快閃型模數轉換器及將輸入電壓vin轉換為數字輸出的方法

2023-04-28 22:41:31 2

專利名稱：快閃型模數轉換器及將輸入電壓vin轉換為數字輸出的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於將輸入電壓轉換為數字輸出的方法、設備和系統。
背景技術：
當前的快閃型模數(A/D)轉換器的特徵是，在低輸入電壓時，有高 相對誤差。因此，就需要一種方法、設備和系統，在低輸入電壓時，可 以有效的降低快閃型A/D轉換器中的數字輸出的相對誤差。

發明內容
在第一個實施例中，本發明提供了一種快閃型模數(A/D)轉換器， 所述A/D轉換器適於將輸入電壓VIN轉換為數字輸出，其中，VIN在 A/D轉換器的工作電壓範圍內，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，基於一一對應的關係而與所述N個參考電壓相關聯， 每個比較器都適於將VIN和與該比較器關聯的參考電壓進行比較，每個 比較器適於生成一個反映所述二進位比較結果的二進位位；和
編碼器裝置，用於從所述比較器生成的二進位位的分析中產生數字 輸出。在第二個實施例中，本發明提供了一種方法，用於將輸入電壓VIN
轉換為一個數字輸出，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行比較；
每次所述比較都生成一個二進位位，該二進位位反映所述比較的二 進位結果；
從生成的二進位位的分析中產生數字輸出。
在第三個實施例中，本發明提供了一種系統，用於將輸入電壓VIN 轉換為數字輸出，包括
K個線性快閃型模數(A/D)轉換器設備Z1， Z2，…，ZK，各自都 有大小為AV1， AV2，…，AVK的參考電壓階躍，並且各個轉換器分別 適於將VIN轉換為多位字符串Sl， S2，…，SK，其中AVKAV2〈…〈AVK， 並且其中尺^2;禾口
編碼器裝置，用於組合S1， S2，…和SK以生成數字輸出，其中數 字輸出有充足的位數以保證在S1， S2，…和SK中獲得的精確度。
在第四個實施例中，本發明提供了一種方法，用於將輸入電壓VIN 轉換為數字輸出，包括
提供了K個線性快閃型模數(A/D)轉換器設備Z1， Z2…，ZK，各 自都有大小為AV1， AV2，…，AVK的參考電壓階躍，並且其中 △V1<AV2<'"<AVK，並且其中《^2;
使用轉換器設備Z1， Z2…，ZK，各個轉換器分別將VIN轉換為多 位字符串S1， S2，…，SK;以及
組合Sl， S2，…和SZ以生成數字輸出，其中數字輸出有充足的位 數以保證在S1， S2，…和SK中獲得的精確度。
本發明提供了一種方法、設備和系統，在低輸入電壓時，可以有效 地降低快閃型A/D轉換器中的數字輸出的相對誤差。


圖1示出了根據本發明實施例的一個線性快閃型模數(A/D)轉換器。 圖2示出了根據本發明實施例，圖1中的線性A/D轉換器的數字輸
出與輸入電壓的比較。
圖3示出了根據本發明實施例，圖1中的採用10個輸出位的線性
A/D轉換器的相對誤差與輸入電壓的比較。
圖4示出了根據本發明實施例的一個非線性快閃型A/D轉換器。 圖5示出了根據本發明實施例， 一個幾何A/D轉換器的數字輸出與
輸入電壓的比較。
圖6示出了根據本發明實施例，圖5中的幾何A/D轉換器的相對誤 差與輸入電壓的比較。
圖7示出了根據本發明實施例，去掉非必要的參考電壓階躍後，圖l 中的線性A/D轉換器的相對誤差與輸入電壓的比較。
圖8示出了根據本發明實施例，包括兩個線性快閃型A/D轉換器的 第一系統。
圖9示出了根據本發明實施例，圖8中的第一系統中相對誤差與輸 入電壓的比較。
圖IO示出了根據本發明實施例，包括兩個快閃型線性A/D轉換器的 第二個系統。
圖11示出了根據本發明實施例，圖10中的第二系統中相對誤差與 輸入電壓的比較。
圖12示出了根據本發明實施例，包括兩個快閃型線性A/D轉換器的 第三個系統。
圖13示出了根據本發明實施例，採用圖12中的第三系統將輸入電 壓轉換為數字輸出的轉換過程流程圖。
具體實施例方式
一個快閃型模數(A/D)轉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行比較。在參考電壓之間存在相關聯的一組電壓階 躍。將比較器的輸出值組合為一個數字值，該值與模擬輸入電壓有直接
7關係。採用一個線性快閃型A/D轉換器，參考電壓線性分布，電壓階躍
