專利名稱：增量△模數(shù)轉(zhuǎn)換的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和設(shè)備，更具體涉及增量Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換。
背景技術(shù)：
用于測(cè)量應(yīng)用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器不同于用在電信中的調(diào)制器，某種意義上來(lái)說(shuō)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器在每個(gè)轉(zhuǎn)換程序的起點(diǎn)復(fù)位，但調(diào)制器連續(xù)地調(diào)整模擬輸入信號(hào)變化而不用復(fù)位。
已知道許多不同類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如它們之中的Δ轉(zhuǎn)換器和∑-Δ轉(zhuǎn)換器。已證實(shí)用于測(cè)量應(yīng)用的∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠得到高分辨率。然而，因?yàn)镹位的分辨率需要2N時(shí)鐘脈沖，所以增量∑-Δ的轉(zhuǎn)換時(shí)間很長(zhǎng)。因此，增量∑-Δ轉(zhuǎn)換器僅能用在非常低速的應(yīng)用中。
在調(diào)制器領(lǐng)域中，一般使用Δ調(diào)制以對(duì)超過(guò)幾個(gè)位的聲音信號(hào)編碼；Δ調(diào)制器可以包括非均勻量化器。過(guò)去，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Δ轉(zhuǎn)換器普遍用于測(cè)量應(yīng)用。
在圖1中示出了基本Δ調(diào)制器以及在圖2中示出了基本∑-Δ調(diào)制器。盡管為了示例分別示出了基本電路元件的功能，但應(yīng)意識(shí)到實(shí)際上使用的確切元件事實(shí)上可以與多種不同功能的調(diào)制器是共用的。
圖1中所示的Δ調(diào)制器從源1接收各種(典型地交互)輸入信號(hào)X。輸入信號(hào)X施加到調(diào)制器中的減法器2上，減法器2還接收反饋信號(hào)F，在每個(gè)時(shí)鐘脈沖周期從輸入信號(hào)X采樣的振幅中減去反饋信號(hào)F的振幅。來(lái)自減法器2的輸出信號(hào)施加到量化器3，量化器3的輸出信號(hào)Q是表示減法器輸出信號(hào)的符號(hào)(正或負(fù))的二進(jìn)制信號(hào)。量化器輸出信號(hào)Q施加到輸出電路4以產(chǎn)生輸出信號(hào)Y，輸出電路4包括抽取器，即低通濾波器和下采樣器。量化器輸出信號(hào)Q還施加到數(shù)模轉(zhuǎn)換器5并施加到積分器6以產(chǎn)生反饋信號(hào)F，數(shù)模轉(zhuǎn)換器5的信號(hào)的振幅產(chǎn)生表示量化器輸出信號(hào)Q，積分器6在有限的時(shí)間周期內(nèi)對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)積分。因此，減法器的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)X和來(lái)自積分器6的反饋信號(hào)之間的差。
圖2中所示的基本∑-Δ調(diào)制器包括與圖1的Δ調(diào)制器相同的元件，其用相同的參考標(biāo)記指示?！?Δ調(diào)制器包括從源1接收輸入信號(hào)X而且還接收反饋信號(hào)F的減法器2，在每個(gè)時(shí)鐘脈沖周期從輸入信號(hào)X采樣的振幅中減去反饋信號(hào)F的振幅。來(lái)自減法器2的輸出信號(hào)施加到積分器6以產(chǎn)生施加到量化器3的信號(hào)，在有限的時(shí)間周期內(nèi)積分器6對(duì)減法器2的輸出信號(hào)積分。量化器3的輸出信號(hào)Q是表示減法器輸出信號(hào)的符號(hào)(正或負(fù))的二進(jìn)制信號(hào)。量化器輸出信號(hào)Q施加到輸出電路4以產(chǎn)生輸出信號(hào)Y，輸出電路4包括抽取器，即低通濾波器和下采樣器。量化器輸出信號(hào)Q還施加到產(chǎn)生反饋信號(hào)F的數(shù)模轉(zhuǎn)換器5，反饋信號(hào)F的振幅表示量化器輸出信號(hào)Q。因此，減法器的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)X和來(lái)自數(shù)模轉(zhuǎn)換器5的反饋信號(hào)之間的差。
應(yīng)看到Δ調(diào)制器包括在反饋路徑中的模擬積分器6，而在∑-Δ調(diào)制器中模擬積分器6是在前饋(feed-forward)路徑中。
