TW445726B - Analog-to-digital converter for generating a digital N-bit gray code - Google Patents

Description

d4 57 26 A7 B7 五、發明説明（i ) ' 本發明是關於用於將類比信號轉換成N位元輸出信號的 類比到數位轉換器，N是大於零的整數，包括： -用於接受類比輸入信號的輸入端點； -數個電阻的串聯裝置，該電阻在2Ν·1個段點彼此連接， 以升冪順序由1至2Ν-1編號，以供應2Ν-1個不同的參考電 壓，該電壓是來自連接到此串聯裝置的電壓源。 -複數的2Ν-1微分對，以升冪由1至2Ν-1編號，每一微分 對包括一共同端點，一個有嚴一主要電極連接至共同端點 的第一電阻，第二主要電極，及一耦合至輸入端點的控制 電極，一個有第一主要電極連接至該共同端點的第二電阻 ’第二主要電極，及一耦合至有相同順序號碼作爲相關微 分對的段點的控制電極； -耦合到一些微分對的該共同端點的複數電流源； -複數的閂’每一個皆有一第一閂輪入端點以及第二閂輸 入端點耦合到微分對的第一及第二電阻的該第二主要電極 〇 ' .! 此一類比到數位轉換器（ADC)同樣也被視爲—全並聯快 時轉換器並且是從inter alia，國際電機與電子工程師固態 電.路期刊，第23册，第6期，1988年12月，第1334到 1344頁’由VandePlassche及其他所著，”8位元100 MHz全Nyquist類比到數位轉換器"，第1 3 36頁，圖！。此 種類比到數位轉換器的該電路圖於圖1中顯示。此圖是有 關一3位元類比到數位轉換.器，例如，ν = 3。透過2Ν_ 1 = 7 差動放大器Di (i=1..2N-l)，該輸入信號vin被拿來與2ν_ _______-4- 張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐）~---- (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝. 訂 經濟部中央標準扃員工消費合作社印製 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 44 572b A7 -----*______ B7 五、發明説明（2 ) ~ " " 1=7的參考電壓做比較，該參考電壓是出現於相符的段點 數數目Nf的參考梯形RL。每一個差動放大器Di包含二個 被安排當做微分對的電晶體τ〖，τ 2。每一個微分對D及 耦π到迅流源CSi，其電流被分在該二電晶體之間依賴 該輸入電壓νίη之間的電壓差異以及在相關段點Νί的參考. 電壓。透過2Ν-1 = 7問從差動放大器化來的該個別差異信 號被轉換爲顯示輸入電壓Vin是大於或小於在參考梯形的 相關參考電壓的輸出信號VU。當輸入信號vin增加該信號 VLi根據像溫度計的碼而改變，該碼透過一碼轉換器 CCNV以及三個額外的閂La，“及、而連續地轉換成所 要的N位；τ：數位輸出信號ν。"。原則上，該N位元輸出信 號的該碼是任意的，但—經常被使用的碼是格雷碼，導致 一次僅一位元變動的該^^位元輪出電壓v。^變動的輸入電 壓Vin最小的變動^在此已知的全平行快閃類比到數位轉 換器中，菽電流源CSi的數目以及閂Li的數目是等於參考 梯形段點1^的數目。當位元的數目增加時，該零.件的數目 以及琢所導致的晶片區域以及電流消耗大幅增加。〗射时 alia在所提及的文章中提議一種堆疊的以及插補的結構， 透·過此結構，閂的數目可大幅減少。然而，電流源的數目 維持相同並且碼轉換器仍爲必須，以將溫度計碼轉換爲格 雷碼。 本發明的目標是提供一簡化的類比到數位轉換器，.以將 類比輸入信號轉換爲格雷碼式的數位信號。 ’ 爲達成此一目標，根據本發明，在開頭所定義的該類型 5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公餐） <請先閔«-背面之注意事項再填寫本頁〕

