TWI783351B - 類比數位轉換系統與方法 - Google Patents
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Abstract
一種類比數位轉換系統，包含類比數位轉換器及電源供應器。類比數位轉換器用以轉換類比輸入訊號以產生數位輸出訊號，與用以依據轉換類比輸入訊號的狀態產生控制訊號。電源供應器用以提供供應電壓至類比數位轉換器，並依據控制訊號改變電源供應器提供供應電流的能力，以穩定供應電壓。
Description
本發明是關於一種轉換系統，特別是關於一種類比數位轉換系統與類比數位轉換方法。
類比數位轉換器在操作時需要消耗大量的功率。當電源供應裝置來不及提供足量的功率時，電源供應裝置輸出的電壓會下降。此時類比數位轉換器操作的效能將降低。然而類比數位轉換器並不是在操作中的每一個時段都消耗大量的功率，因此，電源供應裝置要如何搭配類比數位轉換器來執行消耗大量功率的操作，以維持類比數位轉換器操作的效能，已成為本領域極欲解決的問題之一。
本發明揭露一種類比數位轉換系統，其包含類比數位轉換器及電源供應器。類比數位轉換器用以轉換類比輸入訊號以產生數位輸出訊號，與用以依據轉換類比輸入訊號的狀態產生控制訊號。電源供應器用以提供供應電壓至類比數位轉換器，並依據控制訊號改變電源供應器提供供應電流的能力，以穩定供應電壓。
本發明揭露一種類比數位轉換方法，其包含以下操作：轉換類比輸入訊號以產生數位輸出訊號；依據轉換類比輸入訊號的狀態產生控制訊號；及提供供應電壓與供應電流。提供供應電壓與供應電流包含依據控制訊號改變提供供應電流的能力，以穩定供應電壓。
相較於習知技術，本申請的類比數位轉換系統與方法利用類比數位轉換器產生數位輸出訊號的狀態來調整電源供應器提供供應電流的能力，以維持類比數位轉換器工作的效能。
圖1為依據本發明一些實施例，類比數位轉換系統10的示意圖。類比數位轉換系統10包含電源供應器100與類比數位轉換器(analog-to-digital converter，後文簡寫為ADC)200，其用以將類比輸入訊號SA轉換成數位輸出訊號SD。
電源供應器100提供供應電壓Vo及供應電流Io至ADC 200，ADC 200從而利用供應電壓Vo及供應電流Io將類比輸入訊號SA轉換成數位輸出訊號SD。
ADC 200的操作可分為高耗電狀態、低耗電狀態與空閒狀態。其中當ADC 200用於取樣操作時，ADC 200處於低耗電狀態，而當ADC 200用於轉換操作時，ADC 200處於高耗電狀態。當ADC 200結束轉換操作後至下一次要取樣操作之前則是處於空閒狀態。在取樣操作下，ADC 200主要對類比輸入訊號SA執行取樣。在轉換操作下，ADC 200主要轉換取樣後的類比輸入訊號SA以產生數位輸出訊號SD。在取樣操作下，由ADC 200中的取樣電路進行操作，其所消耗的功率很低。在轉換操作下，ADC 200的操作所消耗的功率會遠大於取樣操作下所消耗的功率。
在先前技術中，ADC在轉換操作下所需要的峰值功率大於電源供應器所提供的功率。在此情況下，當ADC需要消耗該峰值功率的時候，電源供應器所提供的功率不足以供應ADC，使得供應電壓下降，進而使得ADC的效能降低。
相較於先前技術，本發明所提供的類比數位轉換系統10可在ADC 200於轉換操作產生數位輸出訊號SD時，依據ADC 200於轉換操作的高耗電狀態，由ADC 200產生控制訊號SC至電源供應器100，使電源供應器100可依據控制訊號SC改變本身提供供應電流Io的能力，進而穩定所提供的供應電壓Vo。其細節請參考圖2至圖4之說明。
