CN102201812B

CN102201812B - 循环a/d转换器

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Publication number: CN102201812B
Application number: CN201110078485.2A
Authority: CN
Inventors: 牧原哲哉; 堀江真清; 本多一隆
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2031-03-24
Also published as: DE102011005325B4; DE102011005325A1; US20110234441A1; US8405538B2; CN102201812A; JP2011205190A; JP5018920B2

Abstract

控制电路(8)连接电容器(CG)至运算放大器(9)的输入端子和输出端子，并且在开关(S12)关断时施加信号电荷(Sin)以对电容器(CG)进行充电。因此，从所述运算放大器输出对应于所述信号电荷的转换电压。所述控制电路然后在电容器(CF、CS10、CS11)中设置对应于所述转换电压的电荷，并且通过根据其中电容器连接至所述运算放大器的输入端子和输出端子时A/D转换电路(7)的转换结果将电容器(CS10、CS11)的非公共电极连接至多条参考电压线中的任一个，在所述电容器中再分配所述电荷。所述控制电路之后根据从所述运算放大器输出的剩余电压若干次执行电荷设置、初始化以及随后的电荷再分配。

Description

循环A/D转换器

技术领域

本发明涉及一种循环A/D转换器。

背景技术

诸如加速度传感器、压力传感器以及废气传感器的车辆传感器输出随检测对象的物理量而变化的电信号。这种传感器可以是电压输出类型、电容检测类型、电流输出类型等等。安装在车辆微计算机中的A/D转换器将输入模拟电压转换成数字数据。

在传感器产生非模拟电压的输出信号的情况下，信号处理电路被设置在用于信号处理的A/D转换器的前置级（例如，专利文献1）。所述信号处理电路是例如具有C/V转换功能或者I/V转换功能的特定电路以及用于对所述特定电路的输出信号进行放大的放大器电路。或者，采用具有放大功能的A/D转换器（例如，专利文献2）。

专利文献1：JP2008-216135A

专利文献2：JP2008-104142A(US2008/0074304A1)

在除了如专利文献1所公开的A/D转换器之外设置了C/V转换器、放大器等等的情况下，电路面积和功耗相应地增加。在如专利文献2所公开的设置了具有放大功能的A/D转换器的情况下，不需要单独地设置放大器。然而，需要设置C/V转换器。电路面积和功耗相应地增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种循环A/D转换器，所述循环A/D转换器通过在输入信号不同于电压的情况下将输入信号转换为模拟电压来执行A/D转换。

根据本发明的一方面，循环A/D转换器包括A/D转换电路、剩余电压生成电路、输入电路和控制电路。所述剩余电压生成电路被配置成通过放大施加至A/D转换电路的输入电压和预定的模拟电压之间的差分电压来生成剩余电压。输入电路被配置成选择从所述剩余电压生成电路输出的剩余电压或者从外侧输入的输入电压，并且将所选择的电压施加至所述A/D转换电路和所述剩余电压生成电路二者。所述控制电路被配置成控制所述输入电路和所述剩余电压生成电路，使得在使用从所述A/D转换电路输出的数字转换值的D/A转换值用作所述剩余电压生成电路的所述预定模拟电压，以便使所述剩余电压循环通过所述输入电路、所述A/D转换电路和所述剩余电压生成电路的同时，所述A/D转换电路执行由所述剩余电压生成电路输出的所述剩余电压的A/D转换，

所述循环A/D转换器还包括输入切换电路，所述输入切换电路被配置成可切换地输入外部信号电荷至所述剩余电压生成电路。所述控制电路还被配置成控制所述输入切换电路以输入所述外部信号电荷至所述剩余电压生成电路，控制所述剩余电压生成电路执行用于输出对应于所述外部信号电荷的转换电压的电压转换操作，以及在所述A/D转换电路开始对从所述剩余电压生成电路输出的所述转换电压的进行A/D转换操作之前，控制所述输入电路选择用于施加至所述A/D转换电路和所述剩余电压生成电路的所述转换电压。

附图说明

本发明的上述和其它目的、特征以及优点从下面参考附图给出的具体描述中将变得更显而易见。在附图中：

图1是根据本发明的第一实施例的循环A/D转换器的电路图；

图2是图1中所示的循环A/D转换器中的1.5比特A/D转换电路的电路图；

图3是根据第一实施例的循环A/D转换器的操作图；

图4A和4B是循环A/D转换器的涉及C/V转换操作的一部分的电路图；

图5是根据第二实施例的循环A/D转换器的操作图；

图6是根据本发明的第三实施例的循环A/D转换器的电路图；

图7A和7B是循环A/D转换器的涉及C/V转换操作的一部分的电路图；

图8是根据本发明的第四实施例的循环A/D转换器的电路图；

图9是根据第四实施例的循环转换器的操作图；

图10A和10B是循环A/D转换器的涉及C/V转换操作的一部分的电路图；

图11是根据本发明的第五实施例的循环A/D转换器的电路图；以及

图12是根据第五实施例的循环A/D转换器的操作图。

具体实施方式

（第一实施例）

下面参考图1-4来描述根据第一实施例的循环A/D转换器。

图1示出了电容性加速度传感器以及被配置成对所述电容性加速度传感器的输出信号进行A/D转换的循环A/D转换器2，所述电容性加速度传感器具有传感器元件1并且用于车载控制集成电路（IC）。所述电容性加速度传感器的传感器元件1具有电容器CE1和CE2。电容器CE1和CE2的电容在没有施加加速度的情况下为CE。电容器CE1和CE2根据施加到其上的加速度互补地改变各自的电容。例如，当电容器CE1的电容增加ΔC/2时，电容器CE2的电容减小ΔC/2。电容器CE1和CE2分别连接至端子FE1和FE2。驱动电压Vsp和Vsm交替地施加至端子FE1和FE2。电容器CE1和CE2彼此连接并且连接至循环A/D转换器2的信号输入端子3。

