适用于模数转换器的参考电路与包括这样参考电路的模数转换器

摘要

一种用于电荷再分配模数转换器的参考电路，具有电容器阵列，参考电路包括：用于接收信号的输入端；用于提供参考电压到电荷再分配电容器阵列中至少一个电容器的输出端；用于存储参考电压的存储电容器；用于比较存储在存储电容器上的参考电压与参考信号的电压修正电路，并且根据这一比较提供校正以便减少参考电压与参考信号间的差，校正在校正阶段被应用；和在采集阶段用于选择性连接存储电容器到输入端的第一开关。

说明书

技术领域

本发明涉及适用于电荷再分配模数转换器的参考电路，与包括这样的 参考电路的模数转换器。

背景技术

模数转换器，例如逐次逼近例程、SAR，转换器通常包括具有多个加 权电容器的、开关电容器电荷再分配数模转换器。如本领域技术人员所知， 逐次逼近转换可以通过从最高有效位到最低有效位依次执行位测试来执 行，并且根据比较开关电容器数模转换器的输出与参考，判定当前位测试 是否应保持或复位，以便最终达到能最能代表被模数转换器予以转换的模 拟输入的位模式。

作为该测试的一部分，电荷再分配数模转换器与SAR模数转换器中的 电容器的“底板”(如图1所示)依次在第一参考电压Vref1与第二参考电 压Vref2间切换。通常情况下Vref1由参考电路保持正电压并且Vref2本地 接地，或者Vref1和Vref2可以被置于两侧的中点，例如

电压Vref1通常由外部参考提供，例如驱动参考缓冲器的带隙参考。 参考缓冲器的输出被用于充电参考电容器，参考电容器通常是具有10μF 左右，物理上被放置靠近包括电荷再分配模数转换器在内的集成电路的参 考输入引脚的大电容。

参考电压从外部电容器到片上电荷再分配数模转换器(Digital to  Analog Converter，简称DAC)的转移是在模数转换器(Analog to Digital  Converter，简称ADC)中被实现，通过印刷电路板上的轨道、封装引脚并 且通常通过连接封装引脚到集成电路自身的封装接线发生。每个组件呈现 出电感。

具有电容器阵列DAC的电荷再分配ADC的操作引起被连接到参考电 路的变化的电容性负载。正是由于这个原因，存储电容器和参考电压缓冲 器被提供，它们一起提供用于维持DAC的参考电压在固定值的电荷。但 是就电流消耗而言，使用参考电压缓冲器是昂贵的并且由于偏移与噪声它 自身引入不准确性的来源。

发明内容

根据本发明的第一方面，这里提供用于具有电容器阵列的电荷再分配 模数转换器的参考电路，该参考电路包括：

用于接收信号的输入端；

用于提供参考电压到电容器阵列中的至少一个电容器的输出端；

用于存储参考电压的存储电容器；

用于比较存储在存储电容器的参考电压与参考信号的电压修正电路， 并且根据这一比较提供校正以减小参考电压与参考信号间的差，在校正阶 段被使用的校正；和

在采集阶段用于选择性地连接存储电容器到输入端的第一开关。

因此，有可能带走片上参考电压的存储，并且从而绕过封装引脚与封 装接线的电感。此外，使用校正信号的电路现在可以在ADC控制器的控 制下操作使得该电路在ADC操作的某些阶段可以部分地或全部地降低功 耗。

根据本发明的第二方面，提供一种包括数模转换器的集成电路，以及 根据本发明的第一方面的参考电路。

根据本发明的第三方面，提供一种包括具有开关电容器的电荷重新分 配阵列的模数转换器的集成电路，以及根据本发明的第一方面的参考电 路。

根据本发明的第四个方面，提供了一种方法，该方法提供参考电压到 具有电荷再分配电容器阵列的模数转换器，该方法包括：在输入端接收来 自参考电路的参考信号电压；提供参考电压到该电容器阵列至少一个电容 器；比较参考电压与参考信号电压，并且根据这一比较，提供校正信号以 减少参考电压与参考信号电压的差，在校正阶段校正被提供；并且在采集 阶段连接存储电容器到输入端以便存储参考信号电压。

根据第五方面，提供包括与在开关电容器阵列中具有多个电容器的电 荷再分配DAC结合的参考电路的集成电路，该参考电路包括：用于从电 压源接收输入电压的输入端，用于提供参考电路输出电压到DAC的输出 端；用于存储参考电压的存储电容器；与用于使得存储在存储电容器上的 参考电路的输出电压基本等于输出电压的电压修正电路，所述电压修正电 路在校正阶段操作；以及用于在采集阶段连接存储电容器到输入端的开 关。

