专利名称：可于两相异模式下操作的模拟至数字转换器的制作方法
技术领域：
本发明是提供一种模拟至数字转换器，尤指一种可于两相异模式下操作的模拟至数字转换器。
背景技术：
在一般的模拟至数字转换器中，经常会存在有一些非理想的性质，例如偏移误差或是非线性误差。在转换器中，这些非理想的性质是由于非对称的元件、元件本身的缺陷、或是存在于元件内的寄生电容所引起。举例来说，感应元件的输出信号范围大约在数微伏特至数毫伏特之间，若模拟至数字转换器的偏移误差大于该范围，则相对应的数字信号将无法成功地转换出来。这些非理想性质对于设计模拟至数字转换器来说也是相当大的瓶颈。
再者，在模拟至数字转换器中，内建自我测试电路(build-in self test，BIST)被用来检测非线性误差。该内建自我测试电路包含斜波产生器。该斜波产生器大幅地增加了实现该内建自我测试电路所需要的体积，并明显地延长了测试非线性误差所需要的时间。
请参阅图1，其为先前模拟至数字转换器100的示意图。模拟至数字转换器100包含比较器101、逐次近似暂存器105、数字至模拟转换器107、开关109、开关111、模拟输入信号源113、上限参考电压源115、以及下限参考电压源117。比较器101包含第一输入端120，耦合于模拟接地端103。逐次近似暂存器105包含输入端122，耦合于比较器101的输出端124。数字至模拟转换器107包含第一输入端126，耦合于逐次近似暂存器105的第一输出端128。开关109耦合于数字至模拟转换器107的输出端130与比较器101的第二输入端。开关111耦合于比较器101的第一输入端120，比较器101的第二输入端132，以及开关109。模拟输入信号源113耦合于开关109。上限参考电压源115耦合于数字至模拟转换器107的第二输入端134。下限参考电压源117耦合于数字至模拟转换器107的第三输入端136。等效电容119，寄生于数字至模拟转换器107，且等效电容119是存在于开关109与比较器101的第二输入端132之间。
模拟至数字转换器100一般来说包含取样阶段以及位循环阶段。该取样阶段是用来在比较器101的第二输入端132取样模拟输入电压。该位循环阶段是用来使得位于数字至模拟转换器107的输出端130的输出信号趋近于位于模拟输入信号源113的模拟输入电压。
在模拟至数字转换器100的取样阶段时，开关111被开启以使得比较器101的第一输入端120耦合于模拟接地端103，且模拟接地端103此时亦耦合于等效电容119。同时，开关109被切换以使得模拟输入信号源113耦合于等效电容119，且由于此时比较器101的第二输入端132亦耦合于模拟接地端103，因此等效电容119此时是以模拟接地端103充电。
在位循环阶段，开关111被关闭以使得模拟接地端103与比较器101的第二输入端132和等效电容119之间不再连接。同时，开关109再次被切换，使得等效电容119与数字至模拟转换器107的输出端130连接。在模拟至数字转换器100中持续实施递归程序，直至位于数字至模拟转换器107的输出端130的输出电压趋近于位于模拟输入信号源113的模拟输入电压。该递归程序包含由比较器101的输出端124输出第一输出电压至逐次渐近暂存器105的输入端122，根据该第一输出电压，由逐次渐近暂存器105的第一输出端128输出控制信号至数字至模拟转换器107的第一输入端126，以及根据该控制信号，由数字至模拟转换器107的输出端130穿越等效电容119，输出第二输出电压至比较器101的第二输入端132。
假设位于模拟输入信号源113的输入电压为Vin，位于模拟接地端103的电压为AGND，且位于数字至模拟转换器107的输出端130的输出电压为VDA。在取样阶段结束后，等效电容119两端的电位差为(Vin-AGND)，且在位循环阶段结束后，等效电容119两端的电位差为VDA-(AGND+ΔV)，其中ΔV为数字至模拟转换器107的输出端130所输出的输出电压与模拟输入信号源113所输入的模拟输入电压的微小电位差。假设该第二输出电压在该递归程序中驱近于模拟输入信号源113输入的模拟输入电压，则根据电量守恒法则，可列出以下的等式VDA-(AGND+ΔV)＝Vin-AGND(1)由于在位循环阶段中，ΔV的值会逐渐驱近于0，因此VDA的值也将驱近于Vin，且由逐次渐近暂存器105的第一输出端128所输出的控制信号亦将相等于模拟输入信号源113输入的模拟输入信号经数字转换后的数字数值。再者，该数字数值将由逐次渐近暂存器105的第二输出端138所输出。
虽然电位差ΔV可经由位循环阶段加以抵销，但输入电压Vin本身的偏移误差并未就此被补偿。换句话说，若输入电压Vin产生偏移，则方程式(1)将变为不可行。
