零功率采样SAR ADC电路和方法技术

一种开关电容器电路（10，32或32A），其通过将第一电容器（C1或CIN1）的顶极板经求和导体（13）切换到第一基准电压（VSS），并将其底极板切换到第一信号（VIN+），将该第一信号（VIN+）采样到该第一电容器（C1或CIN1）上。通过将第二电容器（C3或CIN3）的顶极板切换到第二信号（VIN-）并将其底极板切换到第一基准电压，将该第二信号（VIN-）采样到该第二电容器（C3或CIN3）上。在采样后，第二电容器的顶极板耦合到第一电容器的顶极板。第二电容器的底极板耦合到第一基准电压。第一电容器的底极板耦合到第二基准电压（VDD或VREF），由此抵消源自第一导体（13）的共模输入电压分量的至少一部分，在求和导体上保持采样差分电荷并在其上建立预定共模电压，并防止求和导体具有允许电荷从那里漏泄的电压。开关电容器电路可以是SAR、积分器或放大器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】零功率采样SARADC电路和方法
本专利技术一般涉及包括SARADC（逐次逼近寄存器模数转换器）的开关电容器电路，并更特别涉及用于避免通过集成电路衬底二极管的电荷泄漏的改善技术，该电荷泄漏由开关电容器电路、SARADC中可接受范围外的模拟求和节点电压摆动引起，并且本专利技术更特别涉及比现有技术中可用的SARADC更简单且更便宜的SARADC。
技术介绍
现有技术图1A是基础的众所周知的单端SARADC的简化图，其执行常规SAR算法从而将模拟输入电压VIN转换成数字输出信号DOUT。例如参见DavidJohns和KenMartin的“AnalogIntegratedCircuitDesign”（1997JohnWiley&Sons，Inc.）一书中的图13.5、13.6和13.7以及相关文本。现有技术图1A中的SARADC包括接收输入电压VIN的采样/保持电路19。采样/保持电路19的输出施加到比较器20的（+）输入。比较器20的输出23施加到SAR/控制逻辑电路系统21的输入，该SAR/控制逻辑电路系统21控制基础SAR算法的操作从而循序生成N个位（bit）b1，b2…bN。N个位b1，b2…bN控制DAC16以便导致其输出电压VDAC精确地等于VIN。在模数转换过程结束时，SAR/控制逻辑21生成“转换结束”信号EOC，并且N个位b1，b2…bN可以视为VIN转换成的数字输出信号DOUT。由比较器20将采样/保持电路19的输出与VDAC进行比较。比较器20的输出导致SAR/控制逻辑21根据SAR算法以导致DAC16强制使导体13上的VDAC的值随着SAR转换循环行进而变得越来越接近VIN的值的方式确定位b1，b2…bN的值。基础SAR转换过程在采样和保持操作完成后开始。首先，位b1被设定成“1”并且其他位b2，b3…bN被设定成“0”。DAC16生成等于与采样输入信号VIN进行比较的值VREF/2的中级“半电压”，其中VREF代表VIN的全标量值。如果VIN大于VDAC则比较器20导致位b1的最终值设定成“1”，否则b1被设定成“0”，并且在任一情况下剩余位b2，b3…bN被设定成“0”。在下一个转换循环中，SAR算法促使比较器20以相同方式测试位b2。DAC16生成与采样输入信号VIN进行比较的VDAC的调整值。如果VIN大于VDAC则比较器20导致位b2的最终值设定成“1”，否则b2被设定成“0”，并且在任一情况下剩余位b3，b4…bN被设定成“0”。分别针对剩余位b3，b4…bN中的每一个在剩余位循环中的每一个期间重复基本相同的进程。最接近的现有技术据信包括在2003年12月23日授予Mueck等人的题为“Analog-to-DigitalConverterwiththeAbilitytoAsynchronouslySampleSignalswithoutBiasorReferenceVoltagePowerConsumption”的美国专利6,667,707，，并且将其通过引用合并于此。