專利名稱：用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的方法和儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的方法和系統(tǒng)，并特別涉及一種低成本、易制造的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
和概述模塊-數(shù)字的轉(zhuǎn)換是普遍的。在對(duì)數(shù)字無線電設(shè)備的一種應(yīng)用中，需要高速率的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器去將語音和其他有關(guān)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。在模擬調(diào)頻(FM)無線電設(shè)備中，無論如何，對(duì)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換的要求一般不很嚴(yán)格，(1)因?yàn)檎Z音并不被數(shù)字化，而且(2)因?yàn)楸粩?shù)字化的模擬信號(hào)，例如，信號(hào)強(qiáng)度的大小，電池電壓的大小，功率放大器電流的大小等，并不需要被高速率數(shù)字化。事實(shí)上，無線電設(shè)備微處理器在幾毫秒內(nèi)可能只監(jiān)測(cè)所接收的信號(hào)強(qiáng)度、電池電壓、功率放大器電流等一次。
要作成這樣的速率較慢的用于模擬無線電設(shè)備的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可將單個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器與能從多個(gè)待數(shù)字化的信號(hào)中選出一個(gè)的模擬多路復(fù)用器連接。例如，八個(gè)輸入端模擬多路復(fù)用器的八個(gè)輸入端可分配如下(1)基準(zhǔn)電壓輸入(Vcc),(2)測(cè)得的被接收信號(hào)強(qiáng)度，(3)測(cè)得的電池電壓，(4)測(cè)得的功率放大器電流，(5)被檢測(cè)的溫度，(6)被反射的發(fā)送器功率，(7)發(fā)送器的壓控振蕩器(VCO)電壓，(8)零基準(zhǔn)電壓(例如，地線)。多路復(fù)用器然后可選擇一個(gè)輸入信號(hào)去與一個(gè)接地的電容器相連，把電容器充電到所選信號(hào)的電壓。要將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，可用一個(gè)與輸入電容器相連的更小電容器從輸入電容器周期性地卸去電荷的增量。比較器檢測(cè)出的使輸入電容器回到接地電勢(shì)所需的電荷增量的次數(shù)可存入計(jì)數(shù)器。通過將轉(zhuǎn)換所選電壓時(shí)得到的計(jì)數(shù)器輸出與應(yīng)時(shí)校準(zhǔn)中轉(zhuǎn)換接地電勢(shì)或基準(zhǔn)電壓如Vcc時(shí)所得計(jì)數(shù)器輸出相比較，就可確定輸入模擬信號(hào)的數(shù)字值。
這樣的裝置所具有的一個(gè)缺點(diǎn)是它需要一個(gè)能檢測(cè)零電壓的比較器。普通的、廉價(jià)的比較器當(dāng)輸入電壓達(dá)到零電壓基準(zhǔn)時(shí)，就不能準(zhǔn)確地檢測(cè)，因?yàn)樵诹汶妷?，沒有電流通過比較器的放大器。而普通的比較器更容易去與量級(jí)在零電壓和基準(zhǔn)電壓(Vcc)中間，即Vcc/2的基準(zhǔn)電壓相比較。制作零電壓檢測(cè)器的一種途徑是構(gòu)制使用負(fù)電源的比較器。然而，在成本和重量是重要因素，在諸如便攜的、手持無線電設(shè)備的應(yīng)用中，附加的負(fù)電源或附加的電源變換電路是顯著的缺點(diǎn)。
當(dāng)實(shí)施上面描述的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置時(shí)，另一種考慮是利用特殊類型的部件去將小電容器接通或斷開與輸入電容器的串聯(lián)。雙極型晶體管和二極管開關(guān)對(duì)溫度都很敏感，所以使校準(zhǔn)變得很困難。從而不確定的是為響應(yīng)給定的輸入電壓電平將產(chǎn)生怎樣特殊的數(shù)字輸出。因此，必將使用連續(xù)的校準(zhǔn)技術(shù)來延緩模擬-數(shù)字的轉(zhuǎn)換過程，以及增加復(fù)雜性和費(fèi)用。例如，在每個(gè)輸入電壓被測(cè)定之前，可能需要較頻繁地測(cè)量充電到標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓或由此電壓放電所需的脈沖數(shù)，以便通過將選定的輸入電壓除以總脈沖數(shù)再乘以基準(zhǔn)電壓來校正輸入電壓。在二進(jìn)制數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中完成這樣的除法和乘法運(yùn)算實(shí)際上是足夠困難的，因這類系統(tǒng)顯著地減緩了轉(zhuǎn)換操作。由于多數(shù)半導(dǎo)體制造廠使用金屬氧化物在硅上(MOS)的工藝制造晶體管，雙極型晶體管也是比較貴的。
本發(fā)明的一個(gè)目的是構(gòu)造能克服上述問題的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明的一個(gè)特定的目的是使用只利用MOS開關(guān)的開關(guān)裝置，從輸入電容器上卸去或向輸入電容器上添加電荷增量。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種動(dòng)態(tài)比較器，它能有效地比較輸入信號(hào)與零電壓基準(zhǔn)，而不需要負(fù)電源或電源變換器去有效地完成對(duì)該零電壓的檢測(cè)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種低成本的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它遞增地從輸入電容器卸去電荷或向輸入電容器增添電荷，而只利用場(chǎng)效應(yīng)管(FET)開關(guān)并利用普通的比較器將輸入信號(hào)與非零值閾值電壓相比較。
這些和其他一些目的的借助于一種模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器被實(shí)現(xiàn)，該復(fù)用器包含的第一個(gè)電容器在第一個(gè)端點(diǎn)與輸入模擬信號(hào)連接足夠長的時(shí)間以使電容器依照該模擬信號(hào)的電流電壓大小充電。電子電路將第二個(gè)電容器交替地在第一個(gè)電容器和電源之間連接，從第一個(gè)電容器卸去電荷增量直到第一個(gè)電容器放電完畢。與第一個(gè)電容器放電相聯(lián)系的卸去的電荷增量的次數(shù)被用來產(chǎn)生相應(yīng)于模擬信號(hào)電流電壓的數(shù)字值。可使用模擬多路復(fù)用器來接收多個(gè)模擬信號(hào)，并從接收到的模擬信號(hào)中選擇一個(gè)與第一個(gè)電容器相連。在第一個(gè)電容器被充電到與所選擇的模擬信號(hào)電流電壓大小相匹配的程度后，多路復(fù)用器從第一個(gè)電容器斷開該模擬信號(hào)。比較器檢測(cè)何時(shí)第一個(gè)電容器兩端的電壓為零，并且比較器的輸出被用來觸發(fā)相應(yīng)的數(shù)字值的生成。