R.Gregorian和J.G.Gord的論文“A Continuously Variable SlopeModulation Codec System(連續(xù)可變斜率調(diào)節(jié)編解碼器系統(tǒng))”，IEEEJSSC，vol.SC-18，No.6，pp.692-700，1983年12月，提出使用非均勻量化器提高Δ調(diào)制器的反應(yīng)，非均勻量化器的輸出信號(hào)的振幅具有用于施加到其輸入的大信號(hào)的較大值和用于施加到其輸入的小信號(hào)的較小值。在該方法中，Δ調(diào)制器能響應(yīng)大步長(zhǎng)以迅速地改變輸入信號(hào)，而響應(yīng)對(duì)應(yīng)于較細(xì)分辨率的小步長(zhǎng)，用于較慢地改變輸入信號(hào)，降低過(guò)載失真和顆粒噪聲。
本發(fā)明涉及一種增量Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換。
增量Δ轉(zhuǎn)換器的基本電路不同于圖1中所示的Δ調(diào)制器的轉(zhuǎn)換器，其中輸出電路含有數(shù)字累加器(或上/下計(jì)數(shù)器)，模擬積分器6和數(shù)字累加器都在轉(zhuǎn)換周期的起點(diǎn)復(fù)位。數(shù)字累加器和模擬積分器6分別累加自復(fù)位以來(lái)來(lái)自量化器3的數(shù)字差分信號(hào)，并積分自復(fù)位以來(lái)的相應(yīng)的模擬信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
如所附權(quán)利要求所介紹地，本發(fā)明提供一種用于通過(guò)增量Δ轉(zhuǎn)換把模擬輸入信號(hào)(X)轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)(Y)的方法和轉(zhuǎn)換器。


圖1是Δ調(diào)制器的示意圖；圖2是∑-Δ調(diào)制器的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的增量Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器的示意圖；圖4是圖3的轉(zhuǎn)換器中的量化器的輸入和輸出信號(hào)圖；圖5是圖3的轉(zhuǎn)換器的操作流程圖；圖6是出現(xiàn)在圖3的轉(zhuǎn)換器的操作模擬的信號(hào)圖；圖7是圖3的轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間與輸入信號(hào)函數(shù)關(guān)系的圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)踐實(shí)施例的增量Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化電路圖；圖9是圖8的轉(zhuǎn)換器的優(yōu)選實(shí)施例的更詳細(xì)的電路圖；和圖10是圖8的轉(zhuǎn)換器中的偏移補(bǔ)償電路的簡(jiǎn)化電路圖。
具體實(shí)施例方式
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于測(cè)量應(yīng)用的增量Δ轉(zhuǎn)換器。在圖3中，用相同的參考標(biāo)記指示與圖1和圖2中所示的那些元件相同的元件。
圖3中所示的增量Δ轉(zhuǎn)換器包括輸入信號(hào)X的信號(hào)源1，輸入信號(hào)X是在測(cè)量周期的起點(diǎn)采樣的，并因此假設(shè)在測(cè)量周期內(nèi)為基本恒量。通過(guò)隨后接收反饋信號(hào)F的減法器2施加采樣的輸入信號(hào)X，在每個(gè)隨后的時(shí)鐘脈沖周期，輸入信號(hào)X的振幅減去反饋信號(hào)F的振幅。來(lái)自減法器2的輸出信號(hào)施加到量化器7。量化器輸出信號(hào)Q施加到包括累加器的輸出電路8。量化器輸出信號(hào)Q還施加到數(shù)模轉(zhuǎn)換器5，數(shù)模轉(zhuǎn)換器5產(chǎn)生具有與量化器輸出信號(hào)Q的數(shù)值成比例的振幅的信號(hào)，量化器輸出信號(hào)Q還施加到使數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)積分的積分器6以產(chǎn)生反饋信號(hào)F。如開(kāi)關(guān)9和10象征性所示，復(fù)位裝置在測(cè)量周期的起點(diǎn)使累加器8和積分器6復(fù)位。因此，減法器的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)X的原始值和反饋信號(hào)F之間的差，反饋信號(hào)F包括對(duì)應(yīng)由積分器6積分的量化器輸出信號(hào)的模擬信號(hào)連續(xù)值的積分。