具有动态窗口长度的比较器跟踪控制方案的制作方法

本申请要求享有Ku He等人于2014年4月17日提交并且题为“COMPARATOR TRACKING CONTROL SCHEME WITH DYNAMIC WINDOW LENGTH”的美国专利申请No.14/255912的优先权的权益，通过引用将其整体并入本文。

技术领域

本公开涉及电子电路。更具体地，本公开涉及模拟-数字转换器(ADC)。

背景技术：

模拟-数字转换器(ADC)将模拟信号转换成用于由数字电子器件处理的离散数字信号。例如，ADC可用于将来自麦克风的模拟音频输入转换成数字信号，以用于由诸如微处理器或数字信号处理器(DSP)的数字处理器处理和操纵。图1中示出常规ADC的一个范例。

ADC 100可接收输入信号V_in，以用于转换成数字信号。输入信号V_in范围例如可在0与5伏之间。ADC可通过多个比较器102A-N将输入信号V_in转换成数字输出信号OUT。数字输出信号OUT可具有对应于比较器102A-N的数量的N位。比较器102A-N中的每个将输入信号V_in和参考电平比较，该参考电平是由电阻器104A-N定义的参考输入V_ref的分数。例如，当输入信号V_in范围为从0到5伏，并且存在四个比较器时，比较器102A可将输入电压V_in和3.75伏比较，比较器102B可将输入信号V_in和2.5伏比较，比较器102C可将输入信号V_in和1.25伏比较，并且比较器102N可将输入信号V_in和0伏比较。如果输入信号V_in分别不高于3.75、2.5、1.25和0伏，则比较器102A-N中的每个可输出零值。同样，如果输入信号V_in分别高于3.75、2.5、1.25和0伏，则比较器102A-N中的每个可输出一值。从而，当输入信号V_in是3.0伏时，输出数字信号OUT将是“0111”。例如可通过增加比较器102A-N的数量来改进ADC 100中的准确性。

在以上提供的范例中，比较器102A-N中的每个连续地将输入信号V_in和参考电平比较。从而，比较器102A-N中的每个正在消耗功率，尽管比较器102A-N中的一些的输出可能很少改变。在上述范例中，输入信号V_in范围可在0和5伏之间，但是通常仍然在2.5-3.0伏周围。对于这样的信号，比较器102A和102B可以足以针对时间的部分生成数字输出信号OUT，并且比较器102C和102D可以被断电。

常规跟踪ADC是聚焦于小采样区域的转换的一种类型的ADC。跟踪ADC可激活感兴趣区域周围的比较器，并且将比较器102A-N的其它比较器断电，以降低ADC 100的功耗。例如，在闪存类型的跟踪ADC中，在正常操作期间可以仅打开具有接近输入信号V_in的电压电平的参考电平的比较器。控制信号CTRL可用于打开和关闭在这种类型的ADC中的比较器102A-N。

常规跟踪ADC还可以例如打乱(shuffle)ADC的感测部件或者操纵输入信号V_in以适应ADC的跟踪范围，从而改进跟踪准确性或分辨率。例如，打乱ADC的感测部件可包括实施窗口跟踪特征，其打开设置数量的比较器102A-N，诸如四个比较器，并且然后基于输入信号V_in的电平来对通电的那四个比较器进行移位。在另一个范例中，适应ADC的跟踪范围可包括改变比较器102A-N的参考电平，诸如通过变化电阻器104A-N的电阻。然而，这两个常规跟踪ADC都具有比较器104A-N的固定数量的活动的比较器。这降低ADC对快速变化的输入信号V_in的响应的灵活性，同时还放置对跟踪ADC的功率节省潜能的限制。

此处提及的缺点仅仅是代表性的，并且被简单地包括以强调存在对改进的模拟数字转换器(ADC)的需要，尤其是对于消费级设备的需要。此处描述的实施例解决了某些缺点，但是不一定是本文所述的或本领域中已知的每个和每一个缺点。

