模拟/数字转换器的制作方法与工艺

本文中所讨论的实施例涉及一种模拟/数字转换器(ADC)。

背景技术：
ADC已广泛用在各个领域中，并且例如已经开始内置于电池供电的便携式电子设备、用于各种电子装置的微控制器单元(MCU)等中。因此，期望减小ADC的功耗和封装(footprint)。在现有技术中，例如，作为具有低功耗的ADC，已知使用电容器数字/模拟转换器(电容器DAC)的逐次逼近寄存器(SAR)型ADC。这样的SARADC包括电容器DAC、比较器和控制逻辑电路(SAR逻辑电路)，并且通过将比较器所进行的比较处理重复若干次来改善分辨率。另外，在现有技术中，例如，提出了流水线型ADC，在该流水线型ADC中，多个模数(AD)转换单元在多级中彼此连接并执行流水线操作，使得在保持操作速度的同时降低比较器的数量。另外，近来，为了改善流水线型ADC的功耗和处理速度，提出了一种流水线型SARADC。在现有技术中，提出了各种ADC，诸如流水线型SARADC以及其中所使用的电容器ADC(开关式电容器电路)的电容器失配降低的SARADC。以下为现有技术：C.P.Hurrell等人发表在IEEE固态电路杂志的2010年12月的第45卷第12期上的“An18b12.5MS/sADCWith93dBSNR,”；M.Furuta等人发表在IEEE固态电路杂志的2011年6月的第46卷第6期上的“A10-bit,40-MS/s,12.1mWPipelinedSARADCUsingSingle-Ended1.5-bit/cycleConversionTechnique,”；以及Y.Chen等人在2009年9月的IEEE2009定制集成电路会议(CICC)的第279-282页上发表的“SplitCapacitorDACMismatchCalibrationinSuccessiveApproximationADC,”。在现有技术中，提出了如下流水线型SARADC，该流水线型SARADC包括多个级中的模数转换单元，以及设置在用于执行流水线处理的模数转换单元的各级之间的放大器。设置在各级之间的放大器(残差放大器)接收已在前一模数转换单元中就特定位部分对其执行了数字转换的模拟信号的剩余模拟信号(残余电压)作为输入、对残余电压进行放大，并且将放大后的电压输出到后一模数转换单元。然而，由于设置在各级之间的残差放大器导致功耗和封装增加，因此例如在内置于电池供电的便携式电子设备、MCU等中的ADC中存在问题。

技术实现要素：
实施例的目的在于提供一种能够降低模拟/数字转换器的功耗和模拟/数字转换器的封装的模拟/数字转换器。根据本发明的一方面，一种模拟/数字转换器包括：第一模拟/数字转换单元，第一模拟/数字转换单元被配置成在第一时段内对所接收到的第一模拟输入电压执行数字转换，第一模拟/数字转换单元包括第一电容器数字/模拟转换器；第二模拟/数字转换单元，第二模拟/数字转换单元被配置成在不同于第一时段的第二时段内对所接收到的第二模拟输入电压执行数字转换，第二模拟/数字转换单元包括第二电容器数字/模拟转换器；以及被配置成连接第一模拟/数字转换单元和第二模拟/数字转换单元的第一耦合电容器，其中，第二模拟/数字转换单元被配置成通过第一耦合电容器接收第一残余电压作为第二模拟输入电压，第一残余电压是第一模拟输入电压的剩余电压，并且其中，第二电容器数字/模拟转换器被配置成：包括被配置成串联连接至第一耦合电容器的参考电压调节电容器；并且使用与第一电容器数字/模拟转换器共同的参考电压。附图说明图1是示出流水线型SARADC的示例的框图；图2是示出根据第一实施例的ADC的电路图；图3是示出图2所示的ADC的操作的电路图；图4是示出图3所示的ADC的操作的时序图；图5是示出根据第二实施例的ADC的电路图；图6是示出图5所示的ADC的操作的时序图；图7是示出根据第三实施例的AD转换器的电路图；图8是示出用于生成在图7所示的ADC的第二级中所使用的参考电压的电路的图；图9是示出根据第四实施例的ADC的电路图；以及图10是示出图9所示的ADC的操作的时序图。具体实施方式这里，参照图1描述流水线型SARADC的示例和流水线型SARADC的问题，并且稍后详细描述ADC的实施例。图1是示出包括两个流水线级(模数转换单元)的流水线型SARADC的框图。