模拟至数字转换器及其相关的校准比较器制造技术

本发明专利技术涉及一种用于一逐次逼近型模拟至数字转换器，特别是有关于一种可大幅降低电能消耗与减少芯片使用面积的逐次逼近型模拟至数字转换器。本发明专利技术的逐次逼近型模拟至数字转换器包括一取样保持单元，一逼近控制单元，一查找内存，及一校准比较器。其中，校准比较器包括一正输入端，一负输入端，一时序信号输入端，一数字数据端口，一栓锁单元，一启动开关，一第一可控可变电阻，一第二可控可变电阻，一重置开关模块，一可控电容装置，及一输出端。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于一逐次逼近型模拟至数字转换器及其相关的校准比较器，特别是有关于一种可大幅降低电能消耗与减少芯片使用面积的逐次逼近型模拟至数字转换器及其相关的校准比较器。
技术介绍
模拟至数字转换器(Analog to Digital Converter)可将真实世界中的模拟信号转换为数字数据，再交由数字信号处理装置处理。随着科技日趋普及，许多产品都具备多媒体功能，例如，影像及声音信号的压缩或辨识，就必然包括将影像及声音的模拟信号，经由模拟至数字转换器转换为数字数据，然后输出给数字信号处理器，进行数据的运算，再储存于数字数据储存装置，或经由网络传播。除此之外，各类型感测组件的使用，例如，数字体温计就是利用温度传感器，产生模拟的温度信号，经由模拟至数字转换器，将温度信号转成数字型式，加以运算、校正及显示。除此之外，在医学、通讯及控制等领域，模拟至数字转换器的使用也愈来愈频繁，几乎可以说是无所不在。其中，逐次逼近型模拟至数字转换器 (Successive Approximation Analog to Digital Converter，简禾尔为 SAR ADC)是模拟至数字转换器的一种常见的特殊型式，常见于取样频率属于中等数据量或较低速的应用。请参考图1，图1为公知技术中一逐次逼近型模拟至数字转换器10的示意图。模拟至数字转换器10包含一取样保持电路100、一比较器102、一逼近演算控制单元104及一数字至模拟转换器106。模拟至数字转换器10的操作方式如下，首先，取样保持电路100将一输入信号VIN取样及维持在一取样电压VSIN。比较器102比较输入取样电压VSIN与一模拟电压VCOM的大小，并将其比较结果输出到逼近演算控制单元104。逼近演算控制单元 104根据比较器102所输出的比较结果，产生一数字数据DK，而数字至模拟转换器106则将数字数据DK转换为模拟电压VC0M，并输出到比较器102。在模拟至数字转换器10中，逼近演算控制单元104根据比较器102的比较结果， 以一次产生一个有效位的方式，逐次产生具有多个有效位的数字数据DK，使数字至模拟转换器106产生的模拟电压VCOM趋近于取样电压VSIN。依此循环，直到产生所有有效位为止。一般而言，有效位的数目与模拟至数字转换器10的精密度有关，有效位的数目愈多，通常精度就愈高，而上述的数字至模拟转换及比较过程的循环次数也就愈多。然而，传统的逐次逼近型模拟至数字转换器必须具备一独立的数字至模拟转换 (DAC)单元，因而衍生出一些技术上的困难点，將詳述于后。请参考图2，图2为一以七位 (7-bit)为例的电容充电-逐次逼近型模拟至数字转换器(Charge-Redistribution SAR ADC) 20的示意图。模拟至数字转换器20包含一取样保持电路200 (此图中无标示)、一比较器202、一逼近演算控制单元204、一数字至模拟转换单元206及一参考电压输出单元208。 模拟至数字转换器20的架构与运作方式是模拟至数字转换器10 —种特殊且常见的型式， 特殊之处在于模拟至数字转换器20利用一种电荷重分配的技术，达到数字至模拟转换的功能。另外，数字至模拟转换单元206，由具有不同电容值的电容Cl C7及电路开关SO S7所形成。由于当电容Cl C7的端点位于同一电压时，电容值决定储存电荷的数量，因此数字至模拟转换单元206所包括的不同电容的电容值之间需具有精准的比例关系，进而可使电容Cl C7所储存的电荷数量，以及数字至模拟转换单元206所输出的模拟电压產生足够的准确性。因此，电容Cl C7的电荷数量相对于电压的线性度必须非常良好，以获得精确的模拟至数字转换结果，而金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal，MIM)电容便符合上述条件。在公知半导体技术中，以金属-绝缘体-金属所建构的电容，其电荷数量相对于电压的线性度远较金属氧化半导体电容(MOS Capacitor)优良。然而，金属-绝缘体-金属电容的单位面积电容值约1 2 (fF/μ m2)，远小于金属氧化半导体电容的单位面积电容值(约7fF/ym2)。换句话说，相对于同样的电容值，金属-绝缘体-金属电容需具备大数倍的芯片面积。但是，金属氧化半导体电容的线性度不如金属-绝缘体-金属电容， 因此在模拟至数字转换器20的设计中不被采用。除此之外，无论是模拟至数字转换器10的架构、或是模拟至数字转换器20的特殊架构，其中的数字至模拟转换单元206皆需使用参考电压输出单元208提供参考电压VREF。 根据实验结果显示，参考电压输出单元208所耗费的电力，大约占整体模拟数字转换器20 所耗费电力的一半。然而，数字至模拟转换单元206是模拟至数字转换器20运作时不可或缺的部份，因此所耗费的大量电力不能豁免。同时，由于参考电压输出单元208的电能消耗较大，模拟至数字转换器20也需耗费较大电能以维持其正常运作。
