TWI696351B - 類比數位轉換器與方法 - Google Patents

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Abstract

類比數位轉換器包含有第一級次類比數位轉換器的第一級類比數位轉換器用以輸出對應至類比輸入電壓的第一數位值。電流導向級數位類比轉換器用以各別轉換類比輸入電壓與第一數位值至第一電流訊號與第二電流訊號，決定代表第一與第二電流訊號之間的差的剩餘電流訊號，以及轉換剩餘電流訊號成類比剩餘電壓訊號。第二級類比數位轉換器耦接至第一級次類比數位轉換器以接收類比剩餘電壓訊號，以及轉換類比剩餘電壓訊號至第二數位值。對準與數位誤差校正級用以結合第一與第二數位值成數位輸出電壓。

Description

類比數位轉換器與方法
本揭示內容是關於一種類比數位轉換器，特別是關於一種電流導向級的類比數位轉換器。
在各種應用中，類比數位轉換器(analog-to-digital converter：ADC或A/D)用來將取樣的類比訊號轉換成數位訊號。，類比數位轉換器有許多種結構，像是管線化型(pipeline)、快閃型(flash)、Sigma-Delta型、逐次逼近型(successive approximation register：SAR)等。管線化型或子區間式(sub-ranging)的類比數位轉換器使用兩個或以上個子區間。類比輸入訊號粗略轉換至粗略的數位訊號被執行後，粗略的數位訊號被數位類比轉換器(digital-to-analog converter：DAC)轉換回類比訊號。用類比比較器比較粗略的類比值與輸入電壓，其差異或剩餘部分被轉換成較精細的數位表值與綜合的結果。
本揭示內容之實施方式是關於一種類比數位轉 換器，其包含輸入端，第一級增益級數位類比轉換器，第二級類比數位轉換器，對準與數位誤差校正級與輸出端。輸入端用以接收類比輸入電壓。第一級增益級數位類比轉換器包含第一級次類比數位轉換器與電流導向級數位類比轉換器。第一級次類比數位轉換器耦接至輸入端並用以輸出第一數位值，其中第一數位值對應至類比輸入電壓。電流導向級數位類比轉換器連接至輸入端以及第一級次類比數位轉換器的輸出端，其中電流導向級數位類比轉換器用以各別轉換類比輸入電壓與第一數位值至第一電流訊號與第二電流訊號，決定代表第一電流訊號與第二電流訊號之間的差的剩餘電流訊號，以及轉換剩餘電流訊號成類比剩餘電壓訊號。第二級類比數位轉換器耦接至第一級次類比數位轉換器以接收類比剩餘電壓訊號，以及轉換類比剩餘電壓訊號至第二數位值。對準與數位誤差校正級用以結合第一數位值與第二數位值成數位輸出電壓。輸出端耦接至對準與數位誤差校正級，其中輸出端用以輸出數位輸出電壓。
本揭示內容之實施方式是關於一類比數位轉換方法，其包含接收類比輸入電壓訊號，轉換類比輸入電壓訊號至第一數位訊號，轉換類比輸入電壓訊號至第一電流訊號，轉換第一數位訊號至第二電流訊號，轉換第一電流訊號與第二電流訊號至剩餘電流訊號，轉換剩餘電流訊號至類比剩餘電壓訊號，轉換類比剩餘電壓訊號至第二數位訊號，以及結合第一數位訊號與第二數位訊號成代表類比輸入電壓訊號的數位輸出訊號。
本揭示內容之實施方式是關於一種類比數位轉換器，其包含輸入端，次類比數位轉換器，轉導放大器，數位類比轉換器，剩餘放大器，剩餘類比數位轉換器與對準與數位誤差校正級。輸入端用以接收類比輸入電壓訊號。次類比數位轉換器用以取樣接收的類比輸入電壓訊號以及輸出代表類比輸入電壓訊號的第一數位訊號。轉導放大器用以取樣接收的類比輸入電壓訊號以及輸出第一電流訊號。數位類比轉換器用以接收第一數位訊號以及輸出代表第一數位訊號的第二電流訊號。剩餘放大器用以接收第一電流訊號與第二電流訊號，以及用以基於第一電流訊號與第二電流訊號輸出類比剩餘電壓訊號。剩餘類比數位轉換器用以接收類比剩餘電壓訊號以及輸出代表類比剩餘電壓訊號的第二數位訊號。對準與數位誤差校正級用以結合第一電流訊號與第二電流訊號。
100:類比數位轉換器系統
101:開關
102:輸入端
104:輸出端
10:第一級增益級數位類比轉換器
20:第二級類比數位轉換器
30:第一級次類比數位轉換器
40:電流導向級數位類比轉換器
50:對準與數位誤差校正級
DOUT:數位值
VIP、VIM、Vres、Vb1、Vb2、VDD、VCMFB、VCM:電壓訊號
