DE202012013712U1

DE202012013712U1 - Ladungsumverteilungs-Digital-Analog-Wandler

Info

Publication number: DE202012013712U1
Application number: DE202012013712.3U
Authority: DE
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2019-12-09
Anticipated expiration: 2022-03-22
Also published as: EP2689534A4; EP2689534A2; JP5735701B2; WO2012129289A3; JP2014520412A; EP2689534B1; CN104040898A; WO2012129289A2; US8390502B2; US20120242523A1; CN104040898B

Abstract

Ladungsumverteilungs-Digital-Analog-Wandler (DAC), aufweisend:einen chipinternen Reservoirkondensator, der eine erste Platte und eine zweite Platte aufweist;ein Array von DAC-Kondensatoren, die jeweils eine erste und eine zweite Platte aufweisen; undein Array von Schaltern, gesteuert von einem DAC-Eingangswort, zum Verbinden einer zweiten Platte eines jeweiligen DAC-Kondensators mit der ersten oder der zweiten Platte des chipinternen Reservoirkondensators;einen ersten Schalter, der die erste Platte des chipinternen Reservoirkondensators mit einem externen Anschluss für eine erste externe Referenzspannung verbindet; undeinen zweiten Schalter, der die zweite Platte des chipinternen Reservoirkondensators mit einer zweiten Externer-Anschluss-Referenzspannung verbindet.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Signalprozessoren und insbesondere einen Ladungsumverteilungs-Digital-Analog-Wandler (DAC), der eine Ladungsumverteilung gänzlich auf einem IC-Chip ausführt.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ladungsumverteilungs-DACs sind in modernen integrierten Schaltungen üblich, insbesondere in CMOS-Designs mit geschalteten Kondensatoren. Diese finden in vielen Anwendungen Verwendung, einschließlich Analog-Digital(ADC)-Architekturen, wie etwa Pipeline-ADCs und ADCs mit sukzessiver Approximation (SAR). In Abhängigkeit von der Anwendung können die Schlüsselleistungsfähigkeitsmetriken die Linearität des DAC und dessen Einschwinggeschwindigkeit sein.
Ein beispielhafter 3-Bit Ladungsumverteilungs-DAC 100 ist in 1 gezeigt. Er setzt sich aus einem Abschlusskondensator 102 und einem Array von binärgewichteten Kondensatoren 104.1, 104.2 und 104.3 mit jeweiligen Kapazitäten 1C, 1C, 2C und 4C zusammen. Die DAC-Eingabe ist ein 3-Bit Binär-Digitalwort, wobei jedes Bit einen jeweiligen Schalter der mit den Kondensatoren verbundenen Schalter 106.1, 106.2 und 106.3 steuert. Die andere Seite der Schalter 106.1, 106.2 und 106.3 ist in Abhängigkeit von dem entsprechenden Bit des DAC-Eingabeworts mit einer Referenzspannung V_REF oder Masse GND verbunden. Typischerweise steuert eine digitale „1“ einen entsprechenden Schalter, sich mit der Referenzspannung V_REF zu verbinden, und eine digitale „0“ steuert einen entsprechenden Schalter, sich mit GND zu verbinden. Die DAC-Ausgabe wird durch eine Gleichung V_out = V_REF * C_selected / C_total bestimmt, in welcher C_selected die durch das DAC-Wort selektierte Kapazitätsmenge ist und C_total die Summe aller Kapazität in dem DAC 100 ist. Falls beispielsweise der DAC-Code 101 ist, werden die Kondensatoren 104.1 und 104.3 durch Verbinden der Schalter 106.1 und 106.3 mit der Referenzspannung V_REF selektiert und der Schalter 106.2 verbindet den Kondensator 104.2 mit der Masse GND. Die Ausgabe würde V_out = V_REF * (4C + 1C) / (4C + 2C + 1C + 1C) = 5/8 * V_REF sein.
Die Referenzspannung V_REF und Masse GND weisen zugehörige Parasitäten auf, die durch L_PAR1 und L_PAR2 repräsentiert sind. Wenn irgendeiner der DAC-Kondensatoren von V_REF auf GND (oder umgekehrt) schaltet, wird die Spannung an dem DAC-Ausgang in Abhängigkeit von Charakteristika der Parasitäten und der Kapazität des DAC 100 für einen gewissen Zeitraum nachschwingen. In einer typischen integrierten Schaltung beschränkt das Nachschwingphänomen die Frequenz mit welcher der DAC angesteuert werden kann.
Somit ist die Leistungsfähigkeit des DAC bei hohen Geschwindigkeiten häufig durch die parasitäre Induktivität beschränkt. Dementsprechend gibt es Bedarf zum Verbessern der Geschwindigkeit, mit welcher der Ladungsumverteilungs-DAC einschwingt, insbesondere für eine SAR-ADC-Anwendung.
Figurenliste

1 ist ein herkömmlicher Ladungsumverteilungs-DAC.