在图1中，流水线型SARADC包括第一模数转换单元101、第二模数转换单元102、放大器(残差放大器：Amp)103和逻辑电路单元104。如图1所示，第一模数转换单元101包括电容器DAC111、比较器112和逻辑电路(SAR逻辑电路)113。类似地，第二模数转换单元102包括电容器DAC121、比较器122和SAR逻辑电路123。第一模数转换单元101接收输入模拟信号(电压)Vin并就特定位部分将该信号转换为数字数据。另外，第二模数转换单元102通过放大器103接收来自第一模数转换单元101的输出。即，放大器103对剩余电压(残余电压)进行放大，并且第二模数转换单元102接收放大后的电压，其中该剩余电压是通过从输入模拟信号Vin中减去与在第一模数转换单元101中转换的数字数据相对应的电压而获得的。另外，第二模数转换单元102对已由放大器103放大的、第一模数转换单元101的残余电压执行AD转换处理。在逻辑电路单元104中，对已由第一模数转换单元101和第二模数转换单元102转换为数字值的数据执行考虑放大器103的增益等的逻辑处理，并且输出该数据作为数字输出Dout。这里，在第一模数转换单元101和第二级模数转换单元102中的每一个中所执行的AD转换处理与被称为SARADC或电荷再分布SARADC的ADC的处理类似。在参照图1所述的ADC中，在第一模数转换单元101与第二模数转换单元102之间设置用于对第一模数转换单元101中的残余电压进行放大并将放大后的残余电压输出至第二模数转换单元102的放大器103。如上所述，ADC内置于例如电池供电的便携式电子设备、MCU等中，并且期望减小功耗和封装。在实施例中，主要描述了两级流水线型SARADC和三级流水线型SARADC，并且实施例不限于这样说明的示例且可应用于各种ADC。例如，这些实施例还可应用于包括两个模数转换单元(流水线级)和设置在两级的上游或下游的另一模数转换单元系统的ADC。以下参照附图详细描述ADC的实施例。图2是示出根据第一实施例的ADC的电路图，该ADC是包括两个流水线级(模数转换单元)的流水线型SARADC。在图2中，流水线型SARADC包括第一模数转换单元1、第二模数转换单元2和逻辑电路单元4。如图2所示，第一模数转换单元1包括电容器DAC11、比较器12和逻辑电路(SAR逻辑电路)13。另外，第二模数转换单元2包括电容器DAC21、比较器22和SAR逻辑电路23。在第一模数转换单元1与第二模数转换单元2之间设置耦合电容器C01。即，代替以上参照图1所述的残差放大器(放大器103)，在第一模数转换单元1与第二模数转换单元2之间设置耦合电容器C01。第一模数转换单元1中的电容器DAC11包括电容器C11、C12和C13以及开关S111至S113、S121至S123、S131至S133和S10。电容器C11、C12和C13中的每一个的一端(顶板)共同连接至节点N10，并且偏置电压Vb通过开关S10被施加到节点N10。选择性地，通过开关S111、S121和S131将输入电压(输入信号)Vin施加到电容器C11、C12和C13中的每一个的另一端(底板)，通过开关S112、S122和S132将正参考电压Vrp施加到电容器C11、C12和C13中的每一个的另一端，或者通过开关S113、S123和S133将负参考电压Vrm施加到电容器C11、C12和C13中的每一个的另一端。第二模数转换单元2中的电容器DAC21包括电容器C21、C22、C23和C20以及开关S211、S212、S221、S222、S231、S232和S20。电容器C21、C22和C23中的每一个的一端(顶板)共同连接至节点N21，并且电容器C20(参考电压调节电容器)的一端连接至节点N21，其中，电容器C20的另一端连接至节点N20。偏置电压Vb通过开关S20被施加到节点N20。选择性地，通过开关S211、S221和S231将正参考电压Vrp施加到电容器C21、C22和C23中的每一个的另一端(底板)，或者通过开关S212、S222和S232将负参考电压Vrm施加到电容器C21、C22和C23中的每一个的另一端。如上所述，SAR逻辑电路13控制开关S111至S113、S121至S123、S131至S133和S10，并且SAR逻辑电路23控制开关S211、S212、S221、S222、S231、S232和S20。