附图说明

本发明的实施例现在将仅通过非限制性的示例予以描述，参考附图， 其中：

图1是包括从外部参考电路接收参考电压的电荷再分配数模转换器的 SAR模数转换器的电路图；

图2是构成本发明第一实施例的参考电路的示意图；

图3是构成本发明的另一实施例的参考电路的电路图；

图4是在运作的采集阶段本发明实施例的电路图；

图5示出了在运作的第一转换阶段中图4的电路布局；

图6示出了在运作的第二转换阶段中图4的电路；

图7示出了在运作的第三转换阶段的中图4的电路；

图8示出了在校正阶段图4的电路，其中电荷泵被用于恢复参考电容 器上的电压；

图9示出了电荷泵操作的第二阶段；

图10示出了电荷泵操作的另一阶段；

图11示出了在运作的第二校正阶段中图4的电路，其中参考电容器上 的电压被精细调整；

图12示出了具有多个存储电容器的开关电容器DAC，其中一个或多 个电容器可以由如本文所述参考电路所取代，或者一个存储电容器可以被 DAC中的一些电容器共享，但并非所有的DAC的电容器；

图13是包括电荷再分配DAC的模数转换器的示意图；

图14示出了图3所示的电路的变形；

图15是构成本发明的另一实施例的电路的示意图；和

图16是另一个实施例的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出了现有技术的装置，它包括开关电容器数模转换器， 通常表示10，它被提供在实现模数转换器14的集成电路内并且从外部参 考电路接收第一参考电压Vref1，通常标示为12。在此上下文中，“外部” 指的是参考电路(或至少不是全部)不是由与电荷再分配数模转换器10 相同的芯片提供。因此，相对大的存储电容器60将外部于集成电路，即 使电路的其他部分，例如缓冲器可能在集成电路上提供。DAC还接收 Vref2，Vref2可以是本地0V、接地或所有其他电压参考的Vss。

虽然电荷再分配数模转换器作为逐次逼近模数转换器的一部分是被 人们所周知，为了完整性起见，它们操作的简要描述将在这里呈现。电荷 再分配数模转换器包括多个电容器，其中本实例三个电容器20、22与24 被示出。其他电容器可能存在于电容器22与24间。在没有冗余的转换器 中，电容器是二进制加权的。因此，如果只有三个电容器存在的话，并且 电容器24具有概念值“1C”则电容器22将具有值“2C”并且电容器20 具有值“4C”。每个电容器可以被看做代表二进制字中的一位，并且因此 本实例中的最大的电容器20代表最高有效位(most significant bit，简称 MSB)，具有4的权重，而最小电容器24代表最低有效位(least significant  bit，简称LSB)，具有权重1。被用在模数转换器中的这些的电容器阵列 通常通常提供在12到16之间分辨率的位数并且这意味着相应电容器的数 量。为了避免在最高有效位与最低有效位之间的规模问题，人们也知道， 电容器阵列可以被分段一次或者多次。这样可以有效地允许在阵列的每一 个段中改变大小并且避免DAC对最大电容器需要，例如在16位转换器中 最大电容器是最小电容器2¹⁶倍。虽然未示出，开关电容器阵列或其区段通 常由值等于该阵列中最小有效电容器的附加终端电容器所终止。

还已知通过改变“权重”(也就是，电容器的相对电容)或者阵列中 电容器的数量以提供某种程度的冗余，即在转换过程中从一个不正确的位 判断中恢复的能力。这可以，例如，可以通过偶尔在阵列中插入附加位来 实现。另一种提供冗余的方法是从2(代表二进制加权)到更小的数值例 如1.8，改变阵列中电容器的“基数”。这样，电容器到它的相邻电容器的 比率是1.8而不是2。这会向阵列插入冗余使得在转换过程中的不正确的 位判断可以被校正。在任一情况下，冗余被实现，从而允许任意符号的误 差(即误差使得结果加权过少或者加权过多)在转换进行时被校正，这些 是本领域技术人员所熟知。

如图1所示，每个电容器具有第一板，也将被称为顶板，它被连接到 导体30，导体30自身被连接到比较器32的第一输入。每个电容器还有第 二或者底板，它被连接到电子开关。第一电容器20被连接到第一开关40， 第二电容器22被连接到第二开关42并且第三电容器24被连接到第三开 关44。开关被图示地示为三个位置开关，尽管实际上它们被实现为三个场 效应晶体管，每个开关由开关控制器(没有示出)所控制以在实现开关功 能之前实现三个位置中断。开关40可以被看作在第一位置或模式是可操 作地以连接电容器20的底板到信号输入Vin。在第二位置或模式可操作地 连接电容器20的底板到Vref1，并且在第三位置或模式它连接电容器20 的底板到第二输入Vref2，Vref2通常对应于本地的地或者“负”供电电平。 第二与第三开关42与44被相似配置，并且比较器的第二输入也通过导体 50被连接到本地的地。

