高分辨率模数转换器制造技术

本发明专利技术涉及高分辨率模数转换器。所公开的系统、方法和装置涉及每级一位ADC。所述每级一位ADC在每一个级处提取一个或多个位并且产生残差，以使得后继类似或相同级可提取更多个位。所述ADC使用反射二进制输出码，以使得可通过观察输入的符号(例如，极性)来提取位。所述残差可通过整流输入，使所述输入乘以二，并且使所述输入电平移位半个跨度来生成。使用电容器和开关来实现所述残差的所述生成。这使所述ADC具有低的功率消耗和小的大小。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】 相关申请的交叉引用 本申请要求2014年4月8日提交的美国临时申请序列号61/977, 020的优先权权 益，所述美国临时申请的内容据此以全文引用的方式并入本文。
本公开涉及用于模数转换的系统和方法。
技术介绍
模数转换器（ADC)以特定采样率将模拟电压输入转换为通常呈二进制码形式 的数字输出。ADC已使用包括逐次近似体系结构、SigmaDelta体系结构和每级一位 (bit-per-stage)体系结构的各种体系结构加以实现。ADC通常以其分辨率（以位表示的 输出电平的数目，ADC可将信号量子化成的所述输出电平）和其采样率来表征。 在某些应用中，有必要提高常规模数转换器（ADC)的分辨率，同时维持小的大小。 具体来说，在嵌入式应用中，维持小的大小可为重要的，如嵌入加速计或微功率冲击传感器 中的ADC的情况。ADC提供低功率消耗和可变分辨率（例如，可变数目的输出位）也是合乎 需要的。 难以提高现有逐次近似模数转换器的分辨率，因为这类转换器已经相对较大并 且将需要进一步扩大来适应14个或更多个位。此外，超过13个位的情况下，可能需要另 外的修整特征。Sigma-deltaADC提供较高分辨率，但是以较高功率消耗为代价。另外， sigma-delta转换器通常无法多路复用。二进制的每级一位ADC产生具有不连续性的残 差输出信号，所述不连续性对应于比较器改变状态并引起DAC切换的点。残差输出波形中 的这些不连续性是这种体系结构的基本问题。对于这些瞬态来说，必须允许充分的稳定时 间以传播穿过一个级并在最终比较器输入处稳定，并且因此难以使这些体系结构以高速操 作。 折叠式每级一位ADC避免了二进制的每级一位体系结构的不连续性问题。 F.D.Waldhauer在美国专利3, 187, 325中提出折叠体系结构的实现方式。Waldhauer的折 叠传递函数的实现方式使用在反馈回路中具有二极管的固态运算放大器。然而，Waldhauer 实现方式最适合于低分辨率应用，因为这种实现方式具有各种独立的误差源。例如， Waldhauer的各个级的级联在每一个级中都遭遇独立误差。另外，Waldhauer实现方式表现 出高功率消耗。因此，仍然需要提供高分辨率（例如，12个位或更多个位）同时具有低功率 消耗和小的大小的ADC。此外，需要具有可变分辨率的小的低功率ADC。
技术实现思路
本文描述用于模数转换的系统、方法和装置。本文所公开的系统、方法和装置涉及 每级一位ADC。所述每级一位ADC在每一个级处提取一个或多个位，并且产生残差以使得后 继类似或相同级可提取更多个位。所述ADC使用反射二进制输出码，以使得可通过观察输 入的符号（例如，极性）来提取位。残差可通过整流输入，使所述输入乘以二，并且使所述 输入电平移位半个跨度来生成。一方面，用于模数转换的方法包括：用输入电压对第一电容 器和第二电容器充电，每一个电容器具有第一板和第二板；将第一参考电压连接至第一电 容器的第二板；将第二参考电压连接至第二电容器的第一板；使用比较器确定输出电压的 极性，其中输出电压为第一电容器的第一板与第二电容器的第二板之间的电压差；输出表 示极性的二进制位；以及，基于二进制位切换输出电压的极性以整流输出电压。 在一些实施方案中，将第一输出端子连接至第一电容器的第一板，并且将第二输 出端子连接至第二电容器的第二板。在这类情况下，整流包括：基于二进制位切换连到第 一输出端子和第二输出端子的连接。在某些实施方案中，整流包括：如果极性为正，那么将 第一输出端子连接至第二电容器的第二板，并且将第二输出端子连接至第一电容器的第一 板，并且如果极性为负，那么将第二输出端子连接至第二电容器的第二板，并且将第一输出 端子连接至第一电容器的第一板。