[发明专利]高分辨率模数转换器

说明书

本发明涉及高分辨率模数转换器。所公开的系统、方法和装置涉及每级一位ADC。所述每级一位ADC在每一个级处提取一个或多个位并且产生残差，以使得后继类似或相同级可提取更多个位。所述ADC使用反射二进制输出码，以使得可通过观察输入的符号(例如，极性)来提取位。所述残差可通过整流输入，使所述输入乘以二，并且使所述输入电平移位半个跨度来生成。使用电容器和开关来实现所述残差的所述生成。这使所述ADC具有低的功率消耗和小的大小。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年4月8日提交的美国临时申请序列号61/977,020的优先权权益，所述美国临时申请的内容据此以全文引用的方式并入本文。

技术领域

本公开涉及用于模数转换的系统和方法。

背景技术

模数转换器(ADC)以特定采样率将模拟电压输入转换为通常呈二进制码形式的数字输出。ADC已使用包括逐次近似体系结构、Sigma Delta体系结构和每级一位(bit-per-stage)体系结构的各种体系结构加以实现。ADC通常以其分辨率(以位表示的输出电平的数目，ADC可将信号量子化成的所述输出电平)和其采样率来表征。

在某些应用中，有必要提高常规模数转换器(ADC)的分辨率，同时维持小的大小。具体来说，在嵌入式应用中，维持小的大小可为重要的，如嵌入加速计或微功率冲击传感器中的ADC的情况。ADC提供低功率消耗和可变分辨率(例如，可变数目的输出位)也是合乎需要的。

难以提高现有逐次近似模数转换器的分辨率，因为这类转换器已经相对较大并且将需要进一步扩大来适应14个或更多个位。此外，超过13个位的情况下，可能需要另外的修整特征。Sigma-delta ADC提供较高分辨率，但是以较高功率消耗为代价。另外，sigma-delta转换器通常无法多路复用。二进制的每级一位ADC产生具有不连续性的残差输出信号，所述不连续性对应于比较器改变状态并引起DAC切换的点。残差输出波形中的这些不连续性是这种体系结构的基本问题。对于这些瞬态来说，必须允许充分的稳定时间以传播穿过一个级并在最终比较器输入处稳定，并且因此难以使这些体系结构以高速操作。

折叠式每级一位ADC避免了二进制的每级一位体系结构的不连续性问题。F.D.Waldhauer在美国专利3,187,325中提出折叠体系结构的实现方式。Waldhauer的折叠传递函数的实现方式使用在反馈回路中具有二极管的固态运算放大器。然而，Waldhauer实现方式最适合于低分辨率应用，因为这种实现方式具有各种独立的误差源。例如，Waldhauer的各个级的级联在每一个级中都遭遇独立误差。另外，Waldhauer实现方式表现出高功率消耗。因此，仍然需要提供高分辨率(例如，12个位或更多个位)同时具有低功率消耗和小的大小的ADC。此外，需要具有可变分辨率的小的低功率ADC。

发明内容

本文描述用于模数转换的系统、方法和装置。本文所公开的系统、方法和装置涉及每级一位ADC。所述每级一位ADC在每一个级处提取一个或多个位，并且产生残差以使得后继类似或相同级可提取更多个位。所述ADC使用反射二进制输出码，以使得可通过观察输入的符号(例如，极性)来提取位。残差可通过整流输入，使所述输入乘以二，并且使所述输入电平移位半个跨度来生成。一方面，用于模数转换的方法包括：用输入电压对第一电容器和第二电容器充电，每一个电容器具有第一板和第二板；将第一参考电压连接至第一电容器的第二板；将第二参考电压连接至第二电容器的第一板；使用比较器确定输出电压的极性，其中输出电压为第一电容器的第一板与第二电容器的第二板之间的电压差；输出表示极性的二进制位；以及，基于二进制位切换输出电压的极性以整流输出电压。