循環a/d轉換器的製作方法

2023-10-11 16:10:14

專利名稱：循環a/d轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種循環A/D轉換器。
背景技術：
諸如加速度傳感器、壓力傳感器以及廢氣傳感器的車輛傳感器輸出隨檢測對象的物理量而變化的電信號。這種傳感器可以是電壓輸出類型、電容檢測類型、電流輸出類型等等。安裝在車輛微計算機中的A/D轉換器將輸入模擬電壓轉換成數字數據。在傳感器產生非模擬電壓的輸出信號的情況下，信號處理電路被設置在用於信號處理的A/D轉換器的前置級(例如，專利文獻1)。所述信號處理電路是例如具有C/V轉換功能或者ΙΛ轉換功能的特定電路以及用於對所述特定電路的輸出信號進行放大的放大器電路。或者，採用具有放大功能的A/D轉換器(例如，專利文獻2)。專利文獻1 JP 2008-216135A專利文獻2 JP 2008-104142A (US 2008/0074404A1)在除了如專利文獻1所公開的A/D轉換器之外設置了 C/V轉換器、放大器等等的情況下，電路面積和功耗相應地增加。在如專利文獻2所公開的設置了具有放大功能的A/ D轉換器的情況下，不需要單獨地設置放大器。然而，需要設置C/V轉換器。電路面積和功耗相應地增加。

發明內容
本發明的目的在於提供一種循環A/D轉換器，所述循環A/D轉換器通過在輸入信號不同於電壓的情況下將輸入信號轉換為模擬電壓來執行A/D轉換。根據本發明的一方面，循環A/D轉換器包括A/D轉換電路、剩餘電壓生成電路、輸入電路和控制電路。所述剩餘電壓生成電路被配置成通過放大施加至A/D轉換電路的輸入電壓和預定的模擬電壓之間的差分電壓來生成剩餘電壓。輸入電路被配置成選擇從所述剩餘電壓生成電路輸出的剩餘電壓或者從外側輸入的輸入電壓，並且將所選擇的電壓施加至所述A/D轉換電路和所述剩餘電壓生成電路二者。所述控制電路被配置成控制所述輸入電路和所述剩餘電壓生成電路，使得在使用從所述A/D轉換電路輸出的數字轉換值的D/A轉換值用作所述剩餘電壓生成電路的所述預定模擬電壓，以便使所述剩餘電壓循環通過所述輸入電路、所述A/D轉換電路和所述剩餘電壓生成電路的同時，所述A/D轉換電路執行由所述剩餘電壓生成電路輸出的所述剩餘電壓的A/D轉換，所述循環A/D轉換器還包括輸入切換電路，所述輸入切換電路被配置成可切換地輸入外部信號電荷至所述剩餘電壓生成電路。所述控制電路還被配置成控制所述輸入切換電路以輸入所述外部信號電荷至所述剩餘電壓生成電路，控制所述剩餘電壓生成電路執行用於輸出對應於所述外部信號電荷的轉換電壓的電壓轉換操作，以及在所述A/D轉換電路開始對從所述剩餘電壓生成電路輸出的所述轉換電壓的進行A/D轉換操作之前，控制所述輸入電路選擇用於施加至所述A/D轉換電路和所述剩餘電壓生成電路的所述轉換電壓。


本發明的上述和其它目的、特徵以及優點從下面參考附圖給出的具體描述中將變得更顯而易見。在附圖中圖1是根據本發明的第一實施例的循環A/D轉換器的電路圖；圖2是圖1中所示的循環A/D轉換器中的1.5比特A/D轉換電路的電路圖；圖3是根據第一實施例的循環A/D轉換器的操作圖；圖4A和4B是循環A/D轉換器的涉及C/V轉換操作的一部分的電路圖；圖5是根據第二實施例的循環A/D轉換器的操作圖；圖6是根據本發明的第三實施例的循環A/D轉換器的電路圖；圖7A和7B是循環A/D轉換器的涉及C/V轉換操作的一部分的電路圖；圖8是根據本發明的第四實施例的循環A/D轉換器的電路圖；圖9是根據第四實施例的循環轉換器的操作圖；圖IOA和IOB是循環A/D轉換器的涉及C/V轉換操作的一部分的電路圖；圖11是根據本發明的第五實施例的循環A/D轉換器的電路圖；以及圖12是根據第五實施例的循環A/D轉換器的操作圖。
具體實施例方式(第一實施例)下面參考圖1-4來描述根據第一實施例的循環A/D轉換器。圖1示出了電容性加速度傳感器以及被配置成對所述電容性加速度傳感器的輸出信號進行A/D轉換的循環A/D轉換器2，所述電容性加速度傳感器具有傳感器元件1並且用於車載控制集成電路(IC)。所述電容性加速度傳感器的傳感器元件1具有電容器CEl 和CE2。電容器CEl和CE2的電容在沒有施加加速度的情況下為CE。電容器CEl和CE2根據施加到其上的加速度互補地改變各自的電容。例如，當電容器CEl的電容增加Δ(:/2時， 電容器CE2的電容減小Δ C/2。電容器CEl和CE2分別連接至端子FEl和FE2。驅動電壓 Vsp和Vsm交替地施加至端子FEl和FE2。電容器CEl和CE2彼此連接並且連接至循環A/ D轉換器2的信號輸入端子3。循環A/D轉換器2被配置成具有C/V轉換器的功能，所述C/V轉換器將電容器CEl 和CE2的電容(C)中的變化轉換(檢測)為模擬電壓(V)。循環A/D轉換器2對施加至信號輸入端子3的信號電荷Sin (外部信號電荷C)進行C/V轉換並且放大經轉換的電壓。循環A/D轉換器2然後對所述經放大的電壓進行A/D轉換並且輸出N比特A/D轉換碼(N比特的數字數據)。循環A/D轉換器2還對輸入至信號輸入端子4的信號電壓Vin進行放大， 並且對所述經放大的電壓進行A/D轉換並且輸出N比特A/D轉換碼。