CN104641561A

CN104641561A - 包括预充电电路的模数转换器

Info

Publication number: CN104641561A
Application number: CN201380046490.2A
Authority: CN
Inventors: C·P·赫里尔; D·胡默斯托尼; M·施尼
Original assignee: Analog Devices Technology
Current assignee: Analog Devices Global ULC; Analog Devices International ULC
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2033-09-03
Also published as: US20140070976A1; WO2014053911A3; WO2014053911A2; EP2893641B1; EP2893641A2; US8994564B2; CN104641561B

Abstract

一种模数转换器，包括连接到输入节点的至少一个采样电容器，和预充电电路，所述预充电电路被配置为使得在所述模数转换器进入获取模式之前在采样节点处的电压实质匹配输入电压，其中所述采样节点由采样开关连接到所述输入节点。

Description

包括预充电电路的模数转换器

技术领域

本申请涉及包括预充电电路的模数转换器，用于修改采样网络上的电荷。

背景技术

在采样和转换周期中运行的模数转换器(ADC)更新在连续转换之间采样电容上存储的电压。转换器的吞吐量可部分受限于将在第N转换的结束时采样电容器上存储的电压改变为第N+1转换的合适电压所需要的时间。

发明内容

根据第一方面，提供了一种模数转换器，包括连接到输入节点的至少一个采样电容器，和预充电电路，所述预充电电路被配置为使得在所述模数转换器进入获取模式之前在至少一个采样电容器的节点处的电压实质匹配所述输入节点的输入电压，其中所述至少一个采样电容器由第一采样开关连接到所述输入节点。

所述预充电电路可以被间歇供电。所述预充电电路可以包括有源设备，诸如放大器或电压跟随器。所述预充电电路可以连接到电压转换设备，诸如电容器。

所述输入电压可以是在所述输入节点的电压的当前值，或者它可以是从较早的时间进行采样和存储的值。

在一个实施例中，提供了一种模数转换器，包括连接到输入节点的至少一个采样电容器，和预充电电路，所述预充电电路被配置为监视在输入节点处的输入电压并使得在模数转换器进入获取模式之前采样节点处的电压实质匹配输入电压，其中采样节点由第一采样开关连接到实施输入节点，以及其中所述预充电电路被间歇地供电。

因此，通过减少通过ADC获取操作诱发的驱动ADC的网络的干扰可能加速模数转换器的吞吐量，并因此减少安置(settle out)该干扰所需要的获取时间。

使用预充电电路降低，并优选地实质上最小化模数转换器的输入和模数转换器的所述或每个样本点之间的电荷交换。一些ADC设计可包括多个采样电容器，每一个都可以被视为正被连接到相应的采样节点。

优选地，所述预充电电路包括运算放大器或差分放大器。运算放大器可被布置为具有输入端连接到模数转换器的输入节点的电压跟随器。可替代地，运算放大器可以具有被布置为监视在输入节点处的电压的第一输入和被布置为监测存储在采样电容器或在所述至少一个采样节点处的电压的第二输入，以及以这样的方式连接以便充电采样电容器或采样节点的输出，以便降低在第一和第二输入端的输入电压之间的差。

放大器的第一输入可直接连接到输入节点，可经由充当开关或可变阻抗(诸如电压控制的电阻器，以提供软开关操作和/或噪声带宽控制)的晶体管连接，和/或可以经由电压电平转换组件(诸如，电容器)进行连接。放大器的第二输入端可以通过类似于或等同于关联所述放大器的第一输入所使用的配置连接到所述至少一个采样电容器或所述采样节点。

该放大器的输出可由一个预充电电路的输出开关连接到所述至少一个采样电容器。因此，当开关处于低阻抗状态(闭合)时，的放大器输出可被视为被直接连接到所述至少一个采样电容器。可替换地，放大器输出级可以被修改为具有可选的高阻抗状态。这可以通过脱供电输出级来实现。

有利地，放大器可提供跨所述模数转换器的全部输入范围的输出。然而，为了最大限度地减少预充电电路的功率消耗，可希望所述放大器在其中以和模数转换器的输入范围相比的降低电压电源操作。在这种情况下，放大器的输出可选择性地连接到用于执行电压转换的电容器的第一板，并且为了方便起见，这种电容器将被称为电压转换电容器。电压转换电容器的第二板也可以选择性地连接到采样节点。充电电路还可以被提供以充电所述电压转换电容器，使得电压转换电容器两端的电压差存在。该安排可以使得放大器的输出电压电平偏移相应于所述电压转换电容器两端的电压差的电压。可以设置多个这样的电容器，与合适的开关电路关联来连接它们。

至少一个采样电容器可以是专用的采样电容器。在这样的布置中，采样电容器不同于数模转换器，它可被提供在模数转换器内。

在一些实施例中，模数转换器包括开关电容器阵列，其作为数模拟转换器。这样的开关电容器阵列(其也可被称为电容DAC)也可以用于(其全部或仅部分地)采样输入信号。因而，电容DAC中的多个电容器可以作为多个采样电容器。

该电容DAC可以进行分割以减少在表示多个最高有效位(MSB)的电容器和表示多个最低有效位(LSB)的电容器之间所需的比例(或在测温编码DAC中的电容器)。该电容器DAC可以关联于模数转换器内的其他组件，诸如闪速变换器或者使用小(微型)电容形成的进一步的逐次逼近转换器或其它DAC，以便在进展来转换剩余位之前在逐次逼近转换中使用电容式DAC转换从ADC产生的输出的最高有效位的数字(例如，整数“A”)。

模数转换器并不限于作为使用电容DAC的逐次逼近转换器。其他转换器的技术(诸如，在采样和保持风格中操作的Δ-Σ转换器和管线转换器)也可以受益于使用与模数字转换器的采样电容器相关联的预充电电路。