技术实现思路
因此，本专利技术提出一种逐次逼近型模拟至数字转换器及其相关的校准比较器。本专利技术揭露一种节省电源消耗的一模拟至数字转换器，包括一取样保持单元，连接于一外部差动输入信号，根据一取样频率信号，取样、保持及输出一差动取样信号；一逼近控制单元，连接于该校准比较器，根据该比较器的比较结果，输出一内存地址，并于模拟至数字转换完成时，输出一转换结果；一查找内存，连接于该校准比较器及该逼近控制单元，根据该内存地址，输出一数字数据至该校准比较器的该多个数字数据输入端口 ；以及一校准比较器，连接于该取样保持单元、该逼近控制单元及该查找内存，比较该差动取样信号及一内建等效漂移电压，输出一比较结果，包括一正输入端，用来接收一差动取样信号的一正向信号；一负输入端，用来接收该差动取样信号的一负向信号；一时序信号输入端，用来接收一时序信号；一数字数据端口，用来接收一数字数据；一栓锁单元，包括一第一比较端、一第二比较端，一第一输出端及一第二输出端，用来比较该第一比较端与该第二比较端的一电路系数值的大小，以决定该第一输出端及该第二输出端的状态值；一启动开关，包括一第一端，一第二端连接于该时序信号输入端，及一第三端连接于一地端，用来根据该时序信号的大小，控制该第一端至该第三端的信号连结；一第一可控可变电阻，连接于该正输入端、该栓锁单元的该第一比较端及该启动开关的该第一端，用来根据该差动取样信号的该正向信号，调整该栓锁单元的该第一比较端至该启动开关的该第一端间的电阻值；一第二可控可变电阻，连接于该负输入端、该栓锁单元的该第二比较端及该启动开关的该第一端， 用来根据该差动取样信号的该负向信号，调整该栓锁单元的该第二比较端至该启动开关的该第一端间的电阻值；一重置开关模块，连接于该时序信号输入端及该栓锁单元，用来根据该时序信号的大小，控制该栓锁单元的状态；一可控电容装置，连接于该栓锁单元的该第一比较端、该栓锁単元的该第二比较端及该地端，用来根据一数字数据，控制该第一比较端及 该第二比较端至该地端的电容值；以及一输出端，连接于该栓锁単元的该第一输出端，用来 输出一比较結果。本专利技术另揭露一种用于一逐次逼近型模拟至数字转换器的校准比较器，包括一正 输入端，用来接收一差动取样信号的一正向信号；一负输入端，用来接收该差本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种节省电源消耗的模拟至数字转换器，其特征在于包括：一取样保持单元，连接于一外部差动输入信号，根据一取样频率信号，取样、保持及输出一差动取样信号；一逼近控制单元，连接于该校准比较器，根据该比较器的比较结果，输出一内存地址，并于模拟至数字转换完成时，输出一转换结果；一查找内存，连接于该校准比较器及该逼近控制单元，根据该内存地址，输出一数字数据至该校准比较器的该多个数字数据输入端口；以及一校准比较器，连接于该取样保持单元、该逼近控制单元及该查找内存，比较该差动取样信号及一内建等效漂移电压，输出一比较结果，包括：一正输入端，用来接收一差动取样信号的一正向信号；一负输入端，用来接收该差动取样信号的一负向信号；一时序信号输入端，用来接收一时序信号；一数字数据端口，用来接收一数字数据；一栓锁单元，包括一第一比较端、一第二比较端，一第一输出端及一第二输出端，用来比较该第一比较端与该第二比较端的一电路系数值的大小，以决定该第一输出端及该第二输出端的状态值；一启动开关，包括一第一端，一第二端连接于该时序信号输入端，及一第三端连接于一地端，用来根据该时序信号的大小，控制该第一端至该第三端的信号连结；一第一可控可变电阻，连接于该正输入端、该栓锁单元的该第一比较端及该启动开关的该第一端，用来根据该差动取样信号的该正向信号，调整该栓锁单元的该第一比较端至该启动开关的该第一端间的电阻值；一第二可控可变电阻，连接于该负输入端、该栓锁单元的该第二比较端及该启动开关的该第一端，用来根据该差动取样信号的该负向信号，调整该栓锁单元的该第二比较端至该启动开关的该第一端间的电阻值；一重置开关模块，连接于该时序信号输入端及该栓锁单元，用来根据该时序信号的大小，控制该栓锁单元的状态；一可控电容装置，连接于该栓锁单元的该第一比较端、该栓锁单元的该第二比较端及该地端，用来根据一数字数据，控制该第一比较端及该第二比较端至该地端的电容值；以及一输出端，连接于该栓锁单元的该第一输出端，用来输出一比较结果。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐建昌，
申请(专利权)人：原相科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71