高精度電流式類比數位轉換器之設計與分析

Abstract

傳統的類比電路大都是在以電壓來代表信號的概念下所發展出來的。因此大部份的類 比數位轉換器也都以此種電壓模式來設計。 一般而言, 電壓式類比數位轉換器有兩個基本的問題必須加以克服。第一個問題為傳 統的電壓式類比數位轉換器的精確度會受限於被動元件( 電阻或電容 )的匹配準度。 基於這個問題, 電容交換縯繹式(SC algorithmic)的類式數位轉換器便被提出, 以達 到電容比值無關的要求。然而這種轉換器必須仰賴高增益、高性能的運算放大器以及 高線性的電容來精確的傳輸電荷。除此之外, 每一個轉換周期所需的信號處理步驟也 會因這種縯繹式的轉換方法而大為增加。這除了造成轉換速度的降低, 同時也使得由 取樣/ 保持動作所引起的開關電荷注入誤差有累積的可能, 限制住了其所能達到的精 確度。 另一個電壓式類比數位轉換器所面臨的問題就是高線性被動元件的制造。大部份的電 壓式類比數位轉換器均利用線性的電阻或電容來處理電壓的信號。然而, 為了能將類 比與數位的積體電路系統同時放置旋同一個晶片上, 類比數位轉換器最好能直接利用 一般的數位制程來制造。但事實上, 一般的數位制程并不太可能制造出高線性的被動 元件。 另一個能被用來發展類比數位轉換器的方法就是以電流取代傳統的電壓來代表信號。 最近幾年, 已有一些電流式的類比數位轉換器被提出。雖然這些新型的類比數位轉換 器擁有高速度、面積小、電路簡單、數位制程相容以及不需要高線性被動元件的好處 。但它們的精確度卻因開關電荷注入誤差以及金氧半電晶體有限輸出阻抗誤差而難以 提升至10位元以上。 在此篇論文中, 我們提出了一個新型高精度電流式類比數位轉換器。這個新的轉換器 能直接利用數位制程來制造, 因為在其電路設計中, 乃是利用金氧半電晶體來處理電 流信號, 而不需要高線性的被動元件。為了完成電流的取樣/ 保持功能, 我們提出了 一個新型的電流取樣/ 保持電路。在此電路中, 由開關電荷注入以及金氧半電晶體有 限輸出阻抗所引起的誤差, 已藉著一種新型的電流追蹤差動式的架構來加以大量消減 。在此電流式類比數位轉換器的設計中, 我們也發展了一個能消除直流偏移的電流比 較器。此直流偏移的消除乃是由一個新提出的電流自動歸零的技巧所達成的。而由此 自動歸零動作中所引起的開關電荷注入誤差也藉由全差動式以及多級化的架構而加以 大量消除。 由SPICE 的模擬結果顯示, 這個新型的12位元電流式類比數位轉換器能工作於50KHz 的取樣頻率, 而其差動誤差小於0.5LSB。若其金氧半電晶體的匹配誤差能小於0.14百 分比, 則其累積誤差將小於1LSB。