切換單元UB2將第二電容CB2的下極板電性連接至反相參考電壓Vrn。并且， 其余電容的下極板的電性連接關(guān)系則維持不變。
[0095] 換言之，每一次比較結(jié)果依序?qū)?yīng)于一第一電容、依序?qū)?yīng)于一第二電容，并且依 序?qū)?yīng)于數(shù)字信號的一位元。因此，于每次比較后，SAR控制電路130均會根據(jù)比較器110 的輸出設(shè)定數(shù)字信號中對應(yīng)位元的數(shù)字碼的值以及控制對應(yīng)第一電容及對應(yīng)第二電容的 下極板的電壓電平（即，電性連接關(guān)系)。通過反復(fù)進(jìn)行比較、設(shè)定及控制，直至完成最后一 位元的數(shù)字碼BN的設(shè)定為止。
[0096] 于完成最后一位元的數(shù)字碼BN的設(shè)定后，SAR控制電路130會將數(shù)字信號（即所 設(shè)定的所有數(shù)字碼B1?BN)輸出給下一級。
[0097] 于此些實(shí)施例中，SAR ADC10于取樣結(jié)束后，比較器130的輸入端的壓差為2 (Vip-Vin)，因此輸入至比較器130的信號的振幅為差動輸入信號（Vi)的振幅的2倍。換 言之，SAR ADC10是將輸入信號（Vi)放大一倍后才進(jìn)行比較。再者，在根據(jù)本發(fā)明的SAR ADC10中，對于偽差動輸入信號，經(jīng)過取樣以后就將偽差動輸入信號自動轉(zhuǎn)換成全差動輸入 信號。例如：在偽差動輸入信號(正相輸入信號Vip及反相輸入信號Vin)中，反相輸入信號 Vin始終為Vcmin，而正相輸入信號Vip則為Vcmin+ Λ V。在取樣結(jié)束后，比較器130的第 一輸入端ΙΝ1的輸入電壓(端電壓VA)為Vcm+ Λ V，而比較器130的第二輸入端ΙΝ2的輸入 電壓(端電壓VB)為Vcm- Λ V。
[0098] 再者，通過只提供部分電容的下極板可選擇電性連接輸入信號，來決定差動輸入 信號（Vi)的振幅的放大倍率(在1倍至2倍之間)。
[0099] 在一些實(shí)施例中，參照圖8,第一電容CA1、CA2?CA(N-l)的下極板均經(jīng)由對應(yīng)的 第一切換單元UA1、UA2?UA(N-l)耦接至第三端點(diǎn)N3、第四端點(diǎn)Μ及第五端點(diǎn)N5。第二 電容CB1、CB2?CB(N-l)的下極板均經(jīng)由對應(yīng)的第二切換單元UB1、UB2?UB(N-l)耦接至 第三端點(diǎn)N3、第四端點(diǎn)Μ及第五端點(diǎn)N5。
[0100] 其中，第一電容CA1、CA2?CA(N-l)中的至少一者的下極板還經(jīng)由對應(yīng)的第一切 換單元耦接至第二端點(diǎn)N2,而其余的第一電容所對應(yīng)的第一切換單元則不與第二端點(diǎn)N2 耦接。
[0101] 在一些實(shí)施例中，第二電容CB1、CB2?CB(N-l)中的至少一者的下極板還經(jīng)由對 應(yīng)的第二切換單元耦接至第一端點(diǎn)N1，而其余的第二電容所對應(yīng)的第二切換單元則不與第 一端點(diǎn)N1耦接。
[0102] 舉例來說，在圖8所示的SAR ADC10的結(jié)構(gòu)中，只有兩個第一電容CA1、CA3經(jīng)由對 應(yīng)的第一切換單元UA1、UA3耦接至第二端點(diǎn)N2以及二第二電容CB1、CB3經(jīng)由對應(yīng)的第二 切換單元UB1、UB3耦接至第一端點(diǎn)N1。其余電容所對應(yīng)的切換單元均不與第一端點(diǎn)N1和 第二端點(diǎn)N2耦接。
[0103] 于此，參照圖9,于取樣階段期間，SAR控制電路130輸出第一控制信號ScAl? ScA(N-l)至所有第一切換單元UA1、UA2?UA(N-l)的控制端，以致使第一切換單元UA1、 UA3分別響應(yīng)第一控制信號ScAl、ScA3而將第一電容CA1、CA3的下極板電性連接至第二 端點(diǎn)N2,并且第一切換單元UA2、UA4?UA(N-l)則分別響應(yīng)第一控制信號ScA2、ScA4? ScA(N-l)而將第一電容CA2、CA4?CA(N-l)的下極板電性連接至第五端點(diǎn)N5。
[0104] 同時，SAR控制電路130輸出第二控制信號ScBl?ScB(N-l)至所有第二切換單 元UB1、UB2?UB(N-l)的控制端，以致使第二切換單元UB1、UB3分別響應(yīng)第二控制信號 ScBl、ScB3而將第二電容CB1、CB3的下極板電性連接至第一端點(diǎn)N1，并且第二切換單元 UB2、UB4?UB(N-l)則分別響應(yīng)第二控制信號ScB2、ScB4?ScB(N-l)而將第二電容CB2、 CB4?CB(N-l)的下極板電性連接至第五端點(diǎn)N5。