圖2為依據本發明一些實施例，電源供應器100的示意圖。電源供應器100包含電壓控制電路110、功率電晶體120、電容C1、電容C2、電容C3與電阻R1。電壓控制電路110通過一控制節點NC耦接功率電晶體120的控制端。電容C1的第一端用以接收控制訊號SC，電容C1的第二端通過控制節點NC耦接功率電晶體120的控制端。功率電晶體120的第一端用以接收參考電壓Vref，功率電晶體120的第二端耦接電容C2的第一端與電阻R1的第一端。功率電晶體120的第二端用以產生供應電壓Vo，並藉由功率電晶體120的第二端向ADC 200提供供應電流Io。電容C2的第二端與電阻R1的第二端接地。電容C3的第一端通過控制節點NC耦接功率電晶體120的控制端，電容C3的第二端接地。在一些實施例中，電源供應器100可不包含電容C3。
電壓控制電路110用以產生控制電壓VC於控制節點NC上，功率電晶體120依據參考電壓Vref與控制節點NC上的電壓位準來產生供應電壓Vo與供應電流Io。當控制訊號SC不為類比數位轉換系統10的接地電位時，其透過電容C1改變控制節點NC上的電壓位準。因此，當參考電壓Vref與控制電壓VC不改變時，功率電晶體120產生的供應電壓Vo與供應電流Io隨著控制訊號SC的電壓位準的改變而改變。
在一些實施例中，功率電晶體120為N型電晶體，當控制節點NC上的電壓位準被提高時，因為功率電晶體120的控制端上的電壓位準提高，功率電晶體120提供供應電流Io的能力被提高。在一些實施例中，控制訊號SC為數位訊號，其具有第一位準或第二位準，其中第二位準低於第一位準。當控制訊號SC具有第一位準時功率電晶體120所提供的供應電流Io的電流值大於當控制訊號SC具有第二位準時功率電晶體120所提供的供應電流Io的電流值。
請同時參考圖1與圖2。當ADC 200在取樣操作時，ADC 200在低耗電狀態，其所消耗的功率很低。供應電流Io大致上不流向ADC 200，使得在功率電晶體120的第二端的供應電壓Vo保持穩定。在取樣操作下，ADC 200對供應電流Io的依賴度低。因此，控制訊號SC的電壓位準被控制在較低的第二位準，不提升功率電晶體120提供供應電流Io的能力。在一些實施例中，在取樣操作下，因為供應電流Io不流向ADC 200，使得電容C2的第一端累積電荷，從而提升供應電壓Vo的電壓位準。
當ADC 200在轉換操作時，ADC 200在某些時段消耗大於電源供應器100原本提供的功率。相較於取樣操作，在轉換操作下的ADC 200處於高耗電狀態。為了保持供應電壓Vo的穩定，控制訊號SC的電壓位準被控制在較高的第一位準，提升功率電晶體120提供供應電流Io的能力，以匹配ADC 200所需要的功率。當電源供應器100所供應的功率足以提供ADC 200時，供應電壓Vo不會降低，進而穩定供應電壓Vo。
在一些實施例中，電壓控制電路110用以提供雜訊較小的控制電壓VC。電壓控制電路110包含電流源IB1、放大器OP、電晶體M1、電阻R2與電阻R3。電流源IB1耦接放大器OP的正輸入端與電阻R2的第一端。放大器OP的輸出端耦接控制節點NC與電晶體M1的控制端。電晶體M1的第一端耦接系統電壓V1。放大器OP的負輸入端耦接電阻R3的第一端與電晶體M1的第二端。電阻R2與電阻R3的第二端接地。
請參考圖3。圖3為依據本發明一些實施例的ADC 200的示意圖。ADC 200包含類比數位轉換電路210與控制訊號產生電路220。控制訊號產生電路220用以產生至少一轉換控制訊號SK至類比數位轉換電路210，使類比數位轉換電路210依據至少一轉換控制訊號SK取樣類比輸入訊號SA及轉換取樣的類比輸入訊號SA以產生數位輸出訊號SD。控制訊號產生電路220更用以依據至少一轉換控制訊號SK來產生控制訊號SC至電源供應器100。
在一些實施例中，ADC 200為逐次逼近類比數位轉換器(successive-approximation register ADC，SAR ADC)，用以將類比輸入訊號SA轉換成n位元的數位輸出訊號SD。在轉換模式下，類比數位轉換電路210依據至少一轉換控制訊號SK將類比輸入訊號SA依序地產生為n位元的數位輸出訊號SD，其中n為正整數。在一些實施例中，當類比數位轉換電路210轉換產生數位輸出訊號SD的第一位元(亦即最高有效位元MSB)與第n位元(亦即最低有效位元LSB)之間的時間內，類比數位轉換電路210處於上述的高耗電狀態。
