CN102098049B - 开关电容输入电路和包含开关电容输入电路的模数转换器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及开关电容输入电路和包含开关电容输入电路的模数转换器。所述开关电容输入电路接收模拟输入信号并且采样和保持模拟输入信号，所述开关电容输入电路包括：放大器；至少一个电容器，所述电容器的一个端子与放大器的输入端子连接；和被配置为选择性地使所述电容器的另一端子与第一基准电压、第二基准电压和第三基准电压中的一个连接的第一开关，其中，第一开关连接电容器的另一端子与第一基准电压以执行三元权重0的偏移校正，第一开关连接电容器的另一端子与第二基准电压以执行三元权重1的偏移校正，第一开关连接电容器的另一端子与第三基准电压以执行三元权重2的偏移校正。

Description

开关电容输入电路和包含开关电容输入电路的模数转换器
技术领域
本发明涉及开关电容输入电路和包含开关电容输入电路的模数转换器(ADC)。具体而言，本发明涉及用于校正ADC的输入信号的偏移成分的方法和电路，更特别地，涉及开关电容ADC的输入信号的偏移校正。
背景技术
作为ADC中的用于去除输入信号的偏移成分并提取有用的信号信息的电路，具有用于使用开关电容电路进行偏移校正的电容器的电路是已知的(日本专利公开No.2003-060505)。该电路通过使用必要数量的二元加权电容器以希望的精度执行偏移校正。
在日本专利公开No.2003-060505中描述的技术允许通过使用n个偏移校正电容器进行2n个阶段的偏移校正。为了增加偏移校正量的阶段的数量以提高偏移校正精度，需要增加电容器的数量。这导致电容器布局面积的增加。
发明内容
本发明提供能够通过使用n个偏移校正电容器执行3n个阶段的偏移校正的输入电路和包括该输入电路的模数转换器。
本发明的第一方面提供一种接收模拟输入信号并且采样和保持所述模拟输入信号的开关电容输入电路，所述开关电容输入电路包括：放大器；至少一个电容器，所述电容器的一个端子与放大器的输入端子连接；和被配置为选择性地使所述电容器的另一端子与第一基准电压、第二基准电压和第三基准电压中的一个连接的第一开关，其中，第三基准电压和第二基准电压比第一基准电压高，并且，第二基准电压为第一基准电压和第三基准电压之间的中间电压，第一开关连接所述电容器的另一端子与第一基准电压以执行三元权重0的偏移校正，第一开关连接所述电容器的另一端子与第二基准电压以执行三元权重1的偏移校正，第一开关连接所述电容器的另一端子与第三基准电压以执行三元权重2的偏移校正，并且，偏移校正由三元加权完成。
本发明的第二方面提供一种模数转换器，该模数转换器包括：以上限定的输入电路；和被配置为执行来自输入电路的输出信号的模数转换的模数转换电路。
根据本发明，可以在三个阶段中切换偏移校正电容器的一个端子的电压。这使得能够通过使用n个偏移校正电容器在3n个阶段中执行偏移校正。因此，能够增加偏移校正量的阶段数，以在抑制电容器布局面积的同时提高偏移校正精度。
参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得十分明显。
附图说明
图1A是表示根据第一实施例的模数转换器的布置的例子的框图；
图1B是表示根据第一实施例的模数转换器的开关控制表的例子的示图；
图2A是表示根据第一实施例的采样和保持电路在采样时的状态的连接图；
图2B是表示根据第一实施例的采样和保持电路在没有偏移校正的保持时的状态的连接图；
图3A和图3B是表示根据第一实施例的采样和保持电路在具有偏移校正的保持时的状态的连接图；
图4是示出根据该实施例的开关控制器的处理过程的例子的流程图；
图5是表示根据第一实施例的采样和保持电路的另一例子的电路图，该采样和保持电路包含连接的多个电容器；