經濟部t央祿毕局員工消費合作，社印| 4 4 57 2 6 Α7 ----- Β7 五、發明説明（3 ) ~ 類比到數位轉換器的特徵在於 -該複數的2N-1微分對被分爲一群有G個數0 & N组，^是 一個從N到N的整數，有(3個群組數目的該群包括^^個 微分對； -群组數目爲1的該群第二電晶體的該控制電極被連接 到2N-1段點的中央段點，而讓剩餘段點的剩餘群组在中央 段點的任一端； -群组數目爲G = 2到N的該氣第二電晶體的該控制電極被 連接到前面G-1群組所剩下的剩餘段點的剩餘群组的不同 中央段點； •對每一群組： 在相關群组中有最低順序號碼的差動放大器的共同端 點被辖合到該複數電流源的相關電流源； 在相關群組中有較高順序號碼的差動放大器的共同端 點被核合到在相關群组中有第二低順序號碼的差動放大 器的第一電晶體的第二主要電極； 在相關群組中有最高順序號碼的該差動放大器的第一 >電晶體的第二主要電極被耦合到該複數閂的相關閂的第 —閂輸入端點，並且； 在相關群組内的該差動放太器的第二電晶—體的第二主 要電極，根據降冪順序號碼，被替代地耦合到該第二閂 輸入端點以及該相關閂的第一問輸入端點， -有閂輸出端點的該相關閂，該^點供給一個會對相開閂 的第一閂輸入端點及第二閂輸入端點之間的差異信號起反 6- J. ί 裝— - _ I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 訂 44 57 五、發明説明（4 經濟部中央榇準局貞工消費合作社印製 應的N位元數位輸出信號的相關位元。 根據Ν本發明乂之該數位到類比轉換器包括Ν個電流源，而 广該所要的格雷碼在⑽出處是直 接可侍，以便不再需要碼轉換器招 1呀狹益。根據本發明之該數位到 類比轉換器因而需要較少的零件 』令什和較小的電流消耗以及較 小的晶片區域。閃數目較少同樣也減少了雜訊位準。 本發明的這些及其它觀點將會被敘述且參考附圖來説明 ，其中 圖1顯π —先前技術的3位元格雷碼類比到數位轉換器 » 圖2顯示根據本發明之3位元格雷碼類比到數位轉換器 :並且 圖3是3位元格雷碼類比到數位轉換器的數位信號表。 圖1顯示一已知的3位元格雷碼類比到數位轉換器（ADC) 。此圖是有一3位元類比到數位轉換器，例如N= 3。透過 2 -1 = 7的差動放大器D i (i = i · 2N-i ),在輸入端點IT的 輸入信號Vin被拿來與出現在參考梯形rl的段點Ni的符合 髮目的2N-1 = 7參考電壓做比較，在此梯形中段點已從參 考.梯形R L的一端RTi開始連續地數目化。該參考梯形r l 包括一個在段點N〖處電阻彼此連接的串聯裝置—。一主參考 電壓被應用到串聯裝置的尺^和rt2端並且被參考梯形區 分爲幾階。每一個微分對D ;包括兩個做·爲微分對的PMOS 電晶體T I，T 2 ^每一個微分對&的第一電晶體T i的控制 電極或閘被連接到輸入端點IT以接收輸入信號Vit^微分 -7. 本··氏張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（2丨0X297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 .1 訂 〇 |亭 4457 26 Α7 Β7 經濟部中央棒準局員工消費合作杜印製 五、發明説明（5 ) 對Di的第二電晶體丁2的閘被連接到—個有相同順序號碼i 的段點N i ’，以便在漸進地降低輸入電壓的情況下差動放大 器D i中有順序號碼漸增的個別電晶體T :被開啓^在各自 的共同端點CNi中每一個微分對0;的電晶體^和！^的該第 —主要電壓或來源是共同的，該第一端點或閘被耦合到一 各別的電流源CSi，以接收一被區分在獨立在輸入電壓和 相關段點NW參考電壓間的電壓差異之上的相關微分對 D i的兩個電晶體τ i和T 2的電一沭。