循环A/D转换器2被配置成具有C/V转换器的功能，所述C/V转换器将电容器CE1和CE2的电容（C）中的变化转换（检测）为模拟电压（V）。循环A/D转换器2对施加至信号输入端子3的信号电荷Sin（外部信号电荷C）进行C/V转换并且放大经转换的电压。循环A/D转换器2然后对所述经放大的电压进行A/D转换并且输出N比特A/D转换码（N比特的数字数据）。循环A/D转换器2还对输入至信号输入端子4的信号电压Vin进行放大，并且对所述经放大的电压进行A/D转换并且输出N比特A/D转换码。所述循环A/D转换器2被配置成根据输入信号的类型（传感器输出形式）选择性地执行前述操作中的一个。所述循环A/D转换器2因此能够对其输入信号进行A/D转换，而无论所述输入信号是电压或者电荷。

所述循环A/D转换器2被配置有切换电路5、倍增D/A转换器6、A/D转换电路7、控制电路8、电容器CG以及开关S1至S3。操作为输入电路的切换电路5选择输入至信号输入端子4的信号电压Vin或者倍增D/A转换器6的输出电压中的任一个，并且输入所选择的电压至A/D转换电路7和倍增D/A转换器6二者。在输入信号是不同于电压的电荷的情况下，切换电路5固定至图1所示的状态，以选择倍增D/A转换器6的输出电压。

用作剩余电压生成电路的倍增D/A转换器6对A/D转换电路7的输入电压和模拟电压之间的差分电压进行放大并且生成经放大的电压或者剩余电压，所述模拟电压由从控制电路8输出的数字值的D/A转换产生。倍增D/A转换器6在采样-保持之后输出该电压。

倍增D/A转换器6配置有运算放大器9、电容器阵列电路10、电容器CF和开关S10至S16。电容器阵列电路10包括均具有相同电容CS的阵列电容器CS10和CS11。电容器CS10和CS11的低侧电极（公共电极）连接至公共线11。高侧（非公共电极）通过相应的开关S10和S11可连接至参考电压线Vrefp（5V）、参考电压线Vrefm（0V）以及切换电路5的公共端子中的任一个。

公共线11通过用作切换电路的开关12连接至运算放大器9的反相输入端子（-）并且通过开关S13连接至地（固定电压线）。开关S14连接在运算放大器9的反相输入端子和输出端子之间。电容器CF和开关S15串联连接在切换电路5的公共端子和运算放大器9的反相输入端子之间。电容器CF和开关S15的公共连接端子通过开关S16连接至地。运算放大器9的非反相输入端子（+）连接至地。电容器CF具有电容（2×CS），其是电容器CS10和CS11的电容大小的两倍。用作第二积分电容器的电容器CF在开关S14关断，开关S15导通以及切换电路5切换至倍增D/A转换器6的条件下可连接在运算放大器9的输入端子和输出端子之间。

用作输入切换电路的开关S1连接在运算放大器9的反相输入端子和信号输入端子3之间。用作第一积分电容器的电容器CG和开关S2串联连接在运算放大器9的反相输入端子和输出端子之间。开关3连接在电容器CG的端子之间。电容器CG的电容可以被设置成对应于C/V转换的期望增益。

A/D转换电路7被配置为如图2所示。A/D转换电路7接收预定的参考电压Vrefp（5V）和Vrefm（0V），并且输出M（1.5）比特的数字转换值，所述数字转换值是0（00）、1（01）和2（10）的三个值。具体而言，表示参考电压Vrefp和Vrefm之间差异的差分电压由电阻器R0、R1和R2划分。电阻器R0和R1之间的结点连接至比较器CMP1的非反相输入端子。电阻器R1和R2之间的结点连接至比较器CMP2的非反相输入端子。将作为输入端子4的输入电压Vin或者倍增D/A转换器6的输出电压中的任一个的电压V5施加至比较器CMP1和CMP2的反相输入端子。将电阻器R0、R1和R2的电阻设置成满足如下关系：电阻器R0和R2的电阻相对于电阻器R1的电阻R（Ω）为1.5R（Ω）。

将输出为高电平信号或者低电平信号中任一个的输出信号输入至锁存电路12。锁存电路12对从比较器CMP1和CMP2产生的输出信号进行锁存，并且当锁存信号电平变为高时输出锁存的输出信号至编码器13。编码器13基于来自锁存电路12的输出信号生成并且输出三值的A/D转换码。

接下来参考图3中所示的操作时序来描述循环A/D转换器2的操作，在图3中倍增D/A转换器6的功能由相等的（bracketed）数字表示。循环A/D转换器2在通过使用切换电路5、倍增D/A转换器6等执行C/V转换之后对信号电荷Sin进行放大，所述切换电路5、倍增D/A转换器6等通常被设置成执行A/D转换。控制电路8控制A/D转换电路7和开关S1至S3以及开关S10至S16，使得执行如下操作。首先，如图3所示，对信号电荷Sin进行C/V转换。从C/V转换导致的经转换电压循环一次（通过倍增D/A转换器6两次）以进行放大。经放大的电压之后循环9次（由A/D转换电路7进行10次A/D转换）以执行10比特的A/D转换操作。

