專利名稱：快閃型模數(shù)轉(zhuǎn)換器中電壓階躍的非線性分布的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出的方法、設(shè)備和系統(tǒng)。
當前的快閃型模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的特征是，在低輸入電壓時，有高相對誤差。因此，就需要一種方法、設(shè)備和系統(tǒng)，在低輸入電壓時，可以有效的降低快閃型A/D轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字輸出的相對誤差。
在第一個實施例中，本發(fā)明提供了一種快閃型模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器，所述A/D轉(zhuǎn)換器適于將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出，其中，VIN在A/D轉(zhuǎn)換器的工作電壓范圍內(nèi)，所述工作電壓由一個最低電壓VREF-和一個最高電壓VREF+定義，所述A/D轉(zhuǎn)換器包括N個參考電壓V1，V2，...，VN，非線性地分布在VREF-和VREF+之間，按照VREF-＜V1＜V2＜...＜VN＜VREF+的順序排列，其中N至少為3；N個比較器，基于一一對應(yīng)的關(guān)系而與所述N個參考電壓相關(guān)聯(lián)，每個比較器都適于將VIN和與該比較器關(guān)聯(lián)的參考電壓進行比較，每個比較器適于生成一個反映所述二進制比較結(jié)果的二進制位；和編碼器裝置，用于從所述比較器生成的二進制位的分析中產(chǎn)生數(shù)字輸出。
在第二個實施例中，本發(fā)明提供了一種方法，用于將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為一個數(shù)字輸出，從而使VIN在一個最低電壓VREF-和一個最高電壓VREF+之間，所述方法包括提供了N個參考電壓V1，V2，...，VN，非線性地分布在VREF-和VREF+之間，按照VREF-＜V1＜V2＜...＜VN＜VREF+的順序排列，其中N至少為3；將VIN與N個參考電壓中的每一個進行比較；每次所述比較都生成一個二進制位，該二進制位反映所述比較的二進制結(jié)果；從生成的二進制位的分析中產(chǎn)生數(shù)字輸出。
在第三個實施例中，本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)，用于將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出，包括K個線性快閃型模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器設(shè)備Z1，Z2...，ZK，各自都有大小為ΔV1，ΔV2，...，ΔVK的參考電壓階躍，并且各個轉(zhuǎn)換器分別適于將VIN轉(zhuǎn)換為多位字符串S1，S2，...，SK，其中ΔV1＜ΔV2＜...＜ΔVK，并且其中K32；和編碼器裝置，用于組合S1，S2，...和SK以生成數(shù)字輸出，其中數(shù)字輸出有充足的位數(shù)以保證在S1，S2，...和SK中獲得的精確度。
在第四個實施例中，本發(fā)明提供了一種方法，用于將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出，包括提供了K個線性快閃型模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器設(shè)備Z1，Z2...，ZK，各自都有大小為ΔV1，ΔV2，...，ΔVK的參考電壓階躍，并且其中ΔV1＜ΔV2＜...＜ΔVK，并且其中K32；使用轉(zhuǎn)換器設(shè)備Z1，Z2...，ZK，各個轉(zhuǎn)換器分別將VIN轉(zhuǎn)換為多位字符串S1，S2，...，SK；以及組合S1，S2，...和SK以生成數(shù)字輸出，其中數(shù)字輸出有充足的位數(shù)以保證在S1，S2，...和SK中獲得的精確度。
本發(fā)明提供了一種方法、設(shè)備和系統(tǒng)，在低輸入電壓時，可以有效地降低快閃型A/D轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字輸出的相對誤差。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的一個線性快閃型模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例，圖1中的線性A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出與輸入電壓的比較。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例，圖1中的采用10個輸出位的線性A/D轉(zhuǎn)換器的相對誤差與輸入電壓的比較。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的一個非線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換器。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實施例，一個幾何A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出與輸入電壓的比較。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實施例，圖5中的幾何A/D轉(zhuǎn)換器的相對誤差與輸入電壓的比較。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實施例，去掉非必要的參考電壓階躍后，圖1中的線性A/D轉(zhuǎn)換器的相對誤差與輸入電壓的比較。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實施例，包括兩個線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換器的第一系統(tǒng)。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明實施例，圖8中的第一系統(tǒng)中相對誤差與輸入電壓的比較。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明實施例，包括兩個快閃型線性A/D轉(zhuǎn)換器的第二個系統(tǒng)。