图6A是表示根据第二实施例的差动模数转换器的布置的例子的框图；
图6B是表示开关控制表的例子的示图；以及
图7是表示根据第二实施例的采样和保持电路的详细例子的电路图。
具体实施方式
〔第一实施例〕
将参照图1A～4描述根据本发明的第一实施例的布置和操作。
<第一实施例的模数转换器(ADC)的布置的例子>
在图1A所示的ADC中，用作开关电容输入电路的采样和保持电路101接收输入到输入端子In的模拟输入信号，对该信号进行采样和保持，并且将其输出到输出端子Out。模数转换电路102接收所输出的信号，将该信号转换成数字数据并将其输出到输出端子Dout。VrefL和VrefH分别是较低和较高的基准电压。模数转换电路102将这两个基准电压与模拟输入信号相比较，并且将模拟输入信号转换成数字数据。在第一实施例中，不仅这两个基准电压，而且基准电压VrefM也被供给到采样和保持电路101并被用于输入偏移校正。基准电压VrefM＝(VrefL+VrefH)/2。
(开关控制表103a的布置的例子)
图1B中的开关控制表103a存储用于与偏移校正值以及采样和保持电路101的状况对应地对开关进行控制的控制信号。在本例子中，图2A、图2B、图3A和图3B中所示的采样和保持电路101的详细例子中的控制信号由开关的状态表示。
<采样和保持电路101的电路和操作的例子>
(采样的例子)
图2A是采样和保持电路101的电路图，其示出采样时的连接状态。Amp1是差动放大器，Cin是输入电容器，Cf是反馈电容器，C1是偏移校正电容器。电容器C1的一个端子与放大器连接，并且，电容器C1的另一端子选择性地经由第一开关SWc1与第一基准电压VrefH、用作中间电压的第二基准电压VrefM或第三基准电压VrefL连接。这些电容器的电容比为Cin∶Cf∶C1＝100∶50∶1。在采样时，电容器Cf的两个端子被开关SW3短路以将输出Out复位。电容器Cin经由开关SW1与输入In连接以在电容器Cin中存储输入信号。另外，电容器C1与基准电压VrefH连接以蓄积电荷。
(没有偏移校正的保持的例子)
图2B是表示采样和保持电路101在没有偏移成分校正的保持时的连接状态的电路图。首先，开关SW3打开以解除复位。然后，电容器Cin经由开关SW2与接地电压连接。蓄积于电容器Cin中的电荷然后移动到电容器Cf，并且表现为输出电压。由于Cin∶Cf＝2∶1，因此，基于电荷守恒和关系Q＝CV，Out＝2×In。由于电容器C1的连接关系与采样时相同，因此，不出现电荷移动，并且，输出电压不受影响。
(具有第一偏移量的校正的保持的例子)
图3A是表示采样和保持电路101在具有第一偏移量的校正的保持时的连接状态的电路图。即使在这种情况下，采样状态也与图2A中相同。电容器C1的连接状态与图2B所示的没有偏移校正的保持状态下的电容器C1的连接状态不同。电容器C1在采样时与基准电压VrefH连接，但在保持时与基准电压VrefM连接。蓄积于电容器C1中的电荷然后移动到电容器Cf，并且影响输出电压。由于C1∶Cf＝1∶50，因此该量由0.02×(VrefH-VrefM)给出。由于VrefM＝(VrefL+VrefH)/2，因此该量等于0.01×(VrefH-VrefL)。这是偏移校正量。作为结果，考虑从电容器Cin向电容器Cf的电荷移动，输出电压由Out＝2×In+0.01×(VrefH-VrefL)给出。
(具有第二偏移量的校正的保持的例子)
图3B是表示采样和保持电路101在具有第二偏移量的校正的保持时的连接状态的电路图。即使在这种情况下，采样状态也与图2A中相同。电容器C1的连接状态与图2B所示的没有偏移校正的保持状态下的电容器C1的连接状态不同。电容器C1在采样时与基准电压VrefH连接，但在保持时与基准电压VrefL连接。蓄积于电容器C1中的电荷然后移动到电容器Cf，并且影响输出电压。由于C1∶Cf＝1∶50，因此该量由0.02×(VrefH-VrefL)给出。这是偏移校正量。作为结果，考虑从电容器Cin向电容器Cf的电荷移动，输出电压由Out＝2×In+0.02×(VrefH-VrefL)给出。即，量为图3A中的保持状态下的两倍的偏移校正是可能的。
