具有差分电流抵消的mdac的利记博彩app
【专利摘要】本发明涉及具有差分电流抵消的MDAC。具体而言，本发明的各个实施例提供了对参考缓冲器的参考电压源处的残差放大器输出充电电流的抵消，从而防止充电电流改变参考缓冲器的有效参考电压。在某些实施例中，通过减去相同幅值的电流来实现电流抵消。
【专利说明】具有差分电流抵消的MDAC
【技术领域】
[0001]本发明涉及模数转换器(ADC)，更具体地说，涉及通过减小流入对乘法数模转换器(MDAC)所施加的参考电压源的不希望的电流来提高转换精度的系统、设备和方法。
【背景技术】
[0002]开关电容器电路是用于模拟信号处理的成熟技术，并且它们通常优选地用于高速和高分辨率滤波器以及ADC应用，例如流水线型和sigma-delta型ADC。在流水线型ADC应用中，量化连续的模拟输入信号的负担分布于多个级之间。通常，每一级具有量化输入信号的子ADC、减去对输入信号的估计的DAC以及放大将由后续级进一步处理的差值的残差放大器。DAC和残差放大器一起被称为乘法数模转换器，或MDAC。DAC结构使用在理想情况下对输入信号或ADC数据不敏感的参考电压。将参考电压稳定为精确的电压电平是高精度数据转换器面临的主要挑战之一。由于同时进行的残差放大，使稳定参考电压变得更具挑战性，该残差放大在输出残差电压接近它的最终值时将电流注入或汲取到参考电压中。对于电路设计者而言所需要的是克服上述限制的工具。
【发明内容】
[0003]本发明的各个实施例允许抵消残差放大器的充电电流，否则当残差放大器在MDAC内生成残差信号时，充电电流会流入参考缓冲器的参考电压源。
[0004]具体地说，本发明的某些实施例提供了通过减去相同幅值的电流来抵消参考缓冲器的参考电压源处的残差放大器输出充电电流。电流抵消防止了错误的充电电流改变参考缓冲器的有效参考电压。
[0005]在本发明的某些实施例中，电流抵消减少了参考缓冲器的稳定时间并提供了具有基于运算放大器的电路的开关电容器电路的提闻的速度和降低的功耗。
[0006]在使用基于过零检测器的电路的一些实施例中，通过防止输出残差充电电流流入MDAC的参考电压节点并影响有效参考电压或在生成的ADC中产生非线性度来改善转换器的线性度。
[0007]本发明的某些特征和优点已在本
【发明内容】
部分中进行了概括的描述；然而，附加的特征、优点和实施例在本文中呈现，或者在看到本发明的附图、说明书和权利要求书之后，对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。因此，应当理解，本发明的范围不应受本
【发明内容】
部分所公开的具体实施例限制。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]将参考本发明的实施例，其示例将在附图中例示。这些附图意在说明而非进行限制。尽管在这些实施例的内容中对本发明进行了概括地描述，但应当理解这并不意在将本发明的范围限制于这些具体实施例。
[0009]图1是在使用用于残差电压放大的运算放大器的流水线型ADC级内的MDAC的说明性的现有技术实施方式的示意图。
[0010]图2是在使用用于残差电压放大的过零检测器(Z⑶)的流水线型ADC级中的MDAC的说明性的现有技术实施方式的示意图。
[0011]图3是示出现有技术ZCD电路中由恒定斜坡电流引起的参考电压的数据依赖性的示意图。
[0012]图4是根据本发明的多个实施例的电流抵消的说明性实施方式的示意图。
[0013]图5是根据本发明的多个实施例的电流抵消的另一个说明性实施方式的示意图。
[0014]图6是根据本发明的多个实施例的、在功能上类似于图5所示的电流抵消的说明性实施方式的示意图。
[0015]图7是根据本发明的多个实施例的电流抵消的另一个说明性实施方式的示意图。
[0016]图8是根据本发明的多个实施例的、图7中所呈现的电流抵消(其中，N=4)的示例性实施方式。