在本实例所描述的模数转换器操作的采样与跟踪阶段，开关40、42 与44被连接到Vin而另一个开关52被关闭以便连接导体30，与顶板到地。 这使得电容器20、22与24使用电压Vin充电。模数转换器然后进入到转 换阶段，在转换阶段，开关52被打开以便导体30上的电压浮动，并且开 关40、42与44被初始连接到Vref2。然后位测试序列可以开始。最初第 一位，即最高有效位通过连接电容器20的底板到Vref1来测试。因为它们 形成一个潜在的分压器，这引起电荷在电容器之间的再分配的发生。结果 比较器第一输入端的电压发生变化并且在稳定时间过去后，比较器被选通 (即它的输出被检查)以确定第一输入端的电压是否大于或者小于第二输 入端的电压。如果Vin电压是足够大以致它超过等效值则最高有效 位被保留并且电容器40保持连接到Vref1，否则该位被丢弃并且开关40 被操作以连接最高有效位电容器20的底板回到Vref2。下一个位测试进行 到第二位，其中电容器22的底板被连接到Vref1(开关40的状态保持在 第一位测试后它被保留的位置)在稳定时间过去后，比较器32的输出被 检查以判断开关42将被保持原样还是复位以连接电容器22的底板到 Vref2。作为比较的结果，开关42被复位或者保留，并且测试移动到下一 个电容器24并且开关44从Vref2改变到Vref1。再次在稳定时间之后，比 较器的输出被检查以判断开关44是否保留原位或复位。在测试序列的结 束，开关40、42与44的位置可以被检查并且这些代表了转换结果。很显 然序列可以被扩展以包括多于三个电容器。同样地，序列可以被扩展以包 括具有冗余的开关电容器阵列，不管是包括附加的冗余电容器还是使用小 于3的基数，但是开关序列需要被检查并且进一步转换成二进制字。然而， 这一过程再次为本领域内技术人员所知并且无需更多的描述。虽然ADC 被描述为单端设备，上述描述可以扩展到差分转换器。

显然，切换开关40、42和44中的任何开关导致循环电流流动。因此， 如果开关40从Vref2时切换到Vref1时，使得电容器20的底板的电压增 加，则从电容器20通过电容器22与24以及它们相关的开关到Vref2存在 瞬态循环电流流动。然后，电流流过电压参考12的存储电容器60并返回 通过终端Vref1与开关40到第一电容器20的底板。

电流流动沿着在集成电路外部引脚与节点Vref1与Vref2之间的封装 接线并且也沿着印刷电路板的导体轨道出现。轨道与封装接线各自表现出 寄生电感与寄生电阻。这些不需要的阻抗被标示为围绕在图1点划线62 中的电感LP与电阻RP。而且，存储电容器60也将表现电感与电阻，并 且这些寄生组件也可以被在LP与RP的值予以表示。同样地，开关40、 42与44也表现电阻，它可以再次在RP的值中表示。

参考电路包括参考电压发生器70，它是任何适用实现技术的精确电压 参考，可以提供输出到缓冲器72。缓冲器72保护电压参考70不再提供电 流到模数转换器中的开关电容数模转换器10。就其性质而言，即使模数转 换器在没有被激活时，缓冲器72消耗功率，例如因为ADC已经完成一个 转换并且等待直到已排程的另一个转换。

在开关40、42与44的每个操作中，循环电流流经各种电容器与寄生 电感与电阻。电容器与电感的组合具有形成能够回响的LC回路的可能性。 为了避免这种情况，电路应该至少临界阻尼，在这种情况电阻RP的电阻 Rcritical必须等于(4L/C)1/2。临界阻尼电路的时间常量Tcritical可以通过 Rcritical乘以电路C的电容获得并且具有(4LC)^1/2的值。开关电容器阵列的 稳定时间由Tcritical决定，受到寄生电感LP的限制。

本发明的实施例通过带来片上参考电压的拷贝并且避免流经LP的循 环电流允许更快的稳定开关阵列。因此，参考电压在与ADC中的开关电 容器电荷再分配数模转换器相同的集成电路中被带来。