本文的现有技术图1B与Mueck等人的专利的图4基本相同，并且显示出现有技术图1A的SARADC的改善的差分CDAC实施方式。在现有技术图1B中，差分输入电荷再分配SARADC系统300相对于共模偏压Vcm对一对输入电压Vinp和Vinn进行采样。在SAR算法/引擎的控制下，在输出端OUT处产生对应于Vrefp-Vrefn的数字等效物的二进制判定序列。ADC系统300包括两个DAC即DAC-P和DAC-N、比较器32以及驱动DAC的SAR引擎（未示出）。注意到CDAC阵列除用于响应于输入电压在比较器输入端处提供CDAC输出电压的位判定“反馈”功能之外，还执行现有技术图1A中采样/保持电路19的采样/保持功能。在该示例中，每个DAC包括6位二进制加权电容器阵列34P、34N，其中每个阵列34P、34N的总电容是C。DAC进一步包括两个对应的开关组36P、36N从而将各个DAC输入端连接到Vinp/n，并包括对应的开关组38P、38N从而将各个DAC输入端连接到Vrefp/n，并且进一步包括开关20P、20N从而将DAC输出端TOP-P、TOP-N连接到Vcm。与DAC-N关联的加权电容器阵列34N和与DAC-P关联的加权电容器阵列34P中的每个阵列包括电容器C1、C2、C3、C4、C5、C6和C7，这些电容器具有电容C1=C/2，C2=C/4，C3=C/8，C4=C/16，C5=C/32，C6=C/64和C7=C/64，它们之和约等于C。与DAC-N关联的开关组36N和与DAC-P关联的开关组36P中的每个组包括开关S1、S2、S3、S4、S5和S6。与DAC-N关联的开关群38N和与DAC-P关联的开关群38P中的每个群包括开关S21、S22、S23、S24、S25和S26。DAC输出端TOP-P、TOP-N向比较器32提供输入电压。直接连接到TOP-P、TOP-N的电容器极板被称为“顶极板”，并且另一电容器极板被称为“底极板”。到Vcm的开关被称为“顶极板开关”20P和20N。在操作期间，输入电压被采样为横跨输入电容器的电荷。借助在顶极板开关20P和20N闭合时通过开关36P和36N连接到输入电压Vinp和Vinn的DAC底极板，DAC据称“对输入进行采样”，并在顶极板开关断开的时刻，DAC据称“取得样本”。在采样输入电压后，SARADC300执行迭代的SAR过程。以电路的P侧为例，通过将电容器阵列34P电容器C1…C6中的每个的底极板经由其在开关排（switchbank）36P中的对应开关S1…S6与在开关排38P中的对应开关S21…S26连接到正基准电压Vrefp或负基准电压Vrefn，开始SAR迭代过程。每个电容器例如C4代表ADC300的数字输出字中的一个位，其最高有效位（MSB）对应于电容器C1并且其最低有效位（LSB）对应于电容器C6。在现有技术图1B中，当关联电容器例如C4的底极板连接到正基准电压Vrefp时一个位（bit）具有二进制值1，并且当电容器例如C4的底极板通过开关排38连接到负基准电压Vrefn时该位具有二进制值0。在该示例中，开关S4将被切换以将电容器C4连接到Vref组，并且开关S24将被校准以分别根据C4是否要代表逻辑1或0而将电容器C4连接到Vrefp或Vrefn。通过以MSB电容器开始并以LSB电容器结束的这样的一连串SAR迭代，在每次迭代期间，每个电容器被切换到Vrefp或Vrefn，以使顶极板电压TOP-P和TOP-N随着每次迭代而收敛。当迭代完成时，最后使用的数字字（电容器连接到的位的值）被选为ADC300的输出。DAC顶极板被采样到Vcm，该Vcm是任意但恒定的电压并且可以是用于零功率采样的VSS。在采样期间，TOP-P和TOP-N将由顶极板开关额定保持在约Vcm。