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，量化器7是非均勻量化器，量化器7的輸出信號(hào)取四個(gè)不同數(shù)值±q、±r之一。如果其輸入Q大于閾值Vt(小于-Vt)，輸出信號(hào)為±r，以及如果其輸入Q小于閾值Vt(大于-Vt)，輸出信號(hào)為±q，數(shù)模轉(zhuǎn)換器5的輸出取四個(gè)對(duì)應(yīng)值±Vq和±Vr之一，其中r和Vr基本大于q和Vq。這樣的非均勻量化器的優(yōu)點(diǎn)在于縮短轉(zhuǎn)換時(shí)間而不會(huì)惡化測(cè)量精度，由于用大步長(zhǎng)|r|和|Vr|使轉(zhuǎn)換更迅速地達(dá)到漸進(jìn)值，直到積分器6的輸出比±Vt更接近輸入信號(hào)X，然后用提供高精度結(jié)果的小步長(zhǎng)|q|和|Vq|繼續(xù)使其更慢慢地接近漸進(jìn)值。限定模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為±Vr。
圖4示出了量化器7的特性，在對(duì)應(yīng)于量化器7輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器5輸出處，橫軸表示來(lái)自減法器2的信號(hào)Q以及縱軸表示模擬信號(hào)的值。在測(cè)量周期的起點(diǎn)，信號(hào)Q具有等于輸入信號(hào)X的值，并且如果X大于Vt，量化器的輸出取數(shù)值r以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器5的輸出取電壓值Vr。在每個(gè)隨后的時(shí)鐘脈沖周期，反饋信號(hào)F減少減法器2的輸出Q的幅度，直到其小于Vt。當(dāng)X的幅度小于Vt時(shí)，量化器7的輸出取數(shù)值q，并且數(shù)模轉(zhuǎn)換器5的輸出變成Vq。
圖5示出了操作方法并且開(kāi)始于復(fù)位階段11，其中積分器6和累加器8復(fù)位為零，使得反饋信號(hào)F為零，并且在對(duì)輸入信號(hào)X采樣之前，減法器2的輸出Q為零。在下一個(gè)階段12中，使轉(zhuǎn)換器初始化，由減法器2采樣輸入信號(hào)X，使得減法器輸出Q等于X，設(shè)置數(shù)字輸出Y為累加器8的最大范圍，這里所示例的累加器8用于9級(jí)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，使得Y等于511，并且設(shè)置指針E1以指示減法器2的輸出信號(hào)Q的符號(hào)(正或負(fù))。初始化步驟12可以取幾個(gè)時(shí)鐘脈沖周期，在該步驟的末尾，程序進(jìn)入反饋回路。
在第一反饋階段13中，接著設(shè)置來(lái)自減法器2的輸出信號(hào)Q為其在前面時(shí)鐘脈沖周期的值減去新的反饋信號(hào)F，以及設(shè)置指針E2為輸出信號(hào)Q的新的符號(hào)。隨后的階段取決于條件14，即減法器2的輸出信號(hào)Q的模是否大于閾值Vt。如果是，在階段15中，對(duì)應(yīng)于用減法器2的輸出信號(hào)Q的符號(hào)乘以大步長(zhǎng)以及用積分器反饋的增益g乘以大步長(zhǎng)，用數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出Vr增加反饋信號(hào)F；對(duì)應(yīng)于用減法器2的輸出信號(hào)Q的符號(hào)乘以大步長(zhǎng)，用數(shù)值r(＝25在該例中)增加數(shù)字輸出信號(hào)Y；設(shè)置指針E1為指針E2的值并且操作返回反饋步驟13。
如果條件14為負(fù)，信號(hào)Q的模小于Vt，下一個(gè)階段取決于條件16，即指針E1是否不同于指針E2以及E1是否為正；如果E1與E2沒(méi)有差異，這意味著模數(shù)轉(zhuǎn)換器仍在向輸入信號(hào)X收斂；在這種情況下，在階段17，用小步長(zhǎng)分別以輸出信號(hào)Q的符號(hào)乘以Vq和q(＝21在該例中)來(lái)調(diào)整反饋信號(hào)F和輸出信號(hào)Y。當(dāng)模擬積分器6的輸出達(dá)到并通過(guò)輸入信號(hào)X的初始振幅時(shí)，量化器7的輸出改變符號(hào)并且這用于限定轉(zhuǎn)換操作的終點(diǎn)。這通過(guò)條件16的肯定響應(yīng)來(lái)表示，并且測(cè)量周期到達(dá)最低有效位(‘LSB’)階段18。如果在條件16，盡管E2為負(fù)但E1為正，這表示X為正并且程序直接進(jìn)行到LSB階段18；然而，如果盡管E2為正但E1為負(fù)，那么這表示X為負(fù)，并且為了保持相同的LSB階段18，程序首先又通過(guò)階段18，以轉(zhuǎn)化信號(hào)Q的符號(hào)。
