稳定的低功率模数转换器基准电压的制作方法

1.本公开涉及诸如模数转换器(adc)之类的转换电路。注意的是，本公开涉及使用电源电压作为基准电压并且通过使用与电源电压对应的满量程范围和与基准电压相关联的第二满量程范围的比率增加量化的比特数量和/或缩放转换电路的量化输出来保持转换电路的分辨率的转换电路，其中该基准电压并非或不同于电源电压。


背景技术：

2.adc是广泛使用的用于将模拟信号转换成量化表示或数字表示的电路组件。通常，adc至少基于基准电压来执行该转换。
3.例如，如呈现现有转换电路的图1中所示，满量程基准产生电路可以向n比特adc提供基准电压vref_p和vref_m。基准电压可以限定n比特adc的满量程范围。此外，n比特adc可以至少部分基于基准电压来提供对应于模拟输入信号的量化输出n比特dout。注意的是，当确定量化输出时，n比特adc可以将输入信号与基准电压进行比较。
4.因为n比特adc中的开关噪声，由满量程基准产生电路提供的基准电压通常被缓冲。在一些转换电路中，使用大的旁路电容器来帮助稳定经缓冲的基准电压并且减少噪声。
5.然而，常常难以在转换电路中(诸如在adc的多单元交错阵列中)使用多个大电容器。注意的是，大电容器通常在半导体晶粒或集成电路上占据大面积。此外，如果例如为了应对由基准电压的不完全稳定而引入或者因噪声引入的误差而在转换过程中添加额外的冗余比特，也可能对转换电路的转换速度有不利影响。
6.此外，在开关-电容器数据转换电路(诸如，逐次逼近寄存器或sar adc)中，基准电压产生和缓冲电路通常消耗大量功率，并且是噪声和稳定误差(settling error)的潜在来源。通常，转换电路的稳定时间和噪声与偏置电流或功率成反比。注意的是，较大的偏置电流与较低的阻抗、较少的噪声和较快的稳定时间相关联。
7.另外，检测小幅度输入信号通常期望较小的基准电压，但较小的基准电压常常使得通常在电容反馈adc中使用的反馈开关的电阻增加。这是因为较小的基准电压通常需要接近电源范围中间的开关电压，从而降低了开关过驱动电压的量。


技术实现要素：

8.描述了集成电路的实施例。该集成电路包括转换电路。在操作期间，转换电路执行模数转换，并且至少部分地基于集成电路的第一电源电压和第二电源电压来提供对应于输入信号的量化输出。
9.注意的是，量化输出可以至少部分地基于输入信号与第一电源电压和第二电源电压的比较。
10.此外，第一电源电压和第二电源电压可以指定转换电路的满量程范围。当满量程范围超过与不同于第一电源电压和第二电源电压的基准电压相关联的第二满量程范围时，量化输出可以对应于数量比满量程范围等于第二满量程范围时大的比特。可选地或另外
地，可以存在用于校正模数转换中的误差(例如，由于稳定误差)的针对冗余的额外比特。此外，当满量程范围超过第二满量程范围时，转换电路可以至少部分地基于满量程范围与第二满量程范围的比率来缩放量化输出。在一些实施例中，转换电路包括交错的一组单元adc。注意的是，转换电路可以校正该组单元adc的量化输出的差异，并且该校正可以包括调节单元adc中的至少一个的比率。
11.此外，第一电源电压可以包括正电源电压，并且第二电源电压可以包括负电源电压或地。
12.另外，转换电路可以包括：sar adc或流水线adc。
13.另一实施例提供了包括转换电路的电子设备。
14.另一实施例提供了一种包括转换电路的系统。
15.另一实施例提供了一种用于执行模数转换的方法。该方法包括由转换电路执行的操作中的至少一些。
16.提供该发明内容是出于例示一些示例性实施例的目的，以提供本文描述的主题的一些方面的基本理解。因此，将理解，上述特征是示例，不应该被解释为以任何方式缩窄了本文描述的主题的范围或精神。根据以下的具体实施方式、附图和权利要求书，本文描述的主题的其他特征、方面和优点将变得清楚。
附图说明
17.图1是图示了现有转换电路的示例的框图。
18.图2是图示了根据本公开的一些实施例的转换电路的示例的框图。
19.图3是图示了本公开的实施例中的来自转换电路的量化输出的缩放的示例的图。
20.图4是图示了根据本公开的一些实施例的转换电路的示例的框图。
21.图5是图示了根据本公开的一些实施例的用于执行模数转换的方法的示例的流程图。