技术实现要素：

一种用于模拟-数字转换器(ADC)的比较器跟踪方案可以通过随时间改变被供电以将模拟输入信号转换成数字输出信号的多个比较器而实现动态窗口尺寸。改变激活的比较器的数量可以允许ADC在模拟输入信号快速改变时增加比较器的数量，以增加ADC的数字输出信号的准确性。改变通电的比较器的数量还可以允许ADC在模拟输入信号相对恒定时减少比较器的数量，以通过减少通电的部件的数量来减小ADC的功耗。该动态窗口尺寸可允许ADC改进功耗与捕获模拟输入信号中的快速变化的信号的能力之间的权衡。

比较器跟踪方案例如可以在耦合到模拟数字转换器(ADC)中的多个比较器的控制器中实施。例如，控制器可以确定针对ADC的窗口尺寸，并且确定针对ADC的窗口位置。控制器然后可以激活在以窗口位置为中心并且具有窗口尺寸的宽度的窗口内的ADC的比较器。在一个实施例中，控制器可以通过分析耦合到模拟输入信号或数字输出信号的滤波器(诸如带通滤波器(BPF)或高通滤波器(HPF))的输出，来确定窗口尺寸。当滤波器输出指示快速变化的模拟输入信号时，控制器可以动态地增加ADC的窗口尺寸，这可以增加通电的比较器的数量。控制器可以在稍后时间时重新评价滤波器输出并更新窗口尺寸和/或窗口位置。在一个实施例中，控制器可连续地更新窗口尺寸和/或窗口位置。

根据一个实施例，一种装置可以包括：被配置成接收模拟信号的模拟输入节点；耦合到模拟输入节点并且被配置成将模拟信号转换成数字信号的多个比较器；和/或耦合到多个比较器的控制器。该控制器可以被配置成：确定用于转换模拟信号的窗口尺寸；确定用于转换模拟信号的窗口位置；打开在由所确定的窗口尺寸和所确定的窗口位置定义的窗口内的多个比较器中的比较器；和/或更新用于转换模拟信号的窗口尺寸。

在特定实施例中，控制器还可以被配置成至少部分地基于数字信号的频率输入内容来更新用于转换模拟信号的窗口尺寸；该控制器还可以被配置成当频率检测框输出高于第一阈值时，增加窗口尺寸；该控制器还可以被配置成当频率检测框输出低于第二阈值时，减小窗口尺寸；该控制器还可以被配置成当频率检测框检测到高变化幅度时，增加窗口尺寸；该控制器还可以被配置成当频率检测框检测到低变化幅度时，减小窗口尺寸；和/或该控制器还可被配置成通过至少部分地基于频率检测框输出而计算校正值并且将校正值添加到先前窗口位置以获得新窗口位置，来将窗口位置从先前窗口位置更新到新窗口位置。

在一些实施例中，该装置还可包括：耦合到控制器或与该控制器集成的并且被配置成接收数字信号的频率检测框，其中，该控制器被配置成至少部分地基于频率检测框的输出来更新窗口尺寸，其中，该频率检测框可以包括高通滤波器(HPF)，其中，该高通滤波器具有近似1-z^-1的传递函数，和/或其中，该频率检测框可包括带通滤波器(BPF)。

根据另一个实施例，一种方法可以包括：利用多个比较器将模拟信号转换成数字信号，其中，多个比较器的第一部分被激活并且多个比较器的第二部分不被激活，并且其中，比较器的第一部分由窗口尺寸和窗口位置来定义；至少部分地基于数字信号来确定针对比较器的第一部分的窗口尺寸，其中，窗口尺寸确定第一部分中的多个比较器的数量；至少部分地基于数字信号来确定针对比较器的第一部分的窗口位置，其中，窗口位置确定多个比较器中的哪些在第一部分中；和/或更新针对比较器的第一部分的窗口尺寸。

在特定实施例中，更新窗口尺寸的步骤可以包括至少部分地基于数字信号的频率输入内容来更新窗口尺寸；调节窗口尺寸的步骤可以包括当在数字信号中检测到低变化幅度时，减小窗口尺寸，并且当在数字信号中检测到高变化幅度时，增加窗口尺寸；检测变化幅度的步骤可以包括在数字信号上执行高通滤波；调节窗口尺寸的步骤可以包括当高通滤波的输出高于第一阈值时，增加窗口尺寸，并且当高通滤波的输出低于第二阈值时，减小窗口尺寸；和/或检测变化幅度的步骤可以包括在数字信号上执行带通滤波。