当它修改在采样节点或在晶体管开关的背栅处的电荷时，预充电电路仅需要在预充电阶段被供电。因此，当不是必需时，预充电电路可以被关断。同样地，模数转换器可以实质上或完全在完成一次转换并开始随后转换之间断电。这使得ADC和预充电电路的组合具有实质上随着转化率线性调整的功率消耗。预充电电路的加电和断电可通过状态机来控制，所述状态机同步于或控制由ADC所执行的转换操作。

根据第二方面，提供了一种操作模数转换器的方法，它在使用中具有连接到电路的输出以提供信号用于转换的输入节点，并且其中，所述模数转换器的获取操作包括：

a)第一获取阶段，其中预充电电路用于转移电荷来往于模数转换器的采样节点，以便引起在样品节点处的电压近似于在模数转换器的输入节点的电压；

b)第二获取阶段，其中所述预充电电路从采样节点断开；

c)第三获取阶段，其中所述采样节点通过开关的方式被连接到输入节点，以便获得在采样电容器上的输入电压；和

d)第四获取阶段，其中采样电容器从输入节点断开，以便保持在采样电容器上的电压；和

其中所述预充电电路被间歇地供电。

输入节点电压可以是在输入节点处的当前电压，或者可以是在较早时间捕获的电压。

采样电容器(或电容器阵列)的第一端子可在第一获取阶段由第一采样开关的方式连接到采样节点，以及采样电容器的第二端子可以通过第二开关的方式被连接(或者在电容器阵列由各自的开关的情况下)到第二电压，它可以是偏压、电源或接地电压，或者由第二输入节点供给或是浮动的。如果采样电容器是浮动的，则预充电电路用于预充电与ADC的晶体管开关相关联的寄生电容。

在第三获取阶段，采样电容器的第二端子也可以连接到第二电压。

根据进一步的方面，提供了一种用于将第一节点连接到第二节点的开关配置，包括连接在第一节点和第二节点之间的第一场效应晶体管，以及具有连接到第一节点的漏极和源极的第二场效应晶体管，并且其中，施加到第一和第二晶体管的栅极的控制信号被反相驱动。

附图说明

现在将参考附图通过非限制性示例的方式描述一些实施例，其中：

图1示出现有技术的多通道ADC，其中多路开关在几个通道之间选择以选择要转换的通道；

图2示出构成第一实施例的多通道ADC；

图3是示出用于图2的多通道ADC的各种控制信号之间的相互关系的时序图。

图4是示出ADC的第二实施例中的组件的电路图；

图5是具有减少的电荷注入的开关配置的电路图；

图6是表示从获取模式转换到转换模式时的图5的电路的开关状态的表格；

图7是表示从转换模式转换到获取模式时的图5的电路的开关状态的表格；

图8是预充电电路的实施例的示意图；

图9示出包括电压转换电路的预充电电路的另一实施例；

图10示出预充电电路的进一步实施例；

图11示出修改的交换机结构；

图12是在初始阶段与预充电电路相关联的ADC的另一实施例的电路图；

图13示出在采样阶段中的图12的电路；

图14示出在预位审阶段的图12的电路；和

图15示出在预充电阶段的图12的电路。

具体实施方式

一种多通道ADC 501被示于图1。所有或一些组件可以设置在单一的集成电路上。多通道ADC 501包括多路转换器510，其具有标记CH1为CHN的n个输入。响应于多比特字的形式的选择控制信号SELECT，多路转换器可以选择其输入的任何一个，用于连接到多路转换器510的输出512。在该现有技术多通道ADC中，多路转换器510的输出512连接(即，永久连接)到模数转换器520的输入522。连接可以包括具有滤波器输出节点517的中间RC低通滤波器513。滤波器513可通过在复用器510的输出端512和滤波器输出节点517之间串联的电阻514以及在节点517和交流接地或低阻抗之间设置的电容器516形成。具有电阻R的电阻514和具有电容C的电容器516的组合形成具有磁极的滤波器，其用于限制由模数转换器520采样的噪声功率。应当注意，如本领域技术人员所熟知的，可以使用其它的滤波器配置。

虽然这种配置在ADC 520的输入522降低信号中的噪声功率，它也可以成为ADC的误差来源。为了说明为什么，考虑多通道ADC 501的操作，其中它按序列转换CH1和CH2。CH1和CH2的电压可以是不同的。让我们假设CH1对其有高信号值，并且该CH2具有低信号值，在值上接近多个LSB。

如果ADC 520包括也作为采样电容器的开关电容器DAC阵列，然后作为CH1的转换接近其完成后，开关电容器DAC的有效电压实质上是在开始模数转换之前采样CH1时的CH1。

一旦转换完成，电容器阵列的电容重新连接到ADC 520的输入端522，充电到该值将被转换的下一个值。

如果多通道ADC 501被相当迅速地操作，合理地假设CH2已经选定，而ADC 520正在执行它的转换。因此，电容器516已被充电到CH2的电压。然而，当电容器阵列或ADC 520的采样电容器通过ADC 520中的第一采样开关或开关524变得重新连接到(通过多路转换器和CH 2)到电容器516时，在ADC 520和电容器516之间的进一步电荷再分配发生。这导致在电容器516和在ADC 520的输入522处的电压不同于在CH2输入到多路转换器510的电压。因此，在由ADC 520进行精确的电压测量之前，电荷必须流经电阻514以将电容器516充电到接近输入到多路转换器510的CH2上的值。

因此，多通道ADC 501的获取时间长于可被预期的。

本文所公开的配置寻求通过提供预充电电路而减少为达到特定精度所需的获取时间，所述预充电电路提供从充电多通道ADC的采样电容器的电压产生的大多数(如果不是全部)额外电荷，适合于之前转换(例如，N-1个变换)到当前或后续转换(例如，第N转换)。

