用于开关电容器∑－△模拟－数字转换器的五电平反馈数字－模拟转换器

具体实施方式

本发明利用改进的开关序列，其使开关电容器Σ-Δ转换器中的反馈数字-模拟转换器(DAC)的电平的数目从两个升高到五个。在Σ-Δ转换器中使用五电平反馈DAC是新的、新颖的且非显而易见的应用。

现参看附图，其示意性地说明本发明的特定实施例的细节。附图中的相同元件将由相同数字来表示，且类似元件将由具有不同小写字母后缀的相同数字来表示。

参看图1，其描绘根据本发明特定示范性实施例的用于五电平反馈数字-模拟转换器(DAC)的电容器开关阵列和差分放大器的示意性电路图。一般由数字100表示的五电平反馈DAC包含一开关序列，其在差分电荷转移(differential charge transfer)的两个阶段(预充电+转移)期间产生五个平均间隔的电荷量。因此，五个平均分布的电荷电平可为C*V_REF、C*V_REF/2、0、-C*V_REF/2和-C*V_REF。参考电压(V_REF＝V_REFP-V_REFM)充电电路一般由数字102表示，且包含转移参考电容器(transfer reference capacitor)132a和132b，以及开关112、114和116。特定示范性实施例的其余部分包含电压输入电容器130a和130b，开关104、106、108和110，以及具有反馈采样电容器134a和134b的差分运算放大器150。开关108a和108b可与共用模式操作有关，且开关108c可与差分信号操作有关。

V_REFP和V_REFM表示差分参考输入端子处的电压。参考电压V_REF＝V_REFP-V_REFM。V_INP和V_INM表示差分输入信号端子处的电压。输入信号电压V_IN＝V_INP-V_INM。转移参考电容器132a和132b可等于C/2。输入采样电容器130a和130b可等于A*C/2。反馈电容器134a和134b可等于C。输入电压为：V_IN＝V_INP-V_INM，且输出电压为：V_OUT＝V_OUTP-V_OUTM。所示电路的增益为A。

参看图2a-2e，其描绘用于获得图1中所说明的特定示范性实施例的五个平均分布的电荷电平C*V_REF、C*V_REF/2、0、-C*V_REF/2和-C*V_REF的开关104-116的开关序列的时序图。“1”逻辑电平描绘处于闭合位置中的各个开关，且“0”逻辑电平描绘处于打开位置中的各个开关。图2a-2e进一步说明开关104-116之间的非重叠延迟，以便防止输入之间的短路，且确保连接到求和节点的开关总是首先打开。在时间202与时间204之间，开关104-116都打开(关-逻辑0)。时间202表示转移参考电容器132a和132b和输入电容器130a和130b上的经采样的V_IN电荷的充电阶段的结束。时间204表示转移参考电容器132a和132b上的电荷的转移阶段的开始。

参看图2a，其描绘用于转移加(正)电荷C*V_REF的时序图。转移参考电容器132a和132b在预充电阶段期间(在时间202a之前)分别连接到V_REFP和V_REFM，且在转移阶段期间(在时间204a之后)分别切换到V_REFM和V_REFP。转移的电荷等于C/2*(V_REFP-V_REFM)-C/2*(V_REFM-V_REFP)＝C*V_REF。当在差分运算放大器150的输入的求和节点处与电压输入采样电荷A*C/2*(V_INP-V_INM)-A*C/2*(V_INM-V_INP)＝A*C*V_IN求和时，转移的电压在差分运算放大器150的输出处为A*V_IN+V_REF。

参看图2e，其描绘用于转移减(负)电荷C*-V_REF的时序图。对求和节点执行与图2a中所示的序列相反的序列以实现-C*V_REF电荷。当在差分运算放大器150的输入的求和节点处与电压输入采样电荷A*C/2*(V_INP-V_INM)-A*C/2*(V_INM-V_INP)＝A*C*V_IN求和时，转移的电压在差分运算放大器150的输出处为A*V_IN-V_REF。图2a和2e的充电和转移序列表示∑-Δ调制器的基础两电平反馈DAC。

