连续逼近暂存式模拟数字转换器与相关的控制方法与流程

1.本发明涉及了连续逼近暂存式模拟数字转换器(successive approximation register analog-to-digital converter，sar adc)。


背景技术：

2.在采用下极板取样(bottom sampling)的sar adc中，输入讯号会透过开关电容的取样后产生取样信号至一比较器，而比较器再将取样讯号与共模电压进行比较以产生比较结果，以供后续操作以产生输出讯号。sar adc在操作的过程中会周期性地操作在取样阶段以及转换阶段，而在取样阶段时比较器的输出端点会因为开关电容的操作而具有很大的电容负载，而在转换阶段时虽然具有低的电容负载，但是需要充分的带宽以成功地决定出输出讯号的每一个位。因此，用来产生共模电压的缓冲器会需要能够驱动很大的电容负载且具有足够的带宽，造成设计上的困难。
3.在采用上极板取样(top sampling)的sar adc中，虽然用来产生共模电压的缓冲器在取样阶段时不会具有很大的电容负载，但会具有共模电压以及比较结果的误差问题，故通常只能应用在低分辨率的模拟数字转换器。


技术实现要素：

4.因此，本发明的目的之一在于提出一种sar adc，其可以透过特殊的缓冲器设计，以使得sar adc在取样阶段以及转换阶段都具有良好的操作，以解决先前技术上的问题。
5.在本发明的一个实施例中，公开了一种sar adc，其包含有开关电容阵列、缓冲器、比较器及控制逻辑电路。开关电容阵列用以根据开关控制信号来对输入信号进行取样以产生取样信号，缓冲器用以接收共模电压后产生共模电压，比较器用以接收取样信号以及共模电压以产生比较结果，控制逻辑电路用以根据比较结果以产生输出信号并产生开关控制信号以控制开关电容阵列；此外，控制逻辑电路另外产生操作控制信号，以表示sar adc操作在取样阶段或是转换阶段，且缓冲器根据该操作控制信号以调整内部的米勒补偿电容。
6.在本发明的另一个实施例中，公开了一种sar adc的控制方法。sar adc包含有开关电容阵列、缓冲器、比较器及控制逻辑电路，其中开关电容阵列用以根据开关控制信号来对输入信号进行取样以产生取样信号，缓冲器用以接收共模电压后产生共模电压，比较器用以接收取样信号以及共模电压以产生比较结果，控制逻辑电路用以根据比较结果以产生输出信号并产生开关控制信号以控制开关电容阵列。控制方法包含有：根据操作控制信号以调整缓冲器内部的米勒补偿电容，其中操作控制信号用以表示sar adc操作在取样阶段或是转换阶段。
附图说明
7.图1为本发明一实施例sar adc的示意图。
8.图2为操作控制讯号及主频率讯号的示意图。
9.图3为本发明一实施例缓冲器在sar adc操作于取样阶段的示意图。
10.图4为本发明一实施例缓冲器在sar adc操作于转换阶段的示意图。
11.图5是本发明一实施例缓冲器的详细架构图。
12.图6为根据本发明一实施例sar adc的控制方法的流程图。
13.其中，附图标记说明如下：
14.100 sar adc
15.110 开关电容阵列
16.120 缓冲器
17.130 比较器
18.140 控制逻辑电路
19.310、320 放大器
20.330 可调整电容
21.332、334、510、520、530、540、sw0～sw(n+1) 开关
22.600、602、604 步骤
23.c0～cn、cm1～cm6 电容
24.cl 负载电容
25.dout 输出讯号
26.mn1～mn5 n型晶体管
27.mp1～mp5 p型晶体管
28.vbot、vtop 参考电压
29.vc1 开关控制信号
30.vc2 操作控制讯号
31.vcm 共模电压
32.vin 输入讯号
33.vini 来源信号
34.vsam 取样讯号
具体实施方式
35.图1为本发明一实施例sar adc 100的示意图。如图1所示，sar adc 100包含了开关电容阵列110、缓冲器120、比较器130以及控制逻辑电路140，其中开关电容阵列110包含了多个电容c0～cn以及多个开关sw0～sw(n+1)。在本实施例中，sar adc 100是属于采用下极板取样(bottom sampling)的sar adc，即输入讯号vin是由开关电容阵列110取样以在电容c0～cn的下极板产生取样讯号，以供比较器130进行处理。
36.在sar adc 100的基本操作中，开关电容阵列110用以根据开关控制信号vc1来对输入信号vin进行取样以产生取样信号vsam，缓冲器120用以根据来源讯号vini以产生共模电压vcm，，比较器130用以接收取样信号vsam以及共模电压vcm以产生比较结果，而控制逻辑电路140用以根据比较结果以产生输出信号dout，并产生开关控制信号vc1以控制开关电容阵列110。具体来说，当sar adc 100操作在取样阶段时，控制逻辑电路140会产生开关控制信号vc1以控制开关sw0～swn连接至输入讯号vin，以对输入讯号vin进行取样以产生取
样讯号至比较器130，且比较器130将比较结果与缓冲器120所输出的共模电压vcm进行比较以产生比较结果。接着，当sar adc 100操作在转换阶段时，控制逻辑电路140会根据比较结果来产生开关控制信号vc1以控制开关sw0～swn分别连接至参考电压vbot或是参考电压vtop，以供产生输出讯号dout的每一个位。