22.注意的是，在图中，类似的参考标号始终是指对应的部分。此外，同一部分的多个实例由与实例编号用破折号分隔的公共前缀来指定。
具体实施方式
23.描述了一种集成电路。该集成电路包括执行输入信号的模数转换的转换电路。例如，转换电路可以包括sar adc。注意的是，转换电路至少部分基于集成电路的第一电源电压和第二电源电压提供对应于输入信号的量化输出，其中，第一电源电压和第二电源电压指定转换电路的满量程范围。此外，第一电源电压包括正电源电压并且第二电源电压包括负电源电压或地。此外，当满量程范围超过与不同于第一电源电压和第二电源电压的基准电压相关联的第二满量程范围时，量化输出可以对应于数量比满量程范围等于第二满量程范围时更大的比特。可替换地或另外地，当满量程范围超过第二满量程范围时，转换电路至少部分地基于满量程范围与第二满量程范围的比率来缩放量化输出。
24.通过至少部分地基于电源电压来执行模数转换，这些电路技术能减少或消除对缓冲电路、偏置电流和/或大的旁路电容器的需要。此外，转换技术可以减少噪声，可以减小半导体晶粒上的面积，可以降低功耗和/或可以提高转换电路的速度或减少转换电路的稳定
时间。因此，电路技术能改善adc的性能。这些能力中的一个或多个可以使转换电路和/或adc的实施例能够在各种系统、电子设备和应用中使用。
25.在本公开中，注意的是“满量程”有时被称为“增益”。满量程可以基于模拟输入电平来提供或指定量化输出电平。
26.现在，描述电路技术和转换电路的实施例。如呈现本公开的实施例中的转换电路200的示例的图2中所示，量化器210可以至少部分地基于例如包括转换电路200的集成电路的第一电源电压214和第二电源电压216，提供对应于输入信号的至少n比特量化输出212。第一电源电压214和第二电源电压216可以限定转换电路200的满量程或动态范围。此外，第一电源电压214可以包括单极性电源电压(诸如，正电源电压vdd)，并且第二电源电压216可以包括地(vss)。注意的是，第一电源电压214和第二电源电压216可以非常稳定。虽然图2图示了转换技术的单端实施例，但在其他实施例中，转换电路200可以是差分的。在这些实施例中，第二电源电压216也可以是单极性的，并且可以具有与第一电源电压214相反的极性(诸如，负电源电压)。
27.此外，当满量程范围超过转换电路200的与不同于第一电源电压214和第二电源电压216的基准电压相关联的第二满量程范围时，量化输出212可以对应于数量比满量程范围等于第二满量程范围时大的比特。例如，如果第一满量程范围为1v并且第二满量程范围为0.5v，则可能需要一个附加比特来解析较大的相关联动态范围。
28.因此，如图2中所示，量化器210可以在量化输出212中提供m个附加比特，使得量化输出212对应于总共n+m个比特。例如，在12比特adc中，m可以为1，使得总比特数为13。通过使用附加的m个比特，即使当转换电路200的满量程范围因部分地使用第一电源电压214和第二电源电压216而增加时，转换电路200也可以保持转换电路200的分辨率。
29.可替换地或另外地，当满量程范围超过第二满量程范围时，转换电路200可以至少部分地基于满量程范围与第二满量程范围的比率来缩放量化输出212。这在呈现本公开的实施例中的转换电路200的量化(或数字)输出的缩放的示例的图3中有图示。注意的是，如先前讨论的，基准电压vref_p 310和vref_m 312可以限定n比特adc的第二满量程范围。在其中第一电源电压214和第二电源电压216被用作转换电路200的基准电压的转换电路200的实施例中，量化输出212可以被缩放(例如，乘以)满量程范围(或电源范围)与第二满量程范围的比率。这可以增加量化输出212，使得量化输出212跨越转换电路200的满量程范围。
30.在一些实施例中，转换电路200的量化输出212可以对应于可以用于例如纠错的附加r个冗余比特。例如，13比特adc可以包括附加的两个冗余比特。这在呈现本公开的实施例中的转换电路400的示例的图4中有图示。在图4中，冗余比特解码器414可以使用量化器410之后的附加r个冗余比特来校正量化输出412中的误差，诸如与噪声相关联的误差。另外，乘法器418可以将来自解码器414的量化输出416乘以2m(或比特移位和截短)，使得从转换电路400提供的量化输出420对应于n比特。这可以将13比特量化输出转换回12比特量化输出。