如图2中的多通道ADC 1所示，该操作的一种方法是添加预充电电路30(诸如，电压跟随器)，其在采集阶段的第一部分期间将跟踪在过滤器13的输出处的输出电压，并且其可以被切换到ADC 20的采样点26，代替由电阻14和电容器16构成的RC滤波器13的输出电压。这使得电荷转移来往于ADC 20的采样电容器，而不干扰电容器16上的电压。示例节点26是在第一ADC采样开关24和ADC 20的采样电容器28之间。一些ADC转换器实施方式之间可以是多个采样电容器，每个都与相应的第一采样开关相关联。

预充电电路的输出开关32可以被提供在预充电电路30的输出，用于选择性地从ADC 20的采样节点26连接或断开预充电电路。控制器35(诸如，状态机)被提供以控制ADC 20和预充电电路30和任何相关联开关的操作。如果预充电电路的输出级可以放置在高阻抗状态，则开关32可被省略。

虽然预充电电路已被示出为充当电压跟随器和连接到RC滤波器的输出的放大器，所述放大器可被连接到多路转换器12的输出，并且可以被布置成在其频率特性具有滤波器响应，其处于频率fo或其它合适的频率。因此，预充电电路的带宽可以被选择，以控制在采样电容器28上采样的噪声功率。在一些实施例中，预充电电路可具有可变带宽，以允许初始的快速预充电阶段，跟随具有降低噪音的较慢阶段。

图3是图2所示的多通道ADC 1的时序图。响应于转换开始或控制线上向其提供的“SOC”，模数转换器20开始它的转换过程(诸如，逐次逼近转换)。模数转换器20然后执行它的逐次逼近转换并一旦完成便断言转换信号EOC的结束。为简单起见，我们可以假定，该时序图涉及已经讨论过的情况，其中通道1和通道2将要在序列中进行转换。

该时序图开始于通道1的转换信号的开始的发起，多路转换器10以前被布置成选择通道1，并将其提供给多路转换器输出端12，信号S2控制该采样开关24置位，以将第一采样开关24处于低阻抗状态。在时间T＝1，转换信号的开始被断言，并且在T2结束的很短时间保持断言。此时，来自多路复用器的信号被假定为已在模数转换器20内获取。在时间T3，控制开关24的开关信号S2被去断言，以便将开关24处于高阻抗状态。此外，在时刻T3(或其后不久)，该多路复用器被操作以选择通道2，使得通道2上的电压现在用于将电容器16充电到通道2的多路转换器输入。模数转换器20执行转换(诸如，逐次逼近例程(SAR)转化)和在时间T4简要断言转换EOC信号的结束。在EOC信号去断言不久之后，预充电电路的输出开关32在时刻T5凭借被断言的开关信号S1被置于低阻抗状态，以及所述预充电电路可以开始修改连接到所述或每个采样节点26的所述或每个采样电容器28的电荷。信号S1被保持在断言值，直到时间T6，然后被解除断言，以将预充电电路的输出开关32置于高阻抗状态。不久之后，在时间T7时，开关24被置于低阻抗状态，以便在T8通知变换前的下一个开始之前，在模数转换器20中的所述或每个采样电容器28和RC滤波器13的电容器16之间的电荷的最后转移可以发生，其通过标记进一步转换周期的开始而有效对应于T1。

预充电电路可以保持充电贯穿整个采样和转换周期。可替代地，用于降低功率消耗，当它不在使用时，预充电电路可以断电，并且当它接近转换结束时，可以例如对ADC的指令加电，以便具有在T5之前的预充电电路操作。

应当指出，预充电电路也可以与使用的，并提供改进的性能在一个单一的通道ADC。此外，因为某些ADC的技术可能使用错误校正有时在采样电容器在转换结束的电压不等于所述采样值和在这些情况下，可能有益的是使用预充电电路来恢复电压的采样电容器它以前的采样值。

图4更详细地示出了开关电容逐次逼近模数转换器和其连接到所述预充电电路30的内部架构。这种布置可以用于实例如图2所示的ADC。在图4的配置中，预充电电路的输出开关32已在模拟数字转换器20开关电容器阵列中对电容器在电容器基础上进行复制。在图4示出的布置中，提供多个电容器40.1到40.n。只有其中两个40.1和40.n已被示出，为图示简洁。所述电容器以已知的方式进行缩放，以便制造开关电容数模转换器。因此，如果数模转换器的最低有效位由电容器40.n所示，则下一个最小位40.(N-1)的值通常将两倍于电容器的40.n的值直到与电容器40.1相关的最高有效位。该二进制加权是常见的，但其他的加权(诸如，基数1.8)是已知的。同样的电容值可偶尔在阵列内重复以提供冗余，使得所述模数转换器可在其转换过程期间从不正确的临界位确定恢复。此外，一些电容器(诸如，最有效的那些)可以通过多个电容器提供，该多个电容器可以随机或伪随机的方式来选择，以改善动态非线性。因此，最高有效位、下一个最高有效位和第三个最高有效位可形成为从具有相同尺寸的七个电容器的阵列的选择。最高有效位可以通过使用7个中的任意4个进行选择，下一个最高有效位通过使用任何两个7，而第三最高有效位使用7中的任一项。这些的组合可以被随机化以改进模数转换器的动态非线性，包括开关电容数模转换器。

返回到图4，最高有效位的电容器40.1具有连接到公共节点50的底板(如图所示)，该公共节点50被连接到比较器52的第一输入端。另一个(即第二)采样开关54被提供，以在阵列的电容器的输入信号的采样过程中将节点50连接到电压源Vbias。如图所示，MSB电容器40.1具有它的上板，连接到由晶体管来实现的四个开关60.1，62.1，64.1和66.1。第一开关60.1被连接到预充电电路的输出30。第二开关62.1直接连接到模数转换器的输入，即绕过预充电电路30并相当于图1的开关242。第三开关64.1将电容器40.1的上板连接到第一参考电压VrefN，以及第四开关66.1将最高有效位电容器40.1的上板连接到第二(正)参考电压VrefP。对于从最高有效位到最低有效位40.n的每个电容器，提供类似的开关布置。在一些实施例中，如本领域技术人员已知的，电容器阵列可以被分割，以便减少最低有效位和最高有效位之间的比例要求。同样地，不是所有的电容器需要涉及采样输入信号。

