TWI220351B - Automatic threshold control circuit and a signal transform circuit and method apply thereof - Google Patents

Description

1220351 五、發明說明（1) 發明所屬之___技術領域 本發明是有關於一種應用於積體電路之接收電路，且 特別是有關於一種數位通訊系統的臨界電壓自動控制電路 (automatic threshold control circuit)以及應用其之 訊號轉換電路。特別適用於頻移鍵值（F r e q u e n c y - S h i f t Keying，FSK)、幅移鍵值（Amp 1itude-Shift Keying, ASK)或通斷鍵值（〇n-〇ff Keying，〇〇K)之數位通訊系統。 先前技術 曰常生活中，常常需要彼此通訊聯絡。而在商業或是 軍事需求上，更是需要快速可靠之通訊方式。其中 F S K / A S K數位通訊系統即為符合現代需求之一通訊方式。 而在FSK/ASK數位通訊系統中，負責接收訊號的接收端最 後通常會有一比較器來決定接收到的位元為邏輯0或邏輯 1。此比較器其中之一輸入端為接收到的類比訊號，另一 輸入端則為臨界電壓。若類比訊號高於臨界電壓，則判定 為邏輯1 (或邏輯0)，反之則為邏輯0 (或邏輯1)。 習知產生臨界電壓之方式中，有些晶片直接採用固定 電壓源當作臨界電壓。第1 A至1 C圖是說明習知使用固定電 壓源之類比/數位轉換電路及其訊號時序關係。請參照第 1 A圖，臨界電壓VREF係由一固定電壓源所供給。比較器1 1 〇 接收類比訊號VIN及臨界電壓VREF並比較之，如第1 B圖所 示，若類比訊號VIN高於臨界電壓VREF，則判定為邏輯1 (或 邏輯〇 )，反之則為邏輯0 (或邏輯1 )，依所判定結果輸 出數位訊號VQUt。理想情況下，臨界電壓VREF係等於類比訊

11870twf.pt.d 第6頁 1220351 五、發明說明（2) 號VIN之平均值。然而在實作上，常因通訊環境不同、溫度 改變、或半導體製程參數漂移，導致類比訊號之直流準位 改變。第1 C圖即說明此現象，類比訊號vIN因受上述各種因 素所影響，使得其直流準位大於臨界電壓VREF。故此比較器 1 1 0基於類比訊號VIN與臨界電壓VREF之大小關係而輸出錯誤 之數位訊號V。"。 為改進前述直接採用固定電壓源當作臨界電壓之缺 點，習知利用電阻電容所組成之濾波電路（以下簡稱R C濾 波）將接收到之類比訊號的直流成分濾出，成為臨界電 壓。請參閱第2圖，該圖係說明習知採用R C濾波技術完成 之臨界電壓自動控制電路與使用其之類比/數位轉換電 路。電阻2 3 0之一端接收類比訊號VIN，另一端與電容2 2 0之 其中一端耦接以輸出臨界電壓VREF。此電容之另一端係接 地。比較器2 1 0接收並比較類比訊號VIN與臨界電壓VREF後， 輸出數位訊號VQUt。此習知所採用之技術雖能隨類比訊號之 漂移而自動產生對應之臨界電壓，但若類比訊號傳送資料 的速率是屬每秒千位元（K b p s )等級，R C時間常數需很大 (至少1毫秒，1 m s e c )。要達到此一時間常數至少需要 約1 Μ Ω之電阻值以及約1 0 0 0 p F之電容值，這樣大電阻值 與大電容值若欲實施於積體電路中，因所佔面積過大而並 不適合整合於晶片中（於CMOS 0. 6 //m製程中，平均每1 ΚΩ電阻需占12/zm xl2//m晶片面積，而電容平均每1 pF 需占20//m x20/zm晶片面積）。另外一旦決定了電容電 阻值並整合於晶片中，便無法再調整RC時間常數。

11870t.wf. ptd 第7頁 1220351 五、發明說明（3) 發明内容 因此本發明的目的就是在提供一種臨界電壓自動控制 電路與應用其之訊號轉換電路及方法，使有效減少電容值 而易於整合至晶片中。 本發明的再一目的是提供一種臨界電壓自動控制電路 與應用其之訊號轉換電路及方法，以減少晶片外部零件並 降低系統製作成本。 本發明的又一目的是提供一種臨界電壓自動控制電路 與應用其之訊號轉換電路及方法，可藉由切換時脈頻率來 調整RC時間常數。 本發明提出一種臨界電壓自動控制電路，此控制電路 包括：第一電容、時脈源及切換電容網路。第一電容具有 一第一端與一第二端，此第一端耦接一第一電壓準位。時 脈源用以產生多個時脈訊號。切換電容網路耦接於第一電 容之第二端，用以接收類比訊號及前述各時脈訊號，依其 中一時脈訊號儲存類比訊號之部分電荷，且依另一時脈訊 號將前述之部分電荷輸出並與第一電容產生一臨界電壓。 依照本發明的較佳實施例所述，上述之切換電容網路 包括：多個感控開關以及第二電容。其中之一感控開關受 一時脈訊號控制以使之導通或斷開。各感控開關係以串接 結構耦接，並於該串接結構之其中一端接收類比訊號，另 一端與第一電容之第二端耦接以輸出臨界電壓。該串接結 構中相鄰的二感控開關之間與第二電容的其中一端耦接， 第二電容之另一端耦接一第二電壓準位。前述之各時脈訊