发明内容
本发明提供一种可于两相异模式下操作的模拟至数字转换器。该模拟至数字转换器包含逐次近似暂存器，比较器，包含输出端，耦合于该逐次近似暂存器的第一输入端，第一开关，耦合于该比较器的第一输入端以及模拟接地端，第二开关，耦合于该比较器的第二输入端以及该模拟接地端，第一数字至模拟转换器，包含第一输入端，耦合于该逐次近似暂存器的第一输出端，以及第二输入端，耦合于该逐次近似暂存器的第二输出端，第二数字至模拟转换器，包含输出端，耦合于该比较器的第一输入端，第三数字至模拟转换器，包含第一输入端，耦合于该逐次近似暂存器的第二输出端，以及第二输入端，耦合于该逐次近似暂存器的第三输出端，第三开关，耦合于第一参考电压源，该第一数字至模拟转换器的第一输出端，以及该第三数字至模拟转换器的第三输入端，第四开关，耦合于第二参考电压源，该第一数字至模拟转换器的第二输出端，以及该第三数字至模拟转换器的第四输入端，第五开关，耦合于该第三数字至模拟转换器的输出端，以及该比较器的第二输入端，及第六开关，耦合于该第一数字至模拟转换器的第二输出端，该第二参考电压源，模拟输入电压源，以及该第五开关。
图1为先前模拟至数字转换器的示意图。
图2为本发明的模拟至数字转换器的示意图。
图3为图2所示的模拟至数字转换器执行正常模式的取样阶段的示意图。
图4为图2所示的模拟至数字转换器执行正常模式的位循环阶段的示意图。
图5为在正常模式下，先前技术的未补偿偏移误差的模拟至数字转换器与本发明提供的已补偿偏移误差的模拟至数字转换器的比较示意图。
图6为图2的模拟至数字转换器执行自我测试模式的取样阶段时的示意图。
图7为图2的模拟至数字转换器执行自我测试模式的位循环阶段的示意图。
图8为图2的模拟至数字转换器在非理想状况下执行自我测试模式以转换模拟输入电压为数字信号的计量示意图。
图9为图2的模拟至数字转换器在非理想的状况下执行自我测试模式时，转换模拟输入电压为数字信号的计量示意图。
100、200模拟至数字转换器105、201逐次渐近暂存器101、203比较器109、111、205、209、217、221、225、227 开关103、207模拟接地端107、211、213、215 数字至模拟转换器115、117、219、223 参考电压源113、229模拟输入信号源119、231、235 等效电容120、122、126、132、134、136、240、242、输入端244、246、250、256、258、264、268、272、274、280、282、284、286、288、290、292、294、296、298、2100、2102、2104、2106124、128、130、138、238、248、252、254、输出端260、262、266、270、276、278具体实施方式
本发明是提供一种可实现内建自我测试及补偿偏移误差的模拟至数字转换器。借着补偿大部分的偏移误差，剩余的偏移误差可被缩减至可接受的范围，因此模拟输入信号将正确的转换为对应的数字信号。再者，在本发明中，将先前技术中所提及的斜波产生器以少数的控制电路来替代将可大幅缩减制造出的芯片的大小。
请参阅图2，其为本发明的模拟至数字转换器200的示意图。模拟至数字转换器200包含包含某些控制逻辑的逐次渐近暂存器(successiveapproximation register，SAR)201、比较器203、第一数字至模拟转换器211、第二数字至模拟转换器213、第三数字至模拟转换器215、第一开关205、模拟接地端207、第二开关209、第三开关217、第四开关221、第五开关225、第六开关227、第一参考电压源219、第二参考电压源223、以及模拟输入信号源229。逐次渐近暂存器201包含第一输入端240、第二输入端272、第三输入端274、第一输出端248、第二输出端252、第三输出端260、第四输出端276、以及第五输出端278。比较器203包含第一输入端242、第二输入端244、以及输出端238。第一数字至模拟转换器211包含第一输入端246、第二输入端250、第三输入端280、第四输入端282、第一输出端262、第二输出端266、第三输出端288、第四输出端292、以及第五输出端296。第二数字至模拟转换器213包含第一输入端284、第二输入端286、第三输入端290、第四输入端294、第五输入端298、以及输出端254。第三数字至模拟转换器215包含第一输入端256、第二输入端258、第三输入端264、第四输入端268、以及输出端270。