（1）C/V转换操作

控制电路8在放大操作和A/D转换操作之前执行C/V转换操作（电压转换操作）。也就是说，如图1所示，切换电路5切换至倍增D/A转换器6侧并且开关S10和S11切换至切换电路5侧。此外，开关S1、S2、S13、S14、S16导通并且开关S3、S12、S15关断。因此，初始化电容器的电荷[采样缩写为S]。该电荷初始化操作对应于C/V转换操作的重置。图4A示意性示出了循环A/D转换器2的一部分，其涉及重置周期中的C/V转换操作。如图3和4A所示，电压Vsp和Vsm在重置周期期间分别施加至传感器元件1的端子FE1和FE2。通过开关S14使得运算放大器9的反相输入端子和输出端子短路。因此，通过以下等式（1）来表示重置周期中运算放大器9的反相输入端子处的电荷Qr，在等式（1）中假设地电势（0V）为Vcom。

Qr=(CE+ΔC/2)(Vsp-Vcom)+(CE-ΔC/2)(Vsm-Vcom)---(1)

然后，开关S14关断以对电容器CG进行充电使其具有信号电荷Sin。该电荷设置操作对应于C/V转换操作中的转换。图4B示意性示出了循环A/D转换器2的一部分，其涉及转换操作周期（转换周期）中的C/V转换操作。如图3和4B所示，电压Vsm和Vsp在转换周期期间分别施加至传感器元件1的端子FE1和FE2。电容器CG连接在运算放大器9的反相输入端子和输出端子之间。因此，通过以下等式（2）来表示转换周期中运算放大器9的反相输入端子处的电荷Qc，在等式（2）中假设在C/V转换之后运算放大器9的输出电压为Vo。

Qc=(CE+ΔC/2)(Vsm-Vcom)+(CE-ΔC/2)(Vsp-Vcom)+CG(Vo1-Vcom)---（2）

根据电荷转换定理上述周期中的电荷Qr和Qc通过以下等式（3）表示为相等。

Qr=Qc---（3）

根据等式（1）到（3），通过以下等式（4）来表示C/V转换之后的输出电压Vo1。

Vo1=(ΔC/CG)(Vsp-Vsm)+Vcom---（4）

因此，输出电压Vo1对应于偏置电压Vcom和作为电容器CE1和CE2的电容中的变化ΔC乘以增益(1/CG)(Vsp-Vsm)的放大的电压的总和。此时，通过输出电压Vo1对电容器CF、CS10和CS11进行充电（采样）。

（2）放大操作

控制电路8在C/V转换操作之后执行放大操作。也就是说，在开关S1、S2、S13和S16关闭之后，开关S10、S11切换至Vrefm侧并且开关S3、S12、S15导通。因此，倍增D/A转换器6执行放大操作[放大(1)缩写为Amp(1)或者A(1)]。

电容器CF连接在运算放大器9的输入端子和输出端子之间，使得电荷在电容器CF、CS10和CS11中再分配。通过以下等式（5）来表示电荷再分配，在等式（5）中运算放大器9的输出电压假定为Vo2并且Vrefm假定为0V。通过以下等式（6）来表示经放大的输出电压Vo2。因此，通过在C/V转换之后传送电压一次通过倍增D/A转换器6，增益加倍。

(CF+2·CS)(Vo1-0)=2·CS(0-0)+CF(Vo2-0)---（5）

Vo2=(CF+2·CS)/CF·Vo1=2·Vo1---（6）

根据第一实施例，为了提供更大增益，控制电路8关断开关S12，使得保持经放大的电压，保持电压通过开关电路5循环至倍增D/A转换器6，并且由倍增D/A转换器6对循环电压再次放大（第二次）。也就是说，开关S10、S11切换至切换电路5侧并且开关S13导通。因此，对电容器CS10和CS11进行充电使其具有相应的电荷（采样）。然后，在关断开关S13之后，开关S10、S11切换至Vrefm侧并且开关S12导通。因此，再分配电荷[Amp(2)]。当通过关断开关S12保持经放大的电压时终止放大操作。

（3）A/D转换操作

控制电路8向A/D转换电路7的锁存电路12输出高电平的锁存信号。开关S10、S11切换至切换电路5侧并且开关S13导通。因此，通过放大电压对电容器CS10和CS11进行充电并且电容器CS10和CS11被设置有相应的电荷[采样]。在完成电荷设置之后，开关S13关断并且开关S12导通。此外，开关S10和S11根据A/D转换电路7的A/D转换值而切换至Vrefp侧或者Vrefm侧。因此，执行电荷再分配[MD/A(1)]。

在这里应注意，控制电路8接收从A/D转换电路7输出的数字转换值，并且输出用于开关S10和S11的控制信号。预定的电压Vrefp或者Vrefm施加至电容器CS10和CS11。根据电容器CS10和CS11的电容和施加至电容器CS10和CS11的电压之间的比率，确定施加至剩余电压生成电路6的预定模拟电压。因此，预定模拟电压随着从A/D转换电路7输出的数字转换值可变化。

