逐渐逼近暂存器式模拟数字转换器与信号转换方法

技术领域

本申请涉及模拟数字转换器，具体是使用电荷注入式数字模拟转换器电路的逐渐逼近暂存器式模拟数字转换器与信号转换方法。

背景技术

在逐渐逼近暂存器式模拟数字转换器中，数字模拟转换器电路可在模拟数字转换的过程中依序进行切换，以完成逐渐逼近演算法的相关操作。在一些技术中，数字模拟转换器电路可由电流式的数字模拟转换器实施。然而，在这些技术中，为了降低电流式的数字模拟转换器中多个电流源电路之间的不匹配的影响，需使用额外的数字模拟转换器来校准(或补偿)这些电流源电路。为了确保该额外的数字模拟转换器的精准度，该额外的数字模拟转换器会使用较大的电路面积来实施。如此一来，将使得整体电路面积以及装置成本明显增加。

发明内容

在一些实施方式中，逐渐逼近暂存器式模拟数字转换器包含电荷注入式数字模拟转换器电路、比较器电路以及控制逻辑电路系统。电荷注入式数字模拟转换器电路包含多个电容以及多个电荷注入电路。这些电容用以对多个输入信号分别取样以产生第一信号以及第二信号。这些电荷注入电路用以根据多个致能信号以及多个决策信号选择性地调整第一信号或第二信号中至少一者。比较器电路用以比较该第一信号与该第二信号以产生这些决策信号。控制逻辑电路系统用以在一初始期间控制这些电荷注入电路中的一第一电荷注入电路调整该第一信号与该第二信号，以根据对应于该初始期间的这些决策信号调整该第一电荷注入电路之一切换顺序，并在一模拟数字转换期间根据这些决策信号以及经调整后的该切换顺序产生这些致能信号，以产生一数字输出。

在一些实施方式中，信号转换方法包含下列操作：藉由多个电容对多个输入信号分别取样以产生一第一信号以及一第二信号；藉由多个电荷注入电路根据多个致能信号以及多个决策信号选择性地调整该第一信号或该第二信号中至少一者；比较该第一信号与该第二信号以产生这些决策信号；在一初始期间控制这些电荷注入电路中的一第一电荷注入电路调整该第一信号与该第二信号，以根据对应于该初始期间的这些决策信号调整该第一电荷注入电路之一切换顺序；以及在一模拟数字转换期间根据这些决策信号以及经调整后的该切换顺序产生这些致能信号，以产生一数字输出。

有关本申请的特征、实际操作与效果，兹配合图式作优选实施例详细说明如下。

附图说明

图1为根据本申请一些实施例绘制一种逐渐逼近暂存器式模拟数字转换器的示意图；

图2为根据本申请一些实施例绘制图1中的电荷注入电路的示意图；

图3A为根据本申请一些实施例绘制图1中的控制逻辑电路系统在初始期间执行的多个操作的流程图；

图3B为根据本申请一些实施例绘制图3A中的部分操作的概念示意图；以及

图4为根据本申请一些实施例绘制的一种信号转换方法的流程图。

具体实施方式

本文所使用的所有词汇具有其通常的含义。上述词汇在普遍常用的字典中的定义，在本申请的内容中包含任一于此讨论的词汇的使用例子仅为示例，不应限制到本申请的范围与含义。同样地，本申请也不仅以于此说明书所示出的各种实施例为限。

关于本文中所使用的“耦接”或“连接”，均可指两个或多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，也可指两个或多个元件相互操作或动作。如本文所用，用语“电路系统”可为由至少一电路形成的单一系统，且用语“电路”可为由至少一个电晶体与/或至少一个主被动元件按一定方式连接以处理信号的装置。

如本文所用，用语“与/或”包含了列出的关联项目中的一个或多个的任何组合。在本文中，使用第一、第二与第三等的词汇，是用于描述并辨别各个元件。因此，在本文中的第一元件也可被称为第二元件，而不脱离本申请的本意。为易于理解，于各图式中的类似元件将被指定为相同标号。