在一些实施方案中，所述方法还包括通过将第一输出端 子和第二输出端子连接至正输入端子和负输入端子来再循环残差。在某些实施方案中，第 一参考电压与第二参考电压之间的电压差等于半标度电压。 在一些实施方案中，同时执行将第一参考电压连接至第一电容器的第二板的步骤 和将第二参考电压连接至第二电容器的第一板的步骤。在某些实施方案中，重复所述方法 以在改变输入电压之前提取14个位或更多个位。在一些实施方案中，输入电压为以共模电 压为中心的差分电压。在某些实施方案中，第一参考电压和第二参考电压分别由第三电容 器和第四电容器供应。在一些实施方案中，第一电容器的电容与第二电容器的电容不相等。 另一方面，用于模数转换的系统包括：第一电容器和第二电容器，每一个电容器具 有第一板和第二板；正输入端子和负输入端子，所述正输入端子和所述负输入端子被配置 来用输入电压对第一电容器和第二电容器充电；第一参考电压源，其可切换地连接至第一 电容器的第二板；第二参考电压源，其可切换地连接至第二电容器的第一板；比较器，其连 接至第一电容器的第一板和第二电容器的第二板，并且具有比较器输出；以及，第一输出端 子和第二输出端子，每一个端子可切换地连接至第一电容器的第一板并且连接至第二电容 器的第二板，所述端子的可切换连接是由比较器输出控制。 在一些实施方案中，所述端子的可切换连接被配置来：如果极性为正，那么将第一 输出端子电耦合至第二电容器的第二板，并且将第二输出端子电耦合至第一电容器的第一 板，并且如果极性为负，那么将第二输出端子电耦合至第二电容器的第二板，并且将第一输 出端子电親合至第一电容器的第一板。在某些实施方案中，第一输出端子和第二输出端子 分别连接至正输入端子和负输入端子。在一些实施方案中，第一参考电压源与第二参考电 压源之间的电压差等于半标度电压。在某些实施方案中，第一参考电压源包括第三电容器， 并且第二参考电压源包括第四电容器。在一些实施方案中，第一电容器的电容与第二电容 器的电容不相等。 另一方面，用于模数转换的系统包括：第一电容器和第二电容器，每一个电容器具 有第一板和第二板；用于用输入电压对第一电容器和第二电容器充电的装置；用于将第一 参考电压连接至第一电容器的第二板的装置；用于将第二参考电压连接至第二电容器的第 一板的装置；用于确定输出电压的极性的装置，其中所述输出电压为第一电容器的第一板 与第二电容器的第二板之间的电压差；用于输出表示极性的二进制位的装置；以及，用于 基于二进制位来整流输出电压的电压差的装置。 在一些实施方案中，用于整流的装置包括用于以下的装置：如果极性为正，那么将 第一输出端子连接至第二电容器的第二板，并且将第二输出端子连接至第一电容器的第一 板，并且如果极性为负，那么将第二输出端子连接至第二电容器的第二板，并且将第一输出 端子连接至第一电容器的第一板。在某些实施方案中，所述系统还包括用于通过将第一输 出端子和第二输出端子连接至正输入端子和负输入端子来再循环残差的装置。在一些实施 方案中，第一参考电压和第二参考电压分别由第三电容器和第四电容器供应。 在一些实施方案中，单个级被用于使用残差的再循环来提取多个位。再循环可通 过交替地使用两个单元来支持，每一个单元用作对另一个单元的保持（hold)。在某些实施 方案中，将采样与保持（sampleandhold)或追踪与保持（trackandhold)用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于模数转换的方法，所述方法包括：用输入电压对第一电容器和第二电容器充电，每一个电容器具有第一板和第二板；将第一参考电压连接至所述第一电容器的所述第二板；将第二参考电压连接至所述第二电容器的所述第一板；使用比较器确定输出电压的极性，其中所述输出电压为所述第一电容器的所述第一板与所述第二电容器的所述第二板之间的电压差；输出表示所述输出电压的所述极性的二进制位；以及基于所述二进制位切换所述输出电压的所述极性以整流所述输出电压。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：J·梅米希安，
申请(专利权)人：美国亚德诺半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国;US