图2是图示地描述构成本发明的第一实施例的参考电路的电路图。在 图2中，图1中的外部高精度电压参考70仍然被提供并且仍是“片外”， 虽然它可以是片上。参考70被连接到参考电路(通常标示为104)的第一 与第二端子100与101，它被提供在与电荷再分配数模转换器10相同的集 成电路内。参考电路70的电压输出可以被视为“参考信号”，要么直接要 么通过电平转换装置提供到比较器/放大器102的第一输入105。在本实例 中只有比较器动作是需要的，并且因此关于图2的其余的描述，它将被描 述为比较器102。比较器102的第二输入106被连接到提供参考电压内部 拷贝的输出节点107，标示为Vref'，到ADC的DAC10。在开关控制逻辑 110指令下操作的第一开关108可以被开关控制逻辑110的信号打开或者 关闭，这将在后续予以描述。开关108通过晶体管来实现。当开关108被 打开时，如图2所示，比较器在它的第二输入接收节点107的电压，并且 比较由外部电压参考电路70提供的参考信号Vref_external与电压参考电 路104输出的Vref'。比较结果在比较器102的输出120被输出到开关控制 电路110的输入122。开关控制电路110的第一输出124被提供到电压修 正电路130，它被安排以交换电荷，例如引起电荷流向参考电路104的内 部存储电容器132。转移电荷到内部存储电容器132的动作增加了节点107 的电压Vref'直到它超时，或者使用人为偏移的附加，稍小于外部电压参考 Vref_external，因此引起比较器102修正其输出到开关控制逻辑110，这反 过来将电压修正电路130切换到关闭。图2示出了被连接到电容器132的 第一、顶板的电压修正电路130，电容器132被连接到输出节点107。然 而，电压修正电路130的输出也可以与其中第一板一样被连接到电容器132 的第二或者底板，如图3所示。

在图3中相同的部分被标示为相同的参考数字。电压修正电路130被 展开并且包括可以通过电子控制开关142被选择性连接到内部电容器132 的底板的放大器140。在电容器132的底板与节点101之间，另一个连接 到Vref2的开关144被提供。其他实现是可能的，并且电容器132的底部 也可以被连接到电压干线、地(如果与低电压电源不同)或者被保持在稳 定电压且具有低阻抗的另一个节点。开关142与144被驱动使得开关144 被关闭、开关142被打开。电压修正电路130也包括用于传送电荷给电容 器132充电的装置。在集成电路中，其中电源电压Vdd可能会小于Vref1， 在控制电路110控制下的电荷泵150被提供以执行这个功能。如果Vdd比 Vref1大的时候，电荷泵可能仍被使用。当Vdd比Vref1大的时候，其他 电路传送电路可以被用于(例如电压跟随器或者电流源，只是被提及作为 非限制性示例)给电容器充电到期望电势。

在图3电路的变形中，以点轮廓线示出的附加的开关151可以被在电 容器132顶板与输出节点107间提供以便允许电容器从输出节点断开。电 荷泵150(或者等价电流或者电压控制电路可操作的以充电电容器132到 期望电压，例如Vref_external)也可以被连接到内部电容器132，例如经 过开关152并且可以通过开关153从输出节点断开。从而，在这种布局中， 电容器132可以被从输出节点107断开并且在它被断开时充电到期望电 压。开关108在这一时间期间可以被关闭或者另一些开关可以被提供用以 连接放大器到节点107。

在图3中图示的电路的实际实现及其操作的描述现在将被描述。

图4更详细地示出了图3的布局，并且在操作的第一阶段其中它处于 采集阶段，当外部参考电压Vref_external正被采样到内部存储电容132的 时候。放大器/比较器102行使作为放大器与比较器的功能，虽然期望功能 可以由专门放大器与比较器单元来执行。在采集阶段期间，放大器/比较器 102可以是降低功耗以保存能量。

放大器/比较器102的第一输入105通过第一电平转换电容器180被连 接到输入节点100。放大器/比较器102的第二输入106通过第二电平转换 电容器182被连接到输出节点107。为了使这些电容器可以具有已确定的 电压，短路开关184与186被提供以连接第一与第二输入105与106到公 共电压，例如VDD。当Vref_external大于到集成电路的供电电平VDD或 者打算修正在放大器/比较器102的输入端呈现的电压时，电平转换电容器 的使用特别有用以便把电压放置在最佳的操作输入窗口。在现有技术中， 外部参考电压可以是5V。作为结果，缓冲器72必须工作在至少5V电源。 在图4所示的实施例中，放大器/比较器102不必须输出参考电压，并且可 以在更低供电电平下被操作，例如1.8V，从而比它在5伏特供电电平下取 回相同电流消耗更少的能量。在开关184与186被关闭期间，它遵照第一 与第二输入端的输入电压彼此相同，并且从而放大器/比较器102可以被命 令以执行自动零操作。另外或替代地，自动零电路可以被在放大器/比较器 102中实现以便使得在它不是主动控制参考电路输出时执行自动零操作。

图4也示出了电荷泵150的一个可能的实现。其他实现是可能的。电 荷泵包括第一到第六电荷泵开关202、204、206、208、210、211，第一与 第二电荷泵电容器212与214，与电荷泵输出开关216。第一与第二电荷 泵电容器212与214各自具有第一与第二板。使用图4中板的方向，很方 便地将第一板看作最高板并且第二板看作最低板。从而第一电荷泵开关 202被置于导体220，它可能会方便地是内部电源电压VDD，与第一电容 器212的第二板之间。第二电荷泵开关204在第一电荷泵电容器212与导 体220之间扩展。第三电荷泵开关206在第二电荷泵电容器214的第一板 与导体220之间扩展。第四电荷泵开关208在第一电荷泵电容器212的第 二板与本地电源干线VSS之间扩展。第五电荷泵开关210在第二电荷泵电 容器214与VSS之间扩展。第一电荷泵电容器212的第一板通过第六电荷 泵开关211可以被连接到第二电荷泵电容214的第二板。最后第二电荷泵 电容器214的第一板通过电荷泵输出开关216可以被连接到存储电容器 132的顶板。