图4所示的电路的操作类似于图2所示的电路的开关。因此，开关60.1至60.n和62.1至62.n在SAR位实验序列期间是打开(高阻抗)的，而开关64.1至64.n和66.1至66.n在SAR控制器70的控制下进行操作。预充电电路30可在SAR转换期间去供电，直到转换器70断言电源接通信号，因为它到达SAR转换的最后数位，从而给预充电电路30足够的时间以稳定其输出电压。然后，开关60.1至60.n闭合一段预定的时间，使得经过预充电电路30引起电容器40.1到40.1的电压接近预充电值的所需的任何电荷流发生。预充电值可以是电流值Vin，或者其可以是不同的值，诸如Vin的之前值，作为最紧接在之前采集期间的例子所捕获。Vin不需要是直流信号，但这个与在该第一获取阶段电荷流经由预充电电路30的放大器发生的概念差别不大。然后开关60.1至60.n成为打开状态，开关62.1到62.n是关闭的。优选地(但不一定)，这以“进行之前中断”的方式执行。因此，电容器阵列现在直接连接到过滤器13的输出17，直到作为转换信号的开始被断言为止。转换信号的开始引起开关62.1到62.n被关闭，而SAR例程重新启动。

应当指出，虽然通常预期在预充电阶段开关54被关闭，从而使电容器两端的电压被充电到Vin和Vbias之间的差，这在某些情况下不是绝对必要的。可能与开关60，62，64和66相关联的非线性(寄生)电容，它可以是误差的显著源，特别是在单通道应用中。因此，可以足以充电电容器(连接到开关60，62，64和66的节点)的仅示例节点26(图2)和/或充电至少采样开关62.1至62.N的背栅并使得开关54打开。这降低了放大器或预充电电路30的负载，允许更省电的配置。

使用预充电电路对沉降和采集时间的改进可进一步通过与ADC 20和预充电电路相关的开关的相应的设计进一步改进。

图5是在从转换到获取和从获取到转换的过渡期间用于减少电荷注入误差的修改开关装置的电路图。这种安排可用于上文所述的电路。改进的开关电路具有指定为100的输入节点，它从图1所示的RC滤波器13接收信号。改进开关装置102的采样节点104被连接到模数转换器的采样电容器105。第一采集开关A1串联提供在输入节点100和采样节点104之间。此开关具有和图2的开关24的相同功能。第一采集开关A1由带有其背栅的交换连接的场效应晶体管形成。本领域技术人员已知，NMOS采集开关A1形成在N型衬底内的p型阱中。采集期间使用输入驱动设备的背栅(P型阱)提供改进的线性度。使用数字开关控制信号驱动A1的栅极端子，以和常规一样开启和关闭它。第二采集开关A 2也连接到输入节点100。第二采集开关具有连接到输入节点100的的漏极和源极。第二采集开关A2的尺寸与第一采集开关A1的相同，以便使两个开关当从一个状态切换到另一个时表现出相同的电荷注入特征。

第三采集开关A3连接在输入节点100和第一采集开关A1的背栅极之间。可替换地，开关A3可以定位以便将A1的背栅极连接到采样节点。第四采集开关A4连接在第一采集开关A1的背栅和接地之间。第五采集开关A5连接在缓冲器30的输出端和第一采集开关A1的背栅极之间。关于第二采集开关A2提供类似的配置。第六采集开关A6连接在输入节点100和第二采集开关A2的背栅之间。第七采集开关A7连接在第二采集开关A2的背栅和接地之间。第八采集开关A8连接在缓冲器30的输出和采样节点104之间，以及最后第九采集开关A9连接在缓冲器30的输出和开关A2的背栅之间。开关A1的至A9的栅极由逻辑信号驱动以控制该开关。

开关可被操作，以减少在从获取到转换和从获取到转换的过渡之间从电荷注入产生的切换错误。现在将参照图6描述从获取到转换的过渡。开关A1的初始导通或低阻抗，通过在获取列的数字“1”所示。在预充电阶段，A1被保持在导通状态，然后对于转换模式，通过切换栅极电压到较低的电压被切换到高阻抗状态，由“0”指示。使用开关A1反相位驱动开关A2顶和背栅，使得从开关A1的任何电荷注入由通过采集开关A2的相应电荷耗尽取消。因此，在预充电阶段期间，开关A9置于导通状态，驱动开关A2背栅从地面到放大器30的输出(缓冲在节点100上的电压)，而A3置于高阻抗状态和A4处于导通状态，在相反方向驱动A1的背栅极，从放大器30的输出的电压到接地。在预充电阶段期间使用处于低阻抗状态的开关A1切换两个采集开关A1和A2的背栅极允许开关A1诱发的任何电压消散。

当开关A1被切换到高阻抗状态，来自其通道的大多数电荷将流出形成开关的晶体管的漏极。这是因为进一步(第二)采样开关(图4的项目54)已经置于高阻抗状态，因此A1的源极有效地看做开放电路。来自通道的电荷实质上由流入A2的栅极电荷取消。这确保来自开关网络的操作的电荷流较小，并不干扰在电容器16或采样节点存储的电压。

采集开关A2的背栅可在整个转换保持连接到缓冲器30，但容许缓冲器30被断电，开关A9可对于转换阶段处于高阻抗状态。开关A2的背栅可以然后悬空(如图所示)或通过将开关A6置于导通状态而连接到输入节点100。

采集开关A3在获取阶段打开，使得第一采集开关A1的背栅被连接到输入节点100，但它在预充电和转换阶段期间切换到高阻抗状态。如可预期地，使用采集开关A3反相位驱动采集开关A4，使得它在获取阶段处于高阻抗状态，但在预充电和转换阶段期间导通。开关被分阶段，使得A3和A4从不同时导通。采集开关A5在从获取到转换的过渡期间保持在高阻抗状态。采集开关A8在操作的这个阶段处于高阻抗。在采集阶段，采集开关A7导通，但在预充电和转换期间高阻抗。