Ires,p、Ires,m、Igm,p、Igm,m、Idac,p、Idac,m、Ires、Igm、Idac:電流訊號
115:轉導放大器
120:剩餘放大器
170、175、180、D、DZ:訊號
125:快閃式次類比數位轉換器
135:逐次逼近型類比數位轉換器
130:電流導向數位類比轉換器
140:次逼近型邏輯閘
185:開關電容網路
190:電阻
230、232、220:時點
300:電路圖
340、342、344、346、348、350、440b、440c、415a、415b、415c、415d:電晶體
355、445:電流源
360:電阻
ILSB1:電流源
402、404:級
420、465:電阻
430、435:電容
472:共模偵測電路
490:誤差放大器
501:取樣與維持電路
510、505:開關
520a、520b:電容
560:比較器
CLKS:時脈訊號
φSAR、φ1:訊號
C0~CN:電容
602、606:時點
604:凸波
700:類比數位轉換方法
702、704、706、708、710、712、714、716:方塊
搭配下列圖式閱讀說明書可以最佳方式理解本揭示文件。應當注意，根據標準做法，各種特徵不是按比例繪製的。事實上，為了討論的清楚起見，各種特徵的尺寸可能被任意增大或減小。
圖1A繪示，根據本揭示文件之一些實施例，類比數位轉換器系統的方塊示意圖。
圖1B繪示，根據本揭示文件之一些實施例，類比數位轉換器的電路圖。
圖2繪示，根據本揭示文件之一些實施例，類比數位轉換器的相圖。
圖3繪示，根據本揭示文件之一些實施例，電流導向類比數位轉換器與類比數位轉換器的轉導級的電路圖。
圖4A~4B繪示，根據本揭示文件之一些實施例，類比數位轉換器的剩餘放大器的電路圖。
圖5繪示，根據本揭示文件之一些實施例，類比數位轉換器的逐次逼近級的電路圖。
圖6繪示，根據本揭示文件之一些實施例，逐次逼近時脈訊號的相圖。
圖7繪示，根據本揭示文件之一些實施例，類比數位轉換方法的流程圖。
以下之揭露文件提供提供了用於實現所提供的主題的不同特徵的許多不同實施例或示例。於下形容的特定元件與配置的例子是為了簡化本揭示文件。當然，這些僅僅是示例而意圖不是限制性的。例如，在下面的說明中，在第二特徵上方或之上形成第一特徵可以包括以直接接觸的方式形成第一特徵和第二特徵的實施例，並且還可以包括可以在第一特徵和第二特徵之間形成附加特徵以使得第一特徵和第二特徵可以不直接接觸的實施例。此外，本揭示文件在各個示例中可能重複參考標號及/或字母。這種重複是為了簡單性和清楚性的目的，並且其本身不指示所討論的各個實施例及/ 或配置之間的關係。
再者，形容相對空間上之詞語，例如「之下、較低、之上、較高」以及相似之詞為了敘述之簡易以描述一元件或特徵之關係，或描述於圖式中之其他元件或特徵之關係可能被用於此。相對空間上之詞語意欲包含使用或操作中的裝置的不同方位以及圖式中描繪的方位取向。該裝置可能被以其他方位設置(像是旋轉90度或其他方位)，以及於此使用的相對空間上的詞語可能被相應的使用。
類比數位轉換器將類比電壓訊號轉換成數位訊號。例如，管線化或子區間型的類比數位轉換器使用二或以上個子區間。類比輸入訊號粗略轉換至粗略的數位訊號被執行後，粗略的數位訊號被數位類比轉換器轉換回類比訊號。用類比比較器比較粗略的類比值與輸入電壓，其差異或剩餘部分被轉換成較精細的數位表值與綜合的結果。
逐次逼近型類比數位轉換器使用比較器以逐次縮窄輸入電壓包含的範圍。在每個逐次的階段，比較器比較輸入電壓與類比數位轉換器的輸出，該輸出可能代表所選電壓範圍的中間值。在每個逐次的階段，逼近值被儲存在逐次逼近暫存器。這些逐次的步驟將被連續執行直到達到預設的解析度。在一些類比數位轉換方法中，這比較難去取得足夠高的訊號雜訊比以及在低電壓次微米製程中足夠的轉換頻寬。
一些管線化類比數位轉換方法使用開關電容增益級數位類比轉換器(multiplying DAC：MDAC)，其會趨 於被限制在轉換頻寬。當管線化類比數位轉換器可提供高解析度與高轉換頻寬，他們亦因為使用多個開關電容增益級數位類比轉換器而傾向高耗能。相似的，當逐次逼近型類比數位轉換器提供一個相對低功率的結構時，他們亦使用傳統的開關電容增益級數位類比轉換器。這類的類比數位轉換方法可能無法在次微米製程技術中被縮小而當達到良好的功率。