[0105] 并且，SAR控制電路130分別輸出第一控制信號ScAO與第二控制信號ScBO至第 一開關(guān)SW1和第二開關(guān)SW2的控制端，以致使第一開關(guān)SW1響應(yīng)第一控制信號ScAO將第一 電容CA1、CA2?CA(N-l)的上極板電性連接第一端點(diǎn)N1，而第二開關(guān)SW2響應(yīng)第二控制信 號ScBO將第二電容CB1、CB2?CB(N-l)的上極板電性連接第二端點(diǎn)N2。
[0106] 此時，第一電容CA1、CA2?CA(N-l)的上極板接收正相輸入信號Vip并對正相輸 入信號Vip進(jìn)行取樣。第二電容CB1、CB2?CB(N-l)的上極板經(jīng)由第二端點(diǎn)N2接收反相 輸入信號Vin并對反相輸入信號Vin進(jìn)行取樣。而僅第一電容CA1、CA3的下極板經(jīng)由第二 端點(diǎn)N2接收反相輸入信號Vin并對反相輸入信號Vin進(jìn)行取樣，以及第二電容CB1、CB3的 下極板經(jīng)由第一端點(diǎn)N1接收正相輸入信號Vip并對正相輸入信號Vip進(jìn)行取樣。其余電 容(第一電容CA2、CA4?CA(N-l)以及第二電容CB2、CB4?CB(N-l))的下極板均不對輸入 信號(正相輸入信號Vip或反相輸入信號Vin)進(jìn)行取樣。
[0107] 于取樣結(jié)束后，參照圖10,于保持階段期間，在SAR控制電路130的控制下，所有 電容(第一電容CA1?CA(N-l)及第二電容CB1?CB(N-l))的下極板均置位至電性連接第 五端點(diǎn)N5,并且所有電容的上極板均與差動輸入信號（正相輸入信號Vip或反相輸入信號 Vin)斷開。
[0108] 于位元循環(huán)階段期間，SAR ADC10的運(yùn)作則與上述實(shí)施例相同，故不再贅述。
[0109] 于此架構(gòu)下，SAR ADC10于取樣結(jié)束后，比較器130的輸入端的壓差為Μ (Vip-Vin)，即SAR ADC10能差動輸入信號的振幅放大Μ倍。其中，Μ介于1?2之間。
[0110] 于此，雖然是以相對應(yīng)的第一電容與第二電容同時以其下極板對輸入信號進(jìn)行取 樣，但本發(fā)明不限于此，也即相對應(yīng)的第一電容與第二電容可僅其中一者的下極板對輸入 信號進(jìn)行取樣。
[0111] 換言之，通過調(diào)整下極板可對輸入信號進(jìn)行取樣的電容位置及數(shù)量可產(chǎn)生不同放 大倍率的差動輸入信號（Vi)的振幅。
[0112] 在一些實(shí)施例中，第一切換單元UA1、UA2?UA(N-l)和第二切換單元UB1、UB2? UB(N-l)中的每一者（以下通稱切換單元UB)是由多個開關(guān)所構(gòu)成。
[0113] 參照圖11，對于下極板需對輸入信號進(jìn)行取樣的電容C (S卩，第一電容CA1? CA (N-1)及第二電容CB1?CB (N-1)中之一)，其所對應(yīng)的切換單元UB可包括四個開關(guān)SW3、 SW4、SW5、SW6。
[0114] 開關(guān)SW3耦接在第五端點(diǎn)N5與電容C的下極板之間。開關(guān)SW4耦接在第四端點(diǎn) N4與電容C的下極板之間。開關(guān)SW5耦接在第三端點(diǎn)N3與電容C的下極板之間。開關(guān)SW6 耦接在第一端點(diǎn)N1或第二端點(diǎn)N2與電容C的下極板之間。
[0115] 此些開關(guān)313、514、515、516的控制端耦接541?控制電路130。換言之，每一個電 容所耦接的此些開關(guān)SW3、SW4、SW5、SW6的開關(guān)（0N/0FF)是由對應(yīng)的控制信號（S卩，第一控 制信號ScAl?ScA(N-l)及第二控制信號ScBl?ScB(N-l)中之一）所控制。
[0116] 參照圖12,對于下極板不需對輸入信號進(jìn)行取樣之電容C (即，第一電容CA1? CA(N-l)及第二電容CB1?CB(N-l)中之一)，其所對應(yīng)的切換單元UB則不需要開關(guān)SW6， 即只包括三個開關(guān)SW3、SW4、SW5。
[0117] 在一些實(shí)施例中，第一控制信號ScAO?ScA(N-l)可以單一信號實(shí)現(xiàn)，也可以多個 信號實(shí)現(xiàn)。同樣地，第二控制信號ScBO?ScB(N-l)可以單一信號實(shí)現(xiàn)，也可以多個信號實(shí) 現(xiàn)。
[0118] 由于SAR控制電路130的結(jié)構(gòu)與運(yùn)作原理為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知，故于此不 再贅述。