与开关220互连的泵充电的放大器被提供以选择性地连接放大器102 的输出到第一电荷泵电容器212的第二板。

所有的开关都在开关控制逻辑110的控制下。

在操作周期的第一阶段，电路处于采集阶段，如图4所述，第一开关 108被关闭以便Vref_external被提供到电容器180、182的最高板(如图4 所示)。短路开关184与186被关闭以便电容器180与182的底板被同时 连接到相同电压，例如VDD。从而电容器180与182都将在它们的板之间 具有相同的电压差。在采集阶段，开关142被打开使得内部存储电容器132 被有效地从放大器断开并且电荷泵输出开关216也被打开。开关144被关 闭。在采集阶段，电压参考70通过第一开关108被连接到内部存储电容 器132的顶板以便将其充电升至Vref_external。可以期望在参考电路加电 时，电压参考可以停留在采集阶段足够长时间的以使得这一充电发生，并 且ADC的DAC10并没有表现为变化的负载。电路现在可以移进第一转换 阶段，如图5所示，在这一阶段中它可以提供参考电压到输出节点107， 但是其中参考电压不是被主动管理的。从而，如图5所示，开关108被打 开以便将外部电压参考70从电路的其部分断开。短路开关184与186也 被打开以便电容器180与182现在仅仅用作电平转换设置使得放大器/比较 器102可以比较在节点107的输出电压的电平转换版本与节点100的外部 电压参照的相似的电平转换版本。

模数转换器中的电荷再分配数模转换器现在可以操作以执行M位转 换过程的第一A位测试以便转换这里的最高有效位。当位测试进行的时候， 电荷可能被从内部存储电容器132中拉出并且在节点107的电压Vref'可能 开始从Vref_external漂移。

第一、很少位测试可以由附加的模数转换器，例如微型SAR或者快闪 ADC，它们可能使用远小于主ADC电容器的电容器以减少在第一转换阶 段Vref_internal的负载以及节点电压从Vref_external的漂移。微型SAR ADC的使用在US 5,621,409中被公开并且快闪ADC在US 6,828,927中被 公开。然后，由附加的ADC所确定的值被用于设置主ADC的主DAC中 的相应电容器的状态，同时在主ADC中其余位将被确定。如果主转换器 表现足够冗余以矫正由附加ADC造成的不准确的位判断的话，则漂移并 不明显。

在第一A测试已经完成以后，参考电路可能会移进第二转换阶段，如 图6所示，在第二转换阶段，放大器/比较器102被通电并且被配置用作运 算放大器。可选地，第一转换阶段可以被跳过并且电路可以瞬间直接从操 作的采集阶段到第二转换阶段。开关144被打开并且开关142被关闭以便 连接存储电容器132的底板到放大器102的输出。这创建了包括放大器102 的负反馈回路，并且作为响应，它改变它的输出120使得它的输入105与 106之间的电压差最小化。作为结果，节点107的电压Vref'被重新匹配 Vref_external的电压。

位测试可以被继续进行到下一个B测试，同时放大器动作有助于保持 节点107在正确参考电压。A与B的和可能小于M。

当位测试进行，内部存储电容器132的电荷可能被耗尽并且它上面的 电压会改变。然而放大器通过电容器132的动作有助于在节点107保持正 确的电压。应当注意的是既然电容器132是由放大器102的输出驱动，并 且仅充当电压转移设备，放大器没有被电容器132的电容所负载，它可能 是pF的几个10s，但是反而驱动驱动电容器132与ADC中电荷再分配数 模转换器的电容和，通常只有几个pF数量级。在放大器102上所产生的 负荷，然后是ADC中的电荷再分配数模转换器的第一近似值。如果电源 与Vref_external的相对电压允许，那么开关142替代在放大器的输出与电 容器132的第一端子之间。在这种情况下，放大器将并行驱动电容器132 与电荷再分配数模转换器。开关144会被打开以减少放大器102的负载。

随着位测试被进行了一段时间，逐次逼近例程现在将仅被测试最低有 效位，并且这些电容器的值比那些更高有效位成比例地小的多，并且因此 它们呈现给参考电压参考的负载大大减小。这意味着参考电路现在可以可 选择地在第三转换阶段或操作模式下操作，将在图7中讨论。

