[發明專利]具多階范圍的模擬數字轉換器及轉換方法與放大電路

有效

• 申請號: 201710959528.5
• 申請日: 2017-10-16
• 公開（公告）號: CN109600138B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發明（設計）人: 蔡孟儒
• 申請（專利權）人: 緯創資通股份有限公司
• 主分類號: H03M1/08
• 分類號: H03M1/08
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 徐協成

具多階范圍的模擬數字轉換器及轉換方法與放大電路。該放大電路，用來將一模擬輸入電壓的電壓電平分成多個范圍，針對不同范圍對應的放大倍率，分別進行信號放大或衰減(例如，放大低電壓電平信號，以及衰減高電壓電平信號)。多階模擬數字轉換電路對放大或衰減后的模擬輸入電壓進行模擬數字轉換，以產生一放大數字碼，再根據放大倍率的倒數及該放大數字碼，產生一輸出數字碼。如此一來，本發明的多階模擬數字轉換電路可適用于高電平范圍的輸入電壓，也可確保低電平范圍的輸入電壓的準確率與量化誤差。

技術領域

本發明涉及一種具多階轉換范圍的模擬數字轉換器、放大電路及相關模擬數字轉換方法，適用于高電平范圍的輸入電壓，也可確保低電平范圍的輸入電壓的準確率與量化誤差。

背景技術

模擬數字轉換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)廣泛地應用于微控制器領域，然而在使用與設計的過程中，申請人注意到以下兩個主要的問題。

第一，當輸入來源信號的最大電壓電平大于模擬數字轉換器的最大允許輸入電壓電平時，須先對輸入來源信號做衰減，才可將衰減后的輸入來源信號輸入到模擬數字轉換器。然而，當上述設計應用在低電壓電平的輸入來源信號時(例如，電壓電平為0～1伏特的小信號)，小信號的數字輸出信號的量化誤差(Quantization Error)將大于未預做衰減的轉換量化誤差，如此導致準確率降低。

第二，在特定應用領域中，對低電平范圍的小信號的準確率要求較高，然而適用于高電平范圍的模擬數字轉換器難以確保低電平范圍的量化誤差。尤其是當采用均勻量化誤差設計時，輸入來源信號的電壓電平越小，則量化誤差越大，如此犧牲了小信號的準確率。

因此，實有必要提供一種模擬數字轉換器，適用于高電平范圍的輸入電壓，也可確保低電平范圍的輸入電壓的準確率與量化誤差。

發明內容

因此，本發明的主要目的即在于提供一種具多階轉換范圍的模擬數字轉換器、放大電路及相關模擬數字轉換方法，適用于高電平范圍的輸入電壓，也可確保低電平范圍的輸入電壓的準確率與量化誤差。

本發明公開一種放大電路，用于一多階模擬數字轉換電路，包含一第一比較器、一第一運算放大器、一第一開關、一或非門、一第二運算放大器、一第二開關、一第二比較器、一第三運算放大器、一第三開關。該第一比較器用來根據一第一閾值電壓以及一模擬輸入信號，輸出一第一控制信號。該第一運算放大器用來根據一第一放大倍率，放大該模擬輸入信號，以產生一第一放大模擬輸入信號。該第一開關耦接于該第一比較器以及該第一運算放大器，用來根據該第一控制信號，控制是否輸出該第一放大模擬輸入信號，其中當該模擬輸入信號實質上小于該第一閾值電壓時，該第一開關控制輸出該第一放大模擬輸入信號。該或非門用來根據該第一控制信號以及一第三控制信號，產生一第二控制信號。該第二運算放大器用來根據一第二放大倍率，放大該模擬輸入信號，以產生一第二放大模擬輸入信號。該第二開關耦接于該或非門以及該第二運算放大器，用來根據該第二控制信號，控制是否輸出該第二放大模擬輸入信號，其中當該模擬輸入信號實質上大于該第一閾值電壓且小于一第二閾值電壓時，該第二開關控制輸出該第二放大模擬輸入信號。該第二比較器，用來根據該第二閾值電壓以及該模擬輸入信號，輸出該第三控制信號。該第三運算放大器用來根據一第三放大倍率，放大該模擬輸入信號，以產生一第三放大模擬輸入信號。該第三開關耦接于該第二比較器以及該第三運算放大器，用來根據該第三控制信號，控制是否輸出該第三放大模擬輸入信號，其中當該模擬輸入信號實質上大于該第二閾值電壓時，該第三開關控制輸出該第三放大模擬輸入信號。

本發明另公開一種多階模擬數字轉換電路，包含上述公開的該放大電路以及一微控制器。該微控制器耦接于該放大電路，用來對該第一放大模擬輸入信號、該第二放大模擬輸入信號及該第三放大模擬輸入信號中的一個，進行模擬數字轉換，以產生一放大數字碼，以及根據該放大數字碼、該第一控制信號對應的該第一放大倍率、該第二控制信號對應的該第二放大倍率及該第三控制信號對應的該第三放大倍率中的一個，產生一數字輸出碼。