專利名稱：可在低電壓下運(yùn)作的兩級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)電路，特別是涉及一種包括一個(gè)減運(yùn)算電路和低精度和高精度的兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的兩級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
A/D轉(zhuǎn)換電路的本質(zhì)是用數(shù)字電路來(lái)處理模擬信號(hào)。現(xiàn)在人們已設(shè)計(jì)出各種A/D轉(zhuǎn)換電路并投入使用。作為一種A/D轉(zhuǎn)換電路的兩級(jí)A/D轉(zhuǎn)換電路為該領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知。
如圖1所示，一種現(xiàn)有的兩級(jí)A/D轉(zhuǎn)換電路中包括一個(gè)輸入要被轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)的輸入端IN、一個(gè)第一緩沖電路BF1、一個(gè)低精度A/D轉(zhuǎn)換器AD1、一個(gè)減運(yùn)算電路SUB、一個(gè)第二緩沖器BF2、一個(gè)高精度A/D轉(zhuǎn)換器AD2、以及一個(gè)輸出緩沖器OBF。該緩沖電路BF1作為采樣/保持(S/A)電路用于對(duì)模擬信號(hào)采樣，并保持采樣電平。被采樣保持的模擬電平經(jīng)低精度A/D轉(zhuǎn)換器AD1進(jìn)行低精度的A/D轉(zhuǎn)換；同時(shí)產(chǎn)生表示高位或高有效位的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并輸入到輸出緩沖器OBF和減運(yùn)算電路SUB。
減運(yùn)算電路SUB上帶有一個(gè)模擬電壓輸入節(jié)點(diǎn)或端子1、一個(gè)減運(yùn)算結(jié)果輸出端2、一個(gè)減運(yùn)算電阻Rs、以及一個(gè)數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器DA1。來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換器AD1的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器DA1進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。該D/A轉(zhuǎn)換器DA1由多個(gè)單位電流源和開(kāi)關(guān)(兩者都未示出)組成，用于在電流端4a產(chǎn)生代表數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)D1的電流并在另一電流端4b產(chǎn)生其互補(bǔ)電流。也就是說(shuō)，在端子4a的電流值14a隨著數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)D1數(shù)值的增大而增大。電流I4a流經(jīng)電阻Rs并在其兩端產(chǎn)生電壓差。這樣，減運(yùn)算電路SUB減去對(duì)應(yīng)于從采樣模擬電平轉(zhuǎn)換而得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的最高有較數(shù)據(jù)位的模擬電平。
該減運(yùn)算的結(jié)果(即剩余的模擬電平)輸入到高精度A/D轉(zhuǎn)換器AD2并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)產(chǎn)生代表低位或低有效位的其他數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)D2，并輸入到輸出緩沖器OBF。該輸出緩沖器OBF把這兩個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)D1和D2合并，并作為對(duì)應(yīng)于該采樣模擬電平的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行輸出。
圖2表示圖1中的減運(yùn)算電路SUB的輸出端2的電壓V2與減運(yùn)算電路SUB的輸入端1的電壓V1之間的關(guān)系，以及分別流過(guò)端子4a和4b的電流I4a和I4b與電壓V1之間的關(guān)系。當(dāng)電壓V1增高時(shí)，階段式地把來(lái)自單位電流源的電流加到電流I4a上，相反地，階段式地從電流I4a減去單位電流源的電流，如圖2所示。電壓V2為從電壓V1減去電流I4a與電阻Rs的電阻值Rs的乘積I4a×Rs所得的結(jié)果。