图1为根据本申请一些实施例绘制一种逐渐逼近暂存器式(successiveapproximation register)模拟数字转换器100的示意图。逐渐逼近暂存器式模拟数字转换器100包含开关SW1、开关SW2、比较器电路120、电荷注入式(charge injection)数字模拟转换器电路140以及控制逻辑电路系统160。

基于控制逻辑电路系统160的控制，开关SW1与开关SW2在取样期间导通以传输输入信号VIP以及输入信号VIN至电荷注入式数字模拟转换器电路140。基于控制逻辑电路系统160的控制，开关SW1与开关SW2在逐渐逼近暂存器式模拟数字转换器100操作于模拟数字转换期间不导通。

电荷注入式数字模拟转换器电路140包含电容C1、电容C2以及多个电荷注入电路141[1]～141[4]。在逐渐逼近暂存器式模拟数字转换器100操作于取样期间时，电容C1与电容C2可分别对输入信号VIP以及输入信号VIN取样，以产生信号VP以及信号VN。在逐渐逼近暂存器式模拟数字转换器100操作于模拟数字转换期间时，多个电荷注入电路141[1]～141[4]可根据多个致能信号EN1[1]～EN1[8]、EN2[1]～EN2[4]、EN3[1]～EN3[2]与EN4[1]、决策信号VOP以及决策信号VON选择性地调整电容C1或电容C2中至少一者所储存的电荷，进而调整信号VP的电平与/或信号VN的电平。

于此实施例中，多个电荷注入电路141[1]～141[4]被设定为自电容C1或电容C2汲取电流。例如，电荷注入电路141[1]可根据多个致能信号EN1[1]～EN1[8]致能，并根据决策信号VOP与决策信号VON决定自电容C1或电容C2汲取电流，或是不自电容C1与电容C2汲取电流。电荷注入电路141[2]可根据多个致能信号EN2[1]～EN2[4]致能，并根据决策信号VOP与决策信号VON决定自电容C1或电容C2汲取电流，或是不自电容C1与电容C2汲取电流。电荷注入电路141[3]可根据多个致能信号EN3[1]～EN3[2]致能，并根据决策信号VOP与决策信号VON决定自电容C1或电容C2汲取电流，或是不自电容C1与电容C2汲取电流。电荷注入电路141[4]可根据多个致能信号EN4[1]致能，并根据决策信号VOP与决策信号VON决定自电容C1或电容C2汲取电流，或是不自电容C1与电容C2汲取电流。为易于理解，多个电荷注入电路141[1]～141[4]所抽取的电流值可基于二进制编码的方式依序设定为8I、4I、2I与1I，其中I为单位电流，但本申请并不以此为限。关于多个电荷注入电路141[1]～141[4]的设置方式将于后参照图2说明。

于一些实施例中，控制逻辑电路系统160可控制开关SW1、开关SW2、比较器电路120以及电荷注入式数字模拟转换器电路140的时序。控制逻辑电路系统160可在初始期间控制多个电荷注入电路141[1]～141[4]中的至少一电路(后称第一电荷注入电路)调整信号VP与信号VN，且比较器电路120可在此初始期间内比较信号VP以及信号VN以产生对应于初始期间的决策信号VON以及决策信号VOP。控制逻辑电路系统160可根据对应于初始期间的决策信号VON以及决策信号VOP调整该第一电荷注入电路的一切换顺序。如此一来，可以提升第一电荷注入电路的线性度，进而提高数字输出DOUT的解析度。于一些实施例中，控制逻辑电路系统160可在初始期间基于第一电荷注入电路中的多个电流源电路(例如为图3A中的多个电流源电路203[1]～203[8])的电流调整切换顺序。关于此处的操作将于后参照图3A与图3B说明。

于一些实施例中，前述的初始期间可为(但不限于)逐渐逼近暂存器式模拟数字转换器100首次启动后的一段预定期间。于一些实施例中，该第一电荷注入电路可为电荷注入式数字模拟转换器电路140中对应于最高有效比特的电荷注入电路(例如为电荷注入电路141[1])。于另一些实施例中，该第一电荷注入电路可为电荷注入式数字模拟转换器电路140中所有具有多个电流源电路的电荷注入电路(例如为电荷注入电路141[1]～141[3])。