在第三转换阶段，如图7所示，开关142被打开以便从内部存储电容 器132的第二板断开放大器。开关144保持打开使得电容器132现在有效 地被断开。开关108被闭合使得外部参考70现在直接将其输出电压提供 到节点107。可以这样做是因为由于位测试A+B≥Trial number≥M电容器的 电容现在相对较小并且从而很少电荷被带走。然后转换序列可以被完成同 时在这个模式中操作。然而，如图12稍后被公开的，多个内部存储电容 器可以被提供，因此它可能没有必要在第三转换阶段操作电路因为这些单 独的存储电容器可能保持Vref_external的表现。如果电容器132使用类似 图3所示的电路拓扑结构从节点107断开，或者如稍后关于图14所描述 的，其中开关151被提供，然后在校正阶段可选地存储电容器再充电可以 开始，并且与第三转换阶段重叠。

模数转换器以循环的方式操作并且通常按照固定的时间表。从而完成 一次转换，它必须为另一个转换做好准备。但是在转换序列期间，内部电 容器132上的电荷可能已耗尽。同时，有可能通过闭合开关108与144， 这将从Vref_external吸引大量电荷，简单地给电容器132充电。因此，在 关闭这些开关之前，恢复电容器132上电荷是有利的。与矫正阶段对应的 电荷恢复过程的初始阶段将参照图8予以描述。

如图8所示，开关108被打开以便从参考电路隔离电压参考70，除了 它的信号通过导体180仍被提供到放大器/比较器102的第一输出这一事实 之外。开关144被关闭，从而重新连接电容器132回到电路使得放大器的 第二输入存储电容器132上的电压。

在操作的前述模式中，开关204、206、208与210已被关闭使得电容 器212与214被充电到VDD。如图8所示，这些开关204、206、208与 210现在将被打开以便从电源干线隔离电容器212与214并且开关216被 关闭以便连接电容器214的顶板到输出节点107。开关211被闭合以便连 接第二电荷泵电容器214的底板到第一电荷泵电容器212的顶板。开关202 也被关闭。实际上，这导致电容器被串联放置并且连接到VDD，使得开关 216被打开，电容器214的顶板的电压将会是3VDD。但是，因为开关216 是闭合的，电容器可以传送电荷到内部存储电容器132以增加其上的电压。 比较器/放大器102此时工作在比较模式并且判断节点107的电压Vref是 否已经超过Vref_external。如果已经超过，则无需更多的电荷泵动作，并 且电路可以进行到电压微调模式，这可以被视为第二校正阶段，这将在后 面予以描述。然而，如果在节点107的电压仍然小于Vref_external的电压， 然后第二电荷泵可以被执行，开始如图9所示，开关216被打开以便从内 部存储电容器132断开电荷泵。然后开关204、206、208与210被关闭使 得第一与第二电荷存储电容器各自被再次充电到VDD。在这一阶段，互连 第一电容器212的顶板到第二电容器214的底板的开关211被打开，否则 在电源干线之间将发生短路状态。同样地，开关202也被打开。然后电路 进行到准备第二电荷泵转储，如图10中所示，通过打开开关204、206、 208、210以便从电源干线隔离电容器，关闭开关202以便连接电容器212 的底板到VDD，关闭开关211以连接电容器212的顶板到电容器214的底 板并且关闭开关216使得第二电荷转储可以被传递到内部电容器132。

电容器212与214的大小应使得足够数量的电荷泵转储在分配给校正 阶段的时间内被执行以便给电容器132充电使得电压接近或者超过 Vref_external。通过此操作，内部存储电容器上的电压已经被提高到接近 外部参考电压。在校正阶段的操作可以发生直到达到时间限制，固定数目 的时钟周期已经发生或者Vref内部电压已经超过由比较器确定的阈值。

电路现在可以移动到第二校正阶段，如图11所示，其中电压微调被执 行，并且其中开关216保持关闭，开关204、206、208与210如前保持打 开。然而现在开关202被打开以便从电源干线断开第一电荷泵电容器212 的底板并且开关220被关闭从而连接放大器/比较器102的输出到串联电荷 泵的电容器212与214并且通过开关216到内部存储电容器132的顶板。 在这一点上，放大器比较器102正操作在放大器模式，因此反馈回路就形 成了。因此，通过反馈动作，放大器102改变其输出电压使得在它的输入 105的电压匹配它输入106的电压，并且由此在节点107的电压Vref'匹配 外部节点100的电压Vref。因此，放大器被用来恢复电容器132上的电压 到它正确值。从此，开关216现在可以被打开以便从内部电容器132断开 电荷泵电容器212与214。一旦这样做了，开关随后可以返回到开关配置， 如图4所示以使电路回到在执行随后的转换之前的采集阶段。如所描述的， 放大器的输出在第二校正阶段被经过电荷泵耦合到Vref_internal。可替代 地，附加电容器，未被示出，可以被直接放置在放大器输出与Vref_internal 之间，此外或者替代的，在第二校正阶段电荷泵电容器耦合放大器输出到 Vref_internal。

