模数转换器和操作模数转换器的方法 |
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| 申请号 | CN201980029231.6 | 申请日 | 2019-04-29 | 公开(公告)号 | CN112514263B | 公开(公告)日 | 2024-05-10 |
| 申请人 | AMS有限公司; | 发明人 | 赫尔穆特·泰勒; 赫伯特·伦哈德; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种基于单比特delta‑sigma量化的 模数转换 器 ADC。该ADC包括积分器(INT)、 阈值 检测器(TD)、反馈 块 (FBB)、范围控制 电路 (RCC)和输出处理块(OPB)。该ADC配置成基于其自身生成的数字比特流来调整减数 信号 的幅度，以便在测量的积分时间期间实现该ADC的自主自动设换范围。特别地，自动设换范围允许将具有高动态范围的模拟 输入信号 ，例如环境光，有效地转换为数字 输出信号 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于单比特delta‑sigma量化的模数转换器ADC，其配置成将模拟输入信号转换为数字输出信号，所述ADC包括 |
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| 说明书全文 | 模数转换器和操作模数转换器的方法技术领域[0001] 本公开内容涉及一种基于单比特delta‑sigma量化的模数转换器以及涉及一种操作这种模数转换器的方法。 背景技术[0003] 实现模数转换的常用手段是采用delta‑sigma量化方法。为了提高精度，delta‑sigma量化器通过1比特数模转换器发送delta调制的数字输出，并且将delta部分与模拟输入信号相加。为了克服这种单比特delta‑sigma量化器的分辨率限制，尤其是在具有高动态范围的模拟输入信号的情况下，通常采用多比特delta‑sigma量化器。然而，这些方法具有需要额外的电路元件的缺点。发明内容 [0004] 要实现的目的是为基于单比特delta‑sigma量化的模数转换器提供一种改进的构思。 [0006] 改进的构思基于的思想是：提供具有带有自动设换范围功能的单比特delta‑sigma量化器的ADC。通过基于delta‑sigma量化器的数字输出的信息自动调整减数信号的幅度来实现这种自动设换范围。 [0007] 根据改进的构思的ADC包括：积分器，该积分器配置成借助于对输入信号与减数信号的差进行积分来生成积分信号；和阈值检测器，该阈值检测器配置成生成比特流的离散的比特信号，其中，比特信号指示积分信号是小于还是大于第一阈值。ADC还包括：反馈块，该反馈块配置成基于比特信号生成减数信号；和范围控制电路RCC，该范围控制电路配置成基于比特流来调整与范围值相对应的减数信号的幅度，并且针对离散的比特信号中的每个将相关联的范围值提供给输出处理块OPB。OPB配置成根据比特流并且根据针对比特流的离散的比特信号中的每个的相关联的范围值生成数字输出信号。 [0008] 反馈块的目的是与每个比特信号的生成相对应地生成从模拟输入信号中减去的减数信号。这确保避免积分器的超限或饱和。另一方面，RCC通过分析来自阈值检测器的比特流的比特序列并相应地调整减数信号的幅度来实现ADC的自动设换范围功能。这具有根据模拟输入信号的当前一般值适当地选择减数信号的幅度的作用。因此，实现了单比特delta‑sigma量化器的高动态范围，并因此实现了ADC的高动态范围。 [0009] 在根据改进的构思的ADC的各种实施例中，比特流在预限定的测量时间内生成，并且比特流的离散的比特信号以预限定的时钟频率生成。 [0010] 测量时间或积分时间以及时钟频率限定了所生成的比特流的长度。此外，由时钟频率和减数信号的幅度确定给定积分时间的delta‑sigma量化的动态范围。时钟频率通常受到delta‑sigma量化器的部件的稳定性能的限制。另一方面，在不使积分器饱和的情况下，对于给定时钟频率，减数信号的幅度确定模拟输入信号的最大水平。对于光测量，典型的积分时间和时钟频率分别约为100ms和1MHz。 [0011] 由于在积分时间的时段期间，模拟输入信号的水平能够比其满量程低得多，特别是比最大水平低几个数量级，因此在这些时段内的减数信号同样地基于比特流的信息而减小。因此，在积分时间期间，delta‑sigma量化器的动态范围以及ADC的动态范围适应于模拟输入信号的当前一般水平。例如，输入信号的水平可以约是其最大水平的百万分之几(ppm)。 [0012] 在根据改进的构思的各种实施例中，数字输出信号的生成包括将比特流的离散的比特信号中的每个乘以由范围值表示的与减数信号的实际值相对应的因子。 [0013] 在具有变化的减数信号幅度的delta‑sigma量化器中获取比特流意味着，为了实现有意义的数字输出信号，比特流的每个比特信号必须与用于生成相应的比特信号而设置的相应范围值相关。因此，输出处理块必须使用范围值或其倒数作为转换因子来转换比特流的每个比特信号。 [0014] 在根据改进的构思的各种实施例中，RCC还配置成使用一组固定因子中的因子，特别是一组二的幂中的因子来调整范围值。 [0015] 能够通过乘以所限定的因子的方式来方便地实现增大和减小单比特delta‑sigma量化器中的范围值。因此，因子为2是特别优选的，因为它们相当于借助于RCC在反馈块中的比特移位。 [0016] 在至少一个实施例中，RCC还配置成如果比特流的序列包括多个连续高值和/或多个连续低值，则增大范围值，并且如果序列包括多个连续交替的低值和高值和/或多个连续交替的高值和低值，则减小范围值。 [0017] 例如，对于双极输入信号，来自阈值检测器的比特流中的一串连续的0意味着模拟输入信号削减了delta‑sigma量化器的设置范围，例如大的负信号水平。相应地，比特流中的一串连续1意味着过大的正信号。因此，在这两种情况下，需要增加范围值，以导致delta‑sigma量化器的更大范围。相反，比特流中一串交替的0和1意味着输入信号小并且正好在设置范围内。因此，RCC能够通过减小范围值来将delta‑sigma量化器设置到更小的范围。触发范围值的改变所需的连续值的数量相当于delta‑sigma量化器的自动设换范围功能运行的速率。例如，RCC配置成在比特流中的三个连续的0或1之后增大范围值，并且/或者在比特流中连续出现三次01或10之后减小范围值。 [0018] 在上述实施例的改进中，RCC还配置成基于比特流设置减数信号的极性。 [0019] 例如，对于正输入信号，正delta作为减数信号被减去，而对于负输入信号，减数信号为负。 [0020] 在根据改进的构思的ADC的替代实施例中，RCC还配置成如果比特流的序列包括多个连续的高值，则增大范围值，并且如果序列包括多个连续的低值，则减小范围值。 [0021] 例如，对于单极信号，来自阈值检测器的比特流中的一串连续的1指示在delta‑sigma量化器的设置范围之外的过大信号水平。类似于上述双极输入信号的情况，在这种情况下，RCC通过增加范围值将delta‑sigma量化器设置到更大的范围。相反，比特流中的一串0意味着对于单极信号，输入信号小并且在范围内。因此，RCC能够通过减小范围值来将delta‑sigma量化器设置到更小的范围。 [0022] 在根据改进的构思的ADC的各种实施例中，RCC还配置成预先确定范围值的初始值。 [0023] 根据应用和要处理的模拟输入信号的特性，能够在借助于delta‑sigma量化器分析输入信号之前设置范围的初始设置。