在模拟数字转换期间，比较器电路120可比较信号VP以及信号VN以产生决策信号VON以及决策信号VOP。控制逻辑电路系统160可根据对应于模拟数字转换期间的决策信号VON与决策信号VOP以及经调整后的切换顺序来产生前述多个致能信号EN1[1]～EN1[8]、EN2[1]～EN2[4]、EN3[1]～EN3[2]与EN4[1]，并产生数字输出DOUT。例如，控制逻辑电路系统160可根据对应于模拟数字转换期间的决策信号VON与决策信号VOP执行一逐渐逼近演算法(例如可为，但不限于，二元搜索演算法)，并按照经调整后的切换顺序产生多个致能信号EN1[1]～EN1[8]、EN2[1]～EN2[4]、EN3[1]～EN3[2]与EN4[1]。

在上述的过程中，控制逻辑电路系统160可根据每次比较产生的决策信号VON与决策信号VOP执行逐渐逼近演算法，以决定数字输出DOUT的一个比特。于一些实施例中，控制逻辑电路系统160可由一个或多个数字信号处理电路实施，其中该一个或多个数字信号处理电路可用以执行逐渐逼近演算法、控制逐渐逼近暂存器式模拟数字转换器100中其他电路的时序以及在初始期间对第一电荷注入电路进行校正(即图3A中的多个操作)。

图2为根据本申请一些实施例绘制图1中的电荷注入电路141[1]的示意图。于此例中，电荷注入电路141[1]包含多个控制电路201[1]～201[8]、多个切换电路202[1]～202[8]以及多个电流源电路203[1]～203[8]。为求精简，上述电路于图中有若干省略。

多个控制电路201[1]～201[8]中每一者根据多个致能信号EN1[1]～EN1[8]中的一个对应者、决策信号VOP以及决策信号VON产生多个切换信号E1[1]～E1[8]中的一者。详细而言，控制电路201[1]根据致能信号EN1[1]、决策信号VOP以及决策信号VON产生切换信号E1[1]。控制电路201[2]根据致能信号EN1[2]、决策信号VOP以及决策信号VON产生切换信号E1[2]。依此类推，控制电路201[8]根据致能信号EN1[8]、决策信号VOP以及决策信号VON产生切换信号E1[8]。于一些实施例中，多个控制电路201[1]～201[8]中的每一者可由数个逻辑门电路实施，以产生多个切换信号E1[1]～E1[8]中的一个对应者的多个控制比特。

多个切换电路202[1]～202[8]中每一者根据多个切换信号E1[1]～E1[8]中的一个对应者选择性地连接至电容C1与电容C2中的一个者或是不连接到电容C1与电容C2。例如，多个切换电路202[1]～202[8]中每一者可由数个开关实施。这些开关可根据多个切换信号E1[1]～E1[8]中的一个对应者的多个比特选择性地导通以连接至电容C1或电容C2，或可根据这些比特全部关断而不连接至电容C1与电容C2。多个电流源电路203[1]～203[8]中每一者可经由这些多个切换电路202[1]～202[8]中的一个对应者连接至电容C1或电容C2以对电容C1或电容C2进行放电(即自电容C1或电容C2汲取电流)。例如，切换电路202[1]可根据切换信号E1[1]连接至电容C1，且电流源电路203[1]可经由切换电路202[1]连接至电容C1，以对电容C1放电。如此一来，信号VP的电平将会变低。或者，若这些多个切换电路202[1]～202[8]中的一个对应切换电路(例如为切换电路202[1])不连接至电容C1与电容C2，电流源电路203[1]～203[8]中的一个对应者(例如为电流源电路203[1])无法经由该对应切换电路对电容C1或电容C2进行放电(即不自电容C1与电容C2汲取电流)。依此类推，应可理解剩余的切换电路202[2]～202[8]以及剩余的电流源电路203[2]～203[8]之间的设置方式。