優(yōu)選的是，交替將第一個(gè)電容器與地再與電源連接的，開關(guān)電路包含第一和第二對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)開關(guān)。第一對(duì)FET開關(guān)連接在地和電源之間去使第二個(gè)電容器充電。第二對(duì)FET開關(guān)將第二個(gè)電容器連接在電容器的第一個(gè)端點(diǎn)和地之間以從第一個(gè)電容器卸去電荷增量。
在按照本發(fā)明的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)實(shí)施例中，控制電路連接到輸入電容器去存儲(chǔ)模擬輸入信號(hào)。動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路包含一個(gè)比較器，它最終向控制電路提供一個(gè)零電壓電平信號(hào)，指明何時(shí)輸入電容器已放電到零電壓電平。然而有重要意義的是，動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路并不使用需要負(fù)電源去檢測(cè)零電壓電平的比較器。而代替的是，動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路這樣處理存儲(chǔ)在輸入電容器上的輸入信號(hào)，以使當(dāng)輸入在普通的比較器中被檢測(cè)為等于或大于非零值閾值電壓時(shí)，零電壓電平信號(hào)被傳送到控制電路。
動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路通過抽運(yùn)電容器(pump capacitor)與控制電路的抽運(yùn)輸出信號(hào)(pumping output signal)相連?？刂齐娐防贸檫\(yùn)輸出信號(hào)使抽運(yùn)電容器交替地充電和放電，并且在抽運(yùn)電容器的每個(gè)充電/放電循環(huán)后使輸入電容器釋放一電荷增量，直到動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路表明輸入電容器全部被放電。輸入電容器總的增量充電/放電循環(huán)的次數(shù)被用來生成對(duì)應(yīng)于輸入模擬電壓的數(shù)字值。
優(yōu)選的是，動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路包含具有與抽運(yùn)電容器相連的公共源極的第一個(gè)和第二個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管(FETs)。第一個(gè)FET的柵極接地，而第二個(gè)FET的柵極與輸入電容器相連。第一個(gè)和第二個(gè)FET的漏極與電源相連，同時(shí)第二個(gè)FET的漏極還被連到比較器的一個(gè)輸入端。當(dāng)抽運(yùn)信號(hào)處于第一種邏輯狀態(tài)，電流沿第一個(gè)方向從第一個(gè)和第二個(gè)FET或其中的一個(gè)通過共同源極和抽運(yùn)電容器并由此使該抽運(yùn)電容器放電。
場(chǎng)效應(yīng)管最好在“P型阱”半導(dǎo)體器件中形成，這很容易利用常規(guī)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝制作。因此，第一個(gè)和第二個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的共同源極連結(jié)處通過在P型阱和N型襯底接觸面處形成的二極管與地相連。當(dāng)抽運(yùn)信號(hào)處在第二種邏輯狀態(tài)時(shí)，電流沿著與第一個(gè)方向相反的第二個(gè)方向通過二極管從而使抽運(yùn)電容器充電。
在本發(fā)明的第二種實(shí)施例中的動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路能便利地并獨(dú)立地在一種方法中被使用，去檢測(cè)何時(shí)輸入信號(hào)達(dá)到零電壓電平。第一個(gè)電容器根據(jù)輸入信號(hào)的電壓電平被充電。然后第二個(gè)電容器交替地在第一段時(shí)間間隔內(nèi)被充電并在第二段時(shí)間間隔內(nèi)被放電。在第一段時(shí)間間隔，存儲(chǔ)在第一個(gè)電容器上的一部分電荷被放電。在第二段時(shí)間間隔，第一個(gè)電容器兩端的電流、電壓被檢測(cè)并處理。被處理的信號(hào)與非零值基準(zhǔn)電壓相比較。當(dāng)所考慮的信號(hào)等于或大于基準(zhǔn)電壓的非零值電壓時(shí)，電表明容器兩端電流、電壓已達(dá)到零電壓電平。有利的是，這種零電壓檢測(cè)法不需要供比較器檢測(cè)零用的負(fù)電源。事實(shí)上，比較器的閾值可被設(shè)置在零電壓與電源電壓之間的一半處。
按照本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施例，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器包含第一個(gè)電容器，它的第一個(gè)端點(diǎn)與模擬信號(hào)連接一段時(shí)間根據(jù)模擬信號(hào)的電流電壓大小去使電容器充電。比較器的一個(gè)輸入與電容器相連而另一個(gè)輸入與非零值基準(zhǔn)電壓相連，以生成(1)第一個(gè)信號(hào)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電容器兩端的電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，(2)第二個(gè)信號(hào)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電容器兩端的電壓小于非零值基準(zhǔn)電壓值，(3)第三個(gè)信號(hào)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電容器兩端的電壓與非零值基準(zhǔn)電壓相同時(shí)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電容器兩端的電壓小于非零值基準(zhǔn)電壓時(shí)，電子控制電路向第一個(gè)電容器傳送電荷的增量，直到電容器兩端的電壓與非零值基準(zhǔn)電壓相同時(shí)為止。另一方面，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電容器兩端的電壓大于非零值基準(zhǔn)電壓時(shí)，從第一個(gè)電容器卸去電荷增量，直到電容器兩端的電壓與非零值基準(zhǔn)電壓相同時(shí)為止。電荷的增量或減量的次數(shù)被計(jì)數(shù)以生成對(duì)應(yīng)于模擬信號(hào)電流電壓大小的數(shù)字值。