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明實施例，圖10中的第二系統(tǒng)中相對誤差與輸入電壓的比較。
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明實施例，包括兩個快閃型線性A/D轉(zhuǎn)換器的第三個系統(tǒng)。
圖13示出了根據(jù)本發(fā)明實施例，采用圖12中的第三系統(tǒng)將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出的轉(zhuǎn)換過程流程圖。
一個快閃型模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器包括比較器陣列，它們將模擬輸入電壓與一組參考電壓進行比較。在參考電壓之間存在相關(guān)聯(lián)的一組電壓階躍。將比較器的輸出值組合為一個數(shù)字值，該值與模擬輸入電壓有直接關(guān)系。采用一個線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換器，參考電壓線性分布，電壓階躍為恒量。采用一個非線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換器，參考電壓非線性分布，電壓階躍不恒定。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的一個線性模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器10，它有一個兩位的數(shù)字輸出代碼13，該代碼由輸出位11和12確定，兩個輸出位都包含一個0或1的二進制位。輸出代碼13(位11，位12)按照從左到右的次序。例如，如果位11和位12分別為1和0，則輸出代碼13為10b(二進制)，它等于2d(十進制)。作為一個線性轉(zhuǎn)換器，在最低電壓VREF-和最高電壓VREF+之間，A/D轉(zhuǎn)換器10包括四個串聯(lián)的等值電阻器，每個電阻器都有相同的電阻值R。因此，在最低電壓VREF-和最高電壓VREF+之間，四個電阻是線性分布的。這就確定了三個參考電壓V1，V2和V3，和四個電壓階躍，分布為VREF-＜V1＜V2＜...＜VN＜VREF+。由于A/D轉(zhuǎn)換器10為線性，四個電壓階躍(V1-VREF-)，(V2-V1)，(V3-V2)和(VREF+-V3)彼此相等，從而使三個參考電壓V1、V2和V3線性分布在最低電壓VREF-和最高電壓VREF+之間。
線性A/D轉(zhuǎn)換器10還包括三個比較器C1，C2和C3，分別和三個參考電壓V1，V2和V3相關(guān)聯(lián)。比較器C1將輸入電壓VIN與參考電壓V1進行比較，并輸出反映了所述比較結(jié)果的一個二進制位b1(例如，如果VIN＜V1則b1＝0，如果VIN3V1則b1＝1)。比較器C2將輸入電壓VIN與參考電壓V2進行比較，并輸出反映了所述比較結(jié)果的一個二進制位b2(例如，如果VIN＜V2則b2＝0，如果VIN3V2則b2＝1)。比較器C3將輸入電壓VIN與參考電壓V3進行比較，并輸出反映了所述比較結(jié)果的一個二進制位b3(例如，如果VIN＜V3則b3＝0，如果VIN3V3則b3＝1)。
線性A/D轉(zhuǎn)換器10還包括一個編碼器15，從位b1，b2和b3的分析中生成由輸出位11和12確定的輸出代碼13。輸出代碼13可以有4個可能值之一，即00b，10b，01b和11b，其中“b”代表二進制數(shù)，如根據(jù)本發(fā)明實施例的圖2所示。圖2是輸出代碼13與輸入電壓VIN比較的一個圖，假定VIN在0到1的范圍內(nèi)(也就是VREF-＝0并且VREF+＝1)。因此，圖2示出了從0到1/4，從1/4到1/2，從1/2到3/4，從3/4到1的四個相等電壓階躍。表1對四個輸出碼進行了總結(jié)，其中在“輸出代碼”列中的“b”和“d”分別表示二進制和十進制。
表1輸出代碼 VIN的范圍VIN的等價范圍00b＝0d0￡VIN＜1/4 VIN＝1/8±1/801b＝1d1/4￡VIN＜1/2VIN＝3/8±1/810b＝2d1/2￡VIN＜3/4VIN＝5/8±1/811b＝3d3/4￡VIN＜1 VIN＝7/8±1/8圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例，采用10個輸出位的圖1中的線性A/D轉(zhuǎn)換器10的相對誤差與輸入電壓的比較。
圖3示出了在VIN降低時，相對誤差單調(diào)增大，在VIN接近0.1時相對誤差迅速增大。在VIN接近0時，相對誤差變?yōu)闊o窮大，這是線性和非線性A/D轉(zhuǎn)換器都具有的特性。
圖1-3示出了關(guān)于線性A/D轉(zhuǎn)換器10的兩位輸出代碼，以下的討論通常適合于線性轉(zhuǎn)換器的X位輸出代碼，其中X32。定義N＝2X-1，有2X個串聯(lián)的電阻器，每個電阻器都有相同的電阻值R，2X個電阻器串聯(lián)分布在最低電壓VREF-和最高電壓VREF+之間，如同圖1所示的X＝2的情況。存在N個參考電壓V1，V2，...，VN，線性地分布在最低電壓VREF-和最高電壓VREF+之間。類似地，有N個比較器。從VREF-和VREF+有2X個電壓階躍，從而電壓階躍數(shù)為1加上比較器或者參考電壓的數(shù)量。在任意兩個相鄰的參考電壓之間，或者在V1和VREF-或在VREF+和VN之間的電壓階躍為(VREF+-VREF-)/2X。絕對誤差恒定且為(VREF+-VREF-)/2X+1。相對誤差為(VREF+-VREF-)/(VIN*2X+1)，它隨著VIN的降低而增加，并在VIN接近零時趨近無窮。相對誤差和VIN對比曲線的斜率按照1/VIN2進行變化，這解釋了在圖3中，在VIN接近0.1和更低值時，相對誤差的及其不利行為。