根据本发明的特定示范性实施例，向前面所提及的两电平反馈DAC的基础操作再添加三个电荷电平，以便实现五电平DAC。这三个额外电荷电平为C/2*V_REF、0和-C/2*V_REF。

参看图2b，为了实现C/2*V_REF电荷转移，在预充电阶段期间(在时间202b之前)将转移参考电容器132a和132b分别连接到V_REFP和V_REFM，且在转移阶段期间(在时间204b之后)使它们的输入板短路。于是，转移的电荷等于C/2*(V_REF-V_REFM)-0＝C/2*V_REF。当在差分运算放大器150的输入的求和节点处与电压输入采样电荷A*C/2*(V_INP-V_INM)-A*C/2*(V_INM-V_INP)＝A*C*V_IN求和时，转移的电压在差分运算放大器150的输出处为A*V_IN+V_REF/2。

参看图2c，为了实现零电荷转移，转移参考电容器132a和132b的输入板在预充电阶段期间(在时间202c之前)和转移阶段期间(在时间204c之后)都短路。当在差分运算放大器150的输入的求和节点处与电压输入采样电荷A*C/2*(V_INP-V_INM)-A*C/2*(V_INM-V_INP)＝A*C*V_IN求和时，转移的电压在差分运算放大器150的输出处为A*V_IN+0。

参看图2d，为了实现-C/2*V_REF电荷转移，在预充电阶段期间(在时间202d之前)将转移参考电容器132a和132b分别连接到V_REFM和V_REFP，且在转移阶段期间(在时间204d之后)使它们的输入板短路。于是，转移的电荷等于C/2*(V_REFM-V_REFP)-0＝-C/2*V_REF。当在差分运算放大器150的输入的求和节点处与电压输入采样电荷A*C/2*(V_INP-V_INM)-A*C/2*(V_INM-V_INP)＝A*C*V_IN求和时，转移的电压在差分运算放大器150的输出处为A*V_IN-V_REF/2。

还预期且在本发明的范围内，还可通过除本文所述的开关序列之外的其它开关序列来实现中间电平C*V_REF/2、0和-C*V_REF/2。例如，在预充电期间使转移参考电容器132a和132b的输入板短路并将它们分别连接到V_REFM和V_REFP，会产生C*V_REF/2电荷转移。以类似的方式，在预充电期间使转移参考电容器132a和132b的输入板短路并将它们分别连接到V_REFP和V_REFM，会产生-C*V_REF/2电荷转移。在预充电和转移阶段期间维持转移参考电容器132a和132b的输入板与同一电位的连接会引起零电荷转移。

图1描绘两阶段实施方案(充电和转移)，其中并行处理信号(V_INP-V_INM)和参考(V_REFP-V_REFM)且信号路径具有增益A。预期且在本发明的范围内，可应用四(4)阶段方案，其中信号(V_INP-V_INM)和参考(V_REFP-V_REFM)共享相同电容器(电容器130和132变成相同电容器)，以便具有匹配不敏感的一(1)的准确增益。预期且在本发明的范围内，可应用任何多阶段方案以及旋转电容器增益技术或动态匹配。

因此，本发明非常适合于执行所提及的目的且达到所提及的结果和优点，以及本文所固有的其它目的以及结果和优点。虽然已经参考本发明的特定实施例描绘、描述了本发明，且参考本发明的特定实施例界定了本发明，但此类参考不意味着对本发明的限制，且不应推断出此类限制。所属领域的得益于本发明的技术人员将了解，本发明在形式和功能方面能够具有相当多的修改、改变和均等物。所描绘并描述的本发明的特定实施例仅是示范性的，且并不完全囊括本发明的范围。因此，希望本发明仅由所附权利要求书的精神和范围所限制，且在各方面完全认可均等物。