在LSB階段18，通過(guò)用信號(hào)Q的符號(hào)乘以Vq/2以及用積分器反饋的增益乘以Vq/2來(lái)增加反饋信號(hào)的值，設(shè)置E1為E2，E2設(shè)定為信號(hào)Q的符號(hào)，并且信號(hào)Q設(shè)置為在前一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期的值，其小于反饋信號(hào)F的值。
最低有效位(LSB)的提取僅僅是一個(gè)額外的時(shí)鐘周期。實(shí)際上，在轉(zhuǎn)換終點(diǎn)，當(dāng)步長(zhǎng)改變成Vq/2，隨后的步長(zhǎng)取決于條件19，即指針E2是否為正如果是，累加器8的計(jì)數(shù)增加1，以及如果不是就不變。接著終止轉(zhuǎn)換周期。
假定在轉(zhuǎn)換程序期間輸入電壓值X是常數(shù)。上述描述示出輸出信號(hào)可以寫作如下yd[Nck]＝N1·r+Ns·q (1)ya[Nck]＝N1·g·Vr+Ns·g·Vq(2)Vr/Vq＝r/q (3)其中Nck表示電流測(cè)量周期中的步長(zhǎng)或時(shí)鐘脈沖的總數(shù)量，yd[Nck]表示Nck步長(zhǎng)之后的數(shù)字輸出信號(hào)Y的值，N1表示大步長(zhǎng)的數(shù)量，Ns表示小步長(zhǎng)的數(shù)量，步長(zhǎng)或時(shí)鐘脈沖的總數(shù)量Nck＝N1+Ns明顯地，最小的步長(zhǎng)表示ADC的分辨率。所以對(duì)于N-1位的分辨率我們要求g.Vq＝2.LSB＝2.Vr/2N-1(4)在本例中，用頻帶隙參考電壓Vr＝1.2V設(shè)置電壓參考值。超過(guò)2.4V的輸入電壓范圍，ADC的目標(biāo)分辨率為10位，這樣1LSB＝2.34375mV。優(yōu)選用電阻分壓器產(chǎn)生電壓。優(yōu)選模擬積分器為開(kāi)關(guān)電容積分器，用電容比值設(shè)置其增益。在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中要選擇的兩個(gè)第一參數(shù)為電壓和積分器增益g。采取預(yù)防以確保當(dāng)量化器輸入傳送閾值電壓Vt時(shí)，在下一個(gè)時(shí)鐘量化器輸入在+Vt和-Vt之間的區(qū)域內(nèi)。否則，量化器輸入將在+Vt和-Vt周圍振蕩。該條件要求2.Vt＞g.Vr(5)下列值用在本例中并發(fā)現(xiàn)在精確度、轉(zhuǎn)換時(shí)間和電耗之間給出良好的平衡g＝1/16；Vq＝Vr/16；Vt＝Vr/24(7)這些值對(duì)應(yīng)9位的分辨率。ADC的最后位是從僅用在轉(zhuǎn)換周期的最后時(shí)鐘脈沖的半值步長(zhǎng)Vq/2中取得的。
現(xiàn)在參考圖6，模擬示例了按照?qǐng)D5的算法的圖3的電路的操作，其中用成比例的電壓表示輸出信號(hào)Y，使得滿刻度處Y等于Vr。這種模擬表示在測(cè)量周期操作18和19的終點(diǎn)不能進(jìn)行操作。從時(shí)鐘脈沖周期零至19，輸入信號(hào)X為零并且輸出信號(hào)Y在正負(fù)Vq之間變化。在時(shí)鐘脈沖周期20，增加輸入X到+0.2伏。在時(shí)鐘脈沖周期21，用與Vr一致的量增加輸出信號(hào)Y。在時(shí)鐘脈沖周期22，積分器6用相同的量Vr增加反饋信號(hào)F，并且用一致的量增加來(lái)自累加器8的輸出Y。在時(shí)鐘脈沖周期23，積分器6和累加器8的輸出F和Y再次用相同量Vr增加。在時(shí)鐘脈沖周期24，減法器2的輸出Q變得小于閾值Vt并且用較小得量Vq增加輸出信號(hào)Y。當(dāng)來(lái)自減法器2的信號(hào)Q的符號(hào)由正變負(fù)并且通過(guò)Vq不是增加而是降低輸出信號(hào)Y時(shí)，通過(guò)小步長(zhǎng)Vq繼續(xù)增加輸出信號(hào)Y和反饋信號(hào)F直到時(shí)鐘脈沖周期28。在該模擬中，輸出信號(hào)Y和反饋信號(hào)F隨后振蕩在大約與輸入信號(hào)X一致的值，盡管實(shí)際上用操作18和19按照?qǐng)D5所示的算法終止測(cè)量周期。
圖7中標(biāo)繪出時(shí)鐘脈沖周期的數(shù)量與用于完成轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)的電平的函數(shù)關(guān)系。應(yīng)看到所需的最小時(shí)鐘脈沖Nck|min＝2、最大時(shí)鐘脈沖Nck|max＝28以及平均時(shí)鐘脈沖Nck|ave＝14.28。這意味著電路電耗還取決于輸入信號(hào)電平。由此，在優(yōu)選實(shí)施例中，在每個(gè)轉(zhuǎn)換程序的終點(diǎn)切斷電路，使得有效地以2除平均電路電耗。完全切斷數(shù)字區(qū)而不切斷模擬區(qū)，以避免引起任何恢復(fù)(recovery)問(wèn)題。
