使用非均匀量化执行数据转换的方法及装置制造方法
【专利摘要】模数转换器（ADC200-A）用作积分ADC。采样保持（S/H）电路（202）使用时钟信号（SCLK）对输入信号x(t)进行采样。数模转换器（DAC212）施加由控制信号（DCNTL）设定的电流以便使S/H电路的输出节点处的电压从采样电压改变。比较器（204）比较该电压和基准电压（REF），并且当达到基准电压时输出脉冲（输出信号COUT的一部分）至控制器（206）。随着该电压从采样电压改变，计数器（208）递增计数值来测量时间。输出电路（210）根据时间间隔和DAC（212）施加的电流来生成数字输出信号（y[n]）。
【专利说明】使用非均匀量化执行数据转换的方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及模数转换器(ADC)，更具体涉及ADC内的非均匀量化器。
【背景技术】
[0002]量化一般是ADC的功能的一部分，并且在ADC中使用的大多数量化器是线性的。例如，许多闪速ADC (flash ADC)采用均匀划分供给电压的电阻分压器来产生等距离间隔开的几个基准电压。然而，有一些常规ADC具有非均匀的量化器，例如ADC100。如图所示，ADC100 一般包括采样保持(S/H电路)电路102和非均匀量化器104 (其包括具有电阻器Rl至R8的分压器和比较器106-1至106-7)。电阻器Rl至R8具有不同的电阻(S卩，R至5*R)，使得施加到比较器106-1至106-7的基准电压是非均匀隔开的。然而，这些常规的ADC有许多问题(即高功耗、低精度等)。因此，需要一种采用非均匀量化的改进的ADC架构。
[0003]一些其他常规电路是:美国专利US5，801，657 ;美国专利US6，271，782 ;美国专利 US7, 859，441 ;Narayanasami 等人 “A Design Technique for Nonuniform Quantizerin PCM Generation，，IEEE Transactions on Circuits and Systems，CAS-29，Vol.3，Marchl982 ；Li 等人，“A Second Order Sigma Delta Modulator Using Sem1-uniformQuantizer with81dB Dynamic Range at32x 0SR，，，Proc.Europrean Solide StatesCircuits Conference，pp.579-582，September2002 ；Syed Murtuza，“Non-UniformError-Sampled Control Systems，，，Proc.0f the29th Conf.0n Decision and Control，Dec.1990 ；以及 Bingxin Li，“Design of Mult1-bit Sigma-Delta Modulators forDigital Wireless Communications，，，Ph.D Dissertation，2003。
【发明内容】
[0004]因此，一个实施例提供一种装置。该装置包括:釆样保持(S/H)电路，其被配置为根据输入信号生成釆样电压，其中S/H电路由釆样时钟信号控制；数模转换器(DAC)，其耦合到S/H电路的输出端子，以便施加多个施加电流中的至少一个到S/H电路的输出端子；t匕较器，其耦合到该输出端子并且接收基准电压；计数器，其被配置为确定使用来自DAC的多个施加电流中的第一施加电流使S/H电路的输出端子上的第一电压从米样电压改变到基准电压的第一间隔的长度；以及控制器，其耦合到比较器、DAC、计数器以及S/H电路，其中控制器提供采样时钟信号至S/H电路，并且其中控制器提供时钟信号至计数器，并且其中控制器被配置为在S/H电路的输出端子上的第一电压达到基准电压后调整DAC以提供第二施加电流，并且其中在与采样电压关联的采样时钟的采样周期期间，计数器被配置为确定使用来自DAC的多个施加电流中的第二施加电流使S/H电路的输出端子上的第二电压从采样电压改变到基准电压的第二间隔的长度。
[0005]根据一个实施例，S/H电路进一步包括多个采样支路，其中每个采样支路耦合到S/H电路的输出端子，由来自控制器的采样控制信号控制，并且具有采样电容器。
[0006]根据一个实施例，DAC进一步包括:多个开关，其中每个开关耦合到S/H电路的输出端子，并且其中每个开关由控制器控制；以及多个电流源，其中每个电流源耦合到至少一个开关。
