CN102832937B - 模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模数转换器。公开了一种电流输入模数转换器和对应的电流测量电路。根据本发明的一个示例，模数转换电路包括用于存储数字寄存器值的寄存器以及被配置成在电路节点处提供根据数字寄存器值设置的参考电流的数模转换器。输入节点的电位响应所设置的参考电流。比较器电路被配置成将电路节点的电位与至少一个阈值进行比较，从而评估该电路节点的电位是否至少近似为期望值。控制电路响应比较器电路，并且被配置成调整在寄存器中存储的数字寄存器值并且调整参考电流，直到比较器指示电路节点的电位不偏离期望值。

Description

模数转换器

技术领域

本公开涉及例如用于产生表示搜寻的电流值的数字测量值的电流测量应用中的模数转换器。

背景技术

许多不同类型的模数转换器（ADC）是已知的，诸如直接转换ADC、逐次逼近ADC、跃升比较ADC（例如，单斜率ADC）、积分ADC（例如，双斜率ADC），在此仅举几个例子。然而，所有的常见ADC被设计成将模拟电压值转换成对应的数字值。当电流值待被数字化时，将其值被搜寻的电流供应给具有明确定义电阻的电阻器，导致电阻器两端的相应电压降等于所搜寻的电流和电阻的积。然后，由ADC将电压降数字化。上述电流测量方法的一个结果是，电阻器的电阻值被引入到测量结果中。因此，当实际电阻偏离其期望的标称值（情况总是如此，因为电阻值受不可避免的制造公差的影响）时，系统性误差被引入到测量结果中。

因此，存在对于被设计成转换电流值并且提供数字测量值的改进的模数转换器的一般需求。

发明内容

公开了一种电流输入模数转换器和对应的电流测量电路。根据本发明的一个示例，模数转换电路包括用于存储数字寄存器值的寄存器以及被配置成在电路节点处提供根据数字寄存器值设置的参考电流的数模转换器。输入节点的电位响应（responsiveto）所设置的参考电流。比较器电路被配置成将电路节点的电位与至少一个阈值进行比较，从而评估该电路节点的电位是否至少近似为期望值。控制电路响应比较器电路，并且被配置成调整在寄存器中存储的数字寄存器值并且调整参考电流，直到比较器指示电路节点的电位不偏离期望值。

此外，公开了一种半导体芯片。该芯片被集成在第一芯片封装中，并且包括至少一个外部引脚用于接收由感测晶体管提供的电流域中的电流测量信号。感测晶体管被耦合至对应的负载晶体管，并且两个晶体管被集成在单独的第二芯片封装中，第二芯片封装经由第二芯片封装的外部引脚而提供电流域中的测量信号。半导体芯片包括被配置成接收电流测量信号并且提供其数字表示的电路。

附图说明

参考下文的附图和描述，能够更好地理解本发明。在附图中的组件不一定是按比例绘制的，相反，重点在于说明本发明的原理。而且，在附图中，相同的附图标记指代对应的部分。在附图中：

图1是示出了根据本发明第一示例的ADC电路的框图；

图2是示出了根据本发明第二示例的ADC电路的框图；

图3是示出了根据本发明一个示例的电流测量电路的框图；以及

图4是示出了根据本发明另一示例的电流测量电路的框图。

具体实施方式

图1是能够将待测量的输入电流（还被表示为测量电流i_M）转换成表示实际测量电流值的数字值x_OUT（即，n位二进制字）的模数转换电路的框图。在图1的示例中，理想的电源Q象征提供测量电流i_M的（真实）源。

该电路包括电流输出数模转换器DAC，其提供（或汇集（sink））电路节点IN，作为数字寄存器值x_COUNT的模拟表示的参考电流i_DAC。在电路节点IN存在的电位正在浮动并且可以初始化成适当的（例如，静态）值（在图1中未示出初始化）。当电流输出数模转换器DAC被激活并且当其输出电流i_DAC精确等于测量电流i_M时，随后数模转换器DAC的激活无任何作用，并且电路节点IN的电位保持（近似）为其初始值。然而，当数模转换器DAC的输出电流i_DAC被设置得过低，于是电路节点IN的电位将升至上饱和电平。反之，当数模转换器DAC的输出电流i_DAC被设置得过高，于是电路节点IN的电位将降至下饱和电平。即，监控电路节点IN的电位考虑到评估数模转换器DAC的输出电流i_DAC是否被“正确地”设置。

