具有數字至模擬轉換器和切換式電容器的積分器斜坡產生器的製造方法
2023-05-27 11:36:46 1
具有數字至模擬轉換器和切換式電容器的積分器斜坡產生器的製造方法
【專利摘要】一種斜坡產生器包括一數字至模擬轉換器(DAC)；一取樣電容器；一積分器電路；一極性反轉開關，其選擇性將該DAC之第一和第二輸出端耦合於該取樣電容器之第一側；一第一開關，其將該取樣電容器之第二側耦合於參考電壓源；以及一第二開關，其將該取樣電容器之該第二側耦合於該積分器電路之輸入端。
【專利說明】具有數字至模擬轉換器和切換式電容器的積分器斜坡產生器
【技術領域】
[0001 ] 本發明所揭示內容一般是關於用於模擬至數字轉換器(ADC，analog-to-digitalconverter)的斜坡產生器。
【背景技術】
[0002]除非於文中另外指示，在此段落中所說明之方法對於在所申請內容中的申請專利範圍而言並非先前技術，且不可當成先前技術併入此段落中。
[0003]在單斜率模擬至數字轉換器(ADC)中，積分器產生以比較器相較於模擬輸入端的遞減或遞增波形。以數字計數器測量該波形超過模擬輸入電壓電位所需花費的時間。數字斜坡ADC類似該單斜率ADC,除了數字至模擬轉換器(DAC, digital-to-analog converter)產生該波形至該比較器。
【發明內容】
[0004]在本發明所揭示內容之一或多個具體實施例中，斜坡產生器包括一數字至模擬轉換器(DAC)取樣電容器；一積分器電路；一極性反轉開關,其選擇性將該DAC之第一和第二輸出端稱合於該取樣電容器之第一側；一第一開關，其將該取樣電容器之第二側I禹合於參考電壓源；以及一第二開關，其將該取樣電容器之該第二側耦合於該積分器電路之輸入端。
[0005]前述總結僅是例示性，且是不欲以任何方式限制。除了以上所說明之該等例示性態樣、具體實施例和特徵外，藉由參照所附圖和以下實施方式，進一步的態樣、具體實施例和特徵將變得顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]搭配所附圖，本發明所揭示內容之前述和其它特徵從以上說明和所附申請專利範圍將變得更充分顯而易見。應了解這些圖僅描繪出根據所揭示內容的多個具體實施例，因此不被視為其範疇之限制，所揭示內容將通過所附圖之使用而以附加的特性和細節說明。
[0007]在該等圖中:
[0008]圖1A是差分單斜率模擬至數字轉換器(ADC)之方塊圖；
[0009]圖1B是圖1A之該ADC之時序圖；
[0010]圖2是用於圖1A之該ADC的斜坡產生器之示意圖；
[0011]圖3是有用於圖1A之該ADC之DAC的斜坡產生器之示意圖；
[0012]圖4是用於操作圖3之該斜坡產生器的方法；以及
[0013]圖5是圖3之該斜坡產生器之時序圖，所有皆根據本發明所揭示內容之至少某些具體實施例而設定。【具體實施方式】
[0014]圖1A是差分單斜率模擬至數字轉換器(ADC) 100之方塊圖。ADC100包括開關102和104，其從行匯流排線106分別取樣像素信號和重置信號至取樣電容器108和110之第一側上。取樣電容器108和110保存該像素信號和該重置信號。如在圖1B之時序圖中所顯示，在本發明所揭示內容之一具體實施例中，已在時間tl將像素和重置信號取樣至電容器108 和 110 上。
[0015]取樣電容器108和110之第二側是稱合於前置放大器112之輸入端,其輸出端依哪個輸入端較高而定。前置放大器112之該等輸出端是耦合於比較器114之該等輸入端，其輸出端依哪個輸入端較高而定。
[0016]基於相同的頻率信號，斜坡產生器116分別施加負斜坡信號「negrmp」和正斜坡信號「posrmp」至在取樣電容器108和110之該第一側上的該像素信號和該重置信號。如在第IB圖之該時序圖中所顯示，「negrmp」和「posrmp」信號在時間t2開始。當該等兩個信號中途交切(meet)於該像素信號與該重置信號之間時，前置放大器112開始反轉其輸出端。該前置放大器輸出端之反轉觸發比較器114，其轉而觸發鎖存器118以基於如同斜坡產生器116的相同頻率信號擷取計數器120之數值。鎖存器118輸出該數值至隨機存取內存(RAM, random access memory) 122。如在圖1B之該時序圖中所顯示,該等兩個信號在時間t3中途交切並使得比較器114之輸出端跳閘(trip)。