圖3所示的是在日本專利特開(kāi)平5-95287中公開(kāi)的兩級(jí)A/D轉(zhuǎn)換電路，其中與圖1所示結(jié)構(gòu)相同的部分以相同的附圖標(biāo)記表示，并略去其具體說(shuō)明。在該轉(zhuǎn)換電路中，D/A轉(zhuǎn)換器DA1的電流端4a和4b分別與電阻Rs的兩端3和5相連，即減運(yùn)算電路SUB的輸出端2和輸入端1。在圖1的轉(zhuǎn)換電路中，流入端子4a的電流是從BF1輸出并流經(jīng)電阻Rs后。才流入端子4a的。因此，如果BF1的輸出阻抗較高。電流I4a中就包含了由于該高輸出阻抗所產(chǎn)生的誤差。相反，在圖3中，電流I4a和I4b都來(lái)自緩沖器BF1，并且電流I4a與電流14b互補(bǔ)地變化。D/A轉(zhuǎn)換器DA1的總電流Ifs由(1)式得出Ifs=I4a+I4b(1)相應(yīng)地，從緩沖器BF1流出經(jīng)過(guò)端子1流入D/A轉(zhuǎn)換器DA1的電流為常量，而與端子1的電壓值V1無(wú)關(guān)。即使BF1的輸出阻抗較高也不會(huì)產(chǎn)生誤差。在此，在端子1和2的電壓V1和V2以及在端子4a和4b的電流的特性曲線與圖2所示相同。
但是，這些A/D轉(zhuǎn)換電路中存在如下問(wèn)題減運(yùn)算電路SUB的輸出電壓V2表示被采樣的模擬電平減去在電阻Rs兩端的電壓降Rs×I4a。該電壓降的最大電平為Vfs(=Rs×Ifs)。因此，當(dāng)電源電壓下降或模擬信號(hào)的振幅變大時(shí)，緩沖器電路BF2不能運(yùn)作。例如，如果電源電壓Vcc設(shè)為2.5V，該A/D轉(zhuǎn)換器的振幅電壓Vfs設(shè)為0.5V,V1的中值電壓設(shè)為等于電源電壓Vcc的中值電壓1.25V，電壓V2的中幅電壓為1V。如果緩沖器BF2為由雙極晶體管形成的差分電路，由于基-射電壓VBE為0.8V，而差分緩沖器的恒流源晶體管的集-射電壓Vcc最多只為0.2V。則該晶體不能導(dǎo)通。如果模擬信號(hào)的振幅電壓Vfs增大情況會(huì)更槽。
本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的兩極A/D轉(zhuǎn)換電路。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種能在低電源電壓下運(yùn)作的兩級(jí)A/D電路。
本發(fā)明的A/D轉(zhuǎn)換電路的主要特點(diǎn)是在減運(yùn)算電阻的一端與電源端之間增加一個(gè)電流源。
采用這種方案，與現(xiàn)有轉(zhuǎn)換電路不同的是提供給高精度A/D轉(zhuǎn)換器的電平升高。相應(yīng)地構(gòu)成A/D轉(zhuǎn)換電路各部分的每個(gè)晶體管即使在電源電壓較低或輸入模擬信號(hào)的振幅較大時(shí)也可得到使晶體管運(yùn)作起來(lái)的必要偏壓。
在下文結(jié)合附圖的說(shuō)明中，本發(fā)明的目的、優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)將變得更加清楚。其中


如下圖1為說(shuō)明一種現(xiàn)有的A/D轉(zhuǎn)換電路的方框圖；圖2表示圖1所示的A/D轉(zhuǎn)換電路的電壓和電流特性曲線；圖3為說(shuō)明另一種現(xiàn)有技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換電路的方框圖；圖4(a)、4(b)和4(c)為本發(fā)明的第一實(shí)施例的兩級(jí)A/D轉(zhuǎn)換電路的方框圖，其中4(a)為BF1的部分電路圖，圖4(c)為DA1的電路圖；圖5表示圖4所示的A/D轉(zhuǎn)換電路的電壓和電流特性曲線；圖6為本發(fā)明第二實(shí)施例的兩級(jí)A/D轉(zhuǎn)換電路的方框圖；圖7表示圖6所示的A/D轉(zhuǎn)換電路的電壓和電流特性曲線；圖8為本發(fā)明第三實(shí)施例的兩級(jí)A/D轉(zhuǎn)換器的方框圖；圖9表示圖8所示的A/D轉(zhuǎn)換器的電壓和電流特征曲線；圖10為本發(fā)明的第四實(shí)施例的A/D轉(zhuǎn)換器的方框圖；圖11為本發(fā)明的第五實(shí)施例的A/D轉(zhuǎn)換器的方框圖；圖12為圖11所示的調(diào)整電路CAL的第一實(shí)例的電路圖；圖13為圖11所示的調(diào)整電路CAL的第二實(shí)例的電路圖；圖14為本發(fā)明第六實(shí)施例的A/D轉(zhuǎn)換器的方框圖。
如圖4(a)所示，圖中表示本發(fā)明的第一實(shí)施例，其中與圖3所示相同的結(jié)構(gòu)以相同的標(biāo)號(hào)表示，對(duì)該部分的具體描述在此省略。在該A/D轉(zhuǎn)換電路中，還提供一個(gè)電流源IRs。該電流源IRs的一個(gè)端子連接到節(jié)點(diǎn)3或減運(yùn)算電路SUB的輸出端2，另一端子連接到電源線Vcc以接收正電勢(shì)。