為恆量。採用一個非線性快閃型A/D轉換器，參考電壓非線性分布，電 壓階躍不恆定。
圖1示出了根據本發明實施例的一個線性模數(A/D)轉換器10， 它有一個兩位的數字輸出代碼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的二進位位。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 (二進位)，它等於2d (十進位)。作為一個線性轉換器，在最 低電壓VREF-和最高電壓VREF+之間，A/D轉換器10包括四個串聯的 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+。由於A/D轉換器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相關聯。比較器C1將輸入電壓VIN與參考電壓 Vl進行比較，並輸出反映了所述比較結果的一個二進位位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進行比較，並輸出反映了所述比較結果的一個二進位位 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進行比較，並輸出反映了所述比較結果 的一個二進位位b3(例如，如果VIN<V3則b3=0，如果VIN^V3則b3=l )。
線性A/D轉換器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"代表二進位數，如根 據本發明實施例的圖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的範圍內(也就是VREF-O並且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對四個輸出碼進行了總結，其中在"輸出代碼"列中的"b"和"d"分別表示二進位和十進位。 表l
輸出代碼 VIN的範圍 VIN的等價範圍
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示出了根據本發明實施例，釆用10個輸出位的圖1中的線性 A/D轉換器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，相對誤差變為無窮大，這是線性 和非線性A/D轉換器都具有的特性。
圖l-3示出了關於線性A/D轉換器10的兩位輸出代碼，以下的討論 通常適合於線性轉換器的X位輸出代碼，其中X22。定義N-2X-1，有 2X個串聯的電阻器，每個電阻器都有相同的電阻值R， 2X個電阻器串聯 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，從而電壓階躍數為l加上比較器或者參考電壓的數量。 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 。絕對誤差恆定且為 (VREF+-VREF-) /2X+l。相對誤差為(VREF+-VREF-) / (VIN*2X+1)， 它隨著VIN的降低而增加，並在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。
可以採用增大X，也就是增加電阻器的數量和相關聯的參考電壓和 比較器的數量的方法降低VIN為低值時的相對誤差。如果為VIN而設定 最大相對誤差s和從VMIN至U VMAX的輸入範圍，從而使 0<VMIN<VMAX且VMIN <VIN<VMAX，則能夠計算所需要的輸出位的 數量X。為了保證在臨界點上(例如當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 數量XMIN為
XMIN= 1 n[( VMAX-VMIN)/(2sVMIN)]/1 n2 (1)
如果在使用公式(1)進行計算時，XMIN沒有得到整數值，則必須 將XMIN向上進位到下一個整數值。例如，線性快閃型A/D轉換器，在 0.1到1伏的輸入範圍內的相對誤差應該不大於0.2。％，必須生成至少12 個位的數字輸出，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， 向上進位到XMIN42。如圖3所示，由於向上進位，最大相對誤差大約 為0.0012，小於所規定的0.002，這是小於所要求的相對誤差。如果VIN 接近VMAX=1.0，相對誤差大約為0.00011，其遠小於所要求的相對誤差。