所述循環A/D轉換器 2被配置成根據輸入信號的類型(傳感器輸出形式)選擇性地執行前述操作中的一個。所述循環A/D轉換器2因此能夠對其輸入信號進行A/D轉換，而無論所述輸入信號是電壓或者電荷。所述循環A/D轉換器2被配置有切換電路5、倍增D/A轉換器6、A/D轉換電路7、 控制電路8、電容器CG以及開關Sl至S3。操作為輸入電路的切換電路5選擇輸入至信號輸入端子4的信號電壓Vin或者倍增D/A轉換器6的輸出電壓中的任一個，並且輸入所選擇的電壓至A/D轉換電路7和倍增D/A轉換器6 二者。在輸入信號是不同於電壓的電荷的情況下，切換電路5固定至圖1所示的狀態，以選擇倍增D/A轉換器6的輸出電壓。用作剩餘電壓生成電路的倍增D/A轉換器6對A/D轉換電路7的輸入電壓和模擬電壓之間的差分電壓進行放大並且生成經放大的電壓或者剩餘電壓，所述模擬電壓由從控制電路8輸出的數字值的D/A轉換產生。倍增D/A轉換器6在採樣-保持之後輸出該電壓。倍增D/A轉換器6配置有運算放大器9、電容器陣列電路10、電容器CF和開關SlO 至S16。電容器陣列電路10包括均具有相同電容CS的陣列電容器CSlO和CS11。電容器 CSlO和CSll的低側電極(公共電極)連接至公共線11。高側(非公共電極)通過相應的開關SlO和Sl 1可連接至參考電壓線Vrefp (5V)、參考電壓線Vrefm (OV)以及切換電路5的公共端子中的任一個。公共線11通過用作切換電路的開關12連接至運算放大器9的反相輸入端子(_) 並且通過開關S13連接至地(固定電壓線)。開關S14連接在運算放大器9的反相輸入端子和輸出端子之間。電容器CF和開關S15串聯連接在切換電路5的公共端子和運算放大器9的反相輸入端子之間。電容器CF和開關S15的公共連接端子通過開關S16連接至地。 運算放大器9的非反相輸入端子⑴連接至地。電容器CF具有電容QXCS)，其是電容器 CSlO和CSll的電容大小的兩倍。用作第二積分電容器的電容器CF在開關S14關斷，開關 S15導通以及切換電路5切換至倍增D/A轉換器6的條件下可連接在運算放大器9的輸入端子和輸出端子之間。用作輸入切換電路的開關Sl連接在運算放大器9的反相輸入端子和信號輸入端子3之間。用作第一積分電容器的電容器CG和開關S2串聯連接在運算放大器9的反相輸入端子和輸出端子之間。開關3連接在電容器CG的端子之間。電容器CG的電容可以被設置成對應於C/V轉換的期望增益。A/D轉換電路7被配置為如圖2所示。A/D轉換電路7接收預定的參考電壓 Vrefp (5V)和Vrefm(OV)，並且輸出M(1.幻比特的數字轉換值，所述數字轉換值是0 (00)、 1(01)和2(10)的三個值。具體而言，表示參考電壓Vrefp和Vrefm之間差異的差分電壓由電阻器R0、R1和R2劃分。電阻器RO和Rl之間的結點連接至比較器CMPl的非反相輸入端子。電阻器Rl和R2之間的結點連接至比較器CMP2的非反相輸入端子。將作為輸入端子 4的輸入電壓Vin或者倍增D/A轉換器6的輸出電壓中的任一個的電壓V5施加至比較器 CMPl和CMP2的反相輸入端子。將電阻器R0、R1和R2的電阻設置成滿足如下關係電阻器 RO和R2的電阻相對於電阻器Rl的電阻R ( Ω )為1. 5R ( Ω )。將輸出為高電平信號或者低電平信號中任一個的輸出信號輸入至鎖存電路12。鎖存電路12對從比較器CMPl和CMP2產生的輸出信號進行鎖存，並且當鎖存信號電平變為高時輸出鎖存的輸出信號至編碼器13。編碼器13基於來自鎖存電路12的輸出信號生成並且輸出三值的A/D轉換碼。接下來參考圖3中所示的操作時序來描述循環A/D轉換器2的操作，在圖3中倍增D/A轉換器6的功能由相等的(bracketed)數字表示。循環A/D轉換器2在通過使用切換電路5、倍增D/A轉換器6等執行C/V轉換之後對信號電荷Sin進行放大，所述切換電路 5、倍增D/A轉換器6等通常被設置成執行A/D轉換。控制電路8控制A/D轉換電路7和開關Sl至S3以及開關SlO至S16，使得執行如下操作。首先，如圖3所示，對信號電荷Sin進行C/V轉換。從C/V轉換導致的經轉換電壓循環一次(通過倍增D/A轉換器6兩次)以進行放大。經放大的電壓之後循環9次(由A/D轉換電路7進行10次A/D轉換)以執行10 比特的A/D轉換操作。(1)C/V轉換操作控制電路8在放大操作和A/D轉換操作之前執行C/V轉換操作(電壓轉換操作)。 也就是說，如圖1所示，切換電路5切換至倍增D/A轉換器6側並且開關SlO和Sll切換至切換電路5側。此外，開關S1、S2、S13、S14、S16導通並且開關S3、S12、S15關斷。因此，初始化電容器的電荷[採樣縮寫為S]。該電荷初始化操作對應於C/V轉換操作的重置。圖4A 示意性示出了循環A/D轉換器2的一部分，其涉及重置周期中的C/V轉換操作。如圖3和 4A所示，電壓Vsp和Vsm在重置周期期間分別施加至傳感器元件1的端子FEl和FE2。通過開關S14使得運算放大器9的反相輸入端子和輸出端子短路。