<实施例的开关控制器103的控制过程的例子>
根据图4所示的开关控制器103的控制过程的例子，开关控制器103在步骤S41中基于从模数转换电路102输出的数字数据确定偏移变化是否是必要的。如果是必要的，那么，在步骤S42中，开关控制器103从图1B所示的表选择与偏移校正值对应的开关设置的组合。在步骤S43中，开关控制器103从此为了偏移校正而保持选择的开关设置组合。在步骤S44中，开关控制器103向采样和保持电路101输出基于在步骤S43中设定的新开关设置组合或先前的开关设置组合(如果在步骤S41中为否)的开关控制信号。该控制过程可在开关控制器103的CPU下作为软件被执行或作为硬件被并入开关控制器103中。
<第一实施例的效果>
如上所述，可通过只使用一个偏移校正电容器C1在三个阶段中将偏移校正量控制为0、0.01×(VrefH-VrefL)和0.02×(VrefH-VrefL)。
(第一实施例的变更方式)
为了进一步增加偏移校正的阶段的数量，如图5所示，由分别与多个第一开关SWc1～SWc3连接的多个电容元件C1～C3形成偏移校正电容器，并且，通过三元加权设定电容比。例如，当Cin∶Cf∶C1∶C2∶C3＝100∶50∶1∶3∶9时，偏移校正量可在27个阶段中被控制为0、0.01×(VrefH-VrefL)、...和0.26×(VrefH-VrefL)。
注意，在本实施例中，电容器C1在采样时与基准电压VrefH连接，并在保持时与基准电压VrefM连接，由此实现0.01×(VrefH-VrefL)的偏移校正。但是，另一连接方法也可以实现相同量的偏移校正。例如，即使当电路操作以使电容器C1在采样时与基准电压VrefM连接并在保持时与基准电压VrefL连接时，也可实现0.01×(VrefH-VrefL)的偏移校正。
〔第二实施例〕
将参照图6A、图6B和图7描述根据本发明的第二实施例的布置和操作。
<第二实施例的ADC的布置的例子>
在根据图6A所示的第二实施例的差动ADC中，差动采样和保持电路201对于输入到输入端子Inp和Inn的差动模拟信号进行采样，保持这些信号，并且将它们输出到输出端子Outp和Outn。差动模数转换电路202接收输出，将它们转换成数字数据，并且将其输出到输出端子Dout。VrefL和VrefH分别是较低和较高的基准电压。差动模数转换电路202将这两个电压与输入电压相比较，并且将信号转换成数字数据。在本实施例中，这两个电压也被供给到差动采样和保持电路201并被用于输入偏移校正。开关控制器203输出控制信号以控制采样和保持电路201以及模数转换电路202中的切换。开关控制器203具有开关控制表203a，该开关控制表存储与各电路的状况和偏移校正值对应的对于开关的控制信号的组合。
(开关控制表203a的布置的例子)
图6B中的开关控制表203a存储用于与采样和保持电路201的状况和偏移校正值对应地对开关进行控制的控制信号。在本例子中，图7所示的采样和保持电路201的详细例子中的控制信号由开关的状态表示。
<采样和保持电路201的电路和操作的例子>