圖4示出了根據本發明的實施例的一個非線性快閃型A/D轉換器20， 它有兩個位的數字輸出代碼23，由輸出位21和22確定，每一個輸出位 都有一個0或1的二進位位。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 進位)，它等於2d (十進位)。作為一個非線性轉換器，A/D轉換器20包 括四個串聯的電阻值分別為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+。由於A/D轉換器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相關聯。比較器C1將輸入電壓VIN與參考電 壓V1進行比較，並輸出反映了所述比較結果的一個二進位位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進行比較，並輸出反映了所述比較結果的一個二進位 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進行比較，並輸出反映了所述比較結 果的一個二進位位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"代表二進位數。 非線性A/D轉換器的一個典型類型是一個幾何A/D轉換器(也稱為"對 數"A/D轉換器)，其特點是參考電壓的相鄰值的比值是恆定的。因此， 如果圖4是 一 個幾何A/D轉換器，則 ￥虹？+/^3=￥3/￥2=￥2/￥1=￥1/￥虹？-0常數=(VREF+/VREF-) 1/4。 在以上結合圖1-3敘述的基於數字的例子中(例如，VMIN=VREF-=0.1 伏，VMAX=VREF+=1伏，is=0.002)，幾何A/D轉換器的特徵為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轉換器的例子中， VIN範圍為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 代碼進行了總結，其中在"輸出代碼"列中的"b"和"d"分別表示二 進位和十進位。
表2
輸出代碼VIN的範圍 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示出了關於非線性A/D轉換器20的兩位輸出代碼，以下的討 論通常適合於非線性轉換器的X位輸出代碼，其中X22。定義N-2X-1， 具有2X個串聯的電阻器，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，從而電壓階躍的數量為1加上比較器或者參考 電壓的數量。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 一個不同於所述電壓階躍中的其它至少一個。如果非線性A/D轉換器20 是一個幾何A/D轉換器，則相對誤差E恆定(也就是不依賴於VIN)，由 以下公式給出
formula see original document page 12(2)
formula see original document page 12(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 see original document page 12(4) 從而可以計算得到N為
formula see original document page 12 (5)
如果在公式(5)中N不是整數，則必須將N向上進位到下一個整數。 對於本例子，採用公式(5)， N=ln (1.0/0.1) /In (1+2*0.002) =576.8， 向上進位為N-577，並根據公式(3)得到C: (1.0/0.1) 1/577; 1.004。 作為驗算，由公式(2)得出E=0.002。圖6中畫出了恆定的相對誤差 E=0.002。應當注意的是，從公式(5)中可以推出，VREF-趨近於O時， 所需的參考電壓階躍的數量N變為無窮大，因此在幾何A/D轉換器不能 處理VREF-=0。
