專利名稱：：開關(guān)電容積分器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種開關(guān)電容積分器及偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器，屬于集成電路
技術(shù)領(lǐng)域：

背景技術(shù)：
近年來(lái)，信息化建設(shè)飛速發(fā)展，信號(hào)和信息處理已廣泛地滲透到科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，成為全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要推動(dòng)力量。正因?yàn)槿绱?，信?hào)處理芯片的設(shè)計(jì)成為集成電路設(shè)計(jì)者的研究熱點(diǎn)。為了滿足電池驅(qū)動(dòng)便攜設(shè)備的需求以及大型系統(tǒng)的節(jié)能需要，信號(hào)處理芯片需要在保證高性能的同時(shí)，朝更低電壓、更低功耗以及更低成本的方向不斷前進(jìn)。積分器是信號(hào)處理芯片中常用的重要功能電路，它對(duì)信號(hào)處理芯片整體性能的優(yōu)劣產(chǎn)生重大影響。在早期的信號(hào)處理電路中，電路設(shè)計(jì)者一般使用電阻、電容和放大器等組成連續(xù)時(shí)間電路，構(gòu)成所需的積分器傳遞函數(shù)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。但是，電阻和電容的絕對(duì)誤差限制了其在高精度電路中的應(yīng)用。后來(lái)，人們逐漸采用MOS開關(guān)、電容和放大器組成的開關(guān)電容積分器對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確處理。開關(guān)電容積分器之所以能夠成功應(yīng)用于高精度信號(hào)處理，其原因在于信號(hào)處理函數(shù)的精確性主要與電容的比例有關(guān)。同時(shí)，它有良好的線性和溫度特性，并且易于在CMOS工藝中實(shí)現(xiàn)。在開關(guān)電容積分器中，運(yùn)算放大器是不可或缺的組成模塊，同時(shí)也是最主要的功耗模塊。要實(shí)現(xiàn)極低功耗的開關(guān)電容積分器，低壓低功耗運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。用C類反向器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的運(yùn)算放大器是一種新型的低壓低功耗電路設(shè)計(jì)技術(shù)。C類反向器主體部分是一個(gè)推挽式反向器，如附圖1所示，結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，功耗極低，芯片占用面積小，其中"C類"指該反向器處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)間小于50%。在實(shí)際應(yīng)用中C類反向器采用了動(dòng)態(tài)偏置技術(shù)，即它的工作狀態(tài)是通過對(duì)輸入管柵電位的調(diào)制而不斷變化的。在開關(guān)電容積分器的設(shè)計(jì)中，C類反向器應(yīng)根據(jù)積分器在不同相位對(duì)其的性能要求，在以下兩種不同的工作狀態(tài)之間進(jìn)行合理的切換。1)高增益低功耗狀態(tài)當(dāng)PM0S輸入管M1和NM0S輸入管M2均處于弱反型區(qū)時(shí)，反向器具有較高的增益和極低的功耗，但跨導(dǎo)和帶寬相對(duì)較小，適用于積分器的采樣相位以及積分相位中的保持(settling)相位。2)高擺率大電流狀態(tài)當(dāng)M1處于強(qiáng)反型區(qū)，M2處于截止區(qū)(或M2處于強(qiáng)反型區(qū)，Ml處于截止區(qū))時(shí)，工作在強(qiáng)反型區(qū)的MOS輸入管跨導(dǎo)較大，使得反向器具有較大的擺率和輸出電流，適用于積分器的積分相位中的建立(slewing)相位。而且由于另一個(gè)輸入管處于截止區(qū)，整個(gè)反向器由電源到地的導(dǎo)通電流極小，避免了無(wú)謂的靜態(tài)功耗。根據(jù)上述原理，YoungcheolChae等人在"AO.7V36uW85dB-DRAudioASModulatorUsingClass-CInverter"(ISSCC2008)—文中實(shí)現(xiàn)了一種基于C類反向器的極低功耗高精度開關(guān)電容積分器。