耦合电容器C01设置在第一模数转换单元1与第二模数转换单元2之间，即在第一模数转换单元1中的电容器DAC11的节点N10与第二模数转换单元2中的电容器DAC21的节点N20之间。如上所述，在根据第一实施例的ADC中，没有设置以上参照图1所述的流水线型SARADC中的放大器，并且第一模数转换单元1和第二模数转换单元2通过耦合电容器C01彼此连接。这里，在电容器C11、C12和C13中，例如以2的幂(二进制)设置电容器值，并且在电容器C21、C22和C23中，例如以2的幂设置电容器值。在电容器C11至C13和电容器C21至C23中，电容器值不限于2的幂，并且可以根据已知的各种SARADC(电荷再分布SARADC)的构造来设置。另外，电容器DAC11和12不限于所示的示例，并且例如实施例可以应用各种电容器DAC，诸如，包含多个电容器(包括虚拟电容器)并且电容器值的权重对应于1:1:2:4:8的电容器DAC。图3是示出图2所示的ADC的操作的电路图，以及图4是示出图3所示的ADC的操作的时序图。这里，图3示出第一模数转换单元1的开关S111至S113、S121至S123、S131至S133的操作状态以及第二模数转换单元2的开关S211、S212、S221、S222、S231、S232和S20的操作状态。在电容器DAC11中，开关S111、S121和S131根据操作状态STa进行操作，开关S112、S122和S132根据操作状态STb进行操作，并且开关S113、S123和S133根据操作状态STc进行操作。另外，开关S10根据操作状态STx进行操作。类似地，在电容器DAC21中，开关S211、S221和S231根据操作状态STd进行操作，并且开关S212、S222和S232根据操作状态STe进行操作。另外，开关S20根据操作状态STy进行操作。即，如图4所示，在第一模数转换单元(第一流水线级)1执行采样处理的采样状态下，开关S10接通(STx)，并且开关S111、S121和S131全部接通(STa)。此时，开关S112、S122、S132、S113、S123和S133全部关断(STb和STc)。因此，偏置电压Vb和模拟输入电压(输入信号)Vin被施加到电容器C11、C12和C13中的每一个的两端，并且电容器C11、C12和C13中的每一个均对输入电压进行采样和保持。这里，当第一模数转换单元1处于采样状态时，第二模数转换单元(第二流水线级)2变为处于执行数字转换处理的转换状态(在前半段)以及执行重置处理的重置状态(在后半段)。即，当第二模数转换单元2对应于最后一级时，由于不存在后续的模数转换单元，因此在第二模数转换单元2中对残余电压(第二残余电压Vrs2)执行重置处理，该残余电压是对其执行了数字转换(例如，对于三个最低有效位)的输入电压的剩余电压。当第一模数转换单元1(电容器C11、C12和C13)完成了对输入模拟信号的采样和保持时，第一模数转换单元1变为处于执行数字转换处理的转换状态(在前半段)以及处于执行残余电压的移动处理的残余电压移动状态(在后半段)。当第一模数转换单元1处于转换状态和残余电压移动状态时，第二模数转换单元2变为处于采样状态，如稍后详细描述的那样。当第一模数转换单元1变为处于转换状态时，开关S10关断(STx)，开关S111、S121和S131全部关断(STa)。因此，电容器C11、C12和C13中的每一个的一端共同连接的节点N10变为处于浮置(高阻抗)状态。此时，对开关S112、S122、S132、S113、S123和S133中的每一个执行切换控制，使得每个开关选择正参考电压Vrp(开关S112、S122和S132接通)或负参考电压Vrm(开关S113、S123和S133接通)。因此，模拟电压(Vrp或Vrm)被施加到电容器C11、C12和C13中的每一个的另一端，这根据由输入电压Vin限定的数字值(图3中的3个最高有效位的值)来选择，并且第一模数转换单元1变为处于残余电压移动状态。这里，当第一模数转换单元1处于转换状态和残余电压移动状态时，第二模数转换单元2处于采样状态，开关S20接通(STy)，并且开关S211、S221、S231、S212、S222和S232全部关断(STd和Ste)。因此，偏置电压Vb被施加到一端连接至节点N10的耦合电容器C01的另一端(节点N20)，并且通过耦合电容器C01对第一模数转换单元1中的残余电压进行采样和保持。