在操作中，要被轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)V1傳輸?shù)竭B接BF1的輸入節(jié)點(diǎn)或端子IN。該BF1采樣并保持該模擬電平，并把該采樣后的模擬電平傳輸?shù)降途華/D轉(zhuǎn)換器AD1以獲得該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的高位數(shù)據(jù)或高有效位數(shù)據(jù)。減運(yùn)算電路SUB由D/A轉(zhuǎn)換器DA1和減運(yùn)算電阻Rs組成。但是，在本例中，由于提供了電流源IRs，該電流IRs從節(jié)點(diǎn)3流經(jīng)減運(yùn)算電阻Rs流到節(jié)點(diǎn)5。換句話說(shuō)，在端子2的電壓V2改變或升得比被采樣模擬電平V1高。
由于流入A/D轉(zhuǎn)換器AD1和BF2的電流都基本上等于零，除了流經(jīng)減運(yùn)算電阻Rs的電流IRs外，還有經(jīng)端子1，流入BF1的電流I1、分別流入D/A轉(zhuǎn)換器DA1的端子4a和4b的電流I4a和I4b、以及流過(guò)電流源IRs的電流Ir。相應(yīng)地，可以得出下關(guān)系式Ifs=I4a+I4b=Ir-I1(2)IRs=Ir-I4a=I1+I4b(3)Ifs為D/A轉(zhuǎn)換器DA1的總電流。電壓V1和V2之間的電勢(shì)差由下式給出V2-V1=Rs.IRs(4)當(dāng)輸入電壓V1等于被采樣模擬電平的中值電平時(shí)，得出下列方程I4a=I4b=Ifs/2(5)那么，如果把電壓V1和V2的振幅中值分別稱為V1m和V2m，把方程(3)和(5)代入方程(4)可以得出下列關(guān)系式V2m-V1m=Rs×(Ir-Ifs/2)(6)=Rs×(I1+Ifs/2)(7)該式表示在振幅中值處升高的電壓。相應(yīng)地，要滿足V2m＞V1m的要求，其條件為Ir＞Ifs/2(8)另外，不管V1的數(shù)值為多少，要滿足V2＞V1的關(guān)系，其條件由下式給出當(dāng)I4a=Ifs時(shí)，IRs＞0(9)把方程(9)代入方程(3)中，得Ir＞Ifs(10)這是不管V1的數(shù)值為多少，V2的數(shù)值總是升高的條件。請(qǐng)注意在本例中I1＞0。
圖3所示為在圖4的電路中在端子1和2的電壓V1和V2與流入端子4a和4b的電流I4a和I4b的特性曲線。從圖中的曲線可以得到如下關(guān)系式Ir=I4a+I4b=Ifs(11)I1=0(12)在本例中，把方程(12)代入方程(3)可得IRs=I4b(13)相應(yīng)地，電壓V2相對(duì)于電壓V1上升了Rs.I4b。
在該電壓振幅的中值處，V2相對(duì)于V1升高的數(shù)值可以由方程(7)得出V2m-V1m=Rs×Ifs/2(14)緩沖器電路BF1中通常包括一個(gè)接收模擬信號(hào)的輸入緩沖器，一個(gè)保持電容和一個(gè)輸出緩沖器。該輸出緩沖器如圖4(b)所示。該電路結(jié)構(gòu)滿足上述I1=0的條件。從而可以改善輸入和輸出特性曲線的畸變。特別地，該輸入和輸出特性曲線的畸變主要是由于集電極電流所引起的基-射電壓的改變而產(chǎn)生的。在4(b)的電路中，選擇大小相同的晶體管作為晶體管T1和T2，該電路中還沒(méi)有包含晶體管T3且結(jié)構(gòu)與包含晶體管T1的差分緩沖器相同的差分緩沖器。由于Ia1與Ia3相等，如果輸出電流I11為零則有Ia1=Ia2。相應(yīng)地，在設(shè)計(jì)中總是使晶體管T1的基-射電壓VBE(T1)等于晶體管T2的基-射電壓VBE(T2)而與輸入電壓無(wú)關(guān)。因此，即使晶體管T1使在節(jié)點(diǎn)4-3處的第一輸出信號(hào)out1B發(fā)生畸變，晶體管T2會(huì)產(chǎn)生大小相同且相反的畸變，結(jié)果兩種畸變相互抵消，結(jié)果畸變?yōu)榱?，從而使在輸出?-1輸出的最終輸出信號(hào)out1A沒(méi)有畸變。因此，在端子1連接的輸出端4-1處的電流I1基本上等于零。另外，把由電容(未示出)采樣并保持的模擬電平提供給輸入端4-12。把參考電壓提供給另一輸入端4-11，在本實(shí)施例中沒(méi)有使用另一輸出端4-2。要輸入低精度A/D轉(zhuǎn)換器AD1的模擬電平從晶體管T2的基極輸出。
如圖4(c)所示，D/A轉(zhuǎn)換器DA1中包括多個(gè)開(kāi)關(guān)S1-S8以及多個(gè)單位電流源61-68，并按圖中所示的方式連接。每個(gè)開(kāi)關(guān)S的狀態(tài)根據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)D1的內(nèi)容而改變，使得流入電流端4a的電流I4a隨著數(shù)據(jù)D1的數(shù)值的增大而增加。流入另一電流端4b的電流I4b相應(yīng)地減小。也就是說(shuō)，電流I4a和I4b互補(bǔ)地改變。
在圖6所示的本發(fā)明的第二實(shí)施例中，電流源Ibs的一端連接到在減運(yùn)算電路SUB的輸入端1一側(cè)的節(jié)點(diǎn)5，另一端連接到在低電勢(shì)一側(cè)的電源VEE上，它用于輸出電流Ib。這是與圖4不同之處。其他元件與圖4所示相同，因此對(duì)于相同的部分只用相同的符號(hào)予以標(biāo)記，并省略進(jìn)一步的描述。
