模拟数字转换系统与方法与流程

1.本发明涉及一种转换系统，特别涉及一种模拟数字转换系统与模拟数字转换方法。


背景技术：

2.模拟数字转换器在操作时需要消耗大量的功率。当电源供应装置来不及提供足量的功率时，电源供应装置输出的电压会下降。此时模拟数字转换器操作的效能将降低。然而模拟数字转换器并不是在操作中的每一个时段都消耗大量的功率，因此，电源供应装置要如何搭配模拟数字转换器来执行消耗大量功率的操作，以维持模拟数字转换器操作的效能，已成为本领域极欲解决的问题之一。


技术实现要素：

3.本发明公开一种模拟数字转换系统，其包含模拟数字转换器及电源供应器。模拟数字转换器用以转换模拟输入信号以产生数字输出信号，以及用以依据转换模拟输入信号的状态产生控制信号。电源供应器用以提供供应电压至模拟数字转换器，并依据控制信号改变电源供应器提供供应电流的能力，以稳定供应电压。
4.本发明公开一种模拟数字转换方法，其包含以下操作：转换模拟输入信号以产生数字输出信号；依据转换模拟输入信号的状态产生控制信号；及提供供应电压与供应电流。提供供应电压与供应电流包含依据控制信号改变提供供应电流的能力，以稳定供应电压。
5.相较于现有技术，本技术的模拟数字转换系统与方法利用模拟数字转换器产生数字输出信号的状态来调整电源供应器提供供应电流的能力，以维持模拟数字转换器工作的效能。
附图说明
6.在阅读了下文实施方式以及附随附图时，能够最佳地理解本技术的多种实施方式。应注意到，根据本领域的标准作业习惯，图中的各种特征并未依比例绘制。事实上，为了能够清楚地进行描述，可能会刻意地放大或缩小某些特征的尺寸。
7.图1为本发明一些实施例中，模拟数字转换系统的示意图。
8.图2为本发明一些实施例中，电源供应器的示意图。
9.图3为本发明一些实施例中，模拟数字转换器的示意图。
10.图4为本发明其他些实施例中，电源供应器的示意图。
11.图5为本发明其他些实施例中，控制信号的波型示意图。
12.符号说明
13.10：模拟数字转换系统
14.100：电源供应器
15.200：模拟数字转换器
16.400：模拟数字转换器
17.sa：模拟输入信号
18.sd：数字输出信号
19.sc：控制信号
20.vo：供应电压
21.io：供应电流
22.110：电压控制电路
23.120：功率晶体管
24.130：电流镜电路
25.c1：电容
26.c2：电容
27.c3：电容
28.r1：电阻
29.r2：电阻
30.r3：电阻
31.m1：晶体管
32.m2：晶体管
33.m3：晶体管
34.m4：晶体管
35.m5：晶体管
36.nc：控制节点
37.vc：控制电压
38.op：放大器
39.ib1：电流源
40.ib2：电流源
41.vref：参考电压
42.v1：系统电压
43.v2：系统电压
44.v3：系统电压
45.210：模拟数字转换电路
46.220：控制信号产生电路
47.sk：至少一转换控制信号
48.clk1：时钟信号
49.clk2：时钟信号
50.t1：时段
51.t2：时段
52.t3：时段
53.t4：时段
54.t5：时段
55.t6：时段
56.t7：时段
具体实施方式
57.图1为依据本发明一些实施例，模拟数字转换系统10的示意图。模拟数字转换系统10包含电源供应器100与模拟数字转换器(analog-to-digital converter，后文简写为adc)200，其用以将模拟输入信号sa转换成数字输出信号sd。
58.电源供应器100提供供应电压vo及供应电流io至adc 200，adc 200从而利用供应电压vo及供应电流io将模拟输入信号sa转换成数字输出信号sd。
59.adc 200的操作可分为高耗电状态、低耗电状态与空闲状态。其中当adc 200用于取样操作时，adc 200处于低耗电状态，而当adc 200用于转换操作时，adc 200处于高耗电状态。当adc 200结束转换操作后至下一次要取样操作之前则是处于空闲状态。在取样操作下，adc 200主要对模拟输入信号sa执行取样。在转换操作下，adc 200主要转换取样后的模拟输入信号sa以产生数字输出信号sd。在取样操作下，由adc200中的取样电路进行操作，其所消耗的功率很低。在转换操作下，adc200的操作所消耗的功率会远大于取样操作下所消耗的功率。
60.在现有技术中，adc在转换操作下所需要的峰值功率大于电源供应器所提供的功率。在此情况下，当adc需要消耗该峰值功率的时候，电源供应器所提供的功率不足以供应adc，使得供应电压下降，进而使得adc的效能降低。
61.相较于现有技术，本发明所提供的模拟数字转换系统10可在adc 200于转换操作产生数字输出信号sd时，依据adc 200于转换操作的高耗电状态，由adc 200产生控制信号sc至电源供应器100，使电源供应器100可依据控制信号sc改变本身提供供应电流io的能力，进而稳定所提供的供应电压vo。其细节请参考图2至图4的说明。