等效电容231，寄生于第二数字至模拟转换器213，等效电容231等效存在于第二数字至模拟转换器213的输出端270与比较器203的第二输入端244之间。等效电容235，寄生于第三数字至模拟转换器215，等效电容235等效存在于第五开关225与比较器203的第二输入端244之间。
逐次渐近暂存器201的第一输入端240是耦合于比较器203的输出端238。逐次渐近暂存器201的第三输入端274是耦合于第一控制信号总线2100。逐次渐近暂存器201的第二输入端272是耦合于第二控制信号总线2102。逐次渐近暂存器201的第一输出端248是耦合于第一数字至模拟转换器211的第一输入端246。逐次渐近暂存器201的第二输出端252是耦合于第一数字至模拟转换器211的第二输入端250与第三数字至模拟转换器215的第一输入端256。逐次渐近暂存器201的第三输出端260是耦合于第三数字至模拟转换器215的第二输入端258。逐次渐近暂存器201的第四输出端276用来输出逐次渐近暂存器201的输出数字信号的前半部。逐次渐近暂存器201的第五输出端278用来输出逐次渐近暂存器201的该输出数字信号的后半部。
比较器203的第一输入端242是耦合于第一开关205与第二数字至模拟转换器213的输出端254。比较器203的第二输入端244是耦合于第二开关209与第五开关225。
第一数字至模拟转换器211的第三输入端280是耦合于第一参考电压源219。第一数字至模拟转换器211的第四输入端282是耦合于该第二参考电压源223。第一数字至模拟转换器211的第一输出端262是耦合于第三开关217。第一数字至模拟转换器211的第二输出端266是耦合于第四开关221与第六开关227。第一数字至模拟转换器211的第三输出端288是耦合于第二数字至模拟转换器213的第三输入端290。第一数字至模拟转换器211的第四输出端292是耦合于第二数字至模拟转换器213的第四输入端294。第一数字至模拟转换器211的第五输出端296是耦合于第二数字至模拟转换器213的第五输入端298。第一数字至模拟转换器211的第五输出端296用来输出电压VRMP与电压VRMN的平均电压VRM，其中电压VRMP是由第一数字至模拟转换器211的第三输出端288所输出，电压VRMN是由第一数字至模拟转换器211的第四输出端292所输出。
第二数字至模拟转换器213的第一输入端284是耦合于第三控制信号总线2106，且第三控制信号总线2106提供数字信号，用来控制第二数字至模拟转换器213的输出端254所输出的输出电压VRN的强度。第二数字至模拟转换器213的第二输入端286是耦合于电压源2104，且该电压源2104用来输入电压以决定第二数字至模拟转换器213的输出端254所输出的输出电压VRN的正负值。
第三数字至模拟转换器215的输出端270是耦合于第五开关225。第三数字至模拟转换器215的第三输入端264是耦合于第三开关217。第三数字至模拟转换器215的第四输入端268是耦合于第四开关221。
第一开关205与第二开关209皆耦合于模拟接地端207。第三开关217是耦合于第一参考电压源219。第四开关221是耦合于第二参考电压源223。第五开关225是耦合于第六开关227。第六开关227是耦合于模拟输入信号源229与第二参考电压源223。
本发明的模拟至数字转换器200的操作包含自我测试模式与正常模式。该自我测试模式是用来补偿模拟输入信号源229所输入的模拟输入电压的偏移误差，并用来测试对应于该模拟输入电压的输出数字信号的精确度。该正常模式用来转换模拟输入电压为对应的数字信号。此两种模式各自包含取样阶段与位循环阶段。该取样阶段用来获取模拟输入电压以供接下来的位循环阶段使用。该位循环阶段用来以一个位接一个位的方式，在递归的步骤中产生数字信号，且该数字信号是对应于在该取样阶段中获取的模拟输入电压。在自我测试模式中的取样阶段和位循环阶段与在正常模式中的取样阶段和位循环阶段有着些许的差异，而这些差异将会在以下的过程中解释。
请参阅图3，其为图2所示的模拟至数字转换器200执行正常模式的取样阶段的示意图。在图3中，第三开关217与第四开关221被切换以使得第一数字至模拟转换器211的第一输出端262耦合于第三数字至模拟转换器215的第三输入端256，并使得第一数字至模拟转换器211的第二输出端266耦合于第三数字至模拟转换器215的第四输入端268。第一开关205与第二开关209亦同时被开启以使得比较器203的第一输入端242耦合于模拟接地端207，且比较器203的第二输入端244亦耦合于模拟接地端207。第五开关225与第六开关227皆被切换以使得模拟输入信号源229耦合于比较器203的第二输入端244。