在电荷再分配完成之后，控制电路8关断开关S12并且保持剩余电压。剩余电压循环至倍增D/A转换器6。A/D转换电路7通过K-1次传送放大电压（剩余电压）至倍增D/A转换器6来执行k（10）次A/D转换。控制电路8的移位相加电路（未示出）通过在逐比特地重叠每个A/D转换值的同时依次相加A/D转换值来最终输出N（10）比特的A/D转换码。在N=3比特的情况下，作为简单示例，第一、第二和第三A/D转换值逐比特地三次进行重叠并且相加。然后删去最低有效位LSB“1”，使得提供3比特A/D转换码。

当电容性加速度传感器的传感器元件1的信号电荷Sin输入至端子3时，循环A/D转换器2按照如上所述进行操作。当施加输出模拟电压作为其输出信号的传感器的信号电压Vin时，循环A/D转换器进行不同地操作。也就是说，循环A/D转换器2通过使用切换电路5、倍增D/A转换器6等来放大信号电压Vin，并且然后通过使用A/D转换电路7等来执行A/D转换。所述切换电路5、倍增D/A转换器6等最初设置用于执行A/D转换。控制电路8控制A/D转换电路7、开关S1至S3以及开关S10至S16，从而以便执行放大操作和A/D转换操作。具体而言，信号电压Vin循环一次（信号电压Vin两次传送通过倍增D/A转换器6）以用于放大操作。然后，经放大的电压循环9次（由A/D转换电路7进行10次A/D转换）以用于10比特的A/D转换操作。

控制电路8在A/D转换操作之前执行下述放大操作。切换电路5切换至信号输入端子4侧（信号电压Vin侧），并且开关S10、S11切换至切换电路5侧。此外，开关S3、S13、S14、S15导通并且开关S1、S2、S12、S16关断。因此，对电容器CF、CS10和CS11进行充电使其具有信号电压Vin[采样]。开关S13和S14关断，切换电路5切换至倍增D/A转换器6侧，开关S10、S11切换至Vrefm侧并且开关S12导通。因此，倍增D/A转换器6执行放大操作[Amp(1)]。通过上述等式（6）表示放大输出电压Vo2。之后，以与输入信号电荷Sin情况下类似的方式，倍增D/A转换器6执行第二放大操作[Amp(2)]。以与输入信号电荷Sin情况下类似的方式执行随后的A/D转换操作。

如上所述，在输入信号电荷Sin作为输入信号时，在放大操作和A/D转换操作之前，根据第一实施例的循环A/D转换器2首先通过使用切换电路5、倍增D/A转换器6等来执行信号电荷Sin的C/V转换，所述切换电路5、倍增D/A转换器6等通常设置用于A/D转换器的A/D转换。因此，将从电容性加速度传感器的传感器元件1输出的信号电荷Sin（也就是传感器元件1的电容器CE1和CE2的电荷的差异）转换成电压。循环A/D转换器2通过将C/V转换的电压循环通过切换电路5和倍增D/A转换器6预定数量的次数而以预定倍数（fold）的增益来放大C/V转换的电压。因此，在对与电容性加速度传感器的电容中的改变ΔC成比例的低电平电压进行放大并且将其调整至适用于A/D转换的动态范围（例如，在0V和5V之间）之后，执行A/D转换。结果，有效地使用A/D转换器（不具有放大功能）的分辨力，使得有效地增加A/D转换中的分辨率。

循环A/D转换器2通过使用初始设置在A/D转换器2中用于执行A/D转换的电路部件来执行放大操作。循环A/D转换器2还通过简单地将电容器CG和开关S1至S3、S15、S16添加至初始设置在循环A/D转换器2中用于执行A/D转换的电路部件来执行C/V转换操作。也就是说，循环A/D转换2被配置成通过使用共用的运算放大器9来执行C/V转换操作、放大操作和A/D转换操作。因此，与常规A/D转换器相反，无需在循环A/D转换器2的前置级处添加C/V转换器和放大器。因此，简化了电路配置并且减小了集成电路的芯片尺寸。倍增D/A转换器6通常具有高精度以提供高A/D转换精度。通过使用这种倍增D/A转换器，不仅实现了具有高精度和低偏置特性C/V转换器，而且实现了具有高精度、低偏置很高线性度特性的放大器。由于增益根据通过倍增D/A转换器6的次数（循环次数加1）而改变，所以实现了可编程可变增益放大器。

由于开关12设置在公共线11和运算放大器9的反相输入端子之间，并且用于积分的电容器CF、开关S12、运算放大器9用作与电容器阵列电路10隔离的采样-保持电路。结果，无需单独设置采样-保持电路并且因此电路配置更简单。由于设置了开关S13，所以经采样和保持的电压充电至阵列电容器CS10和CS11。因此，执行循环操作。

另外，循环A/D转换器2对输入至信号输入端子4的信号电压Vin进行放大并且对所放大的电压进行A/D转换以输出N比特A/D转换码。结果，循环A/D转换器2对其输入信号执行A/D转换，而无论其输入信号是电荷还是电压。也就是说，循环A/D转换器2不仅对从电容性传感器输出的信号进行A/D转换，而且对从诸如压力传感器的电压输出型传感器输出的信号进行A/D转换。