[0017]图9是根据本发明的多个实施例的、使用电容器和闭环运算放大器的电流抵消的说明性实施方式的示意图。
[0018]图10是根据本发明的多个实施例的、用于抵消流入参考源的电流的说明性过程的流程图。
【具体实施方式】
[0019]在下面的描述中，出于解释的目的，陈述了特定的细节从而提供对本发明的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是能够实施本发明而不用这些细节。本领域技术人员应当理解，以下所描述的本发明的实施例可以以多种方式以及使用各种手段来执行。本领域技术人员还应当理解,附加的修改、应用和实施例包含在本发明的范围内，如同本发明可以提供应用的附加的领域。因此，以下所描述的实施例是对本发明的具体实施例的例示并意在避免使本发明模糊不清。
[0020]在说明书中引用的“一个实施例”或“一实施例”表示结合实施例所描述的特定的特征、结构、特点或功能包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中多处出现的短语“在一个实施例中”、“在一实施例中”等并不必然指向同一个实施例。
[0021]此外，附图中部件之间或方法步骤之间的连接并不限制于直接实现的连接。相反，在不脱离本发明的教导的情况下，附图中所示的部件之间或方法步骤之间的连接可以通过向其添加中间部件或方法步骤来进行修改或改变。
[0022]在本文档中，术语“参考电压”表示在非理想的电压源的参考端子处的有效参考电压，如对于耦合至该电压源的电路的其余部分而言。因此，图3-图9中的附图标记302表示考虑了由附图标记304所表示的电源阻抗的影响的有效参考电压。在本文的说明中仅讨论了差分电路的一侧的情况下，应当理解，镜像侧相应地起作用。
[0023]常规地，通过使用置放于闭环反馈系统中的高增益运算放大器来实现残差放大。图1是在使用用于残差电压放大的运算放大器的流水线型ADC级内的MDAC的说明性的现有技术实施方式的不意图。输入电压142、144被米样到稱合在开关126、128、运算放大器102及开关103之间的采样电容器Cs 116、Csl 18的阵列上。子ADC140可由N个比较器组成，其中的每一个可以输出数字信号，并且每个输出可以控制开关126和128中的一个来选择VKEF+或VKEF_，VEEF+或VKEF_可以由参考缓冲器(未示出)供应。
[0024]运算放大器102通过不断地驱动输出电压来在理想情况下迫使差分输入电压在其输入端为虚地状态。如果运算放大器102可以由S域传输函数A/(l+S/cop)来近似地描述，则运算放大器102的输出电压将从其初始电压指数地稳定为稳态值。通过电容器Cfb104、106流过MDAC的开关126、128并取决于MDAC的开关126、128的配置而流入参考电压VKEF+110或电压参考Vkef_112的电流也指数地稳定下来。当ADC级100的放大器102的输出残差电压随后由后续级(未示出)采样时，理想上，极少的电流分别流入参考电压VKEF+110或V-」12。
[0025]尽管在稳态状态下几乎不存在流入参考缓冲器的电流，但在放大器102的输出电压的充电期间参考缓冲器提供了显著的电流。公知的是，如果参考缓冲器在放大器102收敛时被应用到MDAC的电容器，则放大器102和参考缓冲器两者应当同时稳定下来。理想上，小信号稳定过程的总体时间常数近似地为参考缓冲器和放大器102的时间常数之和。因此，对于可用于稳定的给定时间段，以及与具有理想参考缓冲器的情况相比较，放大器102应设计成具有高得多的速度从而确保差分信号通路在所分配的时间内稳定下来。参考缓冲器的有效稳定时间则是影响使用运算放大器的开关电容器电路的可获得的速度和电力的至关重要的度量。因此希望显著地减少由参考电压VKEF+110或Vkef_112提供的电流，以便对电容器网络差分地充电从而生成放大器102的输出残差电压。