如前所述，模数转换器20内的电容式DAC在转换的末端具有在其上的有效电压，近似于用于转换将其采样到DAC的电压。然而，在其中输入频率可以迅速相对改变(即，转换器的10％或以上的奈奎斯特频率)或当输入在多个信道之间多路复用模数转换器的上下文，则采样电压可以从一次采样到下一次实质改变。

图7是一个表，类似于图6中所示，但指示从转换到获取的过去期间的开关状态。这里，两个预充电模式存在于转换模式和采集模式之间。如可从图5预期地，第一采集开关A1在转换模式中处于高阻抗状态(关)，并在为第二预充电和采集模式切换到低阻抗状态之前在第一预充电模式期间保持在高阻抗状态。采集开关A2使用采集开关A1反相位驱动，因此在转换模式期间处于低阻抗状态(开)，在第一预充电模式期间保持在低阻抗状态，并且在第二预充电和获取模式处于高阻抗状态，它的开关转换理想地与第一采集开关A1的实质对齐。因此，如前面提到地，从状态之间切换采集开关A1顶和背栅产生的任何电荷注入由第二采集开关取消，该第二采集开关进行相应但相反的开关转换。第三采集开关A3在转换和预充电模式保持高阻抗状态，但对于获取模式切换到低阻抗状态。采集开关A4在转换和第一预充电模式期间打开，在第二预充电模式处于关闭状态，并且在获取模式保持关闭。

采集开关A5在转换和第一预充电模式期间处于高阻抗状态，并在获取模式期间被关闭之前的第二预充电模式期间接通。采集开关A6在转换和第一预充电模式期间打开，并在第二预充电和获取模式期间关闭，而开关A7在转换和第一预充电模式期间是关闭的，但在第二预充电和获取模式期间被接通。在第二预充电模式期间的开关A5和A7的导通状态沿相反方向驱动开关A1和A2的背栅，以便从它们的背栅连接抵消电荷注入。采集开关A8在转换阶段期间是关闭的，在第一预充电模式期间接通并然后在第二预充电和获取模式关闭。在第一预充电模式电荷流以充电采样节点104并因此所连接的采样电容器到新的输入电压通过预充电电路发生，诸如放大器30和开关A8，而不是要求电荷流来往于RC滤波器13。可以看出，当从操作的转换切换到获取模式时，预充电的操作已经分成两个阶段，从而实质上保证：从打开开关A1产生的没有或实质上没有任何电荷注入由放大器30耗散，而是被完全或实质上通过关闭开关A2取消。

预充电放大器可以与模数转换器105的一个或多个电容器相关联。

优选地，对于模数转换器，预充电放大器可工作在全部有效输入范围。如果预充电电路的轨电压由足够的余量超过模数转换器的信号输入电压，这是容易实现的，以确保预充电电路中没有设备遭受任何电压头部空间问题。然而，在低功率电池操作的电路中，预充电电路从相对低的供应运行是可能的，这可低于ADC的部分输入范围。在这种情况下，电压转换装置可以被设置。

图8示意性地示出了包括关联通常标记160的电压转换电路的通常标记150的放大器的预充电电路。

放大器电路150包括运算放大器170，在这个例子中，具有经由电容器172连接到输入节点100的非反相输入端。放大器170的反相输入端通过电容器174的方式接收其输入。第一开关176可操作以将电容器172和174的最上面的板(如图8)连接在一起。第二和第三开关180和182是可操作的，以将放大器170的反相和非反相输入端连接到共同电压Vbias，诸如VDD(其中，所述放大器可以很容易地接受超过其正电源轨的输入电压)，或，其中希望把输入电压置于放大器170的工作电压范围的中心。在输入获取阶段，一旦输入已被选择用于提供给图2的模数转换器，它可以发生，但理想地在转换结束发生之前，开关176、180和182可以关闭。然后，在每个电容器172和174上获取节点100处的输入和电压Vbias之间的电压差。放大器也可以被指示在此时执行自动调零操作。经过足够的稳定时间，开关176、180和182再次打开。该放大器现在可以用于预充电电路或预充电缓冲器。在预充电阶段，开关200和202被关闭，以便经由电容器174连接在采样或输出节点104(其是将通过模数转换器采样的电压)的电压到放大器170的反相输入。放大器170现在充当比较器，以指示在节点104上的电压是否大于或小于在输入节点100的电压。如果在节点104上的电压大于节点100，则开关控制器210响应于放大器170的输出闭合开关220，以允许电流通过电流吸收器222从节点104流到地面。这种情况会出现，直到电压变得实质上等于或在节点处的电压104只是下降到低于在节点100的电压，然后，控制器210打开开关220以便停止电流的流动。如果在节点104上的电压小于在节点100，则放大器170的输出可以通过电压转换电路160提供到节点104，从而确保由电压转换电路输出的电压可以超过用于驱动放大器的相对低VDD。所述电压转换电路可以包括一个或多个电容器，在本示例中示出两个，它可以被充电以向节点104提供增强的电压。校正可以在两个步骤中执行。

如图8所示，电压转换器160包括第一电压转换电容器250，具有通过高侧开关252连接到VDD的其最上板和连接到VSS的其最低板，VSS连接到低侧开关254。如图8所示，本文所用的术语高侧和低侧是指相对于电容开关的位置。类似地，第二电压转换电容器260通过高侧开关262连接到VDD并通过低侧开关264连接到VSS。中间开关270被设置成能将第一电压转换电容器250的上板选择性地连接到第二电压转换电容器260的下板。输出开关280被提供，以便通过开关200将电容器260的上板连接到以节点104。