控制訊號產生電路220依據類比數位轉換電路210操作的狀態產產生控制訊號SC。具體來說，在取樣操作下，控制訊號產生電路220依據至少一轉換控制訊號SK，產生具有第二位準的控制訊號SC。在一些實施例中，在轉換操作下，控制訊號產生電路220依據至少一轉換控制訊號SK，產生具有第一位準的控制訊號SC。依據圖2的內容，在轉換操作下，具有第一位準的控制訊號SC使得圖2中功率電晶體120提供供應電流Io的能力上升。
在另一些實施例中，在轉換操作下，依據至少一轉換控制訊號SK，控制訊號產生電路220在產生數位輸出訊號SD的第x位元與第y位元之間產生具有第一位準的控制訊號SC，並在產生數位輸出訊號SD的第1位元與第x位元之間與第y位元與第n位元之間產生具有第二位準的控制訊號SC。x與y皆為正整數，y大於x，及n大於等於y。亦即，只有在轉換操作的部分時段(承前，產生數位輸出訊號SD的第一位元至第n位元的時間內皆屬於轉換操作，但僅有產生數位輸出訊號SD的第x位元與第y位元之間的控制訊號SC對應至較高位準)，功率電晶體120提供供應電流Io的能力被提升。換言之，控制訊號產生電路220依據類比數位轉換電路210操作的狀態(高耗電狀態或低耗電狀態)，用以選擇在轉換操作下的高耗電狀態的部分時段產生可提高功率電晶體120提供供應電流Io能力的控制訊號SC。
SAR ADC 200依據類比數位轉換電路210操作的狀態產生控制訊號SC之操作(亦即將輸出訊號SD的第x位元與第y位元之間的控制訊號SC對應至較高位準，及將第1位元與第x-位元與第y+1位元與第n位元之間的控制訊號SC對應至較低位準)可藉由發明專利申請案號第102101306號(公開編號 TW 201429166 A)之內容實現。發明專利申請案號第102101306號以引用之方式併入本文中。
上述的電源供應器100與ADC 200的配置僅為示例之用途。各種不同的電源供應器100與ADC 200的配置均在本發明的考量與範疇之內。例如，在其他實施例中，電源供應器100可由圖4所示的電源供應器400取代。
參考圖4。圖4為依據本發明其他實施例中的電源供應器400的示意圖。電源供應器400包含電壓控制電路110、功率電晶體120、電容C2、電阻R1、電流鏡電路130、電晶體M2與電晶體M3。相較於圖2，電源供應器400的電壓控制電路110、功率電晶體120、電容C2、電阻R1的配置與電源供應器100的電壓控制電路110、功率電晶體120、電容C2、電阻R1的配置大致相同，其細節於此不再贅述。
如圖4所示，電流鏡電路130耦接電晶體M2的第一端。電晶體M2的第二端透過控制節點NC耦接至功率電晶體120的控制端。電晶體M3的第一端透過控制節點NC耦接至功率電晶體120的控制端，電晶體M3的第二端接地。電晶體M2的控制端與電晶體M3的控制端用以接收控制訊號SC。在一些實施例中，電流鏡電路130包含電晶體M4、電晶體M5與電流源IB2。電晶體M4的第一端用以接收系統電壓V2，電晶體M4的第二端耦接電晶體M2的第一端，電晶體M4的控制端耦接電晶體M5的控制端、電晶體M5的第二端與電流源IB2的第一端，電晶體M5的第一端用以接收系統電壓V3，電流源IB2的第二端接地。在一些實施例中，系統電壓V2與系統電壓V3相等。
在一些實施例中，電晶體M2為P型電晶體，電晶體M3為N型電晶體。當控制訊號SC具有第一位準時，電晶體M2關閉及電晶體M3導通。控制節點NC的電壓位準因為電晶體M3的導通而降低，使得功率電晶體120提供供應電流Io的能力下降。當控制訊號SC具有第二位準時，電晶體M3關閉及電晶體M2導通。控制節點NC的電壓位準因為電晶體M2的導通提升，使得功率電晶體120提供供應電流Io的能力上升。