本揭露文件包含電流導向的第一級和串接逐次逼近的第二級的多級的管線化類比數位轉換器的例子。如後討論之細節，揭露的例子同時使用電流域與電壓域的訊號處理以得到高取樣率和低功耗。在一些揭露的例子中，為了達到這些而使用低電流導向數位類比轉換器的方式，其綜合使用了電流導向數位類比轉換器與轉導放大器單元。達到高轉換率是因為電流導向數位類比轉換器比開關電容方法更快，用回饋電阻去取代傳統開關電容增益級數數位類比轉換器中的開關電容網路以轉換剩餘電流訊號至電壓訊號。
圖1A繪示，根據本揭示文件之一些實施例，類比數位轉換器系統100的例子。一般來說，類比數位轉換器系統100包含第一級增益級數位類比轉換器10其耦接至接收類比輸入訊號VIP/VIM的輸入端102。第一級增益級數位類比轉換器10包含第一級次類比數位轉換器30，第一級次類比數位轉換器30用以輸出第一數位值，第一數位值對應至類比輸入電壓。在一些例子中，由第一級增益級數位類比轉換器10輸出的第一數位值為類比數位轉換器的數位輸出訊號的最高有效位(most significant bit：MSB)。第一級增益級數位類比 轉換器10更包含電流導向級數位類比轉換器40，電流導向級數位類比轉換器40連接至輸入端102並且接收第一級次類比數位轉換器30的輸出。電流導向級數位類比轉換器40分別轉換類比輸入電壓與第一數位值至第一與第二電流訊號，決定在電流域中代表第一電流訊號與第二電訊號間的差異的剩餘電流訊號，以及轉換剩餘電流訊號至類比剩餘電壓輸出訊號Vres。
第二級類比數位轉換器20耦接至第一級增益級數位類比轉換器10以接收類比剩餘電壓訊號Vres，並且轉換類比剩餘電壓訊號Vres至第二數位值，在示例中其為數位類比輸出訊號的最小有效位(least significant bit：LSB)。一個對準與數位誤差校正級50用以結合第一與第二數位值MSB、LSB與數位值DOUT，數位值DOUT代表在輸出端104的類比輸入訊號。
圖1B繪示示於圖1A中的類比數位轉換器系統100更多方面的示意圖。在圖1B中，當第二級類比數位轉換器20包含串接逐次逼近型類比數位轉換器135，第一級增益級數位類比轉換器10的第一級次類比數位轉換器30包含快閃式次類比數位轉換器125。
輸入端102用以接收類比輸入訊號VIP與VIM的差，類比輸入訊號VIP與VIM是由開關電容網路185取樣而得。如後之討論，各種不同的訊號(170、175、180)是用來被提供去控制多個開關101的操作，還有快閃型類數位轉換器125與電流導向數位類比轉換器(IDAC)130的操作。
繪示的第一級次類比數位轉換器30包含快閃型次類比數位轉換器125，快閃型次類比數位轉換器125用以產生數位輸出訊號Vout的第一數位值MSB。快閃型次類比數位轉換器125接收類比輸入訊號VIP與VIM的差並且在輸出端轉換這個類比訊號至第一數位值，輸出端連接至對準與數位誤差校正級50與電流導向級數位類比轉換器40。電流導向級數位類比轉換器40包含轉導放大器(Gm)115，轉導放大器115用以實施取樣的輸入訊號的電壓電流轉換。在繪示的例子中，轉導放大器115不接收電流回體訊號，因此操作為開迴路。電流導向級數位類比轉換器40的例子亦有電流導向數位類比轉換器130用以接收與轉換從快閃型次類比數位轉換器125接收的第一數位值，將第一數位值轉換回成電流域中的類比表值。轉導放大器115與電流導向數位類比轉換器130輸出電流被結合以產生剩餘電流其代表第一數位值與輸入電壓的差，剩餘電流接著被轉換至電壓剩餘訊號Vres並輸出至第二級類比數位轉換器20。如後之討論，在一些例子中，轉導放大器115與電流導向數位類比轉換器130的操作被整合到一個一般電路，因此簡化了實際電路的設置。另外，剩餘放大器的增益頻寬需求可能顯著地減少，因為增益頻寬與剩餘放大器回饋因子互為反相關，以及該揭露的放大器有接近於一的回饋因子。相較於傳統的開關電容增益級數位類比轉換器方法，這樣減少了電路的功耗。
剩餘放大器120用以從轉導放大器115與電流導向數位類比轉換器130接收剩餘電流Ires,p/Ires,m，並且 基於回饋電阻190轉換剩餘電流Ires,p/Ires.m至剩餘電壓訊號Vres。剩餘電壓訊號Vres代表類比輸入電壓與由快閃型次類比數位轉換器125輸出的類比輸入電壓訊號的第一數位表值的差。如此後討論，剩餘放大器可包含兩個級，第一級採用寬頻自偏壓放大器，第二級有共模回饋電路。剩餘電壓接著被傳送到類比數位轉換器系統100的第二級類比數位轉換器20。採用電流模處理剩餘部分而不是用開關電容裝置減少了電容負載在剩餘電壓放大器的影響以增進效能。
