本發(fā)明涉及一種連續(xù)時間增量∑-δ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)。

∑-δadc廣泛用于將模擬信號數(shù)字化。∑-δadc包含反饋環(huán)路中的積分器和比較器，且被配置成將可變的模擬輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出。一階轉(zhuǎn)換器具有一個反饋環(huán)路，而二階和更高階的adc具有多個環(huán)路。

∑-δadc的輸出是脈沖密度調(diào)制(pdm)位流，其中高瞬時輸入信號表示為以二進制1為主(以及很少的二進制0)的位流，而低瞬時輸入信號主要用0(以及很少的1)來表示。pdm輸出流可發(fā)送給濾波器，諸如，在采樣窗口上計算1的數(shù)目并給出所述采樣窗口的單個數(shù)字輸出值的計數(shù)器。

∑-δadc廣泛用于將連續(xù)的模擬信號，諸如，電信應用中的音頻信號數(shù)字化。它們還用于將來自測量設備，諸如，環(huán)境傳感器或電壓表的模擬輸出數(shù)字化。與音頻采樣相比，后面的這些應用通常需要較高的數(shù)字分辨率，但所需更新速率要低得多，這是因為模擬輸入并未迅速變化。增量型adc常用于此類情況。這些增量型adc被配置成在每一次采樣操作之間重置自身電路(例如，積分器)以產(chǎn)生更加準確的(但速度較慢)讀數(shù)。

∑-δadc可被設計成以離散時間(dt)或連續(xù)時間(ct)來運作。離散時間adc首先以一時鐘速率對模擬輸入采樣，例如，使用開關電容器，然后將樣本傳給積分器用于數(shù)字化。在連續(xù)時間adc中，模擬輸入直接傳給積分器，且直到比較器級才會進行采樣。ct-adc的功耗可能低于dt-adc，而且還具有固有的較好的抗混疊特性。

2002年出版的doldán等人所著的第15屆sbcci集成電路與系統(tǒng)設計研討會會議錄“acontinuous-timeincrementalanalogtodigitalconverter”第62頁中記載了一種增量型連續(xù)時間一階∑-δadc。其接收來自一對電極的差分模擬輸入并產(chǎn)生數(shù)字輸出。它是以全差分運算跨導放大器-電容器(ota-c)積分器為基礎。

所述轉(zhuǎn)換器電路只使用一個電容器。在集成電路設計中，其可取之處在于所述電路將具有相對較小的占用區(qū)。然而，所述adc只在有限的輸入范圍內(nèi)是線性的；特別是，其并不提供軌到軌的線性度。為了從寬范圍的模擬輸入中獲得準確的數(shù)字輸出而無需進行高成本的線性度校正處理，需要有大輸入范圍的線性度。

本發(fā)明旨在解決這個缺點。

從一方面來看，本發(fā)明提供具有單端模擬輸入、轉(zhuǎn)換器參考輸入，和接地連接的集成電路、連續(xù)時間∑-δ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中所述轉(zhuǎn)換器包含：

電阻器-電容器積分器，被配置成接收所述單端模擬輸入，其中所述積分器包含具有放大器參考輸入的差分放大器；

鐘控比較器，被配置成接收來自所述積分器的輸出且具有比較器參考輸入；以及

電路，被配置成使得所述放大器參考輸入和所述比較器參考輸入可維持在由所述轉(zhuǎn)換器參考輸入產(chǎn)生的公用電壓。

本領域技術人員將理解的是，根據(jù)本發(fā)明的adc可在小芯片區(qū)域中提供近乎軌到軌的線性度，這是通過提供單端輸入給rc積分器，以及通過維持所述rc積分器中的所述比較器與所述放大器之間的公用參考電壓來實現(xiàn)的。

在優(yōu)選實施例中，所述rc積分器包含單個電容器，這會導致特別小的芯片面積。

優(yōu)選地優(yōu)選地，所述公用電壓是所述轉(zhuǎn)換器參考輸入電壓的一半。優(yōu)選地，所述電路包含分壓器，所述分壓器在所述轉(zhuǎn)換器參考輸入與接地端之間，其輸出連接到所述放大器參考輸入和所述比較器參考輸入。優(yōu)選地，所述分壓器包含兩個等值的電阻器。優(yōu)選地，所述放大器參考輸入是所述差分放大器的非反相輸入。