[0007]根据一个实施例,多个电流源被配置为对米样电容器放电。
[0008]根据一个实施例,多个电流源被配置为对米样电容器充电。
[0009]根据一个实施例，该装置进一步包括耦合到控制器的输出电路。
[0010]根据一个实施例，控制器提供时钟信号至比较器。
[0011]根据一个实施例，提供一种装置。该装置包括:S/H电路，其被配置为在多个采样时刻根据输入信号生成多个采样电压，其中S/H电路由采样时钟信号控制；DAC，其耦合到S/H电路的输出端子，以便施加多个电流中的至少一个到S/H电路的输出端子；比较器，其耦合到输出端子并且接收基准电压；计数器，其被配置为确定S/H电路的输出端子上的电压从每个采样电压改变至基准电压的间隔的长度；以及控制器，其耦合到比较器、DAC、计数器以及S/H电路，并且其中控制器提供时钟信号至计数器，并且其中控制器被配置为至少部分地基于电流采样电压为随后的采样电压调整基准电压。
[0012]根据一个实施例，DAC进一步包括第一 DAC，并且其中该装置进一步包括第二 DAC，第二 DAC耦合在控制器和比较器之间并且提供基准电压至比较器。
[0013]根据一个实施例，S/H电路进一步包括米样电容器。
[0014]根据一个实施例，第一 DAC进一步包括:多个开关，其中每个开关耦合到S/H电路的输出端子，并且其中每个开关由控制器控制；以及多个电流源，其中每个电流源耦合到至少一个开关。
[0015]根据一个实施例，多个电流源被配置为对米样电容器放电。
[0016]根据一个实施例，多个电流源被配置为对米样电容器充电。
[0017]根据一个实施例，控制器至少部分地基于两个先前的采样电压的斜率为随后的采样电压调整基准电压。
[0018]根据一个实施例，提供一种方法。该方法包括:在米样时刻米样输入信号以生成米样电压；施加第一电流至节点以改变该节点上的电压；确定使用第一电流将该节点上的电压从采样电压改变到基准电压的第一间隔；施加第二电流至该节点以在随后的采样时刻之前改变该节点上的电压；以及确定使用第二电流将该节点上的电压从采样电压改变到基准电压的第二间隔。
[0019]根据一个实施例，该方法进一步包括:将米样电压存储在第一和第二电容器上；在施加第一电流的步骤之前将第一电容器耦合至该节点；以及在施加第二电流的步骤之前将第二电容器耦合至该节点。
[0020]根据一个实施例，确定第一间隔的步骤进一步包括使用时钟信号递增第一计数值，直到节点上的电压达到基准电压，并且其中确定第二间隔的步骤进一步包括使用时钟信号递增第二计数值，直到节点上的电压达到基准电压。
[0021]根据一个实施例，该方法进一步包括:如果在随后的采样时刻之前使用第二电流使节点上的电压达到基准电压，则将第二计数值转换为采样电压的数字表示；以及如果在随后的采样时刻之前使用第二电流没有使节点上的电压达到基准电压，则将第一计数值转换为米样电压的数字表不。
[0022]根据一个实施例，第一和第二电流分别将第一和第二电容器放电到基准电压。[0023]根据一个实施例,第一和第二电流分别将第一和第二电容器充电到基准电压。
[0024]根据一个实施例,提供一种方法。该方法包括:在米样时刻米样输入信号以生成米样电压；施加电流至节点以改变该节点上的电压；确定使用电流将该节点上的电压从采样电压改变到基准电压的间隔；以及至少部分地基于该间隔为随后的采样调整基准电压。
[0025]根据一个实施例，该方法进一步包括:将采样电压存储在电容器上；并且在施加电流的步骤之前将电容器耦合至该节点。
[0026]根据一个实施例，确定间隔的步骤进一步包括使用时钟信号递增第一计数值，直到节点上的电压达到基准电压。
[0027]根据一个实施例，该方法进一步包括将计数值转换为采样电压的数字表示。
[0028]根据一个实施例，调整的步骤进一步包括:计算采样电压和先前采样之间的斜率；以及至少部分地基于该斜率为随后的采样调整基准电压。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]参考附图来描述示例性实施例，其中:
[0030]图1是采用非均匀量化器的常规ADC的示例的图示；
[0031 ] 图2是根据一个实施例的ADC的示例的图示；
[0032]图3和图5是更详细地示出图2的S/H电路和DAC的示例的图示；
[0033]图4和图6是图2的ADC分别使用图3和图5的DAC时的操作的图示；
[0034]图7是根据一个实施例的ADC的示例的图示；以及
[0035]图8是图7的ADC使用图5的DAC时的操作的图示。
【具体实施方式】