在繪示的例子中，第二級類比數位轉換器20耦接至接收由電流導向級數位類比轉換器40輸出的剩餘電壓。此外，第二級類比數位轉換器20用以轉換剩餘電壓至第二數位值，第二數位值代表數位輸出訊號的最小有效位。最大有效位與最小有效位被接收與結合進對準與數位誤差校正級50，對準與數位誤差校正級50在輸出端104輸出類比輸入電壓的數位代表Dout。在繪示的例子中，第一級類比數位轉換器10提供四個位元最大有效位，以及第二級類比數位轉換器20提供九個位元最小有效位至對準與數位誤差校正級50，對準與數位誤差校正級50提供12位元數位輸出訊號(其中一個位元為多餘的，其用來完成數位誤差校正功能)。
在第一級增益級數位類比轉換器10使用電流導向代替開關電容減少了特定精確度的放大器的增益頻寬(gain-bandwidth：GBW)需求。參考下面的方程式1與方程式2，一般來說，增益頻寬被要求至大於或等於兩倍的取樣頻率(sampling frequency：FS)乘上兩倍的位元數的自然對 數，位元數係由第一級增益級數位類比轉換器10轉換後得到，或全部的回饋因子(β)的後向位元(backend bits：NBACKEND)(見方程式1)。在方程式1與方程式2中，β被定義為RGM(or RDAC)除以RGM(or RDAC)加RF，見方程式2。在電流導向數位類比轉換器中回饋因子β接近於一，因為回饋電阻RF 190相對於轉導放大器115與電流導向數位類比轉換器130的阻值小。開關電容增益級數位類比轉換器有一個回饋因子β遠小於一，對應於電流導向方式，其指出需要一個較大的增益頻寬來達到相同設定的精確度。
Figure 108111399-A0305-02-0013-1
Figure 108111399-A0305-02-0013-2
因此，揭露的剩餘放大器的增益頻寬需求顯著的減少，因為增益頻寬與回饋因子β成反比，以及示例的剩餘放大器的設置有接近一的回饋因子。例如，12位元/500MSPS(million samples per second)類比數位轉換器的增益頻寬需求使用電流導向可少於10GHz，當相同規格的類比數位轉換器使用開關電容而不是用電流導向時，該類比數位轉換器的增益頻寬需求可大於100GHz。
圖2繪示給開關101、轉導放大器115、快閃型類比數位轉換器125、電流導向數位類比轉換器130、剩餘放大器120與逐次逼近型類比數位轉換器135的控制訊號 170、175的例子。當第一相位控制訊號170在時點230升到高位時，開關101開啟，造成取樣電容185基於類比輸入訊號VIP、VIM充電。當第一相位控制訊號170在時點232降到低位時，開關101變開路，並且轉導放大器115與快閃型類比數位轉換器125取樣類比輸入訊號VIP、VIM。快閃型類比數位轉換器125與電流導向數位類比轉換器130完成各自的轉換且基於第二相位控制訊號175在時點220升到高位鎖住輸出。此外，當第一相位控制訊號170在高位時，當輸入訊號VIP、VIM被取樣時，從轉導放大器115與電流導向數位類比轉換器130來的剩餘電流訊號不會被輸出至剩餘放大器120，使剩餘放大器120被重設。
圖3繪示類比數位轉換系統100的電流導向數位類比轉換器130與轉導放大器115的電路圖300。在一些例子中，電流導向數位類比轉換器130由複數個電流導向數位類比轉換器單元130組成，以及轉導放大器115可包含複數個轉導放大器單元115。
每個電流導向數位類比轉換器單元130包含電晶體340與電晶體342。電晶體340由偏壓電壓Vb1控制，以及電晶體340連接於電壓端點VDD與電晶體342之間，電晶體342於閘極端點接收偏壓電壓Vb2。電晶體340與電晶體342用以提供代表最小有效位的電流源ILSB1基於最大有效位數位輸出訊號至電晶體344與電晶體346。控制訊號D與控制訊號DZ在個別的閘極端點被接收以控制電晶體344與電晶體346輸出代表類比剩餘電壓訊號的剩餘電流訊號Ires,p、 Ires,m的操作。控制訊號D與控制訊號DZ由第一級快閃型類比數位轉換器125輸出來提供。