[0119] 綜上，根據(jù)本發(fā)明的可編程放大輸入信號振幅的逐漸逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器及其 方法于取樣階段期間將電容陣列中至少一電容的下極板電性連接至輸入信號，以由電容陣 列對輸入信號進(jìn)行取樣及放大，藉以降低所需的取樣電容，或減少噪聲的產(chǎn)生。換言之，根 據(jù)本發(fā)明的可編程放大輸入信號振幅的逐漸逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器及其方法利用電容的 上下極板同時取樣，因而能同時放大輸入信號的振幅，以致于在同樣程度的噪聲的考慮下， 所需的取樣電容會更小，或者，對于相同的取樣電容，所帶來的噪聲會更小。并且，對于偽差 動輸入信號，在經(jīng)過取樣以后，就將偽差動輸入信號自動轉(zhuǎn)換成全差動輸入信號，藉以抑制 電源噪聲和共模噪聲。
[0120] 雖然本發(fā)明以前述的實(shí)施例披露如上，然而其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明 的專利保護(hù)范圍須視本說明書所附的權(quán)利要求范圍所界定者為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，包括： 一第一端點(diǎn)，用以接收一差動輸入信號中的一者； 一第二端點(diǎn)，用以接收所述差動輸入信號中的另一者； 一第三端點(diǎn)，用以接收一正相參考電壓； 一第四端點(diǎn)，用以接收一反相參考電壓； 一第五端點(diǎn)，用以接收一共模電壓； 一比較器，具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端； 一 SAR控制電路，f禹接所述輸出端，以根據(jù)所述比較器的輸出產(chǎn)生一第一控制信號、一 第二控制信號以及一數(shù)字信號； 一選擇模塊，包括： 多個第一切換單元，受控于所述第一控制信號； 多個第二切換單元，受控于所述第二控制信號； 一第一開關(guān)，耦接在所述第一輸入端與所述第一端點(diǎn)之間；以及 一第二開關(guān)，耦接在所述第二輸入端與所述第二端點(diǎn)之間；以及 一電容模塊，包括： 多個第一電容，分別對應(yīng)所述第一切換單元，耦接在所述第一輸入端與對應(yīng)的所述第 一切換單元之間，其中各個所述第一電容經(jīng)由對應(yīng)的所述第一切換單元耦接至所述第三端 點(diǎn)、所述第四端點(diǎn)及所述第五端點(diǎn)，并且所述第一電容中的至少一者還經(jīng)由對應(yīng)的所述第 一切換單元耦接至所述第二端點(diǎn)；以及 多個第二電容，分別對應(yīng)所述第二切換單元，耦接在所述第二輸入端與對應(yīng)的所述第 二切換單元之間，其中各個所述第二電容經(jīng)由對應(yīng)的所述第二切換單元耦接至所述第三端 點(diǎn)、所述第四端點(diǎn)及所述第五端點(diǎn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中，所述 第一電容均經(jīng)由對應(yīng)的所述第一切換單元耦接至所述第一端點(diǎn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中，于取 樣階段期間，所述第一電容的上極板對所述差動輸入信號中的所述一者取樣，且所述第一 電容的下極板對所述差動輸入信號中的所述另一者取樣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中， 所述第二電容均經(jīng)由對應(yīng)的所述第二切換單元耦接至所述第二端點(diǎn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中，于取 樣階段期間，所述第二電容的上極板對所述差動輸入信號中的所述另一者取樣，并且所述 第二電容的下極板對所述差動輸入信號中的所述一者取樣。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中， 所述第二電容中的至少一者還經(jīng)由對應(yīng)的所述第二切換單元耦接至所述第一端點(diǎn)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中，于取 樣階段期間，所述第二電容的上極板對所述差動輸入信號中的所述另一者取樣，所述第二 電容中的所述至少一者的下極板對所述差動輸入信號中的所述一者取樣，并且所述第二電 容中的其余者的下極板接收所述共模電壓。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中，所述 電容模塊還包括： 一第三電容，耦接在所述第一輸入端與所述第五端點(diǎn)之間；以及 一第四電容，耦接在所述第二輸入端與所述第五端點(diǎn)之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中，所述 第一切換單元和所述第二切換單元中的每一者均由多個開關(guān)所構(gòu)成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中，于 取樣階段期間，所述第一電容的上極板對所述差動輸入信號中的所述一者取樣，所述第一 電容中的至少一者的下極板對所述差動輸入信號中的所述另一者取樣，且所述第一電容中 的其余者的下極板接收所述共模電壓。