[0026]图2是在使用用于残差电压放大的过零检测器(Z⑶)的流水线型ADC级中的MDAC的说明性的现有技术实施方式的示意图。为了清楚和简洁，与图1中示出的那些部件类似的部件将以相同方式标记。电流源206、208提供了流过反馈电容器104、106和采样电容器116,118的电流。该电流可以是恒定的电流或根据ZDC202的输入而动态地变化。
[0027]通常，在基于比较器和过零检测器的ADC架构中，残差电压以恒定的斜率接近最终值。变动的输出电压引起恒定的电流流入参考电压Vkef+110、Vkef_112，甚至在Z⑶202的输出电压由后续级(未示出)采样时的瞬间。在电流源206、208将反馈电容器104、106充电至差分输出残差电压时，ADC级200的参考电压VKEF+110或Vkef_112应当是稳定的。
[0028]图3是示出现有技术的ZCD电路中由恒定斜坡电流引起的参考电压的数据依赖性的示意图。为了清楚和简洁，在图3和后续附图中将省略图1和图2中所示出的对模拟输入电压信号的估计进行粗略地量化的子ADC140。在利用本领域公知的任何方法来采样输入电压之后，在输出残差生成阶段期间，输入与MDAC300断开连接。如图2所示，MDAC300使用Z⑶202来执行输出残差电压放大。电流源206、208在整个电荷传送期间经由反馈电容器Cfb104、106提供恒定的电流。电流量近似地等于经由各采样电容器CsI 16、118流入MDAC的开关126、128的总电流的1/N。因此，与图2中所示出的运算放大器的情况不同，输出线性地而不是指数地相互接近。电流是否流入正的或负的参考电压节点110、112是由MDAC的开关126、128的配置确定的。反过来说，开关配置是与MDAC300耦合的子ADC (未示出)的位判定(bit decision)的函数。换句话说,其中充电电流是数据依赖的。
[0029]参考电压源302具有非零的参考源阻抗Rkef304，Rkef304改变了对MDAC300而言的有效参考电压302。如图3所示，根据被切换至正的参考电压节点110的MDAC的开关126、128的配置，Reef304上的压降引起了依赖数据的误差电压V.，Veee附加至参考电压VKEF302上并影响数据转换的精度。忽略寄生电容和晶体管器件电容，对于范围从-N/2到N/2的子ADC判定Dhia。，其中N表示MDAC电容器的总数，参考电压误差Vekk表示为:
[0030]Verr = 2-1fb-Rref
[0031]充电电流参考电压中的误差引入了使生成的ADC的线性度失真的二阶失真项。如果MDAC300中的ZCD202使用了两阶段的斜坡，则第二阶段中的斜坡相比单一斜率斜坡ZCD会表现出显著较少的电流；然而，非线性度对于高精度ADC的情况来说仍是显著的。此外，由于第一阶段中的电流与第二阶段中的电流相比通常相对较大，参考电压误差相应地较大。结果，较大的参考电压误差降低了第一过零检测的精度。因此希望显著地减少在整个斜坡轨迹期间由流入非零参考源阻抗Rkef304的电流所引起的依赖数据的参考电压误差VEKK。
[0032]图4是根据本发明的多个实施例的电流抵消的说明性的实施方式的示意图。MDAC400可以实施为具有多个转换器级的流水线型ADC系统中的集成电路，所述多个转换器级将残差信号传送给后续级。MDAC400包括用于实现输出残差电压的放大的残差放大器，例如开关电容器Z⑶202。MDAC的开关126、128是受控制的，例如受由子ADC (未示出)所产生的控制信号控制。控制信号确定阵列中的每一个采样电容器CS116、CS118要耦合至哪一个参考电压(例如，两个电压Vkef+或V.中的一个)。电流源206、208生成斜坡充电电流IFB，、流经反馈电容器Cfb104、Cfb106以便将Z⑶202的输出电压渐变至适当的残差信号。