圖8更詳細(xì)地示出了圖3的基本模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)際實(shí)施例。在該實(shí)施例中，首先采樣輸入信號(hào)X并且隨后在連續(xù)的時(shí)鐘脈沖周期內(nèi)使用開(kāi)關(guān)電容電路從其中減去反饋信號(hào)F，開(kāi)關(guān)電路具有執(zhí)行采樣、積分和減法操作的共用放大器。
對(duì)端子20施加輸入信號(hào)X，端子20通過(guò)第一初始化開(kāi)關(guān)S1連接到采樣電容器Cs的左側(cè)板上，電容器Cs的左側(cè)板通過(guò)第一采樣開(kāi)關(guān)S2接地。采樣電容器Cs的右側(cè)板通過(guò)第二初始化開(kāi)關(guān)S1接地并且通過(guò)第二采樣開(kāi)關(guān)S2接放大器21的負(fù)輸入，放大器21的正輸入接地。通過(guò)反饋回路把放大器21的輸出信號(hào)Q施加到通過(guò)積分電容器Ci的負(fù)輸入，電容器Ci與復(fù)位開(kāi)關(guān)10并聯(lián)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器5的輸出通過(guò)第一積分相位開(kāi)關(guān)φ1連接到反饋電容器Cf的右側(cè)板，電容器Cf的右側(cè)板還通過(guò)第二積分相位開(kāi)關(guān)φ2接地。電容器Cf的左側(cè)板通過(guò)另一第一積分相位開(kāi)關(guān)φ1接地并且通過(guò)另一第二積分相位開(kāi)關(guān)φ2連接到放大器21的負(fù)端。
量化器7包括三個(gè)比較器22、23和24以及邏輯電路25。每個(gè)比較器22、23的正輸入端和比較器24的負(fù)輸入端連接到放大器21的輸出。比較器22的負(fù)輸入端接收電壓Vt，比較器23的負(fù)輸入端接地以及比較器24的正輸入端接收閾值電壓-Vt。每個(gè)比較器22、23和24的輸出連接到邏輯電路25，邏輯電路25選擇具有適當(dāng)?shù)恼蜇?fù)符號(hào)施加到上/下計(jì)數(shù)器8的增量的數(shù)值r、q或q/2，邏輯電路25還選擇數(shù)模轉(zhuǎn)換器5的一致輸出電壓Vr、Vq或Vq/2。
在操作中，測(cè)量周期開(kāi)始于復(fù)位階段11，其中打開(kāi)第一初始化開(kāi)關(guān)S1和第二采開(kāi)關(guān)S2，當(dāng)閉合第二初始化開(kāi)關(guān)S1和第一采樣開(kāi)關(guān)S2時(shí)，使得采樣電容器Cs短路接地而與放大器21絕緣。還閉合開(kāi)關(guān)10以使積分電容器Ci短路。
在采樣相位12期間，在一個(gè)或多個(gè)初始化時(shí)鐘脈沖周期內(nèi)閉合初始化開(kāi)關(guān)S1并打開(kāi)采樣開(kāi)關(guān)S2，使得對(duì)具有右側(cè)板接地的電容器Cs的左側(cè)板充電到信號(hào)X的電壓值。在隨后的一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘脈沖周期內(nèi)，打開(kāi)初始化開(kāi)關(guān)S1并閉合采樣開(kāi)關(guān)S2，使得電容器Cs的左側(cè)板接地并且施加電容器Cs的右側(cè)板的電壓到放大器21的負(fù)輸入端。在該時(shí)間期間，電路充當(dāng)具有統(tǒng)一增益的開(kāi)關(guān)電容器放大器，以便對(duì)積分電容器Ci充電到電壓X。當(dāng)完成采樣時(shí)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)S1和S2以使放大器與采樣電容器Cs絕緣。量化器7相對(duì)于閾值電壓正負(fù)Vt并相對(duì)地，寄存放大器21的輸出信號(hào)Q的值，作為比較器22、23和24輸出的函數(shù)。
在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期內(nèi)，增量正負(fù)r、q或q/2的值施加到計(jì)數(shù)器8上以及選擇在數(shù)模轉(zhuǎn)換器5輸出處的對(duì)應(yīng)值正負(fù)Vr、Vq或Vq/2并施加到反饋回路。
在反饋相位13至19期間，最初閉合第一反饋開(kāi)關(guān)φ1以充電反饋電容器Cf至從所選擇的數(shù)模轉(zhuǎn)換器側(cè)中選擇的輸出電壓值，以及在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期內(nèi)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)φ1并閉合開(kāi)關(guān)φ2以通過(guò)放大器21的負(fù)輸入傳送反饋電容器Cf的電荷到電容器Ci。