轉導放大器單元115將類比輸入電壓訊號VIP、VIM從電壓域轉換至電流域中的電壓表值。轉導放大器單元115包含電流源355與電阻RS360。電晶體348、350連接至電流源355，以及類比輸入電壓訊號VIP與VIM耦接至電晶體348、350各別的閘極端點。轉導放大器單元115因此提供代表取樣類比輸入電壓訊號VIP與VIM的電流訊號Igm,p/Igm,m。如前所述，電流導向數位類比轉換器單元130輸出代表類比輸入訊號的電流訊號Idac,p/Idac,m。電流導向數位類比轉換器130與轉導放大器115輸出剩餘電流訊號Ires,p/Ires,m，其代表由轉導放大器單元115輸出的電流訊號Igm,p/Igm,m與由數位類比轉換器單元130輸出的電流訊號Idac,p/Idac,m之間的差。剩餘電流訊號Ires,p/Ires,m由剩餘放大器120接收，剩餘放大器120輸出剩餘電壓訊號，剩餘電壓訊號代表取樣輸入訊號與由次類比數位轉換器125輸出的第一數位訊號之間的差。
因此，轉導放大器115與電流導向數位類比轉換器130的操作可以整合進一個一般電路如圖3所示。更確切的說，在一些揭露的例子中，即將進來的電壓訊號被轉換至電流，電壓電流轉換器(轉導放大器單元115)可被使用以執行電壓域與電流域之間的轉換。轉導放大器單元115可以取得由下面顯示的方程式3得到的電流。
Figure 108111399-A0305-02-0016-3
如方程式3，結合的電路的輸出電流(Ires,p-Ires,m)可以取得電流導向數位類比轉換器130電流(1ILSB)、轉導放大器115電流(VIP-VIM除以2RS)與偏壓電流(2IB+IC)，輸出電流(Ires,p-Ires,m)因此代表包含轉導放大器115電流與電流導向數位類比轉換器130電流的整合的電流。
圖4A與圖4B繪示剩餘放大器120的例子，剩餘放大器120可為轉阻放大器用以轉換剩餘電流訊號至輸出至第二級類比數位轉換器20的類比電壓訊號。在一些例子中，剩餘放大器120為有前饋補償的二個級的剩餘放大器。
繪示於圖4A中的剩餘放大器120可為完整差動放大器其包含第一級402與第二級404。第一級402包含輸入對電晶體440b與440c，電晶體440b與440c有閘極端耦接到有負載的差動輸入電壓訊號VIP/VIM，其負載可包含一對電阻420與電晶體415b、415c。偏壓電流由電流源445設定，電流源445包含由轉導放大器115與電流導向數位類比轉換器130整合輸出的剩餘電流Ires。第一級402的差動輸出Vres,p/Vres,m代表由第一級增益級數位類比轉換器10輸出的剩餘電壓，並且透過電晶體415d與電晶體415a耦接至第二級404的輸入端。第二級404包含電晶體440d、415d、440a與415a。電阻190從第二級404回饋剩餘電訊號Vres,p、 Vres,m回第一級輸入VIN、VIP。該放大器由電容435與430來補償。
由轉導放大器115與電流導向數位類比轉換器130提供的電流被放大與轉換回進入電壓域予之後的逐次逼近型類比數位轉換器135使用以產生數位輸出訊號Dout的最小有效位。差動輸入電壓訊號VIP與VIM透過示於圖3的電晶體350與348耦接至電流訊號Igm與Idac。此外，在一個透過回饋電阻190的回饋設置中，由放大器輸出的剩餘電壓訊號Vres,p/Vres,m連接至輸入電壓VIM與VIP。
圖4B繪示共模回饋電路410的例子，共模回饋電路410提供共模回饋電壓訊號VCMFB至繪示於圖4A中的放大器120。由放大器120輸出的剩餘電壓訊號Vres,p/Vres,m被共模偵測電路472取樣。共模偵測電路472包含電容480與電阻475。共模偵測電路472對剩餘電壓訊號Vres,p與Vres,m取平均值，並且該平均值被傳到誤差放大器490的正極。誤差放大器490比較這個電壓平均值與共模電壓VCM，並且透過電阻465輸出共模回饋電壓訊號VCMFB至剩餘放大器120的第一級。