62.图2为依据本发明一些实施例，电源供应器100的示意图。电源供应器100包含电压控制电路110、功率晶体管120、电容c1、电容c2、电容c3与电阻r1。电压控制电路110通过一控制节点nc耦接功率晶体管120的控制端。电容c1的第一端用以接收控制信号sc，电容c1的第二端通过控制节点nc耦接功率晶体管120的控制端。功率晶体管120的第一端用以接收参考电压vref，功率晶体管120的第二端耦接电容c2的第一端与电阻r1的第一端。功率晶体管120的第二端用以产生供应电压vo，并通过功率晶体管120的第二端向adc 200提供供应电流io。电容c2的第二端与电阻r1的第二端接地。电容c3的第一端通过控制节点nc耦接功率晶体管120的控制端，电容c3的第二端接地。在一些实施例中，电源供应器100可不包含电容c3。
63.电压控制电路110用以产生控制电压vc于控制节点nc上，功率晶体管120依据参考电压vref与控制节点nc上的电压位准来产生供应电压vo与供应电流io。当控制信号sc不为模拟数字转换系统10的接地电位时，其通过电容c1改变控制节点nc上的电压位准。因此，当参考电压vref与控制电压vc不改变时，功率晶体管120产生的供应电压vo与供应电流io随着控制信号sc的电压位准的改变而改变。
64.在一些实施例中，功率晶体管120为n型晶体管，当控制节点nc上的电压位准被提高时，因为功率晶体管120的控制端上的电压位准提高，功率晶体管120提供供应电流io的
能力被提高。在一些实施例中，控制信号sc为数字信号，其具有第一位准或第二位准，其中第二位准低于第一位准。当控制信号sc具有第一位准时功率晶体管120所提供的供应电流io的电流值大于当控制信号sc具有第二位准时功率晶体管120所提供的供应电流io的电流值。
65.请同时参考图1与图2。当adc 200在取样操作时，adc 200在低耗电状态，其所消耗的功率很低。供应电流io大致上不流向adc 200，使得在功率晶体管120的第二端的供应电压vo保持稳定。在取样操作下，adc 200对供应电流io的依赖度低。因此，控制信号sc的电压位准被控制在较低的第二位准，不提升功率晶体管120提供供应电流io的能力。在一些实施例中，在取样操作下，因为供应电流io不流向adc 200，使得电容c2的第一端累积电荷，从而提升供应电压vo的电压位准。
66.当adc 200在转换操作时，adc 200在某些时段消耗大于电源供应器100原本提供的功率。相较于取样操作，在转换操作下的adc 200处于高耗电状态。为了保持供应电压vo的稳定，控制信号sc的电压位准被控制在较高的第一位准，提升功率晶体管120提供供应电流io的能力，以匹配adc 200所需要的功率。当电源供应器100所供应的功率足以提供adc 200时，供应电压vo不会降低，进而稳定供应电压vo。
67.在一些实施例中，电压控制电路110用以提供噪声较小的控制电压vc。电压控制电路110包含电流源ib1、放大器op、晶体管m1、电阻r2与电阻r3。电流源ib1耦接放大器op的正输入端与电阻r2的第一端。放大器op的输出端耦接控制节点nc与晶体管m1的控制端。晶体管m1的第一端耦接系统电压v1。放大器op的负输入端耦接电阻r3的第一端与晶体管m1的第二端。电阻r2与电阻r3的第二端接地。
68.请参考图3。图3为依据本发明一些实施例的adc 200的示意图。adc 200包含模拟数字转换电路210与控制信号产生电路220。控制信号产生电路220用以产生至少一转换控制信号sk至模拟数字转换电路210，使模拟数字转换电路210依据至少一转换控制信号sk取样模拟输入信号sa及转换取样的模拟输入信号sa以产生数字输出信号sd。控制信号产生电路220还用以依据至少一转换控制信号sk来产生控制信号sc至电源供应器100。
69.在一些实施例中，adc 200为逐次逼近模拟数字转换器(successive-approximation register adc，sar adc)，用以将模拟输入信号sa转换成n比特的数字输出信号sd。在转换模式下，模拟数字转换电路210依据至少一转换控制信号sk将模拟输入信号sa按序地产生为n比特的数字输出信号sd，其中n为正整数。在一些实施例中，当模拟数字转换电路210转换产生数字输出信号sd的第1比特(亦即最高有效位msb)与第n比特(亦即最低有效位lsb)之间的时间内，模拟数字转换电路210处于上述的高耗电状态。
70.控制信号产生电路220依据模拟数字转换电路210操作的状态产生控制信号sc。具体来说，在取样操作下，控制信号产生电路220依据至少一转换控制信号sk，产生具有第二位准的控制信号sc。在一些实施例中，在转换操作下，控制信号产生电路220依据至少一转换控制信号sk，产生具有第一位准的控制信号sc。依据图2的内容，在转换操作下，具有第一位准的控制信号sc使得图2中功率晶体管120提供供应电流io的能力上升。