第二個(gè)電容器存儲(chǔ)向第一個(gè)電容器添加的電荷增量或從第一個(gè)電容器卸去的電荷減量。許多MOS FET開關(guān)與第二個(gè)電容器相連并且在按比較器輸出而決定的不同狀態(tài)間交替開關(guān)第二個(gè)電容器。因而，本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例提供一種低成本的在半導(dǎo)體襯底上利用金屬-氧化物-硅(MOS)技術(shù)制成的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換順，它可與其他的數(shù)字MOS電路一起集成在同一塊半導(dǎo)體襯底上而不需要檢測(cè)零電壓電平的比較器。
附圖簡述從以下連同附圖一起讀到的描述可對(duì)本發(fā)明的性能和優(yōu)點(diǎn)得到更清楚的理解，其中

圖1(A)和圖1(B)是本發(fā)明第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖；圖2是按照本發(fā)明第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖；以及圖3是本發(fā)明第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖。
發(fā)明詳述為了對(duì)本發(fā)明有更透徹的理解，在下列描述中，為了闡明而不是限制的目的，陳述了具體的細(xì)節(jié)，如特殊的電路、電路構(gòu)件、技術(shù)等。然而，對(duì)熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員將是顯然的，本發(fā)明可在改變這些具體電路細(xì)節(jié)的其他實(shí)施例中實(shí)施。在其他情況下，對(duì)眾所周知的方法論、器件、制作工藝及電路的詳細(xì)描述被略去，以使不需要的細(xì)節(jié)不致遮蔽對(duì)本發(fā)明的描述。
圖1(A)以圖解的形式說明按照本發(fā)明的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器100的一種優(yōu)選實(shí)施例。模擬多路復(fù)用器110在其輸入端接收許多由正電勢(shì)Vcc和以下稱為“地”的零伏基準(zhǔn)電勢(shì)兩者構(gòu)成的模擬電壓輸入，該復(fù)用器包含許多憑借來自控制器120的選擇信號(hào)啟動(dòng)的傳輸門。依照來自控制器120的選擇信號(hào)，模擬多路復(fù)用器將復(fù)用器110的輸入信號(hào)中的一個(gè)連到輸入電容器130，該電容器的一端與復(fù)用器相連而另一端接地。比較器140包含與地，即零伏，相連的第一輸入端和與輸入電容器130相連的第二輸入端。在這種配置中，比較器140通過利用負(fù)電源或采用適當(dāng)先進(jìn)技術(shù)的常規(guī)電路檢測(cè)零值電壓。比較器140的輸出連到數(shù)字式計(jì)數(shù)器160并且在電容器130兩端被檢測(cè)為零電壓時(shí)能有效地產(chǎn)生“停止”(“STOP”)的命令。
第二個(gè)電容器220(以下稱為“抽運(yùn)”(“pumping”)電容器)被展示在標(biāo)明開關(guān)電路150的虛線框內(nèi)。開關(guān)電路包含多個(gè)開關(guān)200,205,210及215(示作結(jié)點(diǎn))，它們成對(duì)地接通使輸入電容器130通過抽運(yùn)電空器220與地相連或?qū)⒊檫\(yùn)電容器連到Vcc。更具體地講，開關(guān)200和215作為第一個(gè)開關(guān)對(duì)接通，而開關(guān)205和210作為第二個(gè)開關(guān)對(duì)接通。
當(dāng)?shù)诙€(gè)開關(guān)對(duì)205,210接通使抽運(yùn)電容器220連到Vcc時(shí)，抽運(yùn)電容器被充電到它的滿容量。電容器220的值最好顯著低于輸入電容器130，因?yàn)殡姾蓮妮斎腚娙萜?30的電荷增量轉(zhuǎn)移中可獲得較高的分辨率。在一個(gè)例子中，為了實(shí)現(xiàn)8位的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(具有8位分辨率的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)，輸入電容器的值應(yīng)當(dāng)是抽運(yùn)電容器220的電容器值的256倍。在這個(gè)例子里，計(jì)數(shù)器160至少應(yīng)是8位計(jì)數(shù)器。更可取的是，充滿了電的輸入電容器130在這個(gè)例子里應(yīng)當(dāng)能在256個(gè)放電循環(huán)中被放電。
開關(guān)對(duì)205,210使與開關(guān)結(jié)點(diǎn)210相連的右極板具有正極性以及與開關(guān)結(jié)點(diǎn)205相連的左極板具有負(fù)極性，將抽運(yùn)電容器220充電。這種極性的結(jié)果是，當(dāng)輸入電容器130通過開關(guān)對(duì)200,215與電容器220串聯(lián)時(shí)，電容器130(它被充電到相反的極性)根據(jù)抽運(yùn)電容器220上所存儲(chǔ)的電荷釋放一定量的電荷。
計(jì)數(shù)器160被連接去接收控制器120可能生成的開始信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)然，時(shí)鐘信號(hào)能由獨(dú)立于控制器120的時(shí)鐘脈沖源生成。計(jì)數(shù)器160的計(jì)數(shù)輸出端180在這個(gè)實(shí)施例的例子中是發(fā)出開關(guān)控制信號(hào)的，該信號(hào)控制第一和第二個(gè)開關(guān)對(duì)200,215及205,210的接通。當(dāng)計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)變由變到低，一組開關(guān)對(duì)接通；而當(dāng)計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)變由低到高，另一組開關(guān)對(duì)接通。一旦計(jì)數(shù)器停止，它就生成對(duì)應(yīng)于最初存儲(chǔ)在輸入電容器130上的模擬電壓的數(shù)字讀出。
在運(yùn)行中，控制器120通過一個(gè)選擇信號(hào)，使模擬多路復(fù)用器110的一個(gè)傳輸門將電壓輸出之一與輸入電容器120相連。此后，電壓輸出被卸去，而控制器120向計(jì)數(shù)器160發(fā)出開始信號(hào)。然后計(jì)數(shù)器清點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)，這些信號(hào)在端子180生成振蕩的計(jì)數(shù)器輸出控制信號(hào)用來有選擇地接通開關(guān)對(duì)200,215及205,210。計(jì)數(shù)器控制信號(hào)的初始邏輯電平接通開關(guān)205和210將抽運(yùn)電容器220連到Vcc。當(dāng)隨著抽運(yùn)電容器220已經(jīng)被充電，計(jì)數(shù)器控制信號(hào)換向到相反的邏輯電平時(shí)，第一個(gè)開關(guān)對(duì)205,210被釋放，而第二個(gè)開關(guān)對(duì)200,215被接通。由于輸入電容器130和抽運(yùn)電容器220的極性相反，電流從輸入電容器130經(jīng)抽運(yùn)電容器220流入地以使輸入電容器釋放與原來存儲(chǔ)在抽運(yùn)電容器220兩端電荷相當(dāng)?shù)囊欢ǖ碾姾稍隽?。?dāng)計(jì)數(shù)器的輸入變回到初始的邏輯電平時(shí)，輸入電容器完成一定增量放電，第二對(duì)開關(guān)200,215被釋放，而第一對(duì)開關(guān)205,210再次被接通使抽運(yùn)電容器220重新充電。