2 zeigt einen Ladungsumverteilungs-DAC gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt den Ladungsumverteilungs-DAC von 2 in einer zweiten Phase gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt einen anderen Ladungsumverteilungs-DAC gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt einen SAR-ADC mit einem Ladungsumverteilungs-DAC gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt einen Prozess für einen Ladungsumverteilungs-DAC gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt einen anderen Ladungsumverteilungs-DAC gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt einen anderen Ladungsumverteilungs-DAC gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können einen Ladungsumverteilungs-DAC mit einem chipinternen Reservoirkondensator bereitstellen, um den DAC als Ersatz für herkömmliche externe Referenzspannungen mit Ladungen zu versorgen. Der DAC kann den chipinternen Reservoirkondensator, der eine erste Platte und eine zweite Platte aufweist, ein Array von DAC-Kondensatoren zum Erzeugen einer DAC-Ausgabe und ein Array von Schaltern, gesteuert von einem DAC-Eingangswort, zum Verbinden der DAC-Kondensatoren mit dem Reservoirkondensator aufweisen. Der Ladungsumverteilungs-DAC kann ferner einen ersten Schalter, der die erste Platte mit einem externen Anschluss für eine erste externe Referenzspannung verbindet, und einen zweiten Schalter, der die zweite Platte mit einem externen Anschluss für eine zweite externe Referenzspannung verbindet, aufweisen. Eine Ausführungsform kann einen ADC bereitstellen, der den Ladungsumverteilungs-DAC aufweist.
Ein andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Erzeugen einer Digital-Analog-Ausgabe für einen Digital-Analog-Wandler (DAC) bereitstellen. Das Verfahren kann Abtasten von zwei externen Referenzspannungen zu einem chipinternen Reservoirkondensator des DAC aufweisen. Ferner kann das Verfahren Trennen des chipinternen Reservoirkondensators des DAC von den externen Referenzspannungen und Verbinden der mehreren DAC-Kondensatoren mit dem chipinternen Reservoirkondensator gemäß einem DAC-Eingabewort aufweisen.
2 zeigt einen Ladungsumverteilungs-DAC 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Ladungsumverteilungs-DAC 200 kann ein N-Bit DAC sein (wobei N beispielsweise eine ganze Zahl größer als eins ist) und einen Abschlusskondensator 202 und ein Array von binärgewichteten Kondensatoren 204.1-204.N und mehrere Schalter 206.1-206.N aufweisen. Der Ladungsumverteilungs-DAC 200 kann ferner zwei Schalter 208.1 und 208.2 und einen Reservoirkondensator C_RES 210 aufweisen. Alle von diesen Komponenten des Ladungsumverteilungs-DAC 200 können in einem IC-Chip 220 (z. B. auf demselben Die) integriert sein und der Reservoirkondensator C_RES 210 kann ein chipinterner Reservoirkondensator sein.
Der Reservoirkondensator C_RES 210 kann zwei Seiten aufweisen (z. B. zwei Platten), um elektrische Ladungen zu speichern. Der Schalter 208.1 kann ein Ende, gekoppelt mit einer ersten Seite (z. B. eine obere Platte oder eine obere Seite) des C_RES 210, und ein anderes Ende, gekoppelt mit einem ersten Anschluss des IC-Chips, der während Betriebs mit einer ersten Referenzspannung V_REF1 verbunden sein kann, aufweisen. Der Schalter 208.1 steuert somit die Verbindung zwischen der ersten Seite von C_RES 210 und der ersten Referenzspannung V_REF1 . Der Schalter 208.2 kann ein Ende, gekoppelt mit einer zweiten Seite (z. B. eine untere Platte oder eine untere Seite) des C_RES 210, und ein anderes Ende, gekoppelt mit einem zweiten Anschluss des IC-Chips, der während Betriebs mit einer zweiten Referenzspannung V_REF2 verbunden sein kann, aufweisen. Der Schalter 208.2 steuert somit die Verbindung zwischen der zweiten Seite von C_RES 210 und der zweiten Referenzspannung V_REF2 . Jeder Kondensator 204.1-204.N kann durch einen jeweiligen Schalter 206.1-206.N gesteuert werden, sich von dem Reservoirkondensator C_RES 210 zu trennen oder sich entweder mit der ersten Seite des Reservoirkondensators C_RES 210 oder der zweiten Seite des Reservoirkondensators C_RES 210 zu verbinden. Bei einer Ausführungsform kann die erste Referenzspannung V_REF1 einen höheren Spannungswert als die zweite Referenzspannung V_REF2 aufweisen. Beispielsweise kann die erste Referenzspannung ein positiver Referenzwert V_REF+ (z. B. die positive Stromversorgung VDD) sein und die zweite Referenzspannung V_REF2 kann ein positiver Referenzwert kleiner als V_REF+ oder die Masse GND oder ein negativer Referenzwert V_REF- (z. B. die negative Stromversorgung VSS) sein.
Die Schalter 206.1-206.N können durch ein DAC-Eingabewort gesteuert werden, das ein N-Bit Binär-Digital-Wort sein kann, wobei jedes Bit jeweils einen Schalter steuert. Der Schalter 206.1 kann von dem niedrigstwertigen Bit (least significant bit - LSB) gesteuert werden und somit kann der Kondensator 204.1 dem LSB entsprechen und seine Kapazität kann eine Einheitskapazität sein (z. B. 1C). Der Schalter 206.N kann von dem höchstwertigen Bit (most significant bit - MSB) gesteuert werden und somit kann der Kondensator 204.N dem höchstwertigen Bit (MSB) entsprechen und seine Kapazität kann 2^N-1 die Einheitskapazität sein. Somit weisen die binärgewichteten Kondensatoren 204.1-204.N jeweils Kapazitäten von 2°C, 2¹C, ... und 2^N-1C auf. Bei einer Ausführungsform kann die Einheitskapazität ein beliebiger geeigneter Kapazitätswert sein.