11. 一種可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換方法，包括： 在一取樣階段期間包括： 利用電容模塊中的多個第一電容的上極板對一差動輸入信號中的一者取樣； 利用所述第一電容中的至少一者的下極板對所述差動輸入信號中的另一者取樣；以及 利用所述電容模塊中的多個第二電容的上極板對所述差動輸入信號中的所述另一者 取樣，其中所述第二電容分別對應(yīng)所述第一電容； 由所述取樣階段進(jìn)入一保持階段，在所述保持階段期間包括： 將所述第一電容的所述上極板與所述差動輸入信號中的所述一者斷開； 將所述第一電容的所述下極板置位至電性連接一共模電壓；以及 將所述第二電容的所述上極板與所述差動輸入信號中的所述另一者斷開；以及 由所述保持階段進(jìn)入一位元循環(huán)階段，于所述位元循環(huán)階段期間包括： 利用一比較器比較所述第一電容的所述上極板的端電壓與所述第二電容的所述上極 板的端電壓； 依序根據(jù)所述比較器的輸出將所述第一電容中之一的所述下極板及所述第二電容中 的對應(yīng)者的所述下極板由電性連接所述共模電壓切換成分別電性連接一差動參考電壓，并 于每次切換后再次利用所述比較器比較所述第一電容的所述上極板的所述端電壓與所述 第二電容的所述上極板的所述端電壓；以及 根據(jù)所述比較器的所述輸出產(chǎn)生一數(shù)字信號。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換方法，其中， 利用所述第一電容中的至少一者的下極板對所述差動輸入信號中的另一者取樣的所述步 驟包括： 將所述第一電容中的所述至少一者的所述下極板均電性連接至所述差動輸入信號中 的所述另一者；以及 將所述第一電容中的其余者的下極板電性連接至所述共模電壓。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換方法，其中， 利用所述第一電容中的至少一者的下極板對所述差動輸入信號中的另一者取樣的所述步 驟包括： 將所述第一電容的所述下極板均電性連接至所述差動輸入信號中的所述另一者。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11至13中的任一項(xiàng)所述的可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù) 字轉(zhuǎn)換方法，其中，在所述取樣階段期間還包括：利用所述第二電容中的至少一者的下極板 對所述差動輸入信號中的所述一者取樣；以及其中在所述保持階段期間還包括：將所述第 二電容的所述下極板置位至電性連接所述共模電壓。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換方法，其中， 利用所述第二電容中的至少一者的下極板對所述差動輸入信號中的所述一者取樣的所述 步驟包括： 將所述第二電容中的所述至少一者的所述下極板均電性連接至所述差動輸入信號中 的所述一者；以及 將所述第二電容中的其余者的下極板電性連接至所述共模電壓。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換方法，其中， 利用所述第二電容中的至少一者的下極板對所述差動輸入信號中的所述一者取樣的所述 步驟包括： 將所述第二電容的所述下極板均電性連接至所述差動輸入信號中的所述一者。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的可編程放大輸入信號振幅的SAR模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換方法，其中， 所述電容模塊還包括耦接在所述比較器的第一輸入端與所述共模電壓之間的一第三電容， 以及耦接在所述比較器的第二輸入端與所述共模電壓之間一第四電容。
【文檔編號】H03M1/38GK104124970SQ201310156698
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月28日
【發(fā)明者】楊軍 申請人:瑞昱半導(dǎo)體股份有限公司