31.例如，在一些实施例中，可以使用数字转换中的2比特冗余(r)帮助抑制电源噪声的影响。因此，在一些实施例中，量化器410可以执行n+m+r比特量化。在转换之后，冗余可以被解码，以恢复原始数据字大小。注意的是，来自冗余比特解码器414的量化输出416可以包括n+m个比特。另外，乘法器418可以将量化输出416(即，数字字)乘以2m(例如，当m等于1时，它可以对应于以因子2进行比特移位和截短)，以便恢复与不同于电源电压214和216的基准
电压相关联的第二满量程范围。因此，量化输出420可以包括n个比特。当在该示例中m等于1时，更常见地，转换电路400使用的m可以是可编程或动态的。因此，可以由控制逻辑218(图2)或422动态地适配转换电路200(图2)或400。
32.在一些实施例中，转换技术可以与交错adc一起使用。然而，交错adc中不同单元adc的满量程范围可能有所不同。例如，因工艺变化、温度和/或晶体管错配，给定单元adc的满量程范围可相对于其他单元adc而变化。在这些实施例中，可以调节用于缩放给定单元adc或转换电路的量化输出的比率(相对于在至少一些其他单元adc中使用的比率)以校正失配。注意的是，可以通过以大的输入信号取交错adc中的单元adc的量化输出的平均值来确定调节。原则上，该情况下的量化输出应该是相同的。因此，可以使用相对于量化输出的平均值的变化来计算对用于缩放给定单元adc的量化输出的比率的调节。
33.返回参照图2，在一些实施例中，转换电路200可以将一比特添加到量化器210的分辨率。这可以使在不牺牲分辨率的情况下能够使用较大的满量程范围(诸如，当转换电路200的基准电压是电源电压214和216时)。注意的是，较大的满量程范围可以减小开关电阻，因为开关面对较大的栅极过驱动电压。然而，使用附加比特可以增加转换电路200的转换时间。
34.如果所允许的满量程范围足够大，则第一基准电压214可以是正电源电压(vdd)并且第二基准电压216可以是地(vss)，而非常见的基准电压vref_p 310(图3)和vref_m 312(图3)。这可以消除待机偏置电流。此外，因为电源和地电压通常具有非常低的阻抗，所以这可以减少或最小化转换电路200的基准电压稳定时间。因此，该改变可以消除对转换电路200中的模拟校准反馈电路的需要。
35.此外，在可能需要跨阵列的增益匹配的交错adc中，来自每个交错单元adc的量化输出可以被传递到数字块或控制逻辑，以进行后处理校正。在该控制逻辑中，可以通过对量化输出或量化输出功率求平均来检测单元adc的增益误差。然后，可以通过调节单元adc所使用的比率或乘法系数来校正增益。注意的是，可以使用最小均方或另外的系数调节技术。
36.在一些实施例中，可以使用额外的电源旁路电容器来帮助减少电源噪声。可替换地或另外地，可以使用电源连接的开尔文抽头(kelvin tap)在使用相同电源基准的交错单元adc之间提供某个量的电阻隔离。
37.虽然前面的讨论使用sar adc作为示例，但所公开的转换技术可以与另一类型的adc一起使用，诸如另一类型的交错adc或流水线adc。
38.在本讨论中，由转换电路执行的模数转换可以应用于各种输入信号。例如，输入信号可以包括帧。该帧可以包括图像，其中，转换电路中的一个或多个adc可以接收与不同空间位置或区域对应的模拟输入。可替换地，在一些实施例中，诸如在扫描系统中，可以在时间间隔(诸如，几毫秒)内渐进地捕获帧。因此，在这些实施例中，一个或多个adc可以接收与在不同时间捕获的不同空间位置或区域对应的模拟输入。
39.现在，描述方法的实施例。图5呈现了图示用于使用诸如转换电路200(图2)或400(图4)之类的转换电路来执行模数转换的方法500的示例的流程图。在操作期间，转换电路可以接收输入信号(操作510)。然后，转换电路可以执行模数转换，并且至少部分地基于转换电路的第一电源电压和第二电源电压来提供对应于输入信号的量化输出(操作512)。
40.在方法500的一些实施例中，可以有附加的或更少的操作。例如，在模数转换(操作
512)之后，可以缩放量化输出(操作514)。此外，操作的顺序可以改变，和/或两个或更多个操作可以被组合成单个操作。
