用于将模拟信号转换成数字形式的方法和仪器的制作方法

专利名称：用于将模拟信号转换成数字形式的方法和仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于将模拟信号转换成数字形式的方法和系统，并特别涉及一种低成本、易制造的模拟-数字转换器。
背景技术：
和概述模块-数字的转换是普遍的。在对数字无线电设备的一种应用中，需要高速率的模拟-数字转换器去将语音和其他有关的信号转换成数字形式。在模拟调频(FM)无线电设备中，无论如何，对模拟-数字转换的要求一般不很严格，(1)因为语音并不被数字化，而且(2)因为被数字化的模拟信号，例如，信号强度的大小，电池电压的大小，功率放大器电流的大小等，并不需要被高速率数字化。事实上，无线电设备微处理器在几毫秒内可能只监测所接收的信号强度、电池电压、功率放大器电流等一次。
要作成这样的速率较慢的用于模拟无线电设备的模拟-数字转换器，可将单个模拟-数字转换器与能从多个待数字化的信号中选出一个的模拟多路复用器连接。例如，八个输入端模拟多路复用器的八个输入端可分配如下(1)基准电压输入(Vcc),(2)测得的被接收信号强度，(3)测得的电池电压，(4)测得的功率放大器电流，(5)被检测的温度，(6)被反射的发送器功率，(7)发送器的压控振荡器(VCO)电压，(8)零基准电压(例如，地线)。多路复用器然后可选择一个输入信号去与一个接地的电容器相连，把电容器充电到所选信号的电压。要将该信号转换成数字值，可用一个与输入电容器相连的更小电容器从输入电容器周期性地卸去电荷的增量。比较器检测出的使输入电容器回到接地电势所需的电荷增量的次数可存入计数器。通过将转换所选电压时得到的计数器输出与应时校准中转换接地电势或基准电压如Vcc时所得计数器输出相比较，就可确定输入模拟信号的数字值。
这样的装置所具有的一个缺点是它需要一个能检测零电压的比较器。普通的、廉价的比较器当输入电压达到零电压基准时，就不能准确地检测，因为在零电压，没有电流通过比较器的放大器。而普通的比较器更容易去与量级在零电压和基准电压(Vcc)中间，即Vcc/2的基准电压相比较。制作零电压检测器的一种途径是构制使用负电源的比较器。然而，在成本和重量是重要因素，在诸如便携的、手持无线电设备的应用中，附加的负电源或附加的电源变换电路是显著的缺点。
当实施上面描述的模拟-数字转换装置时，另一种考虑是利用特殊类型的部件去将小电容器接通或断开与输入电容器的串联。双极型晶体管和二极管开关对温度都很敏感，所以使校准变得很困难。从而不确定的是为响应给定的输入电压电平将产生怎样特殊的数字输出。因此，必将使用连续的校准技术来延缓模拟-数字的转换过程，以及增加复杂性和费用。例如，在每个输入电压被测定之前，可能需要较频繁地测量充电到标准的基准电压或由此电压放电所需的脉冲数，以便通过将选定的输入电压除以总脉冲数再乘以基准电压来校正输入电压。在二进制数据处理系统中完成这样的除法和乘法运算实际上是足够困难的，因这类系统显著地减缓了转换操作。由于多数半导体制造厂使用金属氧化物在硅上(MOS)的工艺制造晶体管，双极型晶体管也是比较贵的。
本发明的一个目的是构造能克服上述问题的模拟-数字转换器。
本发明的一个特定的目的是使用只利用MOS开关的开关装置，从输入电容器上卸去或向输入电容器上添加电荷增量。
本发明的一个目的是提供一种动态比较器，它能有效地比较输入信号与零电压基准，而不需要负电源或电源变换器去有效地完成对该零电压的检测。
本发明的另一个目的是提供一种低成本的模拟-数字转换器，它递增地从输入电容器卸去电荷或向输入电容器增添电荷，而只利用场效应管(FET)开关并利用普通的比较器将输入信号与非零值阈值电压相比较。
这些和其他一些目的的借助于一种模拟-数字转换器被实现，该复用器包含的第一个电容器在第一个端点与输入模拟信号连接足够长的时间以使电容器依照该模拟信号的电流电压大小充电。电子电路将第二个电容器交替地在第一个电容器和电源之间连接，从第一个电容器卸去电荷增量直到第一个电容器放电完毕。与第一个电容器放电相联系的卸去的电荷增量的次数被用来产生相应于模拟信号电流电压的数字值。可使用模拟多路复用器来接收多个模拟信号，并从接收到的模拟信号中选择一个与第一个电容器相连。在第一个电容器被充电到与所选择的模拟信号电流电压大小相匹配的程度后，多路复用器从第一个电容器断开该模拟信号。比较器检测何时第一个电容器两端的电压为零，并且比较器的输出被用来触发相应的数字值的生成。