每一個差動放大器〇〖的第 一電晶體T 1的第二主要電極或没極極被連接到相關閂L i的 第一輸入端點Lh，該閂也有一第二閂輸入端點U2連接到 相關差動放大器D〖的第二電晶體T 2的汲極》問L i被定時 信號產生器CLK定時並且對相關差動放大器Di的差異電流 起反應。然而’對電壓起反應的閂同樣也可藉由在閂的輸 入端點間裝上電阻以及適合的供應電塾來達成。透過2n_ 1 = 7閃’從差動放大器Di來個別差異信號被轉換成輸出信 號VLj ’該信號顯示輸入電壓vin是大於或小於在參考梯形 的相關參考電壓。當輸入信號Vin逐漸增加時，信號vm根 據像溫度計般的碼而改變，該碼透過碼轉換器CCNV以及 二個額外的閂L A，L B，L c連續地轉換成所要的3位元數 位輸出信號Vout。原則上，n侔元輸出信號的該碼是任意 地，但常被使用的碼是格雷碼，根據此碼該3位元輸出信 號v。^一次僅變動一位元，輸入電壓Vin每一次最小的變 動均導致該輸出信號Vout變動。圖3將VLi的溫度計碼及 V0lU的格雷碼提供給Vin的連續値，該値爲了簡化起見以〇 __.___ - 8 - 本紙張尺度適用中國國家標孪（CNS ) A4規格（270^297公楚） (請先閔讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印掣 4457 26 Α7 Β7 五、發明説明（6 ) 到7的數値表示。 在此已知的全平行快閃類比到數位轉換器中，電流源 CSj的數目和閂1^的數目是等於參考梯形的段點&數目。 圖2顯示根據本發明之全平行格雷碼類比到數位轉換器。 這仍是3位元版本PMOS的電晶體。透過2N-1 = 7的差動放 大器Di (i = 1..2N-l)，在輸入端點IT的該輸入信號vin被 拿來與出現在參考梯形RL的相符段點Ni數目的2N-1 =7參 考電壓做比較，在此，段點是從參考梯形RL的一端尺^開 始被連續地數目化。以圖1的同樣方法，該參考梯形RL包 括一電阻在段點Ν;彼此連接的串聯裝置。在串聯裝置的 一知和RT"2施加一正參考電壓並且該正參考電壓被參 考梯形RL分段。每一個差動放大器〇】包括兩個PMCjS電晶 體h，Τ'2作爲微分對。每一個微分對D ;的第—電晶體τ ^的 該控制電極或閘被連接到輸入端點〗τ以接收輸入信號 Vin »微分對D ;的第二電晶體h的閘被連接到有相同順序 號碼的段點N i ’以便在輸入電壓漸減的情況下，差動放大 I· 器D〖有漸增順序號碼的數目漸增的個別電晶體τ 1被開啓。 發差動放大器被區分爲Ν = 3，群组號碼爲g=1，2和3的 群.組'每一個组包括2G-1的微分對。組1包括—個微分對 ’例如’ D 4 ’組2包括兩個微分對，例如，亡2扣D 6，且 組3包括四個微分對’例如，〇1，d3, D5和D7。在延長 到4個位元的情沉下，例如，若N = 4，該第四個组將包括 8個微分對。 具有最低組號碼1的组的第二電晶體L的閘被連接到參 —--------- _ 9 _ 1^1· ! I ^^1 _ -- I - - l·· !·ν^^ - I • : (請先閱^-背面之注意事項再填寫本頁〕 -訂· 4457 26 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（ 考梯形的中央段點N4。既然該微分對的順序號碼等於段 點的順序號碼，這即成爲微分對D 4。剩餘段點的剩餘的 兩個组，例如，尚未使用到的段點，被留在段點d4的任 —侧。這些剩餘群組的每.一個也有一中央點，如，段點 N 2和段點。這些段點被連接組2的兩個差動放大器的第 二電晶體Τ2的閘，例如，順序號碼爲2和6的差動放大器 。未使用段點的剩餘群组再次仍維持在段點Ν2* Ν6的任 一侧，例如，：^和仏在仏的_任一侧而Ν5和N7SN6的任一 侧。這些剩餘群组包括只有一個段點。這四個段點被連接 到組3的四個差動放大器的第二電晶體Τ2的閘，例如，順 序號碼爲1 ’ 3，5和7的差動放大器。