如先前所述，电荷注入电路141[1]所汲取的电流为8I，于此例中，多个电流源电路203[1]～203[8]是基于温度计码的方式设置。换言之，多个电流源电路203[1]～203[8]中每一者所汲取的电流皆为一个单位电流I。当所有的电流源电路203[1]～203[8]被致能(即对应的多个切换电路202[1]～202[8]皆导通以连接至电容C1或电容C2)时，电荷注入电路141[1]可自电容C1或电容C2汲取的总电流为8I。

多个电荷注入电路141[2]～141[4]的设置方式类似于电荷注入电路141[1]，故于此不再重复赘述。应当理解，图1以及图2中的电路数量以及上述提及的电流数值仅用于示例，且本申请并不以此为限。根据不同实际应用需求，可相应调整图1以及图2中的电路数量与/或电流数值。

图3A为根据本申请一些实施例绘制图1中的控制逻辑电路系统160于初始期间执行的多个操作的流程图。图3B为根据本申请一些实施例绘制图3A中的部分操作的概念示意图。为易于理解调整电流注入电路141[1]的切换顺序的相关操作，请一并参照图3A与图3B。

如图3B所示，多个电流源电路203[1]～203[8]的电流依序为I

参照图3A，于操作S310，于初始期间控制多个电流源电路中的第一电流源电路(例如为图2的电流源电路203[4])调整多个电容中的第一电容(例如为电容C1)所储存的电荷，以调整该第一电容所输出的第一信号(例如为信号VP)。于操作S320，于初始期间控制多个电流源电路中的第二电流源电路(例如为图2的电流源电路203[1])调整多个电容中的第二电容(例如为电容C2)所储存的电荷，以调整该第二电容所输出的第二信号(例如为信号VN)。

例如，于初始期间，电容C1与电容C2可经由一预定电压(例如为，但不限于，共模电压)重置而储存有一预定电荷量。若以电流源电路203[4]的电流I

继续参照图3A，于操作S330，重复比较第一信号与第二信号，以产生对应于初始期间的多个决策信号(例如为决策信号VON以及决策信号VOP)。于操作S340，根据对应于初始期间的多个决策信号根据确认第一电流源电路的电流值与第二电流源电路的电流值之间的差异。

在先前的例子中，若信号VP低于信号VN，比较器电路120输出具有第一逻辑值(例如为逻辑值1)的决策信号VON以及具有第二逻辑值(例如为逻辑值0)的决策信号VOP。于此条件下，代表电容C1所储存的电荷量少于电容C2所储存的电荷量。换句话说，相较于电流源电路203[1]，电流源电路203[4]可在相同期间内抽取较多的电荷。因此，控制逻辑电路系统160可推测电流源电路203[4]的电流I

基于上述操作，比较器电路120可重复比较信号VP与信号VN，以取得多组(例如为，但不限于，1000组)的决策信号VON以及决策信号VOP。比较器电路120可记录这些决策信号VON以及决策信号VOP，以决定电流源电路203[4]的电流I

继续参照图3A，于操作S350，重复操作S310至操作S340，以确认剩余电流源电路中每一者的电流值与第一电流源电路的电流值(例如为电流I

举例来说，在电流源电路203[4]与电流源电路203[1]的1000个比较结果中，有700个比较结果(例如为决策信号VON具有逻辑值1且决策信号VOP具有逻辑值0的次数)指示电流I

上述仅以多次决策来说明操作S350的一实施方式，但本申请并不以此为限。于其他实施例中，控制逻辑电路系统160可以基于多组决策信号VOP以及决策信号VON来执行一统计运算，以决定多个电流I