在一些实施例中，该方法还可以包括：检测数字信号的变化幅度；基于数字信号的变化幅度来调节窗口尺寸；和/或通过至少部分地基于数字信号中的检测到的频率变化计算校正值并且将校正值添加到先前窗口位置以获得新窗口位置，来将窗口位置从先前窗口位置调节到新窗口位置。

根据另外的实施例，一种装置可以包括：被配置成将模拟信号转换成数字信号的多个比较器；被耦合以接收数字信号并且被配置成确定数字信号的频率输入内容的处理框；和/或耦合到处理框并且耦合到多个比较器的控制器。该控制器可以被配置成：至少部分地基于数字信号的频率输入内容来确定用于转换模拟信号的窗口尺寸；确定用于转换模拟信号的窗口位置；打开在由所确定的窗口尺寸和所确定的窗口位置定义的窗口内的多个比较器中的比较器；和/或至少部分地基于数字信号的频率输入内容来更新用于转换模拟信号的窗口尺寸。

在特定实施例中，处理框可以包括频率检测框；处理框可包括高通滤波器(HPF)，其中，控制器被配置成当高通滤波器(HPF)输出高于第一阈值时，增加窗口尺寸，并且当高通滤波器(HPF)输出低于第二阈值时，减小窗口尺寸；和/或控制器可以包括：被配置成确定多个比较器的要激活的部分的数字输出跟踪和预测框以及被配置成生成控制序列以激活多个比较器的该部分的模拟-数字转换器(ADC)控制序列框。

在一些实施例中，该装置还可以包括耦合到由多个比较器输出的数字信号的火花代码校正框；和/或耦合到火花代码校正的热码解码框。

前面已经相当广泛地概述本发明的实施例的某些特征和技术优点，以便可以更好地理解下面的具体实施方式。在下文中，将对形成本发明的权利要求的主题的另外的特征和优点进行描述。本领域的普通技术人员应该意识到，可以容易地利用所公开的构思和具体实施例作为修改或者设计用于执行相同或者相似目的的其它结构的基础。本领域的普通技术人员还应该认识到，这种等效构造不会脱离在权利要求中阐述的本发明的精神和范围。当结合附图考虑时，根据以下描述会更好地理解另外的特征。然而，要清楚地理解，每个图仅是为了说明和描述的目的而提供的，而不旨在限制本发明。

附图说明

为了更彻底地理解所公开的系统和方法，现在结合附图来参考以下描述。

图1是常规模拟-数字转换器(ADC)的示意图。

图2A是图示根据本公开的一个实施例的用于具有第一窗口尺寸的模拟-数字转换器(ADC)的比较器的控制方案的框图。

图2B是图示根据本公开的一个实施例的用于具有第二窗口尺寸的模拟-数字转换器(ADC)的比较器的控制方案的框图。

图3是图示根据本公开的一个实施例的动态地控制模拟-数字转换器(ADC)的窗口尺寸的方法的流程图。

图4是图示根据本公开的一个实施例的具有模拟-数字转换器(ADC)的动态窗口尺寸控制的控制器的框图。

图5是图示根据本公开的一个实施例的基于高通滤波器(HPF)的输出来调节模拟-数字转换器(ADC)的窗口尺寸的方法的流程图。

图6是图示根据本公开的一个实施例的用于模拟-数字转换器(ADC)中的动态窗口尺寸的状态机的框图。

图7是图示根据本公开的一个实施例的窗口位置中的改变的框图。

图8是图示根据本公开的一个实施例的用于调节窗口位置的方法的流程图。

具体实施方式

在图2A-2B中概念性地示出了用于模拟-数字转换器(ADC)的动态窗口尺寸。图2A是图示根据本公开的一个实施例的用于具有第一窗口尺寸的模拟-数字转换器(ADC)的比较器的控制方案的框图。多个比较器均可以在数字输出信号OUT中输出一个位。亦即，位202A-N距可以对应于ADC的一个比较器的输出。具有多个位的控制信号CTRL可以被提供给多个比较器。当对应于比较器的控制位204A-N的位是“1”时，比较器可以激活。例如，如图2A中所示的控制位204B-E是“1”位，并且因此对应于输出位202B-E的比较器被激活。尽管在控制位204A-N中示出“1”和“0”位，但是可反转该值，使得“0”位激活对应的比较器。“1”控制位204B-204E可定义活动的比较器的窗口210。亦即，对应于窗口210内的输出位202B-E的比较器是活动的并且被通电。