其中，為了提高穩(wěn)態(tài)增益，反向器采用了如附圖2所示的共源共柵結(jié)構(gòu)，其中PM0S管M3和麗0S管M4的偏置電位分別是地電位GND和電源電位VoD。但是，對(duì)于采用現(xiàn)有技術(shù)C類反向器的開關(guān)電容積分器，當(dāng)其工作在采樣相位或積分相位中的保持相位時(shí)，C類反向器中輸入管均工作在弱反型區(qū)，其跨導(dǎo)受工藝偏差影響很大(尤其是MOS管尺寸較大的時(shí)候)，導(dǎo)致C類反向器的增益、帶寬和靜態(tài)功耗等穩(wěn)態(tài)特性在不同的工藝角下存在嚴(yán)重偏差，增益偏差會(huì)影響積分器電荷采樣和傳輸?shù)木_性，而帶寬和靜態(tài)功耗的偏差使積分器的工作頻率和靜態(tài)功耗變得極不穩(wěn)定。當(dāng)C類反向器切換至高擺率大電流狀態(tài)時(shí)，工藝偏差對(duì)于C類反向器的擺率和建立時(shí)間等動(dòng)態(tài)參數(shù)指標(biāo)的影響同樣不能忽略，它使得開關(guān)電容積分器工作在建立相位時(shí)的建立時(shí)間、積分精度和動(dòng)態(tài)功耗等指標(biāo)惡化，最終可能導(dǎo)致積分器性能下降甚至功能喪失。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種采用新型C類反向器的開關(guān)電容積分器，以克服現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)電容積分器中的C類反向器的跨導(dǎo)受工藝偏差影響很大(尤其是MOS管尺寸較大的時(shí)候)，從而導(dǎo)致積分器工作在采樣相位或保持相位時(shí)電荷采樣和傳輸不夠精確，工作頻率和功耗極不穩(wěn)定；工作在建立相位時(shí)建立時(shí)間、積分精度和動(dòng)態(tài)功耗等指標(biāo)惡化，最終可能導(dǎo)致積分器性能下降甚至功能喪失的不足。本發(fā)明要解決的另一個(gè)技術(shù)問題是，提供一種采用新型C類反向器的偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器。本發(fā)明的開關(guān)電容積分器采取以下技術(shù)方案，它包括新型C類反向器以及采樣電容、補(bǔ)償電容、積分電容和開關(guān)等，其中新型C類反向器是單端輸入單端輸出的。開關(guān)電容積分器用本發(fā)明的新型C類反向器代替了傳統(tǒng)運(yùn)算放大器或現(xiàn)有技術(shù)的C類反向器，在極大地降低電路功耗的同時(shí)，克服了工藝偏差對(duì)于自身的影響，保證了積分器的魯棒性和實(shí)用性。新型C類反向器，它是在現(xiàn)有技術(shù)的C類反向器基礎(chǔ)上，增加了PMOS體電位調(diào)制器和NMOS體電位調(diào)制器。其中現(xiàn)有技術(shù)的C類反向器用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大功能，而PMOS體電位調(diào)制器和NMOS體電位調(diào)制器分別用于實(shí)現(xiàn)反向器PMOS輸入管和NMOS輸入管的體電位調(diào)制，以減弱工藝偏差對(duì)于C類反向器的不利影響。新型C類反向器中的體電位調(diào)制器是由一個(gè)MOS管和一個(gè)高精密電阻組成，其中M0S管與對(duì)應(yīng)的反向器輸入管(體電位調(diào)制對(duì)象)類型相同，版圖匹配對(duì)稱，寬長(zhǎng)比成固定比例，且MOS管的柵源電壓與反向器輸入管在穩(wěn)態(tài)時(shí)的柵源偏置電壓相同。因此，體電位調(diào)制器中的MOS管在任意時(shí)刻的工藝偏差程度和溫度條件均與反向器輸入管近似相同，且兩MOS管漏源電流的變化趨勢(shì)亦相同。換句話說(shuō)，體電位調(diào)制器中的MOS管能夠"感應(yīng)"對(duì)應(yīng)的反向器輸入管在不同工藝角和溫度下的跨導(dǎo)、輸出電流等參數(shù)的變化特征，被稱為感應(yīng)MOS管。感應(yīng)MOS管體端與源端相連，漏端連接一個(gè)高精密電阻，高精密電阻用于實(shí)現(xiàn)"感應(yīng)"電流信號(hào)(感應(yīng)MOS管漏源電流)轉(zhuǎn)電壓信號(hào)的功能，同時(shí)它作為負(fù)載在感應(yīng)MOS管的漏端將體電位調(diào)制器的輸出電壓信號(hào)反饋到反向器輸入管的體端。整個(gè)體電位調(diào)制器形成"感應(yīng)反饋"環(huán)路，用以體電位調(diào)制。