CN108023592A - Sar模数转换器选择性同步 - Google Patents

Abstract

本公开提供了SAR模数转换器选择性同步。逐次逼近路由(SAR)模数转换器集成电路可包括多个模数转换器(ADC)共享参考电压，该参考电压可以被对参考电压进行采样的数字转换器(DAC)的电容器阵列扰动，这可以限制转换精度。在ADC间同步每个位试验可以提高准确性，但可能会减慢转换速度。在ADC之间同步至少一个但少于N个位测试的子集可以帮助获得速度和鲁棒性。这种选择子集可包括位试验对应于预定义的关键事件，例如特别期望稳定的参考电压节点的那些事件。

Description

SAR模数转换器选择性同步

技术领域

本发明通常而非限制性涉及集中电路，更特别地涉及逐次逼近路由(SAR)模数转换器(ADC)电路及其选择性同步。

背景技术

模数转换器(ADC)电路可以用于将模拟信号转换成数字信号，然后可以在数字域中进一步处理或使用数字信号。逐次逼近路由(SAR)ADC电路可以执行位试验以将模拟信号的部分与参考电压进行比较，以确定表示模拟信号的特定采样的数字字的数字位值。SARADC可以使用数模转换器(DAC)的电容器阵列来执行位试验以确定数字字的相应数字位值。位试验可以涉及一定量的时间，例如DAC信号可能需要从瞬态值稳定到稳定的值，用于前置放大器以将DAC信号的增益放大提供到特定水平，并且对于锁存电路重新产生前置放大器的输出，给出一个位试验结果。然而，高速位试验需要获得ADC的高速信号转换。

多通道ADC集成电路(IC)可包括多个通道，个人通道包括可以共享公共精密参考电压的单独ADC，用于执行位测试，例如可以提供、稳定并存储在大的片外电容器上。

发明内容

本发明人尤其认识到，ADC之间的共享参考电压可能会在ADC之间产生串扰，特别是当ADC被允许异步工作时，可能需要增加、优化或最大化各个ADC的转换速度。当选择DAC的电容器连接到位试验的参考电压节点时，将所选择的电容器充电到参考电压将从参考电压节点绘出电流。即使参考电压节点被放大器主动地稳定并保持在大的芯片外存储电容器上，也可以扰乱参考电压。

尽管将各种ADC的每个位试验同步到其他ADC的相应位试验可以为转换提供“安静”的时间，在此期间可以避免串扰，但这种同步可能会减慢转换过程。

本公开提供了解决这个问题的另一种方法，其可以只是同步所有(或跨越至少2个的选择子集中的至少一个、但少于N个)至少一个但不到N个的仔细选择子集同一个IC芯片上的ADC。该选择子集与位于同一个IC中的所有或其他ADC的选择子集的位试验中的至少一个但少于N个可以包含位置试验对应于预定义的关键事件，例如因为特别期望稳定参考电压节点的事件。这可以帮助获得良好的速度和鲁棒性。

本概述旨在提供本专利申请的主题的概述。本发明不是提供专门的或详尽的解释。包括详细描述以提供有关本专利申请的进一步信息。

附图说明

在不一定按比例绘制的附图中，相同的数字可以在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似的数字可以表示相似组件的不同实例。附图通过举例而不是限制的方式说明本文件中讨论的各种实施例。

图1是示出给定模数转换器(ADC)电路中模数转换的连续位试验之间的定时变化的时序图。

图2示出了多通道模数转换器IC中的流水线ADC的一个通道的示例。

图3A示出了多通道ADC的部分的框图。

图3B示出了用于在图3A的示例中在同一IC上的不同通道的ADC同步的伴随时序图。

图4是计算机模拟瞬态分析结果，显示两个不同ADC之间共享的参考电压的变化，用于同步和非同步情况。

具体实施方式

本文件尤其描述了可用于仅在同一IC芯片上的至少两个ADC的跨越所有或一个选择子集的至少一个但少于N的位试验的仔细选择子集的同步技术。位试验中至少一个但少于N个该选择子集与位于同一个IC中的其他ADC的所有或一个选择子集同步，可以包括对应于预定义的关键事件的位试验，例如特别期望稳定的参考电压节点的那些事件。这可以帮助获得良好的速度和鲁棒性。