幾何A/D轉換器產生不實際的分數輸出值，同時編碼器25的複雜性 增加。更實際採用的方法是使用線性快閃型A/D轉換器的設計，並省略 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。可以採用能省略比較的任何算法，如果該算法是本領域技 術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的範例的條件(即VMIN=VREF-=0.1伏，VMAX=VREF+=1 伏，「0.002)。與結合圖1-3的上述純粹線性A/D轉換器所需要的4096 個參考電壓階躍相比，它就具有很大的優勢。在圖7中示出了作為一個輸入電壓VIN的函數的算法對於相對誤差的影響。在圖7中，相對誤差
是關於VIN的一個分段連續函數，VIN範圍為VREF-<VIN<VREF+。該 VIN的分段連續函數有多個分段，其中多個分段中的每兩個相鄰分段是 不連續地連接在一起。每個所述分段中的相對誤差是關於VIN的單調遞 減函數。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。
採用如圖7的算法的結果就是可以得到一個非線性A/D轉換器，它 的動態電壓範圍可以與一個12位的線性A/D轉換器相當，而它的複雜程 度大致相當於一個10位的轉換器(g卩，659個電壓階躍在29和210個電 壓階躍之間，因此659向上進位到210)。這裡沒有考慮的是略微複雜的 數字編碼器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轉換器的比較器相當的比較器。
其它實施例都有圖4所示的非線性A/D轉換器20，其結構包括多個 的線性範圍。例如， 一個正整數M， 1<M<N，這裡N為非線性A/D轉換 器20中的參考電壓階躍的總數，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，這裡AVKAV2。這裡有一個更普通的例子，多個線性範圍 可以包含L個線性區域，並且使I^2，這些在VREF-到VREF+的電壓遞 增順序中的線性區域具有從VREF-到VREF+的參考電壓階躍大小AV1， △V2，…，AVL，服從AVKAV2〈…〈AVL。在這些其它實施例中，如所 述結合圖7所做的上述解釋，在部分或者全部線性區域內可以省略非必 要的電壓比較。
在另外一個實施例中，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，這裡 1<M<N。在該另一實施例中，如所述結合圖7所做的上述解釋，在部分 或者全部線性區域內可以省略非必要的電壓比較。
以上對各種非線性A/D轉換器的實施例地論述可以按照以下進行總結。
一個快閃型線性A/D轉換器用於將輸入電壓VIN轉換為數字輸出，
其中VIN在A/D轉換器的工作電壓範圍內。工作電壓區域由一個最低電 壓VREF-和一個最高電壓VREF+定義。該A/D轉換器包括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，並且在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 聯。每個比較器都適於進行VIN和與該比較器相關聯的參考電壓之間的 比較，並且每個比較器都包含位生成裝置，用於生成反映所述比較的二 進位結果的一個二進位位。編碼器裝置用於從由位生成裝置所生成的二 進位位的分析中產生數字輸出。
圖8-13示出了根據本發明的實施例，多個線性快閃型A/D轉換器的 應用。圖8-9示出了該類型的第一個實施例。圖10-11示出了該類型的第 二個實施例。圖12-13示出了該類型的第三個實施例。
圖8示出了根據本發明的實施例的一個系統30，包括線性快閃型A/D 轉換器31和32。A/D轉換器31和32每一個都處理輸入電壓的不同範圍， 但是每一個都有相同的電壓工作範圍。 一個算術單元45線性地將輸入電 壓VIN轉換為電壓VIN1， A/D轉換器31將電壓VIN1轉換為一個多位 字符串S1。算術單元45包括一個減法器46和一個乘法器47。這裡A/D 轉換器31和算術單元45合稱為A/TD轉換器設備ZI。 一個算術單元40 線性地將輸入電壓VIN轉換為電壓VIN2， A/D轉換器32將電壓VIN2 轉換為一個多位字符串S2。算術單元40包括一個減法器41和一個乘法 器42。這裡A/D轉換器32和算術單元40合稱為A/D轉換器設備Z2。 字符串Sl和S2可以有相同的位數，或者也可以有不同的位數。