例如，对于溢出判断系统，范围值的初始值可以与最大范围相对应。替代地，初始范围值可以基于先前的测量，例如，该初始范围值可以设置为与先前测量结束时的范围设置相对应。通常，初始范围值能够由任何系统相关参数来限定。 [0024] 在各种实施例中，RCC还配置成以不同的方式来增大和减小范围值。 [0025] 对于快速变化的模拟输入信号，delta‑sigma量化器的自动设换范围的速度是一判断方面。例如，如果范围增大发生在过慢的时间标尺上，则积分器将进入饱和并且测量无效。例如，能够通过配置delta‑sigma量化器，使其基于比特流、以比其范围减小的速率更快的速率使范围增至最大范围来避免这种情况。例如，具有一定数量的可设置范围值的delta‑sigma量化器可以根据比特流以非线性方式增大范围值，并且以线性方式减小范围值。 [0026] 在根据改进的构思的ADC的各种实施例中，积分器包括非线性电容器。 [0027] 使用非线性电容器是防止积分器的饱和的另一种方式。例如，非线性电容器的特征可以在于变化的电压相关的电容，如果模拟输入信号快速增大，则该变化的电压相关的电容可以减小积分器输出信号的增大引起的陡度。因此，达到积分器的饱和状态的时间增加。 [0028] 在各种实施例中，量化器还包括第二阈值检测器，该第二阈值检测器配置成指示积分信号小于还是大于第二阈值。在这种实施例中，RCC还可以配置成基于第二阈值检测器的信号来加速范围值的增大。 [0029] 避免积分器的饱和的另一种方式是引入第二阈值，例如，在该第二阈值处，RCC被强制为最高范围值以利用最高范围操作delta‑sigma量化器。特别地，第二阈值大于第一阈值。 [0030] 还通过包括光电二极管的传感器装置和根据以上描述的实施例之一的基于单比特delta‑sigma量化的模数转换器(ADC)来解决上述目的。在这种装置中，ADC配置成将基于光电二极管的信号的模拟输入信号转换为数字输出信号。 [0031] 环境光传感器(ALS)构成了期望自动设换范围的ADC的示例。例如，ALS的模拟输入信号是光电二极管的单极光电流。例如，当在几乎完全黑暗中和直射阳光下检测光照水平时，这些由环境光引起的光电流可以跨越几个数量级。 [0032] 还通过一种例如用于操作根据上述实施例之一的基于单比特delta‑sigma量化的模数转换器的方法来解决上述目的。该方法包括：借助于对模拟输入信号与减数信号的差进行积分来生成积分信号；基于积分信号与第一阈值之间的比较生成比特流的离散的比特信号；以及基于比特信号生成减数信号。该方法还包括：基于该比特流调整减数信号的幅度作为范围值；针对离散的比特信号中的每个分配相应的范围值；以及根据比特流和根据针对比特流的离散的比特信号中的每个的相应范围值生成数字输出信号。 [0034] 以下对示例性实施例的附图的描述可以进一步示出和说明改进的构思的各方面。具有相同结构和相同作用的转换器的部件和部分分别用相同的附图标记表示。在转换器的部件和部分在不同附图中的功能方面彼此对应的情况下，不再对以下附图中的每个重复对其的描述。 [0035] 图1示出了根据改进的构思的模数转换器的示例性实施例； [0036] 图2示出了根据改进的构思的ADC的另一示例性实施例； [0037] 图3示出了根据改进的构思的ADC的另一示例性实施例； [0038] 图4示出了根据改进的构思的包括ADC的传感器装置的示例性实施例； [0039] 图5示出了根据改进的构思的包括ADC的传感器装置的另一示例性实施例； [0040] 图6示出了根据改进的构思的操作ADC的方法的示例性信号图；以及[0041] 图7示出了根据改进的构思的方法的另一示例性信号图。 具体实施方式[0042] 图1示出了根据改进的构思的基于单比特delta‑sigma量化的模数转换器(ADC)的示例性实施例。