通過體電位調(diào)制器的輸出電壓信號(hào)在對(duì)應(yīng)的反向器輸入管體端的調(diào)制作用(即調(diào)節(jié)反向器輸入管的體源電壓)，使得反向器輸入管的跨導(dǎo)和漏源電流在不同的工藝角情況下較為一致。根據(jù)體電位調(diào)制對(duì)象的MOS管類型，可將體電位調(diào)制器分為PMOS體電位調(diào)制器和NMOS體電位調(diào)制器。在PMOS體電位調(diào)制器中，感應(yīng)PMOS管的源端電位決定體電位調(diào)制范圍的最大值，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)定。高精密電阻另一端電位決定體電位調(diào)制范圍的最小值。而在NMOS體電位調(diào)制器中，感應(yīng)NMOS管源電位決定體電位調(diào)制范圍的最小值，高精密電阻另一端電位決定體電位調(diào)制范圍的最大值。新型C類反向器中現(xiàn)有技術(shù)的C類反向器的主體結(jié)構(gòu)可以是一個(gè)簡(jiǎn)單型反向器，也可以是一個(gè)共源共柵型反向器，供電電壓略低于反向器中兩輸入管的閾值電壓之和?，F(xiàn)有技術(shù)的采樣電容，位于信號(hào)輸入端，用于積分器采樣相位時(shí)輸入信號(hào)的采樣，以及積分相位時(shí)自身電荷向積分電容的精確傳輸?，F(xiàn)有技術(shù)的補(bǔ)償電容，位于新型C類反向器輸入端，用于消除反向器失調(diào)電壓不利影響，在下極板處形成"虛地"，保證積分器在積分相位時(shí)電荷傳輸?shù)木_性?，F(xiàn)有技術(shù)的積分電容，又稱為反饋電容，在補(bǔ)償電容下極板和新型C類反向器輸出端之間形成反饋回路，用于積分器采樣相位時(shí)自身儲(chǔ)存電荷向下一級(jí)電路的傳輸，以及積分相位時(shí)對(duì)采樣電容傳輸電荷的積累?，F(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)，包括NM0S開關(guān)、CMOS開關(guān)和自舉NMOS開關(guān)等類型。其中自舉NMOS開關(guān)位于信號(hào)輸入端和采樣電容之間，用于高線性度的輸入信號(hào)采樣；兩個(gè)NMOS開關(guān)分別位于采樣電容上下極板與輸入共模電平之間，用于設(shè)置和傳輸共模電平；兩個(gè)CMOS開關(guān)分別位于補(bǔ)償電容上下極板與積分電容上極板之間，用于各電容之間電荷的傳輸。開關(guān)電容積分器在實(shí)際工作中分為采樣相位和積分相位，采用兩相不交疊時(shí)鐘進(jìn)行控制，其中積分相位又可分為建立(slewing)相位和保持(settling)相位。在開關(guān)電容積分器中，C類反向器根據(jù)不同工作相位輸入端偏置電壓的不同能夠?qū)崿F(xiàn)高增益低功耗和高擺率大電流兩種不同的工作狀態(tài)，說(shuō)明如下在采樣相位，反向器輸入端結(jié)點(diǎn)電位僅為反向器的失調(diào)電壓(設(shè)為^m)，接近于共模電平。假設(shè)兩輸入管閾值電壓近似相等，輸入共模信號(hào)使得反向器輸入管均處于弱反型區(qū)，即可實(shí)現(xiàn)C類反向器高增益低功耗的穩(wěn)定狀態(tài)。新型C類反向器中體電位調(diào)制器的引入使得反向器的增益、帶寬和靜態(tài)功耗等在不同的工藝角下較為一致，有利于開關(guān)電容積分器在采樣相位電荷的精確采樣和傳輸，同時(shí)降低了積分器的工作頻率和靜態(tài)功耗對(duì)于工藝偏差的敏感度。在積分相位中的建立相位，采樣電容的下極板電位突變?yōu)楣材ｋ娖?，反向器輸入端結(jié)點(diǎn)電位被拉至—/Ar+^^，其中7^為采樣電容在采樣相位采樣的輸入信號(hào)。根據(jù)輸入信號(hào)的極性，反向器中的一個(gè)輸入管進(jìn)入強(qiáng)反型區(qū)，另一個(gè)輸入管截止，C類反向器進(jìn)入高擺率大電流狀態(tài)。在積分相位中的保持相位，由于積分電容的負(fù)反饋?zhàn)饔?，反向器輸入端結(jié)點(diǎn)電位最終恢復(fù)至反向器的失調(diào)電壓^^，C類反向器重新進(jìn)入高增益低功耗的穩(wěn)定狀態(tài)。在整個(gè)積分相位中，新型C類反向器中體電位調(diào)制器的引入使得反向器在建立過程中的擺率和動(dòng)態(tài)功耗在不同的工藝角下較為一致，從而降低了開關(guān)電容積分器建立時(shí)間、積分精度和動(dòng)態(tài)功耗等指標(biāo)對(duì)于工藝偏差的敏感度，提高了電路的穩(wěn)定性和魯棒性。