因此，通過以下等式(1)來表示重置周期中運算放大器9的反相輸入端子處的電荷Qr，在等式(1)中假設地電勢(OV) 為 Vcom0Qr = (CE+Δ C/2) (Vsp-Vcom) + (CE-Δ C/2) (Vsm-Vcom) -—(1)然後，開關S14關斷以對電容器CF進行充電使其具有信號電荷Sin。該電荷設置操作對應於C/V轉換操作中的轉換。圖4B示意性示出了循環A/D轉換器2的一部分，其涉及轉換操作周期(轉換周期)中的C/V轉換操作。如圖3和4B所示，電壓Vsm和Vsp在轉換周期期間分別施加至傳感器元件1的端子FEl和FE2。電容器CG連接在運算放大器9的反相輸入端子和輸出端子之間。因此，通過以下等式( 來表示轉換周期中運算放大器9 的反相輸入端子處的電荷Qc，在等式O)中假設在C/V轉換之後運算放大器9的輸出電壓為Vo。Qc = (CE+ΔC/2)(Vsm-Vcom) + (CE- ΔC/2)(Vsp-Vcom)+CG(Vo-Vcom) —(2)根據電荷轉換定理上述周期中的電荷Qr和Qc通過以下等式( 表示為相等。Qr = Qc -—(3)根據等式⑴到(3)，通過以下等式(4)來表示C/V轉換之後的輸出電壓Vo。Vo = (Δ C/CG) (Vsp-Vsm) +Vcom -— (4)因此，輸出電壓Vo對應於偏置電壓Vcom和作為電容器CEl和CE2的電容中的變化AC乘以增益(1/CG) (Vsp-Vsm)的放大的電壓的總和。此時，通過輸出電壓Vo對電容器 CF、CSlO和CSll進行充電(採樣)。(2)放大操作控制電路8在C/V轉換操作之後執行放大操作。也就是說，在開關Si、S2、S13和 S16關閉之後，開關S10、Sll切換至Vrefm側並且開關S3、S12、S15導通。因此，倍增D/A 轉換器6執行放大操作[放大⑴縮寫為Amp⑴或者A(I)]。電容器CF連接在運算放大器9的輸入端子和輸出端子之間，使得電荷在電容器 CF、CS10和CSll中再分配。通過以下等式( 來表示電荷再分配，在等式(5)中運算放大器9的輸出電壓假定為Vo並且Vrefm假定為0V。通過以下等式(6)來表示經放大的輸出電壓。因此，通過在C/V轉換之後傳送電壓一次通過倍增D/A轉換器6，增益加倍。(CF+2 · CS) (Vin-O) = 2 · CS (0-0) +CF (Vo-O) — (5)
Vo = (CF+2 · CS) /CF · Vin = 2 · Vin— (6)根據第一實施例，為了提供更大增益，控制電路8關斷開關S12，使得保持經放大的電壓，保持電壓通過開關電路5循環至倍增D/A轉換器6，並且由倍增D/A轉換器6對循環電壓再次放大(第二次)。也就是說，開關S10、S11切換至切換電路5側並且開關S13導通。因此，對電容器CSlO和CSll進行充電使其具有相應的電荷(採樣)。然後，在關斷開關 S13之後，開關S10、Sll切換至Vrefm側並且開關S12導通。因此，再分配電荷[Amp⑵]。 當通過關斷開關S12保持經放大的電壓時終止放大操作。(3)A/D轉換操作控制電路8向A/D轉換電路7的鎖存電路12輸出高電平的鎖存信號。開關S10、 Sll切換至切換電路5側並且開關S13導通。因此，通過放大電壓對電容器CSlO和CSll進行充電並且電容器CSlO和CSll被設置有相應的電荷[採樣]。在完成電荷設置之後，開關S13關斷並且開關S12導通。此外，開關SlO和Sll根據A/D轉換電路7的A/D轉換值而切換至Vrefp側或者Vrefm側。因此，執行電荷再分配[MD/A(1)]。在這裡應注意，控制電路8接收從A/D轉換電路7輸出的數字轉換值，並且輸出用於開關SlO和Sll的控制信號。預定的電壓Vrefp或者Vrefm施加至電容器CSlO和CSl 1。 根據電容器CSlO和CSll的電容和施加至電容器CSlO和CSll的電壓之間的比率，確定施加至剩餘電壓生成電路6的預定模擬電壓。因此，預定模擬電壓隨著從A/D轉換電路7輸出的數字轉換值可變化。在電荷再分配完成之後，控制電路8關斷開關S12並且保持剩餘電壓。剩餘電壓循環至倍增D/A轉換器6。A/D轉換電路7通過K-I次傳送放大電壓(剩餘電壓)至倍增 D/A轉換器6來執行k(10)次A/D轉換。控制電路8的移位相加電路(未示出)通過在逐比特地重疊每個A/D轉換值的同時依次相加A/D轉換值來最終輸出N(IO)比特的A/D轉換碼。在N= 3比特的情況下，作為簡單示例，第一、第二和第三A/D轉換值逐比特地三次進行重疊並且相加。然後刪去最低有效位LSB 「1」，使得提供3比特A/D轉換碼。
第一 A/D轉換值01
第二 A/D轉換值10
第三A/D轉換至01
三個值的相加1001