图1是示出给定模数转换器(ADC)电路中模数转换的连续位试验之间的定时变化的时序图。图1显示了一个例子，其中N^th试验比第(N-1)^th位试验更长，即使当它们各自的数模(DAC)转换时间和前置放大器增益时间相同时。在位试验结束时，位试验结果可以由再生锁存电路锁存。锁定位试验结果所涉及的再生可引入时间变异性，例如可以依赖于信号，并可能在再生锁存中涉及一定程度的亚稳态，如图1所示。再生锁存电路可以异步运行，锁存电路输出端的逻辑指示锁存完成时间，因此该ADC电路的位试验完成。在位试验期间的再生锁存时间变异性或其他时间变异性可以减慢经历长位试验的ADC的模数转换。不同通道异步运行的ADC可以提高转换时间，但是可以增加对来自其他异步操作的ADC的参考电压扰动的敏感性，这可能会在特定ADC最需要参考电压在其位试验期间采样稳定的时间内干扰参考电压。如果在单个集成电路管芯的不同通道上有多个ADC异步工作，即使每个ADC都被修剪到给定的转换时间，所有ADC的组合的总体组合转换时间也可以变化，例如由于修整分辨率，或者由于在锁存电路中出现亚稳态而导致特别长的位试验。在转换敏感的采样事件期间，可能没有任何“安静的时间”。共享电压参考节点上的容性负载变得更加不可预测。

解决这个问题的一个方法是完全同步IC上的所有ADC，使得每个ADC的N位试验(i＝1、2、...N)的每个第i位试验，在完成特定的第i位试验后，在继续进行第(i+1)位试验之前，每个ADC等待IC上所有其他ADC的相应第i位试验完成。一个ADC中的慢位试验(由于更长的再生时间或不同的DAC稳定/比较器增益时间)将使所有其他ADC减慢。

解决这个问题的另一种方法是同步仅在同一IC芯片上的至少2个ADC的跨越所有或一个选择子集的至少一个但少于N个位试验的仔细的选择子集。至少一个但少于N个位试验的选择子集与位于同一个IC中的其他ADC的所有或一个选择子集同步，其可以包含对应于预定义的关键事件的位试验，例如因为特别期望稳定参考电压节点的事件。可以包括(或可以限制)的被同步的这种预定义的关键事件的示例：(1)流水线或其他阶段ADC的第一阶段的残留放大器的采样；(2)从参考电压节点中选出一个或多个位试验，如最高有效位(MSB)位试验，其可以将DAC的最大选定电容值放在参考电压节点上；或者(1)和(2)两者。

图2示出了流水线多通道模数转换器IC的一个通道200的示例。在图2的示例中，通道200可以包括可以包括第一阶段ADC1 202A、第二级ADC2 202B和辅助“微型ADC 203”的ADC 202。采样的模拟输入信号(待转换为N位数字字)，例如Vip和Vin之间的差分信号，可以提供给微型ADC 203和第一段ADC1 202A。微型ADC 203可以被配置为比第一阶段ADC1 202A更快地解析由第一阶段ADC1 202A解析的M个比特的第一(例如，最高有效)K比特，其中K<M。这可以使用不同的迷你ADC类型(例如，闪存ADC 203和SAR ADC 202A)来实现，或者通过在SAR微型ADC 203中使用较小的电容器来实现，因为它不需要具有来自第一级ADC1 202A的所需的全分辨率，或使用其他技术。微型ADC203可以提供其转换为第一级ADC1 202A的K位的转换结果。这可以由第一阶段ADC1 202A用于转换剩余的M-K位，例如通过使用SAR位试验。