對Ν = 4而言，有四 組G = 1，2，3和4分別爲1，2，4和8個微分對，對這些 微分對而言，第二電晶體的問需連接到！ 5段點a 1組 的閘然後連接到段點N S，G = 2组的閘連接到段點N4* Nu ;σ = 3組的閘連接到段點n2，N6，N10和N14 ;並G=4組 的閘連接到段點 N!，N3，N5，N7，N9，Nu，N13，和 N15 ΰ ’ *每一組有一電流源，例如一组i是電流源CSi，組2是電 流源CSZ而组3是電流源CS3。結果，在圖1中只有N = 3電 流源而非2N-1 = 7電流源。每，個電流源被連接到在相關 群組中帶有最小順序號碼的微分對的共同端點C N，例如 電流源CSi被連接到组1微分對d4的共同端點CN4 ;電流源 CS2被連接到組2微分對D2的共同端點CN2 ;並且電流源 CS3被連接到組3微分對D!的共同端點CNi。在有一個差動 -10- 良紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

/1 4 57 26 A7 B7 五、發明説明（8 放大器以上的每一組中，該差動放大器是以在此群組中有 較高順序號碼i的差動放大器Di的共同端點（::凡被耦合到 在相關群組中有次低順序號碼的差動放大器的該第—電晶 體的汲極。因此，在组2中該矣同端點CN0被連接到組2的 差動放大器的第一電晶體"^的汲極。在組3中該共同端 點CN7被連接到差動放大器Ds的第—電晶體Τι的汲極，共 同端點CNS被連接到差動放大器A的第一電晶體Τι的没極 ，並且共同端點CN3被連接齓差動放大器Di的第一電晶體 T i的汲極^ 每一組包括一個閘，例如組1的閘L i，组2的閘L 2以及 叙3的閘L· 3。這意味著只有n = 3個閘而非圖1中的2

N 請 先 聞 背 1¾ 之 注 事 項 再 裝 頁 經濟部中央標準局貞工消f合作社印製 =7 每一個閘有一第一閘輸入端點Lh，一第二胡輸入 端點L12以及一閘輸出端點l 〇，該閘供應一位元格雷碼輸 出信號Vout ®該閘被以類似於圖1所示的方式定時。 在一群组中有最高順序號碼的差動放大器的第一電晶體 T j的汲極被耦合到屬於該組的閂的第一閂輸入端點l I j。 結果，组1的差動放大器D 4的第一電晶體T 1的汲極被連接 封閂的第一閂輸入Lh ;組2的差動放大器D6的第一電 晶體T〗的汲極被連接到閂l 2的第一閂輸入LI i ;並且组3 的差動放大器D7的第一電晶體.T i的汲極被連接到問1^3的 第一閂輸入LIL。在一群组中有降冪順序號碼的微分對的 第二電晶體T 2的汲極替代性地被耦合到屬於該组的閂的 第二閂輸入端點L12以及第一閂輸入端點L I!。此意味组1 的差動放大器D4的第二電晶體T2的汲極被耦合到閂1^的 個閘 -11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4現格（210X297公釐） 訂 445726 A7 B7 五、發明説明（9 ) 經濟部中央標车局員工消費合作社印製 第二閂輸入端點L12。組2的差動放大器D 6的第二電晶體 T 2的汲極被耦合到閂L 2的第二閂輸入端點L12，並且組2 的微分對D2的第二電晶體丁2的汲極被耦合到閃l2的第一 閂輸入端點LI i。在組3中，差動放大器D 7和D 3的第二電 晶體T 2的汲極被耦合到閂L 3的第二閂輸入端點l 12，並且 微分對D5*Dt的第二電晶體Τ'2的汲極被耦合到閂l3的第 一閂輸入端點L I i。 閂Lr乙2和L3在其輸出L£)_直接產生一格雷碼的3位元 數位信號。結果，與圖1中已知的類比到數位轉換器成對 比的，不需要碼轉換器。此外，需要少數的電流源（23;和 少數的閂L i，此導致在電流消耗及晶片區域實質地減少。 由於閂的數目較少所導致的雜訊位準也較少，在一片晶片 ，或一模組或一塊印刷電路板上組合類比功能的情況下是 較佳的。 本發明已敘述對N = 3位元的情況，但觀察到3位元版本 的指示時，延伸到較多位元是可能的。該p型金屬氧化物 半導體可能被N型金屬氧化物半導體所取代。但不排除眞 宜管或二極電晶體的使用。在二極電晶體的情況下，第— 主要電極’第二主要電極和控制電極分別對應到射椏，集 極和基極。 12- &紙張尺度適用中_家標準（CNS〉A4祕（2獻297公楚 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) r:裝. -訂 線