即，第一模数转换单元1就特定位部分(三个最高有效位)对输入模拟信号执行数字转换，并且剩余的模拟信号(残余电压Vrs1)移动至耦合电容器C01以进行采样和保持。在转换状态和残余电压移动状态之后，第一模数转换单元1再次变为处于采样状态，并且如上所述，开关S10、S111、S121和S131全部接通，以及开关S112、S122、S132、S113、S123和S133全部关断。当第一模数转换单元1处于采样状态时，第二模数转换单元2变为处于转换状态和重置状态。此时，开关S20关断，并且对开关S211、S221、S231、S212、S222和S232中的每一个执行切换控制，使得每个开关均选择正参考电压Vrp(开关S211、S221和S231接通)或负参考电压Vrm(开关S212、S222和S232接通)。因此，根据由在耦合电容器C01中保持的残余电压(Vrs1)限定的数字值(图3中的3个最低有效位的值)选择的模拟电压(Vrp或Vrm)被施加到电容器C21、C22和C23中的每一个的另一端。这里，为了能够在第一模数转换单元1和第二模数转换单元2中使用相同的参考电压Vrp和参考电压Vrm，采用设置在耦合电容器C01的另一端(节点N20)与电容器C21、C22和C23的共同连接节点N21之间的电容器C20。因此，电容器C20用作用于调节参考电压的参考电压调节电容器。即，设置电容器C20的电容器值，使得用于通过电容器DAC11限定三个最高有效位的数字值的正参考电压Vrp和负参考电压Vrm能够用于通过电容器DAC21限定三个最低有效位的数字值。例如，耦合电容器C01的电容器值表示为CC01，电容器C20的电容器值表示为CC20，电容器C21、C22和C23的总电容器值表示为CC2a，以及在耦合电容器C01中采样和保持的电荷(节点N20的电荷)表示为Q20。此时，当第一模数转换单元1的残余电压表示为Vrs1时，第二模数转换单元2的采样状态下的节点N20的电荷Q20s可以通过以下等式(1)表示。Q20s＝(Vrs1-Vb)×CC01+(Vrm-Vb)×{(CC20×CC2a)/(CC20+CC2a)}(1)另外，在第二模数转换单元2的转换状态结束时节点N20的电荷Q20e通过以下等式(2)表示。Q20e＝(Vrp-Vb)×{(CC20×CC2a)/(CC20+CC2a)}(2)这里，第一模数转换单元1的残余电压Vrs变为等于在第一模数转换单元1中对其执行了数字转换的最低有效位(例如，从最高有效位起的第三位)的电压(V1LSB)。因此，满足“Vrs1＝V1LSB”，并且根据电荷、电压与电容之间的基本关系获得以下等式(3)。如上所述，对第二模数转换单元2中的电容器C20设置满足上述等式(3)的电容器值CC20。在图2至图4所示的第一实施例中，电容器DAC11包括电容器C11、C12和C13，电容器DAC21包括电容器C20、C21、C22和C23，输入信号被转换为6位的数字值，并且实施例不限于这样的示例，而是可以适当地改变示例。图5是示出根据第二实施例的ADC(流水线型SARADC)的电路图，以及图6是示出图5所示的ADC的操作的时序图。即，在上述第一实施例中，流水线型SARADC包括两个模数转换单元1和2，而在第二实施例中，流水线型SARADC包括三个或更多个流水线级(模数转换单元)1、2、3等。在图5中，根据第二实施例的流水线型SARADC包括第一模数转换单元1、第二模数转换单元2、第三模数转换单元3和逻辑电路单元4。这里，在“k”为3以上的整数的情况下，例如，当第k个模拟/数字转换单元是第三模数转换单元3时，第k-1个模拟/数字转换单元是第二模数转换单元2。从图3和图5的比较中显而易见，根据第二实施例的第一模数转换单元1和第二模数转换单元2类似于根据第一实施例的上述模数转换单元。另外，第三模数转换单元3类似于第二模数转换单元2，并且第四模数转换单元和随后的模数转换单元也类似于第二或第三模数转换单元。这里，耦合电容器C02设置在第二模数转换单元2与第三模数转换单元3之间。即，在第二模数转换单元2与第三模数转换单元3之间，设置了耦合电容器C02来替代残差放大器。在第四模数转换单元和随后的模数转换单元中，在相邻的模数转换单元之间设置耦合电容器。在第三模数转换单元3中，在耦合电容器C02的另一端(节点N30)与电容器C31、C32和C33的共同连接节点N31之间设置电容器C30。