通過(guò)反饋和積分電容的比值給出積分器的增益g＝Cf/Ci。由于積分器泄漏量在0.2LSB以下并且75dB的增益縮小誤差到0.04LSB，可以發(fā)現(xiàn)用于放大器21的增益A的60dB的值足夠保持誤差；因此，電路不對(duì)放大器21的增益A敏感。
現(xiàn)在參考圖9，在優(yōu)選實(shí)施例中，適合于在積分電路中實(shí)施，減法器和積分器電路2和6以及量化器電路7是全微分實(shí)施，以減小殘余誤差。在圖9中相同的參考標(biāo)記用于相同的元件。
在微分減法器2中，將施加到微分實(shí)施上半部的輸入信號(hào)X與施加到微分實(shí)施下半部的電壓值Vref相比較?？刂七壿?5從比較器22、23和24的輸出中產(chǎn)生信號(hào)符號(hào)，該符號(hào)指示從放大器21輸出信號(hào)Q的符號(hào)。根據(jù)信號(hào)符號(hào)把數(shù)模轉(zhuǎn)換器5的輸出施加到放大器21的正負(fù)輸入。
為了補(bǔ)償放大器偏移電壓，在開(kāi)關(guān)S2和放大器21的輸入之間插入偏移補(bǔ)償電路26。圖10示出了用于圖8的放大器21的單邊形式的偏移補(bǔ)償電路；采用如圖9中的完全差分實(shí)施對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是清楚的。偏移補(bǔ)償元件包括插入在開(kāi)關(guān)S2和放大器21的負(fù)輸入之間的電容器Cc、連接在電容器Cc的左側(cè)板和地之間的開(kāi)關(guān)D、串聯(lián)在電容器Ci的左側(cè)板和放大器21的負(fù)輸入之間的開(kāi)關(guān)D以及連接在電容器Ci的左側(cè)板和電容器Cc的左側(cè)板之間的開(kāi)關(guān)D。在操作中，每次在復(fù)位階段11結(jié)束的每個(gè)轉(zhuǎn)換周期的起始處采樣放大器偏移。在時(shí)鐘脈沖相位D期間，閉合開(kāi)關(guān)D并也同樣閉合開(kāi)關(guān)10；打開(kāi)開(kāi)關(guān)D；積分電容器Ci放電并且同時(shí)補(bǔ)償電容器Cc充電到放大器輸入偏移電壓。在隨后的采樣相位和反饋相位期間，電路的虛假接地將在電容器Cc的左側(cè)板，以便用通過(guò)電容器Cc的電壓糾正偏移電壓。
再參考圖9，每個(gè)比較器22、23和24包括各自的前置放大器22a、23a、24a，執(zhí)行用于比較器的微分比較和偏移補(bǔ)償?shù)墓δ埽⑶腋髯缘碾娙萜鰿cmp串聯(lián)在每個(gè)前置放大器22a、23a和24a的每個(gè)輸入上。比較器22的前置放大器正輸入通過(guò)各自的電容器Ccmp、通過(guò)開(kāi)關(guān)φ1連接到積分器放大器21的正輸出以及通過(guò)開(kāi)關(guān)φ2連接到參考電壓Vref。前置放大器的負(fù)輸入通過(guò)各自的電容器Ccmp、通過(guò)開(kāi)關(guān)φ1連接到積分器放大器21的負(fù)輸出端以及通過(guò)開(kāi)關(guān)φ2連接到電壓Vref-Vt。比較器24以相反的方式連接。比較器23具有正負(fù)輸入，正負(fù)輸入通過(guò)各自的電容器Ccmp、通過(guò)開(kāi)關(guān)φ1分別連接到積分器放大器21的正負(fù)輸出上，以及通過(guò)開(kāi)關(guān)φ2連接到參考電壓Vref。每個(gè)前置放大器22a、23a和24a的每個(gè)輸出通過(guò)各自的開(kāi)關(guān)φ1連接到其對(duì)應(yīng)的輸入。在操作中，在時(shí)鐘脈沖相位φ1期間，構(gòu)造前置放大器作為電壓跟隨器，以便最初對(duì)和前置放大器輸入串聯(lián)插入的電容器Ccmp的右側(cè)板充電到前置放大器輸入偏移，左側(cè)板連接到積分器輸出上。在時(shí)鐘脈沖相位φ2上，對(duì)補(bǔ)償電容器Ccmp的左側(cè)板充電到輸入電壓Vref或Vref-Vt。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器5含有一串單位電阻。電壓Vr施加到4單位電阻27、2單位電阻28、12單位電阻29、3單位電阻30和3單位電阻31的串聯(lián)上。單個(gè)單位電阻32與單位電阻27和28的串聯(lián)進(jìn)行并聯(lián)，單位電阻33與單位電阻30和31的串聯(lián)進(jìn)行并聯(lián)。從電阻27和28的接合處中得到電壓Vref減Vt。從電阻29和30之間的接合處中得到電壓Vq以及從電阻30和31之間的接合處中得到電壓Vq/2。由于只有電壓Vq和Vq/2是從電阻串中導(dǎo)出的，電壓Vr是從參考電壓直接導(dǎo)出的，串中單位電阻的值中的誤差僅僅影響用在積分器中的1*LSB和2*LSB的值。因此結(jié)果具有對(duì)單位電阻的誤差的低敏感度。