优选的是，交替将第一个电容器与地再与电源连接的，开关电路包含第一和第二对场效应晶体管(FET)开关。第一对FET开关连接在地和电源之间去使第二个电容器充电。第二对FET开关将第二个电容器连接在电容器的第一个端点和地之间以从第一个电容器卸去电荷增量。
在按照本发明的模拟-数字转换器的另一个实施例中，控制电路连接到输入电容器去存储模拟输入信号。动态检测电路包含一个比较器，它最终向控制电路提供一个零电压电平信号，指明何时输入电容器已放电到零电压电平。然而有重要意义的是，动态检测电路并不使用需要负电源去检测零电压电平的比较器。而代替的是，动态检测电路这样处理存储在输入电容器上的输入信号，以使当输入在普通的比较器中被检测为等于或大于非零值阈值电压时，零电压电平信号被传送到控制电路。
动态检测电路通过抽运电容器(pump capacitor)与控制电路的抽运输出信号(pumping output signal)相连。控制电路利用抽运输出信号使抽运电容器交替地充电和放电，并且在抽运电容器的每个充电/放电循环后使输入电容器释放一电荷增量，直到动态检测电路表明输入电容器全部被放电。输入电容器总的增量充电/放电循环的次数被用来生成对应于输入模拟电压的数字值。
优选的是，动态检测电路包含具有与抽运电容器相连的公共源极的第一个和第二个场效应管(FETs)。第一个FET的栅极接地，而第二个FET的栅极与输入电容器相连。第一个和第二个FET的漏极与电源相连，同时第二个FET的漏极还被连到比较器的一个输入端。当抽运信号处于第一种逻辑状态，电流沿第一个方向从第一个和第二个FET或其中的一个通过共同源极和抽运电容器并由此使该抽运电容器放电。
场效应管最好在“P型阱”半导体器件中形成，这很容易利用常规的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制作。因此，第一个和第二个场效应管的共同源极连结处通过在P型阱和N型衬底接触面处形成的二极管与地相连。当抽运信号处在第二种逻辑状态时，电流沿着与第一个方向相反的第二个方向通过二极管从而使抽运电容器充电。
在本发明的第二种实施例中的动态检测电路能便利地并独立地在一种方法中被使用，去检测何时输入信号达到零电压电平。第一个电容器根据输入信号的电压电平被充电。然后第二个电容器交替地在第一段时间间隔内被充电并在第二段时间间隔内被放电。在第一段时间间隔，存储在第一个电容器上的一部分电荷被放电。在第二段时间间隔，第一个电容器两端的电流、电压被检测并处理。被处理的信号与非零值基准电压相比较。当所考虑的信号等于或大于基准电压的非零值电压时，电表明容器两端电流、电压已达到零电压电平。有利的是，这种零电压检测法不需要供比较器检测零用的负电源。事实上，比较器的阈值可被设置在零电压与电源电压之间的一半处。
按照本发明的另一种优选实施例，模拟-数字转换器包含第一个电容器，它的第一个端点与模拟信号连接一段时间根据模拟信号的电流电压大小去使电容器充电。比较器的一个输入与电容器相连而另一个输入与非零值基准电压相连，以生成(1)第一个信号，当第一个电容器两端的电压大于基准电压时，(2)第二个信号，当第一个电容器两端的电压小于非零值基准电压值，(3)第三个信号，当第一个电容器两端的电压与非零值基准电压相同时。当第一个电容器两端的电压小于非零值基准电压时，电子控制电路向第一个电容器传送电荷的增量，直到电容器两端的电压与非零值基准电压相同时为止。另一方面，当第一个电容器两端的电压大于非零值基准电压时，从第一个电容器卸去电荷增量，直到电容器两端的电压与非零值基准电压相同时为止。电荷的增量或减量的次数被计数以生成对应于模拟信号电流电压大小的数字值。
第二个电容器存储向第一个电容器添加的电荷增量或从第一个电容器卸去的电荷减量。许多MOS FET开关与第二个电容器相连并且在按比较器输出而决定的不同状态间交替开关第二个电容器。因而，本发明的这个实施例提供一种低成本的在半导体衬底上利用金属-氧化物-硅(MOS)技术制成的模拟-数字转换顺，它可与其他的数字MOS电路一起集成在同一块半导体衬底上而不需要检测零电压电平的比较器。
附图简述从以下连同附图一起读到的描述可对本发明的性能和优点得到更清楚的理解，其中

图1(A)和图1(B)是本发明第一个优选实施例的示意图；图2是按照本发明第二个优选实施例的示意图；以及图3是本发明第三个优选实施例的示意图。