本发明可以用于许多类型的电荷再分配转换器，例如管道转换器或者 混合闪存SAR转换器。然而，显而易见的是，它有利于DAC操作时从Vref 外部70采取尽可能少的电流。

为此，本发明非常适用于由Ronald Kapusta在专利申请中所述(申请 号为13/069966，2011年3月23日提交)，标题为“电荷再分配数模转换 器”。储能电容器可以被分成与DAC的一个或多个电容器相关的多个储能 电容器，使用该申请的图4与5中所公开的布局，将其以全文引用的方式 并入本文。

图12示出了电荷再分配DAC400。电荷再分配DAC400可以是N位 DAC并且可以包括端接电容器402与二进制加权电容器404.1——404.N 的阵列，与多个开关406.1——406.N。电荷再分配DAC还可以包括多个 储能电容器CRES410.1——410.N。储能电容器CRES410.1——410.N各自 可以具有第一侧(例如，第一板或顶板)与第二侧(例如，第二板或底板)， 连接到外部端子的参考电压Vref1与Vref2，分别经过开关408.1a、408.1b ——408.Na、408Nb。每个DAC电容器404可以有各自开关406控制以从 各自储能电容器CRES410断开后者连接到各自储能电容器CRES410的第 一侧或者第二侧。电荷再分配DAC的所有这些部件，例如，电容器(402， 404.1——404.N)、开关(406.1——406.N，408.1a、408.1b到408.Na、 408.Nb)、储能电容器CRES(410.1——410.N)可以被集成到集成电路芯 片420上(例如，在同一芯片上)，与储能电容器CRES(410.1——410.N) 可以是片上储能电容器。

开关406.1——406.N可以由N位DAC输入字控制，这个字可以是一 个二进制数字字，它的每一位控制一个开关。开关406.1可以被最低有效 位所控制，并且因此电容器404.1可以对应于最低有效位并且它的电容可 以是单位电容(例如，1C)。开关406.N可以被最高有效位控制并且它的 电容是2N-1个单位电容。因此，二进制加权电容器404.1——404.N分别 具有电容20C、21C......2N-1C。

电荷再分配DAC400可以是集成电路芯片420的一部分并且参考电压 Vref1与Vref2可以由集成电路芯片420的外侧提供。在第一阶段，电荷再 分配DAC400可以操作两个阶段，每个储能电容器CRES410.1——410.N 可以被连接到外部参考电压Vref1与Vref2以采用参考电压Vref1与Vref2。 在这一阶段，开关408.1a——408.Na可以连接储能电容器CRES410.1—— 410.N的第一侧到外部Vref1并且开关408.1b——408.Nb可以连接储能电 容器CRES410.1——410.N的第二侧到Vref2。在一个实施例中，开关406.1 ——406.N可以被保持关闭使得DAC电容器404.1——404.N被连接到储 能电容器CRES420，在第一阶段。在另一个实施例中，开关406.1——406.N 可以从储能电容器CRES410.1——410.N断开DAC电容器404.1—— 404.N，在第一阶段。在后续的实施例中，寄生性引起的振铃可能对404.1 ——404.N中的任何DAC电容器没有影响。

在第二阶段，408.1a-408.Na和408.1b-408.Nb中的每一个开关可以被 断开。从而，储存电容CRES410.1-410.N的第一与第二板可以从芯片420 的外部断开(例如，从外部Vref1与Vref2断开)，并且从而从寄生效应隔 离电荷再分配DAC400。在第一阶段，一个或多个DAC输入字可以被应用 到开关406.1-406.N。在每个DAC输入字中，数字“1”可以连接相应的 DAC电容器404到相应储能电容器CRES310的第一板并且数字“0”可以 连接相应的DAC电容器404到相应储能电容器CRES410的第二板。从而， 所有的电荷再分配将完全在片上发生，在储能电容器CRES410.1-410.N与 DAC电容器404.1404.N。

在一个实施例中，每个储电容器410.1-410.N可以是大小不同的。最 低有效位储能电容器连接到1CDAC电容器404.1，因为它受最小电荷共享 支配(1C是最小的DAC电容)并且它在DAC输出的意义也是最小的。 最高有效位储能电容器410.N，连接到2N-1CDAC电容器404.N，因为它 受最大电荷共享的支配(2N-1C是最大的DAC电容)并且它在DAC输出 的意义是最大的。即使最大储能电容器410.N可以具有比单一储能电容器 小得多的电容。另外，410.1-410.N的总电容可以比单个储能电容器的电容 较小。

在另一个实施例中，储能电容器410的数量可能小于DAC电容器404 的数量。就是说，每位并不必须有一个单独的储能电容器并且至少一个储 能电容器可以被两个或两个以上的DAC电容器共享。电荷再分配DAC可 以是一个实例，其中一个储能电容器可能被N个DAC电容器所共享。