圖中所示的模數(shù)轉(zhuǎn)換器表現(xiàn)出速度、精確度和電耗之間良好的平衡。此外，對(duì)于降低對(duì)模擬電路的敏感度允許專用設(shè)計(jì)技術(shù)。所提出的構(gòu)造尤其適用于低功率媒介速度和媒介清晰度應(yīng)用。要快于∑-Δ轉(zhuǎn)換器。與循環(huán)轉(zhuǎn)換器相比，附圖中所示的轉(zhuǎn)換器僅需要一個(gè)而不是兩個(gè)操作放大器，并且用兩個(gè)大電容器取代七個(gè)；雖然使用更多的比較器，它們相對(duì)占用較小的半導(dǎo)體面積并且時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生基本更加簡(jiǎn)單。圖中所示的轉(zhuǎn)換器具有令人滿意的精確度。
權(quán)利要求
1.一種用增量Δ轉(zhuǎn)換把模擬輸入信號(hào)(X)轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)(Y)的方法，其中，在時(shí)鐘脈沖間隔，量化器(7)產(chǎn)生數(shù)字量化器信號(hào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(5)產(chǎn)生是所述數(shù)字量化器信號(hào)的函數(shù)的模擬量化器信號(hào)，在整個(gè)反饋回路上施加模擬差分信號(hào)(Q)到所述量化器(7)，模擬差分信號(hào)(Q)是所述輸入信號(hào)(X)和在復(fù)位信號(hào)后所述模擬量化器信號(hào)積分之間的差的函數(shù)，并且產(chǎn)生所述數(shù)字輸出信號(hào)(Y)作為在所述復(fù)位信號(hào)后所述數(shù)字量化器信號(hào)的和的函數(shù)，其特征在于，所述量化器(7)是非均勻量化器，其中所述數(shù)字量化器信號(hào)具有第一幅度(q)，如果所述模擬差分信號(hào)(Q)的幅度小于閾值幅度(Vt)和第二幅度(r)，則基本大于所述第一幅度(q)，如果所述模擬差分信號(hào)的幅度(Q)大于所述閾值幅度(Vt)，所述閾值幅度(Vt)基本小于對(duì)應(yīng)于所述第二幅度(r)的所述模擬量化器信號(hào)的幅度(Vr)，并且在兩個(gè)連續(xù)時(shí)鐘脈沖周期之間的所述模擬差分信號(hào)(Q)中改變的幅度基本小于對(duì)應(yīng)模擬量化器信號(hào)(Vq，Vr)的幅度，使得從所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(5)到所述量化器(7)的反饋回路的增益(g)基本小于1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述閾值幅度(Vt)大于用對(duì)應(yīng)于所述第二幅度(r)的所述模擬量化器信號(hào)的幅度(Vr)乘以所述增益(g)的值的一半。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，持續(xù)轉(zhuǎn)換直到兩個(gè)連續(xù)時(shí)鐘脈沖周期之間的所述模擬差分信號(hào)(Q)的變化改變符號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在轉(zhuǎn)換的終點(diǎn)，修改所述數(shù)字輸出信號(hào)(Y)的最低有效數(shù)字，作為所述量化器數(shù)字信號(hào)(q，r)的剩余幅度的函數(shù)。
5.一種增量Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于把模擬輸入信號(hào)(X)轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)(Y)，包括用于限定時(shí)鐘脈沖間隔的時(shí)鐘脈沖裝置，用于在所述時(shí)鐘脈沖間隔產(chǎn)生數(shù)字量化器信號(hào)的量化器裝置(7)，用于產(chǎn)生是所述數(shù)字量化器信號(hào)的函數(shù)的模擬量化器信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置(5)，用于產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的復(fù)位裝置(9，10)，用于在整個(gè)反饋回路上施加模擬差分信號(hào)(Q)到所述量化器裝置(7)的反饋裝置(2，6)、模擬差分信號(hào)(Q)是所述輸入信號(hào)(X)和在所述復(fù)位信號(hào)后所述模擬量化器信號(hào)的積分之間的差的函數(shù)，以及用于產(chǎn)生作為在所述復(fù)位信號(hào)后所述數(shù)字量化器信號(hào)的和的函數(shù)的所述數(shù)字輸出信號(hào)(Y)的輸出裝置(8)，其特征在于，所述量化器裝置包括非均勻量化器裝置(7)，使得所述數(shù)字量化器