作为充电过程的第一部分，电容器250和260可以作为电荷泵，以便在节点104上的电压提升到大于或约等于在节点100。为了进行该操作，电荷泵工作在充电阶段，其中开关252、254、262和264被关闭，而开关270和280打开。这使得每个电压转换电容器250和260被充电到VDD。然后开关252、254、262和264被打开，和开关290被关闭，从而将第一电容器250的底板连接到共模电压V_cm(或到VDD)。开关270被关闭，以串联电容器250和260，使得在第二电容器60的最上层板的电压变成V_cm+2VDD。开关280然后关闭以便向节点104移动电荷和打开向模数转换器的电容器移动电荷。如果由放大器170在节点104所检测的电压仍然没有超过在节点100的电压，则电荷泵返回到其原始状态，并可以用来执行另一轮的电荷泵送。如果在节点104的电压未超过在节点100的电压，则可执行进一步的几轮电荷泵送。然而，如果在节点104的电压已经超过在节点100的电压，则开关290打开和开关282可闭合，以便在放大器170的输出端连接到电容器250。因为电压的底板处的节点104和100在此阶段相当接近，该放大器可通过电压转换块160的电压转换特性执行闭环调整，以大致平衡在节点100和104的电压。一旦分配给该功能的超时周期已期满，则开关200被打开，以便从节点104断开预充电电路开关200。在此实例中，开关200对应于图2的开关32。然后，开关300被闭合300以便连接节点100和104。开关300具有和图2的开关24的相同功能。

图9示出了可使用的进一步的电压转换网络。

电压转换网络305包括具有电容C1的第一电压转换电容器310和具有电容C2的第二电压转换电容器312。

电压转换网络形成在电压转换电路的输入节点320和电压转换电路的输出节点322之间。在这个例子中，第一电容器310永久地连接在输入节点320和输出节点322之间。

第二电压转换电容器312与开关330、332、334、336相关联。开关330可操作以将电容器312的第一极板连接至输入节点320。开关332可操作以将电容器312的第二板连接到输出节点322。开关334可操作以将电容器312连接到输入节点320的第二板，和开关336可操作以将电容器312的第一板连接到输出节点322。

输入节点320可以由开关290连接到共模电压V_cm，或由开关282连接到放大器170的输出，如先前相对于图8描述。

输出节点322可由另一开关340连接到另一电源电压，诸如Vref。电压转换电路还连接到开关280，如与前面参考图8所描述地。因此，电压转换网络305替代图8的电荷泵160。

在操作的初始阶段，开关340是关闭的，以及开关280是打开的。开关330和332闭合，以及开关334和336是打开的(高阻抗)。开关290闭合而开关282打开。这具有连接右手板(见图9)到V_ref和左手到V_cm的后果。因此，电容310和312被充电到V_ref-V_cm。

开关340和290然后打开，使得电容器充电到V_ref-V_cm。

开关的操作现在响应于控制信号B，其可以是单个信号，或如将要讨论的多位字的单个位。

例如，如果B为高，开关330和332保持导通，以及开关334和336保持关闭状态。因此，电容器310和312保持并联连接。当开关280和282被关闭时，放大器的输出由电容器转换以便向其添加V_ref-V_cm。因此，即使放大器输出范围可更受限于例如中心或平顶在实质上V_cm的范围，放大器能够驱动节点104到V_ref。

如果控制位B为低，则开关330和332关闭，而开关334和336导通。因此，第二电容器312的极性与第一电容器相比是相反的，以及电容再分配本身之间的电荷，直到达到新的平衡电压为止。

电容器的比率可以被选择以迫使新的平衡电压V为实质上范围内的任何位置(V_ref-V_cm)＞V＞-(V_ref-V_cm)。

若电容比率C2至C1被选择，使得：

C 2 = \frac{C 1 \cdot V_{ref}}{V_{ref} - 2 V_{cm}}

然后，当输入节点处于V_cm时，在节点322的输出可被强制为0V。这允许放大器的输出为V_cm时，采样节点被驱动到0V。

因而，放大器所需的输出范围变小。

图9的电压转换电路305可以在如图10所示的电路内被再现多次。这里，示出电路305的三个实例305a、305b和305c。电容器的相对尺寸可以按比例调整。从而，305c中C1的电容量可以是305b中电容C1的两倍和305a中电容C1的4倍。因此，块可以被单独控制以创建多位DAC。由此，假设已通过例如闪速转换器估计提供的电压差，能够进一步减小放大器30的工作范围，所述闪速转换器测量放大器170的输入端的初始电压差。

正如相对于图5所指出的，A2(设置时)的作用是与开关A1反相切换，以便实质上抑制在A1的切换期间从电荷注入产生的电压扰动。形式开关A1的晶体管(或可能的晶体管)需要是很大的，以便产生低阻抗来抵消开关A1的V_GS没有很好限定的事实，因为它依赖于被采样的电压。因此，A1和A2(已被示出为单个NMOS设备)可形成为具有适当的开关控制信号的并联连接的NMOS和PMOS设备。但是，由于寄生电容，仍然有从A1的少量电荷注入没有被A2均衡和取消。

图11示出图5的电路的变形例，其进一步解决电荷注入问题。如同图5，ADC的采样电容器105(是否被初始化为单个电容器或可能在切换电容器阵列中的多个电容器)选择性地由开关54连接到V_bias，如图4示出。形成开关54的FET的源极电压被很好地限定，并且因此在晶体管的低阻抗状态期间的栅-源电压可以被布置以便切换到低电阻状态。因此，实施开关54的晶体管可以比开关A1和A2的晶体管小。在从获取到转换的过渡期间，当电荷被采样到采样电容器105上时，开关54从低阻抗切换为高阻抗，以便保持在采样电容上的采样电压。一旦开关54成为高阻抗，A1被置于高阻抗状态。被此注入的电荷流主要朝着A2，因为对采样电容器的方向是开放电路。然而，一旦考虑寄生电容，少量的电荷可从A1的源流到寄生电容。为了避免这一点，小的晶体管A10可被放置与A1平行。比形成开关A1的晶体管相比，晶体管A10可以具有相对高的通道阻力，但它足以允许从A1的源注入的电荷消散。晶体管A10可以由A1的驱动信号的稍微延迟版本来驱动，并且可以由延迟元件350延迟仅仅几纳秒。