41.所公开的转换电路和电路技术可以是(或可以被包括于)任何电子设备。例如，电子设备可以包括：蜂窝电话或智能电话、平板计算机、膝上型计算机、笔记本计算机、个人或台式计算机、上网本计算机、媒体播放器设备、电子书设备、设备、智能手表、可穿戴计算设备、便携式计算设备、消费者电子设备、接入点、路由器、交换机、通信设备、测试设备、车辆、船舶、飞机、汽车、卡车、公共汽车、摩托车、制造设备、农场设备、建筑设备或另一种类型的电子设备。
42.尽管使用特定组件来描述转换电路和/或包括转换电路的集成电路的实施例，但在替代实施例中，在转换电路、包括转换电路的集成电路和/或一个或多个adc中可以存在不同的组件和/或子系统。因此，转换电路、包括转换电路的集成电路和/或一个或多个adc的实施例可以包括更少的组件、附加的组件、不同的组件，两个或更多个组件可以被组合成单个组件，单个组件可以被分离成两个或更多个组件，一个或多个组件的一个或多个位置可以改变，和/或可以存在不同类型的组件。
43.此外，转换电路、包括转换电路的集成电路和/或一个或多个adc的实施例中的电路和组件可以使用包括以下的模拟电路和/或数字电路的任何组合来实现：双极型、pmos和/或nmos门或晶体管。此外，在这些实施例中的信号可以包括具有近似离散值的数字信号和/或具有连续值的模拟信号。另外，组件和电路可以是单端或差分的，并且电源可以是单极性或双极性的。注意的是，前述实施例中的电耦接或连接可以是直接或间接的。在前述实施例中，对应于走线的单线可以指示一条或多条单线或走线。
44.如前所述，集成电路可以实现电路技术的功能中的一些或全部。该集成电路可以包括用于实现与电路技术相关联的功能的硬件和/或软件机制。
45.在一些实施例中，用于设计包括本文描述的电路中的一个或多个的集成电路或集成电路的一部分的过程的输出可以是计算机可读介质，诸如(例如)磁带或光盘或磁盘。计算机可读介质可以用描述可以被物理地实例化为集成电路或集成电路的一部分的电路的数据结构或其他信息来编码。尽管可以使用各种格式进行这种编码，但这些数据结构一般按以下格式编写：加州理工学院中间格式(caltech intermediate format)(cif)、卡尔马gds ii流格式(calma gds ii stream format)(gdsii)、电子设计交换格式(edif)、开放存取(openaccess)(oa)或开放艺术品系统交换标准(open artwork system interchange standard)(oasis)。集成电路设计领域的技术人员可以根据以上详述类型的示意图和对应的描述开发这种数据结构，并且在计算机可读介质上对数据结构进行编码。集成电路制造领域的技术人员可以使用这样的编码数据来制造包括本文描述的电路中的一个或更多个的集成电路。
46.虽然前述实施例中的一些操作是在硬件或软件中实现的，但一般而言，前述实施例中的操作可以在各种各样的配置和架构中实现。因此，前述实施例中的一些或全部操作可以在硬件、软件或二者中执行。例如，可以使用由处理器或集成电路中的固件中执行的程序指令来实现电路技术中的操作中的至少一些。
47.此外，尽管在前述讨论中提供了数值的示例，但在其他实施例中使用了不同的数值。因此，所提供的数值并不旨在是限制。
48.在前述描述中，指的是“一些实施例”。注意的是，“一些实施例”描述了所有可能实施例的子集，但并不总是指定实施例的同一子集。
49.前述描述旨在使得本领域的任何技术人员能够做成并使用本公开，并且在特定应用及其要求的背景中提供。此外，已仅出于例示和描述的目的提供了本公开的实施例的前述描述。它们不旨在为穷尽性的或者将本公开限于所公开的形式。因此，对于本领域的技术人员，许多修改和变化将是清楚的，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本文中限定的一般原理可以应用于其他实施例和应用。另外，前述实施例的讨论不旨在限制本公开。因此，本公开不旨在限于所示出的实施例，而是将被赋予与本文公开的原理和特征一致的最广范围。

技术特征：