71.在另一些实施例中，在转换操作下，依据至少一转换控制信号sk，控制信号产生电路220在产生数字输出信号sd的第x比特与第y比特之间产生具有第一位准的控制信号sc，并在产生数字输出信号sd的第1比特与第x比特之间与第y比特与第n比特之间产生具有第
二位准的控制信号sc。x与y皆为正整数，y大于x，及n大于等于y。亦即，只有在转换操作的部分时段(承前，产生数字输出信号sd的第1比特至第n比特的时间内皆属于转换操作，但仅有产生数字输出信号sd的第x比特与第y比特之间的控制信号sc对应至较高位准)，功率晶体管120提供供应电流io的能力被提升。换言之，控制信号产生电路220依据模拟数字转换电路210操作的状态(高耗电状态或低耗电状态)，用以选择在转换操作下的高耗电状态的部分时段产生可提高功率晶体管120提供供应电流io能力的控制信号sc。
72.sar adc 200依据模拟数字转换电路210操作的状态产生控制信号sc的操作(亦即将输出信号sd的第x比特与第y比特之间的控制信号sc对应至较高位准，及将第1比特与第x-1比特与第y 1比特与第n比特之间的控制信号sc对应至较低位准)可通过发明专利申请案号第102101306号(公开编号tw 201429166a)的内容实现。发明专利申请案号第102101306号以引用的方式并入本文中。
73.上述的电源供应器100与adc 200的配置仅为示例的用途。各种不同的电源供应器100与adc 200的配置均在本发明的考量与范围之内。例如，在其他实施例中，电源供应器100可由图4所示的电源供应器400取代。
74.参考图4。图4为依据本发明其他实施例中的电源供应器400的示意图。电源供应器400包含电压控制电路110、功率晶体管120、电容c2、电阻r1、电流镜电路130、晶体管m2与晶体管m3。相较于图2，电源供应器400的电压控制电路110、功率晶体管120、电容c2、电阻r1的配置与电源供应器100的电压控制电路110、功率晶体管120、电容c2、电阻r1的配置大致相同，其细节于此不再赘述。
75.如图4所示，电流镜电路130耦接晶体管m2的第一端。晶体管m2的第二端通过控制节点nc耦接至功率晶体管120的控制端。晶体管m3的第一端通过控制节点nc耦接至功率晶体管120的控制端，晶体管m3的第二端接地。晶体管m2的控制端与晶体管m3的控制端用以接收控制信号sc。在一些实施例中，电流镜电路130包含晶体管m4、晶体管m5与电流源ib2。晶体管m4的第一端用以接收系统电压v2，晶体管m4的第二端耦接晶体管m2的第一端，晶体管m4的控制端耦接晶体管m5的控制端、晶体管m5的第二端与电流源ib2的第一端，晶体管m5的第一端用以接收系统电压v3，电流源ib2的第二端接地。在一些实施例中，系统电压v2与系统电压v3相等。
76.在一些实施例中，晶体管m2为p型晶体管，晶体管m3为n型晶体管。当控制信号sc具有第一位准时，晶体管m2关闭及晶体管m3导通。控制节点nc的电压位准因为晶体管m3的导通而降低，使得功率晶体管120提供供应电流io的能力下降。当控制信号sc具有第二位准时，晶体管m3关闭及晶体管m2导通。控制节点nc的电压位准因为晶体管m2的导通提升，使得功率晶体管120提供供应电流io的能力上升。
77.请同时参考图3、图4与图5。在其他实施例中，图3中的adc 200为管线式模拟数字转换器(pipeline adc)，管线式adc 200通过至少一转换控制信号sk中的时钟信号clk1与时钟信号clk2将其控制在取样操作或是转换操作下。在图5中，当时钟信号clk1与时钟信号clk2中的一者具有第一位准时(如时段t1、t2、t3、t4)，管线式adc 200被控制在取样操作下。当时钟信号clk1与时钟信号clk2两者皆具有第二位准时(如时段t5、t6、t7)，管线式adc 200被控制在转换操作下。在取样操作下，adc 200产生具有第一位准的控制信号sc至电源供应器400。在转换操作下，adc 200产生具有第二位准的控制信号sc至电源供应器400。基
于这样的操作，电源供应器400在转换操作下的提供供应电流io的能力可被提升，使供应电压vo趋于稳定。在一些实施例中，控制信号产生电路220将时钟信号clk1与时钟信号clk2做与非门(nand gate)的逻辑运算以产生控制信号sc。依据与非门的逻辑运算，当时钟信号clk1与时钟信号clk2中的一者具有第一位准，控制信号sc具有第二位准。当时钟信号clk1与时钟信号clk2两者皆具有第二位准，控制信号sc具有第一位准。
78.上文的叙述简要地提出了本技术某些实施例的特征，而使得本技术所属技术领域技术人员能够更全面地理解本技术内容的多种实施方式。本技术所属技术领域技术人员当可明了，其可轻易地利用本技术内容作为基础，来设计或变动其他工艺与结构，以实现与此处该的实施方式相同的目的和/或达到相同的优点。本技术所属技术领域技术人员应当明白，这些均等的实施方式仍属于本技术内容的构思与范围，且其可进行各种变更、替代与变动，而不会悖离本技术内容的构思与范围。