圖5繪示第二級類比數位轉換器20的例子，在一些例子中，第二級類比數位轉換器20包含逐次逼近型類比數位轉換器135。逐次逼近型類比數位轉換器135包含取樣與維持電路501、比較器560與逐次逼近型邏輯閘140。逐次逼近型邏輯閘140接收時脈訊號CLKS並且提供輸出訊號φSAR予取樣與維持電路501。輸出訊號φSAR控制複數個開關510的操 作以選擇地連接複數個電容的一邊。如所繪示的例子，有兩組電容520a、520b各別對應至差動剩餘電壓訊號Vres,p與Vres,m。每組電容520a、520b包含複數個電容C0~CN，其中N可對應至被轉換的位元數，例如示於圖1B中的最小有效位。在一些例子中，電容為二元權重電容，在一些實施例中其有大約為2fF(10-12farad：fF)的最小電容尺寸。控制訊號170控制各種不同的單軸雙切(single pole double throw：SPDT)開關505用來連接取樣與維持電路501至輸出剩餘電壓訊號Vres,p與Vres,m，以及連接至參考訊號Vref如同開關101連接共模電壓VCM至取樣與維持電路501與比較器560。
參考圖2，當控制訊號φ1170為高位時，開關505連接類比剩餘輸入訊號Vres,p與Vres,m至電容組520a、520b的電容C0~CN的頂側。同時，電容C0~CN的底側與比較器560的輸出端因為開關101關閉而耦接至共模電壓VCM。在下一個相位中輸出訊號φSAR凸波控制由逐次逼近型類比數位轉換器135實施的二元搜尋演算法以產生代表類比輸入電壓的最小有效位的第二數位輸出。
圖6繪示控制訊號φ1170與輸出訊號φSAR的相位圖的例子。當輸出訊號φSAR被用來控制示於圖5中的開關510的操作，控制訊號φ1170被用來追蹤與維持第二級類比數位轉換器20的逐次逼近型類比數位轉換器135中的訊號。當控制訊號φ1170如時點602所示降到低位，輸出訊號φSAR開始循環並提供複數個輸出凸波604以控制開關510以及透過電容組520a取樣差動輸入訊號VIP與VIM。當控制訊號φ1170 如時點606所示升到高位，輸出訊號φSAR停止循環並且停止輸出凸波604。
圖7繪示採用類比數位轉換系統100的類比數位轉換方法700的例子。方法700以方塊702開始，類比輸入電壓VIP、VIM被接收，例如在示於圖1B中的輸入端102被接收。在方塊704中，類比輸入電壓被轉換成第一數位值，其可為數位輸出訊號的最小有效位，以及在方塊706中，類比輸入電壓被轉換成第一電流Igm,p、Igm,m。在方塊708中，第一數位值被轉換成第二電流Idac,p、Idac,m。在方塊710中，第一與第二電流訊號被結合成剩餘電流訊號Ires,p、Ires,m。在方塊712中，類比剩餘電壓從剩餘電流產生。在方塊714中，剩餘電壓接著被使用於產生第二數位值，其可為數位輸出訊號的最小有效位。在方塊716中，第一數位值與第二數位值被結合以產生代表類比輸入訊號的數位輸出訊號。
相應地，揭露於此的各種不同的實施例提供類比數位轉換方法與系統其可達到高轉換率與高精確度並且還有好的功耗。揭露的實施例包含有第一級次類比數位轉換器的第一級類比數位轉換器用以輸出對應至類比輸入電壓的第一數位值。電流導向級數位類比轉換器用以各別轉換類比輸入電壓與第一數位值至第一電流訊號與第二電流訊號，決定代表第一與第二電流訊號之間的差的剩餘電流訊號，以及轉換剩餘電流訊號成類比剩餘電壓訊號。第二級類比數位轉換器耦接至第一級次類比數位轉換器以接收類比剩餘電壓訊 號，以及轉換類比剩餘電壓訊號至第二數位值。對準與數位誤差校正級用以結合第一與第二數位值成數位輸出電壓。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換器，其中第一級次類比數位轉換器包含快閃型類比數位轉換器耦接至輸出端，其中快閃型類比數位轉換器用以轉換類比輸入電壓至第一數位值。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換器，其中電流導向級數位類比轉換器包含轉導放大器耦接至輸入端，其中轉導放大器用以執行類比輸入電壓的電壓電流轉換以輸出第一電流訊號。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換器，其中電流導向級數位類比轉換器包含數位類比轉換器用以轉換第一數位值至第一類比電壓訊號，以及轉換第一類比電壓訊號至第二電流訊號。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換器，其中電流導向級數位類比轉換器用以結合轉導放大器與數位類比轉換器之輸出以產生剩餘電流訊號於電流域中。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換器，其中電流導向級數位類比轉換器包含剩餘放大器用以轉換剩餘電流訊號至類比剩餘電壓訊號。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換器，其中剩餘放大器包含第一級與第二級，其中第一級有寬頻自偏壓放大器，以及第二級包含共模回饋電路。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換器，其 中第二級類比數位轉換器包含逐次逼近型類比數位轉換器。