Bei einer Ausführungsform kann der Ladungsumverteilungs-DAC 200 Teil des Integrierte-Schaltung(IC)-Chips 220 sein. Die Referenzspannungen V_REF1 und V_REF2 können von außerhalb des Chips 220 zugeführt werden. Der Ladungsumverteilungs-DAC 200 kann in 2 Phasen arbeiten. Während einer Anfangshandlungsphase kann der Reservoirkondensator C_RES 210 mit den externen Referenzspannungen V_REF1 und V_REF2 verbunden sein und kann die Referenzspannungen V_REF1 und V_REF2 abtasten. Das heißt, dass die Schalter 208.1 und 208.2 während dieser Anfangsphase jeweils die erste und die zweite Seite des Reservoirkondensators C_RES 210 mit den externen Spannungen V_REF1 und V_REF2 verbinden können. Bei einer Ausführungsform können die Schalter 206.1, 206.2 und 206.3 geschlossen gehalten werden, um die DAC-Kondensatoren 204.1-204.N während dieser Anfangsphase mit dem Reservoirkondensator C_RES 210 zu verbinden. Bei einer anderen Ausführungsform können die Schalter 206.1, 206.2 und 206.3 die DAC-Kondensatoren 204.1-204.N während der Anfangsphase von dem Reservoirkondensator C_RES 210 trennen. Bei der letzteren Ausführungsform kann jegliches Nachschwingen aufgrund von Parasitäten keine Auswirkung auf irgendeinen der DAC-Kondensatoren 204.1-204.N haben.
3 zeigt den Ladungsumverteilungs-DAC 200 in einer zweiten Phase gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Während der zweiten Phase können, wie in 3 gezeigt ist, die Schalter 208.1 und 208.2 die erste und die zweite Seite des Reservoirkondensators C_RES 210 von den externen Referenzspannungen trennen (z. B. Trennen von der externen V_REF1 und V_REF2 ) und somit den Ladungsumverteilungs-DAC 200 von den Parasitäten isolieren. In der zweiten Phase können ein oder mehrere DAC-Eingabeworte auf die Schalter 206.1-206.N angewandt werden. In jedem DAC-Eingabewort kann eine digitale „1“ einen entsprechenden DAC-Kondensator 204 mit der ersten Seite des Reservoirkondensators C_RES 210 verbinden, und eine digitale „0“ kann einen entsprechenden DAC-Kondensator 204 mit der zweiten Seite des Reservoirkondensators C_RES 210 verbinden. Beispielsweise kann das MSB-Bit des DAC-Eingabeworts den Schalter 206.N steuern und das LSB-Bit des DAC-Eingabeworts kann den Schalter 206.1 steuern. Daher wird die gesamte Ladungsumverteilung vollständig chipintern zwischen dem Reservoirkondensator C_RES 210 und den DAC-Kondensatoren 204.1-204.N stattfinden. Da diese gemeinsame Ladungsnutzung chipinternen ist, wird die Leistungsfähigkeit des DAC 200 nicht durch die langsame Einschwingantwort beschränkt, die durch externe Parasitäten verursacht wird, wie etwa durch Streuinduktivität. Bei einer Ausführungsform kann das Einschwingen nur durch einen Einschaltwiderstand begrenzt sein, welches in modernen IC-Prozessen sehr schnell sein kann.
Wie in 2 und 3 gezeigt ist, muss der Reservoirkondensator C_RES 210 möglicherweise sehr groß sein, um die Ladungselektrizität zu liefern. Bei einer Ausführungsform kann der Reservoirkondensator C_RES 210, um eine N-Bit Linearität zu erreichen, derart bemessen sein, dass: $C_{R E S} > 2^{2 N} * C_{U N I T}$
wobei C_UNIT die Größe des LSB-Kondensators ist (1C, wie in 2-3 gezeigt ist). Dementsprechend kann der Reservoirkondensator C_RES gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für DACs mit moderater bis hoher Auflösung enorm sein.
Während des Betriebs können die DAC-Kondensatoren 204.1-204.N jeweils mit einer Seite mit dem Reservoirkondensator C_RES 210 verbunden sein (z. B. entweder die erste oder die zweite Seite). Der DAC-Ausgang kann mit der anderen Seite der DAC-Kondensatoren 204.1-204.N gekoppelt sein und ist niemals direkt mit dem Reservoirkondensator C_RES 210 verbunden.
4 zeigt einen anderen Ladungsumverteilungs-DAC 400 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Ladungsumverteilungs-DAC 400 kann ein N-Bit DAC sein und kann einen Abschlusskondensator 402 und ein Array von binärgewichteten Kondensatoren 404.1-404.N und mehrere Schalter 406.1-406.N aufweisen. Der Ladungsumverteilungs-DAC 200 kann ferner mehrere Reservoirkondensatoren C_RES 410.1-410.N aufweisen. Die Reservoirkondensatoren C_RES 410.1-410.N können jeweils eine erste Seite (z. B. eine erste Platte oder obere Platte) und eine zweite Seite (z. B. eine zweite Platte oder untere Platte), jeweils mit externen Anschlüssen für die Referenzspannungen V_REF1 und V_REF2 über Schalter 408.1a und 408.1b bis 408.Na und 408.Nb verbunden, aufweisen. Jeder DAC-Kondensator 404 kann durch einen jeweiligen Schalter 406 gesteuert werden, sich von einem jeweiligen Reservoirkondensator C_RES 410 zu trennen oder sich entweder mit der ersten Seite oder der zweiten Seite des jeweiligen Reservoirkondensators C_RES 410 zu verbinden. Alle von diesen Komponenten des Ladungsumverteilungs-DAC 200, beispielsweise die Kondensatoren (402, 404.1-404.N), die Schalter (406.1-406.N, 408.1a und 408.1b bis 408.Na und 408.Nb), die Reservoirkondensatoren C_RES (410.1-410.N) können auf einem IC-Chip 420 integriert sein (z. B. auf demselben Die) und die Reservoirkondensatoren C_RES (410.1-410.N) können chipinterne Reservoirkondensatoren sein.