比较器电路被配置成将电路节点IN的输入电位与一个或多个预定义阈值电平相比较并且用信号通知数模转换器DAC的输出电流i_DAC是否被正确地设置。此外，比较器可以指示数模转换器DAC的输出电流i_DAC是被设置得太高还是太低。

为了该目的，比较器电路可以包括具有输入的比较器K₁，该输入经由（可选的）耦合电容器C_CMP被电容性地耦合到输入电路节点IN。如上文所提及的，节点IN处的电位以及直接在比较器的输入处的电位可以被初始化为适当值（例如，为比较器K₁输入级的静点）。使用适当地配置的半导体开关（未示出）可以进行该初始化。比较器K₁可以表现出（窄）滞后，以便避免来回切换（toggling）。

应该注意的是，供应给电路节点IN的测量电流i_M和数模转换器DAC漏极所排放的电流i_DAC总是相同，从而“残余电流”i_D=i_M-i_DAC总是为零（或者至少接近零），这是因为比较器K₁具有高电阻输入。

耦合电容器允许将比较器K₁从电路节点INDC去耦。如果比较器K₁未被触发，那么电流i_M（通过数模转换器DAC使之等于i_DAC）处于其正确电平，并且数字寄存器值x_COUNT（其代表参考电流i_DAC），可以被认为是数字测量结果。因此，当数模转换器DAC正确地设置电流i_M时，数字输出字x_OUT被设置成寄存器值x_COUNT的电流值。

图1的模数转换电路还包括用于存储数字寄存器值X_COUNT的寄存器R和响应比较电路的输出的控制电路CTRL。在图1的示例中，将控制电路CTRL和寄存器R共同地描述为逐次逼近寄存器SAR。然而，也可以使用其他类型的寄存器。逐次逼近寄存器SAR被配置成，只要比较器电路指示（例如，经由比较器输出信号CMP）DAC输出电流i_DAC的不正确设置，就改变寄存器的内容（即，数字寄存器值x_COUNT），从而改变参考电流i_DAC。此外，逐次逼近寄存器SAR被配置成，当比较器电路指示匹配，即DAC输出电流i_DAC的正确设置时，将数字寄存器值作为数字输出字x_OUT提供。

寄存器值x_COUNT的上述变化在本发明的不同示例中可以不同。例如，在电容器C_CMP的初始化（例如放电或充电至预定义电平）之后可以将寄存器值x_COUNT初始化为零。随后，值x_COUNT可以以1为步长增加，只要比较器电路指示非匹配。当比较器指示匹配时，寄存器值x_COUNT被转发到SAR输出，在那里其被作为输出字x_OUT提供以用于进一步数字数据处理。然后，通过将寄存器值X_COUNT和耦合电容C_CMP重新初始化，下一模数转换循环可以重新开始。为了简洁明了，未示出用于初始化电容器C_CMP所需要的开关。

图2示出了与图1的示例非常相似的模数转换电路。图2的示例与图1的示例不同仅在于测量电流i_M经由共源共栅晶体管的负载路径被提供到输入电路节点IN，例如，经由场效应晶体管T_C的漏源路径。当由相对于模数转换电路中存在的电位以高电压操作的电路提供测量电流i_M时，这一点尤其有用。经由共源共栅晶体管T_C将测量电流i_M供应给输入电路节点IN允许使用除了接管高电压降的共源共栅晶体管T_C之外的模数转换电路中的低电压设备。可以以恒定偏置电压V_C来将共源共栅晶体管的控制电极（例如，基极）偏置。