发明详述为了对本发明有更透彻的理解，在下列描述中，为了阐明而不是限制的目的，陈述了具体的细节，如特殊的电路、电路构件、技术等。然而，对熟悉本技术领域的人员将是显然的，本发明可在改变这些具体电路细节的其他实施例中实施。在其他情况下，对众所周知的方法论、器件、制作工艺及电路的详细描述被略去，以使不需要的细节不致遮蔽对本发明的描述。
图1(A)以图解的形式说明按照本发明的模拟-数字转换器100的一种优选实施例。模拟多路复用器110在其输入端接收许多由正电势Vcc和以下称为“地”的零伏基准电势两者构成的模拟电压输入，该复用器包含许多凭借来自控制器120的选择信号启动的传输门。依照来自控制器120的选择信号，模拟多路复用器将复用器110的输入信号中的一个连到输入电容器130，该电容器的一端与复用器相连而另一端接地。比较器140包含与地，即零伏，相连的第一输入端和与输入电容器130相连的第二输入端。在这种配置中，比较器140通过利用负电源或采用适当先进技术的常规电路检测零值电压。比较器140的输出连到数字式计数器160并且在电容器130两端被检测为零电压时能有效地产生“停止”(“STOP”)的命令。
第二个电容器220(以下称为“抽运”(“pumping”)电容器)被展示在标明开关电路150的虚线框内。开关电路包含多个开关200,205,210及215(示作结点)，它们成对地接通使输入电容器130通过抽运电空器220与地相连或将抽运电容器连到Vcc。更具体地讲，开关200和215作为第一个开关对接通，而开关205和210作为第二个开关对接通。
当第二个开关对205,210接通使抽运电容器220连到Vcc时，抽运电容器被充电到它的满容量。电容器220的值最好显著低于输入电容器130，因为电荷从输入电容器130的电荷增量转移中可获得较高的分辨率。在一个例子中，为了实现8位的模拟-数字转换器(具有8位分辨率的模拟-数字转换器)，输入电容器的值应当是抽运电容器220的电容器值的256倍。在这个例子里，计数器160至少应是8位计数器。更可取的是，充满了电的输入电容器130在这个例子里应当能在256个放电循环中被放电。
开关对205,210使与开关结点210相连的右极板具有正极性以及与开关结点205相连的左极板具有负极性，将抽运电容器220充电。这种极性的结果是，当输入电容器130通过开关对200,215与电容器220串联时，电容器130(它被充电到相反的极性)根据抽运电容器220上所存储的电荷释放一定量的电荷。
计数器160被连接去接收控制器120可能生成的开始信号和时钟信号。当然，时钟信号能由独立于控制器120的时钟脉冲源生成。计数器160的计数输出端180在这个实施例的例子中是发出开关控制信号的，该信号控制第一和第二个开关对200,215及205,210的接通。当计数器的转变由变到低，一组开关对接通；而当计数器的转变由低到高，另一组开关对接通。一旦计数器停止，它就生成对应于最初存储在输入电容器130上的模拟电压的数字读出。
在运行中，控制器120通过一个选择信号，使模拟多路复用器110的一个传输门将电压输出之一与输入电容器120相连。此后，电压输出被卸去，而控制器120向计数器160发出开始信号。然后计数器清点时钟信号，这些信号在端子180生成振荡的计数器输出控制信号用来有选择地接通开关对200,215及205,210。计数器控制信号的初始逻辑电平接通开关205和210将抽运电容器220连到Vcc。当随着抽运电容器220已经被充电，计数器控制信号换向到相反的逻辑电平时，第一个开关对205,210被释放，而第二个开关对200,215被接通。由于输入电容器130和抽运电容器220的极性相反，电流从输入电容器130经抽运电容器220流入地以使输入电容器释放与原来存储在抽运电容器220两端电荷相当的一定的电荷增量。当计数器的输入变回到初始的逻辑电平时，输入电容器完成一定增量放电，第二对开关200,215被释放，而第一对开关205,210再次被接通使抽运电容器220重新充电。
根据计数器在始终监视自其起动以来所积累的时钟脉冲周期数的情况下发出的控制信号，这种交替的充电/放电循环继续进行。比较器140比较输入电容器130两端的电压。当电容器130基本上放完了电，电容器130两端的电压基本上为零。这种基本上为零的电压被比较器140的第一个输入端点所接收并且与地电势比较。如果电容器130两端的电压基本为零，比较器于是生成“停止”的输出信号去停止计数器160。计数器160然后输出所积累的计数值，该值对应于模拟输入电压的数字值。输入电压越大，输入电容器130两端存储的电荷量也越大，而输入电容器130放电所需的增量数就越大。从而，较大的计数值表示较大幅度的模拟信号。