[0036]图2根据一个实施例示出ADC200-A的示例，其中ADC100 —般用作“积分”ADC。优选地，S/H电路202在由采样时钟信号SCLK (其一般由时序电路和/或控制器206提供)设定的采样时刻采样输入信号X (t)，并且该采样被提供在S/H电路202的输出节点或输出端子上。DAC212将电流(其由来自控制器206的控制信号DCNTL设定)施加到S/H电路的输出节点或输出端子，以便改变该节点上的电压。随着在S/H电路202的输出端子上的电压由于DAC212施加的电流而从采样电压改变，比较器204 (其通常是由时钟信号CLK控制的锁存比较器)比较该电压和基准电压REF。当该节点或端子上的电压达到基准电压REF时，比较器输出脉冲(其是输出信号COUT的一部分)至控制器206。随着S/H电路202的输出端子上的电压正在从采样电压改变到基准电压REF，计数器208 (使用时钟信号)递增计数值以测量电压改变发生的间隔/时间间隔(interval)。然后，输出电路210能够根据该间隔和DAC212施加的电流产生数字表示或数字输出信号y[n]。
[0037]存在实现ADC200-A的几种方式，并且这些实施方式之一的一部分的示例可以参见图3。通常，S/H电路202采用采样电容器来存储采样信号的值(电压)。这里，S/H电路202由输入开关SS-1和输出开关SS-2以及多个支路(即，如图所示的p个支路)来表示，输入开关SS-1和输出开关SS-2分别由采样时钟信号SCLK及其反相信号激活。如图所示，为了简单起见，这些支路中的每一个一般包括开关CS-1至CS-p (其由来自控制器206的控制信号SCNTL控制)和采样电容器C-1至C-p。通过使用这种布置，可以对采样电压或存储值执行多种操作或数据转换。此外，DAC212-A (其是如图所示的电流引导型DAC)包括多个支路(即，k个支路)，每个支路包括开关IS-1至IS-k和电流源214-1至214-k。基于控制信号DCNTL，可以调整施加到S/H电路202的输出端子的电流，以便将供应该电压至此输出端子的电容器CS-1到CS-p放电。通过使用这种布置，ADC200-A能够使用不同幅值的电流(即，两个或更多)在采样周期内对单个采样进行多次测量(即，两次或更多)，以达到更好的精度。同样，这个示例不能用作“真正的”积分ADC，因为它进行了放电；然而，它采用了类似的原理。
[0038]图4示出使用DAC212-A的ADC100的操作的示例。对于这个示例，可以假定，DAC212内有4个支路(S卩，k=4)并且在S/H电路202内有2个支路(S卩，p=2)。对于采样时刻Ts1，采样时钟信号SCLK转变到逻辑高或“1”，持续时钟信号CLK的周期的一半(这激活开关SS-1并停用开关SS-2)，并且在对应于采样时刻Ts1的时钟信号CLK的周期期间，控制器206发出具有“11”值的控制信号SCNTL，这意味着开关CS-1和CS-2被激活或闭合，以便将电容器CS-1和CS-2充电至采样电压X(Ts1)。在对应于采样时刻Ts1的时钟信号CLK的周期之后，因为控制信号SCNTL (其为“01”)激活开关CS-1，所以电容器C-1耦合到输出端子，并且DAC212-A将电流Il (在该示例中，其对应于控制信号DCNAL “1111”)施加至输出端子。如图所示，使用时钟信号CLK的I个周期(Tm)将电容器C-1放电到基准电压REF(在该示例中，其为0V)，从而将交叉脉冲(crossing pulse)输出在输出信号COUT上。因为在采样时刻之间有10个周期Tm，所以控制器206能够在采样时刻Ts1的采样周期内以更高的分辨率解析采样电压X(Ts1)。随后，控制器206通过使用控制信号DCNTL (其为“0001”)将施加到输出端子的电流调整到电流12。然后，控制器206通过使用控制信号SCNTL(其为“10”)闭合开关CS-2，从而将电容器C-2耦合到输出节点。电流12在5个周期Tm内对电容器C-2放电。因为第二测量(即，针对电流12为5个Tm)具有更高的分辨率，所以第二测量可以用于生成数字输出或数字表示Y[n]。对于下一个采样时刻Ts2，执行相同的过程，但是DAC212-A (其施加对应于控制信号DCNTL “1100”的电流13)在下一个采样周期开始之前不能对电容器C-2放电。因此，采样时刻Ts2的第一测量(即，针对电流Il为3个Tm)可以用来生成采样电压X(Ts2)的数字表示。然后使用这种布置，ADC200-A的整体精度可以被改善超过其他常规的实施方式。
