電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器及其轉換方法
2023-09-12 22:58:50 1
專利名稱：電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器及其轉換方法
技術領域：
本發明是有關模擬對數字轉換器的技術領域，尤指一種電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器及其轉換方法。
目前的模擬對數字(A/D)轉換器的應用極其廣泛，其中之一是使用於影像感測器，以將感測器所感知的模擬影像信號予以轉換為數字資料，以便供數位訊號處理器進行必要的處理，而一般此種用於影像感測器的A/D轉換器主要是以循環(Cyclic)運算方式求取模擬信號的數字值，因此，需以一運算放大器將信號進行取樣及保持，並以另一運算放大器進行循環轉換運算，而由於需採用兩組運算放大器，因此，其積體電路的布局的面積較大，而不利於A/D轉換器的小型化。
在已知的專利文獻中，美國5,929,800號專利案「Chargeintegration successive approximation analog-to-digital converte for focalplane applications using a single amplifier」是揭露以電荷積分放大器在電荷平衡的架構中實現連續趨近式的A/D轉換器，其提供有關聯性重複取樣(CDS)的功能，但不具有可程序增益放大(PGA)的功能。
美國5,880,691號專利案「Capacitively coupled successiveapproximation ultra low power analog-to-dieital converter」是提供一種連續趨近式A/D轉換器，其採用電容性耦合乘算數字對模擬轉換器來產生連續的電壓，以供與欲數位化的輸入電壓相比，其亦提供有CDS的功能，但不具有PGA的功能。
美國5,920,274號專利案「Image sensor employing non-uniformA/D conversion」是揭露一種具有耦合至比特線的A/D轉換器的影像感測器，其A/D轉換電路是以單斜率(Single Slope)或非線性連續趨近式A/D轉換器所實現，可提供較高的解析度，但是轉換速度較慢，此外，其亦具有CDS的功能，但不具PGA的功能。
美國5,886,659號專利案「On-focal-plane analog-to-digitalconversion for current-mode imaging devices」是揭露有一種以一階∑-Δ調變器構成電流式A/D轉換器，藉由將複數個一階∑-Δ調變器串接而提升其精確度及解析度，其具有CDS的功能，但不具PGA的功能。
美國5,801,657號專利案「Controller to maintain a certain set ofenvironmental parameters in an environment」是揭露一種以同時執行比特串模擬至數字轉換的方法，其以每通道一個一比特比較器及一個N比特數字至模擬轉換器來達成N比特的精確度，並以非均勻量化來實現伽瑪更正，但其不提供CDS及PGA的功能。
因此，前述習知的A/D轉換器大部分均未同時具有PGA及CDS的功能，且所需的電路布局面積大，故而仍有予以改進的必要。
發明人爰因於此，本於積極發明的精神，亟思一種可以解決上述問題的「電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器及其轉換方法」，幾經研究實驗終至完成此項新穎進步的發明。
本發明的目的是在提供一種電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器及其轉換方法，其可有效縮減電路布局的面積，並具有極佳的運算速度及較低的耗電量，且同時提供PGA及CDS的功能，亦可輕易附加轉換器以提供伽瑪更正的功能。
依據本發明的一特色，該電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器主要包括一運算放大器及第一至第四電容，以在關聯性重複取樣周相時，先取樣感測電壓並將之充電至第一電容，再取樣重置電壓及將第一電容的電荷移轉至第二電容，以便由該運算放大器以第一及第二電容的電容比為增益並依據重置電壓、感測電壓及上限參考電壓而進行運算，而獲致一輸出電壓並產生一輸出比特，該輸出電壓並保持於第三及第四電容；而在第一運算周期，第三電容的電荷充電至第四電容，並移轉為輸出電壓，以便由該運算放大器以第三及第四電容的電容比為增益並依據先前的輸出電壓、中間參考電壓、上限參考電壓及下限參考電壓進行運算，而獲致一輸出電壓並產生一輸出比特，該輸出電壓並保持在第一及第二電容；另在第二運算周期，第一電容的電荷充電至第二電容，並移轉為輸出電壓，以便由該運算放大器以第一及第二電容的電容比為增益並依據先前的輸出電壓、中間參考電壓、上限參考電壓及下限參考電壓進行運算，而獲致一輸出電壓並產生一輸出比特，該輸出電壓並保持在第三及第四電容且該第一運算周期及第二運算周期是交替執行。
