專利名稱：快閃型模數(shù)轉(zhuǎn)換器及將輸入電壓vin轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出的方法
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)。
背景技術(shù)：
當(dāng)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。

發(fā)明內(nèi)容
在第一個實(shí)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《VKV2〈…〈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(jìn)行比較，每個 比較器適于生成一個反映所述二進(jìn)制比較結(jié)果的二進(jìn)制位；和
編碼器裝置，用于從所述比較器生成的二進(jìn)制位的分析中產(chǎn)生數(shù)字 輸出。在第二個實(shí)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《VKV2〈"《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(jìn)行比較；
每次所述比較都生成一個二進(jìn)制位，該二進(jìn)制位反映所述比較的二 進(jìn)制結(jié)果；
從生成的二進(jìn)制位的分析中產(chǎn)生數(shù)字輸出。
在第三個實(shí)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AV1， AV2，…，AVK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Sl， S2，…，SK，其中AVKAV2〈…〈AVK， 并且其中尺^2;禾口
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(shí)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AV1， AV2，…，AVK的參考電壓階躍，并且其中 △V1<AV2<'"<AVK，并且其中《^2;
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Sl， S2，…和SZ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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施例，去掉非必要的參考電壓階躍后，圖l 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(shí)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(shí)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IO示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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。
具體實(shí)施例方式
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(jìn)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
7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(shí)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O或1的二進(jìn)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(jìn)制)，它等于2d (十進(jìn)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VI， V2禾B V3，和四個電壓階躍，分布為VREF-<V1<V2< <VN<VREF+。由于A/D轉(zhuǎn)換器IO為線性，四個電壓階躍(Vl-VREF-)， (V2-V1)， (V3-V2)和(VREF+-V3)彼此相等，從而使三個參考電壓 VI、 V2禾B 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Cl， C2和C3，分別和三個 參考電壓V1， V2禾PV3相關(guān)聯(lián)。比較器C1將輸入電壓VIN與參考電壓 Vl進(jìn)行比較，并輸出反映了所述比較結(jié)果的一個二進(jìn)制位bl (例如，如 果VIN<V1則bl=0，如果VIN》V1則bl=l)。比較器C2將輸入電壓VIN 與參考電壓V2進(jìn)行比較，并輸出反映了所述比較結(jié)果的一個二進(jìn)制位 b2 (例如，如果VIN<V2則b2=0，如果VI1S^V2則b2=l)。比較器C3 將輸入電壓VIN與參考電壓V3進(jìn)行比較，并輸出反映了所述比較結(jié)果 的一個二進(jìn)制位b3(例如，如果VIN<V3則b3=0，如果VIN^V3則b3=l )。
線性A/D轉(zhuǎn)換器10還包括一個編碼器15，從位bl， 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， Olb和llb，其中"b"代表二進(jìn)制數(shù)，如根 據(jù)本發(fā)明實(shí)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-O并且VREF+4)。 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(jìn)行了總結(jié)，其中在"輸出代碼"列中的"b"和"d"分別表示二進(jìn)制和十進(jìn)制。 表l
輸出代碼 VIN的范圍 VIN的等價范圍
00b=0d
0<VIN<l/4
VIN=l/8±l/8
01b=ld
l/4<VIN<l/2
VIN=3/8±l/8，
10b=2d
l/2<VIN<3/4
VIN=5/8±l/8
llb=3d
3/4<VIN<l
VIN=7/8±l/8
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，釆用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l-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X22。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VI ， 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十 有2X個電壓階躍，從而電壓階躍數(shù)為l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VI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+l。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(jìn)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s和從VMIN至U VMAX的輸入范圍，從而使 0<VMIN<VMAX且VMIN <VIN<VMAX，則能夠計(jì)算所需要的輸出位的 數(shù)量X。為了保證在臨界點(diǎn)上(例如當(dāng)VIN接近VMIN時)不超過最大
9誤差S，最大參考電壓階躍大小為2sVMIN。因此所要求的輸出位的最小 數(shù)量XMIN為
XMIN= 1 n[( VMAX-VMIN)/(2sVMIN)]/1 n2 (1)
如果在使用公式(1)進(jìn)行計(jì)算時，XMIN沒有得到整數(shù)值，則必須 將XMIN向上進(jìn)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；艮口， VMIN=VREF-=0.1伏，VMAX=VREF+=1伏，且 s=0.002。將VMIN， VMAX和s的先前值代入公式(1 )，得到XMIN=11.14， 向上進(jìn)位到XMIN42。如圖3所示，由于向上進(jìn)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(yuǎn)小于所要求的相對誤差。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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(jìn)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(jìn)制)，它等于2d (十進(jìn)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VI， V2和V3，和四 個電壓階躍，使得VREF-<Vl<V2< VN<VREF+。由于A/D轉(zhuǎn)換器20 為非線性，四個電壓階躍(Vl-VREF-)， (V2-V1)， (V3-V2)和(VREF十-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禾卩V3相關(guān)聯(lián)。比較器C1將輸入電壓VIN與參考電 壓V1進(jìn)行比較，并輸出反映了所述比較結(jié)果的一個二進(jìn)制位bl (例如， 如果VIN<V1則bl=0，如果VIN^V1則bl=l)。比較器C2將輸入電壓 VIN與參考電壓V2進(jìn)行比較，并輸出反映了所述比較結(jié)果的一個二進(jìn)制 位b2 (例如，如果VIN〈V2則b2=0，如果VIN 2則b2=l)。比較器