37.需注意的是，由于sar adc 100的基本操作以为本领域技术人员所熟知，且本发明的重点是在于缓冲器120的设计，故以下的说明内容主要针对缓冲器120，而sar adc 100中有关于开关电容阵列110、比较器130以及控制逻辑电路140的详细操作在此不再叙述。
38.在本实施例中，由于在sar adc 100的取样阶段时缓冲器120会因为开关电容阵列110而具有很大的电容负载，且在取样阶段时会需要很大的带宽，因此，控制逻辑电路140会另外产生操作控制讯号vc2以表示sar adc 100是操作在取样阶段或是转换阶段，且缓冲器120根据操作控制信号以调整内部的米勒补偿电容，以使得缓冲器120在取样阶段与转换阶段时都能够有很好的表现。详细来说，同时参考图2所示的操作控制讯号vc2及主时钟讯号的示意图，当sar adc 100由操作在取样阶段时，或是由转换阶段切换到取样阶段时，缓冲器120可以提升内部的米勒补偿电容，以使得缓冲器120可以有效地应付具有很大电容负载的开关电容阵列110。此时，虽然提升缓冲器120的米勒补偿电容会使得sar adc 100的带宽降低，但由于取样阶段的时间通常可以由设计者来决定/调整，且通常会具有多个主时钟讯号的周期，因此，在取样阶段时出现带宽降低的现象并不会影响到sar adc 100的整体操作。另一方面，当sar adc 100由操作在转换阶段时，或是由取样阶段切换到转换阶段时，缓冲器120可以降低内部的米勒补偿电容，以使得sar adc 100具有足够的带宽，以使得可以有效地在主时钟讯号的一个周期变产生输出讯号dout的一个位，例如，在周期t1内产生第一个位、在周期t2内产生第二个位、
…
。此时，虽然降低米勒补偿电容会使得缓冲器120无法驱动较大的电容负载而造成稳定度降低，但由于在转换阶段时开关电容阵列110所造成的电容负载很小，因此，在转换阶段时出现缓冲器120稳定度降低的现象并不会影响到sar adc 100的整体操作。
39.如上所述，由于本实施例的缓冲器120可以在sar adc 100的取样阶段以及转换阶段有不同的米勒补偿电容设计，因此可以有效地让sar adc 100在任何阶段都有良好的表现。
40.图3为本发明一实施例缓冲器120在sar adc 100操作于取样阶段的示意图。如图3所示，缓冲器120包含了放大器310、320、及连接于放大器320输入端及输出端之间的可调整电容330，其中可调整电容330包含了电容cm1、cm2及开关332、334。在图3所示的取样阶段中，来源信号vini透过放大器310、320的处理以产生共模电压vcm，且开关332、334是导通状态，以使得可以视为缓冲器120的米勒补偿电容的可调整电容330具有较大的电容值，以驱动较大负载电容cl，其中此时负载电容cl包含了c1～cn的电容值以及相关的寄生电容。
41.图4为本发明一实施例缓冲器120在sar adc 100操作于转换阶段的示意图。在图4所示的转换阶段中，开关332、334是未导通状态，以使得可以视为缓冲器120的米勒补偿电容的可调整电容330具有较低的电容值，此时负载电容cl具有较低的电容值。
42.图5是本发明一实施例缓冲器500的详细架构图，其中缓冲器500可以用来实现图1的缓冲器120。如图5所示，缓冲器500包含了多个n型晶体管mn1～mn5、多个p型晶体管mp1～mp5、多个电容cm1～cm4及多个开关510、520、530、540，其连接于供应电压vdd与接地电压
vss之间。在本实施例中，来源信号vini可以是一个差动讯号，例如sar adc 100的输入讯号vin的差动讯号。
43.需注意的是，以上图3～5仅是作为范例说明，并非是作为本发明的限制条件。即，在其他的实施例中，只要缓冲器120的米勒补偿电容可以根据sar adc 100操作在取样阶段以及转换阶段而有不同的电容值，缓冲器120可以有其他种类的电路架构。
44.在以上的实施例中，在sar adc 100的取样阶段时，缓冲器120是透过提升米勒补偿电容的方式来提升整体的稳定度。然而，在本发明的另一个实施例中，当开关电容阵列110具有大到可以维持稳定性的电容值时，缓冲器120可以完全不使用米勒补偿电容，亦即缓冲器120的主极点(dominant pole)即为输出级的主极点(或是输出电容所看到的主极点)，如此一来，也可以提升整体的稳定度。具体来说，当操作控制信号vc2指出sar adc 100由取样阶段切换至转换阶段时，缓冲器120提升内部的米勒补偿电容；以及当操作控制信号vc2指出sar adc 100由转换阶段切换至取样阶段时，缓冲器120不使用内部的米勒补偿电容。
45.图6为根据本发明一实施例之sar adc的控制方法的流程图。参考以上实施例所述，控制方法的流程如下所述：
46.步骤600：流程开始。
47.步骤602：产生操作控制信号，其用以表示sar adc操作在取样阶段或是转换阶段。
48.步骤604：根据操作控制信号以调整用以产生共模电压的缓冲器内部的米勒补偿电容。
49.简要归纳本发明，在本发明的sar adc及相关的控制方法中，透过在sar adc的取样阶段以及转换阶段有不同的米勒补偿电容设计，可以在具有简单设计的情形下有效地让sar adc在任何阶段都有良好的表现。
50.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。