控制位204A-N可以由耦合到比较器和ADC的控制器生成。控制器可以例如通过改变控制位204A-N来调节窗口210的尺寸。图2B是图示根据本公开的一个实施例的用于具有第二窗口尺寸的模拟-数字转换器(ADC)的比较器的控制方案的框图。控制位204A-F由控制器设置为“1”位以定义经更新的窗口220。窗口220比窗口210大两个位。因此，两个额外的比较器可以由控制信号CTRL激活。尽管窗口220被示为以与窗口210相同的位置为中心，但是窗口220的位置也可以在更新期间改变。例如，窗口220可以从控制位204A-F移位到控制位204B-G。当窗口220的位置与窗口220的尺寸一起被控制时，尺寸和位置可以独立地被控制。

动态窗口尺寸可以根据图3中所示的方法而被实施在模拟-数字转换器(ADC)中。图3是图示根据本公开的一个实施例的动态地控制模拟-数字转换器(ADC)的窗口尺寸的方法的流程图。方法300在框302处始于确定针对模拟-数字转换器(ADC)的窗口尺寸。然后，在框304处，针对ADC确定窗口位置。所确定的窗口尺寸和位置可以定义活动的比较器的窗口，诸如图2A-B的窗口210和220。在框306处，可以对应于框302的所确定的窗口尺寸和框304的所确定的窗口位置而激活ADC的比较器。比较器可以由通过控制器生成的控制信号，诸如图2A-B的控制位204A-N来激活。稍后，可以在框308处更新框302的所确定的窗口尺寸，并且可以在框310处更新框304的所确定的窗口位置。可以例如在耦合到ADC的控制器内运行图3的方法300。

图4中示出了用于控制模拟-数字转换器(ADC)的控制器的一个范例。图4是图示根据本公开的一个实施例的具有模拟-数字转换器(ADC)的动态窗口尺寸控制的控制器的框图。系统400可以包括耦合到ADC 404的控制器410。ADC 404可以包括多个比较器，控制器410可以指示实施多个比较器激活(例如通电)或去激活(例如断电)。ADC 404可以耦合到模拟输入节点402以接收模拟输入信号V_in。ADC 404可以输出可以由控制器410进一步处理以生成数字输出信号OUT的数字信号sig。例如，控制器410可以包括可校正气泡误差的火花(sparkle)代码校正框412，以及可以将温度计码转换成二进制补码的热代码解码框414，以处理数字信号sig，并且生成数字输出信号OUT。尽管控制器410的框被示为控制器410的单独部件，但是框可在一个或多个控制器中被实施为一个或多个集成电路(IC)的部分。控制器或IC例如可被集成到电子器件中，诸如包括蜂窝电话和移动音频播放器的移动设备。

控制器410还可包括耦合到数字输出信号OUT的滤波器416。滤波器416例如可以是带通滤波器(BPF)或高通滤波器(HPF)。在一个实施例中，当滤波器416是HPF时，滤波器416可具有1-z^-1的传递函数以及大约0.5MHz至3MHz的更新速率。滤波器416的输出可以被提供给ADC输出跟踪和预测框418。ADC输出跟踪和预测框418可包括频率检测框，该频率检测框例如包含逻辑电路以处理滤波器416的输出并确定模拟输入信号V_in内的改变的频率。ADC输出跟踪和预测框418还可包括逻辑电路，实施逻辑电路用于基于来自滤波器416的信息以及来自ADC 404的当前和先前输出来确定窗口尺寸和窗口位置。例如，框418可以从滤波器416和火花代码校正框412接收数据，并且生成模拟输入信号V_in的未来值的预测，并且为模拟输入信号V_in的预测的未来值确定适当的窗口尺寸和窗口位置。所确定的窗口尺寸和窗口位置可以从框418输出到ADC控制序列框420，ADC控制序列框420可将所确定的窗口尺寸和窗口位置转换成提供给ADC 404的控制信号。来自ADC控制序列框420的输出控制信号例如可以是以上参考图2A-B描述的控制位204A-N。