依據本發明的另一特色，該電荷積分循環運算式模擬對數字轉換方法，主要包括下述的步驟(A)比較輸入電壓VX與一中間參考電壓VCMB，以當VX＞VCMB時，執行步驟(B)，而當VX＜VCMB時，執行步驟(C)；(B)令VX＝2×VX－VRT且輸出比特b＝1，再執行步驟(A)，當中，VRT為上限參考電壓；以及(C)令VX＝2×VX－VRB且輸出比特b＝0，再執行步驟(A)，當中，VRB為下限參考電壓。
由於本發明設計新穎，能提供產業上利用，且確有增進功效，故依法申請發明專利。
為使貴審查委員能進一步了解本發明的結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例的詳細說明如後，其中
圖1是本發明的電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器的電路圖。
圖2是本發明的電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器的工作時序圖。
圖3是本發明的電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器的演算流程圖。
有關本發明的電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器的一較佳實施例，請先參照圖1所示的電路，其主要是由一運算放大器11、一個一比特比較器12、一閂鎖器13、一移位暫存器14及複數個電容與開關電晶體等所構成，以將輸入電壓VX轉換為數字資料而由該移位暫存器14輸出，而其所能夠轉換的電壓範圍是由恆定參考電壓VRT及VRB所定義，其中，VRT為上限參考電壓，VRB為下限參考電壓，而中間參考電壓VCMB則為VRT，及VRB的中間值。
並請參照圖2所示前述電路的工作時序圖，其顯示該電路啟動時是首先進行一CDS周相，其中，控制電晶體的開關接點N2產生一高電位而使所控制的開關電晶體導通，因此，電路可自影像感測器讀取代表感測信號的感測電壓VS，該電壓VS並充電至電容C1，而此同時，開關接點N6、N9、N10及N11亦產生高電位而使控制的開關電晶體呈導通並接地，以將運算放大器11及比較器12予以初始化，而使電容C5的電壓充電成為運算放大器11的偏移電壓Vos1，電容C6的電壓則充電成為比較器12的偏移電壓Vos2，以便在後續運算時可補償該等偏移電壓。
而如所取樣的感測電壓VS需要放大，則可在開關接點G1產生一高電位，使得電容C1與電容CG1並聯，因而增大電壓VS充電的電容值，而達成放大感測電壓VS的目的，且該電容C1並可再視需要而並聯其他的電容CG2、CG3…，以便進一步放大感測電壓VS，據此，可達成PGA的功效。
經取樣獲得感測電壓VS後，開關接點N3及N8產生高電位，而開關接點N6則為低電位，以分別將所控制的開關電晶體予以導通及斷路，而可讀取代表重置信號的重置電壓VR，並將電容C1(及所可能並聯的電容CG1、CG2…)的電荷移轉至電容C2，以便獲致影像信號的差值，其中，若電容C1並聯有電容CGI及CG2，則電荷的移轉具有一相當於電容比的放大增益(C1＋CGI×G1＋CG2×G2)/C2，因而可由該運算放大器11計算((C1＋CG1×G1＋CG2×G2)/C2)*(VR－VS)，且開關接點N12為高電位而使所控制的開關電晶體導通，故電壓VRT饋至運算放大器11，可算出輸出電壓VO＝VX＝-((C1＋CG1×G1＋CG2×G2)/C2)×(VR－VS)＋VRT，又開關接點N4為高電位而使所控制的開關電晶體導通，故輸出電壓VO是被取樣而儲存於電容C3及C4。
此時所求出的電壓VX如大於VCMB，則比較器12的輸出為低電位，閂鎖器13的Q腳輸出為低電位，QB腳輸出則為高電位，NOR閘的輸出GE0及LT0分別為高電位及低電位，其中，輸出LT0的值是供輸入該移位暫存器14而做為轉換後的數字資料的最大比特(MSB)，亦即圖中所示的第DN－1比特，輸GE0則用以導通開關電晶體以使電壓VRT饋入電路，以便供後續的運算使用。
而若所求出的電壓VX是小於VCMB，則比較器12的輸出為高電位，閂鎖器13的Q腳輸出為高電位，QB腳輸出則為低電位，NOR閘的輸出GE0及LT0分別為低電位及高電位，同樣地，輸LT0的值是供輸入該移位暫存器14而做為轉換後的數字資料的最大比特(MSB)，且輸出GT0亦用以導通開關電晶體以使電壓VRB饋入電路，以便供後績的運算使用。