請同時參考圖3、圖4與圖5。在其他實施例中，圖3中的ADC 200為管線式類比數位轉換器(pipeline ADC)，管線式ADC 200藉由至少一轉換控制訊號SK中的時脈訊號clk1與時脈訊號clk2將其控制在取樣操作或是轉換操作下。在圖5中，當時脈訊號clk1與時脈訊號clk2中之一者具有第一位準時(如時段T1、T2、T3、T4)，管線式ADC 200被控制在取樣操作下。當時脈訊號clk1與時脈訊號clk2兩者皆具有第二位準時(如時段T5、T6、T7)，管線式ADC 200被控制在轉換操作下。在取樣操作下，ADC 200產生具有第一位準的控制訊號SC至電源供應器400。在轉換操作下，ADC 200產生具有第二位準的控制訊號SC至電源供應器400。基於這樣的操作，電源供應器400在轉換操作下的提供供應電流Io的能力可被提升，使供應電壓Vo趨於穩定。在一些實施例中，控制訊號產生電路220將時脈訊號clk1與時脈訊號clk2做反及閘(NAND gate)的邏輯運算以產生控制訊號SC。依據反及閘的邏輯運算，當時脈訊號clk1與時脈訊號clk2中之一者具有第一位準，控制訊號SC具有第二位準。當時脈訊號clk1與時脈訊號clk2兩者皆具有第二位準，控制訊號SC具有第一位準。
上文的敘述簡要地提出了本申請某些實施例之特徵，而使得本申請所屬技術領域具有通常知識者能夠更全面地理解本申請內容的多種態樣。本申請所屬技術領域具有通常知識者當可明瞭，其可輕易地利用本申請內容作為基礎，來設計或更動其他製程與結構，以實現與此處該之實施方式相同的目的和/或達到相同的優點。本申請所屬技術領域具有通常知識者應當明白，這些均等的實施方式仍屬於本申請內容之精神與範圍，且其可進行各種變更、替代與更動，而不會悖離本申請內容之精神與範圍。
10: 類比數位轉換系統
100: 電源供應器
200: 類比數位轉換器
400: 類比數位轉換器
SA: 類比輸入訊號
SD: 數位輸出訊號
SC: 控制訊號
Vo: 供應電壓
Io: 供應電流
110: 電壓控制電路
120: 功率電晶體
130: 電流鏡電路
C1: 電容
C2: 電容
C3: 電容
R1: 電阻
R2: 電阻
R3: 電阻
M1: 電晶體
M2: 電晶體
M3: 電晶體
M4: 電晶體
M5: 電晶體
NC: 控制節點
VC: 控制電壓
OP: 放大器
IB1: 電流源
IB2: 電流源
Vref: 參考電壓
V1: 系統電壓
V2: 系統電壓
V3: 系統電壓
210: 類比數位轉換電路
220: 控制訊號產生電路
SK: 至少一轉換控制訊號
clk1: 時脈訊號
clk2: 時脈訊號
T1: 時段
T2: 時段
T3: 時段
T4: 時段
T5: 時段
T6: 時段
T7: 時段
在閱讀了下文實施方式以及附隨圖式時，能夠最佳地理解本申請的多種態樣。應注意到，根據本領域的標準作業習慣，圖中的各種特徵並未依比例繪製。事實上，為了能夠清楚地進行描述，可能會刻意地放大或縮小某些特徵的尺寸。
圖1為本發明一些實施例中，類比數位轉換系統的示意圖。
圖2為本發明一些實施例中，電源供應器的示意圖。
圖3為本發明一些實施例中，類比數位轉換器的示意圖。
圖4為本發明其他些實施例中，電源供應器的示意圖。
圖5為本發明其他些實施例中，控制訊號的波型示意圖
10: 類比數位轉換系統
100: 電源供應器
200: 類比數位轉換器
SA: 類比輸入訊號
SD: 數位輸出訊號
SC: 控制訊號
Vo: 供應電壓
Io: 供應電流
Claims (6)