电容器CG用作C/V转换操作时间中的第一积分电容器，而电容器CF用作放大操作时间和A/D转换操作时间二者中的第二积分电容器。电容器CG和CF的电容可以独立地确定。结果，能够单独地设置C/V转换操作中的增益以及放大操作和A/D转换操作中的增益。因此，能够设置每一个增益而不会影响其它增益。

（第二实施例）

接下来参考图5来描述根据第二实施例的循环A/D转换器，在图5中与第一实施例相同或者类似的部件采用相同或者类似的附图标记。

在第一实施例中，循环A/D转换器2在对信号电荷Sin进行C/V转换并且然后放大经C/V转换的电压之后执行A/D转换。在作为信号电荷Sin的C/V转换结果输出的电压已经适用于A/D转换的动态范围的情况下，能够消除第一实施例中的放大操作。根据第二实施例，循环A/D转换器2被配置成执行通过信号电荷Sin的C/V转换输出的电压的A/D转换。

（1）C/V转换操作

如图5所示，在A/D转换操作之前，控制电路8以与第一实施例中类似的方式来执行C/V转换操作（采样）。

（2）A/D转换操作

控制电路8在C/V转换操作之后立即执行A/D转换操作。也就是说，高电平锁存信号输出至A/D转换电路7的锁存电路12。开关S1、S2、S16关断并且开关S3、S15导通。因此，对电容器CS11和CS12进行充电使其具有通过C/V转换输出的输出电压Vo。在充电后，开关S13关断并且然后开关S12导通。另外，开关S10和S11根据A/D转换电路7的A/D转换值切换至Vrefp侧或者Vrefm侧，从而执行电荷的再分配[MD/A(1)]。

在结束电荷再分配之后，开关S12关断。并且剩余电压因此被保持并且循环至倍增D/A转换器6。通过k-1（9）次传送剩余电压至倍增D/A转换器6，A/D转换电路7执行A/D转换K（10）次。控制电路8的移位相加电路（未示出）通过在逐比特地重叠每个A/D转换值的同时依次加上A/D转换值以最终输出N（10）比特的A/D转换码。

根据第二实施例的循环A/D转换器2在将信号电荷Sin输入作为输入信号而执行C/V转换操作之后执行A/D转换，没有放大操作。结果，如果通过信号电荷Sin的C/V转换输出的电压已经具有适用于A/D转换的动态范围时，不执行不必要的放大操作。因此，缩短了A/D转换操作所需要的时间，并且A/D转换效率增加。

（第三实施例）

接下来参考图6和7来描述根据第三实施例的循环A/D转换器，在图6和7中与第一实施例相同或者类似的部件采用相同或者类似的附图标记。

根据第三实施例，如图6所示，检测电流Iin通过信号输入端子3从废气传感器21输入至循环A/D转换器2。废气传感器21被配置成输出例如随保留在车辆发动机的废气中的NOx浓度变化的检测电流Iin。电流表示每单位时间流过的电荷的量。因此检测电荷Iin对应于外部信号电荷。

循环A/D转换器2通过使用切换电路5、倍增D/A转换器6等对检测电流Iin进行I/V转换，并且然后放大经转换的电压，所述切换电路5、倍增D/A转换器6等初始且通常设置用于A/D转换。之后，循环A/D转换器2通过进一步使用A/D转换电路7来执行A/D转换。根据第三实施例的循环A/D转换器2以与第一实施例类似的方式操作。还参考图3描述了根据第三实施例的循环A/D转换器2的操作。应注意图3中的C/V转换被参考为I/V转换并且端子FE1和FE2未涉及。

控制电路8在放大操作和A/D转换操作之前执行I/V转换操作。也就是说，切换电路5切换至倍增D/A转换器6侧并且开关S10和S11切换至切换电路5侧。此外，开关S1、S2、S13、S14、S16导通并且开关S3、S12、S15关断。因此，电容器的电荷被初始化[采样]。该电荷初始化操作对应于I/V转换操作的重置。图7A示意性示出了循环A/D转换器2的一部分，其涉及被重置周期中（重置周期）的I/V转换操作。如图3和7A所示，运算放大器9的反相输入端子和输出端子通过开关S14被短路。因此，未对电容器CG进行充电使其具有检测电流Iin。

然后，开关S14关断以对电容器CF进行充电使其具有检测电流Iin。该电荷设置操作对应于I/V转换操作中的转换。图7B示意性示出了循环A/D转换器2的一部分，其涉及转换操作周期中（转换周期）的I/V转换操作。如图3和7B所示，电容器CG连接在运算放大器9的反相输入端子和输出端子之间。对电容器CG进行充电使其具有检测电流Iin。因此，在I/V转换之后运算放大器9的输出电压由以下等式（7）来表示，其中转换周期（转换时间）假设为t。

Vo=Vcom-(Iin/CG)·t---（7）

因此，输出电压Vo对应于偏置电压Vcom和以增益-t/CG放大的电压的总和。此时，通过输出电压Vo对电容器CD、CS10和CS11进行充电（采样）。在I/V转换操作之后以与第一实施例类似的方式执行放大操作和A/D转换操作。在I/V转换操作之后也可以以与第二实施例类似的方式执行A/D转换操作。

如上所述，如果输入检测电流Iin作为输入信号，则循环A/D转换器2在执行A/D转换操作之前通过使用初始且通常设置用于A/D转换操作的切换元件对检测电流Iin进行I/V转换。根据第三实施例的循环A/D转换器2因此转换从电流输出型传感器输出的信号。