11870twf.pt.d 第8頁 1220351 五、發明說明（4) 號之頻率相同但相位不同，且各時脈訊號互不重疊。本發 明之臨界電壓自動控制電路於此實施例中，係可以應用於 頻移鍵值（Frequency-Shift Keying， FSK)數位通訊系 統、幅移鍵值（Amplitude-Shift Keying, ASK)數位通訊 系統或通斷鍵值（On-Off Keying， 00K)數位通訊系統中。 本發明另外提出一種訊號轉換電路，包括：第一電 容、時脈源、切換電容網路以及比較器。時脈源用以產生 多個時脈訊號，各時脈訊號之頻率相同但相位不同。第一 電容具有第一端與第二端，其中第一端耦接第一電壓準 位。切換電容網路耦接於第一電容之第二端，接收類比訊 號及各時脈訊號並依時脈訊號儲存類比訊號之部分電荷， 且依時脈訊號將前述之部分電荷輸出並與第一電容產生一 臨界電壓。比較器用以比較臨界電壓及類比訊號，由比較 結果輸出一數位訊號。 依照本發明的較佳實施例所述，上述之切換電容網路 包括：多個感控開關及第二電容。各感控開關受時脈訊號 控制以使之導通或斷開。各感控開關以一串接結構耦接， 於此串接結構之其中一端接收類比訊號，另一端與第一電 容之第二端耦接以輸出臨界電壓。串接結構中相鄰的二感 控開關之間與第二電容的其中一端耦接，第二電容之另一 端耦接第二電壓準位。本實施例中各時脈訊號之頻率相同 但相位不同，且各時脈訊號互不重疊。本發明之訊號轉換 電路與此實施例中，可以應用於FSK數位通訊系統、ASK數 位通訊系統以及0 0 K數位通訊系統。

11870t.wf .pt.d 第9頁 1220351 五、發明說明（5) 習知由電阻電容所組成之濾波電路（以下簡稱RC濾波 )具有耗費晶片面積與無法更改晶片中之RC時間參數之種 種缺點’所以本發明提出一種臨界電壓自動控制電路以改 進習知技術之缺點。本發明因採用多個感控開關與電容所 組成之切換電容網路以代替習知R C濾波電路中之電阻，因 此可以輕易整合於晶片中，使得減少外部零件並降低硬體 成本。更可以藉由調整時脈訊號之頻率，來調整RC時間常 數。 為讓本創作之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉二較佳實施例，並配合所附圖式，作詳 細說明。在圖中，當元件被指為”連接”或"耦接”至另一元 件時，其可為直接連接或耦接至另一元件，或可能存在介 於其間之元件。相對地，當元件被指為π直接連接π或”直 接耦接π至另一元件時，則不存在有介於其間之元件。 實施方式： 如前面所述，習知技術利用RC滤波電路達成臨界電壓 自動控制之目的。而於實作上，電容及電阻相當耗佔晶片 面積，因而無法整合於晶片中。解決方式是將此電容與電 阻外接於晶片外，此法雖可達成臨界電壓自動控制之要 求，但卻增加零件成本。本發明揭示一種臨界電壓自動控 制電路以改進習知技術之缺點。 第3圖係繪示依照本發明所舉出一較佳實施例的一種 臨界電壓自動控制電路與使用其之訊號轉換電路的電路 圖。本實施例包括：電容C1 、電容C 2、感控開關31、感控

11870t.wf .pt.d 第10頁 1220351 五、發明說明（6) 開關S 2及時脈源3 2 0。第3圖中切換電容網路3 3 0接收時脈 源所輸出之時脈訊號以控制其中之感控開關S 1及S 2，使感 控開關S 1及S 2同時間只有一開關處於導通狀態，此時另一 感控開關則為斷開狀態。當感控開關S 1及S 2受時脈訊號控 制而輪番開合之際，電容C 1因感控開關S 1導通而儲存類比 訊號VIN之部分電荷△ Q，其公式如下： △ Q = C1(VIN - VREF) (公式1 ) 於本實施例中，電容C 1譬如為0 . 5微微法拉（p F )。而流經 切換電容網路3 3 0之平均電流I avg與時脈源之週期T (頻率f ) 關係如下：