[0017]圖2是用於圖1A之ADC100的斜坡產生器116之示意圖。斜坡產生器116可能是差分切換式電容積分器，其具有用於產生負和正斜坡信號的兩個互補半部(halves)。首先說明用於產生該負斜坡信號的第一半部。
[0018]在取樣模式中，開啟開關202、204並關閉開關206、208以允許電壓跨越取樣電容器210以追蹤正輸入電壓Vin+，而緩衝器212和反饋電容器214保存先前數值。在至積分模式的轉變中，首先關閉開關204、將恆定電荷注入取樣電容器210上並隨後關閉開關202。在該積分模式中，開啟開關206和208。儲存於取樣電容器210上的該電荷因此轉移至反饋電容器214。在回到該取樣模式的該轉變中，在關閉開關206之前關閉開關208。重複此程序以反覆遞減該負斜坡信號。在結束此程序時，開啟開關216以重置反饋電容器214。
[0019]第二半部與負輸入電壓Vin-—起以鏡射方式操作以輸出該正斜坡信號。在該取樣模式中，開啟開關222、224並關閉開關226、228以允許該電壓跨越取樣電容器230以追蹤負輸入電壓Vin-，而緩衝器212和反饋電容器214保存該先前數值。在至該積分模式的該轉變中，首先關閉開關224、將恆定電荷注入取樣電容器230上並隨後關閉開關222。在該積分模式中，開啟開關226和228。儲存於取樣電容器230上的該電荷因此是轉移至反饋電容器234。在回到該取樣模式的該轉變中，在關閉開關226之前關閉開關228。重複此程序以反覆遞增該正斜坡信號。在結束此程序時，開啟開關236以重置反饋電容器234。
[0020]在ADC100轉換範圍從0至I伏特之像素信號的一範例中，斜坡產生器116產生遞增和遞減I毫伏(milliv0lt，mV)大約1，000次的斜坡信號以提供10位解析度(亦即1，024數值)給ADC100。然而，來自重置取樣電容器210和230的kTC噪聲以每個積分累計。為了縮小該kTC重置噪聲，在取樣電容器210/230與反饋電容器214/234之間的電容比是保持小於1/32。然而，這樣的比率將需要較小的取樣電容器210、230，其導致影響非線性斜坡性能的匹配問題。[0021]可使用遞減和遞增ImV的10位DAC，而非使用斜坡產生器116。使用10位DAC之劣勢是相對大尺寸之電路，其將從其它組件帶走在晶片上有價值的真實狀況(real estate)。
[0022]圖3是在本發明所揭示內容之一具體實施例中用於ADC(例如圖1AiADClOO)的斜坡產生器300之示意圖。斜坡產生器300包括一 DAC302，其有正輸出端和負輸出端。在一範例中，DAC302具有8位解析度。注意到相較於10位DAC，8位DAC302提供顯著的真實狀況和耗能節省。舉例來說，8位DAC302可使用10位DAC之1/4空間。基於頻率信號，該DAC正輸出信號最初從其最低數值(對應於0之數字數值)遞增直到其達到其最高數值(對應於255之數位數值)，且隨後其遞減直到其在重複該程序之前回到其最低數值。基於相同的頻率信號，該DAC負輸出信號最初從其最高數值(對應於255之數字數值)遞減直到其達到其最低數值(對應於0之數字數值)，且隨後其遞增直到其在重複該程序之前回到其最高數值。
[0023]該DAC正和負輸出端是以極性反轉開關304連接至取樣電容器306和308。極性反轉開關304最初將該DAC正輸出端耦合於取樣電容器306並將該DAC負輸出端耦合於取樣電容器308。極性反轉開關304稍後反轉以將該DAC負輸出端I禹合於取樣電容器306並將該DAC正輸出端耦合於取樣電容器308。
[0024]在一個範例中，極性反轉開關304包括一開關310，其將該DAC正輸出端耦合於取樣電容器306之第一側；以及一開關312,其將該DAC負輸出端I禹合於取樣電容器306之該第一側。極性反轉開關304更包括一開關314,其將該DAC負輸出端稱合於取樣電容器308之第一側；以及一開關316,其將該DAC正輸出端f禹合於取樣電容器308之該第一側。開關310和316具有相對極性並是以相同的控制信號「dac_p0S」控制(例如低數值開啟開關310但關閉開關316，且反之亦然)。開關312和314具有相對極性並是以相同的控制信號「dac_neg」控制(例如高數值開啟開關312但關閉開關314，且反之亦然)。
[0025]取樣電容器306和308之第二側是耦合於積分器電路318。積分器電路318將來自該等取樣電容器306和308的輸入電壓添加至先前電壓，以分別遞減和遞增負斜坡信號和正斜坡信號。