请参阅图4，其为图2所示的模拟至数字转换器200执行正常模式的位循环阶段的示意图。在图4中，第三开关217保持在如图3所示的状态，因此第一数字至模拟转换器211的第一输出端262耦合于第三数字至模拟转换器215的第三输入端264。第四开关221的状态亦保持在如图3所示的状态，因此第一数字至模拟转换器211的第二输出端266耦合于第三数字至模拟转换器215的第四输入端268。第一开关205与第二开关209皆再次被切换以使得模拟接地端207与比较器203的第一输入端242与第二输入端244断线。第五开关225亦被切换以使得模拟输入信号源229与比较器203的第二输入端244断线，且第三数字至模拟转换器215的输出端270此时亦耦合于比较器203的第二输入端244。
接下来有关于正常模式的取样阶段与位循环阶段的介绍皆基于逐次渐近暂存器201一次可处理10个位的假设，亦即若逐次渐近暂存器201的处理模式为一次可处理N个位，则此时N的值假设为10。
本发明的模拟至数字转换器200的正常模式的目的为接收已取样的电压，并将该已取样的电压加以转换为十位的数字数值。
在图3中，在正常模式的取样阶段时，模拟输入电压V2是输入于模拟输入信号源229，并由寄生于第三数字至模拟转换器215的等效电容235加以获取。正常模式的取样阶段至此完成。
由第二数字至模拟转换器213的输出端输出的第五偏压VB5亦在递归的比较过程中使用。第五偏压VB5是以由第二数字至模拟转换器213的第五输入端298输入的第六偏压VB6来微调。且第六偏压VB6的值为(VRT-VRB)/2。
在图4中，在正常模式的位循环阶段的最后将产生出十个有效位，用来当作在取样模式中已取样的模拟输入电压V2所对应的数字数值。该十个有效位包含一组五个的前半部有效位与一组五个的后半部有效位。产生该组五个的前半部有效位的方法与产生该组五个的后半部有效位的方法有着些许的不同。当使用已知的等式Q＝C*V(2)以辅助产生该组五个的前半部有效位时，在第三数字至模拟转换器215的输出端270将产生模拟电压V3以做为接下来的比较程序之用。在等式(2)中，Q为电量，C为电容，V为电压。使用等式(2)产生模拟电压V3包含控制第一数字至模拟转换器211包含的多个电阻的启用状态，调整第三数字至模拟转换器215包含的多个电容的启用状态，以及调整储存在第三数字至模拟转换器215的电量的大小。第一数字至模拟转换器211包含的多个电阻的启用状态是通过一组控制位来加以控制，其中该组控制位是由逐次渐近转换器201所产生，由逐次渐近暂存器201的第一输出端248所输出，最后再由第一数字至模拟转换器211的第一输入端246所输入。接着第一中继电压VT1在第一数字至模拟转换器211的第一输出端262产生。第二中继电压VT2亦在第一数字至模拟转换器211的第二输出端266产生。第一中继电压VT1与第二中继电压VT2皆用来控制第三数字至模拟转换器215包含的多个电容的启用状态。因此，模拟电压V3与第五偏压VB5可互相进行递归的比较操作，并根据比较的结果产生该组五个的前半部有效位。接着，该组五个的前半部有效位被逐次渐近暂存器201所接收，并由逐次渐近暂存器201的第四输出端276所输出。当通过等式(2)来产生该组五个的后半部有效位时，通过改变第三数字至模拟转换器215包含的多个电容的启用状态与调整第三数字至模拟转换器215储存的电量，可在第三数字至模拟转换器215的输出端270产生模拟电压V4以用于之后的递归比较程序。在这里需要特别一提的是，模拟电压V4的值是与第三数字至模拟转换器215包含的多个电容的启用状态有关，且第五偏压VB5的值会在该递归比较程序当中通过与较小的电压单位比较的方式递减，以产生后半部的有效位，而其它较大的电压单位已用于表示模拟输入电压V2的前半部有效位的比较过程之中。因此，经由模拟电压V4与第五偏压VB5的循环比较，可得到该组五个的后半部有效位。在循环比较的过程之中，一组用来补偿已取样的模拟输入电压的偏移误差的位，以一个位接一个位的方式，由逐次渐近暂存器201的第三输出端260输入至第三数字至模拟转换器215的第二输入端258，该组位并用来控制第三数字至模拟转换器215包含的每一电容的启用状态及在递归比较的过程中微调模拟电压V4的值。该组五个的后半部有效位因此可由逐次渐近暂存器201所产生，并由逐次渐近暂存器201的第五输出端所输出。最后，由逐次渐近暂存器201的第四输出端276输出的该组五个的前半部有效位与由逐次渐近暂存器201的第五输出端输出的该组五个的后半部有效位整合为一组十个的有效位，且该组十个的有效位是用来当作本发明的模拟至数字转换器200的一组输出位。
