电荷积分循环运算式模拟对数字转换器及其转换方法技术

一种电荷积分循环运算式模拟对数字转换器及其转换方法，其是以一运算放大器来实现循环运算式模拟对数字的转换，使在第一运算周期时，以第三及第四电容的电容比为增益，算出一输出电压并产生一输出比特，输出电压并保持在第一、二电容；另在第二运算周期时，以第一、二电容的电容比为增益，算出一输出电压并产生一输出比特，输出电压保持在第三及第四电容；第一、二运算周期是交替执行以获致转换后的数字资料。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是有关模拟对数字转换器的
，尤指一种。目前的模拟对数字(A/D)转换器的应用极其广泛，其中之一是使用于影像感测器，以将感测器所感知的模拟影像信号予以转换为数字资料，以便供数字信号处理器进行必要的处理，而一般此种用于影像感测器的A/D转换器主要是以循环(Cyclic)运算方式求取模拟信号的数字值，因此，需以一运算放大器将信号进行取样及保持，并以另一运算放大器进行循环转换运算，而由于需采用两组运算放大器，因此，其积体电路的布局的面积较大，而不利于A/D转换器的小型化。在已知的专利文献中，美国5,929,800号专利案“Chargeintegration successive approximation analog-to-digital converte for focalplane applications using a single amplifier”是揭露以电荷积分放大器在电荷平衡的架构中实现连续趋近式的A/D转换器，其提供有关联性重复取样(CDS)的功能，但不具有可程序增益放大(PGA)的功能。美国5,880,691号专利案“Capacitively coupled successiveapproximation ultra low power analog-to-dieital converter”是提供一种连续趋近式A/D转换器，其采用电容性耦合乘算数字对模拟转换器来产生连续的电压，以供与欲数字化的输入电压相比，其亦提供有CDS的功能，但不具有PGA的功能。美国5,920,274号专利案“Image sensor employing non-uniformA/D conversion”是揭露一种具有耦合至比特线的A/D转换器的影像感测器，其A/D转换电路是以单斜率(Single Slope)或非线性连续趋近式A/D转换器所实现，可提供较高的解析度，但是转换速度较慢，此外，其亦具有CDS的功能，但不具PGA的功能。美国5,886,659号专利案“On-focal-plane analog-to-digitalconversion for current-mode imaging devices”是揭露有一种以一阶∑-Δ调变器构成电流式A/D转换器，藉由将复数个一阶∑-Δ调变器串接而提升其精确度及解析度，其具有CDS的功能，但不具PGA的功能。美国5,801,657号专利案“Controller to maintain a certain set ofenvironmental parameters in an environment”是揭露一种以同时执行比特串模拟至数字转换的方法，其以每通道一个一比特比较器及一个N比特数字至模拟转换器来达成N比特的精确度，并以非均匀量化来实现伽玛更正，但其不提供CDS及PGA的功能。因此，前述习知的A/D转换器大部分均未同时具有PGA及CDS的功能，且所需的电路布局面积大，故而仍有予以改进的必要。专利技术人爰因于此，本于积极专利技术的精神，亟思一种可以解决上述问题的“”，几经研究实验终至完成此项新颖进步的专利技术。本专利技术的目的是在提供一种，其可有效缩减电路布局的面积，并具有极佳的运算速度及较低的耗电量，且同时提供PGA及CDS的功能，亦可轻易附加转换器以提供伽玛更正的功能。依据本专利技术的一特色，该电荷积分循环运算式模拟对数字转换器主要包括一运算放大器及第一至第四电容，以在关联性重复取样周相时，先取样感测电压并将之充电至第一电容，再取样重置电压及将第一电容的电荷移转至第二电容，以便由该运算放大器以第一及第二电容的电容比为增益并依据重置电压、感测电压及上限参考电压而进行运算，而获致一输出电压并产生一输出比特，该输出电压并保持于第三及第四电容；而在第一运算周期，第三电容的电荷充电至第四电容，并移转为输出电压，以便由该运算放大器以第三及第四电容的电容比为增益并依据先前的输出电压、中间参考电压、上限参考电压及下限参考电压进行运算，而获致一输出电压并产生一输出比特，该输出电压并保持在第一及第二电容；另在第二运算周期，第一电容的电荷充电至第二电容，并移转为输出电压，以便由该运算放大器以第一及第二电容的电容比为增益并依据先前的输出电压、中间参考电压、上限参考电压及下限参考电压进行运算，而获致一输出电压并产生一输出比特，该输出电压并保持在第三及第四电容且该第一运算周期及第二运算周期是交替执行。