根據(jù)計(jì)數(shù)器在始終監(jiān)視自其起動(dòng)以來所積累的時(shí)鐘脈沖周期數(shù)的情況下發(fā)出的控制信號(hào)，這種交替的充電/放電循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行。比較器140比較輸入電容器130兩端的電壓。當(dāng)電容器130基本上放完了電，電容器130兩端的電壓基本上為零。這種基本上為零的電壓被比較器140的第一個(gè)輸入端點(diǎn)所接收并且與地電勢(shì)比較。如果電容器130兩端的電壓基本為零，比較器于是生成“停止”的輸出信號(hào)去停止計(jì)數(shù)器160。計(jì)數(shù)器160然后輸出所積累的計(jì)數(shù)值，該值對(duì)應(yīng)于模擬輸入電壓的數(shù)字值。輸入電壓越大，輸入電容器130兩端存儲(chǔ)的電荷量也越大，而輸入電容器130放電所需的增量數(shù)就越大。從而，較大的計(jì)數(shù)值表示較大幅度的模擬信號(hào)。
圖1(B)說明一個(gè)例子及使用在開關(guān)電路150中的開關(guān)200,205,210,215的優(yōu)選實(shí)施。具體地講，每個(gè)開關(guān)包含一對(duì)互補(bǔ)的、柵極絕緣、而漏極和源極分別相連的N型和P型場(chǎng)效應(yīng)管(FETs)，并被稱為“雙向轉(zhuǎn)換開關(guān)”(“bilateral switch”)。每個(gè)FET都有控制FET是否導(dǎo)通電流的柵極控制信號(hào)Q或Q。例如，第二對(duì)開關(guān)200和215在它們各自的N型FET的柵極從計(jì)數(shù)器160接收到邏輯電平Q的控制信號(hào)，而各自P型FET的柵極接收到相反的邏輯狀態(tài)信號(hào)Q。當(dāng)Q等于高邏輯電平“1”(例如，5伏)，N型FETs導(dǎo)通。同樣地，在這同時(shí)，相反的邏輯電平“0”(對(duì)應(yīng)于零伏)被施加到P型FETs的柵極，它們于是也導(dǎo)通。復(fù)合的電流流過N型和P型FETs導(dǎo)致，通過全部電流的接近理想的開關(guān)，在全電壓范圍0-Vcc運(yùn)行，并且消除因柵極電容而引起的開關(guān)假信號(hào)。
開關(guān)205和210具有極性相反的柵極輸入。換句話說，在每對(duì)互補(bǔ)的開關(guān)205和210中，具有Q的邏輯電平的信號(hào)被施加在N型FET的柵極端點(diǎn)上，而具有Q的邏輯電平的控制信號(hào)被施加在P型FET的柵極輸入上。當(dāng)Q=0和Q=1時(shí)，開關(guān)205和210導(dǎo)通。當(dāng)Q=1和Q=0時(shí)，開關(guān)200和215導(dǎo)通。盡管互補(bǔ)的FET開關(guān)被推薦，但單個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)也可以被滿意地使用。
圖1(A)和1(B)所示的實(shí)施例的缺點(diǎn)之一是需要零電壓電平比較器，即比較器140。如上所述，零交叉比較器一般需要負(fù)電源，這種電源需要電源變換電路，而它將增加主要設(shè)備，如無線電設(shè)備的部分件、重量及成本，或另外可選地使用先進(jìn)水平的電路技術(shù)，而這也將增加成本并消耗功率。圖2所示的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器使用了動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換電路，該電路利用一個(gè)比較輸入信號(hào)與非零值基準(zhǔn)電壓，例如Vcc/2的普通比較器300，使得有可能檢測(cè)電容器130兩端的零電壓。Vcc/2被推薦為基準(zhǔn)，因?yàn)檫@個(gè)電壓是在常用比較器的設(shè)計(jì)檢測(cè)范圍的中點(diǎn)。
正如在圖1的實(shí)施例中，模擬多路復(fù)用器110接收包括地和基準(zhǔn)電壓Vcc的多路輸入。來自計(jì)數(shù)器、控制器、放電電路230的選擇信號(hào)啟動(dòng)多路復(fù)用器110的傳輸門，使輸入電容器130充電到與被選擇的輸入信號(hào)的電流電壓大小相匹配的程度。電路230接收作為輸入的時(shí)鐘信號(hào)及比較器300的一個(gè)輸出。電路230生成一個(gè)對(duì)應(yīng)于被選擇輸入信號(hào)模擬電壓電平的數(shù)據(jù)讀出，給輸入電容器130一個(gè)周期性的放電信號(hào)，以及一個(gè)以下被稱為抽運(yùn)信號(hào)的振蕩計(jì)數(shù)器控制信號(hào)。抽運(yùn)信號(hào)通過電阻235連到抽運(yùn)電容器220，該電容器還被連到FETs260和265的公共源極接頭。FETs260和265是N型FETs，它們是在把擴(kuò)散到N型襯底245的P型半導(dǎo)體材料的P型阱250內(nèi)形成的。襯底245通過金屬化的環(huán)240接地。N型FET260的柵極接地，而N型FET260的柵極接到輸入電容器130。
FETs260和265的漏極最好(雖然并不必需)與電流鏡260相連。電流鏡260包含兩個(gè)柵極互連的P型FETs285和290。P型FETs285和290的源極被連到Vcc，而它們的漏極分別與FET260和FET265的漏極相連。FETs285和290之間的公共柵極接頭還與FET290的漏極相連。FET285的漏極被作為比較器300的輸入連到結(jié)點(diǎn)280，這個(gè)輸入用來與非零值基準(zhǔn)電壓比較，在這個(gè)實(shí)施例的例子里該基準(zhǔn)電壓可以是Vcc/2。
在運(yùn)行中，計(jì)數(shù)器、控制器、及放電電路230控制模擬多路復(fù)用器110選擇電壓輸入，它使輸入電容器130充電到其電流電壓大小。電路230然后控制模擬多路復(fù)用器110使輸入電容器130斷開所有的輸入。抽運(yùn)輸出(例如它可以與振蕩的時(shí)鐘信號(hào)相一致)被施加給抽運(yùn)電容器220。最初，抽運(yùn)信號(hào)從零電平電壓轉(zhuǎn)換到一高電平電壓(0到1)，它使抽運(yùn)電容器220通過限流電阻235、公共源極接頭、以及在P型阱250和N型襯底245的界面形成的P-N結(jié)二極管(用符號(hào)表示在255處)接到地充電。在這個(gè)循環(huán)內(nèi)，F(xiàn)ET265的柵極接地，所以，F(xiàn)ET265被斷開而不導(dǎo)通。晶體管260可能未被切斷，因?yàn)殡m然其源電壓處在P型阱二極管255的額定正向偏置電壓0.7伏，它的柵極電壓等于電容器130上可能較大的輸入電壓。然而，由于晶體管265在這個(gè)循環(huán)內(nèi)不導(dǎo)通，沒有電流通過電流鏡晶體管285和290，因而，沒有電流能流過晶體管260。結(jié)點(diǎn)280的電勢(shì)因此被拉低，即在這種情況下低于Vcc/2，表明電容器130上的電壓大于零。