图3示出了其中有益地采用根据图2的示例的模数转换电路的电流测量电路。该电流测量电路利用所谓的感测晶体管装置，感测晶体管装置通常用于测量流过功率晶体管的高电流（参见，例如公开美国专利号5,023,693）。

感测晶体管装置能够用于测量功率晶体管T_P的负载电流i_L，功率晶体管T_P通常（但不是必要地）是高边（highside）开关，该高边开关使得其漏极端子（或者在双极晶体管的情况下的集电极端子）耦合到上电源电位V_DD（例如汽车应用中的电池电压）而其源极端子（或者双极晶体管的情况下的发射极端子）耦合到负载（在本示例中通过负载电阻器R_L表示）。感测晶体管T_S与功率晶体管T_P类型相同，并且这两个晶体管T_P、T_S基本上并联连接，即这两个晶体管T_P、T_S基本上供应有相同栅极电位和相同漏极电位。因此，当它们源极电位基本相同时，这两个晶体管在相同静点操作。后者能够通过各种措施来确保。感测晶体管具有较小有源区（activearea），从而感测晶体管T_S的负载电流（为测量电流i_M）是功率晶体管T_P的负载电流的一小部分（例如，千分之一）。实践中，功率晶体管T_P由并联耦合的多个晶体管单元形成，其中一个或多个被用于形成具有单独源极（或发射极）端子的感测晶体管。如上所述，当两个晶体管T_P、T_L的源极端子具有相同电位时，测量电流i_M与负载电流i_L成比例。

在图3的示例中，共源共栅晶体管连接在数模转换器DAC的电流输出和电路节点IN之间，电路节点IN经由电容器C_CMP和（除了图2的示例）经由开关SW₂耦合到比较器。此外，经由另一开关SW₁和电容器C_CMP，能够将功率晶体管T_P的负载和源极端子之间的电路节点（表示为电路节点IN'）电容性地耦合到比较器K₁，以使得功率晶体管T_P的源极端子（闭合开关SW₁）或者感测晶体管的源极端子（闭合开关SW₂）被连接到比较器电路。开关SW₃允许将比较器输入的电位初始化为定义值。在本示例中，通过闭合开关SW₁和SW₃来初始化电容器。开关SW₃将比较器K₁短路，这使得比较器的输入处的电位为比较器的输入级的静点。然而，其他初始化方法可以是可应用的。

为了采样测量电流i_M的电流值，比较器K₁首先（经由电容器C_CMP）连接到电路节点IN’，即开关SW₁和SW₃被闭合而开关SW₂被打开。因此，电容器充电直至由功率晶体管T_P的源极电压所确定的电容器电压。在电容器C_CMP已经达到稳定状态之后，（经由电容器C_CMP）将比较器K₁连接到输入电路节点IN（开关SW₁和SW₃打开，开关SW₂闭合）。在两个晶体管T_S和T_P的源极电位相同的情况下，当将开关SW₂接通并且将开关SW₁和SW₃断开时，电容器C_CMP的电荷将不变，这指示测量电流i_M恰好与负载电流i_L成比例。在这种情况下，DAC的输出电流被正确地设置。在两个源极电位之间不匹配的情况下，当开关SW₂接通并且开关SW₂和SW₃断开时，比较器输入处的电压将变化。将由将触发逐次寄存器SAR以改变数字寄存器值x_COUNT的比较器K₁来检测这种变化，以便适配数模转换器DAC的输出电流，从而电流i_M以关于图1已描述的方式通过感测晶体管T_S。随后，该循环重新开始于闭合开关SW₁和SW₃并且打开开关SW₂、将电容器C_CMP充电、打开开关SW₁和SW₃并且闭合开关SW₂、以及检测比较器的输入电压是否变化。将此进行直至发现电流i_M，以使得晶体管T_P和T_S的源极电位相等。在该匹配状态下，数字寄存器值表示与负载电流i_L成比例的测量电流i_M。