可以把圖6的電路中新增的電流源Ib產(chǎn)生的的電流Ib代替圖4的電路中的電流I1來(lái)說(shuō)明本實(shí)施例的操作。即，減運(yùn)算電路SUB周圍的電流之間的關(guān)系由方程(2)、(3)得出Ifs=I4a+I4b=Ir-Ib(15)IRs=Ir-I4a=Ib+I4b(16)在電壓振幅中值的電壓增量由方程(17)得出V2m-V1m=Rs×(Ib+Ifs/2)(17)在本例中，設(shè)置電流Ifs、Ir和Ib使其滿足方程(15)，設(shè)計(jì)該裝置使流入BF1的電流或流出BF1的電流為零。
在第一實(shí)施例中，為了使V2不管在V1為何值時(shí)都能得到升高，則必需滿足Ir＞Ifs的條件，在本例中，需要I1＞0。但是在第二實(shí)施例中，當(dāng)保持I1=0時(shí)，也可能有V2＞V1。
圖7表示在圖6所示電路的端子1和2處的電壓V1和V2的特性曲線。與圖5所示的實(shí)例相比，電壓V2的電平的增量為對(duì)應(yīng)于由升壓電流Ib產(chǎn)生的升壓成分的Rs.Ib。
圖5表示本發(fā)明的第三實(shí)施例。與輸入到模擬輸入節(jié)點(diǎn)IN的信號(hào)反相的信號(hào)輸入到模擬輸入節(jié)點(diǎn)IN的補(bǔ)輸入節(jié)點(diǎn)INb。用于模擬輸入節(jié)點(diǎn)IN的被輸入節(jié)點(diǎn)INb的升壓電流源IRsb和減運(yùn)算電路SUB相似。用于補(bǔ)輸入節(jié)點(diǎn)INb的減運(yùn)算電路SUBb的輸入端和輸出端分別稱為1b和2b、在減運(yùn)算電路SUBb的D/A轉(zhuǎn)換器稱為D/A轉(zhuǎn)換器DA1b。另外，減運(yùn)算電阻Rsb與用于通常的減運(yùn)算電路SUB的減運(yùn)算電阻Rs相同，其阻值等于Rs。另外，在D/A轉(zhuǎn)換器DA1b的兩輸出端中，連接到端子2b一側(cè)的輸出端稱為4ab，而連接到端子1b一側(cè)的輸出端稱為4bb，減運(yùn)算電路SUB的特性由方程(2)和(3)表示。另外，經(jīng)過(guò)端子1b和2b的電壓V1b和V2b的振幅中值分別稱為V1bm和V2bm，則減運(yùn)算電路SUBb的特征可以由下式表示
Ifs=I4ab+I4bb=Irb-I1b(18)IRsb=Irb-I4ab=I1b+I4bb(19)另外，可以這樣設(shè)計(jì)該裝置，使其可以滿足下列類似方程(11)、(12)和(14)的等式Ifs=I4ab+I4bb=Irb (20)I1b=0 (21)V2bm-V1bm=Rs×Ifs/2(22)其它關(guān)系式的推導(dǎo)與圖4所示的例子相同，因此在這里省略對(duì)其進(jìn)一步的說(shuō)明。
圖9所示的為在圖8中減運(yùn)算電路SUBb的輸入端1b和輸出端2b上的電壓V1b和V2b，以及流入端子4ab和4bb的電流I4ab和I4bb與橫座標(biāo)上的端子1的電壓V1之間的關(guān)系。該減運(yùn)算電路SUB的特征曲線與圖5中的相同，從它們之間的比較可以清楚地看出，當(dāng)V1和V2作為差分信號(hào)改變時(shí)，V2和V2b作為差分減運(yùn)算信號(hào)產(chǎn)生。
在本例中，有必要確定A/D轉(zhuǎn)換器AD1、D/A轉(zhuǎn)換器DA1和減運(yùn)算電阻Rs之間的連接關(guān)系，以及A/D轉(zhuǎn)換器AD1、D/A轉(zhuǎn)換器DA1b和減運(yùn)算電阻Rsb之間的連接關(guān)系，使得電流I4a和I4bb具有相同的特性曲線，電流I4b和I4ab具有相同的特性曲線。更特別地，例如，D/A轉(zhuǎn)換器DA1和D/A轉(zhuǎn)換器DA1b的電路結(jié)構(gòu)相同，而D/A轉(zhuǎn)換器DA1和D/A轉(zhuǎn)換器DA1b的讀出方向相反，這樣D/A轉(zhuǎn)換器DA1的端子4a對(duì)應(yīng)于D/A轉(zhuǎn)換器DA1b的端子4bb,D/A轉(zhuǎn)換器DA1的端子4b對(duì)應(yīng)于D/A轉(zhuǎn)換器DA1b的端子4ab。
圖10表示的本發(fā)明第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，如果圖8中電路D/A轉(zhuǎn)換器DA1和D/A轉(zhuǎn)換器DAb之間的連接關(guān)系與本實(shí)施例的D/A轉(zhuǎn)換器DA1和D/A轉(zhuǎn)換器DA1b之間的連接關(guān)系相比可以發(fā)現(xiàn)有所不同。即，在本實(shí)施例中，D/A轉(zhuǎn)換器DA2的輸出端4a和4ab分別連接到端子2和2b，而另一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器DA2b的輸出端4b和4bb分別連接到端子1和1b。