將理解的是，所述接地連接不一定接地或維持在地電位，但仍可為所述轉(zhuǎn)換器提供參考或標稱“零”電壓。

所述差分放大器可以是，或可包含，運算放大器，但優(yōu)選的是運算跨導放大器(ota)。

優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)換器包含電路，所述電路被配置成使得在使用中，流入所述放大器的第二輸入的電流取決于：(i)所述單端模擬輸入的電壓，(ii)轉(zhuǎn)換器參考電壓，以及(iii)所述鐘控比較器的輸出狀態(tài)。優(yōu)選地，所述第二輸入是所述放大器的反相輸入。所述轉(zhuǎn)換器可包含時鐘輸入，所述比較器使用時鐘輸入來定義積分步驟。所述時鐘輸入可接收時鐘信號，時鐘信號是由，例如，外部振蕩器產(chǎn)生的。

所述電路可包含被布置成依據(jù)所述比較器的二進制輸出使所述電路中的一點處的電壓在兩個值之間切換的裝置。這可包含1位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器或多工器。優(yōu)選地，所述值其中之一是接地值。優(yōu)選地，另一個值是所述轉(zhuǎn)換器參考電壓。

在一些實施例中，所述電路包含三個電阻器構成的配置，其中第一(輸入)電阻器的第一端連接到所述單端模擬輸入，第二(偏移)電阻器的第一端接地，且第三(參考)電阻器的第一端可切換地連接到所述轉(zhuǎn)換器參考輸入或接地端。三個電阻器的第二端均各自連接到所述放大器的第二輸入。優(yōu)選地，所述電路被配置成，使得參考電阻器的第一端的電壓的切換是依據(jù)所述比較器的二進制輸出來控制的。

或者，所述電路可包含四個電阻器構成的配置，其中第一(輸入)電阻器的第一端連接到所述單端模擬輸入，第二(偏移)電阻器的第一端接地，第三(接地端-參考)電阻器的第一端接地，且第四(參考-輸入)電阻器的第一端連接到所述轉(zhuǎn)換器參考輸入或接地端。所述接地端-參考電阻器和所述參考-輸入電阻器的第二端可切換地連接到所述放大器的第二輸入，使得每次連接所述第二端中的一個或另一個(但優(yōu)選地，不是兩者皆有)。所述輸入電阻器和偏移電阻器的第二端也連接到所述放大器的第二輸入。優(yōu)選地，所述電路被配置成，使得所述接地端-參考電阻器與參考-輸入電阻器之間的切換是依據(jù)所述比較器的二進制輸出來控制的。優(yōu)選地，所述接地端-參考電阻器和所述參考-輸入電阻器具有同一標稱值。

“電容器”和“電阻器”二詞應被分別理解為包含任何適合的電荷存儲和電流限制配置或裝置。它們不一定是分立器件。

任何或所有輸入、偏移和參考電阻器可以是固定的或可變的。在一些實施例中，輸入和偏移電阻器是可變的，且所述轉(zhuǎn)換器包含用于接收表示所期望增益或中間范圍(或兩者皆有)的輸入以及用于調(diào)整所述輸入和偏移電阻器使得所述轉(zhuǎn)換器提供所期望增益或中間范圍(mid-scale)的裝置。例如，在一些實施例中，微控制器(可以是外部的，或與所述轉(zhuǎn)換器集成在單個芯片上)可控制所述輸入電阻器及/或偏移電阻器的值，以實現(xiàn)不同的增益函數(shù)。

對于理想的實施方案(即忽略處理誤差和可能會影響增益的其他誤差)，所述轉(zhuǎn)換器的增益可表示為最低轉(zhuǎn)換器輸入電壓，v_max，在該電壓所述比較器的輸出總是高電位。同樣地，所述轉(zhuǎn)換器的中間范圍表示單端轉(zhuǎn)換器輸入電壓，v_midscale，在該電壓所述比較器的輸出在高電位與低電位之間同樣地交替。