残留放大器(RA)204可以接收由第一级ADC1 202A从第一M位的转换剩下的残留。RA204可以放大残差并将该放大后的残留输出到第二级ADC2 202B的输入端，用于将残差转换成剩余的P＝N-K位。在一个示例中，在第一M位被转换之后，并且在由第二ADC2 202B转换第(M+1)位之前，由RA204提供的残留物对第二级ADC2 202B的采样构成在同一IC上的ADC的一个或多个或所有其他通道同步的预定义的关键事件，在这些其他ADC中的任何一个执行其位试验以转换其各自的(M+1)位之前。在一个例子中，另一个位试验不需要在同一个IC上的其他ADC之间同步。在一个例子中，只有一些(对应于预定义的关键事件的那些)，而不是所有的其他位试验都可以在同一个IC上的其他ADC之间同步。

在另一个例子中，将最大DAC电容阵列电容值放置在参考电压上的第i位试验可以在同一IC上的其他通道的其他ADC之间同步，因为这最有可能扰乱参考电压，因此，当参考电压更可能稳定时，可以期望采样时间。在某些例子中，将最大的DAC电容阵列电容值放在参考电压上的第i位试验是最高有效位(MSB)位试验，这是同一IC上的ADC同步的MSB位试验，而不是所有位试验。在其他示例中，例如在流水线式SAR ADC中，当微型ADC的位试验结果加载到第一阶段ADC1时，最大的电容器被切换到参考电压。在这样的示例中，该事件可以在同一个IC上的所有ADC中同步。

如上所述，同步IC的不同通道上的ADC同步一些但不是全部的N位试验可以允许使用在同一IC的不同通道上共享的参考电压节点进行准确的操作，同时允许通过允许另一个或多个位试验在同一IC上的不同通道的ADC之间保持不同步来允许更高速度的转换。

图3A示出了多通道ADC 302的部分的框图，图3B示出了用于在同一IC上跨不同通道的ADC同步的伴随时序图304。虽然图3A示出了两个ADC 306A、B的部分，但这是为了便于说明；图3A旨在表示任何数量的通道和任何相应数量的ADC。每个ADC通道可以包括同步逻辑308、逐次逼近路由(SAR)逻辑310和位试验结果锁存器312。如上所述，如果第i位试验(N位试验)是一个关键事件，那么可以期望从同一个IC的各个通道上的所有ADC的开始同步。首先，将第(i-1)位试验的ADC位测验结果的传播门限为SAR逻辑。然后，只有在相同IC的各种通道上的每个ADC的(i-1)位验证结果之后才将第(i-1)位试验的结果释放到SAR逻辑310变得可用。

时序图304示出了其示例。在时序图304中，第(i-1)位试验的结果在两个不同时间变得可用，由res_latch1信号所示，比从低到高的res_latch2信号从低到高转换。只有当两个结果(或更全面的情况下所有ADC的全部第(i-1)位验证结果)都可用时，同步逻辑308产生将第(i-1)位试验的结果释放到SAR逻辑310的门结果信号，例如由允许第一ADC 306A进行其第i位试验的res_sync1信号和允许第二ADC 306B进行其第i位试验的同步res_sync2信号所指示的。这确保了第i位试验的开始在两个或多个不同的ADC中同步。

图4是计算机模拟瞬态分析结果，显示两个不同ADC之间共享的参考电压的变化，用于同步和非同步情况，例如允许在其间进行比较。在图4中，最顶层的信号迹线显示了两个不同步ADC的残留放大器(RA)采样事件的边沿跳变。第二个从顶部的信号轨迹显示参考电压节点的扰动，其发生在不同的时间，并且由于两个ADC的异步操作，导致第二ADC在仍然从第一ADC的扰动恢复时对参考电压进行采样，这可能导致同步的第i位试验的转换不准确。第三个来自顶部的信号跟踪显示边缘转换，指示两个同步ADC的RA采样事件。底部信号迹线在两个同步的ADC的RA采样期间显示相应的未受干扰的参考电压，这将提高同步的第i位试验的转换的准确性。