[0026]在一個範例中,積分器電路318包括一開關320,其將取樣電容器306之該第二側率禹合於參考電壓(例如共模電壓「Vcm」)；一開關322,其將取樣電容器306之該第二側率禹合於緩衝器324之負輸入端；一開關326,其將取樣電容器308之該第二側稱合於該參考電壓；以及一開關328，其將取樣電容器308之該第二側耦合於緩衝器324之正輸入端。開關320和326是以相同的控制信號「int_en」控制(例如高數值開啟開關320和326，且反之亦然)。開關322和328是以相同的控制信號「nint_en」控制(例如高數值開啟開關322和328，且反之亦然)。
[0027]在一個範例中，緩衝器324是充分差分運算放大器。緩衝器324具有產生該負斜坡信號的正輸出端，其是以反饋電容器330耦合回到其負輸入端。開關332是耦合於反饋電容器330之兩側之間以重置該電容器。緩衝器324具有產生該正斜坡信號的負輸出端，其是以反饋電容器334耦合回到其正輸入端。開關336是耦合於反饋電容器334之兩側之間以重置該電容器。
[0028]控制器340將控制信號提供給在斜坡產生器300中的該等開關。控制器340可以邏輯或微控制器實行。[0029]圖4是在本發明所揭示內容之一具體實施例中用於操作斜坡產生器300的方法400之流程圖。方法400可將該等適當的控制信號提供給在斜坡產生器300中之該等開關的控制器340實作。方法400開始於方塊402。
[0030]在方塊402中，DAC302之輸出端是耦合於取樣電容器306、308，且取樣電容器306、308是耦合於積分器電路318。在用於產生負斜坡信號的斜坡產生器300之第一半部上，控制器340開啟開關310、322並關閉開關320、312。尤其是，控制器340在開啟開關322之前關閉開關320。在用於產生正斜坡信號的斜坡產生器300之第二半部上，控制器340開啟開關314、328並關閉開關326、316。尤其是，控制器340在開啟開關328之前關閉開關326。方塊402接著是方塊404。
[0031 ] 在方塊404中，控制器340使得DAC302從其最低數值至其最高數值遞增其正輸出信號256次，且從其最高數值至其最低數值遞減其負輸出信號256次。注意到對於非線性斜坡操作而言，控制器340可使得DAC302在各種時間改變其步驟尺寸。在此方塊中，積分器電路318開始在取樣電容器306和308上分別積分遞增和遞減數值。方塊404接著是方塊 406。
[0032]在方塊406中，控制器340判定DAC302是否通過其正和負輸出信號循環I次。若是，則方塊406接著是方塊408。否則方塊406循環回到其自身。
[0033]在方塊408中，控制器340判定DAC302是否通過其正和負輸出信號循環4次。若是，則斜坡產生器300已完成產生該負和該正斜坡信號，且方塊408接著是方塊420，其結束方法400。否則，方塊408接著是方塊410。
[0034]在方塊410中，控制器340藉由分別關閉開關322和328而從積分器電路318去耦取樣電容器306和308。如在本發明所揭示內容之一具體實施例中的圖5之時序圖中所顯示，控制器340在時間tl將用於開關322和328的該控制信號「nint_en」驅動降低。在此方塊中，積分器電路318保存該負和該正斜坡信號之現有數值。方塊410接著是方塊412。
[0035]在方塊412中，控制器340藉由分別開啟開關320和326而將取樣電容器306和308之第二側耦合於參考電壓(例如Vcm)。如在圖5之該時序圖中所顯示，控制器340在時間t2將用於開關320和326的該控制信號「int_en」驅動升高。在此方塊中，取樣電容器306和308是重置至該參考電壓，從而引入kTC重置噪聲。方塊412接著是方塊414。
[0036]在方塊414中，控制器340藉由關閉開關310、314並開啟開關312、316而將來自DAC302的該等輸出端之連接極性反轉至取樣電容器306和308。如在圖5之該時序圖中所顯示，控制器340在時間t3將用於開關310、316的該控制信號「dac_p0S」驅動升高並將用於開關312、314的該控制信號「dac_neg」驅動降低。方塊414接著是方塊416。