信號(hào)具有第一幅度(q)，如果所述模擬差分信號(hào)(Q)的幅度小于閾值幅度(Vt)和第二幅度(r)，則基本大于所述第一幅度(q)，如果所述模擬差分信號(hào)的幅度(Q)大于所述閾值幅度(Vt)，并且積分與所述第一和第二幅度(q，r)成比例的模擬信號(hào)(Vq，Vr)并將其施加到所述量化器裝置(7)，則從所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(5)到所述量化器(7)的反饋回路的增益(g)基本小于1，使得在兩個(gè)連續(xù)時(shí)鐘脈沖周期之間的所述模擬差分信號(hào)(Q)中改變的幅度基本小于對(duì)應(yīng)模擬量化器信號(hào)(Vq，Vr)的幅度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的增量Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中，所述閾值幅度(Vt)大于用對(duì)應(yīng)于所述第二幅度(r)的所述模擬量化器信號(hào)(Q)的幅度(Vr)乘以所述增益(g)的值的一半。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的增量Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中，持續(xù)轉(zhuǎn)換直到兩個(gè)連續(xù)時(shí)鐘脈沖周期之間的所述模擬差分信號(hào)(Q)的變化改變符號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的增量Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中，在轉(zhuǎn)換的終點(diǎn)，修改所述數(shù)字輸出信號(hào)(Q)的最低有效數(shù)字，作為所述量化器數(shù)字信號(hào)的剩余幅度的函數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8中任一權(quán)利要求所述的增量Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中，所述輸出裝置包括數(shù)字累加器(8)。
10.根據(jù)權(quán)利要求5至9中任一權(quán)利要求所述的增量Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中，所述反饋裝置(2，6)和所述量化器裝置(7)包括具有輸入電壓偏移補(bǔ)償(26，Cc，Ccmp)的開(kāi)關(guān)電容器放大器(A，Cf，Ci；22a，23a，24a)。
11.根據(jù)權(quán)利要求5至10中任一權(quán)利要求所述的增量Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置(5)包括電阻串(27至33)，所述電阻串由對(duì)應(yīng)所述第二幅度(r)的所述模擬信號(hào)(Vr)提供，以限定所述閾值幅度(Vt)和對(duì)應(yīng)于所述第一幅度(q)的所述模擬信號(hào)(Vq)。
全文摘要
一種用增量△轉(zhuǎn)換把模擬輸入信號(hào)(X)轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)(Y)的方法和轉(zhuǎn)換器，其中在時(shí)鐘脈沖間隔，非均勻量化器(7)產(chǎn)生數(shù)字量化器信號(hào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(5)產(chǎn)生是數(shù)字量化器信號(hào)的函數(shù)的模擬量化器信號(hào)，在整個(gè)反饋回路上施加模擬差分信號(hào)(Q)到量化器(7)，模擬差分信號(hào)(Q)是輸入信號(hào)(X)和在自復(fù)位信號(hào)后模擬量化器信號(hào)的積分之間的差的函數(shù)，并且產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)(Y)作為在復(fù)位信號(hào)后數(shù)字量化器信號(hào)的和的函數(shù)。數(shù)字量化器信號(hào)具有第一幅度(q)，如果模擬差分信號(hào)(Q)的幅度小于閾值幅度(V
文檔編號(hào)H03M1/82GK1593010SQ02821860
公開(kāi)日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2002年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月31日
發(fā)明者奧米德·奧利亞埃, 貝朗熱爾·勒芒 申請(qǐng)人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司