刪去LSB之後的三比特碼100當電容性加速度傳感器的傳感器元件1的信號電荷Sin輸入至端子3時，循環A/ D轉換器2按照如上所述進行操作。當施加輸出模擬電壓作為其輸出信號的傳感器的信號電壓Vin時，循環A/D轉換器進行不同地操作。也就是說，循環A/D轉換器2通過使用切換電路5、倍增D/A轉換器6等來放大信號電壓Vin，並且然後通過使用A/D轉換電路7等來執行A/D轉換。所述切換電路5、倍增D/A轉換器6等最初設置用於執行A/D轉換。控制電路8控制A/D轉換電路7、開關Sl至S3以及開關SlO至S16，從而以便執行放大操作和A/ D轉換操作。具體而言，信號電壓Vin循環一次(信號電壓Vin兩次傳送通過倍增D/A轉換器6)以用於放大操作。然後，經放大的電壓循環9次(由A/D轉換電路7進行10次A/D轉換)以用於10比特的A/D轉換操作。控制電路8在A/D轉換操作之前執行下述放大操作。切換電路5切換至信號輸入端子4側(信號電壓Vin側)，並且開關S10、S11切換至切換電路5側。此外，開關S3、S13、 S14、S15導通並且開關Si、S2、S12、S16關斷。因此，對電容器CF、CSlO和CSll進行充電使其具有信號電壓Vin [採樣]。開關S13和S14關斷，切換電路5切換至倍增D/A轉換器 6側，開關S10、S11切換至Vrefm側並且開關S12導通。因此，倍增D/A轉換器6執行放大操作[Amp(l)]。通過上述等式(6)表示放大輸出電壓Vo。之後，以與輸入信號電荷Sin情況下類似的方式，倍增D/A轉換器6執行第二放大操作[Amp O)]。以與輸入信號電荷Sin 情況下類似的方式執行隨後的A/D轉換操作。如上所述，在輸入信號電荷Sin作為輸入信號時，在放大操作和A/D轉換操作之前，根據第一實施例的循環A/D轉換器2首先通過使用切換電路5、倍增D/A轉換器6等來執行信號電荷Sin的C/V轉換，所述切換電路5、倍增D/A轉換器6等通常設置用於A/D轉換器的A/D轉換。因此，將從電容性加速度傳感器的傳感器元件1輸出的信號電荷Sin (也就是傳感器元件1的電容器CEl和CE2的電荷的差異)轉換成電壓。循環A/D轉換器2通過將C/V轉換的電壓循環通過切換電路5和倍增D/A轉換器6預定數量的次數而以預定倍數(fold)的增益來放大C/V轉換的電壓。因此，在對與電容性加速度傳感器的電容中的改變AC成比例的低電平電壓進行放大並且將其調整至適用於A/D轉換的動態範圍(例如， 在OV和5V之間)之後，執行A/D轉換。結果，有效地使用A/D轉換器(不具有放大功能) 的分辨力，使得有效地增加A/D轉換中的解析度。循環A/D轉換器2通過使用初始設置在A/D轉換器2中用於執行A/D轉換的電路部件來執行放大操作。循環A/D轉換器2還通過簡單地將電容器CG和開關Sl至S3、S15、 S16添加至初始設置在循環A/D轉換器2中用於執行A/D轉換的電路部件來執行C/V轉換操作。也就是說，循環A/D轉換2被配置成通過使用共用的運算放大器9來執行C/V轉換操作、放大操作和A/D轉換操作。因此，與常規A/D轉換器相反，無需在循環A/D轉換器2 的前置級處添加C/V轉換器和放大器。因此，簡化了電路配置並且減小了集成電路的晶片尺寸。倍增D/A轉換器6通常具有高精度以提供高A/D轉換精度。通過使用這種倍增D/A 轉換器，不僅實現了具有高精度和低偏置特性C/V轉換器，而且實現了具有高精度、低偏置很高線性度特性的放大器。由於增益根據通過倍增D/A轉換器6的次數(循環次數加1) 而改變，所以實現了可編程可變增益放大器。由於開關12設置在公共線11和運算放大器9的反相輸入端子之間，並且用於積分的電容器CF、開關S12、運算放大器9用作與電容器陣列電路10隔離的採樣-保持電路。 結果，無需單獨設置採樣-保持電路並且因此電路配置更簡單。由於設置了開關S13，所以經採樣和保持的電壓充電至陣列電容器CSlO和CS11。因此，執行循環操作。另外，循環A/D轉換器2對輸入至信號輸入端子4的信號電壓Vin進行放大並且對所放大的電壓進行A/D轉換以輸出N比特A/D轉換碼。結果，循環A/D轉換器2對其輸入信號執行A/D轉換，而無論其輸入信號是電荷還是電壓。也就是說，循環A/D轉換器2不僅對從電容性傳感器輸出的信號進行A/D轉換，而且對從諸如壓力傳感器的電壓輸出型傳感器輸出的信號進行A/D轉換。電容器CG用作C/V轉換操作時間中的第一積分電容器，而電容器CF用作放大操作時間和A/D轉換操作時間二者中的第二積分電容器。電容器CG和CF的電容可以獨立地確定。結果，能夠單獨地設置C/V轉換操作中的增益以及放大操作和A/D轉換操作中的增益。因此，能夠設置每一個增益而不會影響其它增益。(第二實施例)接下來參考圖5來描述根據第二實施例的循環A/D轉換器，在圖5中與第一實施例相同或者類似的部件採用相同或者類似的附圖標記。在第一實施例中，循環A/D轉換器2在對信號電荷Sin進行C/V轉換並且然後放大經C/V轉換的電壓之後執行A/D轉換。在作為信號電荷Sin的C/V轉換結果輸出的電壓已經適用於A/D轉換的動態範圍的情況下，能夠消除第一實施例中的放大操作。根據第二實施例，循環A/D轉換器2被配置成執行通過信號電荷Sin的C/V轉換輸出的電壓的A/D 轉換。(1)C/V轉換操作如圖5所示，在A/D轉換操作之前，控制電路8以與第一實施例中類似的方式來執行C/V轉換操作(採樣)。轉換操作控制電路8在C/V轉換操作之後立即執行A/D轉換操作。也就是說，高電平鎖存信號輸出至A/D轉換電路7的鎖存電路12。開關Si、S2、S16關斷並且開關S3、S15導通。 因此，對電容器CSll和CS12進行充電使其具有通過C/V轉換輸出的輸出電壓Vo。