10C3將輸入電壓VIN與參考電壓V3進(jìn)行比較，并輸出反映了所述比較結(jié) 果的一個二進(jìn)制位b3 (例如，如果VIN<V3貝U b3=0，如果VIN^V3則 b3=l)。
非線性A/D轉(zhuǎn)換器20還包括一個編碼器25，從位bl， 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， Olb和llb，其中"b"代表二進(jìn)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(diǎn)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 ￥虹？+/^3=￥3/￥2=￥2/￥1=￥1/￥虹？-0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，is=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至lj 0.32，從0.32到0.56，從0.56至lj 1.0。表2對四個輸出 代碼進(jìn)行了總結(jié)，其中在"輸出代碼"列中的"b"和"d"分別表示二 進(jìn)制和十進(jìn)制。
表2
輸出代碼VIN的范圍 00b=0d 0.10<VIN<0.18 01b=ld 0.18<VIN<0.32 10b=2d 0.32<VIN<0.56 llb=3d 0.56<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X22。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二2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VREP+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VI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
<formula>formula see original document page 12</formula>(2)
<formula>formula see original document page 12</formula>(3)
然而，N不是任意的，在指定最大相對誤差s時，必須滿足以下公式<formula>formula see original document page 12</formula>(4) 從而可以計(jì)算得到N為
<formula>formula see original document page 12</formula> (5)
如果在公式(5)中N不是整數(shù)，則必須將N向上進(jìn)位到下一個整數(shù)。 對于本例子，采用公式(5)， N=ln (1.0/0.1) /In (1+2*0.002) =576.8， 向上進(jìn)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(yàn)算，由公式(2)得出E=0.002。圖6中畫出了恒定的相對誤差 E=0.002。應(yīng)當(dāng)注意的是，從公式(5)中可以推出，VREF-趨近于O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(shí)際的分?jǐn)?shù)輸出值，同時編碼器25的復(fù)雜性 增加。更實(shí)際采用的方法是使用線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，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e，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，「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(dāng)，而它的復(fù)雜程 度大致相當(dāng)于一個10位的轉(zhuǎn)換器(g卩，659個電壓階躍在29和210個電 壓階躍之間，因此659向上進(jìn)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(dāng)?shù)谋容^器。
其它實(shí)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AV1，參考電壓 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AV2，這里AVKAV2。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I^2，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AV1， △V2，…，AVL，服從AVKAV2〈…〈AVL。在這些其它實(shí)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(shí)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AV，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(shí)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(shí)施例地論述可以按照以下進(jìn)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(N23)， N個比較器和一個編碼器。N個參考電壓表示為VI， V2，…， VN，并且在VREF-和VREF+之間非線性分布，按VREF-<Vl<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(jìn)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(jìn)制結(jié)果的一個二進(jìn)制位。編碼器裝置用于從由位生成裝置所生成的二 進(jìn)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(shí)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(shí)施例。圖10-11示出了該類型的第 二個實(shí)施例。圖12-13示出了該類型的第三個實(shí)施例。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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/TD轉(zhuǎn)換器設(shè)備ZI。 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Sl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Sl和S2合并為數(shù)字輸出33。編碼器 35對多位字符串Sl和S2進(jìn)行變換從而可以有效的進(jìn)轉(zhuǎn)換算術(shù)單元45 和40的數(shù)字運(yùn)算。因此轉(zhuǎn)換S1包括用其除以4.625，然后加上O.l。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Sl和S2中所含的精度。因此數(shù)字輸出33比Sl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SV1和5V2。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5V1是從0.10到0.3162伏特，子范圍5V2是從0.3162到1伏特。所 述用于SV1和5V2的先前數(shù)值是優(yōu)化值，該值使子范圍SV1的最大相對誤 差sl和子范圍5V2的最大相對誤差s2的值相等。注意，在子范圍5V1和 5V2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 為子范圍5V1禾P 5V2的接口 ，它符合[(VC-0.1)/0.1]/2X+1和 s2呵(l-VC)/VC]/2X+l。設(shè)置s1^2，求出VC的值為VC=l/( 10)1/2=0.3162， 該值確定了用于子范圍SV1禾貼V2的上述數(shù)值。在圖8中，算術(shù)單元45 執(zhí)行VIN^ (VIN-0.1) *4.625，將從0.10到0.3162伏的子范圍5V1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 5V2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5V1和5V2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5V1禾口5V2中的最大相對誤差為0.002，多位字符串Sl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5V1禾口5V2 有大小為AV1和AV2的有效參考電壓階躍，并且比率大約為 AV1/AV2=0.3162/ (1-0.3162) =0.46，這符合AVKAV2的一般關(guān)系。