在一般的状况下，逐次渐近暂存器201被设定为一次可处理N个位，且N的值并未如以上的例子所述被限定为10。请注意，在此设定条件下，第一数字至模拟转换器211与比较器203的精确度至少在(N+1)个最低有效位以上，且第三数字至模拟转换器215在以上所述的递归比较程序执行时，其精确度至少在(N/2)个最低有效位以上。只要可以确保这三个元件的精确度，在相同的限制条件下，亦可以同样的确保模拟至数字转换器200的精确度。
请参阅图5，其为在正常模式下，先前技术的未补偿偏移误差的模拟至数字转换器100与本发明提供的已补偿偏移误差的模拟至数字转换器200的比较示意图。请注意，VRT为上限参考电压源115或第一参考电压源219的电压值，且VRB为下限参考电压源117或第二参考电压源223的电压值。在先前技术的模拟至数字转换器100中，VRT用来当作参考电压上界，VRB用来当作参考电压下界，且VRT与VRB的范围是如图5的计量图左边所示。考虑非理想的状况，模拟至数字转换器100的模拟输入电压的有效输入范围在VRTr与VRBr之间，其中VRTr是对应于VRT，VRBr是对应于VRB。因此，模拟至数字转换器100的上界偏移误差为VT，如图5所示，即为VRTr-VRT。模拟至数字转换器100的下界偏移误差为VB，如图5所示，即为VRBr-VRB。根据模拟至数字转换器100的性质，当模拟输入电压的值位于VRBr及VRB之间，或位于VRTr与VRT之间时，模拟至数字转换器100将产生一组每一位值皆为0的有效位，因此在此状况下，无法得到对应于该模拟输入电压对应的实际数字数值。如图5所示，在本发明的模拟至数字转换器200的模拟输入信号源229输入其值为VRTr的模拟输入电压V5时，模拟至数字转换器200将模拟输入电压V5的值由VRTr微调至VRTr-ΔVc，并将一组对应于已微调的模拟输入电压V5的有效位输出。ΔVc为本发明的模拟至数字转换器200在自我测试模式中所得到的偏移电压，用来补偿其值为VRTr的模拟输入电压V5的偏移误差。当在本发明的模拟至数字转换器200中输入其值为VRBr的模拟输入电压，模拟至数字转换器200将该模拟输入电压的值由VRBr微调至VRBr-ΔVc，并输出一组对应于已微调的模拟输入电压的有效位，ΔVc用来补偿其值为VRBr的模拟输入电压的偏移误差。在微调之后，参考电压的有效输入范围改变为介于VRTc与VRBc之间，其中VRTc是相等于VRTr-ΔVc，且VRBc是相等于VRBr-ΔVc。因此，已微调的偏移上界为VRTc-VRT或-(VT+ΔVc)，已微调的偏移下界为VRBc-VRB或VB-ΔVc。如图5所示，若ΔVc的值相等于VB，则该已微调的偏移下界的值将为0，因此在模拟输入电压的值介于VRB与VRBr之间的情形下，可顺利产生一组相对应于该模拟输入电压的值的有效位，且此时已调整的偏移上界的值为-(VT+VB)。换言之，若ΔVc的值等于-VT，则已微调的偏移上界的值将为0，且已微调的偏移下界的值为VT+VB，在模拟输入电压的值介于VRT与VRTr之间的情形下，可顺利产生一组相对应于该模拟输入电压的值的有效位。以上所述的两种情况可根据模拟至数字转换器200的需求，经由适当的设计选择使偏移上界的值为0，或是使偏移下界的值为0来达到微调的效果。
请注意，第二参考电压223的值可不为图3与图4所示的VRB，以使得本发明的模拟至数字转换器在正常模式下符合各种精确度的需求。
请参阅图6，其为图2的模拟至数字转换器200执行自我测试模式的取样阶段时的示意图。在自我测试模式的取样阶段时，位于第二控制信号总线2102的测试电压TEST是输入于逐次渐近暂存器201的第二输入端272。第三开关217被切换以使得第一参考电压源219耦合于第三数字至模拟转换器215的第三输入端264。第四开关221被切换以使得第二参考电压源223耦合于第三数字至模拟转换器215的第四输入端268。第五开关225与第六开关227被切换以使得第一数字至模拟转换器211的第二输入端266耦合于比较器203的第二输入端244。
请参阅图7，其为图2的模拟至数字转换器200执行自我测试模式的位循环阶段的示意图。在自我测试模式的位循环阶段中，第一开关205与第二开关209被切换以使得模拟接地端207与比较器203的第一输入端242和第二输入端244断线。第三开关217的状态与图6所示相同，因此第一数字至模拟转换器211的第一输出端262耦合于第三数字至模拟转换器215的第三输入端264。第四开关221的状态与图6所示相同，因此第一数字至模拟转换器211的第二输出端266耦合于第三数字至模拟转换器215的第四输入端268。第五开关225再次被切换以使得第三数字至模拟转换器215的输出端270耦合于比较器203的第二输入端244。