在充電後，開關S13關斷並且然後開關S12導通。另外，開關SlO和Sll根據A/D轉換電路7的A/ D轉換值切換至Vrefp側或者Vrefm側，從而執行電荷的再分配[MD/A(1)]。在結束電荷再分配之後，開關S12關斷。並且剩餘電壓因此被保持並且循環至倍增D/A轉換器6。通過k-1 (9)次傳送剩餘電壓至倍增D/A轉換器6，A/D轉換電路7執行 A/D轉換K(IO)次。控制電路8的移位相加電路(未示出)通過在逐比特地重疊每個A/D 轉換值的同時依次加上A/D轉換值以最終輸出N(IO)比特的A/D轉換碼。 根據第二實施例的循環A/D轉換器2在將信號電荷Sin輸入作為輸入信號而執行 C/V轉換操作之後執行A/D轉換，沒有放大操作。結果，如果通過信號電荷Sin的C/V轉換輸出的電壓已經具有適用於A/D轉換的動態範圍時，不執行不必要的放大操作。因此，縮短了 A/D轉換操作所需要的時間，並且A/D轉換效率增加。(第三實施例)接下來參考圖6和7來描述根據第三實施例的循環A/D轉換器，在圖6和7中與第一實施例相同或者類似的部件採用相同或者類似的附圖標記。根據第三實施例，如圖6所示，檢測電流I in通過信號輸入端子3從廢氣傳感器21 輸入至循環A/D轉換器2。廢氣傳感器21被配置成輸出例如隨保留在車輛發動機的廢氣中的NOx濃度變化的檢測電流Iin。電流表示每單位時間流過的電荷的量。因此檢測電荷 Iin對應於外部信號電荷。循環A/D轉換器2通過使用切換電路5、倍增D/A轉換器6等對檢測電流Iin進行 I/V轉換，並且然後放大經轉換的電壓，所述切換電路5、倍增D/A轉換器6等初始且通常設置用於A/D轉換。之後，循環A/D轉換器2通過進一步使用A/D轉換電路7來執行A/D轉換。根據第三實施例的循環A/D轉換器2以與第一實施例類似的方式操作。還參考圖3描述了根據第三實施例的循環A/D轉換器2的操作。應注意圖3中的C/V轉換被參考為I/V 轉換並且端子FEl和FE2未涉及。控制電路8在放大操作和A/D轉換操作之前執行I/V轉換操作。也就是說，切換電路5切換至倍增D/A轉換器6側並且開關SlO和Sll切換至切換電路5側。此外，開關 Si、S2、S13、S14、S16導通並且開關S3、S12、S15關斷。因此，電容器的電荷被初始化[採樣]。該電荷初始化操作對應於ΙΛ轉換操作的重置。圖7A示意性示出了循環A/D轉換器2的一部分，其涉及被重置周期中(重置周期)的I/V轉換操作。如圖3和7A所示，運算放大器9的反相輸入端子和輸出端子通過開關S14被短路。因此，未對電容器CG進行充電使其具有檢測電流I in。然後，開關S14關斷以對電容器CF進行充電使其具有檢測電流Iin。該電荷設置操作對應於Ι/ν轉換操作中的轉換。圖7B示意性示出了循環A/D轉換器2的一部分，其涉及轉換操作周期中(轉換周期)的ΙΛ轉換操作。如圖3和7B所示，電容器CG連接在運算放大器9的反相輸入端子和輸出端子之間。對電容器CG進行充電使其具有檢測電流Iin。 因此，在I/V轉換之後運算放大器9的輸出電壓由以下等式(7)來表示，其中轉換周期(轉換時間)假設為t。Vo = Vcom_(Iin/CG) · t -—(7)因此，輸出電壓Vo對應於偏置電壓Vcom和以增益-t/CG放大的電壓的總和。此時，通過輸出電壓Vo對電容器⑶、CSlO和CSll進行充電(採樣)。在I/V轉換操作之後以與第一實施例類似的方式執行放大操作和A/D轉換操作。在I/V轉換操作之後也可以以與第二實施例類似的方式執行A/D轉換操作。如上所述，如果輸入檢測電流Iin作為輸入信號，則循環A/D轉換器2在執行A/D 轉換操作之前通過使用初始且通常設置用於A/D轉換操作的切換元件對檢測電流Iin進行 I/V轉換。根據第三實施例的循環A/D轉換器2因此轉換從電流輸出型傳感器輸出的信號。(第四實施例)接下來參考圖8至10來描述根據第四實施例的循環A/D轉換器，在圖8至10中與第一實施例相同或者類似的部件採用相同或者類似的附圖標記。如圖8所示，傳感器元件1的電容器CEl和CE2分別連接至端子FEl和FE2。這些端子FEl和FE2分別連接至循環A/D轉換器31的信號輸入端子3p和:3m。電容器CEl和 CE2彼此連接並且連接至公共端子FE。驅動電壓Vsp和Vsm交替施加至端子FE。循環A/D轉換器31被配置成通過改變循環A/D轉換器2以不同地進行操作。循環A/D轉換器31配置有A/D轉換電路32、倍增D/A轉換器(剩餘電壓生成電路)33、電容器(第一積分電容器)CGp、CGm和開關Slp至S3p、Slm至S3m。差分輸出型的運算放大器 34被配置成具有非反相輸出端子和反相輸出端子以分別輸出差分電壓，其相對於中間電壓 (Vrefp+Vrefm) /2 反相變化。A/D轉換電路32的非反相輸入端子通過對應於輸入電路的開關5p選擇性可連接至運算放大器34的非反相輸出端子或者非反相信號輸入端子4p。類似地，A/D轉換電路32 的反相輸入端子通過對應於輸入電路的開關5m選擇性地可連接至運算放大器34的反相輸出端子或者反相信號輸入端子細。當輸入信號是不同於電壓的電荷時，開關5p和5m分別固定地切換至運算放大器34的輸出端子。在圖8中示出了該狀態。