一個編碼器35將多位字符串Sl和S2合併為數字輸出33。編碼器 35對多位字符串Sl和S2進行變換從而可以有效的進轉換算術單元45 和40的數字運算。因此轉換S1包括用其除以4.625，然後加上O.l。轉 換S2包括用其除以1.462，然後加上0.3162。數字輸出33有足夠的位數 來保證Sl和S2中所含的精度。因此數字輸出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的範圍0到1分為兩個電壓子範圍SV1和5V2。在該例子中，A/D轉換器31和32各自有從0到1的工作電壓範圍。子 範圍5V1是從0.10到0.3162伏特，子範圍5V2是從0.3162到1伏特。所 述用於SV1和5V2的先前數值是優化值，該值使子範圍SV1的最大相對誤 差sl和子範圍5V2的最大相對誤差s2的值相等。注意，在子範圍5V1和 5V2中，X代表相同數量的電壓階躍，並且定義一個截止電壓VC，其作 為子範圍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。設置s1^2，求出VC的值為VC=l/( 10)1/2=0.3162， 該值確定了用於子範圍SV1禾貼V2的上述數值。在圖8中，算術單元45 執行VIN^ (VIN-0.1) *4.625，將從0.10到0.3162伏的子範圍5V1轉換 為A/D轉換器31的從0到1伏的工作電壓範圍。同樣，在圖8中，算術 單元40執行VIN2= (VIN-0.3162) * 1.462，將從0.3162到1伏的子範圍 5V2轉換為A/D轉換器32的從0到1伏的工作範圍。
圖9示出了圖8的系統30使用前述例子，子範圍5V1和5V2中採用 0.002的最大相對誤差，數字輸出36的相對誤差與輸入電壓VIN的比較。 圖9示出了數字輸出36的最大相對誤差只有0.001 ，這表明採用兩個A/D 轉換器替代一個A/D轉換器所帶來的性能改善(與0.002相比)。由於子 範圍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為數字輸出36生成一個12位的結 果。作為所述從VIN到VIN1和VIN2的變換的結果，子範圍5V1禾口5V2 有大小為AV1和AV2的有效參考電壓階躍，並且比率大約為 AV1/AV2=0.3162/ (1-0.3162) =0.46，這符合AVKAV2的一般關係。
圖8-9的實施例通常應用於K個線性快閃型A/D轉換器設備Zl， Z2，…，ZK，它們各自有大小為AV1， AV2,…，AVK的參考電壓階躍， 並且各自將VIN轉換為多位字符串Sl， S2，…，SK，其中AVKAV2〈… <AVK，其中尺22。 一個編碼器將Sl， S2，…和SK組合，生成數字輸 出，其中數字輸出有足夠的位數以保證在S1， S2，…和SK中的精確度。 對於K4， 2，…，K， A/D轉換器設備ZK包括一個算術單元Ak，它與 一個線性A/D轉換器Bk串聯。A/D轉換器有相同的工作電壓範圍，並且 VIN在該工作電壓範圍內。工作電壓範圍包括K個連續的電壓子範圍， 按照電壓從低到高表示為5V1， 5V2，…，5VK。對於K-1， 2，…，K，算術單元Ak根據將SVK轉換為工作電壓範圍，將VIN轉換為一個新的 輸入電壓VIN， K， A/D轉挾器BK將VIN， K轉換為多位字符串SK。
儘管圖8和9的實施例基於一種優化算法生成了子範圍SV1禾貼V2， 但是也可以基於一種與按照相對誤差進行優化的方法相比較差的電壓分 割方法生成子範圍SV1和5V2，但是該方法可以極大的簡化編碼器，如圖 10-13中示出的本發明的實施例中所述。圖10-13包括基於同一思想的兩 種不同形式，即圖10-11的實施例和圖12-13的實施例。
圖10示出了根據本發明的實施例的一個系統50，包括線性快閃型 A/D轉換器51和52。 A/D轉換器51和52每一個都處理輸入電壓的不同 範圍，但是每一個都有相同的電壓工作範圍。 一個算術單元53按照一個 係數22，線性地將輸入電壓VIN放大為電壓VII，並且A/D轉換器51 將電壓VIl轉換為一個多位字符串S1A。 A/D轉換器52將輸入電壓VIN 轉換為一個多位字符串S2A。這裡A/D轉換器51和算術單元53合稱為 一個A/D轉換器設備。字符串S1A和S2A可以有如圖所示的相同位數， 或者也可以有不同的位數。