图1(B)说明一个例子及使用在开关电路150中的开关200,205,210,215的优选实施。具体地讲，每个开关包含一对互补的、栅极绝缘、而漏极和源极分别相连的N型和P型场效应管(FETs)，并被称为“双向转换开关”(“bilateral switch”)。每个FET都有控制FET是否导通电流的栅极控制信号Q或Q。例如，第二对开关200和215在它们各自的N型FET的栅极从计数器160接收到逻辑电平Q的控制信号，而各自P型FET的栅极接收到相反的逻辑状态信号Q。当Q等于高逻辑电平“1”(例如，5伏)，N型FETs导通。同样地，在这同时，相反的逻辑电平“0”(对应于零伏)被施加到P型FETs的栅极，它们于是也导通。复合的电流流过N型和P型FETs导致，通过全部电流的接近理想的开关，在全电压范围0-Vcc运行，并且消除因栅极电容而引起的开关假信号。
开关205和210具有极性相反的栅极输入。换句话说，在每对互补的开关205和210中，具有Q的逻辑电平的信号被施加在N型FET的栅极端点上，而具有Q的逻辑电平的控制信号被施加在P型FET的栅极输入上。当Q=0和Q=1时，开关205和210导通。当Q=1和Q=0时，开关200和215导通。尽管互补的FET开关被推荐，但单个场效应管开关也可以被满意地使用。
图1(A)和1(B)所示的实施例的缺点之一是需要零电压电平比较器，即比较器140。如上所述，零交叉比较器一般需要负电源，这种电源需要电源变换电路，而它将增加主要设备，如无线电设备的部分件、重量及成本，或另外可选地使用先进水平的电路技术，而这也将增加成本并消耗功率。图2所示的模拟-数字转换器使用了动态转换电路，该电路利用一个比较输入信号与非零值基准电压，例如Vcc/2的普通比较器300，使得有可能检测电容器130两端的零电压。Vcc/2被推荐为基准，因为这个电压是在常用比较器的设计检测范围的中点。
正如在图1的实施例中，模拟多路复用器110接收包括地和基准电压Vcc的多路输入。来自计数器、控制器、放电电路230的选择信号启动多路复用器110的传输门，使输入电容器130充电到与被选择的输入信号的电流电压大小相匹配的程度。电路230接收作为输入的时钟信号及比较器300的一个输出。电路230生成一个对应于被选择输入信号模拟电压电平的数据读出，给输入电容器130一个周期性的放电信号，以及一个以下被称为抽运信号的振荡计数器控制信号。抽运信号通过电阻235连到抽运电容器220，该电容器还被连到FETs260和265的公共源极接头。FETs260和265是N型FETs，它们是在把扩散到N型衬底245的P型半导体材料的P型阱250内形成的。衬底245通过金属化的环240接地。N型FET260的栅极接地，而N型FET260的栅极接到输入电容器130。
FETs260和265的漏极最好(虽然并不必需)与电流镜260相连。电流镜260包含两个栅极互连的P型FETs285和290。P型FETs285和290的源极被连到Vcc，而它们的漏极分别与FET260和FET265的漏极相连。FETs285和290之间的公共栅极接头还与FET290的漏极相连。FET285的漏极被作为比较器300的输入连到结点280，这个输入用来与非零值基准电压比较，在这个实施例的例子里该基准电压可以是Vcc/2。
在运行中，计数器、控制器、及放电电路230控制模拟多路复用器110选择电压输入，它使输入电容器130充电到其电流电压大小。电路230然后控制模拟多路复用器110使输入电容器130断开所有的输入。抽运输出(例如它可以与振荡的时钟信号相一致)被施加给抽运电容器220。最初，抽运信号从零电平电压转换到一高电平电压(0到1)，它使抽运电容器220通过限流电阻235、公共源极接头、以及在P型阱250和N型衬底245的界面形成的P-N结二极管(用符号表示在255处)接到地充电。在这个循环内，FET265的栅极接地，所以，FET265被断开而不导通。晶体管260可能未被切断，因为虽然其源电压处在P型阱二极管255的额定正向偏置电压0.7伏，它的栅极电压等于电容器130上可能较大的输入电压。然而，由于晶体管265在这个循环内不导通，没有电流通过电流镜晶体管285和290，因而，没有电流能流过晶体管260。结点280的电势因此被拉低，即在这种情况下低于Vcc/2，表明电容器130上的电压大于零。