△ Q/T

Cl X f(V

IN

V

REF (公式2 ) 於本實施例中，頻率f譬如為4 0千赫（Κ Η z )。此時切換電容 網路3 3 0之等效電阻Reff為：

Reff = (VIN - VREF)/ Iavg = 1/(C1 x f) (公式3 ) 若適當調整時脈源3 2 0，使控制感控開關S 1之時脈訊號與 控制感控開關S 2之時脈訊號，使其頻率相同但相位不同且 互不重疊，則可以使切換電容網路3 3 0配合電容C 2而達成 RC濾波之要求，並輸出臨界電壓VREF。於本實施例中，電容 C 2譬如為1 0微微法拉（p F )。電容C 1與電容C 2之其中一端在 本實施例中雖同樣接地，但任何熟悉此技藝者可將其分別 改接至不同之直流電壓準位，而結果仍不脫離本發明之.範 疇。 本實施例中所提及之感控開關可以金氧半場效電晶體 (M0S-FET)實施而整合於晶片中。本發明之臨界電壓自動

11870twf .pt.d 第11頁 1220351 五、發明說明（7) 控制電路於本實施例中，可以應用於F S K數位通訊系統、 A S K數位通訊系統及0 0 K數位通訊系統。 依照本發明所提出之一種訊號轉換電路舉出另一較佳 實施例。本實施例相似於前一較佳實施例，其不同之處在 於將前一實施例中所輸出之臨界電壓VREF更進一步引接至一 比較器3 1 0 。請依然參考第3圖，圖中利用切換電容網路 3 3 0達到一等效電阻之功能，配合電容C 2而形成一臨界電 壓自動控制電路。比較器3 1 0接收類比訊號VIN與臨界電壓V REF並比較之，依比較結果產生數位訊號。 綜上所述，本發明之另一觀點可整理成一種訊號轉換 之方法，可以將類比訊號轉換成數位訊號。本發明首先提 供第一電容以及多個時脈訊號，而後依其中一時脈訊號儲 存類比訊號之部分電荷，並依另一時脈訊號將此部分電荷 配合第一電容產生臨界電壓。最後比較類比訊號與臨界電 壓，而依比較結果輸出數位訊號。 上述訊號轉換之方法中時脈訊號譬如包括第一時脈訊 號與第二時脈訊號，而第一時脈訊號與第二時脈訊號之頻 率相同但互不重疊。因此前述訊號轉換之方法中，有關產 生臨界電壓之步驟在此舉例說明。於本例中首先提供第二 電容，依照第一時脈訊號導通類比訊號至第二電容，以使 第二電容儲存此類比訊號之部分電荷。接著依照第二時脈 訊號導通第一電容與第二電容，以使部分電荷配合第一電 容產生臨界電壓。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用

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11870t.wf. ptd 第13頁 1220351 圖式簡單說明 第1 A至1 C圖是說明習知使用固定電壓源之類比/數位 轉換電路及其訊號時序關係。 第2圖是說明習知採用R C濾波技術完成之臨界電壓自 動控制電路與使用其之類比/數位轉換電路。 第3圖是依照本發明所舉出一較佳實施例所繪示的一 種臨界電壓自動控制電路與使用其之訊號轉換電路的電路 圖。 圖式標記說明 110 、 210 220 230 320 330 電容 電阻 時脈源 切換電容網路

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Claims (1)

1220351 六、申請專利範圍 1. 接一第 一種 第一 一電 時脈 切換 臨界電壓 電容， 壓準位 源，用 電容網 動控制電路，包括： 具有一第一端與一第二端，該第 端耦 以接收 該類比 荷輸出 2.路，其 複 控制以 接，於 構之另 壓；以 至 之間與 耦ί接一 3.路，其 4.路，其 5.路，其 類比訊號 訊號 並與 如申 中該 數個 使之 該串 一端 及 少一 該第 第二 如申 中該 如申 中該 如申 中該 之一部 該第一 請專利 切換電 感控開 導通或 接結構 與該第 第二電 二電容 電壓準 請專利 些時脈 請專利 複數個 請專利 些感控 以產 路， 及該 分電 電容 範圍 容網 關， 斷開 之其 一電 生複數個時脈訊號；以及 耦f接於該第一電容之該第二端，用 些時脈訊號，依該些時脈訊號儲存 荷，且依該些時脈訊號將該部分電 產生一臨界電壓。 第1項所述之臨界電壓自動控制電 路包括： 該些感控開關之一受該些時脈訊號 ，該些感控開關以一串接結構輕 中一端接收該類比訊號，該串接結 容之該第二端耦接以輸出該臨界電 容，該串接結構中相鄰的該些感控開關 的其中一端耦接，該第二電容之另一端 位。 範圍第2項所述之臨界電壓自動控制電 訊號之頻率相同但相位不同。 範圍第3項所述之臨界電壓自動控制電 時脈訊號互不重疊。 範圍第4項所述之臨界電壓自動控制電 開關係以金氧半場效電晶體（M0S-FET)

