具有可配置閾值的異步低功率模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的領(lǐng)域總體上涉及電子學(xué)，并且更具體地涉及具有可配置閾值的異步低功率ADC電路。
【背景技術(shù)】
[0002]逐次逼近電路通常用于實(shí)施模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)逐次逼近ADC電路100。如圖1中所示，逐次逼近ADC包括采樣保持電路101，其用于接收模擬輸入信號(hào)。在下一次模數(shù)轉(zhuǎn)換操作將要開始時(shí)，采樣保持電路對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，并且在整個(gè)轉(zhuǎn)換期間將該信號(hào)“保持”在采樣值處。在模擬輸入信號(hào)為電壓的情況下，可以例如用與開關(guān)串聯(lián)的電容器來(lái)實(shí)施采樣保持電路101。開關(guān)可以為常閉的，并且當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換操作將要開始時(shí)，斷開開關(guān)以使輸入電壓保持在電容器上。
[0003]將所保持的模擬信號(hào)饋送到用于為反饋環(huán)路產(chǎn)生差信號(hào)(或誤差項(xiàng))的比較器電路102，該反饋環(huán)路包括逐次逼近邏輯塊103、逐次逼近寄存器104和數(shù)模(DAC)轉(zhuǎn)換器105。如將在緊隨的下文中更詳細(xì)解釋的，通過經(jīng)由反饋環(huán)路而遞歸地執(zhí)行多個(gè)逐次逼近來(lái)執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換操作。
[0004]對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換操作的初始遞歸，逐次逼近邏輯塊103向其逐次逼近寄存器104提供數(shù)字值，該數(shù)字值近似地為寄存器的數(shù)字輸出位寬的數(shù)值范圍之間的中間。逐次逼近的其它實(shí)施方式可以選擇從諸如最大值、最小值、最后值或任何其它值等的其它值處開始。為簡(jiǎn)單起見，本文的其余部分將參考逐次逼近方法從中間值處開始的實(shí)施方式。
[0005]通常通過將逐次逼近寄存器104中的最高有序位設(shè)置為“高”而將剩余的較低有序位中的每一個(gè)保持為“低”來(lái)實(shí)施“中間”值。例如，如果逐次逼近寄存器104具有八位輸出，則其數(shù)值輸出范圍為256 (2~8 = 256)。將最高有序位設(shè)置為高對(duì)應(yīng)于128(10000000)的“中間”值。每個(gè)逐次逼近遞歸以逐次逼近寄存器104中呈現(xiàn)的新值結(jié)束。因此，此時(shí)，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換操作的第一次遞歸。
[0006]然后，DAC 105將來(lái)自逐次逼近寄存器104的中間值轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)名義上位于ADC電路100的為輸入設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的中間。然后，將采樣保持電路101所保持的輸入信號(hào)和由DAC 105產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行比較。來(lái)自比較器102的響應(yīng)于比較結(jié)果的輸出信號(hào)開始模數(shù)轉(zhuǎn)換操作的下一次遞歸。
[0007]如果來(lái)自DAC 105的信號(hào)小于來(lái)自采樣保持電路101的所保持的輸入信號(hào)，比較器102則向逐次逼近邏輯103發(fā)送增量(“上”)信號(hào)。響應(yīng)于增量信號(hào)，逐次逼近邏輯103保持來(lái)自逐次逼近寄存器104的數(shù)字輸出信號(hào)中的(多個(gè))先前遞歸的(多個(gè))較高有序位，并且將下一個(gè)最高有序位設(shè)置為“高”(例如，在第一次遞歸輸出為10000000的情況下，第二次遞歸輸出將會(huì)是11000000)。
[0008]相比之下，如果來(lái)自DAC 105的信號(hào)大于來(lái)自采樣保持電路101的所保持的輸入信號(hào)，比較器102則向逐次逼近邏輯103發(fā)送減量(“下”)信號(hào)。響應(yīng)于減量信號(hào)，逐次逼近邏輯103縮減來(lái)自逐次逼近寄存器104的數(shù)字輸出信號(hào)中的(多個(gè))先前遞歸的(多個(gè))較高有序位的值，并且將下一個(gè)最高有序位設(shè)置為“高”(例如，在第一次遞歸輸出為10000000的情況下，第二次遞歸輸出將會(huì)是01000000或01111111)。
[0009]可以領(lǐng)會(huì)，根據(jù)該操作，逐次逼近寄存器104的數(shù)字輸出將隨著每個(gè)下一次遞歸而接近輸入信號(hào)的值，并且最終將在DAC 105的輸出與輸入信號(hào)之間的差等于或小于DAC105的輸出分辨率時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，將逐次逼近寄存器的值鎖存進(jìn)輸出寄存器106，從而可以提供ADC的正式輸出。
【附圖說(shuō)明】
[0010]結(jié)合以下附圖并根據(jù)以下【具體實(shí)施方式】，可以獲得對(duì)本發(fā)明的更好理解，在附圖中:
[0011]圖1(現(xiàn)有技術(shù))示出了逐次逼近ADC電路；
[0012]圖2示出了改進(jìn)的ADC電路；
[0013]圖3示出了圖2的改進(jìn)的ADC電路的操作的第一方法；