图12示出进一步修改的电路，它基于图2，但其示出更详细的各个组件。预充电放大器30可以是能够提供在采样节点26需要的电压范围。在这种情况下，电压转换电路(在图12中表示为电池400)则不需要或可被绕过。但是，如果放大器30不能提供在采样点26所要求的全电压范围，则该电压转换电路400可被提供。所述电压转换电路400在虚线轮廓中示出，以表示这是可选的电路功能。

图12的装置还包括图4所示的电路。在图4中，各个采样电容器40.1至40.N被示出为明确和单独的组件，而在图12中，它们都用单个电容器来表示，但标记40.1到40.N表示本文中相对于图4所描述的多个独立电容器，类似地，采样节点26(用于采样输入电压的各个电容器的顶板)和VrefP(指定66.1至66.N并在图4明确示出)之间的开关由图12中的单个开关表示。此外，图4中示出为切换64.1至64.4的采样节点26和VrefN之间的各个开关由图12中的单一开关表示。

返回参照图4，预充电电路30的输出经由相应的开关60.1至60.N.连接到每个单独的电容器40.1至40.N。开关也示于图12，但为了简单起见示意性地示出为单个开关。为了形成反馈回路，该放大器的输入端通过开关362.1至362.N的方式可连接到电容器40.1至40.N的顶板。该连接通过单个开关示意表示。

比较图12与图4，图12中的采样开关24对应于采样开关62.1至62.N.

所述或每个采样开关24(或62)的背栅或可由开关A3连接到源或每个采样开关24，开关A3对应于图5中所示装置的稍微变形。类似地，采样开关24的背栅也经过开关A4连接经到地面，再对应于图5所示的布置。

比较图12与图9，放大器30和电压转换电路400周围的电路结构类似于图9所示。因此，放大器30具有连接到电容器172的第一板的反相输入端，第二板电容器172可通过第一预充电电路连接到输入节点100采样开关402。放大器30的反相输入端与电容器172的第一板也通过第二预充电电路采样开关404被连接到基准电压。放大器30的非反相输入端还连接到参考电压。放大器30的输出通过输出开关282连接到电压转换电路400，其可对应于相对于图9或10所述的配置。电压转换电路的输出由开关410选择性地连接到输入节点100，其借助于设置为导通状态的开关176、202和280复制图9和10所示的电路路径。

图12所示的电路通过几个阶段运行。在初始阶段，称为采集阶段，开关24导通，而第二采样开关54也导通。这样，在输入节点100上的电压被采样到电容器40.1至40.N。向VREFP和VREFN的开关处于非导通状态。同样，这些开关60.1至60.N以及任选电压转换电路400的放大器处于非导通状态，以及开关362.1到362.N也是非导通，从而从放大器输入分离采样节点26。开关A3正在导通(关闭)，以及开关A4是打开的。

如果我们注意到与预充电放大器相关联的电路，那么预充电电路的采样开关402和404也将被关闭(导通)，从而采样到电容器172上的输入电压。开关410也被关闭，但放大器的输出开关282是打开的(高阻抗)。为了将输入节点100上的信号采样到电容器40.1到40.N，采样开关54在适当的时刻打开，并与图13所示的与预充电放大器相关联的采样开关404也打开的同时或不久之后。

该电路然后进行到预位审阶段，如图14所示，其中开关402和410打开，以及开关24也被打开，从而将这些开关处于非导通状态。同时将开关24处于非导通状态，开关A3被打开，以及开关A4关闭，从而开关24的背栅极连接到地。

电路现在可以运行位测试序列，其中开关64.1至64.N和66.1至66.N在每个位试验中被选择性地驱动，以按照已知的SAR位试用序列将它们各自电容器的顶板连接到一个或其他参考电压。

一旦SAR位试验已经完成，该电路然后进入如图15所示的预充电阶段。预充电阶段开关54通常是闭合的。开关64.1至64.N和66.1至66.N是开放的(高阻抗)，以及开关24保持在高阻抗状态。开关A4被打开，以及A3被关闭，使得开关24的背栅现在连接到采样节点26。在放大器30的输出的开关282被关闭，以将放大器30连接到电压转换电路400。开关60.1至60.N和362.1到362.N被置于导通状态，使得采样节点26置于放大器30周围的对于跟随反馈回路，使得在采样节点26上的电压被驱动以对应于在采集阶段采样到电容器172上的电压。因此，在该布置中，采样电容器返回到刚刚由ADC转换的采样电压。这种方法适用于以非多路复用方式操作的模数转换器。其中，模数转换器在开关电容SAR技术实现，如这里所示，可认为，在SAR过程结束时，在电容器40.1至40.N上的电压将等于采样电压。这通常在相对简单的SAR中是真实的，其中在阵列中没有实施附加电容器或开关机制的修改用于校正在SAR处理器期间进行的潜在不正确位决定，以及在差分比较器的情况中，其中附加技术用于控制在整个转换器的共模电压，以便在其最有利并因此精确的输入电压范围内运行比较器。在其中只有部分电容器用于采样的分段转换器的情况下，然后再次在转换过程结束时在它们之间共享的电压可不同于最初采样的电压。

在预充电阶段完成之后，电路转换回到相对于上文图13描述的采集配置。

因此，通过使用预充电电路减小在RC滤波器，或者甚至在模数转换器的输入端提供的其它过滤器或驱动电路的输出的电压扰动。此外，通过合适设计位于过滤器13和模数转换器20之间的开关电路，也能够显著减少由于从开关的操作产生的电荷注入的扰动。此外，它也可能提供预充电电路，它可以充电或放电模字转换器的电容，即使相对于被数字化的输入电压范围信号，预充电电路中的设备运行在相对低的电压。