当滤波器416是高通滤波器(HPF)时，高通滤波器可以确定在输出数字信号OUT处的改变的幅度，该幅度指示在输入模拟信号V_in处的改变的幅度。阈值可以被设置在ADC输出跟踪和预测框418内，以基于高通滤波器(HPF)的输出动态地调节ADC 404的窗口尺寸。图5是图示根据本公开的一个实施例的基于高通滤波器(HPF)的输出来调节模拟-数字转换器(ADC)的窗口尺寸的方法的流程图。方法500可以在框502处始于确定高通滤波器输出是否高于第一阈值。如果超过第一阈值，则方法500可以进行到框504以增加针对ADC 404的窗口尺寸。当高通滤波器输出为高时，模拟输入信号V_in可以快速地改变。因此，当ADC输出跟踪和预测框418的频率检测框检测到高变化幅度时，框504可以对应于增加窗口尺寸。

如果在框502处未超过第一阈值，则方法500继续到框506以确定高通滤波器(HPF)的输出是否低于第二阈值。当输出低于第二阈值时，方法500可以进行到框508以减小针对ADC 404的窗口尺寸。当高通滤波器(HPF)输出低于第二阈值时，模拟输入信号V_in可以被认为是相对恒定的。因此，当频率检测框检测到低变化幅度时，框508可对应于减小窗口尺寸。减小窗口尺寸可以减少活动的比较器的数量，并且因此可以减少ADC 404内的功耗。降低的功耗在小型设备中可以是有利的，其中，可利用用于散热的小空间。降低的功耗在便携式设备中也可以是有利的，以延长电池寿命。在分别在框504和508处增加或减小窗口尺寸之后，方法500可以返回到框502以继续更新窗口尺寸。如果在框506处在窗口尺寸中没有进行任何改变，则方法500可以返回到在框502处测试高通滤波器(HPF)的输出。

在框504和508处的窗口尺寸的增加和减小可以在状态机中实施。在状态机中，分别用于增加或减小窗口尺寸的第一阈值和第二阈值可以基于状态机的当前状态来调节。图6是图示根据本公开的一个实施例的用于模拟-数字转换器(ADC)中的动态窗口尺寸的状态机的框图。状态机600可以包括例如：对应于四个比较器的窗口尺寸的状态602、对应于六个比较器的窗口尺寸的状态604以及对应于八个比较器的窗口尺寸的状态606。尽管仅示出三个范例状态602、604和606，但是可以在状态机600中包括额外的更大或小的窗口尺寸。另外，在状态机600内，除了两个之外的尺寸的窗口尺寸的增量也是可能的。状态机600可每时钟循环更新一次，亦即，确定是否在状态602、604和606之间转变。在上面描述的一个实施例中，时钟循环可以是大约0.5MHz至3MHz。

状态机600例如可以开始于具有四的窗口尺寸的状态602。当高通滤波器(HPF)的输出大于2时，状态机600可以转变到具有六的窗口尺寸的状态604。高通滤波器(HPF)可以产生用于确定数据的内容的多个不同输出。在一个实施例中，高通滤波器(HPF)输出可以是指示信号的改变的相对幅度的离散值。例如，对应于状态602和604之间的转变的值“2”可指示经过高通滤波器(HPF)的信号的某一幅度的变化。在状态604处，第一阈值可以被设置为三，而第二阈值可被设置为一。当高通滤波器(HPF)的输出大于或等于三时，状态机600可转变到具有八的窗口尺寸的状态606。当高通滤波器(HPF)的输出小于或等于一时，状态机600可以返回到具有四的窗口尺寸的状态602。类似于状态机600的通用状态机可以由用于窗口尺寸的等式来公式化：