與圖1中所示的方式類似，在開關5p的公共結點和運算放大器34的反相輸入端子之間，連接電容器(第二積分電容器)(Fp、開關S15p、電容器陣列電路10p、開關SlOp、 Slip和開關(切換電路)S12p。電容器陣列電路IOp由陣列電容器CSlOp和CSllp形成。 開關SlOp和Slip中的每一個可切換地選擇施加至各個陣列電容器CSlOp和CSllp的差分輸入信號。開關S13p連接在公共線Ilp和地之間。開關S14p連接在運算放大器34的非反相輸出端子和反相輸入端子之間。電容器CFp和開關S15p之間的結點通過開關S16p連接至地。開關(輸入切換電路)Slp連接在運算放大器34的反相輸入端子和信號輸入端子 3p之間。開關S2p和電容器CGp串聯連接在運算放大器34的反相輸入端子和非反相輸出端子之間。開關S3p連接在電容器CGp的兩端子之間。類似地，在開關5m的公共結點和運算放大器34的非反相輸入端子之間，連接電容器(第二積分電容器)CFm、開關S15m、電容器陣列電路10m、開關S10m、Sllm和開關(切換電路)S12m。電容器陣列電路IOm由陣列電容器CSlOm和CSllm形成。開關SlOm和Sllm 中的每一個可切換地選擇施加至各個陣列電容器CSlOm和CSllm的差分輸入信號。開關 SUm連接在公共線Ilm和地之間。開關SHm連接在運算放大器34的反相輸出端子和非反相輸入端子之間。電容器CFm和開關S15m之間的結點通過開關S16m連接至地。開關(輸入切換電路)Slm連接在運算放大器34的非反相輸入端子和信號輸入端子: 之間。開關 Saii和電容器CGm串聯連接在運算放大器34的反相輸出端子和非反相輸入端子之間。開關 S3m連接在電容器CGm的兩端子之間。在非反相信號側和反相信號側之間對稱地配置電路布置是優選的。在設置在控制電路35中的移位相加電路(未示出)中逐比特地進行移位的同時， 從A/D轉換電路32輸出的A/D轉換碼「η」相加。在圖9中示出了循環A/D轉換器31的操作。從圖9中可以看出，循環A/D轉換器31的操作時序與圖3中所示的循環A/D轉換器2 的操作時序類似。然而，應注意到，開關SlOp和Slip根據在A/D轉換操作中電荷再分配時從A/D轉換電路32輸出的A/D轉換碼「η」進行切換。此時，開關SlOm和SlIm根據值2_η 進行切換。在該操作序列中，驅動設置在非反相信號側和反相信號側的開關在兩信號側之間同時執行相應的切換操作。循環A/D轉換器31的C/V轉換操作執行如下。圖IOA示意性示出了循環A/D轉換器31的一部分，其涉及重置周期中C/V轉換操作。如圖9和IOA所示，電壓Vsm在重置周期期間施加至傳感器元件1的端子FE。運算放大器34的反相輸入端子和非反相輸出端子通過開關S14p被短路。類似地，運算放大器34的非反相輸入端子和反相輸出端子通過開關SHm被短路。因此，通過以下等式(8)來表示重置周期中運算放大器34的反相輸入端子處的電荷Qrp，在等式⑶中反相輸入端子處的電壓假設為Vcom。類似地，通過以下等式(9)來表示非反相輸入端子處的電荷Qrm，在等式(9)中非反相輸入端子處的電壓假設為 Vcom0Qrp = (CE+ Δ C/2) (Vsm-Vcom) — (8)Qrm = (CE-Δ C/2) (Vsm-Vcom) _—(9)圖IOB示意性示出了循環A/D轉換器31的一部分，其涉及轉換周期中的C/V轉換操作。如圖9和IOB所示，電壓Vsp在轉換周期期間施加至傳感器元件1的端子FE。電容器CGp連接在運算放大器34的反相輸入端子和非反相輸出端子之間。類似地，電容器CGm連接在運算放大器34的非反相輸入端子和反相輸出端子之間。因此，通過以下等式(10) 表示轉換周期中運算放大器34的反相輸入端子處的電荷Qcp，在等式(10)中運算放大器 34反相輸入端子處的輸入電壓和非反相輸出端子處的輸出電壓分別假設為Vx和Vop。類似地，通過以下等式(11)表示非反相輸入端子處的電荷Qcm，在等式(11)中非反相輸入端子處的輸入電壓和反相輸出端子處的輸出電壓分別假設為Vx和Vom。Qcp = (CE+Δ C/2) (Vsp-Vx)+CGp (Vop-Vx) -—(10)Qcm = (CE- Δ C/2) (Vsp-Vx) +CGm (Vom-Vx) -—(11)電荷Qrp和Qcp以及前述周期中的電荷Qrm和Qcm根據電荷守恆定理通過以下表示的等式(12)和(13)相等。Qrp = Qcp —(12)Qrm = Qcm -—(13)根據等式(8)至(13)，輸出電壓Vop和Vom之間的差異，也就是運算放大器34的差分輸出電壓通過以下等式(14)來表示。在這裡，假設電容器CGp和CGm的電容二者都等於CG。Vop-Vom = - ( Δ C/ (CE+CG)) (Vsp-Vsm) — (14)因此，在C/V轉換之後，運算放大器34的差分輸出電壓Vop-Vom對應於以增益-(1/(CE+CG)) (Vsp-Vsm)乘以電容器CEl和CE2的電容中的改變AC進行放大的電壓。如上所述，當將信號電荷Sin從電容型加速度傳感器的傳感器元件1輸入時，A/D 轉換器31執行由循環A/D轉換器2執行的類似操作。