對於一個給定輸入電壓VIN，基於VIN的大小，既可以用A/D轉換 器51生成多位字符串S1A，或者也可以用A/D轉換器52生成多位字符 串S2A。假定VIN有從0到1伏的輸入範圍，並且A/D轉換器51和52 各自有從0到1伏的工作電壓範圍，則如果VIN〈1/22，採用A/D轉換器 51，如果VIN》l/22則採用A/D轉換器52。如果VIN<l/22，則將VIN乘 於22，其效果是在VIN<l/22時按照係數22降低相對誤差。
編碼器54基於採用A/D轉換器51還是採用52 ，選擇多位字符串SI A 或者S2A以生成數字輸出55。編碼器55變換多位字符串S1A，從而可 以有效的轉換算術單元53的數字運算。因此，如圖10所示，轉換S1A 包括除以22。數字輸出55有足夠的位數以保證在Sl和S2中的精確度。
圖11示出了圖10的實施例中，以所述數字為例，數字輸出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，轉換從採用A/D轉換器51改為採用A/D轉換器52 時，相對誤差按照一個大約為22的期望係數增加。
儘管在圖10中，算術單元53將VIN乘了一個22，算術單元53或者一個類似設備也可以將VIN乘一個2J，其中J為一個正整數。通常，
只要編碼器54完成一個VIN的關於R的一個適當的變換，算術單元53 或者一個類似設備可以用任何比1大的實數R與VIN相乘。如果所述乘 法是與一個不同於2J的實數R相乘，其中J為一個正整數，編碼器54 的複雜程度會增加。作為所述處理的結果，A/D轉換器51和52各自有 大小為AV1和AV2的參考電壓階躍，並且有AVKAV2。
圖12示出了根據本發明的實施例的一個系統60，包括第一線性快閃 型A/D轉換器61和第二線性快閃型A/D轉換62。圖12的系統60產生 的相對誤差曲線與圖ll所示出的圖10的系統50的曲線相同。A/D轉換 器61和62各自有工作電壓範圍S1和S2，其中31/52=1/22。因此如果A/D 轉換器62處理從0到1伏的電壓，則52=1伏並且51=1/22伏。A/D轉換 器61和62共同處理輸入電壓VIN。 A/D轉換器61將VIN轉換為多位字 符串S1B。 A/D轉換器62將輸入電壓VIN轉換為多位字符串S2B。字符 串S1B和S2B各自可以有如圖所示的相同位數，或者也可以有不同的位 數。
編碼器64基於S2B的值，選擇多位字符串S1B或者S2B以生成數 字輸出65。如果S2B沒有在51範圍內，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。數字輸出 65有足夠的位數以保證在S和S2中的精確度。如果VIN〈1/22，相對於 A/D轉換器62來說，有效的降低A/D轉換器61的工作電壓範圍可以按 照係數22降低相對誤差。
圖13是一個流程圖，示出了根據本發明實施例，圖12中系統60的 運作。在步驟71和72中，分別使用了第一A/D轉換器61 (其工作電壓 範圍為51)和第二線性A/D轉換62 (其工作電壓範圍為S2)。在步驟73 中，第一 A/D轉換器61將VIN轉換為S1B。在步驟74中，第二 A/D轉 換器62將VIN轉換為S2B。步驟75詢問S2B是否在51範圍內。如果為 否，則編碼器64在步驟76中從S2B中生成數字輸出65。如果為是，則 編碼器64在步驟77中從SlBx (52/51)中生成數字輸出65。
應用於以上圖10中系統50的圖11，也同樣可以應用於系統60，顯 示以所述數字為例，在數字輸出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,進行 從未在S1範圍內的S2B到在51範圍內的S2B的轉換時，相對誤差按照一 個大約為22的期望係數增加。
儘管在圖12-13中所述的數字例子中，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。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大的實數R。如果51/S2為一個不 同於2J的實數R，其中J為一個正整數，編碼器64的複雜程度會增加。 作為所述處理的結果，A/D轉換器51和52各自有大小為AV1禾BAV2的 參考電壓階躍，並且有AVKAV2。
圖8-13的實施例通常應用於K個線性快閃型A/D轉換器設備Zl， Z2，…，ZK，它們各自有大小為AV1， AV2，…，AVK的參考電壓階躍， 並且各自將VIN轉換為多位字符串Sl， S2，…，SK，其中AVKAV2、… <AVK，且其中《22。 一個編碼器將Sl， S2，…和SK組合，生成數字 輸出，其中數字輸出有足夠的位數以保證在Sl， S2，…和SK中的精確 度。