Claims (1)

1. 4457 2 六'申請專利範圍 A8 B8 C8

   1. 一種將類比輸入信妹 • 就（V in)轉換4 ~ Ν位元數位輸出信號 (V0ut)的類比到數位轉換器，其中N是—大於㈣整數， 該轉換器包括： 用於接受類比輸入信號的輸入端點（IT); 數個电阻的事聯裝置（RL)，該等電阻在2U段點（Ni) 彼此連接，以升冪順序由1至#_1編號，以供應”一個不 同的參數電壓，該電壓是來自連接到此串聯裝置的電壓 源； — 2N-1個微分對（Di)，以升冪順序由1至2、〗编號，每— 微分對（D〇包括一共同端點（CNi)，一個有連接至共同端 點（CND足第一主要電極的第一電阻（Τι)，第二主要電極 ，及一耦合至輸入端點（1丁）的控制電極，—個有連接至 該共同端點（CNO之第一主要電極的第二電阻（Tj，第二 主要电極，及一耦合至有相同順序號碼作爲相關微分對 (D i)的段點（N 〇的控制電極； 耦合到一些微分對⑷i)之亨共同端點（CNi)的複數電流 源（CSi); 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 複數個問（L i)，每一個皆有一第一閃稀入端點（L j 1)以 -及第二閂輸入端點（LIZ)，耦合到該微分對（Di)的第一 (Τι)及弟一（Τ 2)電阻的該第二主要電極， 其特徵在於 該等2Ν-1個微分對（D i)被—分爲一群有G個數目的Ν組 ，0是一個從Ν到Ν的整數，有G個群组數目的該群包 括2G-1個微分對； -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公竣） 4Λ57 26 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 群組數目爲G == 1的該群第二電晶體（τ 2)的該控制電極 被連接到2N-1段點（Ν〇的中央段點（N4)，而讓剩餘段 點的剩餘群組在中央段點（N 4)的任一端； 群組數目爲G = 2到N的該群第二電晶體（T2)的該控制 電極被連接到前面G -1群组所剩下的剩餘段點的.剩餘群 組的不同中央段释r 乂 對每一群組而言： 在相關群组中有最低順-序號碼的差動放大器（Di)的共 同端點（CNO被耦合到該複數電流源的相關電流源（CS t ，CS2，CS3) ; 在相關群組中有較高順序號碼的差動放大器的共同端 點（CNO被耦合到在相關群组中有第二低順序號碼的差 動放大器的第一電晶體（T 〇的第二主要電極、； 在相關群组中有最高順序號碼的該差動放大器的第一 電晶體（T i)的第二主要電極被耦合到該複數閂的相關閂 (L 1，L 2，L 3)的第一閂輸今端點（LI i)，並且，； 在相關群组内的該差動放大器的第二電晶體（T 2)的第 二主要電極，根據降冪順序號碼，被替代地耦合到該第 二閂輸入端點（L12)以及該相關閂（L !，L 2，L 3)的第一 閂輸入端點（LIQ ; - 有閂輸出端點（L 0 )的該相關閂，該端點供给一個會 對相關閂的第一閂輸入端f (LI 〇及第二閂輸入端點 (LI2)之間的差異信號起反應的N位元數位輸出信號 (V〇ut)的相關位元β -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 請 先 閲 1¾ 之 注 項 I i 'I叙 頁I 訂 線、.