（第四实施例）

接下来参考图8至10来描述根据第四实施例的循环A/D转换器，在图8至10中与第一实施例相同或者类似的部件采用相同或者类似的附图标记。

如图8所示，传感器元件1的电容器CE1和CE2分别连接至端子FE1和FE2。这些端子FE1和FE2分别连接至循环A/D转换器31的信号输入端子3p和3m。电容器CE1和CE2彼此连接并且连接至公共端子FE。驱动电压Vsp和Vsm交替施加至端子FE。

循环A/D转换器31被配置成通过改变循环A/D转换器2以不同地进行操作。循环A/D转换器31配置有A/D转换电路32、倍增D/A转换器（剩余电压生成电路）33、电容器（第一积分电容器）CGp、CGm和开关S1p至S3p、S1m至S3m。差分输出型的运算放大器34被配置成具有非反相输出端子和反相输出端子以分别输出差分电压，其相对于中间电压（Vrefp+Vrefm）/2反相变化。

A/D转换电路32的非反相输入端子通过对应于输入电路的开关5p选择性可连接至运算放大器34的非反相输出端子或者非反相信号输入端子4p。类似地，A/D转换电路32的反相输入端子通过对应于输入电路的开关5m选择性地可连接至运算放大器34的反相输出端子或者反相信号输入端子4m。当输入信号是不同于电压的电荷时，开关5p和5m分别固定地切换至运算放大器34的输出端子。在图8中示出了该状态。

与图1中所示的方式类似，在开关5p的公共结点和运算放大器34的反相输入端子之间，连接电容器（第二积分电容器）CFp、开关S15p、电容器阵列电路10p、开关S10p、S11p和开关（切换电路）S12p。电容器阵列电路10p由阵列电容器CS10p和CS11p形成。开关S10p和S11p中的每一个可切换地选择施加至各个阵列电容器CS10p和CS11p的差分输入信号。开关S13p连接在公共线11p和地之间。开关S14p连接在运算放大器34的非反相输出端子和反相输入端子之间。电容器CFp和开关S15p之间的结点通过开关S16p连接至地。开关（输入切换电路）S1p连接在运算放大器34的反相输入端子和信号输入端子3p之间。开关S2p和电容器CGp串联连接在运算放大器34的反相输入端子和非反相输出端子之间。开关S3p连接在电容器CGp的两端子之间。

类似地，在开关5m的公共结点和运算放大器34的非反相输入端子之间，连接电容器（第二积分电容器）CFm、开关S15m、电容器阵列电路10m、开关S10m、S11m和开关（切换电路）S12m。电容器阵列电路10m由阵列电容器CS10m和CS11m形成。开关S10m和S11m中的每一个可切换地选择施加至各个阵列电容器CS10m和CS11m的差分输入信号。开关S13m连接在公共线11m和地之间。开关S14m连接在运算放大器34的反相输出端子和非反相输入端子之间。电容器CFm和开关S15m之间的结点通过开关S16m连接至地。开关（输入切换电路）S1m连接在运算放大器34的非反相输入端子和信号输入端子3m之间。开关S2m和电容器CGm串联连接在运算放大器34的反相输出端子和非反相输入端子之间。开关S3m连接在电容器CGm的两端子之间。在非反相信号侧和反相信号侧之间对称地配置电路布置是优选的。

在设置在控制电路35中的移位相加电路（未示出）中逐比特地进行移位的同时，从A/D转换电路32输出的A/D转换码“n”相加。在图9中示出了循环A/D转换器31的操作。从图9中可以看出，循环A/D转换器31的操作时序与图3中所示的循环A/D转换器2的操作时序类似。然而，应注意到，开关S10p和S11p根据在A/D转换操作中电荷再分配时从A/D转换电路32输出的A/D转换码“n”进行切换。此时，开关S10m和S11m根据值2-n进行切换。在该操作序列中，驱动设置在非反相信号侧和反相信号侧的开关在两信号侧之间同时执行相应的切换操作。

循环A/D转换器31的C/V转换操作执行如下。图10A示意性示出了循环A/D转换器31的一部分，其涉及重置周期中C/V转换操作。如图9和10A所示，电压Vsm在重置周期期间施加至传感器元件1的端子FE。运算放大器34的反相输入端子和非反相输出端子通过开关S14p被短路。类似地，运算放大器34的非反相输入端子和反相输出端子通过开关S14m被短路。因此，通过以下等式（8）来表示重置周期中运算放大器34的反相输入端子处的电荷Qrp，在等式（8）中反相输入端子处的电压假设为Vcom。类似地，通过以下等式（9）来表示非反相输入端子处的电荷Qrm，在等式（9）中非反相输入端子处的电压假设为Vcom。

Qrp=(CE+ΔC/2)(Vsm-Vcom)---（8）

Qrm=(CE-ΔC/2)(Vsm-Vcom)---（9）

图10B示意性示出了循环A/D转换器31的一部分，其涉及转换周期中的C/V转换操作。如图9和10B所示，电压Vsp在转换周期期间施加至传感器元件1的端子FE。电容器CGp连接在运算放大器34的反相输入端子和非反相输出端子之间。类似地，电容器CGm连接在运算放大器34的非反相输入端子和反相输出端子之间。因此，通过以下等式（10）表示转换周期中运算放大器34的反相输入端子处的电荷Qcp，在等式（10）中运算放大器34反相输入端子处的输入电压和非反相输出端子处的输出电压分别假设为Vx和Vop。类似地，通过以下等式（11）表示非反相输入端子处的电荷Qcm，在等式（11）中非反相输入端子处的输入电压和反相输出端子处的输出电压分别假设为Vx和Vom。