该ADC包括积分器INT，该积分器接收由模拟输入信号与减数信号生成的差信号。积分器INT对所述差信号进行积分，并且将得到的积分信号输出至阈值检测器TD。阈值检测器TD包括比较器COMP，该比较器配置成将积分信号与第一阈值进行比较，并且基于该比较生成比特信号。比较器输出信号是根据积分信号大于还是小于第一阈值而具有值为1或0的二进制类型的信号。阈值检测器TD还包括D触发器DFF，该D触发器被提供有比较器输出信号和来自量化器时钟的时钟频率，并且根据比较器输出信号生成比特流。时钟频率可以大约是360KHz，并且测量时间或积分时间可以是100ms，使得得到的比特流包括36000个比特信号。 [0043] 在该示例性实施例中的ADC还包括被提供有比特流的范围控制电路RCC。替代地，范围控制电路RCC可以直接被提供比较器输出信号，以具有更快的回送信息。范围控制电路RCC可以配置成分析特定序列的比特流，并且基于该比特流来调整与范围值相对应的减数信号的幅度。 [0044] 在该示例性实施例中的ADC还包括反馈块FBB，该反馈块基于比特信号和范围值以时钟频率生成减数信号。 [0045] 在该示例性实施例中的ADC还包括输出处理块OPB，该输出处理块根据比特流和范围值生成数字输出信号。因此，比特流的每个比特信号借助于相关联的范围值来转换。 [0046] 图2示出了根据基于图1的实施例的改进的构思的ADC的另一示例性实施例。在该实施例中，ADC借助于作为减数信号的衰减参考电压来实现自动设换范围。在该示例中，反馈块FBB包括参考电压源VREF和二进制加权衰减器，该二进制加权衰减器配置成基于来自范围控制电路RCC的二进制输入来对恒定参考电压进行衰减。反馈块FBB还包括减数信号发生器SSG，该减数信号发生器根据衰减的参考电压和基于比特信号的极性，以来自量化器时钟的时钟频率生成减数信号。 [0047] 衰减器的二进制输入与由范围控制电路RCC生成的信号相对应。例如，二进制加权衰减器可以根据由范围控制电路RCC应用的范围值来增大或减小衰减因子。例如，固定因子可以是2。在该示例中，范围值可以与范围控制电路RCC内部的增/减计数器的输出值相对应，该输出值通过比特流序列的监管器来变大或变小。 [0048] 在该示例中，范围控制电路RCC内部的比特流监管器包括一组三个计数器，每个计数器分析特定序列的比特流。第一计数器可以配置成如果在比特流中检测到n个连续的值为“1”的比特信号的序列，则输出溢出信号。同样，第二计数器可以针对比特流中的n个连续的值为“0”的比特信号的序列输出溢出信号。第三检测器可以针对比特流中的m个连续交替比特信号来分析比特流，例如m次“01”，并且基于此生成溢出信号。在本文中，n和m是整数，并且例如可以都等于3。 [0049] 范围控制电路还包括范围增/减计数器，该范围增/减计数器配置成生成用于衰减器的范围值。如果接收到来自第一计数器或第二计数器的溢出信号，则范围增/减计数器可以例如将其计数器状态增加1，而如果检测到来自第三计数器的溢出信号，则增/减计数器将其计数器状态减少1。 [0050] 在该示例中的ADC还包括输入处理器IP，该处理器配置成以时钟频率将模拟输入信号传递至积分器INT。为此，输入处理器IP可以包括开关电容器，该开关电容器配置成执行从输入电压到输入电荷的离散时间信号转换。 [0052] 在该示例中的输出处理块可以配置成执行比特流的每个比特信号与范围值的乘法。例如，比特流的每个比特移位至与实际范围值相对应的有效位，以反映用于生成相应比特的delta部分。其结果是作为二进制输出字的数字输出信号。 [0053] 图3示出了根据基于图1的实施例和部分基于图2的实施例的改进的构思的ADC的另一示例性实施例。不是如前图中的对参考电压进行衰减以调整减数信号的幅度，而是经由可变电容来调整减数信号的幅度。