可以采用增大X，也就是增加電阻器的數(shù)量和相關(guān)聯(lián)的參考電壓和比較器的數(shù)量的方法降低VIN為低值時的相對誤差。如果為VIN而設(shè)定最大相對誤差ε和從VMIN到VMAX的輸入范圍，從而使0＜VMIN＜VMAX且VMIN ￡VIN￡VMAX，則能夠計算所需要的輸出位的數(shù)量X。為了保證在臨界點上(例如當VIN接近VMIN時)不超過最大誤差ε，最大參考電壓階躍大小為2εVMIN。因此所要求的輸出位的最小數(shù)量XMIN為XMIN＝1n[(VMAX-VMIN)/(2εVMIN)]/1n2(1)如果在使用公式(1)進行計算時，XMIN沒有得到整數(shù)值，則必須將XMIN向上進位到下一個整數(shù)值。例如，線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換器，在0.1到1伏的輸入范圍內(nèi)的相對誤差應(yīng)該不大于0.2％，必須生成至少12個位的數(shù)字輸出，這就需要4095個比較器(也就是212-1)或者4096個參考電壓階躍；即，VMIN＝VREF-＝0.1伏，VMAX＝VREF+＝1伏，且ε＝0.002。將VMIN，VMAX和ε的先前值代入公式(1)，得到XMIN＝11.14，向上進位到XMIN＝12。如圖3所示，由于向上進位，最大相對誤差大約為0.0012，小于所規(guī)定的0.002，這是小于所要求的相對誤差。如果VIN接近VMAX＝1.0，相對誤差大約為0.00011，其遠小于所要求的相對誤差。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的一個非線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換器20，它有兩個位的數(shù)字輸出代碼23，由輸出位21和22確定，每一個輸出位都有一個0或1的二進制位。輸出代碼23(位21和位22)按從左到右排列。例如，如果位21和位22分別為1和0，則輸出代碼23為10b(二進制)，它等于2d(十進制)。作為一個非線性轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器20包括四個串聯(lián)的電阻值分別為R1，R2，R3和R4的電阻器，其中四個電阻器的電阻值互不相同。因此，在最低電壓VREF-和最高電壓VREF+之間四個電阻器非線性分布。這就確定了三個參考電壓V1，V2和V3，和四個電壓階躍，使得VREF-＜V1＜V2＜...VN＜VREF+。由于A/D轉(zhuǎn)換器20為非線性，四個電壓階躍(V1-VREF-)，(V2-V1)，(V3-V2)和(VREF+-V3)不完全相等，從而使三個參考電壓V1，V2和V3非線性分布在最低電壓VREF-和最高電壓VREF+之間。
非線性A/D轉(zhuǎn)換器20還包括三個比較器C1，C2和C3，分別和三個參考電壓V1，V2和V3相關(guān)聯(lián)。比較器C1將輸入電壓VIN與參考電壓V1進行比較，并輸出反映了所述比較結(jié)果的一個二進制位b1(例如，如果VIN＜V1則b1＝0，如果VIN3V1則b1＝1)。比較器C2將輸入電壓VIN與參考電壓V2進行比較，并輸出反映了所述比較結(jié)果的一個二進制位b2(例如，如果VIN＜V2則b2＝0，如果VIN3V2則b2＝1)。比較器C3將輸入電壓VIN與參考電壓V3進行比較，并輸出反映了所述比較結(jié)果的一個二進制位b3(例如，如果VIN＜V3則b3＝0，如果VIN3V3則b3＝1)。
非線性A/D轉(zhuǎn)換器20還包括一個編碼器25，從位b1，b2和b3的分析中生成由位21和22確定的輸出代碼23。輸出代碼23可以有4個可能值之一，分別為00b，10b，01b和11b，其中“b”代表二進制數(shù)。
非線性A/D轉(zhuǎn)換器的一個典型類型是一個幾何A/D轉(zhuǎn)換器(也稱為“對數(shù)“A/D轉(zhuǎn)換器)，其特點是參考電壓的相鄰值的比值是恒定的。因此，如果圖4是一個幾何A/D轉(zhuǎn)換器，則VREF+/V3＝V3/V2＝V2/V1＝V1/VREF-＝C＝常數(shù)＝(VREF+/VREF-)1/4。在以上結(jié)合圖1-3敘述的基于數(shù)字的例子中(例如，VMIN＝VREF-＝0.1伏，VMAX＝VREF+＝1伏，且ε＝0.002)，幾何A/D轉(zhuǎn)換器的特征為C＝(1.0/0.1)1/4＝1.778，V1＝C*VREF-＝0.1778，V2＝C*V1＝0.3162，V3＝C*V＝0.5623。從而，圖5示出了在所述幾何A/D轉(zhuǎn)換器的例子中，VIN范圍為0到1(也就是VREF-＝0伏，VREF+＝1伏)時，輸出代碼23與輸入電壓VIN的比較。圖5示出了四個不相等的電壓階躍，從0.10到0.18，從0.18到0.32，從0.32到0.56，從0.56到1.0。表2對四個輸出代碼進行了總結(jié)，其中在“輸出代碼”列中的“b”和“d”分別表示二進制和十進制。
表2輸出代碼 VIN的范圍00b＝0d0.10￡VIN＜0.1801b＝1d0.18￡VIN＜0.3210b＝2d0.32￡VIN＜0.5611b＝3d0.56￡VIN＜1.0
圖4-5示出了關(guān)于非線性A/D轉(zhuǎn)換器20的兩位輸出代碼，以下的討論通常適合于非線性轉(zhuǎn)換器的X位輸出代碼，其中X32。定義N＝2X-1，具有2X個串聯(lián)的電阻器，電阻值分別為R1，R2，...，RN+1，該2X個電阻器分布在最低電壓VREF-和最高電壓VREF+之間，如同圖1所示的X＝2的情況。N個參考電壓V1，V2，...，VN非線性地分布在最低電壓VREF-和最高電壓VREF+之間。類似地，有N個比較器。從VREF-到VREF+有2X個電壓階躍，從而電壓階躍的數(shù)量為1加上比較器或者參考電壓的數(shù)量。在任意兩個相鄰參考電壓之間，或者在V1和VREF-之間或者在VREF+和VN之間的電壓階躍是變化的，其中所述電壓階躍的至少一個不同于所述電壓階躍中的其它至少一個。如果非線性A/D轉(zhuǎn)換器20是一個幾何A/D轉(zhuǎn)換器，則相對誤差E恒定(也就是不依賴于VIN)，由以下公式給出E＝(C-1)/2 (2)其中C＝(VREF+/VREF-)1/N (3)然而，N不是任意的，在指定最大相對誤差ε時，必須滿足以下公式(VREF+/VREF-)1/N￡1+2ε) (4)從而可以計算得到N為N＝ln(VREF+/VREF-)/ln(1+2ε) (5)如果在公式(5)中N不是整數(shù)，則必須將N向上進位到下一個整數(shù)。對于本例子，采用公式(5)，N＝ln(1.0/0.1)/ln(1+2*0.002)＝576.8，向上進位為N＝577，并根據(jù)公式(3)得到C＝(1.0/0.1)1/577＝1.004。作為驗算，由公式(2)得出E＝0.002。圖6中畫出了恒定的相對誤差E＝.002。應(yīng)當注意的是，從公式(5)中可以推出，VREF-趨近于0時，所需的參考電壓階躍的數(shù)量N變?yōu)闊o窮大，因此在幾何A/D轉(zhuǎn)換器不能處理VREF-＝0。