当抽运信号从高转变到低电压电平时，连到电阻235的抽运电容器220的左极板被拉至零伏，它(因为电容器220两端的电压不能作瞬时的变化)迫使电容器220的右极板暂时为负电压。这暂时的负电压被施加到晶体管260和265的公用源极上，结果这两个晶体管现在能导通。甚至于栅极接地的晶体管265也能导通，因为如果施加到FET265源极的电压是负的，栅极和源极间的电压就是正的，它“接通”晶体管265。
如果电容器130两端的电压大于零，则施加到晶体管260的栅极电压比施加在晶体管265的栅极电压大。结果被“拉”通过晶体管260的电流比通过晶体管265的电流更多。在公共源极处，电流汇合流过电容器220和有能耗的电阻235。只要与输入电容器130相连的晶体管260的栅极电压大于施加在晶体管265的零值栅极电压，晶体管260将比晶体管265传导更多的电流。
在晶体管265中流动的电流通过晶体管285被“镜面反映”。因为晶体管285和290是同样的P型晶体管，它们的栅极和源极分别连接到相同的点，与晶体管265中相等的电流流进与结点280连接的晶体管285。因而，电流镜260“重演”晶体管265的漏极电流使之进入结点280。同时，通过晶体管285的电流把结点280处的电压“拉”上到电源电压Vcc，而通过晶体管260的电流把结点280处的电压“拉”下。较大的电流“获胜”，而结点280处的电压或是下降或是上升。
只要晶体管260的栅极电压大于零，就表明输入电容器130未完全放电，结点280处的电压就将被拉到低于比较器300检测的阈值基准电压Vcc/2。在抽运输出处于低电平期间，比较器300的输出由计数器、控制器、放电电路230读取。当比较器300向电路230指示结点280处的电压小于Vcc/2(在抽运信号的低电平期间)，电路230把一个增量的放电脉冲施加在输入电容器130上以卸去一个电荷增量。计数器始终监视从输入电容器130卸去的电荷增量的总数直到电容器130两端的电压为零。当这种情况发生时，在晶体管260和265之间电流均等分割，这造成在结点280处的电势上升，直至它超过被比较器300检测的Vcc/2阈值。比较器输出信号施加到计数器、控制放电电路230终止计数器以及周期性施加给输入电容器130的放电脉冲。最终的计数是在数字读出处的输出。
本发明的实施例提供一种廉价的模拟-数字转换器，它使用普通的非零值电平检测比较器300，并使用适合于在单块芯片上集成的FET开关，以及计数器、控制器和放电电路230等。它还提供一种便利的动态零交叉比较器，这种比较器不需要负电源，并可用于各种不同的用途。与零比较的信号用于使输入电容器130充电，此后抽运信号通过抽运电容器220施加给晶体管260和265。施加给晶体管260和265的抽运作用与电流镜260结合有效地移动输入电压的电平。因此，当结点280的电压超过非零值比较器的阈值时，比较器300的输出指示一个零伏输入。虽然晶体管290和295被作为完成电流镜功能的优选元件示出，但其他电路构件，如匹配的漏极负荷电阻，也能同样完成这项功能。然而电流镜的使用提供较高的电压增益，因而有更精确的零交叉检测。
本发明另一个优选实施例是现在结合图3描述的。图3表示一种比较简单的比较器电路，它容许与阈值，例如馈送电压的一半(Vcc/2)相比较，从而避免与零电压电平相比较。如图1和图2所描述的实施例，模拟多路复用器110由控制器和计数器电路125所控制，以选择供变换的模拟电压输入，并与输入电容器130连接。在电容器130充电到所选择的输入电压后，模拟多路复用器110开路断开与电容器130的连接。
控制电路125读取比较器300的输出，以确定在输入电容器130两端的输入电压是否大于或小于阈值Vcc/2。如果输入电压小于阈值，控制电路125启动FET开关305,310,315,320和325，利用抽运电容器220递增地抽运存储在输入电容器上的电荷，直到它达到阈电压Vcc/2。相反地，如果输入电压最初在阈值Vcc/2之上，控制电路126启动FET开关，将存储在输入电容器130两端的电荷递增地抽运下来，直到比较器300的输出表明它通过阈值Vcc/2。
假定比较器的初始输出表明输出电压小于阈值电压Vcc/2，由控制器125生成的下列控制信号被施加于FET开关的栅极。最初，Q1和
