CN101803198A

CN101803198A - 模数转换器

Info

Publication number: CN101803198A
Application number: CN200880106504A
Authority: CN
Inventors: 邓肯·布莱姆纳
Original assignee: ITI Scotland Ltd
Current assignee: ITI Scotland Ltd
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2008-09-15
Publication date: 2010-08-11
Also published as: US20110148683A1; MX2010002752A; AU2008299648A1; TW200913503A; EP2188896A1; GB2452751A; KR20100075486A; JP2010539772A; GB0717894D0; WO2009034350A1

Abstract

本发明提供了一种模数转换器，包括：模拟信号输入端，用于接收模拟信号；基准电压输入端，用于接收基准电压信号；以及多个比较器，每个比较器的一个输入端都连接至模拟信号输入端，每个比较器的另一输入端都被连接以接收基准电压信号的相应部分，其中，多个比较器中的至少一个可以被选择性地激活和去激活，以确定模数转换器的操作的模式。

Description

模数转换器

技术领域

本发明涉及一种模数转换器(ADC)，更具体地，涉及一种功耗被优化的模数转换器。

背景技术

模数转换器(ADC)是众所周知的，其将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。大部分ADC都包含两个基本功能：输入信号采样电路和将采样的输入转换为限定数量的数字电平(例如，6比特转换器能够区别64个离散电平)的转换电路。传统型的ADC根据预定的转换传递函数(conversion transfer function)或算法将模拟信号转换为数字信号。这种算法可以是具有给定比特长度的对数、指数或线性的。非线性转换器的已知实例是电信行业中的A-law/μ-law PCM编码解码器。尽管这些ADC对于功耗来说是最优化的，但功耗通常不能被调节为使用不同算法。例如，当大部分内部电路部件必须保持通电时，被设计为6比特线性转换器的转换器通常不能被更改为执行对数算法。还已知的是，如果使用大部分一般且已知的技术来实现ADC，则可通过减少采样率或通过减少被转变的比特数来减小ADC功率，尽管后一种技术通常仅减少相对较少量的功率。然而，这些方法对于实现非常快速的转换器来说是不理想的。

可选类型的ADC(已知为快闪(flash)转换器)更加适合于非常高速的应用，并由许多并行等级的比较器块组成，当输入电压超过其基准电压时，并行等级的比较器块顺序表示“高”。该转换器由多个转换器(其数量大约等于后处理数字块所跟随的等级数量)组成，以将比较器并行输出信号转换为标准的二进制表示。该转换方式比更传统的流水线转换器更快，但是却消耗了相当多的功率。

图1示出了传统的快闪模数转换器2，其将模拟信号转换为2位的二进制信号。转换器2具有用于接收模拟信号V_in的输入端4和用于接收基准电压V_ref的基准电压输入端6，输入端6连接至4个串联配置的电阻器8。设置了三个比较器10(分别标为S1，S2和S3)，比较器由电源V₊供电，并且它们的非反相输入端连接至模拟信号V_in。每个比较器10的反相输入端都连接至各对电阻器8之间的点。因此，电阻器8用作每个比较器10的分压器，使得比较器的反相输入端分别接收V_ref/4，2V_ref/4和3V_ref/4的电压。比较器10的输出端(分别标为D1，D2和D3)设置于将接收到的比较器输出转换为2位二进制信号(B0，B1)的数字转换块12。尽管出于简洁的目的示出了4级、2位的转换器，但该方法也同样适于较大的转换器。

当模拟信号V_in高于施加给每个比较器的反相输入端的基准电压V_ref的相应部分时，每个比较器10均产生“1”，否则产生一“0”。因此，如果模拟输入V_in在2V_ref/4和3V_ref/4之间，则比较器S1和S2产生“1”(例如，D1和D2为1)，比较器S3产生“0”(例如，D3为0)。输出从1变为0的比较器为模拟信号变得小于相应的比较器基准电压电平的点。这种类型的转换是已知的“温度计编码”。温度计码通过转换块12被转换为合适的二进制输出码。

当该类型的ADC 2同时将模拟输入电压V_in与所有基准电压电平比较时，其具有极好的高速性能。因此，执行测量所需的时间等于单个比较器修改状态的时间。

然而，如上所述，尽管这种类型的模数转换器具有合理的功耗，但其不能提供转换传递函数或算法的选择。

因此，本发明的目的在于提供一种模数转换器，其提供了为转换所选的算法的灵活性，并具有改进的功耗。

发明内容

本发明提供了一种模数转换器，其包括：模拟信号输入端，用于接收模拟信号；基准电压输入端，用于接收基准电压信号；以及多个比较器，每个比较器的一个输入端都连接至模拟信号输入端，每个比较器的另一输入端都被连接以接收基准电压信号的相应部分，其中，多个比较器中的至少一个可以被选择性地激活和去激活(deactivate)，以确定模数转换器的操作模式。