[0039]替换地，可以采用真正的积分ADC的实施方式。这种实施方式的示例可以参见图5，其示出与ADC200-A —起使用的DAC212-B。如图所示，图5的S/H电路202和DAC212-B具有类似于图3的S/H电路202和DAC212-A的配置。然而，一个区别是，电流源214-2至214-K对电容器C-1至C-p充电，以便将输出端子上的电压“上拉”至基准电压REF，从而操作为“真正的”积分ADC。作为另一个实施方式，DAC212-A也可以与DAC212-B结合，从而对S/H电路202内的电容器(即CP-1)执行放电和充电两者。
[0040]ADC200-A (其采用DAC212-B)的操作的示例可以参见图6，其使用与图4相同的假设。采用DAC212-B的ADC200-A以类似于采用DAC212-A的ADC200-A的方式工作，但是基准电压REF是不同的。对于该示例，可以假设基准电压是大于最大预期输入信号x(t) (BP,7V)的正电压。因为基准电压REF大于输入信号X (t)。ADC200-A测量输出节点或输出端子上的电压达到基准电压REF的间隔(S卩，针对使用电流Il的采样电压X(Ts1)为3个Tm)，从而提供了与采用DAC212-A的ADC200-A类似的结果。[0041]图7示出采用非均匀量化器的ADC200-B的另一个示例。ADC200-A与ADC200-B在构造上类似，具有相同的功能，不同之处在于ADC200-B的量化器包括DAC216。该DAC216(其通常由来自控制器206的控制信号DREF控制)一般用于调整基准电压REF，以捕获更小的电压摆动。推测起来，在每个采样时刻(即，TS2)处的输入信号x(t)的电压将“接近”在先前采样时刻(即，TS1)处的输入信号x(t)的电压，或者在每个采样时刻(即，TS3)处的输入信号x(t)的电压可以根据一组先前采样(即，TS1和TS2)预测。控制器206可以包括预测器或者可以包括在具有存储介质的处理器上实现的预测算法，预测器或者预测算法可以使用先前的采样电压(即，X(Ts2))的数字表示对基准电压REF进行调整。例如，可以根据两个先前采样的数字表示计算斜率。也可以采用其他替代算法。
[0042]ADC200-B的操作的示例可以参见图8。为了在该示例中简化解释，DAC212-B被示为施加大致恒定的电流，但是可以使用上述的转换过程。如图所示，输入信号x(t)在采样时刻Ts1和Ts2之间变化剧烈(具有大的电压摆动)，并且在采样时刻Ts2和Tsltl之间变化轻微(具有小的电压摆动)。因此，期望降低基准电压REF，以对采样时刻Ts2至Tsltl实现更高的分辨率。首先，对于采样电压X (Ts1)至X(Ts3),控制器206设定基准电压为电压VO (其可以是默认电压)，以执行积分数据转换(如上所述)。因为X(Ts2)至X(Ts3)之间差别较小，所以控制器206通过控制信号DREF将基准电压REF降低到电压VI。对于采样时刻Ts6,基准电压REF也被降低到电压V2。因此，ADC200-B能够在亚奈奎斯特采样率下为更低的电压摆动实现更高的粒度(granu I ar i ty )。
[0043]本领域技术人员将会理解，可以对所述的示例性实施例进行修改，并且在所要求保护的发明的范围内，许多其它实施例也是可能的。
【权利要求】
1.一种装置，其包括: 采样保持电路，即S/H电路，其被配置为根据输入信号生成采样电压，其中所述S/H电路是由采样时钟信号控制的； 数模转换器，即DAC，其耦合到所述S/H电路的输出端子，以便施加多个施加电流中的至少一个到所述S/H电路的所述输出端子； 比较器，其耦合到所述输出端子并接收基准电压； 计数器，其被配置为确定使用来自所述DAC的所述多个施加电流中的第一施加电流使所述S/H电路的输出端子上的第一电压从所述采样电压改变至所述基准电压的第一间隔的长度；以及 控制器，其耦合到所述比较器、所述DAC、所述计数器以及所述S/H电路，其中所述控制器提供所述采样时钟信号至所述S/H电路，并且其中所述控制器提供时钟信号至所述计数器，并且其中所述控制器被配置为在所述S/H电路的所述输出端子上的所述第一电压达到所述基准电压后调整所述DAC以提供第二施加电流，并且其中在与所述采样电压关联的所述采样时钟的采样周期期间，所述计数器被配置为确定使用来自所述DAC的所述多个施加电流中的第二施加电流使所述S/H电路的所述输出端子上的第二电压从所述采样电压改变至所述基准电压的第二间隔的长度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述S/H电路进一步包括多个采样支路，其中每个采样支路耦合到所 述S/H电路的所述输出端子，由来自所述控制器的采样控制信号控制，并且具有采样电容器。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述DAC进一步包括: 多个开关，其中每个开关耦合到所述S/H电路的所述输出端子，并且其中每个开关由所述控制器控制；以及 多个电流源，其中每个电流源耦合到所述开关中的至少一个。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述多个电流源被配置为对所述采样电容器放电。