當(dāng)抽運(yùn)信號(hào)從高轉(zhuǎn)變到低電壓電平時(shí)，連到電阻235的抽運(yùn)電容器220的左極板被拉至零伏，它(因?yàn)殡娙萜?20兩端的電壓不能作瞬時(shí)的變化)迫使電容器220的右極板暫時(shí)為負(fù)電壓。這暫時(shí)的負(fù)電壓被施加到晶體管260和265的公用源極上，結(jié)果這兩個(gè)晶體管現(xiàn)在能導(dǎo)通。甚至于柵極接地的晶體管265也能導(dǎo)通，因?yàn)槿绻┘拥紽ET265源極的電壓是負(fù)的，柵極和源極間的電壓就是正的，它“接通”晶體管265。
如果電容器130兩端的電壓大于零，則施加到晶體管260的柵極電壓比施加在晶體管265的柵極電壓大。結(jié)果被“拉”通過晶體管260的電流比通過晶體管265的電流更多。在公共源極處，電流匯合流過電容器220和有能耗的電阻235。只要與輸入電容器130相連的晶體管260的柵極電壓大于施加在晶體管265的零值柵極電壓，晶體管260將比晶體管265傳導(dǎo)更多的電流。
在晶體管265中流動(dòng)的電流通過晶體管285被“鏡面反映”。因?yàn)榫w管285和290是同樣的P型晶體管，它們的柵極和源極分別連接到相同的點(diǎn)，與晶體管265中相等的電流流進(jìn)與結(jié)點(diǎn)280連接的晶體管285。因而，電流鏡260“重演”晶體管265的漏極電流使之進(jìn)入結(jié)點(diǎn)280。同時(shí)，通過晶體管285的電流把結(jié)點(diǎn)280處的電壓“拉”上到電源電壓Vcc，而通過晶體管260的電流把結(jié)點(diǎn)280處的電壓“拉”下。較大的電流“獲勝”，而結(jié)點(diǎn)280處的電壓或是下降或是上升。
只要晶體管260的柵極電壓大于零，就表明輸入電容器130未完全放電，結(jié)點(diǎn)280處的電壓就將被拉到低于比較器300檢測(cè)的閾值基準(zhǔn)電壓Vcc/2。在抽運(yùn)輸出處于低電平期間，比較器300的輸出由計(jì)數(shù)器、控制器、放電電路230讀取。當(dāng)比較器300向電路230指示結(jié)點(diǎn)280處的電壓小于Vcc/2(在抽運(yùn)信號(hào)的低電平期間)，電路230把一個(gè)增量的放電脈沖施加在輸入電容器130上以卸去一個(gè)電荷增量。計(jì)數(shù)器始終監(jiān)視從輸入電容器130卸去的電荷增量的總數(shù)直到電容器130兩端的電壓為零。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，在晶體管260和265之間電流均等分割，這造成在結(jié)點(diǎn)280處的電勢(shì)上升，直至它超過被比較器300檢測(cè)的Vcc/2閾值。比較器輸出信號(hào)施加到計(jì)數(shù)器、控制放電電路230終止計(jì)數(shù)器以及周期性施加給輸入電容器130的放電脈沖。最終的計(jì)數(shù)是在數(shù)字讀出處的輸出。
本發(fā)明的實(shí)施例提供一種廉價(jià)的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它使用普通的非零值電平檢測(cè)比較器300，并使用適合于在單塊芯片上集成的FET開關(guān)，以及計(jì)數(shù)器、控制器和放電電路230等。它還提供一種便利的動(dòng)態(tài)零交叉比較器，這種比較器不需要負(fù)電源，并可用于各種不同的用途。與零比較的信號(hào)用于使輸入電容器130充電，此后抽運(yùn)信號(hào)通過抽運(yùn)電容器220施加給晶體管260和265。施加給晶體管260和265的抽運(yùn)作用與電流鏡260結(jié)合有效地移動(dòng)輸入電壓的電平。因此，當(dāng)結(jié)點(diǎn)280的電壓超過非零值比較器的閾值時(shí)，比較器300的輸出指示一個(gè)零伏輸入。雖然晶體管290和295被作為完成電流鏡功能的優(yōu)選元件示出，但其他電路構(gòu)件，如匹配的漏極負(fù)荷電阻，也能同樣完成這項(xiàng)功能。然而電流鏡的使用提供較高的電壓增益，因而有更精確的零交叉檢測(cè)。
本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是現(xiàn)在結(jié)合圖3描述的。圖3表示一種比較簡單的比較器電路，它容許與閾值，例如饋送電壓的一半(Vcc/2)相比較，從而避免與零電壓電平相比較。如圖1和圖2所描述的實(shí)施例，模擬多路復(fù)用器110由控制器和計(jì)數(shù)器電路125所控制，以選擇供變換的模擬電壓輸入，并與輸入電容器130連接。在電容器130充電到所選擇的輸入電壓后，模擬多路復(fù)用器110開路斷開與電容器130的連接。
控制電路125讀取比較器300的輸出，以確定在輸入電容器130兩端的輸入電壓是否大于或小于閾值Vcc/2。如果輸入電壓小于閾值，控制電路125啟動(dòng)FET開關(guān)305,310,315,320和325，利用抽運(yùn)電容器220遞增地抽運(yùn)存儲(chǔ)在輸入電容器上的電荷，直到它達(dá)到閾電壓Vcc/2。相反地，如果輸入電壓最初在閾值Vcc/2之上，控制電路126啟動(dòng)FET開關(guān)，將存儲(chǔ)在輸入電容器130兩端的電荷遞增地抽運(yùn)下來，直到比較器300的輸出表明它通過閾值Vcc/2。
假定比較器的初始輸出表明輸出電壓小于閾值電壓Vcc/2，由控制器125生成的下列控制信號(hào)被施加于FET開關(guān)的柵極。最初，Q1和
=1，這使FET開關(guān)305把輸入電容器130從抽運(yùn)電容器220斷開，Q2被設(shè)置等于0，以施加低電平于P型FET310使它導(dǎo)通并將抽運(yùn)電容器220最左邊的極板連到Vcc。同時(shí)，Q5被設(shè)置等于1，以便N型FET320導(dǎo)通將抽運(yùn)電容器220的右邊極板接地。這種開關(guān)的配置將抽運(yùn)電容器220充電到Vcc，該電容器左極板為正極性，右極板為零極性。其后，Q2和Q5被設(shè)置等于1，以斷開FET開關(guān)305和320。然后Q4被設(shè)置等于0，它使得P型FET325導(dǎo)通，將抽運(yùn)電容器220最右邊極板拉到Vcc。由于電荷守恒，為了保持電容器220兩端前繼的電勢(shì)差Vcc，抽運(yùn)電容器220右極板的電勢(shì)從零升至Vcc，意圖迫使電容器220左極板的電勢(shì)升至2Vcc。同時(shí)，Q1被設(shè)置等于1，
等于0，接通開關(guān)305將電容器220的左極板連到輸入電容器130。在電容器220兩端的2Vcc和輸入電容器130兩端電壓之差(它在零和Vcc/2之間某處)，乘以電容器220的電容值就決定了從抽運(yùn)電容器220轉(zhuǎn)移至輸入電容器130的電荷量。因而在這個(gè)實(shí)例中，輸入電容器130兩端的電壓上升在(1.5Vcc×C220/C130)與(2.4Vcc×C220/C130)之間的一個(gè)增量。
如果輸入電容器130兩端的初始電壓大于Vcc/2，則利用下列實(shí)例的過程將輸入電容器130抽運(yùn)下來。開始，Q1被設(shè)置等于0且