幾何A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生不實際的分數(shù)輸出值，同時編碼器25的復(fù)雜性增加。更實際采用的方法是使用線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，并省略不需要的電壓比較。例如，特別是省略電阻器或者比較器或者兩者都省略。如果省略比較不會造成相對誤差超過給定最大相對誤差ε，則可以將該比較省略?？梢圆捎媚苁÷员容^的任何算法，如果該算法是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知或顯而易見的。其中一個算法僅僅需要659個階躍就可以滿足圖1-3的范例的條件(即VMIN＝VREF-＝0.1伏，VMAX＝VREF+＝1伏，ε＝0.002)。與結(jié)合圖1-3的上述純粹線性A/D轉(zhuǎn)換器所需要的4096個參考電壓階躍相比，它就具有很大的優(yōu)勢。在圖7中示出了作為一個輸入電壓VIN的函數(shù)的算法對于相對誤差的影響。在圖7中，相對誤差是關(guān)于VIN的一個分段連續(xù)函數(shù)，VIN范圍為VREF-￡VIN￡VREF+。該VIN的分段連續(xù)函數(shù)有多個分段，其中多個分段中的每兩個相鄰分段是不連續(xù)地連接在一起。每個所述分段中的相對誤差是關(guān)于VIN的單調(diào)遞減函數(shù)。在圖7中，多個分段中的每個這樣的分段都有一個幾乎相同的最大相對誤差，大約為0.002。
采用如圖7的算法的結(jié)果就是可以得到一個非線性A/D轉(zhuǎn)換器，它的動態(tài)電壓范圍可以與一個12位的線性A/D轉(zhuǎn)換器相當，而它的復(fù)雜程度大致相當于一個10位的轉(zhuǎn)換器(即，659個電壓階躍在29和210個電壓階躍之間，因此659向上進位到210)。這里沒有考慮的是略微復(fù)雜的數(shù)字編碼器25(見圖4)，它的功能是將來自比較器的658個輸出位轉(zhuǎn)換為一個12位的輸出值，也沒有考慮適合參考電壓的必要模擬條件，和能夠與一個12位線性A/D轉(zhuǎn)換器的比較器相當?shù)谋容^器。
其它實施例都有圖4所示的非線性A/D轉(zhuǎn)換器20，其結(jié)構(gòu)包括多個的線性范圍。例如，一個正整數(shù)M，1＜M＜N，這里N為非線性A/D轉(zhuǎn)換器20中的參考電壓階躍的總數(shù)，參考電壓V1，V2，....，VM-1可以線性地分布在VREF-和VM之間，其參考電壓階躍大小為ΔV1，參考電壓VM+1，....，VN可以線性地分布在VM和VREF+之間，其參考電壓階躍大小為ΔV2，這里ΔV1＜ΔV2。這里有一個更普通的例子，多個線性范圍可以包含L個線性區(qū)域，并且使L32，這些在VREF-到VREF+的電壓遞增順序中的線性區(qū)域具有從VREF-到VREF+的參考電壓階躍大小ΔV1，ΔV2，...，ΔVL，服從ΔV1＜ΔV2＜...＜ΔVL。在這些其它實施例中，如所述結(jié)合圖7所做的上述解釋，在部分或者全部線性區(qū)域內(nèi)可以省略非必要的電壓比較。
在另外一個實施例中，參考電壓V1，V2，....，VM-1線性地分布在VREF-和VM之間，其參考電壓階躍大小為ΔV，參考電壓VM+1，....，VN可以非線性地(例如幾何性地)分布在VM和VREF+之間，這里1＜M＜N。在該另一實施例中，如所述結(jié)合圖7所做的上述解釋，在部分或者全部線性區(qū)域內(nèi)可以省略非必要的電壓比較。
以上對各種非線性A/D轉(zhuǎn)換器的實施例地論述可以按照以下進行總結(jié)。一個快閃型線性A/D轉(zhuǎn)換器用于將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出，其中VIN在A/D轉(zhuǎn)換器的工作電壓范圍內(nèi)。工作電壓區(qū)域由一個最低電壓VREF-和一個最高電壓VREF+定義。該A/D轉(zhuǎn)換器包括N個參考電壓(N33)，N個比較器和一個編碼器。N個參考電壓表示為V1，V2，...，VN，并且在VREF-和VREF+之間非線性分布，按VREF-＜V1＜V2＜...＜VN＜VREF+排序。N個比較器按照一對一的方式和N個參考電壓相關(guān)聯(lián)。每個比較器都適于進行VIN和與該比較器相關(guān)聯(lián)的參考電壓之間的比較，并且每個比較器都包含位生成裝置，用于生成反映所述比較的二進制結(jié)果的一個二進制位。編碼器裝置用于從由位生成裝置所生成的二進制位的分析中產(chǎn)生數(shù)字輸出。