在现有技术图1B中，在采样输入电压之后但在开始SAR过程之前，比较器输出引导SAR算法修改DAC输入，以使两个DAC输出收敛。DAC的共模输出电压仅在一些迭代期间被提升。通过在一些迭代期间将共模电压升压耦合到比较器输入来使比较器的输入被电容性地提升，由此避免采样电荷通过衬底二极管的关联本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关电容器电路，包括：（a）第一级，所述第一级接收第一和第二输入信号，并包括第一、第二、第三和第四输入电容器，并也包括开关的第一排列，所述第一排列经配置在第一阶段期间将所述第一输入信号耦合到所述第一输入电容器的底极板和所述第四输入电容器的顶极板，将所述第二输入信号耦合到所述第二输入电容器的底极板和所述第三输入电容器的顶极板，并将所述第一和第二输入电容器的所述顶极板耦合到第一基准电压，将所述第三和第四输入电容器的所述底极板耦合到所述第一供电电压，所述第一和第二输入信号由此在所述第一阶段期间采样；（b）第二级，所述第二级具有第一和第二求和导体，所述第一和第二求和导体耦合到所述第一级，以便处理第一求和导体信号和第二求和导体信号从而产生第一和第二输出信号；（c）所述第一级也包括开关的第二排列，所述第二排列经配置在第二阶段期间将所述第一和第二输入电容器的所述底极板耦合到第二基准电压，从而将所述第一输入电容器的所述顶极板耦合到所述第三输入电容器的所述顶极板，并将所述第二输入电容器的所述顶极板耦合到所述第四输入电容器的所述顶极板，从而抵消与源自所述第一和第二求和导体信号的所述第一和第二输入信号关联的共模分量的至少一部分，并也在所述第一和第二求和导体上建立预定共模电压，以便在与所述第一输入信号关联的电荷从所述第一和第三输入电容器转移到所述第一求和导体时，并在与所述第二输入信号关联的电荷从所述第四和第二输入电容器转移到所述第二求和导体时，将所述第一和第二求和导体信号保持在预定安全操作范围内。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.05.04 US 13/068,1921.一种开关电容器电路，其包括：(a)第一级，所述第一级接收第一输入信号和第二输入信号，并包括第一输入电容器、第二输入电容器、第三输入电容器和第四输入电容器，并且也包括第一开关排列，所述第一开关排列被配置为在第一阶段期间将所述第一输入信号耦合到所述第一输入电容器的底极板和所述第四输入电容器的顶极板，将所述第二输入信号耦合到所述第二输入电容器的底极板和所述第三输入电容器的顶极板，并将所述第一输入电容器和第二输入电容器的顶极板耦合到第一基准电压，所述第三输入电容器和第四输入电容器的底极板耦合到第一供电电压，由此在所述第一阶段期间采样所述第一输入信号和第二输入信号；(b)第二级，所述第二级具有第一和第二求和导体，所述第一和第二求和导体耦合到所述第一级，以便处理第一求和导体信号和第二求和导体信号从而产生第一输出信号和第二输出信号；(c)所述第一级也包括第二开关排列，所述第二开关排列被配置为在第二阶段期间将所述第一输入电容器和第二输入电容器的底极板耦合到第二基准电压，将所述第一输入电容器的顶极板耦合到所述第三输入电容器的顶极板，并将所述第二输入电容器的顶极板耦合到所述第四输入电容器的顶极板，从而抵消源自所述第一求和导体信号和第二求和导体信号的与所述第一输入信号和第二输入信号关联的共模分量的至少一部分，并在所述第一求和导体和第二求和导体上建立预定共模电压，以便在与所述第一输入信号关联的电荷从所述第一输入电容器和第三输入电容器转移到所述第一求和导体并且与所述第二输入信号关联的电荷从所述第四输入电容器和第二输入电容器转移到所述第二求和导体时，将所述第一求和导体信号和第二求和导体信号保持在预定安全操作范围内。2.