=1，这使FET开关305把输入电容器130从抽运电容器220断开，Q2被设置等于0，以施加低电平于P型FET310使它导通并将抽运电容器220最左边的极板连到Vcc。同时，Q5被设置等于1，以便N型FET320导通将抽运电容器220的右边极板接地。这种开关的配置将抽运电容器220充电到Vcc，该电容器左极板为正极性，右极板为零极性。其后，Q2和Q5被设置等于1，以断开FET开关305和320。然后Q4被设置等于0，它使得P型FET325导通，将抽运电容器220最右边极板拉到Vcc。由于电荷守恒，为了保持电容器220两端前继的电势差Vcc，抽运电容器220右极板的电势从零升至Vcc，意图迫使电容器220左极板的电势升至2Vcc。同时，Q1被设置等于1，
等于0，接通开关305将电容器220的左极板连到输入电容器130。在电容器220两端的2Vcc和输入电容器130两端电压之差(它在零和Vcc/2之间某处)，乘以电容器220的电容值就决定了从抽运电容器220转移至输入电容器130的电荷量。因而在这个实例中，输入电容器130两端的电压上升在(1.5Vcc×C220/C130)与(2.4Vcc×C220/C130)之间的一个增量。
如果输入电容器130两端的初始电压大于Vcc/2，则利用下列实例的过程将输入电容器130抽运下来。开始，Q1被设置等于0且
等于1，使输入电容器130与抽运电容器220断开。施加在N型FET315的栅极电压被设置等于1，以便FET 315将抽运电容器220的左极板接地。同时，施加在P型FET 325的栅极电压被设置等于0，它有效地将抽运电容器220的右极板连到电源电压Vcc，以使右极板为正极性，左极板为零极性，使抽运电容器220充电到Vcc的电势。此后，栅极电压Q3被设置为0,Q4被设置为1，以断开FET 315和325。然后栅极电压Q5被设置等于1以接通N型FET 320，将抽运电容器220接地，这使电容器右极板的电压从Vcc拉至零。为了保持电容器220两端初始的电压降Vcc，电荷守恒要求电容器220左极板的电势企图从零移动到-Vcc。同时，栅极电压输入Q1被设置等于1且
被设置为0，将抽运电容器220的左极板连到输入电容器130。电容器220两端的电压和输入电容器130的电压之差(它在Vcc/2和Vcc间某处)乘以抽运电容量就得出从电容器220转移至输入电容器130的电荷增量。电荷转移的结果，输入电容器两端的电压下降在(1.5Vcc×C220/C100)与(2.0Vcc×C220/C130)之间的一个增量。
本发明的这个实施例提供一种模拟-数字转换器，它利用FET开关将低于非零值基准电压的输入电压向上抽运至基准电压，或将高于非零值基准电压的输入电压向下抽运至基准电压，从而获得有关非零值基准电压的对称的控制。用于将输入电容器C130抽上或抽下的增量步骤的大小略微决定于输入电压，但在一种对称的方式中，在模拟-数字转换器的有用范围的中心(如Vcc/2)提供较大的分辨率(较精细的步骤)，而在范围的终端(如零和Vcc)提供较小的分辨率(较粗糙的步骤)。这是有利的，因为要用模拟-数字转换器测量的大多数电压，通过合适的按比较缩放将首先安排它们具有最大几率落在模拟-数字转换器范围的中心，在那里本发明的电路提供最高的准确度。
虽然MOS型开关相对于其他开关来说，由于其成本低、易制造和响应良好而被偏爱，但其他开关包括双极型晶体管或如砷化镓技术也能完成本发明的开关功能。因而，本发明提供一种低成本、易制造的模拟-数字转换器，它使用MOS开关技术并能与其他信号处理电路结合在集成电路上。
当本发明与目前被认为是最实际和优选的实施例共同被描述之际，应理解本发明并不局限于被公开的实施例，而相反，其意图是覆盖包括在后附的权利要求的精神和范围内的各种改进的和等效的装置。
权利要求
1．模拟-数字转换器，包括第一个电容器，其第一个端点与模拟信号相连使电容器根据模拟信号的电流电压大小充电，而第二个端点接地；第二个电容器；以及用于使第二个电容器交替地与第一个电容器和电源相连的电子控制电路，它卸去第一个电容器的电荷增量直至第一个电容器被完全放电，其中与第一个电容器放电相关的一些被卸去的电荷增量被用于生成对应于模拟信号电流电压的数字值。
2．权利要求1的模拟-数字转换器，进一步包括为响应所接收的来自电子控制电路的控制信号，用于接收多个模拟信号并从所接收的模拟信号中选择一个以连到第一个电容器的多路复用器，其中在第一个电容器充电到与所选模拟信号的电流电压大小相匹配的程度后，电子控制电路使多路复用器从第一个电容器断开模拟信号。
3．权利要求1的模拟-数字转换器，进一步包括比较器，其一个输入与第一个电容器的第一个端点相连，而另一个输入接地，它用于检测何时第一个电容器两端的电压等于或接近零值，然后产生检测信号以使电子控制电路生成数字值。