圖8-13示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例，多個線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。圖8-9示出了該類型的第一個實施例。圖10-11示出了該類型的第二個實施例。圖12-13示出了該類型的第三個實施例。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的一個系統(tǒng)30，包括線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換器31和32。A/D轉(zhuǎn)換器31和32每一個都處理輸入電壓的不同范圍，但是每一個都有相同的電壓工作范圍。一個算術(shù)單元45線性地將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為電壓VIN1，A/D轉(zhuǎn)換器31將電壓VIN1轉(zhuǎn)換為一個多位字符串S1。算術(shù)單元45包括一個減法器46和一個乘法器47。這里A/D轉(zhuǎn)換器31和算術(shù)單元45合稱為A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)備Z1。一個算術(shù)單元40線性地將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為電壓VIN2，A/D轉(zhuǎn)換器32將電壓VIN2轉(zhuǎn)換為一個多位字符串S2。算術(shù)單元40包括一個減法器41和一個乘法器42。這里A/D轉(zhuǎn)換器32和算術(shù)單元40合稱為A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)備Z2。字符串S1和S2可以有相同的位數(shù)，或者也可以有不同的位數(shù)。
一個編碼器35將多位字符串S1和S2合并為數(shù)字輸出33。編碼器35對多位字符串S1和S2進行變換從而可以有效的進轉(zhuǎn)換算術(shù)單元45和40的數(shù)字運算。因此轉(zhuǎn)換S1包括用其除以4.625，然后加上0.1。轉(zhuǎn)換S2包括用其除以1.462，然后加上0.3162。數(shù)字輸出33有足夠的位數(shù)來保證S1和S2中所含的精度。因此數(shù)字輸出33比S1和S2中任一個都有著更多的位。
圖8所述的例子將VIN的范圍0到1分為兩個電壓子范圍δV1和δV2。在該例子中，A/D轉(zhuǎn)換器31和32各自有從0到1的工作電壓范圍。子范圍δV1是從0.10到0.3162伏特，子范圍δV2是從0.3162到1伏特。所述用于δV1和δV2的先前數(shù)值是優(yōu)化值，該值使子范圍δV1的最大相對誤差ε1和子范圍δV2的最大相對誤差ε2的值相等。注意，在子范圍δV1和δV2中，X代表相同數(shù)量的電壓階躍，并且定義一個截止電壓VC，其作為于范圍δV1和δV2的接口，它符合[(VC-0.1)/0.1]/2X+1和ε2＝[(1-VC)/VC]/2X+1。設(shè)置ε1＝ε2，求出VC的值為VC＝1/(10)1/2＝0.3162，該值確定了用于子范圍δV1和δV2的上述數(shù)值。在圖8中，算術(shù)單元45執(zhí)行VIN1＝(VIN-0.1)*4.625，將從0.10到0.3162伏的子范圍δV1轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換器31的從0到1伏的工作電壓范圍。同樣，在圖8中，算術(shù)單元40執(zhí)行VIN2＝(VIN-0.3162)*1.462，將從0.3162到1伏的子范圍δV2轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換器32的從0到1伏的工作范圍。
圖9示出了圖8的系統(tǒng)30使用前述例子，子范圍δV1和δV2中采用0.002的最大相對誤差，數(shù)字輸出36的相對誤差與輸入電壓VIN的比較。圖9示出了數(shù)字輸出36的最大相對誤差只有0.001，這表明采用兩個A/D轉(zhuǎn)換器替代一個A/D轉(zhuǎn)換器所帶來的性能改善(與0.002相比)。由于子范圍δV1和δV2中的最大相對誤差為0.002，多位字符串S1和S2每一個都必須具有至少10個位。編碼器35為數(shù)字輸出36生成一個12位的結(jié)果。作為所述從VIN到VIN1和VIN2的變換的結(jié)果，子范圍δV1和δV2有大小為ΔV1和ΔV2的有效參考電壓階躍，并且比率大約為ΔV1/ΔV2＝0.3162/(1-0.3162)＝0.46，這符合ΔV1＜ΔV2的一般關(guān)系。
圖8-9的實施例通常應(yīng)用于K個線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)備Z1，Z2，...，ZK，它們各自有大小為ΔV1，ΔV2，...，ΔVK的參考電壓階躍，并且各自將VIN轉(zhuǎn)換為多位字符串S1，S2，...，SK，其中ΔV1＜ΔV2＜...＜ΔVK，其中K32。一個編碼器將S1，S2，...和SK組合，生成數(shù)字輸出，其中數(shù)字輸出有足夠的位數(shù)以保證在S1，S2，...和SK中的精確度。對于K＝1，2，...，K，A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)備ZK包括一個算術(shù)單元Ak，它與一個線性A/D轉(zhuǎn)換器Bk串聯(lián)。A/D轉(zhuǎn)換器有相同的工作電壓范圍，并且VIN在該工作電壓范圍內(nèi)。工作電壓范圍包括K個連續(xù)的電壓子范圍，按照電壓從低到高表示為δV1，δV2，...，δVK。對于K＝1，2，...，K，算術(shù)單元Ak根據(jù)將δVK轉(zhuǎn)換為工作電壓范圍，將VIN轉(zhuǎn)換為一個新的輸入電壓VIN，K，A/D轉(zhuǎn)換器BK將VIN，K轉(zhuǎn)換為多位字符串SK。
盡管圖8和9的實施例基于一種優(yōu)化算法生成了子范圍δV1和δV2，但是也可以基于一種與按照相對誤差進行優(yōu)化的方法相比較差的電壓分割方法生成子范圍δV1和δV2，但是該方法可以極大的簡化編碼器，如圖10-13中示出的本發(fā)明的實施例中所述。圖10-13包括基于同一思想的兩種不同形式，即圖10-11的實施例和圖12-13的實施例。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的一個系統(tǒng)50，包括線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換器51和52。A/D轉(zhuǎn)換器51和52每一個都處理輸入電壓的不同范圍，但是每一個都有相同的電壓工作范圍。一個算術(shù)單元53按照一個系數(shù)22，線性地將輸入電壓VIN放大為電壓VI1，并且A/D轉(zhuǎn)換器51將電壓VI1轉(zhuǎn)換為一個多位字符串S1A。A/D轉(zhuǎn)換器52將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為一個多位字符串S2A。這里A/D轉(zhuǎn)換器51和算術(shù)單元53合稱為一個A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)備。字符串S1A和S2A可以有如圖所示的相同位數(shù)，或者也可以有不同的位數(shù)。