例如，反馈块FBB可以包括衰减器，该衰减器是二进制加权的并且配置成调整在参考电压的路径中的参考电容器CREF以有效地调整参考电压的大小。该实施例的其余部件的构思类似于图2中所描述的。 [0054] 图2和图3中描述的示例是双极模拟输入信号的优选示例。比特流中一定数量的连续“0”或“1”分别指示在ADC的当前设置范围之外的大的负信号或正信号。因此，需要减数信号的增加，即，对参考电压的更低衰减。比特流中的交替值的序列指示正好在ADC的当前设置范围内的信号，并且允许减数信号的减小，即对参考电压的更高衰减。 [0055] 图4示出了根据基于图1的实施例的改进的构思的传感器装置的示例性实施例。该传感器装置包括光电二极管PD，该光电二极管生成与入射光的强度相对应的光电流。与图2和图3中描述的实施例相比，光电流构成单极正模拟输入信号。 [0056] 单极输入信号的范围控制电路RCC优选地包括用于分析比特流的两个计数器。第一计数器可以配置成分析n个连续的值为“1”的比特信号的比特流，而第二计数器可以分析m个连续的值为“0”的比特信号的比特流。例如，一串连续的值为“1”的比特信号可以指示在ADC的边界处或当前设置范围之外的大输入信号水平，这必导致范围值的增大，而值为“0”意味着小输入信号水平，使得在一串连续的“0”比特的情况下，能够减小范围。来自第一计数器或第二计数器的溢出信号分别增加或减少范围增/减计数器，并且因此增加或减少ADC的范围值。 [0057] 在该示例中的二进制信号值调整来自反馈块FBB中的参考电流源IREF的参考电流的幅度。例如，对于每个范围值，参考电流的幅度可以逐步增大和减小至固定值。 [0058] 范围控制电路RCC中的脉冲发生器PG可以基于比特流的比特信号来操作开关。对于正单极输入信号，可以仅在积分器输出达到比较器阈值水平的情况下减去减数信号。 [0059] 图5示出了根据基于图1的实施例并且部分基于图4的实施例的改进的构思的传感器装置的另一示例性实施例。在该实施例中，不是将参考电流的幅度调整为减数信号，而是经由来自参考电压源VREF的参考电压的可调节衰减与该示例中的可调节参考电容器CREF相结合来调整减数信号的幅度。 [0060] 为此，反馈块FBB可以包括衰减器，该衰减器是二进制加权的并且配置成调整减数信号发生器SGG的参考电压以及参考电容。范围值的每个二进制水平与所限定的电压参考水平和所限定的参考电容器大小相对应。 [0061] 图6示出了根据改进的构思的具有自动设换范围的ADC的示例性信号。最顶部的图示出了模拟输入信号的幅度与以取反的时钟频率为单位的时间的关系。输入信号被选择为单极正的，并且表示半正弦波。在每个时段之后，输入信号的最大振幅减小一个数量级。第二幅图示出了相应的比特流，该比特流指示即使对于初始振幅为l0ppm的最小振幅，仍然对脉冲进行计数，即，对值为“1”的比特信号进行登记。第三幅图示出了积分信号的幅度，而最底部的图示出了范围值。在该示例中，ADC包括13个范围，其中12指示最大或最粗略的范围，0表示最小或最精细的范围。对于输入信号的幅度的大变化，范围的自动调整是清楚可辨的。 [0062] 图7示出了根据改进的构思的具有自动设换范围的ADC的另外的示例性信号。在该附图中，顶部的图示出了比特流的分解图，中间的图示出了积分器级的输出信号，而底部的图示出了范围值。垂直线指示单极输入信号的范围的自动切换。例如，如果在比特流中检测到三个连续的低二进制值：“L”或“0”，则ADC可以配置成减小范围，即减小该示例中的范围值，并且对于三个连续的高值：“H”或“1”，则增大范围。 [0063] ADC的自动设换范围的判断方面可以是输入信号的水平改变时的速度与ADC调节其范围时的速度之间的关系，例如在具有高动态范围的输入信号的情况下。特别地，如果ADC配置成当输入信号水平上升时使范围增大得过慢，则积分器INT最终可能饱和，从而使测量无效。 [0064] 对于给定的最大输入信号，积分器INT的饱和时间由积分电容器IC限定。大电容防止积分器INT饱和，但是其缺点是在积分器INT的输出处的ADC的每delta部分的电压阶跃很小。特别地，对于最小范围设置，即ADC的最高灵敏度状态，小电压使得难以将实际信号与可以是相同数量级的噪声区分开。因此，积分电容器IC的大小是防止饱和与在积分器INT的输出处足够大的电压水平之间的权衡。 [0065] 用于防止积分器INT饱和的示例性改进的解决方案是在检测到输入信号的上升时，采用ADC的主动的范围增大。对于双极正输入信号和单极正输入信号二者，输入信号过大的一个特征是比特流中的一串连续的值为“1”的比特信号。然而，比特流中的一串连续的“1”是范围增大标准的示例。例如，对于双极信号，比特流中的一串连续的“0”意味着ADC的当前设置范围之外的过大的负信号水平，并因此构成等效的范围增大标准。 [0066] 如上所述，ADC可以配置成如果在比特流中检测到一定数量的连续“1”时增大ADC的范围。如果在范围增大之后，再次检测到比特流中作为下一个比特信号的另一个“1”时，则电路可以进一步再次增大其范围，以此类推。下表在第二列中示出了对于一ADC的这种线性范围增大，该ADC包括从0(最低范围、最高灵敏度)到11(最高范围、最低灵敏度)编号的十一个离散范围水平。 [0067]连续1的比特的数量 线性范围增加 主动范围增加 主动范围增加2 2 ‑ ‑ +1(0+1＝1) 3 +1(0+1＝1) +1(0+1＝1) +2(1+2＝3) 4 +1(1+1＝2) +2(1+2＝3) +3(3+3＝6) 5 +1(2+1＝3) +3(3+3＝6) +4(6+4＝1 0) 6 +1(3+1＝4) +4(6+4＝10) 7 +1(4+1＝5) 8 +1(5+1＝6) 9 +1(6+1＝7) 10 +1(7+1＝8) 11 +1(8+1＝9) 12 +1(9+1＝10) [0068] 然而，对于快速增大的输入信号，该方法可能太慢，以至于不能避免积分器INT的饱和。例如，如在表的第三列和第四列中所示的两个示例性方案，ADC能够替代地配置成更主动地增大范围。虽然仍然可以线性方式执行ADC的范围减小，但是ADC可以在第一次增大之后使范围立刻增大一个以上的水平。例如，可以在比特流中的六个或五个连续的值为“1”的比特信号而不是12个比特信号之后达到此示例性ADC的最高范围水平。 [0069] 用于防止积分器INT的饱和的替代示例性解决方案是通过采用非线性电容器作为积分电容器。非线性电容器的特征可以在于，随着电容器两端的电压的增加而减小积分器输出信号的陡度。借此，对于给定输入信号水平，积分器INT的饱和时间能够增加。 [0070] 用于防止积分器INT的饱和的第三示例性解决方案是在ADC中实施第二阈值检测器，该第二阈值检测器将积分器INT的输出与第二阈值进行比较，该第二阈值例如可以大于第一阈值信号。例如，如果积分器的输出被检测为大于第二阈值，则ADC可以配置成直接选择最高范围设置。 [0071] 附图标记说明 [0072] INT 积分器 [0073] TD 阈值检测器 [0074] FBB 反馈块 [0075] RCC 范围控制电路 [0076] OPB 输出处理块 [0077] COMP 比较器 [0078] DFF D触发器 [0079] OPA 运算放大器 [0080] OTA 运算跨导放大器 [0081] IC 积分电容器 [0082] IP 输入处理器 [0083] VREF 参考电压源 [0084] CREF 参考电容器 [0085] IREF 参考电流源 [0086] SSG 减数信号发生器 [0087] PD 光电二极管 [0088] PG 脉冲发生器 |
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