在图4中示出了与图3中示出的相似示例。图4的示例提供了能够将负载晶体管T_L和感测晶体管T_S以及共源共栅晶体管T_C（如果存在）集成在单独芯片中的优点。结果，在任意称谓的“智能开关”处，能够执行被认为是表示负载电流i_L的感测电流i_M的测量，“智能开关”是在外部芯片端子处提供感测电流i_M的单独芯片封装中的单独设备。在图4中未示出负载R_L。

如图3的示例中的那样，使用在本示例中实施为多输出电流镜的电流输出DAC来排放测量电流i_M。

由将参考电流i_REF提供到电流镜的输入晶体管T₀的参考电流源Q_REF形成电流镜，输入晶体管T₀被耦合到输出晶体管T₁、T₂、T₃、T₄等。在该电流中，针对4位离散输出电流示出了仅四个输出晶体管。针对更高的分辨率需要更多的电流镜输出晶体管。输出晶体管T_n（n=1,2,3,4,...）被设计为使得它们提供参考电流i_REF的2^n-1倍。即，晶体管T₁理想地提供漏极电流i_REF、晶体管T₂提供漏极电流2i_REF、晶体管T₃提供漏极电流4i_REF、晶体管T₄提供漏极电流8i_REF、诸如此类。可控开关SW_n(n=1,2,3,4,...)用于将各个输出晶体管T_n(n=1,2,3,4,...)切换到其中晶体管电流重叠的DAC输出电路节点IN。这些开关可以是半导体开关，所述半导体开关根据寄存器SAR所提供的n位字x_COUNT的位表示的二进制信号被接通或断开，如图3的示例中的那样。例如，如果x_COUNT等于1001，则输出晶体管T₄和T₁的负载电流为总DAC输出电流作贡献，从而DAC的输出电流是9·i_REF。应该注意的是，将DAC电流视为输出电流（因为它由DAC所设置），虽然该电流实际上由DAC排放。

与图3的示例相反，比较器K₁比较负载晶体管T_L和感测晶体管T_S的源极节点的电位（以查明电位是否匹配），因为感测晶体管的源极节点不能从智能开关芯片封装（智能开关设备10）的外部接近。改为使用比较器K₁比较电流镜输入晶体管T₀的漏极电位和有效的（接通的）电流镜输出晶体管T₁、T₂...的漏极电位。依据该比较，寄存器值X_COUNT被改变（例如，使用逐次逼近），直到漏极电位匹配。当电流镜输入晶体管T₀的漏极电位处于其静点（操作点）时，有效电流镜输出晶体管的漏极电位（其是在DAC电流输出节点处的电位）将仅取当DAC被设置为“正确”输出电流时的相同电位。即，仅当由DAC排放的电流i_M与感测电流在传统感测FET应用中执行的通过电阻器被排放时的一样时，这些晶体管的静点才将匹配。

DAC输出电路节点也是智能开关10的感测输出节点，被表示为电路节点IN。在电流镜输入晶体管T₀的漏极处的参考电路节点被表示为电路节点IN’。使用比较器K₁比较节点IN和IN’的电位，从而该比较器分别经由图4中所示的电容器C_CMP1和C_CMP2被耦合至这些节点。

假定已经通过将开关SW_X、SW_Y和SW_Z闭合达预定义时间间隔，而把将节点IN和IN’与比较器K₁的各个输入耦合的电容器C_CMP1和C_CMP2初始化为定义状态，则电容器C_CMP1被充电至取决于节点IN’处的电位（即，电流镜输入晶体管T₀的漏极电位）的参考电压。当闭合开关SW_A（其连接在电容器C_CMP2和电路节点IN之间）时，电容器C_CMP2被充电至取决于节点IN的电位（即，有效的电流镜输出晶体管T₁、T₂、T₃等的公共漏极电位）的电压。结果，电容器C_CMP1和C_CMP2的电容器电压分别表示电流镜输入晶体管T₀和电流镜输出晶体管T₁的漏极电压。