[0014]圖4示出了圖2的改進(jìn)的ADC電路的操作的第二方法；
[0015]圖5示出了計(jì)算系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0016]圖1的逐次逼近ADC電路的問題是必須將電路導(dǎo)向到對(duì)輸入進(jìn)行采樣(通過持續(xù)運(yùn)行采樣時(shí)鐘或者通過系統(tǒng)控制器，該系統(tǒng)控制器在想要確定輸入的當(dāng)前值時(shí)將請(qǐng)求新采樣)。采樣/控制的該方法需要輸入信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)，并且可以導(dǎo)致用于不具有明確定義的頻譜的信號(hào)的次佳功耗和數(shù)據(jù)產(chǎn)生。在模擬輸入信號(hào)隨時(shí)間緩慢變化、并且電路的輪詢性質(zhì)在長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)度上產(chǎn)生重復(fù)的(即，相同的)輸出值的情況下，電路不僅消耗相當(dāng)大的功率而且不提供任何新信息。
[0017]解決該問題的一個(gè)方法是設(shè)計(jì)在輸入信號(hào)與其先前值偏離一定量之后觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換序列的異步ADC。然而，這里，如果輸入信號(hào)與ADC的最后的正式數(shù)字輸出值偏離一定數(shù)量的最低有效位，則通過提供下一個(gè)數(shù)字ADC輸出值而由數(shù)字而非模擬領(lǐng)域來(lái)確定偏離的“量”。因此，這些設(shè)計(jì)不提供管理或改變閾值水平的任何能力，在該閾值水平處輸入信號(hào)中的偏離將觸發(fā)新ADC輸出的產(chǎn)生。另外，它們?cè)谳斎胍呀?jīng)偏離先前值時(shí)不執(zhí)行新的轉(zhuǎn)換并且在輸入已經(jīng)偏離很大量時(shí)可以需要許多增量。
[0018]圖2示出了改進(jìn)的逐次逼近ADC電路200的實(shí)施例，電路200響應(yīng)于在開始進(jìn)行最后的模數(shù)轉(zhuǎn)換操作時(shí)模擬輸入信號(hào)超過與其值有關(guān)的閾值而觸發(fā)下一次模數(shù)轉(zhuǎn)換操作，其中，閾值本身為可編程的。如果模擬輸入信號(hào)隨時(shí)間緩慢漂移，則ADC電路將在信號(hào)改變時(shí)執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換操作而不是以同步或輪詢方式連續(xù)執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換操作，并且可以例如由用戶或系統(tǒng)來(lái)以編程方式設(shè)置觸發(fā)下一次模數(shù)轉(zhuǎn)換的具體電平，以使得可以針對(duì)產(chǎn)生模擬輸入信號(hào)的特定傳感器(例如，溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器)來(lái)優(yōu)化ADC。
[0019]圖2的ADC電路200包括標(biāo)準(zhǔn)逐次逼近ADC電路200，其包括采樣保持電路201、第一比較器電路202、逐次逼近邏輯203、逐次逼近寄存器204、第一 DAC電路205和輸出寄存器206。圖2的ADC電路另外包括第二 DAC電路207和第二比較器電路208。
[0020]此外，第一比較器電路202執(zhí)行雙重功能。具體地，如下文所詳細(xì)描述的，比較器電路202不僅產(chǎn)生用于模數(shù)轉(zhuǎn)換操作遞歸的上/下差信號(hào)(如【背景技術(shù)】部分中所討論的)，而且還用作在模擬輸入信號(hào)跨越閾值時(shí)觸發(fā)下一次模數(shù)轉(zhuǎn)換操作的開始的閾值交叉檢測(cè)器，如在緊接著的下文所更詳細(xì)描述的。
[0021]參考圖2和圖3，由第一 DAC 205來(lái)建立上閾值301，并且由第二 DAC207來(lái)建立下閾值302。如果模擬輸入信號(hào)303上升到由第一 DAC 205所建立的上閾值301之上，則第一比較器202將觸發(fā)下一次模數(shù)轉(zhuǎn)換操作。類似地，如果模擬輸入信號(hào)303下降到由第二DAC 207建立的下閾值302之下，則第二比較器208將觸發(fā)下一次模數(shù)轉(zhuǎn)換操作。
[0022]例如，如圖3中所觀察的，觀察到模擬輸入信號(hào)303在時(shí)間304上升到上閾值301之上，這使得第一比較器202 (例如，通過斷言高閾值交叉信號(hào))在時(shí)間段305內(nèi)觸發(fā)下一次模數(shù)轉(zhuǎn)換操作。在時(shí)間306處在逐次逼近寄存器204中達(dá)到最終數(shù)字輸出值的遞歸的序列的結(jié)尾，將逐次逼近寄存器304的內(nèi)容傳輸?shù)捷敵黾拇嫫?06以正式呈現(xiàn)新的數(shù)字輸出值。另外，將上閾值301和下閾值302兩者重置以建立在ADC的新輸出值之上和之下的新閾值。
[0023]在時(shí)間307，為了繼續(xù)該示例，觀察到模擬輸入信號(hào)303下降到下閾值302之下，這使得第二比較器208 (例如，通過斷言低閾值交叉信號(hào))在時(shí)間段308內(nèi)觸發(fā)下一次模數(shù)轉(zhuǎn)換操作。同樣，在時(shí)間309處在由ADC達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)輸出的遞歸的序列的結(jié)尾，再次將上閾值301和下閾值302兩者重置以建立在ADC的第二新輸出值之上和之下的新閾值。
[0024]由于圖2的改進(jìn)的ADC電路異步地啟動(dòng)模式轉(zhuǎn)換操作，因而無(wú)