5.根据权利要求3所述的装置，其中所述多个电流源被配置为对所述采样电容器充电。
6.根据权利要求3所述的装置，其中所述装置进一步包括耦合到所述控制器的输出电路。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述控制器提供所述时钟信号至所述比较器。
8.一种装置，其包括: 采样保持电路，即S/H电路，其被配置为在多个采样时刻根据输入信号生成多个采样电压，其中所述S/H电路是由采样时钟信号控制的； 数模转换器，即DAC，其耦合到所述S/H电路的输出端子，以便施加多个电流中的至少一个到所述S/H电路的所述输出端子； 比较器，其耦合到所述输出端子并且接收基准电压； 计数器，其被配置为确定所述S/H电路的输出端子上的电压从每个采样电压改变至所述基准电压的间隔的长度；以及 控制器，其耦合到所述比较器、所述DAC、所述计数器以及所述S/H电路，其中所述控制器提供时钟信号至所述计数器，并且其中所述控制器被配置为至少部分地基于电流采样电压为随后的采样电压调整基准电压。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述DAC进一步包括第一DAC，并且其中所述装置进一步包括第二 DAC，所述第二 DAC耦合在所述控制器和所述比较器之间并且提供所述基准电压至所述比较器。
10.根据权利要求8所述的装置，其中所述S/H电路进一步包括采样电容器。
11.一种方法，其包括: 在采样时刻采样输入信号以生成采样电压； 施加第一电流至节点以改变所述节点上的电压； 确定使用所述第一电流将所述节点上的电压从所述采样电压改变到基准电压的第一间隔； 施加第二电流至所述节点以在随后的采样时刻之前改变所述节点上的电压；以及 确定使用所述第二电流将所述节点上的电压从所述采样电压改变到所述基准电压的第二间隔。
12.根据权利 要求11所述的方法，其中所述方法进一步包括: 将所述采样电压存储在第一电容器和第二电容器上； 在施加所述第一电流的步骤之前将所述第一电容器耦合至所述节点；以及 在施加所述第二电流的步骤之前将所述第二电容器耦合至所述节点。
13.根据权利要求12所述的方法，其中确定所述第一间隔的步骤进一步包括使用时钟信号递增第一计数值，直到所述节点上的电压达到所述基准电压，并且其中确定所述第二间隔的步骤进一步包括使用所述时钟信号递增第二计数值，直到所述节点上的电压达到所述基准电压。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述方法进一步包括: 如果在随后的采样时刻之前使用所述第二电流使所述节点上的电压达到所述基准电压，则将所述第二计数值转换为所述采样电压的数字表示；以及 如果在随后的采样时刻之前使用所述第二电流没有使所述节点上的电压达到所述基准电压，则将所述第一计数值转换为所述采样电压的数字表示。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一和第二电流分别将所述第一和第二电容器放电到所述基准电压。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一和第二电流分别将所述第一和第二电容器充电到所述基准电压。
17.一种方法，其包括: 在采样时刻采样输入信号以生成采样电压； 施加电流至节点以改变所述节点上的电压； 确定使用所述电流将所述节点上的电压从所述采样电压改变到基准电压的间隔；以及 至少部分地基于所述间隔为随后的采样调整所述基准电压。
【文档编号】H03M1/12GK103688469SQ201280035305
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年5月21日 优先权日:2011年5月20日
【发明者】A·J·雷德芬, P·萨塔扎德 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司