比较器K₁被配置成比较电容器电压（从而比较节点IN和IN’处的电位），以检查电压是否相等。如果是，电路节点IN和IN’的电位是相等的，电流镜正确地操作，并且测量电流i_M与负载电流i_L成比例。结果，数字字X_COUNT（其确定实际DAC输出电流）也表示负载电流（大致成比例），从而也被作为数字输出值x_OUT提供。如果电压不相等（这一点由比较器输出用信号通知给寄存器SAR），则寄存器值x_COUNT被改变，并且测量循环（始于电容器的初始化）重新开始。这被重复，直到电容器的电压匹配。如果无法实现匹配，则可以用信号通知错误。为了提供上述功能，寄存器SAR可以是逐次逼近寄存器，其从比较器K₁接收输入信号，该输入信号指示由比较器比较的电压是否匹配，或者如果否，电容器C_CMP1的电压是高于还是低于另一电压。

连接至智能开关10的图4的电路能够与数字信号处理器或微控制器一起集成在一个芯片中。这种信号处理器或微控制器芯片将仅需要一个外部引脚，以被连接至包括智能开关的芯片的感测电流输出引脚，以便提供数字电流测量，而不需要外部分流电阻器等。

一般而言，在指定的半导体芯片中，可以执行在电流域中由感测晶体管提供的电流信号的评估。这种芯片被集成在第一芯片封装中，并且包括至少一个外部引脚以用于接收由感测晶体管提供的电流域中的电流测量信号。感测晶体管被耦合至对应的负载晶体管，并且这两个晶体管被集成在单独的第二芯片封装中，第二芯片封装经由第二芯片封装的外部引脚提供电流域中的测量信号。半导体芯片包括被配置成接收电流测量信号并且提供其数字表示的电路。为了提供电流测量信号的数字表示，第二芯片封装可以包括如在图4的示例中所示的电路。然而，用于将电流域中的电流测量信号转换成数字寄存器值的任何其他装置可以是适用的。例如，测量电流可以经由电阻器被排放，并且在电阻器两端所得到的电压降可以被数字化。然而，在电流域中在两个芯片之间交换电流信息。

虽然已经公开了本发明的各种示例性实施例，但对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明精神和范围的条件下，可以做出各种变更和修改，其将实现本发明的某些优势。对于本领域的合理技术人员将显而易见的是，执行相同功能的其他组件可以被适当地替换。应提及的是，参考特定附图解释的特征可以与其他附图的特征结合，即使在那些未明确提及的附图中。而且，通过使用适当处理器指令的所有软件实施方式，或者通过使用硬件逻辑和软件逻辑的组合以实现相同结果的混合实施方式，可以实现本发明的方法。对于发明概念的这些修改旨在由随附的权利要求涵盖。

Claims (17)

1.一种模数转换电路，包括：

寄存器，用于存储数字寄存器值；

数模转换器，被配置成在第一电路节点处提供根据所述数字寄存器值设置的参考电流，第一电路节点的电位响应所设置的参考电流，其中所述第一电路节点被配置为接收输入测量电流；

比较器电路，被配置成将所述第一电路节点的电位与至少一个阈值进行比较，从而评估所述第一电路节点的电位是否至少近似为期望值；

控制电路，响应所述比较器电路并且被配置成调整在所述寄存器中存储的所述数字寄存器值，从而调整所述参考电流，直到所述比较器电路指示所述第一电路节点的电位不偏离所述期望值；以及