雖然為了說明的目的，這裡描述了本發明的一些實施例，可以進行 對於本領域技術人員來說顯而易見的很多修改和變化。因此，附加的權 利要求目的是涵蓋在本發明的實質思想和範圍之內的所有的修改和變 化。
權利要求
1. 一種快閃型模數A/D轉換器，所述A/D轉換器將輸入電壓VIN轉換為數字輸出，其中VIN在A/D轉換器的工作電壓範圍內，所述工作電壓範圍由一個最低電壓VREF-和一個最高電壓VREF+定義，所述A/D轉換器包括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地相關聯，每個比較器都適於將VIN和與該比較器相關聯的參考電壓進行比較，每個比較器都包括位生成裝置，用於生成一個反映所述二進位比較結果的一個二進位位；和編碼器裝置，用於從所述位生成裝置生成的二進位位的分析中產生數字輸出。
2、 權利要求1中的A/D轉換器，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、 權利要求l中的A/D轉換器，其中參考電壓V1， V2，…，VM-1 線性地分布在VREF-和VM之間，並且有一個大小為AV1的恆定的參考 電壓階躍，其中參考電壓VM+1，…，VN線性地分布在VM和VREF+ 之間，並且有一個大小為AV2的恆定的參考電壓階躍，其中AVKAV2， 並且其中1<M<N。
4、 權利要求1中的A/D轉換器，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，並且其中1<M<N。
5、 權利要求1中的A/D轉換器，其中參考電壓V1， V2，…，VN 幾何地分布在VREF-和VREF+之間。
6、 權利要求1中的A/D轉換器，其中關於VIN的多位字符串中的 誤差(相對誤差)是關於範圍為VREF《VIN〈VREF+的VIN的一個分段 式連續函數，所述關於VIN的分段式連續函數有多個分段，其中多個分段的每兩個相鄰的分段是不連續連接在一起的，並且每個分段中的相對 誤差是關於VIN的單調遞減函數。
7、 權利要求6中的A/D轉換器，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轉換為數字輸出的方法，其中VIN在一個 最低電壓VREF-和一個最高電壓VREF+之間的範圍內，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行比較；為每一個所述比較生成一個二進位位，該二進位位反映所述比較的 一個二進位結果；和從對生成的二進位位的分析中產生數字輸出。
9、 權利要求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，並且有一個大小為AV1的恆定的參考電壓 階躍，其中參考電壓VM+1，…，VN線性地分布在VM和VREF+之間， 並且有一個大小為AV2的恆定的參考電壓階躍，其中AVKAV2，並且其 中1<M<N。
11、 權利要求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，並且其中1<M<N。
12、 權利要求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、 權利要求8中的方法，其中關於VIN的多位字符串中的誤差(相 對誤差)是關於範圍為VREF《VIN〈VREF+的VIN的一個分段式連續函 數，所述關於VIN的分段式連續函數有多個分段，其中多個分段的每兩 個相鄰的分段是不連續連接在一起的，每個分段中的相對誤差是關於VIN 的單調遞減函數。
14、權利要求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
一種用於將一個輸入電壓VIN轉換為數字輸出的方法，設備和系統。在一個或多個快閃型模數(A/D)轉換器中，將VIN與參考電壓進行比較，生成表示VIN的數字輸出。如果採用一個A/D轉換器，則A/D轉換器為非線性。如果採用多於一個的A/D轉換器，則A/D轉換器為線性。
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 優先權日2002年12月4日
發明者F·P·M·布德澤拉亞爾 申請人:Nxp股份有限公司