此外，當信號電壓Vin從電壓輸出型傳感器輸入時，A/D轉換器31還執行由循環A/D轉換器2執行的類似操作。因此，根據第四實施例的A/D轉換器31提供類似的操作和優點。此外，由於對信號電荷Sinp和Sinm之間的差分電荷或者信號電壓Vinp和Vinm之間的差分電壓進行A/D轉換，所以有效地去除了從外側施加的公共模式噪聲。(第五實施例)接下來參考圖11和12來描述根據第五實施例的循環A/D轉換器，在圖11和12 中與第一實施例相同或者類似的部件採用相同或者類似的附圖標記。循環A/D轉換器41與如圖1所示的循環A/D轉換器2的不同之處在於未設置電容器CG和開關S2、S3，並且取代倍增D/A轉換器6設置倍增D/A轉換器42作為剩餘電壓生成電路。倍增D/A轉換器42與圖1中所示的倍增D/A轉換器6的不同之處在於未設置開關S15和S16。由於未設置開關S15，電容器CF的一個端子連接至運算放大器9的反相輸入端子。循環A/D轉換器41的操作時序如圖12中所示。與根據第一實施例的循環A/D轉換器2類似，循環A/D轉換器41首先通過使用切換電路5、倍增D/A轉換器42等對信號電荷Sin進行C/V轉換，並且放大經轉換的電壓，所述切換電路5、倍增D/A轉換器42等初始且通常設置在循環A/D轉換器41中。循環A/D轉換器41然後通過進一步使用A/D轉換電路7執行A/D轉換。在根據第一實施例的循環A/D轉換器2中，電容器CG用作C/V轉換操作期間的積分電容器。然而，在根據第五實施例的循環A/D轉換器41中，電容器CF甚至用於C/V轉換操作。因此，電容器CF用作第一積分電容器和第二積分電容器。同樣根據第五實施例，當輸入信號電荷Sin作為輸入信號時，在放大操作和A/D轉換操作之前，循環A/D轉換器41首先通過使用切換電路5、倍增D/A轉換器42等對信號電荷Sin進行C/V轉換，所述切換電路5、倍增D/A轉換器42等初始通常設置用於A/D轉換。 此外，通過使用電容器CF作為第一積分電容器和第二積分電容器，第一實施例的電容器CG 和開關S2、S3、S15和S16無需設置。與根據第一實施例相比，根據第五實施例的循環A/D 轉換器41因此降低了電路尺寸並且進一步降低了 IC晶片尺寸。(其它實施例)第一至第四實施例可以變型成如下不同的實施例。儘管通過兩次(即，循環一次)傳送至倍增轉換器6、33來放大轉換電壓，但是可以在傳送一次或者在傳送三次或更多次(即，循環兩次或更多次)之後進行A/D轉換。通過適當地設置傳送(循環)次數，循環A/D轉換器被配置成具有可編程可變增益放大器的功能。在放大操作期間，每次待放大信號傳送通過時增益可變。在這種情況下，彼此獨立地來設置轉換電壓的放大操作中的增益和隨後的A/D轉換操作中的增益。放大操作中的增益可以等於或者小於1。例如，在第一實施例的情況下，所有的電容器CF、CSlO和CSll在放大操作中設置有相應的電荷。然而，可以僅僅一個或兩個電容器CF、CS10和CSll設置有電荷。在電荷的再分配以用於放大操作時，一個或者所有的開關SlO和Sll可以切換至切換電路5側。因此，能夠實現不同增益的變化。電容器CF可以配置成具有可變的電容，使得可以彼此獨立地設置用於放大操作和隨後的A/D轉換操作的電容器CF的電容。在第一至第五實施例中，可以設置用於放大操作的偏置電壓。也就是說，每次經轉換的電壓或者經放大電壓傳送至倍增D/A轉換器6或者33，可以將模擬電壓的預定值設置成不同值。例如在第一實施例的情況下，在電荷再分配以用於放大操作時，至少一個開關SlO和Sll可以切換至Vrefp側。能夠可變地確定放大操作的性能，以可變地確定執行放大操作中的循環的次數，並且以便在C/V轉換操作和放大操作二者中通過A/D轉換電路7、32執行A/D轉換操作。基於轉換結果，可以通過檢查經轉換的電壓或經放大的電壓是否被放大至適於A/D轉換的動態範圍來終止循環操作。在這種情況下，可以通過存儲循環的次數(傳送至倍增D/A轉換器6、33的次數)以及控制電路 8、35中的每次循環的增益來修正A/D轉換值。
權利要求
1.一種循環A/D轉換器，包括 A/D轉換電路(7)；剩餘電壓生成電路(6，33,42)，被配置成通過對輸入電壓和預定模擬電壓之間的差分電壓進行放大而生成剩餘電壓，所述輸入電壓施加至所述A/D轉換電路；輸入電路(5，5p，5m)，被配置成選擇所述剩餘電壓生成電路輸出的剩餘電壓或者外部側輸入的輸入電壓，並且施加所選擇的電壓至所述A/D轉換電路和所述剩餘電壓生成電路二者；以及控制電路(8，35)，被配置成控制所述輸入電路和所述剩餘電壓生成電路，使得在將所述A/D轉換電路輸出的數字轉換值的D/A轉換值用作所述剩餘電壓生成電路的所述預定模擬電壓以便使所述剩餘電壓循環通過所述輸入電路、所述A/D轉換電路和所述剩餘電壓生成電路的同時，所述A/D轉換電路對所述剩餘電壓生成電路輸出的所述剩餘電壓進行A/D 轉換，其特徵在於，還包括輸入切換電路(Sl，Slp，Slm)，被配置成可切換地將外部信號電荷輸入至所述剩餘電壓生成電路，其中所述控制電路(8，3幻被配置成控制所述輸入切換電路以將所述外部信號電荷輸入至所述剩餘電壓生成電路、控制所述剩餘電壓生成電路以執行用於輸出對應於所述外部信號電荷的轉換電壓的電壓轉換操作、以及在所述A/D轉換電路開始對所述剩餘電壓生成電路輸出的所述轉換電壓進行所述A/D轉換操作之前，控制所述輸入電路以選擇用於施加至所述A/D轉換電路和所述剩餘電壓生成電路的所述轉換電壓。