耦合至负载晶体管的感测晶体管，所述感测晶体管向所述第一电路节点提供输入测量电流，所述负载晶体管向第二电路节点提供负载电流；

其中，所述期望值取决于所述第二电路节点的电位；以及

其中，所述控制电路被配置成调整在所述寄存器中存储的所述数字寄存器值，从而调整所述参考电流，以使得所述第一电路节点的电位与所述第二电路节点的电位匹配。

2.根据权利要求1所述的模数转换电路，其中，所述比较器电路包括：

比较器，具有比较器输入和比较器输出；以及

电容器，被耦合在所述第一电路节点和所述比较器输入之间。

3.根据权利要求1所述的模数转换电路，进一步包括共源共栅晶体管，具有将所述第一电路节点与所述数模转换器的输出耦合的负载路径。

4.根据权利要求1所述的模数转换电路，其中，所述比较器电路包括：

比较器，具有比较器输入和比较器输出；以及

电容器，被耦合在所述第一电路节点和所述比较器输入之间。

5.根据权利要求4所述的模数转换电路，进一步包括：

第一开关，将所述第二电路节点与所述电容器的第一端耦合；以及

第二开关，将所述第一电路节点与所述电容器的第一端耦合；

其中，所述电容器的第二端与所述比较器输入连接。

6.根据权利要求4所述的模数转换电路，进一步包括第三开关，该开关是可切换的以将在电容器中存储的电荷初始化为取决于所述第二电路节点的电位的值。

7.一种电流测量电路，包括：

具有感测晶体管和负载晶体管的感测晶体管装置，所述感测晶体管向第一电路节点提供输入测量电流，所述负载晶体管向第二电路节点提供负载电流；

寄存器，用于存储数字寄存器值；

数模转换器，被配置成根据所述数字寄存器值将所述第一电路节点处的电流设置为参考电流，并且第一电路节点的电位响应所设置的参考电流，其中所述第一电路节点被配置为接收输入测量电流；

比较器电路，被配置成将所述第一电路节点的电位与至少一个阈值进行比较，从而评估所述第一电路节点的电位是否至少近似等于由所述第二电路节点的电位给出的期望值；以及

控制电路，响应所述比较器电路并且被配置成调整在所述寄存器中存储的所述数字寄存器值，从而调整所述参考电流，直到所述比较器电路指示所述第一电路节点的电位不偏离所述期望值，

其中，所述期望值取决于所述第二电路节点的电位；以及

其中，所述控制电路被配置成调整在所述寄存器中存储的所述数字寄存器值，从而调整所述参考电流，以使得所述第一电路节点的电位与所述第二电路节点的电位匹配。

8.根据权利要求7所述的电流测量电路，进一步包括：

共源共栅晶体管，具有将所述第一电路节点与所述数模转换器的输出耦合的负载路径。

9.根据权利要求7所述的电流测量电路，其中，所述比较器电路进一步包括：

比较器，具有比较器输入和比较器输出，以及

电容器，被耦合在所述第一电路节点和所述比较器输入之间。

10.根据权利要求7所述的电流测量电路，其中，

所述数模转换器包括多个电流镜输出晶体管，所述多个电流镜输出晶体管被耦合以使得所述多个电流镜输出晶体管的各个输出电流在所述第一电路节点处重叠；以及

所述阈值由电流镜输入晶体管的漏极或源极电压表示，所述电流镜输入晶体管接收预定义固定参考电流，所述预定义固定参考电流确定所述电流镜输出晶体管的输出电流。

11.根据权利要求10所述的电流测量电路，其中，每个电流镜输出晶体管的输出电流能根据所述数字寄存器值而接通或断开。

12.一种半导体芯片，被集成在第一芯片封装中并且包括至少一个外部引脚以用于接收由感测晶体管提供的电流域中的电流测量信号，其中，所述感测晶体管被耦合至对应的负载晶体管，所述感测晶体管和所述负载晶体管被集成在单独的第二芯片封装中，所述第二芯片封装经由所述第二芯片封装的外部引脚提供所述电流域中的所述电流测量信号，

其中，所述半导体芯片包括被配置成接收所述电流测量信号并且提供其数字表示的电路。

13.根据权利要求12所述的半导体芯片，其中，所述电路包括提供所述电流测量信号的数字表示的模数转换器。

14.根据权利要求13所述的半导体芯片，其中，所述电路包括将电压提供至所述模数转换器的电流电压转换器，所述电压表示所述电流域中的所述电流测量信号。

15.根据权利要求14所述的半导体芯片，其中，所述电流电压转换器是电阻器。

16.根据权利要求13所述的半导体芯片，其中，所述模数转换器包括：电流输出数模转换器，其被配置成在其输出处排放所述电流测量信号。

17.根据权利要求16所述的半导体芯片，其中，所述电流输出数模转换器接收数字输入值，其中根据所述数字输入值来设置所述电流测量信号。