如本文所解释的，本方法可以包括同步仅在相同的IC芯片上的至少两个ADC的跨越所有或一个选择子集的位试验的至少一个但少于N个的仔细选择子集。该选择子集至少一个但少于N个的位试验将与同一IC上的其他ADC的所有或一个选择子集同步，其可包括对应于预定义的关键事件的位试验，例如特别期望稳定的参考电压节点的那些事件。这可以帮助优化速度和鲁棒性之间的权衡。预定义的关键事件的例子如上所述。确定哪些事件被预先定义为关键事件的一种方法是将其作为关键决策点，由于缺乏同步，只有那些决定点其中DAC比较器建立错误就在SAR位置试验决定之前高于错误预算，如模数转换的冗余预算。例如，ADC1在流水线SAR中的第一个位试验，如图2所示，与任何其他位置试验相比，将从参考节点获取最大电流，并可能引起长时间的稳定瞬变。如果该位试验不同步，则可能会导致其他ADC的错误大于其可用冗余。然而，这个相同的标准也可以应用于一个或多个其他位试验，以确定它们是否应被视为和预定义为应该在使用共享参考电压的多通道ADCIC的各种选定ADC(或所有ADC)之间同步的关键决策点，同时留下位试验的一个或多个其他同步以提高转换速度。

各种注释

以上描述包括对作为详细描述的一部分的附图的参考。附图通过说明的方式示出了可以实施本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”。除了所示出或描述的之外，这些示例可以包括元件。然而，本发明人还考虑了例子，其中仅提供了显示或描述的那些元件。此外，本发明人还考虑了关于特定实施例(或其一个或多个方面)或相对于其它实施例使用所示或描述的那些元件(或其一个或多个方面)的任何组合或排列的示例(或其一个或多个方面)。

如果本文档与通过引用并入的任何文档之间的使用不一致，则按本文档中的用法控制。

在本文件中，专利文献中常用的术语“一种”或“一个”包括一个或多于一个、独立于“至少一个”或“一个或多个”的任何其他实例或用途。在本文件中，“或”一词用于指指非专属或，例如“A或B包括“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”，除非另有说明。在本文中，术语“包括”和“其中”用作各自术语“包括”和“其中”的等同词。此外，在下列权利要求中，术语“包括”和“包含”是开放式的，即，除了在权利要求中的这样一个术语之后列出的那些之外，包含元素的系统、设备、文章、组成、制定或过程仍然被认为属于该权利要求的范围。此外，在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并不意图对其对象施加数字要求。

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上述描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述实施例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。可以使用其它实施例，例如本领域普通技术人员在阅读上述描述之后。摘要提供符合37C.F.R.§1.72(b)，允许读者快速确定技术披露的性质。提交它的理解是，它不会用于解释或限制权利要求的范围或含义。另外，在上述详细描述中，各种特征可以被分组在一起以简化本公开。这不应被解释为意图无声公开的功能对于任何权利要求是至关重要的。相反，本发明的主题可能在于比特定公开的实施例的所有特征的少。因此，以下权利要求书作为示例或实施例被并入详细描述中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且预期这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。

Claims (20)