[0037]在方塊416中，控制器340藉由分別關閉開關320和326而從該參考電壓(例如Vcm)去耦取樣電容器306和308之該等第二側。如在圖5之該時序圖中所顯示，控制器340在時間t4將用於開關320和326的該控制信號「int_enj驅動降低。方塊416接著是方塊418。
[0038]在方塊418中，控制器340再次藉由分別開啟開關322和328而將取樣電容器306和308耦合於積分器電路318。如在圖5之該時序圖中所顯示，控制器340在時間t5將用於開關322和328的該控制信號「nint_en」驅動升高。在時間t5之後，DAC302開始遞減已達到其最高電位的一 DAC輸出信號並遞增已達到其最低電位的DAC輸出信號。由於已切換在DAC302與取樣電容器306、308之間的連接極性，故緩衝器電路318以來自DAC302的該等輸出信號持續遞減該負斜坡信號並持續遞增該正斜坡信號。方塊418接著是方塊406。
[0039]當反轉在DAC302與取樣電容器306和308之間的該連接極性而取樣電容器306和308僅重置4次時，按照方法400操作的斜坡產生器300縮小kTC重置噪聲。因此可使用在取樣電容器306、308與反饋電容器330、334之間的較大電容比。舉例來說，可使用有電容器306和308的1/8電容比。
[0040] 從前述，應可察知為了例示之目的於文中已說明本發明所揭示內容之各種具體實施例，且可做到各種修飾例而不悖離本發明所揭示內容之範疇與精神。據此，於文中所揭示之該等各種具體實施例是不欲為限制，而以下列申請專利範圍指示正確的範疇與精神。
[0041]【符號說明】
[0042]100模擬至數字轉換器
[0043]102、104 開關
[0044]106行匯流排線
[0045]108、110取樣電容器；電容器
[0046]112前置放大器
[0047]114比較器
[0048]116斜坡產生器
[0049]118鎖存器
[0050]120計數器
[0051]122隨機存取內存
[0052]202、204、206、208 開關
[0053]210、230取樣電容器
[0054]212緩衝器
[0055]214,234反饋電容器
[0056]216、222、224、226、228、236 開關
[0057]300斜坡產生器
[0058]302數字至模擬轉換器
[0059]304極性反轉開關
[0060]306、308取樣電容器；電容器
[0061]310、312、314、316、320、322、326、328、332、336 開關
[0062]318積分器電路；緩衝器電路
[0063]324緩衝器
[0064]330、334反饋電容器
[0065]340控制器
[0066]400 方法
[0067]402 ~420 方塊
[0068]tl、t2、t3、t4、t5 時間
[0069]Vcm共模電壓
[0070]Vin+正輸入電壓 [0071] Vin-負輸入電壓
【權利要求】
1.一種斜坡產生器，包含: 一數字至模擬轉換器(DAC, digital-to-analog converter)； 一取樣電容器； 一積分器電路； 一極性反轉開關，其選擇性將該DAC之第一和第二輸出端稱合於該取樣電容器之一第一側； 一第一開關，其將該取樣電容器之一第二側稱合於一參考電壓源；以及 一第二開關，其將該取樣電容器之該第二側稱合於該積分器電路之一輸入端。
2.如權利要求1所述的斜坡產生器，其中該積分器電路包含: 一緩衝器； 一反饋電容器，其稱合於該緩衝器之一正輸出端與一負輸入端之間，該緩衝器之該負輸入端是該積分器電路之該輸入端。
3.如權利要求2所述的斜坡產生器，其中該極性反轉開關包含: 一第三開關,其將該DAC之該第一輸出端稱合於該取樣電容器之該第一側； 一第四開關，其將該DAC之該第二輸出端I禹合於該取樣電容器之該第一側。
4.如權利要求3所述的斜坡產生器，更包含: 另一取樣電容器，其中該極性反轉開關選擇性將該DAC之該第一和該第二輸出端I禹合於該另一取樣電容器之一第一側； 一第五開關，其將該另一取樣電容器之一第二側稱合於該參考電壓源；以及 一第六開關，其將該另一取樣電容器之該第二側稱合於該積分器電路之另一輸入端。
5.如權利要求4所述的斜坡產生器，其中該積分器電路更包含: 另一反饋電容器，其耦合於該緩衝器之一負輸出端與一正輸入端之間，該緩衝器之該正輸入端是該積分器電路之該另一輸入端。
6.如權利要求5所述的斜坡產生器，其中該極性反轉開關更包含: 一第七開關，其將該DAC之該第一輸出端I禹合於該另一取樣電容器之該第一側；以及 一第八開關，其將該DAC之該第二輸出端稱合於該另一其它取樣電容器之該第一側。