这里提出的权利要求是适合用于美国专利商标局的单个依赖格式。然而为避免疑义有关的权利要求的修正，任何从属权利要求可以依赖于前述任一从属权利要求，除非技术上显然不可行。

Claims

1.一种模数转换器，包括连接到输入节点的至少一个采样电容器，和预充电电路，所述预充电电路被配置为使得在所述模数转换器进入获取模式之前在至少一个采样电容器的节点处的电压实质匹配所述输入节点的输入电压，其中所述至少一个采样电容器由第一采样开关连接到所述输入节点。

2.如权利要求1所述的模数转换器，其中，所述预充电电路被间歇供电。

3.如权利要求1所述的模数转换器，其中，所述预充电电路被设置成使得在所述至少一个采样电容器上的电压实质上达到之前获取模式的电压。

4.如权利要求1所述的模数转换器，其中，所述预充电电路被设置成使得在所述至少一个采样电容器上的电压大致达到在输入节点普及的电压。

5.如权利要求1所述的模数转换器，包括电容器阵列，以及其中所述电容器阵列可以在获取配置中进行连接，其中多个电容器阵列的电容器并联连接。

6.如权利要求1所述的模数转换器，其中，所述预充电电路包括放大器。

7.如权利要求6所述的模数转换器，其中，所述放大器被配置为电压跟随器。

8.如权利要求1所述的模数转换器，其中，所述预充电电路在至少部分获取模式期间去供电。

9.如权利要求1所述的模数转换器，其中，所述模数转换器包括或是逐次逼近例程模数转换器，以及一旦完成转换，预充电电路的输出开关经操作以将所述预充电电路连接到所述模数转换器的采样电容。

10.如权利要求9所述的模数转换器，其中，在预定的时间段之后或当确定电路确定在采样电容上的电压与输入电压的差值小于第一阈值，则所述预充电电路从采样电容器被断开或所述预充电电路的输出被置于高阻抗状态，以及所述第一采样开关置于低阻抗状态，以便将采样节点连接到采样输入。

11.如权利要求10所述的模数转换器，其中，所述预充电电路在从采样电容器断开预充电电路或将预充电电路的输出置于高阻抗状态之后的第二预定时段内被去供电。

12.如权利要求6所述的模数转换器，其中，所述放大器进一步包含或关联偏移减少电路，以执行偏移减少操作。

13.如权利要求12所述的模数转换器，其中，在输入获取阶段，所述放大器的第一和第二输入端的至少一个连接到所述采样输入，无论是直接或通过电容器电平移动和/或衰减电路。

14.如权利要求12所述的模数转换器，其中，在输入获取阶段，所述放大器的第一和第二输入端的至少一个连接到基准电压，无论是直接或经由电容器电平移位电路。

15.如权利要求1所述的模数转换器，其中，第一采样开关是在隔离井中形成的场效应晶体管，以及开关控制信号被施加到场效应晶体管的栅极，以及表示输入电压的电压可以选择性地提供到场效应晶体管的背栅。

16.如权利要求15所述的模数转换器，进一步包括采集开关，所述采集开关连接到所述采样开关并具有使用采样开关反相位驱动的至少栅极或背栅。

17.如权利要求16所述的模数转换器，其中，所述采集开关的背栅上的电压摆动幅度类似于所述采样开关的背栅。

18.如权利要求16所述的模数转换器，由此所述采集开关的背栅极被预充电到输入电压，或到输入电压的之前采样版本。

19.如权利要求6所述的模数转换器，其中，所述预充电电路进一步包括连接到放大器的输出的电压转换电路。

20.如权利要求19所述的模数转换器，其中，所述电压转换电路包括至少一对可切换的充电电容器，使得响应控制信号，电容器中的一个的极性可相对于另一个逆转。

21.如权利要求20所述的模数转换器，其中，具有相同或不同值的电容器的多个转移电路被平行设置，以提供数字可控的电压转换。

22.如权利要求19所述的模数转换器，其中，所述电压转换电路进一步可操作作为电荷泵。

23.如权利要求1所述的模数转换器，其中，在预充电期间，所述采样电容器连接到所述采样节点。

24.如权利要求23所述的模数转换器，其中，在预充电期间，所述采样电容器的第二端子被连接到电源轨或参考电压或偏置或附加输入，使得采样电容变得带电。

25.如权利要求23所述的模数转换器，其中，在预充电期间，所述采样电容器的第二端子处于高阻抗，使得电荷不会存储在采样电容器上，但电荷在采样电容器的信号路径中被提供给和晶体管开关相关联的寄生电容器。

26.如权利要求8所述的模数转换器，其中，所述预充电电路的上电和去电由控制器进行控制。

27.如权利要求13所述的模数转换器，进一步包括短路晶体管，所述短路晶体管平行于所述采样开关形成的，以及可操作以在将所述采样开关置于高阻抗状态之后提供临时传导路径。

28.一种操作模数转换器的方法，它在使用时具有连接到滤波器的输出的输入节点，并且其中所述模数转换器的获取操作包括：

b)第二获取阶段，其中所述预充电电路从采样节点断开；

其中所述预充电电路被间歇地供电。

29.一种用于将第一节点连接到第二节点的开关装置，其包括连接在第一节点和第二节点之间的第一场效应晶体管，以及具有连接到第一节点的漏极和源极的第二场效应晶体管，并且其中，施加到第一和第二晶体管的栅极的控制信号被反相驱动。

30.如权利要求29所述的开关装置，进一步包括装置，用于有选择地驱动的所述第一场效应晶体管的背栅极到偏置电压、到第一节点的电压、或所述第一节点的电压的缓冲版本。

31.如权利要求29所述的开关装置，进一步包括用于选择地驱动所述第二场效应晶体管的背栅极到偏置电压、到第一节点的电压或第一节点的电压的缓冲版本。

32.如权利要求29所述的开关装置，还包括与所述第一场效应晶体管并联的短路晶体管，并且经控制以便在第一晶体管已经取得高阻抗之后的第一时间段导电。