1.逐次逼近路由(SAR)多通道模数转换器(ADC)集成电路器件，包括：

相同集成电路上的多个N位ADC；

由多个ADC共享的参考电压电路，用于执行位试验将模拟信号样本转换为N位数字字；和

同步电路，用于同步跨越多个ADC中的至少两个的选择子集的位试验中的至少一个但少于N个的预定义子集。

2.权利要求1所述的器件，其中所述预定义子集包括以下中的至少一种：

(1)用于对流水线或其他阶段ADC的第一阶段的残留放大器进行采样的位试验；

(2)在第一阶段ADC上加载辅助微型ADC的位试验结果时发生的流水线或其他阶段ADC的第一阶段ADC的位试验；

(3)数模转换器(DAC)的最高有效位(MSB)位试验；或

(4)N位的选择位试验将最大的电容值放置在参考电压节点上。

3.权利要求1所述的器件，其中所述预定义子集包括用于对流水线或其他阶段ADC的第一阶段的残留放大器进行采样的位试验。

4.权利要求1所述的器件，其中所述预定义子集包括在第一阶段ADC上加载辅助微型ADC的位试验结果时发生的流水线或其他阶段ADC的第一阶段ADC的位试验。

5.权利要求1所述的器件，其中所述预定义子集包括数模转换器(DAC)的最高有效位(MSB)位试验。

6.权利要求1所述的器件，其中所述预定义子集包括N位的选择位试验将最大的电容值放置在参考电压节点上。

7.权利要求1所述的器件，其中所述预定义子集限制于一个或多个位试验，其中数模(DAC)转换器误差就在SAR位试验决定超过N位模数转换的误差预算之前。

8.权利要求1所述的器件，其中同步发生在位试验的预定义子集中的同步位试验的开头，以便在ADC之间同步。

9.权利要求1所述的器件，其中所述预定义子集仅限于以下之一：

(1)用于对流水线或其他阶段ADC的第一阶段的残留放大器进行采样的位试验；

(2)在第一阶段ADC上加载辅助微型ADC的位试验结果时发生的流水线或其他阶段ADC的第一阶段ADC的位试验；

(3)最高有效位(MSB)位试验；或

(4)N位的选择位试验将最大的电容值放置在参考电压节点上。

10.逐次逼近路由(SAR)多通道模数转换(ADC)方法，包括：

在相同集成电路上使用不同通道执行多个N位ADC，包括各自的ADC电路和共享参考信号以用于SAR位试验；和

跨越至少两个通道的选择子集同步位试验的至少一个但少于N个的预定义子集。

11.权利要求10所述的方法，其中所述预定义子集包括以下中的至少一种：

(1)用于对流水线或其他阶段ADC电路的第一阶段的残留放大器进行采样的位试验；

(2)在第一阶段ADC电路上加载辅助微型ADC电路的位试验结果时发生的流水线或其他阶段ADC电路的第一阶段ADC电路的位试验；

(3)数模转换器(DAC)的最高有效位(MSB)位试验；或

(4)N位的选择位试验将最大的电容值放置在参考电压节点上。

12.权利要求10所述的器件，其中所述预定义子集包括用于对流水线或其他阶段ADC电路的第一阶段的残留放大器进行采样的位试验。

13.权利要求10所述的器件，其中所述预定义子集包括：在第一阶段ADC电路上加载辅助微型ADC电路的位试验结果时发生的流水线或其他阶段ADC电路的第一阶段ADC电路的位试验。

14.权利要求10所述的器件，其中所述预定义子集包括数模转换器(DAC)的最高有效位(MSB)位试验。

15.权利要求10所述的器件，其中所述预定义子集包括N位的选择位试验将最大的电容值放置在参考电压节点上。

16.权利要求10所述的器件，其中所述预定义子集限制于一个或多个位试验，其中数模(DAC)转换器误差就在SAR位试验决定超过N位模数转换的误差预算之前。

17.权利要求10所述的器件，其中同步发生在位试验的预定义子集中的同步位试验的开头，以便在ADC之间同步。

18.权利要求10所述的器件，其中所述预定义子集仅限于以下之一：

(1)用于对流水线或其他阶段ADC的第一阶段的残留放大器进行采样的位试验；

(2)在第一阶段ADC上加载辅助微型ADC的位试验结果时发生的流水线或其他阶段ADC的第一阶段ADC的位试验；

(3)最高有效位(MSB)位试验；或

(4)N位的选择位试验将最大的电容值放置在参考电压节点上。

19.一种逐次逼近路由(SAR)多通道模数转换(ADC)方法，包括：

在相同集成电路上使用不同通道执行多个N位ADC，包括各自的ADC电路和共享参考信号以用于SAR位试验；和

跨越相同集成电路上ADC电路的所有通道同步位试验的至少一个但少于N个的预定义子集。

20.权利要求19所述的方法，其中所述预定义子集限于以下一种或任何组合：

(1)用于对流水线或其他阶段ADC的第一阶段的残留放大器进行采样的位试验；

(2)在第一阶段ADC上加载辅助微型ADC的位试验结果时发生的流水线或其他阶段ADC的第一阶段ADC的位试验；

(3)最高有效位(MSB)位试验；或

(4)N位的选择位试验将最大的电容值放置在参考电压节点上。