根据本发明的第二方面，提供了一种包括上述数模转换器的便携装置。

附图说明

参照下面的附图，仅通过实例的方式描述本发明，其中：

图1是已知模数转换器的框图；

图2是根据本发明一个方面的数模转换器的框图；

图3是示出使用根据本发明的ADC时针对不同算法的比较功率增益的图表；以及

图4是示出对于不同比较器结构的功耗的表格。

具体实施方式

图2示出了根据本发明一方面的示例性模数转换器(ADC)。该模数转换器22将模拟信号转换为2位的二进制信号。转换器22具有用于接收模拟信号V_in的输入端24和用于接收基准电压V_ref的基准电压输入端26，输入端26连接至串联配置的四个电阻器28。设置有三个比较器30(分别标为S1，S2和S3)，这些比较器由电源V₊供电，并且它们的非反相输入端都连接至模拟信号V_in。每个比较器30的反相输入端都连接至各对电阻器28之间的点。因此，电阻器28用作每个比较器30的分压器，使得比较器的反相输入端分别接收V_ref/4，2V_ref/4和3V_ref/4的电压。比较器30的输出端(分别标为D1，D2和D3)设置给转换模块32，该转换模块将接收到的输出转换为2位二进制信号(B0，B1)。

如上所述，当模拟信号V_in高于施加给每个比较器的反相输入端的基准电压V_ref的相应部分时，每个比较器30均产生“1”，否则产生“0”。因此，如果模拟输入V_in在2V_ref/4和3V_ref/4之间，则比较器S1和S2产生“1”(例如，D1和D2为1)，比较器S3产生“0”(例如D3为0)。输出从1变为0的比较器为模拟信号变得小于相应的比较器基准电压电平的点。温度计码(thermometer code)通过转换块32被转换为合适的二进制输出码。

根据本发明的一个方面，切换比较器30中的至少一个，使其可以被选择性地激活和去激活，以选择ADC 22的操作模式。在所示出的实施例中，每个比较器30都被切换，使得每个比较器30都可以被独立地激活和去激活或者与其它比较器30一起被激活和去激活。然而，应该理解，在其它实施例中，只有一个或一些比较器30可以被选择地激活和去激活。应该理解，具有多种不同的电路去激活方法，图2所示的实施并不排除采用其他实施。

在所示实施例中，使用位于比较器30和其电源V₊之间的各个开关34来选择性地激活和去激活比较器30，通过相应的控制信号C₁，C₂和C₃来控制每个开关34。

通过选择性地激活和去激活比较器30，ADC 22可以实现不同的测量敏感度(例如，输出中的多位)和转换传递函数(例如，对数)。ADC 22的敏感度可通过对功耗的直接影响来改变。例如，这允许在监视模式或信号质量特别好的情况下优化功耗，因此，需要较少的位。而且，可使用该ADC 22来实现复杂的检测机制。

尽管根据本发明优选开关34，但本领域技术人员应该意识到，可以使用任何其它合适类型的部件来选择性地激活和去激活比较器30。

此外，尽管所示ADC 22具有三个比较器30，但应该理解，根据ADC22的需要可以使用任何数量的比较器30。例如，如果期望的输出为表示64个可能输入信号电平的7位二进制信号，则ADC将需要63个比较器。应该理解，用于较多数量比较器的电源节能高于所示简单的2位实例。

在图2中未示出生成用于开关34的控制信号的部件。

如果如图2所示切换一个或多个比较器30的电源，则根据设置ADC 22的应用，可以减少ADC 22的功耗。在一种情况下(例如“睡眠”模式)，最低有效比较器(S1)可以保持激活，以监控模拟信号输入端24处的任何信号，所有其它比较器30可以被去激活。在图2的实例中，这对应于比较器30所消耗功率的66％的减少量(一个比较器被激活而其它两个比较器未激活)。

此外，可通过只激活第二比较器(S2)并且关闭所有其它比较器来将ADC 22的分辨率从2位减少到1位，这再次节省了功率。如果这被扩展到更复杂的转换器(如6位或7位(32个或64个比较器))，则可以动态地改变转换器22的敏感度，或者设定具有全分辨率的检测“窗口”，同时根据预定算法通过预先选择适当的比较器30仅消耗一部分功率。此外，这些“窗口”可以被设置在输入信号转变点周围，这些点处提供较大的辨别度。