4．权利要求2的模拟-数字转换器，进一步包括时钟脉冲源，其中电子控制电路包含用于清点时钟脉冲源所产生脉冲数的计数器，计数从第一个电容器充电后的一个预定起点开始，直至从比较器接收的检测信号停止记数，同时从计数器得到对应于数字值的数字读出。
5．权利要求1的模拟-数字转换器，进一步包括开关电路，它连到第一个电容器的第一个端点，接地，并连接电源，包含第一对开关，其中一个开关连到第二个电容器的第一个端点，另一个开关连到第二个电容器的第二个端点，以及第二对开关，其中一个开关连到第二个电容器的第一个端点，另一个开关连到第二个电容器的第二个端点，其中电子控制电路产生开关控制信号，将第二个电容器交替地通过第一对开关在地和电源之间连接，并通过第二对开关在第一个电容器的第一个端点和地之间连接，从第一个电容器卸去电荷增量。
6．权利要求5的模拟-数字转换器，其中第一对和第二对开关中的每个开关都是互补的半导体开关，具有一个栅极绝缘的N型场效应晶体管(FET)和一个栅极绝缘的P型场效应晶体管(FET)。
7．权利要求5的模拟-数字转换器，进一步包括为产生时钟信号的时钟脉冲源，包括用于对时钟信号计数的计数器并产生计数器输出信号的电子控制电路，该输出信号交替处在第一种状态和第二种状态，其中开关控制信号包括这样的计数器输出信号，以致当计数器输出处于第一种状态时，第一对开关被选择将第二个电容器连接在地与电源之间，而且第二对开关被选择将第二个电容器连接在第一个电容器的第一个端点和地之间。
8．模拟-数字转换器，包括在第一个端点连接以存储模拟电压的输入电容器，而第二个端点接地；连接到输入电容器第一个端点的控制电路；动态检测电路，它被连到输入电容器的第一个端点，用于确定为响应输入电容器两端电压而产生的施加到比较器第一个端点的输入信号，是等于或大于施加到比较器第二个端点的非零值阈值电压，并且由比较器提供输出信号给控制电路以指明输入电容器是否被放电，其中上述的动态检测电路通过抽运电容器与控制电路的抽运输出信号相连，控制电路利用抽运输出信号使抽运电容器交替地充电和放电，而且在抽运电容器每个充电和放电周期之后使输入电容器释放一电荷增量，直到动态检测电路表明输入电容器被完全放电，输入电容器放电增量的总数被用于生成模拟电压的数字值。
9．权利要求8的模拟-数字转换器，其中控制电路包括用于清点放电增量数目以提供对应于最后计数值的数字码的计数器。
10．权利要求8的模拟-数字转换器，进一步包括多路复用器，它用于接收多个模拟信号，并从所接收的模拟信号中选择一个连接到输入电容器，以响应从控制电路接收到的控制信号，其中在输入电容器充电到与所选模拟信号的电流电压大小相匹配的程度后，控制电路使多路复用器将模拟信号从输入电容器断开。
11．权利要求8的模拟-数字转换器，进一步包括与控制电路和动态检测器之间的抽运电容器串联的电阻。
12．权利要求8的模拟-数字转换器，其中动态检测电路包括栅极接地的第一个场效应晶体管(FET)和栅极连到第一个电容器的第一个端点的第二个场效应晶体管，它们的漏极被接到电源，带有连到抽运电容器上的公共源极的第一个和第二个晶体管，以及连到比较器第一个输入端上的第二个FET的漏极。
13．权利要求12的模拟-数字转换器，其中当抽运信号处在第一种逻辑状态时，电流沿第一个方向流动，从第一个和第二个FET公共源极或两者之一通过抽运电容器，使抽运电容器放电，并且当抽运信号处于第一种逻辑状态时其中的比较器在一段比较时间间隔内将第一个输入端点处的电压与非零值阈值电压进行比较。
14．权利要求13的模拟-数字转换器，其中公共源极凭借二极管接地以致当抽运信号处在第二种逻辑状态时，电流沿与第一个方向相反的第二个方向流动，它通过二极管使抽运电容器充电，并且当抽运信号处在第二种逻辑状态时，如果比较器表明在前一个比较时间间隔内输入电容器未放完电，则控制电路在放电时间间隔内使输入电容器释放一电荷增量。
15．权利要求12的模拟-数字转换器，其中动态检测电路进一步包括电流镜电路，它连接在第一个和第二个FET的漏极与电源之间。
16．权利要求15的模拟-数字转换器，其中电流镜包括第三个FET，其源极与电源相连，而其漏极与第二个FET的漏极及比较器的第一个输入端点相连；以及第四个FET，其源极与电源相连，其漏极与第一个FET的漏极相连，而其栅极与第三个FET的栅极相连，并连到第四个FET的漏极。
17．权利要求12的模拟-数字转换器，其中第一个和第二个晶体管都是在扩散到第二种导电类型材料的基底的第一种导电类型材料的阱中形成的。