[0033]在一个实施例中，补偿电流源402将补偿电流Id注入参考电压节点110，所述补偿电流Id和流入参考电压节点110的斜坡充电电流的部分具有相同的幅值以便抵消它。类似地，既根据数据依赖性又根据时间依赖性，由补偿电流源404生成补偿电流Id以便抵消流入参考电压节点112的斜坡充电电流的部分。例如，由于对于电流源206、208的给定的斜坡充电电流来说，Veee和Dhiac是线性相关的，因此电流源402、404也应当具有相同的关系。如果斜坡充电电流的波形不是恒定的斜率而是时变的(例如两阶段斜坡)，则电流Id也应当反映斜坡充电电流的轨迹。
[0034]在一个实施例中，电流源402、404被实施为分别将电流直接地输送给相应的正的或负的参考电压节点110和112的电流型DAC。注意电流型DAC仅仅是包括串联开关的电流源，并且串联开关可以利用与MDAC的开关126、128相同的D_判定加以控制，MDAC的开关126、128将采样电容器CsI 16、118耦合至VKEF+110或VKEF_112。
[0035]图5是根据本发明的多个实施例的电流抵消的另一个说明性的实施方式的示意图。电路500包括表示为IJN:1] (t)的时变补偿电流源502的阵列。电流源502耦合在MDAC的开关126和采样电容器CsI 16的阵列之间。在一个实施例中，每一个补偿电流源502耦合至阵列116内相应的采样电容器Cs。尽管实施电流源502给电路500增加了一定量的复杂性，尤其是具有大量级位判定的实施方式，但它消除了电流源502的数据依赖性，这是非常可取的。
[0036]电流源502的输出电压可以是Vkef+或VKEF_。在一个实施例中，包括与参考电压302相比相对较大的电压的电源电压被用于确保补偿电流源502的输出范围支持电压Vkef+和Vkef-两者。考虑到电流源502需要用于适当偏置的余量并经由正的参考电压节点110接收电流，同时电流源504将电流灌入负的参考电压节点112，实施具有这样的输出范围的电流源502可能非常具有挑战性。
[0037]图6是根据本发明的多个实施例的、功能上类似于图5中所示出的电流抵消的说明性的实施方式的示意图。电流抵消电路600解决了电流源输出范围的问题以及实施和操作电流源阵列的复杂性。电容器阵列606、608分别串联耦合在电流源602、604与MDAC的开关126、128之间。在操作中，补偿电流IC602、IC604经由电容器阵列Cc606、Cc608被输送给MDAC的开关126、128。电容器阵列Cc606、Cc608将电流源602、604的输出电压和参考电压节点108、112隔离开。电流源602、604的输出电压的复位操作可用于设置类似于复位Ifb输出电压的方式的初始条件。
[0038]对于单一斜率架构来说，在输出斜坡速率不是时变的情况下，电路600的拓扑结构中的主要挑战在于确保电流源Ic602、Ic604将补偿电流的正确的量输送到参考电压节点108,112中。在实践中，由布线引起的寄生电容(未示出)和Z⑶202的输入电容将分流来源于电流源206、208的电流，以使得所需的来自电流源Ic602、604的补偿电流的量相对地小于反馈电流IFB。流入参考电压节点108、112的补偿电流可进行优化，例如通过仿真或诸如模拟或数字控制之类的调整机制，以便使潜在的误差最小化。在一个实施例中，任何未补偿的参考电压误差Vekk可以在参考源阻抗RKEF340处以与例如用于消除电容器失配的数字校准相同的过程而被校准。
[0039]对于具有时变输出斜坡轨迹的双斜率架构来说，校准时变电流源以便在整个输出波形中显著地消除参考电压误差Vekk是极具挑战性的。例如，双斜率轨迹可能会需要用于每个阶段的经调校的电流源。更复杂的波形会越来越难以补偿。
[0040]图7是根据本发明的多个实施例的电流抵消的另一个说明性的实施方式的示意图。电路700包括耦合在MDAC的开关126与充电电流源208的输出之间的差分电容性反馈通路708。反馈通路包括电容器704以及与电容器704串联耦合的电容器706的阵列。电容器704的一个端子位于充电电流源208的输出电压V0-处。