继续参照图3A，于操作S360，基于一递增次序逐步地加总这些电流源电路的电流，以调整多个电流源电路的切换顺序。

例如，如图3B所示，控制逻辑电路系统160可依据数字码的递增次序来切换多个电流源电路203[1]～203[8]。例如，响应数字码D1，具有最小电流I

于一些实施例中，控制逻辑电路系统160还包含一暂存器电路(图中未示出)，其可记录多个致能信号EN1[1]～EN1[8]与调整后的切换顺序之间的对应关系。例如，在记录该对应关系后，在模拟数字转换期间，若控制逻辑电路系统160响应于决策信号VOP与决策信号VON判断数字输出DOUT中的一数字码为数字码D1，控制逻辑电路系统160可输出具有对应逻辑值的致能信号EN1[1]来致能电流源电路203[1]。或者，若控制逻辑电路系统160响应于决策信号VOP与决策信号VON判断数字输出DOUT中的该数字码为数字码D2，控制逻辑电路系统160可输出具有对应逻辑值的致能信号EN1[1]与致能信号EN1[3]，以致能电流源电路203[1]与电流源电路203[3]。

藉由上述操作，控制逻辑电路系统160可在未使用额外的数字模拟转换器或电流源电路来校正电荷注入式数字模拟转换器电路140。如此一来，可在未明显增加电路面积下改善电荷注入式数字模拟转换器电路140的线性度。

图4为根据本申请一些实施例绘制的一种信号转换方法400的流程图。于操作S410，藉由多个电容(例如为电容C1以及电容C2)对多个输入信号(例如为输入信号VIP以及输入信号VIN)分别取样以产生第一信号以及第二信号(例如为信号VP以及信号VN)。于操作S420，藉由多个电荷注入电路(例如为电荷注入电路141[1]～141[4])根据多个致能信号以及多个决策信号选择性地调整该第一信号或该第二信号中至少一者。于操作S430，比较该第一信号与该第二信号以产生这些决策信号。于操作S440，在初始期间控制这些电荷注入电路中的第一电荷注入电路调整该第一信号与该第二信号，以根据对应于该初始期间的这些决策信号调整该第一电荷注入电路的一切换顺序。于操作S450，在模拟数字转换期间根据这些决策信号以及经调整后的该切换顺序产生这些致能信号，以产生数字输出(例如为数字输出DOUT)。

上述多个操作可参考前述的多个实施例理解，故于此不再重复赘述。上述信号转换方法400的多个操作仅为示例，并非限定需依照此示例中的顺序执行。在不违背本申请的各实施例的操作方式与范围下，在信号转换方法400下的各种操作当可适当地增加、替换、省略或以不同顺序执行(例如可以是同时执行或是部分同时执行)。例如，操作S440可以在逐渐逼近暂存器式模拟数字转换器100开机后的初始期间执行，且多个操作S410、S420、S430与S450可以在逐渐逼近暂存器式模拟数字转换器100执行模拟数字转换的期间执行。

综上所述，本申请一些实施例中提供的逐渐逼近暂存器式模拟数字转换器与信号转换方法可利用装置开机后的初始期间重新排序电荷注入电路中的多个电流源电路的切换顺序。如此一来，可在未使用额外的数字模拟转换器下降低不匹配的影响，以提高线性度。

虽然本申请的实施例如上所述，然而这些实施例并非用来限定本申请，本技术领域具有通常知识者可依据本申请的明示或隐含的内容对本申请的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本申请所寻求的专利保护范畴，换言之，本申请的专利保护范围须视本说明书的权利要求范围所界定者为准。

【符号说明】

100:逐渐逼近暂存器式模拟数字转换器

120:比较器电路

140:电荷注入式数字模拟转换器电路

141[1]～141[4]:电荷注入电路

160:控制逻辑电路系统

201[1]～201[8]:控制电路

202[1]～202[8]:切换电路

203[1]～203[8]:电流源电路

400:信号转换方法

C1,C2:电容

D1～D8:数字码

DOUT:数字输出

E1[1]～E1[8]:切换信号

EN1[1]～EN1[8],EN2[1]～EN2[4],EN3[1]～EN3[2],EN4[1]:致能信号

I:单位电流

I

S310,S320,S330,S340,S350,S360:操作

S410,S420,S430,S440,S450:操作

SW1,SW2:开关

VIN,VIP:输入信号

VN,VP:信号

VON,VOP:决策信号。