2.根據權利要求1所述的循環A/D轉換器，其中剩餘電壓生成電路(6，32，42)包括電容器陣列電路(10，10p，10m)、運算放大器(9， ；34)、切換電路(S12，S12p，S12m)、第一積分電容器(CG，CGp，CGm)以及第二積分電容器(CF、 CFp、CFm),所述電容器陣列電路(10，10p，10m)包括至少一個陣列電容器，所述陣列電容器具有作為可連接至公共線(11)的公共側電極的一端以及作為可連接至多條參考電壓線的非公共側電極的另一端，所述運算放大器(9)輸入所述公共線的電壓，所述切換電路(S12，S12p，S12m)設置在所述公共線和所述運算放大器之間的信號路徑中，以及所述第一積分電容器和所述第二積分電容器可連接在所述運算放大器的輸入端子和輸出端子之間；以及所述控制電路(8)被配置成在初始化所述第一積分電容器之後，在所述運算放大器的所述輸入端子和所述輸出端子之間連接所述第一積分電容器，在關斷所述切換電路的同時，向所述輸入端子輸入所述外部信號電荷，使得對所述第一積分電容器進行充電使其具有對應於所述外部信號電荷的電荷，執行所述電壓轉換操作，從而從所述運算放大器輸出對應於所述第一積分電容器的端子電壓的所述轉換電壓，然後對所述第二積分電容器和所述陣列電容器中選擇的一個進行充電使其具有對應於所述轉換電壓的電荷，並且初始化所述第二積分電容器和所述陣列電容器中的另一個， 在所述運算放大器的所述輸入端子和所述輸出端子之間連接所述第二積分電容器， 在導通所述切換電路的同時，根據所述A/D轉換電路的轉換結果來將所述陣列電容器的所述非公共側電極連接至所述多條參考電壓線，使得在所述陣列電容器和所述第二積分電容器之間再分配電荷，以及然後多次重複以下序列對所述電容器進行充電使其具有所述運算放大器輸出的所述剩餘電壓、初始化所述電容器以及再分配所述電容器的電荷，以便執行用於對所述轉換電壓進行A/D轉換的A/D轉換操作。
3.根據權利要求2所述的循環A/D轉換器，其中 所述控制電路(8)被配置成在執行所述電壓轉換操作之後，通過所述輸入電路對所述第二積分電容器和具有對應於所述轉換電壓的電荷的所述陣列電容器中選擇的一個進行充電，並且初始化所述第二積分電容器和所述陣列電容器中的另一個，在所述運算放大器的所述輸入端子和所述輸出端子之間連接所述第二積分電容器， 在導通所述切換電路的同時，將所述陣列電容器的所述非公共側電極連接至所述多條參考電壓線，使得在所述陣列電容器和所述第二積分電容器之間再分配電荷，然後執行所述放大操作，使得通過重複對所述電容器進行充電使其具有所述運算放大器輸出的電壓、初始化以及隨後的電荷的再分配來放大所述轉換電壓，然後通過所述輸入電路對所述第二積分電容器和具有對應於所述放大電壓的電荷的所述陣列電容器中選擇的一個進行充電，並且初始化所述第二積分電容器和所述陣列電容器中的另一個，在所述運算放大器的所述輸入端子和所述輸出端子之間連接所述第二積分電容器， 在導通所述切換電路的同時，將所述陣列電容器的所述非公共側電極連接至所述多條參考電壓線，使得在所述陣列電容器和所述第二積分電容器之間再分配電荷，以及然後多次重複以下序列對所述電容器進行充電使其具有所述運算放大器輸出的所述剩餘電壓、初始化所述電容器以及再分配所述電容器的電荷，以便執行用於對所述放大電壓進行A/D轉換的A/D轉換操作。
4.根據權利要求2或者3所述的循環A/D轉換器，其中所述第一電容器(CG)和所述第二電容器(CF)由單個電容器(CF)形成。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的循環A/D轉換器，其中所述A/D轉換電路(7，32)、所述剩餘電壓生成電路(6，33，42)、所述輸入電路(5，5p， 5m)以及輸入切換電路(Sl，Slp，Slm)都被配置成以不同的方式進行操作。
全文摘要
控制電路(8)連接電容器(CG)至運算放大器(9)的輸入端子和輸出端子，並且在開關(S12)關斷時施加信號電荷(Sin)以對電容器(CG)進行充電。因此，從所述運算放大器輸出對應於所述信號電荷的轉換電壓。所述控制電路然後在電容器(CF、CS10、CS11)中設置對應於所述轉換電壓的電荷，並且通過根據其中電容器連接至所述運算放大器的輸入端子和輸出端子時A/D轉換電路(7)的轉換結果將電容器(CS10、CS11)的非公共電極連接至多條參考電壓線中的任一個，在所述電容器中再分配所述電荷。所述控制電路之後根據從所述運算放大器輸出的剩餘電壓若干次執行電荷設置、初始化以及隨後的電荷再分配。
文檔編號H03M1/14GK102201812SQ20111007848
公開日2011年9月28日 申請日期2011年3月24日 優先權日2010年3月24日
發明者堀江真清, 本多一隆, 牧原哲哉 申請人:株式會社電裝