使補(bǔ)償電流值流入每個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的兩輸出端，以說(shuō)明該裝置的操作，在圖8的第三實(shí)施例中，該入D/A轉(zhuǎn)換器DA1和D/A轉(zhuǎn)換器DA1b的兩輸出端的對(duì)應(yīng)成份為電流對(duì)I4a、I4bb和I4ab、I4bb，它們的特性曲線分別與圖5和圖9所示相同。從圖5和圖9可以看出，除了在結(jié)合圖8的描述中提到的電流外，還有對(duì)應(yīng)的互補(bǔ)電流對(duì)I4a、I4ab和I4b、I4bb。通過(guò)設(shè)計(jì)如圖10所示的D/A轉(zhuǎn)換器DA2和D/A轉(zhuǎn)換器DA2b，有可能獲得類似于圖5和圖9所示的特性曲線。
在圖11所示的本發(fā)明第五實(shí)施例中，新增加了用于調(diào)節(jié)升壓電流源IRs的電流調(diào)節(jié)電路CAL。調(diào)節(jié)電路CAL上帶有輸入端6和7、用于校正模式信號(hào)CM的輸入端9、以及用于電流源IRs的電流調(diào)節(jié)信號(hào)的輸出端8。端子7和6分別連接到減運(yùn)算電路SUB的端子1和2、端子8連接到有電流源IRs的電流控制端。使用該調(diào)節(jié)電路CA1的目的是通過(guò)在所需數(shù)值上的精確比較D/A轉(zhuǎn)換器DA1內(nèi)的總電流值Ifs與升壓電流源IRs的電流值Ir，從而通過(guò)精確匹配消除掉由于生成值的不均性而導(dǎo)致的誤差。
接著，說(shuō)明該裝置的操作過(guò)程。如上文結(jié)合圖5的說(shuō)明中所述，當(dāng)在D/A轉(zhuǎn)換器DA1內(nèi)的所有電流源的總和Ifs等于圖11中升壓電流源的電流值Ir，則流入BF1的電流I1變?yōu)榱恪Ｔ诒纠?，在端?和2處的電壓V1和V2之間的關(guān)系如圖5所示。當(dāng)端電壓V1接近滿度電壓時(shí)，電流I4b為零，流入減運(yùn)算電阻Rs的電流IRs為零。相應(yīng)地，端電壓V1和V2相等。換句話說(shuō)，當(dāng)把調(diào)節(jié)電路CAL置于校正模式(在這一狀態(tài)下把滿度信號(hào)輸入模擬信號(hào)輸入端)，則控制升壓電流源使電壓V1和V2相等，有可能使Ifs與Ir相等并把它設(shè)置為所需的電流值。在校正模式中，低精度A/D轉(zhuǎn)換器AD1也被動(dòng)作起來(lái)。
圖12為圖11的調(diào)節(jié)電路CAL的一個(gè)更特殊的實(shí)施例。與Ifs保持精確比例關(guān)系的參考電流Irep通過(guò)利用在D/A轉(zhuǎn)換器DA1內(nèi)的每個(gè)單位電流源的復(fù)制電路和加到D/A轉(zhuǎn)換器DA1上的偏壓產(chǎn)生。電流Irep傳輸?shù)接蒔MOS采用MOS電流鏡像電路形成的升壓電流源IRs。通過(guò)用插入MOS電流鏡像電路的一部分中的可變電流源電路IP，改變電流鏡像電路的比率，可以調(diào)節(jié)電流IRs。
現(xiàn)在說(shuō)明該裝置的結(jié)構(gòu)，偏壓電路BS的輸出電壓VB到D/A轉(zhuǎn)換器DA1，并連接到晶體管T1的基極，晶體管T1的發(fā)射極經(jīng)電阻R1連接到電源VEE，作為D/A轉(zhuǎn)換器DA1的復(fù)本的電流源Irep由晶體管T1和電阻R1形成。另外晶體管T1的集電極連接到晶體管T2的柵極和漏極，晶體管T2的源極連接到電源Vcc，晶體管T3的柵極連接到晶體管T2柵極，晶體管T3的源極連接到電源Vcc，這樣就形成由晶體管T2和晶體管T3組成的電流鏡像電路。
另外，晶體管T3的漏極連接到晶體管T4的柵極和漏極，晶體管T4的源極連接到晶體管T4的電源VEE，晶體管T4的柵極連接到晶體管T6的柵極和可變電源源電路Ip，這樣就形成由晶體管T4和晶體管T6以及可變電流源電路Ip組成的電流鏡像電路。另外，晶體管T6的漏極與可變電流源電路Ip相連，晶體管T6的漏極連接到晶體管T5的漏極，晶體管T5的源極連接到電源Vcc，晶體管T5的柵極經(jīng)端子8連接到晶體管T7的柵極(該晶體管T7作為升壓電流源IRs)以控制升壓電流Ir的電流值。
可變電流源電路Ip由并聯(lián)于電源VEE與輸出端之間的晶體管M1-Mn構(gòu)成，其中晶體管M1-Mn的柵極分別連接到開(kāi)關(guān)S1-Sn。這樣連接開(kāi)關(guān)使其受來(lái)自計(jì)數(shù)電路CNT的數(shù)字輸出信號(hào)的控制。計(jì)數(shù)電路CNT上帶有用于使計(jì)數(shù)器內(nèi)的數(shù)值初始化的復(fù)位號(hào)RSET輸入端Rs，以及用于使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)信號(hào)的輸入端CT。
計(jì)數(shù)信號(hào)由一個(gè)三輸入端的與非(NAND)電路產(chǎn)生。該NAND電路的三個(gè)輸入端分別連接到時(shí)鐘信號(hào)CLK的一個(gè)端子、比較器CMP的輸出端以及通過(guò)端子9連接到校正模式信號(hào)CM。另外，比較器CMP的正極經(jīng)端子7連接到減運(yùn)算電路SUB的端子1，比較器CMP的負(fù)極經(jīng)端子6連接到減運(yùn)算電路SUB的端子。