等于1，使輸入電容器130與抽運(yùn)電容器220斷開。施加在N型FET315的柵極電壓被設(shè)置等于1，以便FET 315將抽運(yùn)電容器220的左極板接地。同時(shí)，施加在P型FET 325的柵極電壓被設(shè)置等于0，它有效地將抽運(yùn)電容器220的右極板連到電源電壓Vcc，以使右極板為正極性，左極板為零極性，使抽運(yùn)電容器220充電到Vcc的電勢(shì)。此后，柵極電壓Q3被設(shè)置為0,Q4被設(shè)置為1，以斷開FET 315和325。然后柵極電壓Q5被設(shè)置等于1以接通N型FET 320，將抽運(yùn)電容器220接地，這使電容器右極板的電壓從Vcc拉至零。為了保持電容器220兩端初始的電壓降Vcc，電荷守恒要求電容器220左極板的電勢(shì)企圖從零移動(dòng)到-Vcc。同時(shí)，柵極電壓輸入Q1被設(shè)置等于1且
被設(shè)置為0，將抽運(yùn)電容器220的左極板連到輸入電容器130。電容器220兩端的電壓和輸入電容器130的電壓之差(它在Vcc/2和Vcc間某處)乘以抽運(yùn)電容量就得出從電容器220轉(zhuǎn)移至輸入電容器130的電荷增量。電荷轉(zhuǎn)移的結(jié)果，輸入電容器兩端的電壓下降在(1.5Vcc×C220/C100)與(2.0Vcc×C220/C130)之間的一個(gè)增量。
本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例提供一種模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它利用FET開關(guān)將低于非零值基準(zhǔn)電壓的輸入電壓向上抽運(yùn)至基準(zhǔn)電壓，或?qū)⒏哂诜橇阒祷鶞?zhǔn)電壓的輸入電壓向下抽運(yùn)至基準(zhǔn)電壓，從而獲得有關(guān)非零值基準(zhǔn)電壓的對(duì)稱的控制。用于將輸入電容器C130抽上或抽下的增量步驟的大小略微決定于輸入電壓，但在一種對(duì)稱的方式中，在模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的有用范圍的中心(如Vcc/2)提供較大的分辨率(較精細(xì)的步驟)，而在范圍的終端(如零和Vcc)提供較小的分辨率(較粗糙的步驟)。這是有利的，因?yàn)橐媚M-數(shù)字轉(zhuǎn)換器測(cè)量的大多數(shù)電壓，通過合適的按比較縮放將首先安排它們具有最大幾率落在模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器范圍的中心，在那里本發(fā)明的電路提供最高的準(zhǔn)確度。
雖然MOS型開關(guān)相對(duì)于其他開關(guān)來說，由于其成本低、易制造和響應(yīng)良好而被偏愛，但其他開關(guān)包括雙極型晶體管或如砷化鎵技術(shù)也能完成本發(fā)明的開關(guān)功能。因而，本發(fā)明提供一種低成本、易制造的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它使用MOS開關(guān)技術(shù)并能與其他信號(hào)處理電路結(jié)合在集成電路上。
當(dāng)本發(fā)明與目前被認(rèn)為是最實(shí)際和優(yōu)選的實(shí)施例共同被描述之際，應(yīng)理解本發(fā)明并不局限于被公開的實(shí)施例，而相反，其意圖是覆蓋包括在后附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種改進(jìn)的和等效的裝置。
權(quán)利要求
1．模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，包括第一個(gè)電容器，其第一個(gè)端點(diǎn)與模擬信號(hào)相連使電容器根據(jù)模擬信號(hào)的電流電壓大小充電，而第二個(gè)端點(diǎn)接地；第二個(gè)電容器；以及用于使第二個(gè)電容器交替地與第一個(gè)電容器和電源相連的電子控制電路，它卸去第一個(gè)電容器的電荷增量直至第一個(gè)電容器被完全放電，其中與第一個(gè)電容器放電相關(guān)的一些被卸去的電荷增量被用于生成對(duì)應(yīng)于模擬信號(hào)電流電壓的數(shù)字值。
2．權(quán)利要求1的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括為響應(yīng)所接收的來自電子控制電路的控制信號(hào)，用于接收多個(gè)模擬信號(hào)并從所接收的模擬信號(hào)中選擇一個(gè)以連到第一個(gè)電容器的多路復(fù)用器，其中在第一個(gè)電容器充電到與所選模擬信號(hào)的電流電壓大小相匹配的程度后，電子控制電路使多路復(fù)用器從第一個(gè)電容器斷開模擬信號(hào)。
3．權(quán)利要求1的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括比較器，其一個(gè)輸入與第一個(gè)電容器的第一個(gè)端點(diǎn)相連，而另一個(gè)輸入接地，它用于檢測(cè)何時(shí)第一個(gè)電容器兩端的電壓等于或接近零值，然后產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)以使電子控制電路生成數(shù)字值。
4．權(quán)利要求2的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括時(shí)鐘脈沖源，其中電子控制電路包含用于清點(diǎn)時(shí)鐘脈沖源所產(chǎn)生脈沖數(shù)的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)從第一個(gè)電容器充電后的一個(gè)預(yù)定起點(diǎn)開始，直至從比較器接收的檢測(cè)信號(hào)停止記數(shù)，同時(shí)從計(jì)數(shù)器得到對(duì)應(yīng)于數(shù)字值的數(shù)字讀出。
5．權(quán)利要求1的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括開關(guān)電路，它連到第一個(gè)電容器的第一個(gè)端點(diǎn)，接地，并連接電源，包含第一對(duì)開關(guān)，其中一個(gè)開關(guān)連到第二個(gè)電容器的第一個(gè)端點(diǎn)，另一個(gè)開關(guān)連到第二個(gè)電容器的第二個(gè)端點(diǎn)，以及第二對(duì)開關(guān)，其中一個(gè)開關(guān)連到第二個(gè)電容器的第一個(gè)端點(diǎn)，另一個(gè)開關(guān)連到第二個(gè)電容器的第二個(gè)端點(diǎn)，其中電子控制電路產(chǎn)生開關(guān)控制信號(hào)，將第二個(gè)電容器交替地通過第一對(duì)開關(guān)在地和電源之間連接，并通過第二對(duì)開關(guān)在第一個(gè)電容器的第一個(gè)端點(diǎn)和地之間連接，從第一個(gè)電容器卸去電荷增量。
6．權(quán)利要求5的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中第一對(duì)和第二對(duì)開關(guān)中的每個(gè)開關(guān)都是互補(bǔ)的半導(dǎo)體開關(guān)，具有一個(gè)柵極絕緣的N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)和一個(gè)柵極絕緣的P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。