11870t.wf.ptd 第15頁 1220351 六、申請專利範圍 實施之。 6 ·如申請專利範圍第5項所述之臨界電壓自動控制電 路，其中該第一電壓準位以及該第二電壓準位為一直流電 壓準位。 7 ·如申請專利範圍第1項所述之臨界電壓自動控制電 路，其係應用於一頻移鍵值（Frequency-Shift Keying， F S K )數位通訊系統。 位通訊系統。 如申請專利範圍第1項所述之臨界電壓 8 .如申請專利範圍第1項所述之臨界電壓自動控制電 路，其係應用於一幅移鍵值（Amplitude-Shift Keying， ASK)數 動控制電 9. 路，其係應用於一通斷鍵值（On-Off Keying， 00K)數位通 訊系統。 1 0 . —種訊號轉換電路，包括： 一第一電容，具有一第一端與一第二端，該第一端耦 接一第一電壓準位； 一時脈源，用以產生複數個時脈訊號，該些時脈訊號 之頻率相同但相位不同； 一切換電容網路，耦接於該第一電容之該第二端，用 以接收一類比訊號及該些時脈訊號，依該些時脈訊號儲存 該類比訊號之一部分電荷，且依該些時脈訊號將該部分電 荷輸出並與該第一電容產生一臨界電壓；以及 一比較器，用以比較該臨界電壓及該類比訊號，並輸 出一數位訊號。

11870twf，ptd 第16頁 1220351 六、申請專利範圍 1 1 ·如申請專利範圍第1 〇項所述之訊號轉換電路，其 中該切換電容網路包括： 複數個感控開關，該些感控開關之一受該些時脈訊號 控制以使之導通或斷開，該些感控開關以一串接結構耦 接，於該串接結構之其中一端接收該類比訊號，該串接結 構之另一端與該第一電容之該第二端耦接以輸出該臨界電 壓；以及 至少一第二電容，該串接結構中相鄰的該些感控開關 之間與該第二電容的其中一端耦接，該第二電容之另一端 耦接一第二電壓準位。 1 2 .如申請專利範圍第1 1項所述之訊號轉換電路，其 中該些時脈訊號之頻率相同但相位不同。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項所述之訊號轉換電路，其 中該複數個時脈訊號互不重疊。 1 4.如申請專利範圍第1 3項所述之訊號轉換電路，其 中該些感控開關係以金氧半場效電晶體（M0S-FET)實施 之。 1 5 .如申請專利範圍第1 4項所述之訊號轉換電路，其 中該第一電壓準位以及該第二電壓準位為一直流電壓準 位。 1 6 .如申請專利範圍第1 0項所述之訊號轉換電路，其 係應用於一頻移鍵值（Frequency-Shift Keying， FSK)數 位通訊系統。 1 7.如申請專利範圍第1 0項所述之訊號轉換電路，其

11870twf.ptd 第17頁 1220351 六、申請專利範圍 係應用於一幅移鍵值（Amplitude-Shift Keying, ASK)數 位通訊系統。 1 8 .如申請專利範圍第1 0項所述之訊號轉換電路，其 係應用於一通斷鍵值（On-Off Keying， 00K)數位通訊系 統。 1 9 . 一種訊號轉換之方法，用以將一類比訊號轉換成 一數位訊號，包括下列步驟： 提供一第一電容以及複數個時脈訊號； 依該些時脈訊號儲存該類比訊號之一部分電荷，且依 該些時脈訊號將該部分電荷配合該第一電容產生一臨界電 壓；以及 比較該類比訊號與該臨界電壓，而輸出該數位訊號。 2 0 .如申請專利範圍第1 9項所述之訊號轉換之方法， 其中該些時脈訊號包括一第一時脈訊號與一第二時脈訊 號，該第一時脈訊號與該第二時脈訊號頻率相同但互不重 疊，而產生該臨界電壓之步驟包括： 提供一第二電容； 依該第一時脈訊號，導通該類比訊號至該第二電容， 以儲存該類比訊號之該部分電荷於該第二電容中；以及 依該第二時脈訊號，導通該第一電容與該第二電容， 以使該部分電荷配合該第一電容產生該臨界電壓。

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