對于一個給定輸入電壓VIN，基于VIN的大小，既可以用A/D轉(zhuǎn)換器51生成多位字符串S1A，或者也可以用A/D轉(zhuǎn)換器52生成多位字符串S2A。假定VIN有從0到1伏的輸入范圍，并且A/D轉(zhuǎn)換器51和52各自有從0到1伏的工作電壓范圍，則如果VIN＜1/22，采用A/D轉(zhuǎn)換器51，如果VIN31/22則采用A/D轉(zhuǎn)換器52。如果VIN＜1/22，則將VIN乘于22，其效果是在VIN＜1/22時按照系數(shù)22降低相對誤差。
編碼器54基于采用A/D轉(zhuǎn)換器51還是采用52，選擇多位字符串S1A或者S2A以生成數(shù)字輸出55。編碼器55變換多位字符串S1A，從而可以有效的轉(zhuǎn)換算術(shù)單元53的數(shù)字運算。因此，如圖10所示，轉(zhuǎn)換S1A包括除以22。數(shù)字輸出55有足夠的位數(shù)以保證在S1和S2中的精確度。
圖11示出了圖10的實施例中，以所述數(shù)字為例，數(shù)字輸出55中的相對誤差與輸入電壓VIN的比較。圖11示出了VIN從0變化到1，如所述，在VIN＝22時，轉(zhuǎn)換從采用A/D轉(zhuǎn)換器51改為采用A/D轉(zhuǎn)換器52時，相對誤差按照一個大約為22的期望系數(shù)增加。
盡管在圖10中，算術(shù)單元53將VIN乘了一個22，算術(shù)單元53或者一個類似設(shè)備也可以將VIN乘一個2J，其中J為一個正整數(shù)。通常，只要編碼器54完成一個VIN的關(guān)于R的一個適當?shù)淖儞Q，算術(shù)單元53或者一個類似設(shè)備可以用任何比1大的實數(shù)R與VIN相乘。如果所述乘法是與一個不同于2J的實數(shù)R相乘，其中J為一個正整數(shù)，編碼器54的復(fù)雜程度會增加。作為所述處理的結(jié)果，A/D轉(zhuǎn)換器51和52各自有大小為ΔV1和ΔV2的參考電壓階躍，并且有ΔV1＜ΔV2。
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的一個系統(tǒng)60，包括第一線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換器61和第二線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換62。圖12的系統(tǒng)60產(chǎn)生的相對誤差曲線與圖11所示出的圖10的系統(tǒng)50的曲線相同。A/D轉(zhuǎn)換器61和62各自有工作電壓范圍δ1和δ2，其中δ1/δ2＝1/22。因此如果A/D轉(zhuǎn)換器62處理從0到1伏的電壓，則δ2＝1伏并且δ1＝1/22伏。A/D轉(zhuǎn)換器61和62共同處理輸入電壓VIN。A/D轉(zhuǎn)換器61將VIN轉(zhuǎn)換為多位字符串S1B。A/D轉(zhuǎn)換器62將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為多位字符串S2B。字符串S1B和S2B各自可以有如圖所示的相同位數(shù)，或者也可以有不同的位數(shù)。
編碼器64基于S2B的值，選擇多位字符串S1B或者S2B以生成數(shù)字輸出65。如果S2B沒有在δ1范圍內(nèi)，則編碼器64選擇S2B；否則編碼器64選擇S1B。編碼器65將多位字符串S1B與δ2/δ1相乘。數(shù)字輸出65有足夠的位數(shù)以保證在S和S2中的精確度。如果VIN＜1/22，相對于A/D轉(zhuǎn)換器62來說，有效的降低A/D轉(zhuǎn)換器61的工作電壓范圍可以按照系數(shù)22降低相對誤差。
圖13是一個流程圖，示出了根據(jù)本發(fā)明實施例，圖12中系統(tǒng)60的運作。在步驟71和72中，分別使用了第一A/D轉(zhuǎn)換器61(其工作電壓范圍為δ1)和第二線性A/D轉(zhuǎn)換62(其工作電壓范圍為δ2)。在步驟73中，第一A/D轉(zhuǎn)換器61將VIN轉(zhuǎn)換為S1B。在步驟74中，第二A/D轉(zhuǎn)換器62將VIN轉(zhuǎn)換為S2B。步驟75詢問S2B是否在δ1范圍內(nèi)。如果為否，則編碼器64在步驟76中從S2B中生成數(shù)字輸出65。如果為是，則編碼器64在步驟77中從S1Bx(δ2/δ1)中生成數(shù)字輸出65。
應(yīng)用于以上圖10中系統(tǒng)50的圖11，也同樣可以應(yīng)用于系統(tǒng)60，顯示以所述數(shù)字為例，在數(shù)字輸出65中的相對誤差和VIN的比較。與圖12-13相比，圖11示出了VIN從0變化到1，如所述，在VIN＝22，進行從未在δ1范圍內(nèi)的S2B到在δ1范圍內(nèi)的S2B的轉(zhuǎn)換時，相對誤差按照一個大約為22的期望系數(shù)增加。
盡管在圖12-13中所述的數(shù)字例子中，δ1/δ2＝1/22，δ1/δ2的值也可以為1/2J的形式，其中J為一個正整數(shù)。通常，只要編碼器64有效地用R與S1B相乘，δ1/δ2可以為任何比1大的實數(shù)R。如果δ1/δ2為一個不同于2J的實數(shù)R，其中J為一個正整數(shù)，編碼器64的復(fù)雜程度會增加。作為所述處理的結(jié)果，A/D轉(zhuǎn)換器51和52各自有大小為ΔV1和ΔV2的參考電壓階躍，并且有ΔV1＜ΔV2。
圖8-13的實施例通常應(yīng)用于K個線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)備Z1，Z2，...，ZK，它們各自有大小為ΔV1，ΔV2，...，ΔVK的參考電壓階躍，并且各自將VIN轉(zhuǎn)換為多位字符串S1，S2，...，SK，其中ΔV1＜ΔV2＜...＜ΔVK，且其中K32。一個編碼器將S1，S2，...和SK組合，生成數(shù)字輸出，其中數(shù)字輸出有足夠的位數(shù)以保證在S1，S2，...和SK中的精確度。