Qcp=(CE+ΔC/2)(Vsp-Vx)+CGp(Vop-Vx)---(10)

Qcm=(CE-ΔC/2)(Vsp-Vx)+CGm(Vom-Vx)---(11)

电荷Qrp和Qcp以及前述周期中的电荷Qrm和Qcm根据电荷守恒定理通过以下表示的等式（12）和（13）相等。

Qrp=Qcp---（12）

Qrm=Qcm---（13）

根据等式（8）至（13），输出电压Vop和Vom之间的差异，也就是运算放大器34的差分输出电压通过以下等式（14）来表示。在这里，假设电容器CGp和CGm的电容二者都等于CG。

Vop-Vom=-(ΔC/(CE+CG))(Vsp-Vsm)---（14）

因此，在C/V转换之后，运算放大器34的差分输出电压Vop-Vom对应于以增益-(1/(CE+CG))(Vsp-Vsm)乘以电容器CE1和CE2的电容中的改变ΔC进行放大的电压。

如上所述，当将信号电荷Sin从电容型加速度传感器的传感器元件1输入时，A/D转换器31执行由循环A/D转换器2执行的类似操作。此外，当信号电压Vin从电压输出型传感器输入时，A/D转换器31还执行由循环A/D转换器2执行的类似操作。因此，根据第四实施例的A/D转换器31提供类似的操作和优点。此外，由于对信号电荷Sinp和Sinm之间的差分电荷或者信号电压Vinp和Vinm之间的差分电压进行A/D转换，所以有效地去除了从外侧施加的公共模式噪声。

（第五实施例）

接下来参考图11和12来描述根据第五实施例的循环A/D转换器，在图11和12中与第一实施例相同或者类似的部件采用相同或者类似的附图标记。

循环A/D转换器41与如图1所示的循环A/D转换器2的不同之处在于未设置电容器CG和开关S2、S3，并且取代倍增D/A转换器6设置倍增D/A转换器42作为剩余电压生成电路。倍增D/A转换器42与图1中所示的倍增D/A转换器6的不同之处在于未设置开关S15和S16。由于未设置开关S15，电容器CF的一个端子连接至运算放大器9的反相输入端子。

循环A/D转换器41的操作时序如图12中所示。与根据第一实施例的循环A/D转换器2类似，循环A/D转换器41首先通过使用切换电路5、倍增D/A转换器42等对信号电荷Sin进行C/V转换，并且放大经转换的电压，所述切换电路5、倍增D/A转换器42等初始且通常设置在循环A/D转换器41中。循环A/D转换器41然后通过进一步使用A/D转换电路7执行A/D转换。在根据第一实施例的循环A/D转换器2中，电容器CG用作C/V转换操作期间的积分电容器。然而，在根据第五实施例的循环A/D转换器41中，电容器CF甚至用于C/V转换操作。因此，电容器CF用作第一积分电容器和第二积分电容器。

同样根据第五实施例，当输入信号电荷Sin作为输入信号时，在放大操作和A/D转换操作之前，循环A/D转换器41首先通过使用切换电路5、倍增D/A转换器42等对信号电荷Sin进行C/V转换，所述切换电路5、倍增D/A转换器42等初始通常设置用于A/D转换。此外，通过使用电容器CF作为第一积分电容器和第二积分电容器，第一实施例的电容器CG和开关S2、S3、S15和S16无需设置。与根据第一实施例相比，根据第五实施例的循环A/D转换器41因此降低了电路尺寸并且进一步降低了IC芯片尺寸。

（其它实施例）

第一至第四实施例可以变型成如下不同的实施例。

尽管通过两次（即，循环一次）传送至倍增转换器6、33来放大转换电压，但是可以在传送一次或者在传送三次或更多次（即，循环两次或更多次）之后进行A/D转换。通过适当地设置传送（循环）次数，循环A/D转换器被配置成具有可编程可变增益放大器的功能。在放大操作期间，每次待放大信号传送通过时增益可变。在这种情况下，彼此独立地来设置转换电压的放大操作中的增益和随后的A/D转换操作中的增益。放大操作中的增益可以等于或者小于1。例如，在第一实施例的情况下，所有的电容器CF、CS10和CS11在放大操作中设置有相应的电荷。然而，可以仅仅一个或两个电容器CF、CS10和CS11设置有电荷。在电荷的再分配以用于放大操作时，一个或者所有的开关S10和S11可以切换至切换电路5侧。因此，能够实现不同增益的变化。

电容器CF可以配置成具有可变的电容，使得可以彼此独立地设置用于放大操作和随后的A/D转换操作的电容器CF的电容。在第一至第五实施例中，可以设置用于放大操作的偏置电压。也就是说，每次经转换的电压或者经放大电压传送至倍增D/A转换器6或者33，可以将模拟电压的预定值设置成不同值。例如在第一实施例的情况下，在电荷再分配以用于放大操作时，至少一个开关S10和S11可以切换至Vrefp侧。能够可变地确定放大操作的性能，以可变地确定执行放大操作中的循环的次数，并且以便在C/V转换操作和放大操作二者中通过A/D转换电路7、32执行A/D转换操作。基于转换结果，可以通过检查经转换的电压或经放大的电压是否被放大至适于A/D转换的动态范围来终止循环操作。在这种情况下，可以通过存储循环的次数（传送至倍增D/A转换器6、33的次数）以及控制电路8、35中的每次循环的增益来修正A/D转换值。