7.如權利要求6所述的斜坡產生器,其中該DAC具有一第一解析度，且該斜坡產生器具有一更高的解析度。
8.一種模擬至數字轉換器(ADC, analog-to-digital converter),包含: 一斜坡產生器，其包含: 一數字至模擬轉換器(DAC)； 一第一取樣電容器； 一第二取樣電容器； 一積分器電路； 一極性反轉開關，其選擇性將該DAC之第一和第二輸出端稱合於該第一和該第二取樣電容器之第一側； 一第一開關，其將該第一取樣電容器之一第二側稱合於一參考電壓源； 一第二開關，其將該第一取樣電容器之該第二側稱合於該積分器電路之一負輸入端； 一第三開關，其將該第二取樣電容器之一第二側耦合於該參考電壓源；以及一第四開關，其將該第二取樣電容器之該第二側稱合於該積分器電路之一正輸入端。
9.如權利要求8所述的ADC，其中該積分器電路包含: 一緩衝器； 一第一反饋電容器和一第一重置開關，其稱合於該緩衝器之一正輸出端與一負輸入端之間，該緩衝器之該負輸入端是該積分器電路之該負輸入端；以及 一第二反饋電容器和一第二重置開關，其稱合於該緩衝器之一負輸出端與一正輸入端之間，該緩衝器之該正輸入端是該積分器電路之該正輸入端。
10.如權利要求8所述的ADC，其中該極性反轉開關包含: 一第五開關，其將該DAC之該第一輸出端稱合於該第一取樣電容器之該第一側；一第六開關，其將該DAC之該第一輸出端稱合於該第二取樣電容器之該第一側,該第五和該第六開關是相對極性並以一第一控制信號控制； 一第七開關，其將該DAC之該第二輸出端f禹合於該第一取樣電容器之該第一側；以及一第八開關，其將該DAC之該第二輸出端稱合於該第二取樣電容器之該第一側,該第七和該第八開關是相對極性並以一第二控制信號控制。
11.如權利要求8所述的ADC，其中該DAC具有一第一解析度，且該斜坡產生器具有一更高的解析度。
12.如權利要求8所述的ADC，更包含: 一第三取樣電容器，其具有稱合於該斜坡產生器之一負輸出端的一第一側； 一第四取樣電容器，其具有I禹合於該斜坡產生器之一正輸出端的一第一側； 一比較器，其具有稱合於該第三和該第四取樣電容器之第二側的輸入端； 一計數器； 一鎖存器，其I禹合於該計數器之一輸出端和該比較器之一輸出端；以及 一內存，其I禹合於該鎖存器之一輸出端。
13.如權利要求12所述的ADC，更包含: 一第五開關，其將該第三取樣電容器之該第一側耦合於一匯流排以檢測一像素信號；以及 一第六開關，其將該第四取樣電容器之該第一側耦合於該匯流排以檢測一重置信號。
14.一種方法，包含: 選擇性將第一和第二輸出端之一從一數字至模擬轉換器(DAC)耦合於一取樣電容器； 遞增該DAC之該第一輸出端並遞減該第二輸出端； 以該取樣電容器取樣該第一和該第二輸出端該之一； 以一積分器電路在該取樣電容器上積分一數值； 當該第一和該第二輸出端達到終端數值時: 從該積分器電路去耦該取樣電容器； 將該取樣電容器耦合於一參考電壓源以重置該取樣電容器； 選擇性將該第一和該第二輸出端之該另一稱合於該取樣電容器； 從該參考電壓源去耦該取樣電容器；以及 將該取樣電容器耦合回到該積分器電路； 遞減該DAC之該第一輸出端並遞增該第二輸出端；以該取樣電容器取樣該第一和該第二輸出端之該另一；以及以該積分器電路在該取樣電容器上積分該數值。
15.如權利要求14所述的方法，更包含:選擇性將該第一和該第二輸出端之該另一稱合於另一取樣電容器；以該另一取樣電容器取樣該第一和該第二輸出端之該另一；以該積分器電路在該另一取樣電容器上積分一數值；當該第一和該第二輸出端達到該等終端數值時:從該積分器電路去耦該另一取樣電容器； 將該另一取樣電容器耦合於該參考電壓源以重設該另一取樣電容器；選擇性將該第一和該第二輸出端該之一稱合於該另一取樣電容器；從該參考電壓源去耦該另一取樣電容器；以及將該另一取樣電容器耦合回到該積分器電路；以該另一取樣電容器取樣該第一和該第二輸出端該之一；以及以該積分器電路在該另一取樣電容器上積分該數值。
【文檔編號】H03M1/52GK103634011SQ201310346911
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年8月9日 優先權日:2012年8月24日
【發明者】印秉宏, 米什拉·S·納拉揚, 米塔·艾民 申請人:英屬開曼群島商恆景科技股份有限公司