在一些實施例中，所述轉(zhuǎn)換器的增益或中間范圍(或二者皆有)是輸入電阻器值與參考電阻器值的比例a和偏移電阻器值與參考電阻器值的比例b的函數(shù)。例如，在一些實施例中，

v_max＝v_ref*[a+b+(b*a)]/[2*b]，且

v_midscale＝v_ref*[a+b]/[2*b]，

其中v_ref是轉(zhuǎn)換器參考電壓。

其有利之處在于增益或中間范圍(或二者皆有)可由電阻器的比例來確定，且這樣的比例相比于絕對電阻器值來說，可更穩(wěn)健地處理在集成電路制造期間所造成的變差。使用這樣一種基于比例的方法，準確性達到大約0.5％或更好是可能的。

這樣一種配置本身被認為是新穎的且具有創(chuàng)造性，且因此，從另一方面來看，本發(fā)明提供一種具有單端模擬輸入、轉(zhuǎn)換器參考輸入和接地連接的集成電路、連續(xù)時間∑-δ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中所述轉(zhuǎn)換器包含具有連接到所述單端模擬輸入的第一端的輸入電阻器，和具有接地的第一端的偏移電阻器，其中所述輸入和偏移電阻器的第二端連接到rc積分器電路中的差分放大器的輸入，其中所述差分放大器的輸入也可選擇地通過參考電阻器連接到所述轉(zhuǎn)換器參考輸入或接地端，且其中所述轉(zhuǎn)換器的增益被確定為輸入電阻器值與參考電阻器值的比例和偏移電阻器值與參考電阻器值的比例的函數(shù)。

參考電阻器的第一端可連接到切換裝置，所述切換裝置被配置成將所述參考電阻器的第一端的電壓維持在地電位或所述轉(zhuǎn)換器參考輸入的電壓，所述參考電阻器的第二端連接到所述差分放大器輸入。

或者，所述轉(zhuǎn)換器可包含通常具有相同標稱電阻值的第一和第二電阻器，所述第一參考電阻器的第一端維持在地電位且所述第二參考電阻器的第一端維持在所述轉(zhuǎn)換器參考輸入的電壓，所述差分放大器的輸入連接到被配置成將輸入連接到所述第一參考電阻器的第二端或所述第二參考電阻器的第二端的切換裝置。

優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)換器的中間范圍被確定為輸入電阻器值與參考電阻器值的比例和偏移電阻器值與參考電阻器值的比例的另一函數(shù)。

在上述任一方面的實施例中，所述轉(zhuǎn)換器可包含被配置成接收所述比較器的二進制輸出的計數(shù)器。所述計數(shù)器可接收時鐘信號且被配置成計算在一時間段內(nèi)所述比較器的輸出為高電位(或低電位)的時鐘周期的數(shù)目。優(yōu)選地，所述鐘控比較器和所述計數(shù)器使用的是同一時鐘。所述時間段可以是預定的時鐘周期數(shù)，諸如，1024個周期。

優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)換器是增量型轉(zhuǎn)換器。因此，優(yōu)選地，其包括用于重置所述積分器的重置機構。這可，例如，包含用于為所述rc積分器的電容器放電的裝置，諸如，與所述電容器平行配置的開關。所述轉(zhuǎn)換器還可包含用于重置計數(shù)器的重置機構。所述重置機構可由處理器或由數(shù)字控制邏輯來控制，其可形成所述轉(zhuǎn)換器的一部分或與之分離。

所述轉(zhuǎn)換器可能適于將測量儀器的輸出數(shù)字化。其可能適于接收來自電池或電池組的電壓信號及確定電壓電平的數(shù)字表示。

在適當?shù)那闆r下，本發(fā)明的任一方面的可選或優(yōu)選特征可以是任何其他方面的可選或優(yōu)選特征。一些或全部方面可組合到單個實施例中。

現(xiàn)在將參照附圖，僅以舉例方式來描述本發(fā)明的某些優(yōu)選實施例，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的adc的電路圖。

圖1顯示連續(xù)時間增量∑-δadc，其具有單個電容器c，電容器c連接在運算跨導放大器(ota)的反相輸入與ota的單個輸出之間。所述ota的輸出饋入比較器(cmp)的負輸入。

所述比較器的正輸入連接到所述ota的非反相輸入，且二者均連接到位于參考電壓輸入(v_ref)與接地端之間的分壓器r-r的中間點，使得此二者的電壓均維持在所述參考電壓輸入的一半。

單端模擬輸入(v_in)經(jīng)由輸入電阻器r_in連接到ota的反相輸入。

接地連接經(jīng)由偏移電阻器r_offset連接到ota的反相輸入。

1位dac的輸出經(jīng)由參考電阻器r_ref連接到ota的反相輸入。所述dac被配置成使得其在所述比較器的輸出為低電位時輸出參考電壓v_ref，且在所述比較器輸出為高電位時輸出零(地電位)。