电容器C30用于使得甚至在第三模数转换单元3中也能够使用与第一模数转换单元1和第二模数转换单元2相同的参考电压Vrp和参考电压Vrm，并且用作参考电压调节电容器。例如，为了使得甚至在第四模数转换单元和随后的模数转换单元中也能够使用与第一和第二模数转换单元相同的参考电压Vrp和参考电压Vrm，在耦合电容器的另一端与用于确定数字值的电容器的共同连接节点之间设置电容器。从图6和图4的比较中显而易见，图5所示的ADC中的第一模数转换单元1和第二模数转换单元2的操作类似于根据第一实施例的ADC中的上述模数转换单元的操作。如图6所示，根据第二实施例的ADC中的第三模数转换单元3的操作对应于通过将第二模数转换单元2的操作偏移采样间隔而获得的操作。这里，当第三模数转换单元3对应于最后一级时，在第三模数转换单元3中，不执行残余电压Vrs3(第三残余电压)的移动处理，并且与根据第一实施例的第二模数转换单元2类似地执行重置处理。即，由于不存在下一级模数转换单元，因此用于获得最低有效位(LSB)的最终的模数转换单元不通过耦合电容器将残余电压移动到下一级模数转换单元，从而仅执行重置处理。在第四模数转换单元和随后的模数转换单元中，偶数编号的模数转换单元的操作类似于第二模数转换单元2的操作，并且奇数编号的模数转换单元的操作类似于第三模数转换单元3的操作。如上所述，在最终的模数转换单元中，执行重置处理而无需进行残余电压的移动处理。图7是示出根据第三实施例的ADC(流水线型SARADC)的电路图，以及图8是示出用于生成在图7所示的ADC的第二级中所使用的参考电压的电路的示例的图。从图3和图7的比较中显而易见，根据第三实施例的第二模数转换单元2不包括根据第二实施例的上述电容器C20，并且第二模数转换单元2的正参考电压Vrp’和负参考电压Vrm’不同于第一模数转换单元1的正参考电压Vrp和负参考电压Vrm。即，如图8所示，通过使用分压电阻器将正参考电压Vrp和负参考电压Vrm施加到电路的两端来生成在第二模数转换单元2中所使用的正参考电压Vrp’和负参考电压Vrm’。因此，根据第三实施例的ADC可以在第二模数转换单元2中不具有电容器C20，并且准备专用于第二模数转换单元2的正参考电压Vrp’和负参考电压Vrm’。这适用于第三模数转换单元和随后的模数转换单元，并且要准备专用于每个模数转换单元的正参考电和负参考电压。图9是示出根据第四实施例的ADC(流水线型SARADC)的电路图，以及图10是示出图9所示的ADC的操作的时序图。如图9所示，在根据第四实施例的ADC中，第一模数转换单元1仅包括电容器DAC11，第二模数转换单元2仅包括电容器DAC21，第一模数转换单元1和第二模数转换单元2共用比较器20和SAR逻辑电路30。所共用的比较器20和SAR逻辑电路30交替地通过开关S1和S2选择性地连接至第一模数转换单元1(节点N10)或第二模数转换单元2(节点N20)。即，第一模数转换单元1和第二模数转换单元2中的每一个在不同定时(阶段)执行采样处理以及转换和残余电压移动(重置)处理，使得可以共用比较器和SAR逻辑电路。这不限于第一模数转换单元和第二模数转换单元，并且期望在操作不同的两个模数转换单元中可以共同使用比较器20和SAR逻辑电路30。例如，可以在偶数编号的模数转换单元与奇数编号的模数转换单元之间共用比较器20和SAR逻辑电路30。然而，考虑到实际的布线和布局等，期望在相邻的两个模数转换单元之间共用比较器20和SAR逻辑电路30。如图10所示，在根据第四实施例的ADC中，当第一模数转换单元1在采样状态下执行采样处理时，第二模数转换单元2执行转换和重置处理，以使得开关S2接通。另外，当第二模数转换单元2执行采样处理时，第一模数转换单元1执行转换和残余电压移动处理，以使得开关S1接通。因此，与第二模数转换单元2中的开关S20类似地对开关S1执行切换控制，并且与第一模数转换单元1中的开关S10类似地对开关S2执行开关控制。如上所述，在根据第四实施例的ADC中，在两个模数转换单元1和2中共用比较器20和SAR逻辑电路30，以使得可以减小电路尺寸和封装。如上所述，第一实施例至第四实施例不限于两级流水线型SARADC和三级流水线型SARADC。例如，第一实施例至第四实施例还可以应用于包括两个模数转换单元(流水线级)和设置在这两个模数转换单元(流水线级)的上游和下游的另一模数转换单元系统的AD转换器。