雖然為了說明的目的，這里描述了本發(fā)明的一些實施例，可以進行對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的很多修改和變化。因此，附加的權(quán)利要求目的是涵蓋在本發(fā)明的實質(zhì)思想和范圍之內(nèi)的所有的修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種快閃型模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器，所述A/D轉(zhuǎn)換器將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出，其中VIN在A/D轉(zhuǎn)換器的工作電壓范圍內(nèi)，所述工作電壓范圍由一個最低電壓VREF-和一個最高電壓VREF+定義，所述A/D轉(zhuǎn)換器包括N個參考電壓V1，V2，...，VN，非線性地分布在VREF-和VREF+之間，按照VREF-＜V1＜V2＜...＜VN＜VREF+的順序排列，其中N至少為3；N個比較器，與所述N個參考電壓一一對應(yīng)地相關(guān)聯(lián)，每個比較器都適于將VIN和與該比較器相關(guān)聯(lián)的參考電壓進行比較，每個比較器都包括位生成裝置，用于生成一個反映所述二進制比較結(jié)果的一個二進制位；和編碼器裝置，用于從所述位生成裝置生成的二進制位的分析中產(chǎn)生數(shù)字輸出。
2.權(quán)利要求1中的A/D轉(zhuǎn)換器，其中參考電壓V1，V2，....，VM-1線性地分布在VREF-和VM之間，其中1＜M＜N。
3.權(quán)利要求1中的A/D轉(zhuǎn)換器，其中參考電壓V1，V2，....，VM-1線性地分布在VREF-和VM之間，并且有一個大小為ΔV1的恒定的參考電壓階躍，其中參考電壓VM+1，....，VN線性地分布在VM和VREF+之間，并且有一個大小為ΔV2的恒定的參考電壓階躍，其中ΔV1＜ΔV2，并且其中1＜M＜N。
4.權(quán)利要求1中的A/D轉(zhuǎn)換器，其中參考電壓V1，V2，....，VM-1線性地分布在VREF-和VM之間，其中參考電壓VM+1，....，VN幾何地分布在VM和VREF+之間，并且其中1＜M＜N。
5.權(quán)利要求1中的A/D轉(zhuǎn)換器，其中參考電壓V1，V2，....，VN幾何地分布在VREF-和VREF+之間。
6.權(quán)利要求1中的A/D轉(zhuǎn)換器，其中關(guān)于VIN的多位字符串中的誤差(相對誤差)是關(guān)于范圍為VREF-￡VIN￡VREF+的VIN的一個分段式連續(xù)函數(shù)，所述關(guān)于VIN的分段式連續(xù)函數(shù)有多個分段，其中多個分段的每兩個相鄰的分段是不連續(xù)連接在一起的，并且每個分段中的相對誤差是關(guān)于VIN的單調(diào)遞減函數(shù)。
7.權(quán)利要求6中的A/D轉(zhuǎn)換器，其中多個分段中的每個分段都有大約相同的最大相對誤差。
8.一種將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出的方法，其中VIN在一個最低電壓VREF-和一個最高電壓VREF+之間的范圍內(nèi)，所述方法包括提供N個參考電壓V1，V2，....，VN，其非線性地分布在VREF-和VREF+之間，按照VREF-＜V1＜V2＜...＜VN＜VREF+的順序排列，其中N至少為3；將VIN與N個參考電壓的每一個都進行比較；為每一個所述比較生成一個二進制位，該二進制位反映所述比較的一個二進制結(jié)果；和從對生成的二進制位的分析中產(chǎn)生數(shù)字輸出。
9.權(quán)利要求8中的方法，其中參考電壓V1，V2，....，VM-1可以線性地分布在VREF-和VM之間，且其中1＜M＜N。
10.權(quán)利要求8中的方法，其中參考電壓V1，V2，....，VM-1線性地分布在VREF-和VM之間，并且有一個大小為ΔV1的恒定的參考電壓階躍，其中參考電壓VM+1，....，VN線性地分布在VM和VREF+之間，并且有一個大小為ΔV2的恒定的參考電壓階躍，其中ΔV1＜ΔV2，并且其中1＜M＜N。
11.權(quán)利要求8中的方法，其中參考電壓V1，V2，....，VM-1線性地分布在VREF-和VM之間，其中參考電壓VM+1，....，VN幾何地分布在VM和VREF+之間，并且其中1＜M＜N。
12.權(quán)利要求8中的方法，其中參考電壓V1，V2，....，VN幾何地分布在VREF-和VREF+之間。
13.權(quán)利要求8中的方法，其中關(guān)于VIN的多位字符串中的誤差(相對誤差)是關(guān)于范圍為VREF-￡VIN￡VREF+的VIN的一個分段式連續(xù)函數(shù)，所述關(guān)于VIN的分段式連續(xù)函數(shù)有多個分段，其中多個分段的每兩個相鄰的分段是不連續(xù)連接在一起的，每個分段中的相對誤差是關(guān)于VIN的單調(diào)遞減函數(shù)。
14.權(quán)利要求13中的方法，其中多個分段中的每個分段都有大約相同的最大相對誤差。
15.一種用于將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出的系統(tǒng)，包括K個線性快閃型模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器設(shè)備Z1，Z2，...，ZK，它們各自有大小為ΔV1，ΔV2，...，ΔVK的參考電壓階躍，并且分別將VIN轉(zhuǎn)換為多位字符串S1，S2，...，SK，其中ΔV1＜ΔV2＜...＜ΔVK，且其中K32；和編碼器裝置，將S1，S2，...和SK組合，生成數(shù)字輸出，其中數(shù)字輸出有足夠的位數(shù)以保證在S1，S2，...和SK中獲得的精確度。
16.權(quán)利要求15中的系統(tǒng)，其中S1，S2，...和SK有相同位數(shù)。