- 一種類比數位轉換系統，包含：一類比數位轉換器，用以轉換一類比輸入訊號以產生一數位輸出訊號，與用以依據轉換該類比輸入訊號的一狀態產生一控制訊號；及一電源供應器，用以提供一供應電壓至該類比數位轉換器，並依據該控制訊號改變該電源供應器提供一供應電流的一能力，以穩定該供應電壓，其中該電源供應器包含：一電壓控制電路，用以產生一控制電壓於一控制節點上；一功率電晶體，其中該功率電晶體的一第一端用以接收一參考電壓，該功率電晶體的一控制端用以耦接該控制節點，及該功率電晶體用以依據該參考電壓、該控制電壓與該控制訊號輸出該供應電壓於該功率電晶體的一第二端上；一第一電容，其中該第一電容的一第一端用以接收該控制訊號，及該第一電容的一第二端用以耦接該控制節點；一第二電容，其中該第二電容的一第一端耦接該功率電晶體的該第二端，及該第二電容的一第二端耦接一接地端；及一第一電阻，其中該第一電阻的一第一端耦接該功率電晶體的該第二端，及該第一電阻的一第二端耦接該接地端。
- 如請求項1中的類比數位轉換系統，其中該電源供應器更包含：一第三電容，耦接於該控制節點與該接地端之間。
- 一種類比數位轉換系統，包含：一類比數位轉換器，用以轉換一類比輸入訊號以產生一數位輸出訊號，與用以依據轉換該類比輸入訊號的一狀態產生一控制訊號；及 一電源供應器，用以提供一供應電壓至該類比數位轉換器，並依據該控制訊號改變該電源供應器提供一供應電流的一能力，以穩定該供應電壓，其中該電源供應器包含：一電壓控制電路，用以產生一控制電壓於一控制節點上；一功率電晶體，其中該功率電晶體的一第一端用以接收一參考電壓，該功率電晶體的一控制端用以耦接該控制節點，及該功率電晶體用以依據該參考電壓、該控制電壓與該控制訊號輸出該供應電壓於該功率電晶體的一第二端上；一第一電容，其中該第一電容的一第一端用以接收該控制訊號，及該第一電容的一第二端用以耦接該控制節點；一第二電容，其中該第二電容的一第一端耦接該功率電晶體的該第二端，及該第二電容的一第二端耦接一接地端；一第一電阻，其中該第一電阻的一第一端耦接該功率電晶體的該第二端，及該第一電阻的一第二端耦接該接地端；一電流鏡電路；一第一電晶體，其中該第一電晶體的一第一端耦接該電流鏡電路，該第一電晶體的一第二端耦接該控制節點，及該第一電晶體的一控制端用以接收該控制訊號；及一第二電晶體，其中該第二電晶體的一第一端耦接該控制節點，該第二電晶體的一第二端耦接該接地端，及該第二電晶體的一控制端用以接收該控制訊號，其中當該控制訊號具有一第一位準時，該第一電晶體關閉及該第二電晶體導通，使該控制節點上的一電壓位準降低，及當該控制訊號具有 低於該第一位準的一第二位準時，該第二電晶體關閉及該第一電晶體導通，使該控制節點上的該電壓位準提高。
- 一種類比數位轉換方法，包含：轉換一類比輸入訊號以產生一數位輸出訊號；依據轉換該類比輸入訊號的一狀態產生一控制訊號；及提供一供應電壓與一供應電流，包含：依據該控制訊號改變提供該供應電流的一能力，以穩定該供應電壓；藉由一功率電晶體的一第一端接收一參考電壓；產生一控制電壓；及依據該參考電壓、該控制電壓與該控制訊號，藉由該功率電晶體的一第二端輸出該供應電壓，包含：藉由一第一電容的一第一端接收該控制訊號；及藉由該功率電晶體的一控制端接收該控制電壓並耦接該第一電容的一第二端。
- 如請求項4中的類比數位轉換方法，其中提供該供應電壓與該供應電流更包含：透過一第二電容將該功率電晶體的該控制端接地。
- 如請求項4中的類比數位轉換方法，其中該控制訊號有一第一位準或一第二位準，其中該第二位準低於該第一位準，其中在一取樣操作下，該控制訊號具有該第二位準，及在一轉換操作下，該控制訊號具有該第一位準或該第二位準，其中該取樣操作下，轉換該類比輸入訊號的該狀態為低耗電狀態，及在轉換操作下，轉換該類比輸入訊號的該狀態為高耗電狀態， 其中在該轉換操作下，該功率電晶體的該控制端的一電壓位準藉由該控制訊號透過該第一電容被提高，以提高該功率電晶體提供該供應電流的該能力。
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- 2021-05-12 US US17/319,051 patent/US11509324B2/en active Active
Patent Citations (6)
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