重置開關位于電容器c的端子的兩端，且被配置成在其收到來自控制器(圖未示)的重置命令時閉合。

所述比較器的輸出饋入計數(shù)器，它還接收時鐘信號。所述時鐘可由，例如，外部晶體振蕩器產(chǎn)生。在所述比較器在計數(shù)期間(例如，1024個周期)為高電位時，所述計數(shù)器輸出時鐘周期的比特位計數(shù)dout。所述計數(shù)器輸出可由控制邏輯(圖未示)來接收以作后續(xù)處理，諸如，影響無線電發(fā)射器或顯示屏的行為。

所述計數(shù)器具有重置輸入，它會導致所述計數(shù)器將其計數(shù)重置為零。

在使用中，當電壓v_in(零與最大值v_max之間)施加給信號輸入時，在電容器充電或放電時，有電流流經(jīng)所述ota。當所述ota的輸出的電壓超過v_ref/2時，所述鐘控比較器cmp的輸出將在下一個積分步驟翻轉(zhuǎn)。所述比較器輸出中的這種變化會導致1位dac的輸出翻轉(zhuǎn)，致使流經(jīng)所述ota的電流反向。

通過首先重置所述積分器和所述計數(shù)器來實行增量模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。然后，執(zhí)行固定數(shù)目n個積分步驟，其中對于n位輸出分辨率而言，n＝2^n位。例如，對于10位轉(zhuǎn)換，執(zhí)行1024個積分步驟。

在n個積分步驟之后，假定ota的反相輸入的電壓v_x等于其非反相輸入的電壓0.5*v_ref，則所述積分器輸出的電壓v_o由下式給出：

v_o(n)＝[n_c*v_ref]-[n*a_v*v_in)](1)

其中

n_c＝所述比較器輸出為高電位時，積分步驟的數(shù)目；

v_ref＝參考電壓；

n＝積分步驟的數(shù)目；

a_v＝電壓增益(r_ref/r_in)；且

v_in＝輸入電壓。

重新整理等式(1)后得到：

n_c＝[n*a_v*v_in/v_ref]+[v_o(n)/v_ref]

根據(jù)下列等式，所述轉(zhuǎn)換器的增益和中間范圍可被設置成任一個期望值。

從所述ota的反相輸入(其電壓為v_x)流到其輸出(其電壓為v_o)的電流i由下式給出：

i＝[(v_in-v_x)/r_in]-[v_x/r_offset]

+[(1-d)*(v_ref-v_x)/r_ref]-[d*v_x/r_ref]，(2)

其中當所述比較器輸出為高電位時，d＝1，且當所述輸出為低電位時，d＝0。

對于理想的放大器，可假定：

v_x＝0.5*v_ref(3)

r_in和r_offset可表示為r_ref的比例，如下所示：

r_in＝a*r_ref，且(4)

r_offset＝b*r_ref(5)

將等式(3)、(4)和(5)代入等式(2)，得到：

i＝[(v_in-0.5*v_ref)/(a*r_ref)]-[v_ref/(2*b*r_ref)]

+((1-d)-d)*v_ref/(2*r_ref)(6)

當輸入電壓v_midscale使得電流i在任一個方向上都是相同值時會出現(xiàn)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的中間點；即當

i＝((1-d)-d)*v_ref/(2*r_ref)時。

根據(jù)等式(6)，當

(v_midscale-0.5*v_ref)/(a*r_ref)＝v_ref/(2*b*r_ref)時會發(fā)生這種情況。

重新整理后得到：

v_midscale/v_ref＝(a+b)/(2*b)(7)

當i＝0且d＝1時，會出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)換器輸出。根據(jù)等式(6)，這意味著最大輸入電壓v_max應滿足：

[(v_max-0.5*v_ref)/(a*r_ref)]-[v_ref/(2*b*r_ref)]

＝v_ref/(2*r_ref)

重新整理后得到：

v_max/v_ref＝(a+b+ba)/(2*b)(8)

因此，所述轉(zhuǎn)換器的增益和中間范圍可通過選擇滿足等式(7)和(8)的電阻器比例a和b來任意設定。