在本发明的模拟至数字转换器200执行自我测试模式时，在逐次渐近暂存器201的第三输入端274重复地输入了不同内容的单一组位。该单一组位是对应于单一模拟测试电压。对应于单一模拟测试电压的单一组位用来测试本发明的模拟至数字转换器输出的数字信号的精确度，并补偿该模拟测试电压的偏移误差。
在图6中，在自我测试模式的取样阶段中，测试电压TEST输入于逐次渐近暂存器201的第二输入端272中，以用来将逐次渐近暂存器201的操作模式由一次处理N个位转换为一次处理N/2个位，其中，逐次渐近暂存器201在尚未进入自我测试模式前，被假设为处于一次可处理N个位的模式中，且N为正整数。如以上所述的一组代表单一模拟测试电压的位接着由第一控制信号总线2100输入至逐次渐近暂存器201的第三输入端274中。将逐次渐近暂存器201的处理模式由一次处理N个位转换至一次处理N/2个位的操作是用来降低本发明的模拟至数字转换器200的自我测试模式的复杂度。除此以外，一次测试N/2个位的做法可稍微提高本发明的模拟至数字转换器的精确度至不超过原本的二倍的程度。测试电压TEST亦由逐次渐近暂存器201的第二输出端252输出，并经由第三数字至模拟转换器215的第一输入端256及第一数字至模拟转换器211的第二输入端250输入。因此第一数字至模拟转换器211与第三数字至模拟转换器215的操作模式皆会由一次处理N个位转换为一次处理N/2个位。假设目前的N值为10，并假设一组N/2个位由逐次渐近暂存器201的第三输入端274输入，亦即假设一组五个位被输入。则该组五个位将会在逐次渐近暂存器201的第一输出端248被输出，并接着在第一数字至模拟转换器211的第一输入端246被输入。因此，该组五个位可被第一数字至模拟转换器211转换为第一模拟电压V1。第一模拟电压V1接着由第一数字至模拟转换器211的第二输出端被输出，并储存在等效电容235，其中等效电容235是寄生于第三数字至模拟转换器215。自我测试模式的取样阶段在此完成。
在图7中的自我测试模式的位循环阶段时，将沿用先前的假设，亦即假设该组五个位被输入于逐次渐近暂存器201的第三输入端274。请注意，第一数字至模拟转换器211包含一组电阻，且第二数字至模拟转换器213与第三数字至模拟转换器215各包含一组电容。通过前述的等式(2)，在第一数字至模拟转换器211的第二输出端266的电量Q为定值，且在前述自我测试模式的取样阶段中，电量Q被储存于第三数字至模拟转换器215包含的该组电容中。再者，储存在寄生于第三数字至模拟转换器215的等效电容235的第一模拟电压V1可经由微调而收敛于接近该组五个位所表示的模拟电压，其中第一模拟电压V1与该组五个位所表示的模拟电压带有粗略的差值。收敛第一模拟电压V1是通过控制第三数字至模拟转换器215所包含的各电容的启用状态来达成。请注意，第五开关225被切换以使得比较器203的第二输入端244耦合于第三数字至模拟转换器215的输出端270，且第一模拟电压V1可视为位于第三数字至模拟转换器215的输出端270。位于第二数字至模拟转换器213的输出端254的第一偏压VB1用来当作暂时的单位电压。接着，对第一偏压VB1与第一模拟电压V1执行递归比较程序以在逐次渐近暂存器201产生一组五个的有效位。在该递归比较程序中，第一偏压VB1与第一模拟电压V1的值皆会产生相对应的改变。产生该组五个有效位之后，所产生的该组五个有效位是用来与逐次渐近暂存器248的第一输出端248输出的该组五个输入有效位互相比较，以确认所产生的该组五个有效位与该组五个输入有效位是否相等，其中该组五个输入有效位用来表示第一模拟电压V1。若相等，则可确认模拟至数字转换器200的精确度符合需求，并可在逐次渐近暂存器201的第五输出端278输出所产生的该组五个有效位，以做为本发明的模拟至数字转换器200执行自我测试模式的结果。若不相等，便可记录对应于代表第一模拟电压V1的该组五个输入有效位的偏移误差。通过微调在第二数字至模拟转换器213的第一输入端284输入的数字信号，可产生该偏移误差，并可通过该偏移误差决定输出电压VRN的值与正负号电压的值，其中输出电压VRN是由第二数字至模拟转换器213的输出端254输出，且该正负号电压是由第二数字至模拟转换器213的第二输入端286所输入，用来决定输出电压VRN的正负值，因此输出电压VRN与第一模拟电压V1的差值为欲记录的偏移误差。请注意，第二偏压VB2是由第一数字至模拟转换器211的第五输出端296输出，并由第二数字至模拟转换器213的第五输入端298输入。第二偏压VB2的值被设定为(VRT-VRB)/2。VRT为第一参考电压源219所输入的电压，而VRB为第二参考电压源223所输入的电压。且第二偏压VB2同时也是第三偏压VB3与第四偏压VB4的中间值。