另一个优点在于，通过比较器30(其被选择给出对数信号检测算法)的选择激活，可以实现非线性算法(例如，简单的log(2)算法)。

在这些情况的每一个中，ADC 22的绝对分辨率(resolution)或最大分辨率保持恒定，但本领域技术人员将会意识到，其可以被改变。然而，转换器22的性能和功率可通过减少ADC 22中激活的比较器30的总数量来优化以总是节省功率(或相反)。

通过图3的曲线图示出了可利用根据本发明的ADC 22实现的一些转换传递函数的实例。该曲线图示出了根据所选5种不同算法的数字二进制输入信号对线性输入信号的关系曲线。为了分析曲线图上的不同算法，转换被限为32个状态(5位)，但本领域技术人员应该理解，这可以通过扩展方式而扩展到任何其他等级的辨别度。该曲线图示出了不同的转换算法：5位线性、4位线性、3位线性、窗口中具有5位精度的窗口检测器以及4位对数转换算法。这些算法仅仅是可使用本发明实现的实例，本领域技术人员可以选择它们的组合。本发明特有的特征在于，转换器可以被动态修改以进一步节省功率。其中一个实例可以为“跟踪窗口检测器”，其中，使用数字控制来调节“窗口”区域，以增强信号区域中敏感度。

转换器22中的功率节省直接与激活的比较器30的数量成比例，因此，在7位(64电平)ADC的情况下，7位线性转换器表示100％的功耗(由于所有比较器都通电)，而单一电平的阀值检测器(例如，单个比较器)将仅需要大约1.5％的功耗，操作总范围25％以上的7位窗口检测器将使用25％的功率，以及5位全范围检测器同样使用25％的功率，因此，可以关掉75％的比较器。

图4是示出具有对于不同算法的具有64个比较器30的ADC中的功耗和被激活比较器30的表格。第一列列出了输入电平(其与比较器30相对应)，第二列示出了二进制值，剩下的列示出了对于那个特定算法哪些比较器30被激活。在表格的底部，示出了激活比较器的数量以及与所有比较器被激活的基准7位转换器相比用于每种算法的相对功耗。

本发明主要的技术优点在于，其允许优化非常高速的转换器的功耗，同时(如有需要)保持全部功能。复杂且非线性(甚至动态改变的)转换可以被实现。因此，ADC尤其适合于电池供电的装置。

因此，上述发明减少了大约与被识别的数字电平数量成比例的功耗，并且可在程序控制下动态地被修改。

Claims

1.一种模数转换器，包括：

模拟信号输入端，用于接收模拟信号；

基准电压输入端，用于接收基准电压信号；以及

多个比较器，每个比较器的一个输入端都连接至所述模拟信号输入端，每个比较器的另一输入端都被连接以接收所述基准电压信号的相应部分；

其中，所述多个比较器中的至少一个可以被选择性地激活和去激活，以确定模数转换器的操作的模式。

2.根据权利要求1所述的模数转换器，其中，可以选择性地激活和去激活所述多个比较器中的多于一个的比较器。

3.根据权利要求2所述的模数转换器，其中，所述多个比较器中的每一个均可以被激活和去激活。

4.根据权利要求2或3所述的模数转换器，其中，可被激活和去激活的比较器可以彼此独立地被激活和去激活。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的模数转换器，其中，在比较器和其电压电源之间设置开关，控制所述开关以选择性地激活和去激活该比较器。

6.根据权利要求5所述的模数转换器，其中，通过相应的控制信号控制该开关或每个开关。

7.根据前述权利要求中任一项所述的模数转换器，还包括：用于将所述比较器的输出转换为二进制码的转换块。

8.根据前述权利要求中任一项所述的模数转换器，其中，所述比较器的输出为温度计码。

9.根据前述权利要求中任一项所述的模数转换器，其中，所述至少一个比较器被选择性地激活和去激活，以改变所述转换器的有效量子化。

10.根据前述权利要求中任一项所述的模数转换器，所述至少一个比较器选择性地被激活和去激活，以在激活单个比较器的睡眠模式和激活多个比较器的操作模式之间切换所述转换器。

11.根据前述权利要求中任一项所述的模数转换器，其中，每个比较器的连接至所述模拟信号输入端的输入端都是每个比较器的非反相输入端。

12.根据前述权利要求中任一项所述的模数转换器，其中，每个比较器的被连接以接收所述基准电压的相应部分的输入端都是每个比较器的反相输入端。

13.根据前述权利要求中任一项所述的模数转换器，其中，通过分压电路将所述基准电压信号的相应部分提供给每个比较器。

14.一种便携装置，包括前述权利要求中任一项所述的模数转换器。