Ähnlich dem Ladungsumverteilungs-DAC 200 können die Schalter 406.1-406.N durch ein N-Bit DAC-Eingabewort gesteuert werden, das ein Binär-Digital-Wort sein kann, wobei jedes Bit einen Schalter steuert. Der Schalter 406.1 kann von dem niedrigstwertigen Bit (least significant bit - LSB) gesteuert werden und somit kann der Kondensator 404.1 dem LSB entsprechen und seine Kapazität kann eine Einheitskapazität sein (z. B. 1C). Der Schalter 406.N kann von dem höchstwertigen Bit (MSB) gesteuert werden und seine Kapazität kann 2^N-1 der Einheitskapazität sein. Somit weisen die binärgewichteten Kondensatoren 404.1-404.N jeweils Kapazitäten von 2⁰C, 2¹C, ... und 2^N-1C auf.
Wieder kann der Ladungsumverteilungs-DAC 400 Teil des IC-Chips 420 sein und die Referenzspannungen V_REF1 und V_REF2 können von außerhalb des IC-Chips 420 geliefert werden. Der Ladungsumverteilungs-DAC 400 kann in 2 Phasen arbeiten. Während der ersten Phase kann jeder der Reservoirkondensatoren C_RES 410.1-410.N mit den externen Referenzspannungen V_REF1 und V_REF2 verbunden sein und kann die Referenzspannungen V_REF1 und V_REF2 abtasten. Während dieser Phase können die Schalter 408.1a-408.Na die ersten Seiten der Reservoirkondensatoren C_RES 410.1-410.N mit der externen V_REF1 verbinden und die Schalter 408.1b-408.Nb können die zweiten Seiten der Reservoirkondensatoren C_RES 410.1410.N mit V_REF2 verbinden. Ähnlich dem Ladungsumverteilungs-DAC 200 können die Schalter 406.1-406.N bei einer Ausführungsform geschlossen gehalten werden, um die DAC-Kondensatoren 404.1-404. N während der ersten Phase mit dem Reservoirkondensator C_RES 410 zu verbinden. Bei einer anderen Ausführungsform können die Schalter 406.1-406.N die DAC-Kondensatoren 404.1-404.N während der ersten Phase von den Reservoirkondensatoren C_RES 410.1-410.N trennen. Bei der letzteren Ausführungsform kann jegliches Nachschwingen aufgrund von Parasitäten keine Auswirkung auf irgendeinen der DAC-Kondensatoren 404.1-404.N haben.
Während der zweiten Phase kann jeder der Schalter 408.1a-408.Na und 408.1b-408.Nb getrennt werden. Somit können die erste und die zweite Platte der Reservoirkondensatoren C_RES 410.1-410.N von dem Äußeren des Chips 420 getrennt werden (z. B. Trennen von den externen V_REF1 und V_REF2 ), und somit den Ladungsumverteilungs-DAC 400 von den Parasitäten isolieren. In der zweiten Phase können ein oder mehrere DAC-Eingabeworte auf die Schalter 406.1-406.N angewandt werden. In jedem DAC-Eingabewort kann eine digitale „1“ einen entsprechenden DAC-Kondensator 404 mit der ersten Seite eines entsprechenden Reservoirkondensators C_RES 410 verbinden, und eine digitale „0“ kann einen entsprechenden DAC-Kondensator 404 mit der zweiten Seite eines entsprechenden Reservoirkondensators C_RES 410 verbinden. Daher wird die Gesamtheit der Ladungsumverteilung vollständig chipintern zwischen den Reservoirkondensatoren C_RES 410.1-410.N und den DAC-Kondensatoren 404.1-404.N stattfinden.
Bei einer Ausführungsform kann jeder der Reservoirkondensatoren 410.1-410.N anders bemessen sein. Der LSB-Reservoirkondensator 410.1, verbunden mit dem 1C DAC-Kondensator 404.1, kann der kleinste sein, weil er der geringsten Ladungsteilung ausgesetzt ist (1C ist der kleinste DAC-Kondensator) und dessen Signifikanz am DAC-Ausgang ist auch die kleinste. Der MSB-Reservoirkondensator 410.N, verbunden mit dem 2^N-1C DAC-Kondensator 404.N, kann der größte sein, weil er der größten Ladungsteilung ausgesetzt ist (2^N-1C ist der größte DAC-Kondensator) und dessen Signifikanz am DAC-Ausgang ist auch die größte. Selbst der größte Reservoirkondensator 410.N kann eine sehr viel kleinere Kapazität als der einzelne Reservoirkondensator 210 aufweisen. Ferner kann die Gesamtkapazität von 410.1-410.N kleiner als die Kapazität des einzelnen Reservoirkondensators 210 sein.
Bei einer Ausführungsform kann die Anzahl von Reservoirkondensatoren 410 kleiner als die Anzahl der DAC-Kondensatoren 404 sein. Das heißt, dass eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht für jedes Bit einen separaten Reservoirkondensator aufweisen muss und dass möglicherweise mindestens ein Reservoirkondensator von zwei oder mehr DAC-Kondensatoren gemeinsam genutzt wird. Der Ladungsumverteilungs-DAC 200 kann ein Beispiel dafür sein, dass ein Reservoirkondensator von N DAC-Kondensatoren gemeinsam genutzt wird.
Bei einer Ausführungsform, die nicht gezeigt ist, können die DAC-Kondensatoren des Ladungsumverteilungs-DAC 400 in einem Kondensator-Spalt-Array ausgebildet sein.
