[发明专利]模拟至数字转换器及其相关的校准比较器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于一逐次逼近型模拟至数字转换器及其相关的校准比较器，特别是有关于一种可大幅降低电能消耗与减少芯片使用面积的逐次逼近型模拟至数字转换器及其相关的校准比较器。

背景技术

模拟至数字转换器(Analog to Digital Converter)可将真实世界中的模拟信号转换为数字数据，再交由数字信号处理装置处理。随着科技日趋普及，许多产品都具备多媒体功能，例如，影像及声音信号的压缩或辨识，就必然包括将影像及声音的模拟信号，经由模拟至数字转换器转换为数字数据，然后输出给数字信号处理器，进行数据的运算，再储存于数字数据储存装置，或经由网络传播。除此之外，各类型感测组件的使用，例如，数字体温计就是利用温度传感器，产生模拟的温度信号，经由模拟至数字转换器，将温度信号转成数字型式，加以运算、校正及显示。除此之外，在医学、通讯及控制等领域，模拟至数字转换器的使用也愈来愈频繁，几乎可以说是无所不在。其中，逐次逼近型模拟至数字转换器(Successive Approximation Analog to Digital Converter，简称为SAR ADC)是模拟至数字转换器的一种常见的特殊型式，常见于取样频率属于中等数据量或较低速的应用。

请参考图1，图1为公知技术中一逐次逼近型模拟至数字转换器10的示意图。模拟至数字转换器10包含一取样保持电路100、一比较器102、一逼近演算控制单元104及一数字至模拟转换器106。模拟至数字转换器10的操作方式如下，首先，取样保持电路100将一输入信号VIN取样及维持在一取样电压VSIN。比较器102比较输入取样电压VSIN与一模拟电压VCOM的大小，并将其比较结果输出到逼近演算控制单元104。逼近演算控制单元104根据比较器102所输出的比较结果，产生一数字数据DK，而数字至模拟转换器106则将数字数据DK转换为模拟电压VCOM，并输出到比较器102。

在模拟至数字转换器10中，逼近演算控制单元104根据比较器102的比较结果，以一次产生一个有效位的方式，逐次产生具有多个有效位的数字数据DK，使数字至模拟转换器106产生的模拟电压VCOM趋近于取样电压VSIN。依此循环，直到产生所有有效位为止。一般而言，有效位的数目与模拟至数字转换器10的精密度有关，有效位的数目愈多，通常精度就愈高，而上述的数字至模拟转换及比较过程的循环次数也就愈多。

然而，传统的逐次逼近型模拟至数字转换器必须具备一独立的数字至模拟转换(DAC)单元，因而衍生出一些技术上的困难点，將詳述于后。请参考图2，图2为一以七位(7-bit)为例的电容充电-逐次逼近型模拟至数字转换器(Charge-Redistribution SAR ADC)20的示意图。模拟至数字转换器20包含一取样保持电路200(此图中无标示)、一比较器202、一逼近演算控制单元204、一数字至模拟转换单元206及一参考电压输出单元208。模拟至数字转换器20的架构与运作方式是模拟至数字转换器10一种特殊且常见的型式，特殊之处在于模拟至数字转换器20利用一种电荷重分配的技术，达到数字至模拟转换的功能。另外，数字至模拟转换单元206，由具有不同电容值的电容C1～C7及电路开关S0～S7所形成。由于当电容C1～C7的端点位于同一电压时，电容值决定储存电荷的数量，因此数字至模拟转换单元206所包括的不同电容的电容值之间需具有精准的比例关系，进而可使电容C1～C7所储存的电荷数量，以及数字至模拟转换单元206所输出的模拟电压產生足够的准确性。因此，电容C1～C7的电荷数量相对于电压的线性度必须非常良好，以获得精确的模拟至数字转换结果，而金属-绝缘体-金属(Meta1-Insulator-Metal，MIM)电容便符合上述条件。在公知半导体技术中，以金属-绝缘体-金属所建构的电容，其电荷数量相对于电压的线性度远较金属氧化半导体电容(MOS Capacitor)优良。然而，金属-绝缘体-金属电容的单位面积电容值约1～2(fF/μm²)，远小于金属氧化半导体电容的单位面积电容值(约7fF/μm²)。换句话说，相对于同样的电容值，金属-绝缘体-金属电容需具备大数倍的芯片面积。但是，金属氧化半导体电容的线性度不如金属-绝缘体-金属电容，因此在模拟至数字转换器20的设计中不被采用。