現(xiàn)在說(shuō)明該裝置的操作過(guò)程，在調(diào)節(jié)電路CAL中的可變電流源電路Ip內(nèi)采用在晶體管M1側(cè)具有大電流值的二進(jìn)制加權(quán)電流源。另外，計(jì)數(shù)器CNT采用通常的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，且在M1一側(cè)有高位端子在Mn一側(cè)有低位端子?，F(xiàn)在假設(shè)在電路Ip中只有晶體管M1被開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，則這樣設(shè)計(jì)器件使升壓電流源的電流值Ir等于D/A轉(zhuǎn)換器DA1中的總電流值Ifs。
在本例中，如果把晶體管T6的電流值稱為IT6，而晶體管M1-Mn的電流值稱為IM1-IMn，則電流源IRs的電流值的變化范圍如下IT6IT6+IM1·Ifs≤IrsIT6+Σk=1nIMKIT6+IM1·Ifs---(23)]]>
至于其操作過(guò)程，首先，把滿度電壓賦予輸入信號(hào)后，通過(guò)初始化信號(hào)把計(jì)數(shù)器CNT中的數(shù)值設(shè)為初始值，即為零。在這種狀態(tài)下，由于該器件這樣操作使在電路Ip的單位電流源的開(kāi)關(guān)S1-Sn關(guān)閉，則電流源的電流IRs取由方程(23)所示的最小值。由于I4a等于Ifs，則該流過(guò)圖11中的減運(yùn)算電阻Rs的電流由下式給出IRs=IT6/(IT6+IM1)×Ifs-Ifs=-IM1/(IT6+IM1)×Ifs(24)這表明端子1和端子7的電壓V1高于端子2和端子6的電壓V2。
從而，比較器CMP的輸出變?yōu)楦唠娖?，這樣當(dāng)校正模式信號(hào)從低電平切換到高電平時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)CLK經(jīng)NAND電路傳輸?shù)搅硪恍盘?hào)端CT。換句話說(shuō)，計(jì)數(shù)電路CNT這樣操作使該計(jì)數(shù)器CNT中的數(shù)值增加的步長(zhǎng)為“1”。在電路Ip中的單位電流源根據(jù)計(jì)數(shù)器CNT中的數(shù)值增加依次打開(kāi)。結(jié)果，電流源Ivs的電流值Ir逐步接近D/A轉(zhuǎn)換器DA1的最大電流值Ifs。由于端子6的電壓V2在Ir略大于Ifs(但它們最終會(huì)相等)的某個(gè)數(shù)值處變得大于端子7的電壓V1，則比較器CMP的輸出從高電平變?yōu)榈碗娖?。因此，NAND電路變?yōu)椴煌姞顟B(tài)，CT信號(hào)停止，然后校正模式信號(hào)CM變?yōu)榈碗娖剑⑼瓿尚Ｕ僮鳌?br> 在計(jì)數(shù)器CNT中的保留校正Ir使其等于Ifs的數(shù)值直到復(fù)位信號(hào)RSET輸入。
表示調(diào)節(jié)電路CAL的另一實(shí)例的圖13中的電路與圖12中的電路之間不同之處在于電流鏡像電路的級(jí)數(shù)減小，并且可變電流源電路Ip連接到第一電流鏡像電路。
下面說(shuō)明調(diào)節(jié)電路CAL的結(jié)構(gòu)，偏壓電路BS的輸出電壓VB輸出到D/A轉(zhuǎn)換器DA1，并再接到晶體管T1的基極，晶體管T1的發(fā)射極經(jīng)電阻R1至接到電源VEE，構(gòu)成電流源Irep，該電流源是由晶體管T1和電阻R1組成的D/A轉(zhuǎn)換器DA1的再現(xiàn)電路。另外，晶體管T1的集電極連接到電路Ip和晶體管T6的柵極和漏極，其中晶體管T6的源極連接到電源Vcc，并且該連接點(diǎn)還連接到輸出端8和升壓電流源IRs。電路Ip、計(jì)數(shù)電路CNT、NAND電路以及比較器CMP的結(jié)構(gòu)和它們的說(shuō)明與圖12中的電路相同，因此其說(shuō)明在此省略。
該電路的操作除下列幾點(diǎn)外基本上與圖12中電路的操作相同，其不同點(diǎn)是，當(dāng)通過(guò)初始化信號(hào)RSET使計(jì)數(shù)器CNT內(nèi)的數(shù)值初始化為初始值零，該電路的動(dòng)作使電路Ip中所有單位電流源導(dǎo)通。在這種情況下，電流源Ir的電流值為方程(23)中的最小值。當(dāng)計(jì)數(shù)器CNT中的數(shù)值以“1”為步長(zhǎng)增加時(shí)，該裝置這樣動(dòng)作使可變電流源電路Ip中的電流隨著升壓電流源IRs的逐步增加而逐步減小。其他運(yùn)作方式與圖12所示的電路相同，因而在此省略其具體說(shuō)明。
如圖14所示的本發(fā)明第六實(shí)施例比圖6所示的第二實(shí)施例的電路多加了一個(gè)電阻Rc和電流調(diào)節(jié)電路CAL。用于電流檢測(cè)的電阻Rc位于BF1和端子1之間，圖11至圖13所示的電流調(diào)節(jié)電路CAL的輸入端6連接到電阻Rc的端子1，而其端子7連接到電阻Rc的BF1側(cè)的端子。