5 zeigt einen SAR-ADC 500 mit einem Ladungsumverteilungs-DAC gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der SAR-ADC 500 weist eine Abtast-und-Halteschaltung(S/H) 502, einen Spannungskomparator 504, einen internen N-Bit DAC 508 und einen Digital-Steuer-Logikblock 506 auf. Während des Betriebs kann die S/H-Schaltung 502 eine Eingangsspannung V_in erfassen und der analoge Spannungskomparator 504 kann die Eingangsspannung V_in mit der Ausgabe des internen N-Bit DAC 508 vergleichen. Das Ergebnis des Vergleichs kann an den Digital-Steuer-Logikblock 506 ausgegeben werden, welcher einen ungefähren Digitalcode von V_in an den N-Bit DAC 508 liefert. Der ungefähre Digitalcode von V_in kann ein N-Bit Steuerwort sein (z. B. das DAC-Eingabewort gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung).
Der Digital-Steuer-Logikblock 506 kann ein Register für sukzessive Approximation aufweisen. Der SAR-ADC 500 kann folgendermaßen arbeiten. Das Register für sukzessive Approximation kann derart initialisiert sein, dass das höchstwertige Bit (MSB) gleich einer digitalen 1 ist. Dieser Code kann dem DAC 508 zugeführt werden, welcher dann das analoge Äquivalent dieses Digitalcodes $(z .B . \frac{V_{R E F 1} - V_{R E F 2}}{2})$
an die Komparatorschaltung liefert, zwecks Vergleich mit der abgetasteten Eingangsspannung V_in . Wenn diese Analogspannung V_in übersteigt, kann der Komparator 504 das SAR veranlassen, das Bit zurückzusetzen; ansonsten kann das Bit als 1 belassen werden. Dann kann das nächste Bit auf 1 gesetzt werden und derselbe Test wird möglicherweise ausgeführt. Diese binäre Durchsuchung kann weitergeführt werden bis jedes Bit in dem SAR getestet wurde. Der resultierende Code kann eine digitale Approximation der abgetasteten Eingangsspannung V_in sein und kann letztlich durch den SAR-ADC 500 am Umwandlungsende (end of the conversion - EOC) ausgegeben werden.
Der interne N-Bit DAC 508 des SAR-ADC 500 kann ein N-Bit Ladungsumverteilungs-DAC gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sein. Da ein SAR seine Bit-Entscheidungen zeitlich sequentiell vornimmt, können Verbesserungen der DAC-Einschwingzeit einen signifikanten Einfluss auf den maximalen SAR-Durchsatz haben.
6 zeigt einen Prozess 600 für einen Ladungsumverteilungs-DAC gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Prozess 600 kann bei Block 602 starten. Bei Block 602 kann ein chipinterner Reservoirkondensator des Ladungsumverteilungs-DAC mit zwei externen Referenzspannungen (z. B. V_REF1 und V_REF2 ) verbunden werden. Beispielsweise kann, wie unter Bezugnahme auf 2-4 und 7-8 beschrieben ist, während einer ersten Betriebsphase ein chipinterner Reservoirkondensator eines Ladungsumverteilungs-DAC gemäß der vorliegenden Erfindung mit der ersten und der zweiten externen Referenzspannung verbunden werden. Ferner können die DAC-Kondensatoren des Ladungsumverteilungs-DAC während dieser Betriebsphase mit dem chipinternen Reservoirkondensator und externen Referenzspannungen verbunden gehalten werden, oder können alternativ von dem chipinternen Reservoirkondensator und externen Referenzspannungen getrennt gehalten werden.
Bei einer Ausführungsform kann der Ladungsumverteilungs-DAC ein interner DAC eines ADC sein. Bei dieser Ausführungsform kann der Block 602 durchgeführt werden, während eine Abtast-und-Halteschaltung (S/H) des ADC eine Eingangsspannung V_in abtasten kann. Somit kann ein beispielhafter ADC gemäß der vorliegenden Erfindung seinen DAC veranlassen, die externen Referenzspannungen in einen internen Reservoirkondensator abzutasten, während die S/H des ADC die Eingangsspannung V_in abtastet.
Bei Abschluss von Block 602 kann der Prozess 600 zum Block 604 weitergehen. Bei Block 604 kann der chipinterne Reservoirkondensator des Ladungsumverteilungs-DAC von den externen Referenzspannungen getrennt werden und die DAC-Kondensatoren des Ladungsumverteilungs-DAC können mit dem Reservoirkondensator verbunden werden. Wie oben unter Bezugnahme auf 3-4 und 7-8 beschrieben wurde, kann während einer zweiten Betriebsphase der chipinterne Reservoirkondensator eines Ladungsumverteilungs-DAC gemäß der vorliegenden Erfindung von der externen Referenzspannung und Masse getrennt werden und die DAC-Kondensatoren des Ladungsumverteilungs-DAC können mit dem Reservoirkondensator gemäß dem DAC-Eingabewort verbunden werden.
Bei einer Ausführungsform kann der Ladungsumverteilungs-DAC ein interner DAC eines ADC sein. Bei dieser Ausführungsform kann der Block 604 durchgeführt werden, nachdem der ADC Abtasten der Eingangsspannung V_in abgeschlossen hat. Ferner kann ein beispielhafter ADC gemäß der vorliegenden Erfindung in dieser Betriebsstufe den DAC-Code so häufig wie nötig ändern. Somit kann der ADC eine Reihe von Vergleichen der abgetasteten Eingangsspannung mit mehreren DAC-Codes durchführen, indem das DAC-Eingabewort unter mehreren Werten geändert wird. Da die Ladung zwischen dem chipinternen Reservoirkondensator und DAC-Kondensatoren umverteilt wird, kann der ADC gemäß der vorliegenden Erfindung seine Leistungsfähigkeit verbessern. Es sei angemerkt, dass, obgleich sich Blöcke 602 und 604 auf einen chipinternen Reservoirkondensator in einer Singularform beziehen, die Beschreibung auch auf die Ausführungsform gemäß 4 und 8 anwendbar ist, wo mehrere chipinterne Reservoirkondensatoren verwendet werden können.