圖8-9的實(shí)施例通常應(yīng)用于K個線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)備Zl， Z2，…，ZK，它們各自有大小為AV1， AV2,…，AVK的參考電壓階躍， 并且各自將VIN轉(zhuǎn)換為多位字符串Sl， S2，…，SK，其中AVKAV2〈… <AVK，其中尺22。 一個編碼器將Sl， 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K4， 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5V1， 5V2，…，5VK。對于K-1， 2，…，K，算術(shù)單元Ak根據(jù)將SVK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)挾器BK將VIN， K轉(zhuǎn)換為多位字符串SK。
盡管圖8和9的實(shí)施例基于一種優(yōu)化算法生成了子范圍SV1禾貼V2， 但是也可以基于一種與按照相對誤差進(jìn)行優(yōu)化的方法相比較差的電壓分 割方法生成子范圍SV1和5V2，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(shí)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(shí)施例和圖12-13的實(shí)施例。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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VII，并且A/D轉(zhuǎn)換器51 將電壓VIl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VIN》l/22則采用A/D轉(zhuǎn)換器52。如果VIN<l/22，則將VIN乘 于22，其效果是在VIN<l/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SI A 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(yùn)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Sl和S2中的精確度。
圖11示出了圖10的實(shí)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(dāng)?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(shí)數(shù)R與VIN相乘。如果所述乘 法是與一個不同于2J的實(shí)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AV1和AV2的參考電壓階躍，并且有AVKAV2。
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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ll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S1和S2，其中31/52=1/22。因此如果A/D 轉(zhuǎn)換器62處理從0到1伏的電壓，則52=1伏并且51=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51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S2/51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(shí)施例，圖12中系統(tǒng)60的 運(yùn)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51)和第二線性A/D轉(zhuǎn)換62 (其工作電壓范圍為S2)。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51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SlBx (52/51)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二22,進(jìn)行 從未在S1范圍內(nèi)的S2B到在51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，51/52=1/22， 51/52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，51/52可以為任何比1大的實(shí)數(shù)R。如果51/S2為一個不 同于2J的實(shí)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AV1禾BAV2的 參考電壓階躍，并且有AVKAV2。
圖8-13的實(shí)施例通常應(yīng)用于K個線性快閃型A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)備Zl， Z2，…，ZK，它們各自有大小為AV1， AV2，…，AVK的參考電壓階躍， 并且各自將VIN轉(zhuǎn)換為多位字符串Sl， S2，…，SK，其中AVKAV2、… <AVK，且其中《22。 一個編碼器將Sl， 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Sl， 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(shí)施例，可以進(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)制比較結(jié)果的一個二進(jìn)制位；和編碼器裝置，用于從所述位生成裝置生成的二進(jìn)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l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AV1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AV2的恒定的參考電壓階躍，其中AVKAV2， 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《VKV2(-《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(jìn)行比較；為每一個所述比較生成一個二進(jìn)制位，該二進(jìn)制位反映所述比較的 一個二進(jìn)制結(jié)果；和從對生成的二進(jìn)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AV1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AV2的恒定的參考電壓階躍，其中AVKAV2，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。
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(jìn)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H03M1/36GK101453218SQ20091000264
公開日2009年6月10日 申請日期2003年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月4日
發(fā)明者F·P·M·布德澤拉亞爾 申請人:Nxp股份有限公司