在一个实施例中，未示出，电荷再分配DAC400的DAC电容器可以 被配置在分割阵列。

显然，任何图2到11的参考电路可以与储能电容器410结合使用。例 如，在一个实施例中，储能电容器410被连接到输出节点107与参考电路 的101，在这种情况下，开关408是没有必要的。在另一个实施例中，开 关408连接一个或多个储能电容器到一个或多个参考电路的节点107与 101。在后面的情况，相应408开关对的一个或多个开关先于改变406开 关的状态被打开以便捕获参考电压的准确表征到储能电容器410.。这可以 在开关108被第一次关闭时，同时完成，在第一转换阶段的开始。开关408 将被再次关闭，在校正阶段，在转换被完成以后以确保储能电容器410在 开关108被关闭之前充分地充电以便最大限度地减少从精密参考电路70 所取的电荷。

图13示出了带有电荷再分配DAC的SARADC500.SARADC500包括 一个采样保持电路(S/H)502，电压比较器504，内部N位DAC508与数 字控制逻辑模块506。在操作期间，S/H电路502可以获取输入电压Vin 并且模拟电压比较器504可以比较输入电压Vin与内部N位DAC508的输 出。比较的结果可以输出到数字控制逻辑模块506，它可以提供Vin的近 似数字代码到N位DAC508。Vin的这个近似数字代码可以是N位控制字 (例如，DAC的输入字)。

数字控制逻辑模块506可以包括逐次逼近寄存器。SARADC500可以 进行如下操作。逐次逼近寄存器可以被初始化使得最高有效位等于数字1。 该代码可以被馈送到DAC508，然后DAC508提供这个数字代码的模拟当 量到比较器电路用于与采样输入电压Vin比较。如果这个模拟电压超过 Vin，在比较器504总可以引起SAR复位该位；否则，这一位可以保留1。 然后下一位可以设置到1并且相同的测试被执行。这个二进制搜索可以继 续进行直到SAR中的每一位已经被测试。得到的代码可以是采样输入电压 Vin的数字近似并且最终被SAR ADC500在转换结束时(EOC)输出。

SAR ADC500的内部N位DAC508可以是N位电荷再分配DAC。由 于SAR循序地做位判断，DAC稳定时间上的改善可以对SAR最大吞吐量 有显著冲击。

图3已经描述了关于使用电荷泵来恢复存储电容器上的电压。然而， 在Vdd大于Vref时，电荷泵不是必需的，虽然它们仍然可以使用。图14 示出了一种替代布局，其中电荷泵被电压跟随器250所取代，电压跟随器 250的输出任选地通过开关251连接到节点107(或者开关152与153可 以执行这个功能)。电压跟随器可以作为单位增益的运算放大器实现，并 且从电压源接收目标电压，例如内部源252，或者从电压源70的 Vref_external。

在所描述图4到图11的实施例中，有通往电容器132的第二或底板的 路径，并且有可能去修正电容器132底板的电压。这不总是必需的。概念 上，有可能重画图4的电路图，并且将存储电容器作为元件132连接到节 点107的输出。经过142的连接被修改了，如图15所示，到输出节点107。 因此，电路的操作与图4到图11所描述的非常相似，除了参考电路不能操 作在第二转换阶段参照图6所描述的，其中放大器能够控制节点107的电 压，通过经由存储电容器132的串联连接。然而，在图15所示的布局中， 放大器在修正的第二转换阶段操作，其中开关142被关闭并且它直接驱动 节点107。因为替代的放大器可能被安排以驱动输出节点107的电压，通 过电荷泵的电容器212与214。电容器132可能被永久连接在输出节点107 与本地的地或Vss之间，或者它可能有开关，与它串联使其被隔离，在相 关模拟/数字转换器操作的某些阶段以便不加载放大器102，因此如图15 所示，串联开关144可以被提供。这个开关可以提供在电容器与地之间， 如图所示，或者在电容器与输出107之间。

存储电容器132不必专门制作。因此，存储电容器132可以是DAC 或者ADC的开关电容器阵列的一个或多个电容器，或者是图12的410电 容器其中之一。这样的布局被在图16中示出，其中图12的多个储能电容 器410.1到410.N用作参考电路的多个存储电容器。开关408.1a,bto408.Na,b 被可操作性地连接储能(存储)电容器在一起，并且到电压修正电路，在 转换期间，昂存储电容器的电压被返回到Vref时。

可以看出，参考电路以循环方式工作，在操作循环的阶段可以是：

阶段1＝采集阶段

阶段2＝第一转换阶段

阶段3＝第二转换阶段

阶段4＝第三转换阶段

阶段5＝校正阶段

阶段6＝第二校正阶段

并且重复此循环。

因此，可以提供改进的ADC。因为从参考电压70拉出的电流以及明 显地减少，参考70可以被实现在“片上”从而降低引脚输出的开销。