7 zeigt einen anderen Ladungsumverteilungs-DAC 700 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Ladungsumverteilungs-DAC 700 kann ein N-Bit DAC sein und kann einen Abschlusskondensator 702, ein Array von Kondensatoren 704.1-704.M, einen Decoder 712 und mehrere Schalter 706.1-706.M aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann jeder der Kondensatoren 704.1-704.M eine Einheitskapazität aufweisen und die Anzahl M kann gleich 2^N-1 sein. Der Ladungsumverteilungs-DAC 700 kann ferner zwei Schalter 708.1 und 708.2 und einen Reservoirkondensator C_RES 710 aufweisen. Alle von diesen Komponenten des Ladungsumverteilungs-DAC 700 können in einem IC-Chip 720 (z. B. auf demselben Die) integriert sein und der Reservoirkondensator C_RES 710 kann ein chipinterner Reservoirkondensator sein.
Der Ladungsumverteilungs-DAC 700 kann sich von dem Ladungsumverteilungs-DAC 200 dadurch unterscheiden, dass er M (2^N-1) Kondensatoren 704.1-704.M aufweist, von denen jeder eine Einheitskapazität aufweist und M Schalter 706.1-706.M aufweist, die von einem Decoder 712 gesteuert werden, der das N-Bit DAC-Eingabewort decodiert.
Der Ladungsumverteilungs-DAC 700 kann ähnlich dem Ladungsumverteilungs-DAC 200 in zwei Phasen arbeiten. Die zwei Schalter 708.1, 708.2 und der Reservoirkondensator C_RES 710 können den Schaltern 208.1, 208.2 und dem Reservoirkondensator C_RES 210 ähnlich sein und ähnlich arbeiten. Während der Anfangshandlungsphase können die Schalter 706.1-706.M mit dem Reservoirkondensator C_RES 710 verbunden oder von diesem getrennt werden, ebenfalls den Schaltern 206.1-206.N für die erste Phase ähnlich.
Während der zweiten Phase können die Schalter 708.1 und 708.2 die erste und die zweite Seite des Reservoirkondensators C_RES 710 von den externen Referenzspannungen trennen (z. B. Trennen von der externen V_REF1 und V_REF2 ) und somit den Ladungsumverteilungs-DAC 700 von den Parasitäten isolieren. Der Decoder 712 kann Steuersignale für die Schalter 706.1-706.M auf der Grundlage des DAC-Eingabeworts erzeugen, um einige der Schalter 706.1-706.M mit der ersten Seite und andere mit der anderen Seite des Reservoirkondensators C_RES 710 zu verbinden. Das DAC-Eingabewort kann ein N-Bit Binärwort sein, das einen Wertebereich von 0~2^N-1 aufweist (z. B. für N=3 kann der Bereich von 0~7 reichen). Wenn das DAC-Eingabewort einen spezifischen Wert F aufweist, kann der Decoder 712 F von M Schaltern selektieren, mit der ersten Seite des Reservoirkondensators C_RES 710 verbunden zu werden und die verbliebenen (M minus F) Schalter mit der zweiten Seite des Reservoirkondensators C_RES 710 verbunden zu belassen. Beispielsweise können für N=3 und F=5 (entspricht beispielsweise dem binären DAC-Eingabewort „101“) von den 7 Schaltern (M=2^N-1=7) fünf (5) selektiert werden, mit der ersten Seite des Reservoirkondensators C_RES 710 verbunden zu werden und die verbliebenen zwei (2) Schalter können mit der zweiten Seite des Reservoirkondensators C_RES 710 verbunden werden. Bei einem anderen Beispiel wird, falls F gleich null ist, keiner der Schalter 706.1-706.M selektiert, mit der ersten Seite des Reservoirkondensators C_RES 710 verbunden zu werden, stattdessen können alle von diesen mit der zweiten Sete des Reservoirkondensators C_RES 710 verbunden werden.
Bei einer Ausführungsform können, da alle DAC-Kondensatoren 704.1-704.M eine Einheitskapazität aufweisen können, die Kondensatoren 704.1-704.M während des Betriebs willkürlich selektiert werden, mit der ersten Seite oder der zweiten Seite des Reservoirkondensators C_RES 710 verbunden zu werden.
8 zeigt einen anderen Ladungsumverteilungs-DAC 800 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Ladungsumverteilungs-DAC 800 kann ein N-Bit DAC sein und kann einen Abschlusskondensator 802, ein Array von Kondensatoren 804.1-804.M, einen Decoder 712 und mehrere Schalter 806.1-806.M aufweisen. Der Ladungsumverteilungs-DAC 800 kann ferner mehrere Reservoirkondensatoren C_RES 810.1-810.M aufweisen. Die Reservoirkondensatoren C_RES 810.1-810.M können jeweils eine erste Seite (z. B. eine erste Platte oder obere Platte) und eine zweite Seite (z. B. eine zweite Platte oder untere Platte), jeweils mit externen Anschlüssen für die Referenzspannungen V_REF1 und V_REF2 über Schalter 808.1a und 808.1b bis 808.Ma und 808.Mb verbunden, aufweisen. Jeder DAC-Kondensator 804 kann durch einen jeweiligen Schalter 806 gesteuert werden, sich entweder mit der ersten Seite oder der zweiten Seite eines jeweiligen Reservoirkondensators C_RES 810 zu verbinden. Alle von diesen Komponenten des Ladungsumverteilungs-DAC 800, beispielsweise die Kondensatoren (802, 804.1-804.M), die Schalter (806.1-806.M, 808.1a und 808.1b bis 808.Ma und 808.Mb), die Reservoirkondensatoren C_RES (810.1-810.M) können auf einem IC-Chip 820 integriert sein (z. B. auf demselben Die) und die Reservoirkondensatoren C_RES (810.1-810.M) können chipinterne Reservoirkondensatoren sein. Bei einer Ausführungsform weist jeder Kondensator 804 eine Einheitskapazität auf und die Anzahl M kann gleich 2^N-1 sein.