現(xiàn)在說(shuō)明該裝置的運(yùn)作過(guò)程，當(dāng)選擇Ib、Ir和Ifs的電流值使其滿足方程(15)，則從端子1流入BF1的電流或從端子1流出BF1的電流為零。相應(yīng)地，在電阻Rc中流動(dòng)的電流為零，端子7的電壓和端子6和1的電壓V1相等。利用這一事實(shí)，通過(guò)把調(diào)節(jié)電流設(shè)為校正模式，控制升壓電流使電壓V1和V7相等，可以設(shè)定各種電流值以滿足方程(15)。在該運(yùn)作過(guò)程中，與圖11所示電路不同之處在于，不必預(yù)選把輸入模擬信號(hào)設(shè)為滿度電壓，而對(duì)任何電壓值都可以進(jìn)行校正。
該調(diào)節(jié)電路CAL的結(jié)構(gòu)與圖12和圖13所示的相同。把升壓電流源Ies設(shè)為滿足方程(15)。相應(yīng)地，把方程(23)中的Ifs換為Ifs+Ib得IT6IT6+IM1·(Ifs+Ib)≤Ir≤IT6+Σk=1nIMKIT6+IM1·(Ifs+Ib)---(25)]]>電流Ir在上述范圍內(nèi)變化。
如上文所述，根據(jù)本發(fā)明的A/D轉(zhuǎn)換器在減運(yùn)算電路的輸出端增加了升壓電流源，通過(guò)使從減運(yùn)算電路的輸出一側(cè)流到其輸入一側(cè)，使得經(jīng)過(guò)減運(yùn)算后的電壓升高。相應(yīng)地，該裝置的效果是即使在運(yùn)作過(guò)程中的減運(yùn)算后，該緩沖器電路也可以在低電壓下運(yùn)作。
另外，該電路還帶有用于把升壓電流源的電流值和用于執(zhí)行減運(yùn)算的D/A轉(zhuǎn)換器的電流值調(diào)節(jié)為所需的值的校正電路，因此，即使升壓電流源中存在誤差也可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)高精度的A/D轉(zhuǎn)換操作。
顯然本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)還可以作出各種改變和變化。
權(quán)利要求
1.一種A/D電路，其特征在于，其中包括一個(gè)輸入要轉(zhuǎn)換的模擬電壓的第一端子；一個(gè)與所述第一端子耦合，以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所述模擬電壓的第一數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的第一A/D轉(zhuǎn)換器；一個(gè)與所述第一A/D轉(zhuǎn)換器的輸出相耦合，并在第一和第二電流輸出產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所述第一數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的第一和第二電流的D/A轉(zhuǎn)換器；一個(gè)第二端子；一個(gè)具有與所述第一端子和所述第一電流端相耦合的第一端，以及與所述第二端子和所述電流端相耦合的第二端的電阻；一個(gè)與所述第二端子耦合，以在所述第二端子產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于電壓電平的第二數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的第二A/D轉(zhuǎn)換器；以及耦合于所述第二端子和電源電壓線之間的電流源；所述第一和第二數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)相結(jié)合作為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的A/D轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述第一和第二電流根據(jù)所述第一數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)表示的數(shù)值互補(bǔ)地改變，使得在所述第二端子的電壓電平向所述電源電壓線上的電源電壓改變。
3.如權(quán)利要求1所述的A/D轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述電流源產(chǎn)生的電流大于所述第一和第二電流的總和。
4.如權(quán)利要求3所述的A/D轉(zhuǎn)換器，其特征在于其中還包括與所述第一端子耦合，以把所述模擬電壓輸入所述第一端子的緩沖電路，所述緩沖電路基本上不向所述第一端子輸出電流。
5.一種A/D轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中包括一個(gè)對(duì)模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后輸出第一數(shù)據(jù)的第一A/D轉(zhuǎn)換器；一個(gè)用于輸出對(duì)應(yīng)于所述第一數(shù)據(jù)的第一電流的D/A轉(zhuǎn)換器；一個(gè)與所述模擬電壓以及所述電流耦合，以接收所述模擬電壓和電流的電阻(Rs)；一個(gè)輸出對(duì)應(yīng)于從所述電阻輸出的電壓電平的第二數(shù)據(jù)的第二A/D轉(zhuǎn)換器；以及產(chǎn)生流過(guò)所述電阻的第二電流以使所述電壓電平相對(duì)于所述模擬電壓升高的電流源。