1.一种集成电路，包括：转换电路，所述转换电路被配置为执行模数转换，并且至少部分地基于所述集成电路的第一电源电压和第二电源电压来提供对应于输入信号的量化输出。2.根据权利要求1所述的集成电路，其中，所述量化输出至少部分地基于所述输入信号与所述第一电源电压和所述第二电源电压的比较。3.根据权利要求1所述的集成电路，其中，所述第一电源电压和所述第二电源电压指定所述转换电路的满量程范围。4.根据权利要求3所述的集成电路，其中，当所述满量程范围超过与不同于所述第一电源电压和所述第二电源电压的基准电压相关联的第二满量程范围时，所述量化输出对应于数量比所述满量程范围等于所述第二满量程范围时大的比特。5.根据权利要求4所述的集成电路，其中，所述比特的数量包括冗余比特，并且所述转换电路被配置为使用所述冗余比特来校正所述模数转换中的误差。6.根据权利要求3所述的集成电路，其中，当所述满量程范围超过所述第二满量程范围时，所述转换电路被配置为至少部分地基于所述满量程范围与所述第二满量程范围的比率来缩放所述量化输出。7.根据权利要求6所述的集成电路，其中，所述转换电路包括交错的一组单元模数转换器adc。8.根据权利要求7所述的集成电路，其中，所述转换电路被配置为校正所述一组单元adc的量化输出的差异；并且其中，所述校正包括调节所述单元adc中的至少一个的比率。9.根据权利要求1所述的集成电路，其中，所述第一电源电压包括正电源电压，并且所述第二电源电压包括负电源电压或地。10.根据权利要求1所述的集成电路，其中，所述转换电路包括逐次逼近寄存器sar模数转换器adc。11.根据权利要求1所述的集成电路，其中，所述转换电路包括流水线模数转换器adc。12.一种系统，包括：转换电路，所述转换电路被配置为执行模数转换，并且至少部分地基于所述转换电路的第一电源电压和第二电源电压来提供对应于输入信号的量化输出。13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述量化输出至少部分地基于所述输入信号与所述第一电源电压和所述第二电源电压的比较。14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第一电源电压和所述第二电源电压指定所述转换电路的满量程范围。15.根据权利要求14所述的系统，其中，当所述满量程范围超过与不同于所述第一电源电压和所述第二电源电压的基准电压相关联的第二满量程范围时，所述量化输出对应于数量比所述满量程范围等于所述第二满量程范围时大的比特。16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述比特的数量包括冗余比特，并且所述转换电路被配置为使用所述冗余比特来校正所述模数转换中的误差。17.根据权利要求14所述的系统，其中，当所述满量程范围超过所述第二满量程范围时，所述转换电路被配置为至少部分地基于所述满量程范围与所述第二满量程范围的比率
来缩放所述量化输出。18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述转换电路包括交错的一组单元模数转换器adc；其中，所述转换电路被配置为校正所述一组单元adc的量化输出的差异；并且其中，所述校正包括调节所述单元adc中的至少一个的比率。19.根据权利要求12所述的系统，其中，所述转换电路包括：逐次逼近寄存器sar模数转换器adc或流水线模数转换器adc。20.一种用于执行模数转换的方法，包括：通过转换电路执行以下操作：接收输入信号；以及执行模数转换并且至少部分地基于所述转换电路的第一电源电压和第二电源电压来提供对应于所述输入信号的量化输出。

技术总结
描述了一种执行模数转换的转换电路。在操作期间，转换电路接收输入信号。然后，转换电路执行模数转换，并且至少部分地基于转换电路的第一电源电压和第二电源电压来提供对应于输入信号的量化输出。例如，量化输出可以至少部分地基于输入信号与第一电源电压和第二电源电压的比较。此外，第一电源电压和第二电源电压可以指定转换电路的满量程范围。当满量程范围超过与不同于第一电源电压和第二电源电压的基准电压相关联的第二满量程范围时，量化输出可以对应于数量比满量程范围等于第二满量程范围时大的比特。程范围时大的比特。程范围时大的比特。


技术研发人员：C
受保护的技术使用者：艾迪凯有限责任公司贸易用名因迪半导体
技术研发日：2021.12.20
技术公布日：2023/10/8