依據額外的實施例，一種類比數位轉換方法包接收類比輸入電壓訊號含、轉換類比輸入電壓訊號至一第數位訊號、以及轉換類比輸入電壓訊號至第一電流訊號。第一數位訊號被轉換至第二電流訊號，以及第一電流訊號與第二電流訊號轉換至剩餘電流訊號。剩餘電流訊號轉換至類比剩餘電壓訊號，以及類比剩餘電壓訊號轉換至第二數位訊號。第一數位訊號與第二數位訊號結合成代表類比輸入電壓訊號的數位輸出訊號。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換方法更包含使用共模回饋迴圈產生剩餘電壓訊號。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換方法更包含使用快閃型類比數位轉換器轉換類比輸入電壓訊號至第一數位訊號。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換方法更包含使用轉導放大器轉換類比輸入電壓訊號至第一電流訊號。
依據更多的實施例，一種類比數位轉換器包含輸入端用以接收類比輸入電壓訊號，類比數位轉換器用以取樣接收的類比輸入電壓訊號以及輸出代表類比輸入電壓訊號的第一數位訊號，以及導放大器用以取樣接收的類比輸入電壓訊號以及輸出第一電流訊號。數位類比轉換器用以接收第一數位訊號以及輸出代表第一數位訊號的第二電流訊號，剩餘放大器用以接收第一電流訊號與第二電流訊號，以及用以 基於第一電流訊號與第二電流訊號輸出類比剩餘電壓訊號，以及剩餘類比數位轉換器用以接收類比剩餘電壓訊號以及輸出代表類比剩餘電壓訊號的第二數位訊號。對準與數位誤差校正級用以結合第一電流訊號與第二電流訊號。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換器，其中次類比數位轉換器包含快閃型類比數位轉換器。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換器，其中因響應第一相位時脈訊號，次類比數位轉換器用以取樣接收的類比輸入電壓訊號。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換器，其中因響應第一相位時脈訊號，轉導放大器用以取樣接收的類比輸入電壓訊號。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換器，其中因響應第二相位時脈訊號，次類比數位轉換器用以輸出第一數位訊號。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換器，其中因響應第二相位時脈訊號，數位類比轉換器用以輸出第二電流訊號。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換器，其中因響應第一相位時脈訊號，剩餘放大器用以重設。
在一些實施例中，上述的類比數位轉換器，其中剩餘放大器用以放大第一電流訊號與第二電流訊號的差。
上文概述了一些實施例的特徵，以使本領域技術人員可以更好地理解本公開的各個方面。本領域技術人員 應當明白，他們可以容易地使用本公開作為基礎來設計或修改其他處理和結構，以實施與本文所介紹的實施例相同的目的和/或實現相同的優點。本領域技術人員還應當意識到，這些等同構造並不脫離本公開的精神和範圍，並且他們可能在不脫離本公開的精神和範圍的情況下進行各種改動、替代和變更。
雖然本發明實施例已揭露如上，然其並非用以限定本發明實施例，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明實施例之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾，因此本發明實施例之保護範圍當以後附之申請專利範圍所界定為準。