在图7所示的第二实施例的采样和保持电路201的电路例子中，示出与差动放大器Amp1的反相输入端子连接的用于偏移校正的第一电容器C1～C3和与非反相输入端子连接的用于偏移校正的第二电容器C4～C6。电容器C1～C3是第一电容器的多个电容元件。电容器C1～C3的其它端子与第一开关SWc1～SWc3连接。电容器C4～C6是第二电容器的多个电容元件。电容元件C4～C6的其它端子与第二开关SWc4～SWc6连接。假定Cinp∶Cinn∶Cfp∶Cfn∶C1∶C2∶C3∶C4∶C5∶C6＝100∶100∶50∶50∶1∶3∶9∶1∶3∶9。切换与基准电压VrefH、VrefL和VrefM的连接的开关与第一和第二电容器C1～C6中的每一个的另一端子连接。图7表示采样时的开关连接。在这种情况下，三个位的三元加权是可能的，其中，电容器C1和C4表示低位，电容器C2和C5表示中间位，并且，电容器C3和C6表示高位。
<第二实施例的效果>
如上所述，上述布置使得能够在不增加电容器的数量的情况下通过使用图6B中所示的开关组合实现偏移校正的三元加权。
注意，在本实施例中，电容器C1在采样时与基准电压VrefH连接，并在保持时与基准电压VrefM连接，由此实现0.01×(VrefH-VrefL)的偏移校正。但是，另一连接方法也可以实现相同量的偏移校正。例如，即使当电路操作以使电容器C1在采样时与基准电压VrefM连接并在保持时与基准电压VrefL连接时，也可实现0.01×(VrefH-VrefL)的偏移校正。
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式以及等同的结构和功能。

Claims (4)

1.一种接收模拟输入信号并且采样和保持所述模拟输入信号的开关电容输入电路，包括：
放大器；
至少一个电容器，所述电容器的一个端子与放大器的输入端子连接；和
第一开关，所述第一开关被配置为选择性地使所述电容器的另一端子与第一基准电压、第二基准电压和第三基准电压中的一个连接，
其中，第三基准电压和第二基准电压比第一基准电压高，并且，第二基准电压为第一基准电压和第三基准电压之间的中间电压，
第一开关连接所述电容器的另一端子与第一基准电压以执行三元权重0的偏移校正，第一开关连接所述电容器的另一端子与第二基准电压以执行三元权重1的偏移校正，第一开关连接所述电容器的另一端子与第三基准电压以执行三元权重2的偏移校正，并且，
偏移校正通过三元加权完成。
2.根据权利要求1的开关电容输入电路，其中，
所述电容器包含具有1∶3∶9的电容比的多个电容元件，所述多个电容元件中的每一个具有与放大器的输入端子连接的一个端子和与用于连接第一基准电压的多个第一开关中的相应一个连接的另一端子，并且，
偏移校正通过三个位的三元加权完成，其中，与电容比的项1对应的电容器被定义为低位，与电容比的项3对应的电容器被定义为中间位，并且，与电容比的项9对应的电容器被定义为高位。
3.一种接收模拟输入信号并且采样和保持所述模拟输入信号的开关电容输入电路，包括：
差动放大器，
第一电容器，所述第一电容器具有与差动放大器的非反相输入端子连接的一个端子和与用于连接第一基准电压、第二基准电压和第三基准电压中的一个的第一开关连接的另一端子；和
第二电容器，所述第二电容器具有与差动放大器的反相输入端子连接的一个端子和与用于连接第一基准电压、第二基准电压和第三基准电压中的一个的第二开关连接的另一端子，
其中，第一开关连接第一电容器的另一端子与第一基准电压，并且，第二开关连接第二电容器的另一端子与第二基准电压，以执行三元权重0的偏移校正，第一电容器的另一端子与第二基准电压连接，并且，第二开关连接第二电容器的另一端子与第二基准电压以执行三元权重1的偏移校正，以及，第一开关连接第一电容器的另一端子与第二基准电压，并且，第二开关连接第二电容器的另一端子与第一基准电压以执行三元权重2的偏移校正，并且，
其中，偏移校正通过三元加权完成。
4.一种模数转换器，包括：
权利要求1～3中的任一项的开关电容输入电路；和
被配置为执行来自开关电容输入电路的输出信号的模数转换的模数转换电路。
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