第三偏压VB3是由第一数字至模拟转换器211的第三输出端288输出，并由第二数字至模拟转换器213的第三输入端290输入。第四偏压VB4是由第一数字至模拟转换器211的第四输出端292输出，并由第二数字至模拟转换器213的第四输出端294所输出。以上所述的微调程序，亦即微调在第二数字至模拟转换器213的第一输入端284输入的该数字信号，可经由微调第二偏压、第三偏压、第四偏压、数字信号VC、与正负号电压SIGN的值来完成，其中数字信号VC是由第三控制信号总线2106所提供，而正负号电压SIGN是由电压源2104所提供。通过以上的过程，可在该微调程序之中得到对应于第一模拟电压V1的偏移误差。最后，在该微调程序中可产生多个偏移误差并加以记录，其中该多个偏移误差是对应于模拟至数字转换器200的多个可能的模拟输入电压。
请参阅图8，其为本发明的模拟至数字转换器200在非理想状况下执行自我测试模式以转换模拟输入电压为数字信号的计量示意图。在本发明的模拟至数字转换器200执行自我测试模式时，代表模拟电压的N位数字数值可视为包含有N个位的数字至模拟(digital-to-analog)区块，并可如同前述的前半部有效位与后半部有效位，将该数字至模拟区块分割为第一数字至模拟区块与第二数字至模拟区块。其中N为正整数，该第一数字至模拟区块与该第二数字至模拟区块各自包含N/2个位，该第一数字至模拟区块代表该数字至模拟区块的前半部有效位，该第二数字至模拟区块代表该数字至模拟区块的后半部有效位。因此，由该第二数字至模拟区块所转换而成的模拟输入电压，其值是介于0至2N/2-1之间。如图8所示，假设由该第二数字至模拟区块所转换而成的该模拟输入电压其值为K，其中K为正整数，在理想的状况下，该模拟输入电压经过模拟至数字转换后将会正确的转换为数字数值K。换句话说，在自我测试模式下，该模拟输入电压将会变转换为数字数值K的临界点。然而，在非理想的状况下，若该模拟输入电压的值因为外界因素而稍微变大，则该模拟输入电压所转换的数字数值将会因为舍去的关系而变为K，然而，若该模拟输入电压的值因为外界因素而稍微变小，则该模拟输入电压所转换的数字数值将会因为舍去的关系而变成(K-1)。如之前所述，由于K的值是介于0至2N/2-1之间，因此K的所有可能数值都会在自我测试模式中加以检验，并进而得到对应这些可能数值的非线性误差，也可以确认本发明的模拟至数字转换器200在自我测试模式下运作的精确度。请注意，如之前所述，若逐次渐近暂存器201是位于一次处理N个位的操作模式下，则第一数字至模拟转换器211、第三数字至模拟转换器215、与比较器203的精确度都至少在(N+1)个最低有效位以上，其中第一数字至模拟转换器211、第三数字至模拟转换器215、与比较器203的操作模式亦为一次处理N个位。换句话说，若在自我测试模式下，以上所述的三个元件的非线性误差都在N个最低有效位以下，则本发明的模拟至数字转换器200在正常模式下操作的精确度亦可确保在至少N个最低有效位以上。
请注意，本发明精确度的测量并不限于图8所示的方式，换句话说，并不见得需要将数字数值K的所有可能数值都加以测量才能得以确认本发明的数字至模拟转换器200的精确度。若只测试图8所示的“数字至模拟转换器输入信号”侧中包含的部分数值，一样可以测试出第一数字至模拟转换器211、第三数字至模拟转换器215、与比较器203的精确度。这同时也代表了在数字至模拟区块中分割出不同的数字至模拟区块时，采用(N/2)位为单位并非唯一的选择，这点对于图8所示的“数字至模拟转换器输入信号”侧或是“模拟至数字转换器输出信号”侧都是一样的。举例来说，前述的第二数字至模拟区块可只取L1个位来测量，因此图8所示的“数字至模拟转换器输入信号”侧的数值范围为0至2L1-1，且L1的值是小于N/2。图8所示的“模拟至数字转换器输出信号”侧的数值范围可为0至2L2-1，其中L2的值亦小于N/2，意即可只取L2个位。L1与L2的值可视本发明的模拟至数字转换器设计上的需求来加以取舍，且若L1与L2的值已经过适当的选取，则第一数字至模拟转换器211、第三数字至模拟转换器215、与比较器203的精确度皆不会受到太大的影响。
请参阅图9，其为本发明的模拟至数字转换器200在非理想的状况下执行自我测试模式时，转换模拟输入电压为数字信号的计量示意图。请同时参阅图8，如同图9所示，若模拟输入信号的数字数值为K，且当该模拟输入信号的电压值增加或减少ΔVd1，则本发明的模拟至数字转换器200将以补偿电压ΔVc或-ΔVc来补偿该偏移误差，其中ΔVd1为该模拟输入信号的偏移误差，ΔVc的值是在之前所述的自我测试模式记录相对应于模拟输入电压的偏移误差时已产生。因此，经过补偿之后，在图8所假设的理想状况之下，原本其数字数值为K+ΔVd1的模拟输入电压将被转换至数字数值K，而原本其数字数值为K-ΔVd1的模拟输入电压将被转换至数字数值(K-1)。偏移误差ΔVd1在经过补偿电压ΔVc的补偿后，本发明的模拟至数字转换器200的非线性误差将小于补偿电压ΔVc，换言之，本发明的模拟至数字转换器200在经过补偿之后，其非线性误差的容忍度缩小在±ΔVc之内。