依据本专利技术的另一特色，该电荷积分循环运算式模拟对数字转换方法，主要包括下述的步骤(A)比较输入电压VX与一中间参考电压VCMB，以当VX＞VCMB时，执行步骤(B)，而当VX＜VCMB时，执行步骤(C)；(B)令VX＝2×VX－VRT且输出比特b＝1，再执行步骤(A)，当中，VRT为上限参考电压；以及(C)令VX＝2×VX－VRB且输出比特b＝0，再执行步骤(A)，当中，VRB为下限参考电压。由于本专利技术设计新颖，能提供产业上利用，且确有增进功效，故依法申请专利技术专利。为使贵审查委员能进一步了解本专利技术的结构、特征及其目的，兹附以图式及较佳具体实施例的详细说明如后，其中附图说明图1是本专利技术的电荷积分循环运算式模拟对数字转换器的电路图。图2是本专利技术的电荷积分循环运算式模拟对数字转换器的工作时序图。图3是本专利技术的电荷积分循环运算式模拟对数字转换器的演算流程图。有关本专利技术的电荷积分循环运算式模拟对数字转换器的一较佳实施例，请先参照图1所示的电路，其主要是由一运算放大器11、一个一比特比较器12、一闩锁器13、一移位暂存器14及复数个电容与开关晶体管等所构成，以将输入电压VX转换为数字资料而由该移位暂存器14输出，而其所能够转换的电压范围是由恒定参考电压VRT及VRB所定义，其中，VRT为上限参考电压，VRB为下限参考电压，而中间参考电压VCMB则为VRT，及VRB的中间值。并请参照图2所示前述电路的工作时序图，其显示该电路启动时是首先进行一CDS周相，其中，控制晶体管的开关接点N2产生一高电位而使所控制的开关晶体管导通，因此，电路可自影像感测器读取代表感测信号的感测电压VS，该电压VS并充电至电容C1，而此同时，开关接点N6、N9、N10及N11亦产生高电位而使控制的开关晶体管呈导通并接地，以将运算放大器11及比较器12予以初始化，而使电容C5的电压充电成为运算放大器11的偏移电压Vos1，电容C6的电压则充电成为比较器12的偏移电压Vos2，以便在后续运算时可补偿该等偏移电压。而如所取样的感测电压VS需要放大，则可在开关接点G1产生一高电位，使得电容C1与电容CG1并联，因而增大电压VS充电的电容值，而达成放大感测电压VS的目的，且该电容C1并可再视需要而并联其他的电容CG2、CG3…，以便进一步放大感测电压VS，据此，可达成PGA的功效。经取样获得感测电压VS后，开关接点N3及N8产生高电位，而开关接点N6则为低电位，以分别将所控制的开关晶体管予以导通及断路，而可读取代表重置信号的重置电压VR，并将电容C1(及所可能并联的电容CG1、CG2…)的电荷移转至电容C2，以便获致影像信号的差值，其中，若电容C1并联有电容CGI及CG2，则电荷的移转具有一相当于电容比的放大增益(C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电荷积分循环运算式模拟对数字转换器，其特征在于，是以取样感测电压及重置电压并参考上限参考电压、下限参考电压及中间参考电压而进行模拟至数字的转换，该转换器主要包括一运算放大器及第一至第四电容，其中： 在一关联性重复取样周相时，取样感测电压并充电至第一电容，再取样重置电压及将第一电容的电荷移转至第二电容，以便由运算放大器以第一、二电容的比为增益并依据重置电压、感测电压及上限参考电压而求取一输出电压并产生一输出比特，该输出电压是保持于第三、四电容； 在一第一运算周期，第三电容的电荷充电至第四电容并移转为输出电压，以便由该运算放大器以第三、四电容的比为增益并依据先前的输出电压、中间参考电压、上限参考电压及下限参考电压而求取一输出电压并产生一输出比特，该输出电压是保持在第一、二电容； 在一第二运算周期，第一电容的电荷充电至第二电容，并移转为输出电压，以便由该运算放大器以第一、二电容的比为增益并依据先前的输出电压、中间参考电压、上限参考电压及下限参考电压而求取一输出电压并产生一输出比特，该输出电压并保持在第三、四电容；而该第一运算周期及第二运算周期是交替执行。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：庄朝贵，张荣哲，
申请(专利权)人：凌阳科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]