7．權(quán)利要求5的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括為產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘脈沖源，包括用于對(duì)時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器并產(chǎn)生計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)的電子控制電路，該輸出信號(hào)交替處在第一種狀態(tài)和第二種狀態(tài)，其中開關(guān)控制信號(hào)包括這樣的計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)，以致當(dāng)計(jì)數(shù)器輸出處于第一種狀態(tài)時(shí)，第一對(duì)開關(guān)被選擇將第二個(gè)電容器連接在地與電源之間，而且第二對(duì)開關(guān)被選擇將第二個(gè)電容器連接在第一個(gè)電容器的第一個(gè)端點(diǎn)和地之間。
8．模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，包括在第一個(gè)端點(diǎn)連接以存儲(chǔ)模擬電壓的輸入電容器，而第二個(gè)端點(diǎn)接地；連接到輸入電容器第一個(gè)端點(diǎn)的控制電路；動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路，它被連到輸入電容器的第一個(gè)端點(diǎn)，用于確定為響應(yīng)輸入電容器兩端電壓而產(chǎn)生的施加到比較器第一個(gè)端點(diǎn)的輸入信號(hào)，是等于或大于施加到比較器第二個(gè)端點(diǎn)的非零值閾值電壓，并且由比較器提供輸出信號(hào)給控制電路以指明輸入電容器是否被放電，其中上述的動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路通過抽運(yùn)電容器與控制電路的抽運(yùn)輸出信號(hào)相連，控制電路利用抽運(yùn)輸出信號(hào)使抽運(yùn)電容器交替地充電和放電，而且在抽運(yùn)電容器每個(gè)充電和放電周期之后使輸入電容器釋放一電荷增量，直到動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路表明輸入電容器被完全放電，輸入電容器放電增量的總數(shù)被用于生成模擬電壓的數(shù)字值。
9．權(quán)利要求8的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中控制電路包括用于清點(diǎn)放電增量數(shù)目以提供對(duì)應(yīng)于最后計(jì)數(shù)值的數(shù)字碼的計(jì)數(shù)器。
10．權(quán)利要求8的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括多路復(fù)用器，它用于接收多個(gè)模擬信號(hào)，并從所接收的模擬信號(hào)中選擇一個(gè)連接到輸入電容器，以響應(yīng)從控制電路接收到的控制信號(hào)，其中在輸入電容器充電到與所選模擬信號(hào)的電流電壓大小相匹配的程度后，控制電路使多路復(fù)用器將模擬信號(hào)從輸入電容器斷開。
11．權(quán)利要求8的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括與控制電路和動(dòng)態(tài)檢測(cè)器之間的抽運(yùn)電容器串聯(lián)的電阻。
12．權(quán)利要求8的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路包括柵極接地的第一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)和柵極連到第一個(gè)電容器的第一個(gè)端點(diǎn)的第二個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它們的漏極被接到電源，帶有連到抽運(yùn)電容器上的公共源極的第一個(gè)和第二個(gè)晶體管，以及連到比較器第一個(gè)輸入端上的第二個(gè)FET的漏極。
13．權(quán)利要求12的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中當(dāng)抽運(yùn)信號(hào)處在第一種邏輯狀態(tài)時(shí)，電流沿第一個(gè)方向流動(dòng)，從第一個(gè)和第二個(gè)FET公共源極或兩者之一通過抽運(yùn)電容器，使抽運(yùn)電容器放電，并且當(dāng)抽運(yùn)信號(hào)處于第一種邏輯狀態(tài)時(shí)其中的比較器在一段比較時(shí)間間隔內(nèi)將第一個(gè)輸入端點(diǎn)處的電壓與非零值閾值電壓進(jìn)行比較。
14．權(quán)利要求13的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中公共源極憑借二極管接地以致當(dāng)抽運(yùn)信號(hào)處在第二種邏輯狀態(tài)時(shí)，電流沿與第一個(gè)方向相反的第二個(gè)方向流動(dòng)，它通過二極管使抽運(yùn)電容器充電，并且當(dāng)抽運(yùn)信號(hào)處在第二種邏輯狀態(tài)時(shí)，如果比較器表明在前一個(gè)比較時(shí)間間隔內(nèi)輸入電容器未放完電，則控制電路在放電時(shí)間間隔內(nèi)使輸入電容器釋放一電荷增量。
15．權(quán)利要求12的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路進(jìn)一步包括電流鏡電路，它連接在第一個(gè)和第二個(gè)FET的漏極與電源之間。
16．權(quán)利要求15的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中電流鏡包括第三個(gè)FET，其源極與電源相連，而其漏極與第二個(gè)FET的漏極及比較器的第一個(gè)輸入端點(diǎn)相連；以及第四個(gè)FET，其源極與電源相連，其漏極與第一個(gè)FET的漏極相連，而其柵極與第三個(gè)FET的柵極相連，并連到第四個(gè)FET的漏極。
17．權(quán)利要求12的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中第一個(gè)和第二個(gè)晶體管都是在擴(kuò)散到第二種導(dǎo)電類型材料的基底的第一種導(dǎo)電類型材料的阱中形成的。
18．當(dāng)輸入信號(hào)為零伏電平時(shí)的檢測(cè)方法，包括下列步驟根據(jù)輸入信號(hào)的電壓電平在第一個(gè)電容器兩端存儲(chǔ)一電壓；生成代表性的電壓信號(hào)，它代表在第一電容器兩端的電流電壓；交替地在第一段時(shí)間間隔內(nèi)使第二個(gè)電容器充電，在第二段時(shí)間間隔內(nèi)使第二個(gè)電容器放電；在第一段時(shí)間間隔內(nèi)，釋放存儲(chǔ)在第一個(gè)電容器上的一部分電荷；在第二段時(shí)間間隔內(nèi)，通過將代表性電壓與非零值基準(zhǔn)電壓相比較，檢測(cè)在第一個(gè)電容器兩端的電流電壓是否為零電壓電平；以及當(dāng)代表性電壓等于或大于非零值基準(zhǔn)電壓時(shí)，表明第一個(gè)電容器兩端的電流電壓已達(dá)到零伏電平。