前述電路由於是利用感測電壓VS及重置電壓VR兩種電壓來進行轉換，故可達成CDS的功效。
於前述CDS周相後，電路進入第一運算周期，其首先在開關接點N9、N10及N11產生高電位而使所控制的開關電晶體導通，據以重置該運算放大器11及比較器12等電路元件，然後，在開關接點N1、N5及N6產生高電位而使所控制的開關電晶體導通，故電容C3的電荷是充電至電容C4，並移轉為輸出電壓VO，又在開關接點N12亦產生一高電位而導通相應的開關電晶體，如此，可求取電壓VX＝(C3/C4)×VO＋VO－VRT(如VX＞VCMB)或電壓VX＝(C3/C4)×VO＋VO－VRB(如VX＞VCMB)，於本較佳實施例中，C1/C2＝C3/C4且C1＝C2＝C3＝C4，因此電壓VX＝2VO－VRT(如VX＞VCMB)或電壓VX＝2VO－VRB(如VX＞VCMB)，又由於開關接點N1為高電位，因此，輸出電壓VO是被取樣而儲存於電容C1及C2，而如前述第DN－1比特的產生方式，該電壓VX經該比較器12及閂鎖器13的處理後，即可產生第DN－2比特而輸入該移位暫存器14。
於前述第一運算周期後，電路進入第二運算周期，其首先仍在開關接點N9、N10及N11產生高電位而使所控制的開關電晶體導通，據以重置該運算放大器11及比較器12等電路元件，然後，在開關接點N4、N7及N8產生高電位而使所控制的開關電晶體導通，故電容C1的電荷是充電至電容C2，並移轉為輸出電壓VO，又在開關接點N12亦產生一高電位而導通相應的開關電晶體，如此，可求取電壓VX＝(C1/C2)×VO＋VO－VRT＝2VO-VRT(如VX＞VCMB)或電壓VX＝(C1/C2)×VO＋VO－VRB＝2VO－VKB(如VX＞VCMB)，又由於開關接點N4為高電位，因此，輸出電壓VO是被取樣而儲存於電容C3及C4，且如前述第DN－1比特的產生方式，該電壓VX經該比較器12及閂鎖器13的處理後，即可產生第DN－3比特而輸入該移位暫存器14。
經循環重複執行該第一運算周期及第二運算周期，構成轉換後的數字資料的比特便持續輸入該移位暫存器14，直至產生最小比特(LSB)為止，據此，即可於該移位暫存器14獲得代表輸入的模擬影像信號的數字值，並可再該移位暫存器14的輸出附加編碼轉換器以經由查錶轉換而進行伽瑪更正的處理。
前述電路所具據以進行模擬至數字轉換的過程可由圖3所示的演算流程予以表示，其首先是比較輸入電壓VX與中間參考電壓VCMB(步驟S3-1)，當VX＞VCMB時，令VX＝2×VX－VRT且輸出比特b＝1(步驟S3-2)，再執行步驟S3-1，而當VX＜VCMB時，令VX＝2×VX－VRB且輸出比特b＝0(步驟S3-3)，再執行步驟S3-1，依此演算流程重複進行直至產生LSB為止，即相當於前述電路的運算周期的循環執行，而可產生構成轉換的數字資料的所有比特。
前述電路及轉換方法在進行CDS周相時，重置電壓VR是恆大於感測電壓VS，此將導致轉換輸出反比於輸入影像信號的亮度，因此，輸出的數字資料碼需經補數的運算以獲得正確極性的資料，亦即，較亮的因素具有較大的二進位資料碼，較暗的圖素則具有較小的二進位資料碼。所以，輸出LTO的值是供輸入該移位暫存器14而做為轉換後的數字資料，反之，如要取其補數值，只要取輸出GEO的值即可。
由以上的說明可知，本發明的電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器的運算處理是藉由一電荷積分運算放大器11及兩組功能互為交換的電容C1、C2及C3、C4所實現，以便在第一運算周期時以電容C3及C4產生運算所需的增益值，而電容C1及C2是保持取樣的輸出電壓VO，以供下一運算周期的使用，而在第二運算周期時兩組電容的功能互換，亦即，以電容C1及C2產生運算所需的增益值，而電容C3及C4是保持取樣的輸出電壓VO，以供下一運算周期的使用，因此，無須取樣及保持放大器的設置，而得以僅使用一運算放大器來實現模擬至數字轉換的功能，故可有效縮減電路布局的面積，並具有極佳的運算速度及較低的耗電量，且同時提供PGA及cos的功能，亦可輕易附加轉換器以提供伽瑪更正的功能。
綜上所陳，本發明無論就目的、手段及功效，在在均顯示其迥異於習知技術的特徵，為模擬至數字轉換器製作上的一大突破，應符合專利申請的要件，懇請貴審查委員明察，早日賜準專利，以便嘉惠社會，實感德便。
權利要求