其中W(n)是当前窗口尺寸，W(n-1)是先前窗口尺寸，并且阈值₁、阈值₂和阈值₃是用于改变动态窗口尺寸的阈值。阈值可以随着窗口尺寸改变而改变。例如，在状态602中，阈值₁可以是2而阈值₃可以是1，并且在状态604中，阈值₁可以是3而阈值₃可以是1。

如上所述，可以动态地调节窗口尺寸。还可以独立于窗口尺寸而动态地调节窗口位置。在图7中概念性地示出了窗口位置中的改变。图7是图示根据本公开的一个实施例的窗口位置中的改变的框图。窗口702初始地可以被定位于位n、n-1、n-2、n-3、n-4和n-5周围。数字输出信号OUT的对应输出位可以分别为0、0、0、1、1和1。在一个实施例中，可以选择窗口位置以在窗口702的中心处定位从数字输出信号OUT的0到1的转变。在其它实施例中，可选择窗口位置以定位从0到1的转变以在信号正改变的方向上提供额外的余量。例如，当预期从0到1的转变朝向较低有效位(LSB，例如图7的位的右侧)移动时，可以选择窗口位置以朝向较高有效位(MSB，例如图7的位中的左侧)放置从0到1的转变。可以确定新窗口位置，并且将窗口702移位到包括位n-2、n-3、n-4、n-5、n-6和n-7的窗口704。如图7中所示，窗口702和704的窗口尺寸相同。然而，当窗口位置改变时，窗口尺寸中的改变也可以发生。

窗口位置控制可以被编程到图4的控制器410中。图8中示出了用于由控制器调节窗口位置的一种方法。图8是图示根据本公开的一个实施例的用于调节窗口位置的方法的流程图。方法800可在框802处始于接收高通滤波器(HPF)输出。在框804处，可以基于在框802处的接收的HPF输出来确定校正值。校正值例如可以是指示将窗口位置移位的量和方向的增量差值。然后，在框806处，可以将校正值添加到模拟-数字转换器(ADC)的当前窗口位置。在一个范例中，可以根据下式来计算新窗口位置：

位置(k)＝位置(k-1)+Δ，

其中，Δ是校正值，位置(k-1)是先前窗口位置，而位置(k)是新窗口位置。

如果实施在固件和/或软件中，那么上面描述的功能可以作为一个或多个指令或者代码而存储在计算机可读介质上。范例包括利用数据结构来编码的非暂态计算机可读介质和利用计算机程序来编码的计算机可读介质。计算机可读介质包括物理计算机存储介质。存储介质可以是计算机能够访问的任何可用介质。通过示范而非限制的方式，这种计算机可读介质能够包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或者其它光盘存储设备、磁盘存储设备或者其它磁盘存储设备、或者是能够被用于存储采用指令或者数据结构的形式的期望程序代码并且计算机能够访问的任何其它介质。磁盘和光盘包括压缩光盘(CD)、激光盘、光盘、数字多功能光盘(DVD)、软磁盘和蓝光盘。通常，磁盘磁性地复制数据，而光盘光学地复制数据。以上的组合也应该被包括在计算机可读介质的范围内。

除了计算机可读介质上的存储设备外，指令和/或数据可以被提供为被包括在通信装置中的传输介质上的信号。例如，通信装置可包括具有指示指令和数据的信号的收发器。指令和数据被配置成使得一个或多个处理器实施权利要求中概述的功能。

尽管已经详细描述了本公开和某些代表性的优点，但是应当理解：能够在本文中进行各种改变、替换和变更，而不脱离如由权利要求定义的本公开的精神和范围。例如，尽管以上描述了模拟-数字转换器(ADC)中的比较器的激活，但是可以利用上述控制器来控制其它部件和/或可以利用上述控制器来控制为了除了模拟-数字转换之外的目的的比较器。此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质的组成、模块、方法和步骤的特定实施例。如本领域的普通技术人员根据本公开将容易意识到的，可以利用与本文所描述的对应的实施例执行大体上相同的功能或者实现大体上相同的结果的、目前存在的或者以后将会开发的过程、机器、制造、物质的组成、模块、方法或步骤。因此，权利要求旨在将这种过程、机器、制造、物质的组成、模块、方法或步骤包括在其范围内。