18．当输入信号为零伏电平时的检测方法，包括下列步骤根据输入信号的电压电平在第一个电容器两端存储一电压；生成代表性的电压信号，它代表在第一电容器两端的电流电压；交替地在第一段时间间隔内使第二个电容器充电，在第二段时间间隔内使第二个电容器放电；在第一段时间间隔内，释放存储在第一个电容器上的一部分电荷；在第二段时间间隔内，通过将代表性电压与非零值基准电压相比较，检测在第一个电容器两端的电流电压是否为零电压电平；以及当代表性电压等于或大于非零值基准电压时，表明第一个电容器两端的电流电压已达到零伏电平。
19．权利要求18的方法，其中第二个电容器通过二极管接地沿第一个电流方向充电，并通过串联的电阻沿第二个相反的电流方向放电。
20．包括一正电源和连接在正电源上的比较电路的仪器，该仪器用于检测何时输入电压达到零伏而不需用负电源，而且也不使用变换器将来自正电源的正极性功率变为负极性功率。
21．模拟-数字转换器，包括第一个电容器，它的第一个端点与模拟信号相连，根据模拟信号的电流电压大小使电容器充电，而在第二个端点接地；比较器，其一个输入端点连到第一个电容器的第一个端点，而另一个输入端点连到基准电压上，用以产生(a)当第一个电容器两端的电压大于基准电压的第一种信号，(b)当第一个电容器两端的电压小于基准电压的第二种信号，(c)当第一个电容器两端的电压与基准电压相同时的第三种信号；以及电子控制电路，当第二种信号被产生直到第三种信号被产生时，该电路用于向第一个电容器供给电荷增量，当第一种信号被产生直到第三种信号被产生时，该电路用于从第一个电容器卸去电荷增量，其中电子控制电路清点电荷增量或减量的数目，以生成对应于模拟信号电流电压大小的数字值。
22．权利要求21的模拟-数字转换器，进一步包括用于存储电荷增量的第二个电容器，和与第二个电容器相连的多个开关，其中电子控制电路在各种状态之间交替地接通或断开第二个电容器，这些状态决定于来自比较器的输出。
23．权利要求21的模拟-数字转换器，其中当比较器产生第一种信号时，电子控制电路生成控制信号依次启动开关将第二个电容器连接在电源和地之间，然后将第二个电容器接到第一个电容器上，从而卸去来自第一个电容器的电荷增量，直到第三种信号产生。
24．权利要求21的模拟-数字转换器，其中当比较器产生第三种信号时，控制电路产生控制信号以接通开关，依次将第二个电容器连接在电源和地之间，然后将第二个电容器接到第一个电容器上，以添加来自第一个电容器的电荷增量，直到第三种信号产生。
25．权利要求21的模拟-数字转换器，其中基准电压是非零值电压。
26．权利要求21的模拟-数字转换器，进一步包括多路复用器，用于接收多个模拟信号并为响应来自电子控制电路的控制信号从所接收的模拟信号中选出一个连到第一个电容器，其中在第一个电容器充电到与所选的模拟信号的电流电压大小相匹配的程度后，电子控制电路使多路复用器与来自第一个电容器的模拟信号断开。
27．权利要求23的模拟-数字转换器，其中每一个开关都是有绝缘栅极的场效应晶体管(FET)。
28．权利要求24的模拟-数字转换器，其中每一个开关都是有绝缘栅极的场效应晶体管(FET)。
29．将模拟信号转换为数字信号的方法，包括下列步骤根据模拟信号的电流电压大小将第一个电容器充电；将第一个电容器两端的电压与基准电压进行比较；当第一个电容器两端的电压小于基准电压时，向第一个电容器提供电荷增量，当第一个电容器两端的电压大于基准电压时卸去电荷增量；以及清点电荷增量或减量的数目以生成数字值，该值对应于模拟信号的电流电压大小。
30．权利要求29的方法，其中提供电荷增量直到第一个电容器两端的电压与基准电压相同。
31．权利要求29的方法，其中卸去电荷增量直到第一个电容器两端的电压与基准电压相同。
32．权利要求29的方法，进一步包括下列步骤当第一个电容器放完电时，停止供应电荷增量，然后完成计数的步骤。
全文摘要
一种低成本、易制造的模拟－数字复用器使用了易与其他信号处理电路结合在集成电路上的金属氧化物半导体(MOS)开关技术。输入电容器存储输入模拟电压,而抽运电容器可换向地与输入电容器连接以使该输入电容器充电或放电到一基准值。充电和放电过程的次数被用于形成输入模拟电压的数字值。
文档编号H03M1/50GK1212793SQ97192740
公开日1999年3月31日 申请日期1997年2月26日 优先权日1996年3月1日
发明者P·W·登特 申请人:艾利森公司