17.權(quán)利要求15中的系統(tǒng)，其中S1，S2，...和SK有不同位數(shù)。
18.權(quán)利要求15中的系統(tǒng)，其中對于k＝1，2，...，K，線性A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)備Zk包括一個算術(shù)單元Ak，它與一個A/D轉(zhuǎn)換器Bk串聯(lián)，其中A/D轉(zhuǎn)換器有相同的工作電壓范圍，其中VIN在該工作電壓范圍內(nèi)，其中工作電壓范圍包括K個連續(xù)的電壓子范圍，按照電壓從低到高的順序表示為δV1，δV2，...，δVK，其中對于K＝1，2，...，K，算術(shù)單元Ak根據(jù)將δVK轉(zhuǎn)換到工作電壓范圍內(nèi)將VIN轉(zhuǎn)換為一個新的輸入電壓VIN，k，而A/D轉(zhuǎn)換器Bk將VIN，k轉(zhuǎn)換為多位字符串Sk。
19.權(quán)利要求18中的系統(tǒng)，其中δV1，δV2，...，δVK具有的值使數(shù)字輸出的相對誤差是在工作電壓范圍內(nèi)的VIN的一個分段式連續(xù)函數(shù)，所述關(guān)于VIN的分段式連續(xù)函數(shù)有K個分段，其中K個分段中的每兩個相鄰的分段是不連續(xù)連接在一起的，其中K個分段中的每個分段的相對誤差是關(guān)于VIN的單調(diào)遞減函數(shù)，且其中K個分段中的每個分段都有大約相同的最大相對誤差。
20.權(quán)利要求15中的系統(tǒng)，其中K＝2，其中A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)備Z1和Z2包括A/D轉(zhuǎn)換器B1和B2，其各自有工作電壓范圍δ1和δ2，使δ2為δ1的子集，并且δ2/δ1是一個服從δ2/δ1＞1的整數(shù)，其中B1和B2各自用于將VIN轉(zhuǎn)換為S1和S2，并且其中編碼器裝置適于在S2不在電壓范圍δ1內(nèi)時用S2生成數(shù)字輸出，否則編碼器裝置用S1與δ2/δ1的乘積生成數(shù)字輸出。
21.權(quán)利要求20中的系統(tǒng)，其中δ2/δ1＝2J，并且其中J為正整數(shù)。
22.一種用于將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出的方法，包括提供K個線性快閃型模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器設(shè)備Z1，Z2，....，ZK，它們各自有大小為ΔV1，ΔV2，...，ΔVK的參考電壓階躍，其中ΔV1＜ΔV2＜...＜ΔVK，且其中K32；通過轉(zhuǎn)換器設(shè)備Z1，Z2，...，ZK分別將VIN轉(zhuǎn)換為多位字符串S1，S2，...，SK；和將S1，S2，...和SK組合，生成數(shù)字輸出，其中數(shù)字輸出有足夠的位數(shù)以保證在S1，S2，...和SK中獲得的精確度。
23.權(quán)利要求22中的方法，其中S1，S2，...和SK有相同位數(shù)。
24.權(quán)利要求22中的方法，其中S1，S2，...和SK有不同位數(shù)。
25.權(quán)利要求22中的方法，其中對于k＝1，2，...，K，A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)備Zk包括一個算術(shù)單元Ak，它與一個線性A/D轉(zhuǎn)換器BK串聯(lián)，其中A/D轉(zhuǎn)換器有相同的工作電壓范圍，其中VIN在該工作電壓范圍內(nèi)，其中工作電壓范圍包括K個連續(xù)的電壓子范圍，按照電壓從低到高的順序表示為δV1，δV2，...，δVK，所述方法還包括對于k＝1，2，...，K，通過算術(shù)單元Ak根據(jù)將δVK轉(zhuǎn)換到工作電壓范圍內(nèi)而將VIN轉(zhuǎn)換為一個新的輸入電壓VIN，k；而通過A/D轉(zhuǎn)換器Bk將VIN，k轉(zhuǎn)換為多位字符串Sk。
26.權(quán)利要求25中的方法，其中δV1，δV2，...，δVK具有的值使數(shù)字輸出的相對誤差是在工作電壓范圍內(nèi)的VIN的一個分段式連續(xù)函數(shù)，所述關(guān)于VIN的分段式連續(xù)函數(shù)有K個分段，其中K個分段中的每兩個相鄰的分段是不連續(xù)連接在一起的，其中K個分段中的每個分段的相對誤差是關(guān)于VIN的單調(diào)遞減函數(shù)，且其中K個分段中的每個分段都有大約相同的最大相對誤差。
27.權(quán)利要求22中的方法，其中K＝2，其中A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)備Z1和Z2包括A/D轉(zhuǎn)換器B1和B2，其各自有工作電壓范圍δ1和δ2，使δ2為δ1的子集，并且δ2/δ1是一個服從δ2/δ1＞1的整數(shù)，其中B1和B2各自用于將VIN轉(zhuǎn)換為S1和S2，并且其中所述組合包括在S2不在電壓范圍δ1內(nèi)時用S2生成數(shù)字輸出，否則所述組合包括用S1與δ2/δ1的乘積生成數(shù)字輸出。
28.權(quán)利要求27中的方法，其中δ2/δ1＝2J，并且其中J為正整數(shù)。
全文摘要
一種用于將一個輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出的方法，設(shè)備和系統(tǒng)。在一個或多個快閃型模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器中，將VIN與參考電壓進行比較，生成表示VIN的數(shù)字輸出。如果采用一個A/D轉(zhuǎn)換器，則A/D轉(zhuǎn)換器為非線性。如果采用多于一個的A/D轉(zhuǎn)換器，則A/D轉(zhuǎn)換器為線性。
文檔編號H03M1/36GK1720665SQ200380104991
公開日2006年1月11日 申請日期2003年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月4日
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