100:類比數位轉換器系統
101:開關
102:輸入端
104:輸出端
10:第一級增益級數位類比轉換器
20:第二級類比數位轉換器
30:第一級次類比數位轉換器
40:電流導向級數位類比轉換器
50:對準與數位誤差校正級
VIP、VIM、Vres:電壓訊號
Ires,p、Ires,m、Igm,p、Igm,m、Idac,p、Idac,m:電流訊號
115:轉導放大器
120:剩餘放大器
125:快閃式次類比數位轉換器
135:逐次逼近型類比數位轉換器
130:電流導向數位類比轉換器
170、175、180:訊號
185:開關電容網路
190:電阻
DOUT:數位值

Claims (10)

  1. 一種類比數位轉換器(analog-to-digital converter：ADC)，包含：一輸入端用以接收一類比輸入電壓；一第一級增益級數位類比轉換器(MDAC)包含：一第一級次類比數位轉換器耦接至該輸入端並用以響應於一第一相位時脈訊號輸出一第一數位值，其中該第一數位值對應至該類比輸入電壓；以及一電流導向級數位類比轉換器連接至該輸入端以及該第一級次類比數位轉換器的一輸出端，其中該電流導向級數位類比轉換器用以響應一第二相位時脈訊號各別轉換該類比輸入電壓與該第一數位值至一第一電流訊號與一第二電流訊號，決定代表該第一電流訊號與該第二電流訊號之間的差的一剩餘電流訊號，以及依據一共模回饋電壓轉換該剩餘電流訊號成一類比剩餘電壓訊號；一第二級類比數位轉換器耦接至該第一級增益級數位類比轉換器以接收該類比剩餘電壓訊號，以及轉換該類比剩餘電壓訊號至一第二數位值；一對準與數位誤差校正級用以結合該第一數位值與該第二數位值成一數位輸出電壓；以及一輸出端耦接至該對準與數位誤差校正級，其中該輸出端用以輸出該數位輸出電壓。
  2. 如請求項1的類比數位轉換器，其中該第一級次類比數位轉換器包含一快閃型類比數位轉換器耦接至該輸出端，其中該快閃型類比數位轉換器用以轉換該類比輸入電壓至該第一數位值。
  3. 如請求項1的類比數位轉換器，其中該電流導向級數位類比轉換器包含一轉導放大器耦接至該輸入端，其中該轉導放大器用以執行該類比輸入電壓的一電壓電流轉換以輸出該第一電流訊號。
  4. 如請求項1的類比數位轉換器，其中該電流導向級數位類比轉換器包含一剩餘放大器用以轉換該剩餘電流訊號至該類比剩餘電壓訊號。
  5. 如請求項1的類比數位轉換器，其中該第二級類比數位轉換器包含一逐次逼近型類比數位轉換器。
  6. 一種類比數位轉換方法，包含：接收一類比輸入電壓訊號；響應一第一相位時脈訊號轉換該類比輸入電壓訊號至一第一數位訊號；響應一第二相位時脈訊號轉換該類比輸入電壓訊號至一第一電流訊號；響應該第二相位時脈訊號轉換該第一數位訊號至一第二電流訊號； 轉換該第一電流訊號與該第二電流訊號至一剩餘電流訊號；依據一共模回饋電壓轉換該剩餘電流訊號至一類比剩餘電壓訊號；轉換該類比剩餘電壓訊號至一第二數位訊號；以及結合該第一數位訊號與該第二數位訊號成代表該類比輸入電壓訊號的一數位輸出訊號。
  7. 一種類比數位轉換器，包含一輸入端用以接收一類比輸入電壓訊號；一次類比數位轉換器用以取樣接收的該類比輸入電壓訊號以及響應一第一相位時脈訊號輸出代表該類比輸入電壓訊號的一第一數位訊號；一轉導放大器用以響應一第二相位時脈訊號取樣接收的該類比輸入電壓訊號以及響應該第一相位時脈訊號輸出一第一電流訊號；一數位類比轉換器用以接收該第一數位訊號以及響應該第一相位時脈訊號輸出代表該第一數位訊號的一第二電流訊號；一剩餘放大器用以接收該第一電流訊號與該第二電流訊號，以及用以基於該第一電流訊號與該第二電流訊號，並依據一共模回饋電壓，輸出一類比剩餘電壓訊號；一剩餘類比數位轉換器用以接收該類比剩餘電壓訊號以及輸出代表該類比剩餘電壓訊號的一第二數位訊號；以及 一對準與數位誤差校正級用以結合該第一數位訊號與該第二數位訊號。
  8. 如請求項7的類比數位轉換器，其中該次類比數位轉換器包含一快閃型類比數位轉換器。
  9. 如請求項7的類比數位轉換器，其中因響應該第二相位時脈訊號，該次類比數位轉換器用以取樣接收的該類比輸入電壓訊號。
  10. 如請求項7的類比數位轉換器，其中該剩餘放大器用以放大該第一電流訊號與該第二電流訊號的一差。
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