根据权利要求1所述的开关电容器电路，其包括SARADC，所述SARADC包括：(1)在所述第二级中的比较器，所述比较器用于在多个位测试操作中的每个期间比较所述第一求和导体信号和所述第二求和导体信号；(2)在所述第一级中的第一CDAC，所述第一CDAC包括第一群二进制加权电容器和第一群开关，所述第一群二进制加权电容器包括每个都具有耦合到所述第一求和导体的第一端子的MSB电容器和多个LSB电容器，所述第一群开关用于将所述第一群二进制加权电容器中的对应电容器的第二端子选择性耦合到所述第一基准电压或所述第二基准电压，所述第一群二进制加权电容器中的所述LSB电容器的第二端子在所述采样期间选择性耦合到所述第一输入信号；(3)SAR和控制电路系统，所述SAR和控制电路系统用于响应于由所述比较器生成的输出信号控制所述第一群开关中的开关；以及(4)其中，在所述采样完成之后并在第一位的测试之前，所述SAR和控制电路系统控制所述第一群开关中的开关将所述第一群二进制加权电容器中的MSB电容器和LSB电容器的第二端子串联连接在所述第一基准电压和第二基准电压之间，以充当在所述第一求和导体上生成预定共模电压信号分量的电容分压器。3.根据权利要求2所述的开关电容器电路，其包括在所述采样操作期间将所述第一求和导体耦合到所述第一基准电压的第一开关。4.根据权利要求3所述的开关电容器电路，其中所述第一CDAC包括第二开关，所述第二开关在所述采样之后并在所述第一位的所述测试之前的电荷保持操作期间将所述第一求和导体耦合到所述MSB电容器的第一端子。5.根据权利要求4所述的开关电容器电路，其包括第二CDAC，所述第二CDAC包括第二群二进制加权电容器和第二群开关，所述第二群二进制加权电容器包括每个都具有经耦合在第二求和导体上产生第二信号的第一端子的MSB电容器和多个LSB电容器，所述第二群开关用于将所述第二群二进制加权电容器中的对应电容器选择性耦合到所述第一基准电压或所述第二基准电压，所述第二群二进制加权电容器中的所述LSB电容器的所述第二端子在所述采样期间耦合到第二输入信号，其中所述第一群二进制加权电容器中的所述MSB电容器的所述第一端子经耦合在所述采样期间接收所述第一输入信号，并且其中所述第二群二进制加权电容器中的所述MSB电容器的所述第一端子经耦合在所述采样期间接收所述第二输入信号。6.根据权利要求4所述的开关电容器电路，其中所述电荷保持操作是通过所述第一群二进制加权电容器中的所述MSB电容器和所述LSB电容器执行的。7.根据权利要求4所述的开关电容器电路，其中所述第一群开关中的第一开关在所述采样期间将所述第一群二进制加权电容器中的所述MSB电容器的所述第二端子耦合到所述第一基准电压，并且所述第一群开关中的其他开关在所述采样期间将所述第一群二进制加权电容器中的所述LSB电容器的所述第二端子分别耦合到所述第一输入信号。8.根据权利要求7所述的开关电容器电路，其中所述第一群开关中的所述第一开关在所述电荷保持操作期间将所述MSB电容器的所述第二端子耦合到所述第一基准电压，并且所述第一群开关中的其他开关在所述电荷保持操作期间将所述第一群二进制加权电容器中的所述LSB电容器的所述第二端子分别耦合到所述第二基准电压。9.根据权利要求2所述的开关电容器电路，其中所述第一信号和第二信号在所有位测试操作期间保持在所述第一基准电压和第二基准电压之间，并且随着所述位测试进行而向所述预定共模电压信号分量收敛。10.根据权利要求2所述的开关电容器电路，其中在所述第一求和导体上的所述预定共模电压信号分量具有在所述第一基准电压和第二基准电压中间的电压。11.根据权利要求2所述的开关电容器电路，其中所述位测试操作是根据SAR算法...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·王，T·V·卡尔特霍夫，M·A·吴，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US