6.如權(quán)利要求5所述的A/D轉(zhuǎn)換器，其特征在于把所述第二電流設(shè)為由所述的D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的總電流值，使所述的電壓電平的中值等于所述模擬電壓的中值或在所述電阻接收到所述總電流的一半的總和時(shí)，使所述電壓電平的中值比所述模擬電壓的中值大在所述電阻兩端的電壓降的數(shù)值。
7.如權(quán)利要求1所述的A/D轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述A/D轉(zhuǎn)換器中包括一個(gè)帶有第一D/A轉(zhuǎn)換器和第一減運(yùn)算電阻的第一減運(yùn)算電路；一個(gè)帶有第二D/A轉(zhuǎn)換器和第二減運(yùn)算電阻的第二減運(yùn)算電路；該第一和第二減運(yùn)算電路形成差分結(jié)構(gòu)，其各自的差分輸入端分別連接到所述第一A/D轉(zhuǎn)換器，所述第一A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端再接到所述第一減運(yùn)算電路和第二減運(yùn)算電路，所述第一D/A轉(zhuǎn)換器和第二D/A轉(zhuǎn)換器的第一輸出端分別連接到所述第一減運(yùn)算電阻和第二減運(yùn)算電阻的輸出端，所述第一D/A轉(zhuǎn)換器和第二D/A轉(zhuǎn)換器的第二輸出端分別連接到所述第一減運(yùn)算電阻和第二減運(yùn)算電阻的輸入端，第一電流源和第二電流源分別連接到所述第一減運(yùn)算電阻和所述第二減運(yùn)算電阻的輸出端。
8.如權(quán)利要求1所述的A/D轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述A/D轉(zhuǎn)換器中包括一個(gè)帶有第一D/A轉(zhuǎn)換器和第一減運(yùn)算電阻的第一減運(yùn)算電路；一個(gè)帶有第二D/A轉(zhuǎn)換器和第二減運(yùn)算電阻的第二減運(yùn)算電路；該第一和第二減運(yùn)算電路形成差分結(jié)構(gòu)，其各自的差分輸入端分別連接到所述第一A/D轉(zhuǎn)換器，所述第一A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端再接到所述第一減運(yùn)算電路和第二減運(yùn)算電路，所述第一D/A轉(zhuǎn)換器的第一和第二輸出端分別連接到所述第一減運(yùn)算電阻的輸出端和第二減運(yùn)算電阻的輸出端，所述第二D/A轉(zhuǎn)換器的第一和第二輸出端分別連接到所述第一減運(yùn)算電阻的輸入端和第二減運(yùn)算電阻的輸入端，第一和第二電流源分別連接到所述第一和第二減運(yùn)算電阻的輸出端。
9.如權(quán)利要求1所述的A/D轉(zhuǎn)換器，其特征在于其中還包括用于調(diào)節(jié)位于所述減運(yùn)算電路輸出側(cè)的所述電路(IRs)的大小的電流調(diào)節(jié)電路，以使所述減運(yùn)算電路輸入電壓與輸出電壓相等。
10.如權(quán)利要求1所述的A/D轉(zhuǎn)換器，其特征在于其中還包括位于所述第一采樣保持器的輸出端與所述減運(yùn)算電路的輸入端之間的電阻；以及用調(diào)節(jié)所述升壓電流(IRs)的大小，使在所述第一采樣保持器的輸出端的電壓與在所述減運(yùn)算電路的輸入端的電壓相等的電流調(diào)節(jié)電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種稱為兩級(jí)A/D轉(zhuǎn)換電路的A/D轉(zhuǎn)換電路,其中包括減運(yùn)算電路和低精度A/D轉(zhuǎn)換器AD1和高精度A/D轉(zhuǎn)換器AD2。本發(fā)明的目的是提供一種能在低電源電壓下運(yùn)作的兩級(jí)A/D轉(zhuǎn)換電路。本發(fā)明的A/D轉(zhuǎn)換電路的主要特點(diǎn)是在減運(yùn)算電阻Rs與電源端Vcc之間具有一個(gè)電流源IRs。由BF1采樣的模擬電平V1輸入到低精度A/D轉(zhuǎn)換器AD1。減運(yùn)算電路SUB由D/A轉(zhuǎn)換器DA1和減運(yùn)算電阻Rs組成。
文檔編號(hào)H03M1/38GK1213228SQ9812010
公開(kāi)日1999年4月7日 申請(qǐng)日期1998年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月30日
發(fā)明者三石昌史 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社