19．權(quán)利要求18的方法，其中第二個(gè)電容器通過二極管接地沿第一個(gè)電流方向充電，并通過串聯(lián)的電阻沿第二個(gè)相反的電流方向放電。
20．包括一正電源和連接在正電源上的比較電路的儀器，該儀器用于檢測(cè)何時(shí)輸入電壓達(dá)到零伏而不需用負(fù)電源，而且也不使用變換器將來自正電源的正極性功率變?yōu)樨?fù)極性功率。
21．模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，包括第一個(gè)電容器，它的第一個(gè)端點(diǎn)與模擬信號(hào)相連，根據(jù)模擬信號(hào)的電流電壓大小使電容器充電，而在第二個(gè)端點(diǎn)接地；比較器，其一個(gè)輸入端點(diǎn)連到第一個(gè)電容器的第一個(gè)端點(diǎn)，而另一個(gè)輸入端點(diǎn)連到基準(zhǔn)電壓上，用以產(chǎn)生(a)當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電容器兩端的電壓大于基準(zhǔn)電壓的第一種信號(hào)，(b)當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電容器兩端的電壓小于基準(zhǔn)電壓的第二種信號(hào)，(c)當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電容器兩端的電壓與基準(zhǔn)電壓相同時(shí)的第三種信號(hào)；以及電子控制電路，當(dāng)?shù)诙N信號(hào)被產(chǎn)生直到第三種信號(hào)被產(chǎn)生時(shí)，該電路用于向第一個(gè)電容器供給電荷增量，當(dāng)?shù)谝环N信號(hào)被產(chǎn)生直到第三種信號(hào)被產(chǎn)生時(shí)，該電路用于從第一個(gè)電容器卸去電荷增量，其中電子控制電路清點(diǎn)電荷增量或減量的數(shù)目，以生成對(duì)應(yīng)于模擬信號(hào)電流電壓大小的數(shù)字值。
22．權(quán)利要求21的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括用于存儲(chǔ)電荷增量的第二個(gè)電容器，和與第二個(gè)電容器相連的多個(gè)開關(guān)，其中電子控制電路在各種狀態(tài)之間交替地接通或斷開第二個(gè)電容器，這些狀態(tài)決定于來自比較器的輸出。
23．權(quán)利要求21的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中當(dāng)比較器產(chǎn)生第一種信號(hào)時(shí)，電子控制電路生成控制信號(hào)依次啟動(dòng)開關(guān)將第二個(gè)電容器連接在電源和地之間，然后將第二個(gè)電容器接到第一個(gè)電容器上，從而卸去來自第一個(gè)電容器的電荷增量，直到第三種信號(hào)產(chǎn)生。
24．權(quán)利要求21的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中當(dāng)比較器產(chǎn)生第三種信號(hào)時(shí)，控制電路產(chǎn)生控制信號(hào)以接通開關(guān)，依次將第二個(gè)電容器連接在電源和地之間，然后將第二個(gè)電容器接到第一個(gè)電容器上，以添加來自第一個(gè)電容器的電荷增量，直到第三種信號(hào)產(chǎn)生。
25．權(quán)利要求21的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中基準(zhǔn)電壓是非零值電壓。
26．權(quán)利要求21的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括多路復(fù)用器，用于接收多個(gè)模擬信號(hào)并為響應(yīng)來自電子控制電路的控制信號(hào)從所接收的模擬信號(hào)中選出一個(gè)連到第一個(gè)電容器，其中在第一個(gè)電容器充電到與所選的模擬信號(hào)的電流電壓大小相匹配的程度后，電子控制電路使多路復(fù)用器與來自第一個(gè)電容器的模擬信號(hào)斷開。
27．權(quán)利要求23的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中每一個(gè)開關(guān)都是有絕緣柵極的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。
28．權(quán)利要求24的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中每一個(gè)開關(guān)都是有絕緣柵極的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。
29．將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的方法，包括下列步驟根據(jù)模擬信號(hào)的電流電壓大小將第一個(gè)電容器充電；將第一個(gè)電容器兩端的電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較；當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電容器兩端的電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，向第一個(gè)電容器提供電荷增量，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電容器兩端的電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)卸去電荷增量；以及清點(diǎn)電荷增量或減量的數(shù)目以生成數(shù)字值，該值對(duì)應(yīng)于模擬信號(hào)的電流電壓大小。
30．權(quán)利要求29的方法，其中提供電荷增量直到第一個(gè)電容器兩端的電壓與基準(zhǔn)電壓相同。
31．權(quán)利要求29的方法，其中卸去電荷增量直到第一個(gè)電容器兩端的電壓與基準(zhǔn)電壓相同。
32．權(quán)利要求29的方法，進(jìn)一步包括下列步驟當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電容器放完電時(shí)，停止供應(yīng)電荷增量，然后完成計(jì)數(shù)的步驟。
全文摘要
一種低成本、易制造的模擬－數(shù)字復(fù)用器使用了易與其他信號(hào)處理電路結(jié)合在集成電路上的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)開關(guān)技術(shù)。輸入電容器存儲(chǔ)輸入模擬電壓,而抽運(yùn)電容器可換向地與輸入電容器連接以使該輸入電容器充電或放電到一基準(zhǔn)值。充電和放電過程的次數(shù)被用于形成輸入模擬電壓的數(shù)字值。
文檔編號(hào)H03M1/50GK1212793SQ97192740
公開日1999年3月31日 申請(qǐng)日期1997年2月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月1日
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