本发明的模拟至数字转换器200可实现内建自我测试的功能，因此，本发明的模拟至数字转换器200将不需要如先前技术的模拟至数字转换器100一样需要斜波产生器来实现内建自我测试电路，在减少斜波产生器所占去的体积后，实现本发明的模拟至数字转换器200的芯片的体积将较先前技术的模拟至数字转换器100来得小，也省去了斜波产生器测试非线性误差所耗的大量时间。
当使用本发明所述的微调程序来得到对应于各种模拟输入电压的偏移误差后，等式(1)将再次变得可行，且通过本发明所实施的自我测试模式，本发明的模拟至数字转换器的精确度亦可加以确保。由于只需要微调输入电压所代表的数字数值的后半部有效位，因此在测试时，测试结果准确的部分后半部有效位所代表的模拟电压一定会比偏移误差所代表的模拟电压来得小，也因此本发明的模拟至数字转换器转换模拟电压为数字数值时，将不易受到模拟电压包含的偏移误差的影响，因为较小权位的有效位的精确度已被确保。
通过本发明的模拟至数字转换器的控制逻辑与其包含的其它元件的共同运作，可使用简易的测试平台来检测本发明的模拟至数字转换器的非线性误差，因为所需的偏移误差皆已在自我测试模式中测量得到。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种可于两相异模式下操作的模拟至数字转换器，其包含逐次近似暂存器；比较器，包含输出端，耦合于该逐次近似暂存器的第一输入端；第一开关，耦合于该比较器的第一输入端以及模拟接地端；第二开关，耦合于该比较器的第二输入端以及该模拟接地端；第一数字至模拟转换器，包含第一输入端，耦合于该逐次近似暂存器的第一输出端，以及第二输入端，耦合于该逐次近似暂存器的第二输出端；第二数字至模拟转换器，包含输出端，耦合于该比较器的第一输入端；第三数字至模拟转换器，包含第一输入端，耦合于该逐次近似暂存器的第二输出端，以及第二输入端，耦合于该逐次近似暂存器的第三输出端；第三开关，耦合于第一参考电压源，该第一数字至模拟转换器的第一输出端，以及该第三数字至模拟转换器的第三输入端；第四开关，耦合于第二参考电压源，该第一数字至模拟转换器的第二输出端，以及该第三数字至模拟转换器的第四输入端；第五开关，耦合于该第三数字至模拟转换器的输出端，以及该比较器的第二输入端；及第六开关，耦合于该第一数字至模拟转换器的第二输出端，该第二参考电压源，模拟输入电压源，以及该第五开关。
2.根据权利要求1所述的转换器，其中该第一数字至模拟转换器包含第三输入端，耦合于该第一参考电压源。
3.根据权利要求1所述的转换器，其中该第一数字至模拟转换器包含第四输入端，耦合于该第二参考电压源。
4.根据权利要求1所述的转换器，其中该第一数字至模拟转换器包含第三输出端，耦合于该第二数字至模拟转换器的第三输入端，第四输出端，耦合于该第二数字至模拟转换器的第四输入端，以及第五输出端，耦合于该第二数字至模拟转换器的第五输入端，该第五输出端用来输出平均电压，且该平均电压的值为该第一数字至模拟转换器的第三输出端所输出的电压与该第一数字至模拟转换器的第四输出端所输出的电压的平均值。
5.根据权利要求1所述的转换器，其中该逐次近似暂存器还包含第二输入端，用来接收测试电压以控制该逐次近似暂存器的操作模式，第三输入端，用来接收控制信号以控制该第一数字至模拟转换器包含的各电容的开关状态，第四输出端，用来输出输出信号上界，以及第五输出端，用来输出输出信号下界。
6.根据权利要求1所述的转换器，还包含以S个输入位来测试K个输出位，其中该第一数字至模拟转换器，该第二数字至模拟转换器，该第三数字至模拟转换器是皆用来在一次操作中处理N个位，S、K、N皆为整数，且S与K的和是小于N。
7.根据权利要求6所述的转换器，其中S与K的值皆为N/2。
全文摘要
当转换模拟输入电压为包含多个位的数字信号时，使用包含内建自我测试电路的模拟至数字转换器来实现转换操作并补偿模拟输入电压本身的偏移误差。该模拟至数字转换器的操作包含自我测试模式与正常模式。且该自我测试模式与该正常模式各自包含取样阶段与位循环阶段。
文档编号H03M1/12GK1988390SQ200610094178
公开日2007年6月27日 申请日期2006年6月27日 优先权日2005年12月21日
发明者杨昭锜, 唐春安 申请人:义隆电子股份有限公司