1.一種電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器，其特徵在於，是以取樣感測電壓及重置電壓並參考上限參考電壓、下限參考電壓及中間參考電壓而進行模擬至數字的轉換，該轉換器主要包括一運算放大器及第一至第四電容，其中在一關聯性重複取樣周相時，取樣感測電壓並充電至第一電容，再取樣重置電壓及將第一電容的電荷移轉至第二電容，以便由運算放大器以第一、二電容的比為增益並依據重置電壓、感測電壓及上限參考電壓而求取一輸出電壓並產生一輸出比特，該輸出電壓是保持於第三、四電容；在一第一運算周期，第三電容的電荷充電至第四電容並移轉為輸出電壓，以便由該運算放大器以第三、四電容的比為增益並依據先前的輸出電壓、中間參考電壓、上限參考電壓及下限參考電壓而求取一輸出電壓並產生一輸出比特，該輸出電壓是保持在第一、二電容；在一第二運算周期，第一電容的電荷充電至第二電容，並移轉為輸出電壓，以便由該運算放大器以第一、二電容的比為增益並依據先前的輸出電壓、中間參考電壓、上限參考電壓及下限參考電壓而求取一輸出電壓並產生一輸出比特，該輸出電壓並保持在第三、四電容；而該第一運算周期及第二運算周期是交替執行。
2.根據權利要求1所述的電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器，其特徵在於，其中該第一電容可依規劃並聯一個以上的電容。
3.根據權利要求1所述的電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器，其特徵在於，其中在關聯性重複取樣周相時，所運算出的輸出電壓VO＝電壓VX＝-(C1/C2)×(VR－VS)＋VRT，當中，C1為第一電容值，C2為第二電容值，VR為重置電壓，VS為感測電壓，VRT為上限參考電壓。
4.根據權利要求3所述的電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器，其特徵在於，其中在第一運算周期時，所運算出的輸出電壓VO＝電壓VX＝(C3/C4)×VO＋VO－VRT(如VX＞VCMB)或輸出電壓VO＝電壓VX＝(C3/C4)×VO＋VO－VKB(如VX＞VCMB)，當中，C3為第三電容值，C4為第四電容值，VRB為下限參考電壓，VCMB為中間參考電壓。
5.根據權利要求4所述的電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器，其特徵在於，其中在第二運算周期時，所運算出的輸出電壓VO＝電壓VX＝(C1/C2)×VO＋VO－VRT(如VX＞VCMB)或輸出電壓VO＝電壓MX＝(C1/C2)×VO＋VO－VRB(如VX＞VCMB)。
6.根據權利要求1所述的電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器，其特徵在於，其中中間參考電壓為上限參考電壓及下限參考電壓的中間值。
7.根據權利要求1所述的電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器，其特徵在於，其中該第一至第四電容的值均相等。
8.根據權利要求1所述的電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器，其特徵在於，其中經循環重複執行該第一運算周期及第二運算周期，構成轉換後的數字資料的比特是持續輸入一移位暫存器，直至產生最小比特為止。
9.根據權利要求8所述的電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器，其特徵在於，其中於該移位暫存器的輸出並附加一編碼轉換器，據以經由查錶轉換而進行伽瑪更正的處理。
10.一種電荷跡分循環運算式模擬對數字轉換方法，是將輸入電壓轉換為數字資料，其特徵在於，該方法主要包括下述的步驟(A)比較輸入電壓VX與一中間參考電壓VCMB，以當VX＞VCMB時，執行步驟(B)，而當VX＜VCMB時，執行步驟(C)；(B)令VX＝2×VX－VRT且輸出比特b＝1，再執行步驟(A)，當中，VRT為上限參考電壓；以及(C)令VX＝2×VX－VRB且輸出比特b＝0，再執行步驟(A)，當中，VRB為下限參考電壓。
11.根據權利要求10所述的電荷積分循環運算式模擬對數字轉換方法，其特徵在於，其中VCMB為VRT及VRB的中間值。
12.根據權利要求11所述的電荷積分循環運算式模擬對數字轉換方法，其特徵在於，其中轉換後的數字資料並經由一編碼轉換器的處理，以藉由查錶轉換而進行伽瑪更正。
全文摘要
一種電荷積分循環運算式模擬對數字轉換器及其轉換方法,其是以一運算放大器來實現循環運算式模擬對數字的轉換,使在第一運算周期時,以第三及第四電容的電容比為增益,算出一輸出電壓並產生一輸出比特,輸出電壓並保持在第一、二電容;另在第二運算周期時,以第一、二電容的電容比為增益,算出一輸出電壓並產生一輸出比特,輸出電壓保持在第三及第四電容;第一、二運算周期是交替執行以獲致轉換後的數字資料。
文檔編號H03M1/38GK1340922SQ00123709
公開日2002年3月20日 申請日期2000年8月31日 優先權日2000年8月31日
發明者莊朝貴, 張榮哲 申請人:凌陽科技股份有限公司