Claims

1.一种循环A/D转换器，包括：

A/D转换电路；

剩余电压生成电路，其具有运算放大器并且被配置成通过对输入电压和预定模拟电压之间的差分电压进行放大而生成剩余电压，所述输入电压施加至所述A/D转换电路；

输入电路，被配置成选择所述剩余电压生成电路输出的剩余电压或者外部侧输入的输入电压，并且施加所选择的电压至所述A/D转换电路和所述剩余电压生成电路二者；以及

控制电路，被配置成控制所述输入电路和所述剩余电压生成电路，使得在将所述A/D转换电路输出的数字转换值的D/A转换值用作所述剩余电压生成电路的所述预定模拟电压以便使所述剩余电压循环通过所述输入电路、所述A/D转换电路和所述剩余电压生成电路的同时，所述A/D转换电路对所述剩余电压生成电路输出的所述剩余电压进行A/D转换，

其特征在于，还包括：

输入切换电路，被配置成可切换地将外部信号电荷输入至所述剩余电压生成电路的所述运算放大器，

其中所述控制电路被配置成控制所述输入切换电路以将所述外部信号电荷输入至所述剩余电压生成电路，并且在所述A/D转换电路开始对所述剩余电压生成电路输出的转换电压进行所述A/D转换操作之前控制所述剩余电压生成电路以执行用于输出对应于所述外部信号电荷的转换电压的电压转换操作，并且然后，控制所述输入电路以选择用于施加至所述A/D转换电路和所述剩余电压生成电路的所述转换电压。

2.根据权利要求1所述的循环A/D转换器，其中：

剩余电压生成电路还包括电容器阵列电路、第一切换电路、第一积分电容器以及第二积分电容器，所述电容器阵列电路包括至少一个阵列电容器，所述阵列电容器具有作为可连接至公共线的公共侧电极的一端以及作为可连接至多条参考电压线的非公共侧电极的另一端，

所述运算放大器输入所述公共线的电压，

所述第一切换电路设置在所述公共线和所述运算放大器之间的信号路径中，以及

所述第一积分电容器和所述第二积分电容器可连接在所述运算放大器的输入端子和输出端子之间；

所述剩余电压生成电路还包括连接在所述运算放大器的反相输入端和输出端之间的第二切换电路；以及

所述控制电路被配置成：

在初始化所述第一积分电容器之后，在所述运算放大器的所述输入端子和所述输出端子之间连接所述第一积分电容器，

在关断所述第二切换电路的同时，向所述输入端子输入所述外部信号电荷，使得对所述第一积分电容器进行充电使其具有对应于所述外部信号电荷的电荷，

执行所述电压转换操作，从而从所述运算放大器输出对应于所述第一积分电容器的端子电压的所述转换电压，

然后对所述第二积分电容器和所述阵列电容器中选择的一个进行充电使其具有对应于所述转换电压的电荷，

在所述运算放大器的所述输入端子和所述输出端子之间连接所述第二积分电容器，

在导通所述第一切换电路的同时，根据所述A/D转换电路的转换结果来将所述阵列电容器的所述非公共侧电极连接至所述多条参考电压线，使得在所述阵列电容器和所述第二积分电容器之间再分配电荷，以及

然后多次重复以下序列：对所述第二积分电容器和所述阵列电容器中选择的一个进行充电使其具有所述运算放大器输出的所述剩余电压以及再分配所述阵列电容器和所述第二积分电容器的电荷，以便执行用于对所述转换电压进行A/D转换的A/D转换操作。

3.根据权利要求2所述的循环A/D转换器，其中：

所述控制电路被配置成：

在执行所述电压转换操作之后，通过所述输入电路对所述第二积分电容器和具有对应于所述转换电压的电荷的所述阵列电容器中选择的一个进行充电，

在导通所述第一切换电路的同时，将所述阵列电容器的所述非公共侧电极连接至所述多条参考电压线，使得在所述阵列电容器和所述第二积分电容器之间再分配电荷，

然后通过重复对所述第二积分电容器和所述阵列电容器中选择的一个进行充电使其具有所述运算放大器输出的电压以及随后的电荷的再分配，来执行放大操作，从而放大所述转换电压，

然后通过所述输入电路对所述第二积分电容器和具有对应于所述放大电压的电荷的所述阵列电容器中选择的一个进行充电，

在导通所述第一切换电路的同时，将所述阵列电容器的所述非公共侧电极连接至所述多条参考电压线，使得在所述阵列电容器和所述第二积分电容器之间再分配电荷，以及

然后多次重复以下序列：对所述第二积分电容器和所述阵列电容器中选择的一个进行充电使其具有所述运算放大器输出的所述剩余电压以及再分配所述第二积分电容器和所述阵列电容器的电荷，以便执行用于对所述放大电压进行A/D转换的A/D转换操作。

4.根据权利要求2或者3所述的循环A/D转换器，其中：

所述第一积分电容器和所述第二积分电容器由单个电容器形成。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的循环A/D转换器，其中：

所述A/D转换电路、所述剩余电压生成电路、所述输入电路以及输入切换电路都被配置成以差分的方式进行操作。