Der Ladungsumverteilungs-DAC 800 kann sich von dem Ladungsumverteilungs-DAC 400 dadurch unterscheiden, dass er M (2^N-1) Kondensatoren 804.1-804.M aufweist, von denen jeder eine Einheitskapazität aufweist, M Schalter 806.1-806.M aufweist, die von einem Decoder 812 gesteuert werden, der durch Decodieren des N-Bit DAC-Eingabeworts Steuersignale erzeugt und M Reservoirkondensatoren und M Paare von Schaltern 808.1a und 808.1b bis 808.Ma und 808.Mb aufweist. Bei einer Ausführungsform können die M Reservoirkondensatoren ausreichend groß und gleich bemessen sein.
Der Ladungsumverteilungs-DAC 800 kann ähnlich dem Ladungsumverteilungs-DAC 400 in zwei Phasen arbeiten. Während der Anfangshandlungsphase können die M Paare von Schaltern 808.1a und 808.1b bis 808.Ma und 808.Mb geschlossen sein, um die M Reservoirkondensatoren 810.1-810.M die externen Referenzspannungen V_REF1 und V_REF2 abtasten zu lassen. Während dieser Phase können die Schalter 806.1-806.M mit den Reservoirkondensatoren C_RES 810.1-810.M verbunden oder von diesen getrennt sein.
Während der zweiten Phase können die M Paare von Schaltern 808.1a und 808.1b bis 808.Ma und 808.Mb geöffnet werden, um die M Reservoirkondensatoren 810.1-810.M von den externen Referenzspannungen V_REF1 und V_REF2 zu trennen und somit den Ladungsumverteilungs-DAC 800 von den Parasitäten zu isolieren. Der Decoder 812 kann basierend auf dem DAC-Eingabewort Selektionssignale für die Schalter 806.1-806.M erzeugen, wie der oben unter Bezugnahme auf 7 beschriebene Decoder 712.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind hier besonders veranschaulicht und beschrieben. Allerdings versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung durch die obigen Lehren und innerhalb des Geltungsbereichs der angehängten Ansprüche abgedeckt sind, ohne vom Wesen und dem beabsichtigten Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ladungsumverteilungs-Digital-Analog-Wandler (DAC), aufweisend: einen chipinternen Reservoirkondensator, der eine erste Platte und eine zweite Platte aufweist; ein Array von DAC-Kondensatoren, die jeweils eine erste und eine zweite Platte aufweisen; und ein Array von Schaltern, gesteuert von einem DAC-Eingangswort, zum Verbinden einer zweiten Platte eines jeweiligen DAC-Kondensators mit der ersten oder der zweiten Platte des chipinternen Reservoirkondensators; einen ersten Schalter, der die erste Platte des chipinternen Reservoirkondensators mit einem externen Anschluss für eine erste externe Referenzspannung verbindet; und einen zweiten Schalter, der die zweite Platte des chipinternen Reservoirkondensators mit einer zweiten Externer-Anschluss-Referenzspannung verbindet.
Ladungsumverteilungs-DAC nach Anspruch 1, wobei die Ladungsumverteilung zwischen dem chipinternen Reservoirkondensator und den DAC-Kondensatoren stattfindet, wenn das DAC-Eingabewort angewandt wird.
Ladungsumverteilungs-DAC nach Anspruch 2, wobei der chipinterne Reservoirkondensator einer von mehreren chipinternen Reservoirkondensatoren ist.
Ladungsumverteilungs-DAC nach Anspruch 3, wobei die Anzahl von chipinternen Reservoirkondensatoren gleich der Anzahl von Bits des DAC-Eingabeworts ist.
Ladungsumverteilungs-DAC nach Anspruch 1, wobei der chipinterne Reservoirkondensator während einer ersten Betriebsphase mit den externen Anschlüssen für die Referenzspannung und Masse verbunden ist.
Ladungsumverteilungs-DAC nach Anspruch 5, wobei der chipinterne Reservoirkondensator während einer zweiten Betriebsphase von den externen Anschlüssen für die Referenzspannung und Masse getrennt ist und das DAC-Eingabewort bestimmt, ob ein jeweiliger DAC-Kondensator mit der ersten Platte oder der zweiten Platte verbunden ist.
Ladungsumverteilungs-DAC nach Anspruch 5, wobei das Array von DAC-Kondensatoren binärgewichtete Kondensatoren sind, wobei eine Gesamtanzahl der DAC-Kondensatoren gleich einer Gesamtanzahl von Bits des DAC-Eingabeworts ist, und wobei jedes Bit des DAC-Eingabeworts während der zweiten Betriebsphase einen entsprechenden DAC-Kondensator bestimmt, der mit der ersten oder der zweiten Platte des chipinternen Reservoirkondensators verbunden werden soll.