[0041 ] 假定参考电压302是恒定的，并且忽略寄生电容，则从采样电容器Cs+116流向MDAC的开关126的电流Is+710等于:
[0042]
【权利要求】
1.一种乘法数模转换器(MDAC)，用于生成残差信号，所述MDAC包括: 一组开关，所述一组开关配置为在至少第一电压节点和第二电压节点之间进行切换； 残差放大器，其包括配置为被充电至输出电压的输出，对所述残差放大器的所述输出的充电引起第一电流，所述第一电流至少流入第一电压节点或第二电压节点中的任何一个； 一组采样电容器，所述一组采样电容器耦合至所述一组开关，所述一组采样电容器配置为接收在所述第一电压节点和所述第二电压节点处的电压； 反馈电容器，其耦合至所述残差放大器的输入，所述反馈电容器被耦合以将所述反馈电容器充电至所述输出电压；以及 一个或多个补偿电流源，所述一个或多个补偿电流源耦合至所述一组开关，所述一个或多个补偿电流源提供至少部分地抵消所述第一电流的补偿电流。
2.根据权利要求1所述的MDAC，其中，所述残差放大器包括耦合至所述反馈电容器的充电电流源。
3.根据权利要求2所述的MDAC，其中，在所述残差放大器内实施所述充电电流源。
4.根据权利要求2 所述的MDAC，其中，所述反馈电流源配置为经由所述反馈电容器施加充电电流以将所述残差放大器充电至所述输出电压。
5.根据权利要求1所述的MDAC，其中，所述一个或多个补偿电流源提供与所述第一电流极性相反的补偿电流。
6.根据权利要求1所述的MDAC，其中，所述补偿电流被校准以减少所述第一电流。
7.根据权利要求1所述的MDAC，其中，所述一个或多个补偿电流源提供与所述第一电流成比例的补偿电流。
8.根据权利要求1所述的MDAC，其中，所述一个或多个电流源是可变的。
9.根据权利要求1所述的MDAC，其中，所述一个或多个电流源包括多个电容器。
10.根据权利要求9所述的MDAC，其中，所述多个电容器耦合至所述残差放大器的所述输出的相反极。
11.根据权利要求1所述的MDAC，进一步包括耦合至所述一组开关的解耦电容器的阵列以将所述一个或多个电流源的输出电压与所述一组开关隔离开。
12.根据权利要求1所述的MDAC，其中，所述一个或多个电流源包括电流型DAC。
13.根据权利要求1所述的MDAC，其中，所述残差放大器包括运算放大器，所述运算放大器包括差分输入端口和差分输出端口。
14.根据权利要求1所述的MDAC，其中，所述残差放大器包括过零检测器，所述过零检测器包括差分输入端口。
15.一种ADC系统，包括根据权利要求1所述的MDAC以及子ADC，所述子ADC接收并量化模拟输入电压。
16.根据权利要求15所述的ADC系统，其中，所述子ADC包括多个比较器，所述多个比较器中的每一个比较器输出信号以控制所述一组开关。
17.根据权利要求15所述的ADC系统，其中，所述MDAC包括能够在输入或残差电压与参考电压之间切换的电容器。
18.根据权利要求17所述的ADC系统，其中，所述子ADC生成控制信号，所述控制信号确定开关配置以选择将向所述MDAC电容器施加的参考电压。
19.一种用于减少流入MDAC的参考源的电流的方法，所述方法包括: 经由一组开关向所述MDAC内的一个或多个节点施加参考电压； 向残差放大器输出输送充电电流；以及 向所述MDAC内的所述一个或多个节点输送补偿电流。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，输送补偿电流包括:向多个反馈电容器施加所述残差放大器的差分输出电压。
【文档编号】H03M1/66GK103944573SQ201410027718
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年1月21日 优先权日:2013年1月23日
【发明者】M·A·Z·斯特拉耶尔, H-S·李, K·古拉蒂 申请人:马克西姆综合产品公司