Ladungsumverteilungs-DAC nach Anspruch 5, ferner aufweisend einen Decoder zum Decodieren des DAC-Eingabeworts und zum Erzeugen von Steuersignalen für das Array von Schaltern, wobei jeder der DAC-Kondensatoren die gleiche Kapazität aufweist und eine Gesamtanzahl der DAC-Kondensatoren gleich 2^N-1 ist, wobei N eine ganze Zahl größer als eins ist, die eine Gesamtanzahl von Bits des DAC-Eingabeworts repräsentiert, und wobei eine Anzahl der DAC-Kondensatoren während der zweiten Betriebsphase durch den Decoder gesteuert wird, mit der ersten Platte verbunden zu werden und verbleibende DAC-Kondensatoren mit der zweiten Platte des chipinternen Reservoirkondensators verbunden werden sollen, wobei die Anzahl gleich einem Wert des DAC-Eingabeworts ist.
Ladungsumverteilungs-DAC nach Anspruch 5, wobei die DAC-Kondensatoren während der ersten Betriebsphase von dem chipinternen Reservoirkondensator getrennt sind.
Ladungsumverteilungs-DAC nach Anspruch 1, wobei sich der Ladungsumverteilungs-DAC in einem Analog-Digital-Wandler (ADC) befindet.
Ladungsumverteilungs-DAC nach Anspruch 10, wobei der ADC ein ADC mit sukzessiver Approximation ist und der chipinterne Reservoirkondensator die Referenzspannung zur selben Zeit abtastet, zu der der ADC eine Eingangsspannung abtastet.
Analog-Digital-Wandler (ADC), der Folgendes aufweist: einen Ladungsumverteilungs-Digital-Analog-Wandler (DAC), aufweisend: einen chipinternen Reservoirkondensator, der eine erste Platte und eine zweite Platte aufweist; ein Array von DAC-Kondensatoren, die jeweils eine erste und eine zweite Platte aufweisen; ein Array von Schaltern, jeweils gesteuert von einem DAC-Eingangswort, zum Verbinden einer zweiten Platte eines jeweiligen DAC-Kondensators mit der ersten oder der zweiten Platte des chipinternen Reservoirkondensators; einen ersten Schalter, der die erste Platte des chipinternen Reservoirkondensators mit einem ersten externen Anschluss für eine erste externe Referenzspannung verbindet; und einen zweiten Schalter, der die zweite Platte des chipinternen Reservoirkondensators mit einem zweiten externen Anschluss für eine zweite externe Referenzspannung verbindet.
ADC nach Anspruch 12, wobei die Ladungsumverteilung zwischen dem Reservoirkondensator und den DAC-Kondensatoren stattfindet, wenn das DAC-Eingabewort angewandt wird.
ADC nach Anspruch 12, wobei der ADC ein ADC mit sukzessiver Approximation ist und der Reservoirkondensator die Referenzspannung zur selben Zeit abtastet, zu der der ADC eine Eingangsspannung abtastet.
ADC nach Anspruch 12, wobei die DAC-Kondensatoren in einem Spalt-Array ausgebildet sind.
ADC nach Anspruch 12, wobei das Array von DAC-Kondensatoren binärgewichtete Kondensatoren sind, wobei eine Gesamtanzahl der DAC-Kondensatoren gleich einer Gesamtanzahl von Bits des DAC-Eingabeworts ist, und wobei jedes Bit des DAC-Eingabeworts während des Betriebs einen entsprechenden DAC-Kondensator steuert, der mit der ersten oder der zweiten Seite des chipinternen Reservoirkondensators verbunden werden soll.
ADC nach Anspruch 12, wobei der DAC ferner einen Decoder zum Decodieren des DAC-Eingabeworts und zum Erzeugen von Steuersignalen für das Array von Schaltern aufweist, wobei jeder der DAC-Kondensatoren die gleiche Kapazität aufweist und eine Gesamtanzahl der DAC-Kondensatoren gleich 2^N-1 ist, wobei N eine ganze Zahl größer als eins ist, die eine Gesamtanzahl von Bits des DAC-Eingabeworts repräsentiert, und wobei die DAC-Kondensatoren, während des Betriebs, durch den Decoder gesteuert werden, eine Anzahl von diesen mit der ersten Platte verbunden zu haben und verbleibende mit der zweiten Seite des chipinternen Reservoirkondensators verbunden werden sollen, wobei die Anzahl gleich einem Wert des DAC-Eingabeworts ist.
Chip einer integrierten Schaltung (IC), aufweisend: einen Ladungsumverteilungs-Digital-Analog-Wandler (DAC), aufweisend: einen chipinternen Reservoirkondensator, der eine erste Platte und eine zweite Platte aufweist; ein Array von DAC-Kondensatoren, die jeweils eine erste und eine zweite Platte aufweisen; ein Array von Schaltern, gesteuert von einem DAC-Eingangswort, zum Verbinden einer zweiten Platte eines jeweiligen DAC-Kondensators mit der ersten oder der zweiten Platte des chipinternen Reservoirkondensators; einen ersten Schalter, der die erste Platte des chipinternen Reservoirkondensators mit einem ersten externen Anschluss für eine erste externe Referenzspannung verbindet; und einen zweiten Schalter, der die zweite Platte des chipinternen Reservoirkondensators mit einem zweiten externen Anschluss für eine zweite externe Referenzspannung verbindet.
IC-Chip nach Anspruch 18, wobei die Ladungsumverteilung zwischen dem Reservoirkondensator und den DAC-Kondensatoren stattfindet, wenn das DAC-Eingabewort angewandt wird.
IC-Chip nach Anspruch 18, wobei der ADC ein ADC mit sukzessiver Approximation ist und der Reservoirkondensator die Referenzspannung zur selben Zeit abtastet, zu der der ADC eine Eingangsspannung abtastet.
IC-Chip nach Anspruch 18, wobei die DAC-Kondensatoren in einem Spalt-Array ausgebildet sind.