需要說(shuō)明的是，體電位調(diào)制器結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，而且其中的感應(yīng)M0S管M5和M6均工作在弱反型區(qū)，功耗非常低，典型值為現(xiàn)有技術(shù)C類反向器功耗的1/10左右。因此，體電位調(diào)制器的引入并不會(huì)明顯增加電路功耗，完全適用于低壓低功耗的工作環(huán)境。本發(fā)明的偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器采取以下技術(shù)方案，它包括兩個(gè)新型C類反向器以及現(xiàn)有技術(shù)的電容(采樣電容、補(bǔ)償電容和積分電容等)、開關(guān)(NMOS開關(guān)、CMOS開關(guān)和自舉NMOS開關(guān)等)、共模反饋電路。其中兩個(gè)新型C類反向器分別位于積分器正向和負(fù)向支路，且差分對(duì)稱，構(gòu)成偽差分結(jié)構(gòu)，而共模反饋電路分別在積分器正向和負(fù)向支路形成共模反饋?，F(xiàn)有技術(shù)的共模反饋電路包括兩個(gè)共模反饋電容，在采樣相位位于補(bǔ)償電容下極板與輸入共模電平之間，而在積分相位分別位于補(bǔ)償電容下極板與積分器正負(fù)輸出端之間，共模反饋電容用于探測(cè)輸出共模電平與輸入共模電平的偏差，并將偏差反饋到積分器從而形成共模反饋環(huán)路；兩個(gè)自舉NMOS開關(guān)，分別位于共模反饋電容下極板與積分器正負(fù)輸出端之間，用于共模反饋環(huán)路中輸出信號(hào)的精確采樣；兩個(gè)NM0S開關(guān)，分別位于共模反饋電容下極板與輸入共模電平之間，用于設(shè)置和傳輸共模電平。與Yo皿gcheolChae等人實(shí)現(xiàn)的偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器不同的是，本發(fā)明的偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器采用了更優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它在反饋回路上用包含積分電容和相關(guān)開關(guān)的采樣保持支路代替原有的重置開關(guān)，不需要在每個(gè)時(shí)鐘相位對(duì)輸出端電位重置清零，因此放寬了對(duì)C類反向器(包括新型C類反向器和現(xiàn)有技術(shù)的C類反向器)的擺率和建立時(shí)間的要求。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然在采用傳統(tǒng)運(yùn)算放大器的差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器中已有運(yùn)用，但與C類反向器技術(shù)結(jié)合使用構(gòu)成偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器尚屬首次。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明所述的開關(guān)電容積分器采用新型C類反向器，通過新型C類反向器中體電位調(diào)制器在反向器輸入管體端的體電位調(diào)制作用，使得整個(gè)反向器的穩(wěn)態(tài)特性(增益、帶寬、靜態(tài)功耗等)和動(dòng)態(tài)特性(擺率、建立時(shí)間、動(dòng)態(tài)功耗等)在不同工藝角情況下較為一致，從而降低了開關(guān)電容積分器工作頻率、建立時(shí)間、積分精度和功耗等指標(biāo)對(duì)于工藝偏差的敏感度，在不明顯增加功耗的情況極大地提高電路的穩(wěn)定性和魯棒性。圖1為簡(jiǎn)單型C類反向器的電路結(jié)構(gòu)圖；圖2為共源共柵型C類反向器的電路結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明采用的新型C類反向器的電路結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明的采用新型C類反向器的開關(guān)電容積分器的原理圖；圖5為本發(fā)明的開關(guān)電容積分器的兩相不交疊時(shí)鐘以及C類反向器輸入端電位變化曲線6為本發(fā)明的偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器的電路結(jié)構(gòu)圖。具體實(shí)施方式具體實(shí)施例方式實(shí)施例一、本發(fā)明提出的開關(guān)電容積分器，包含了申請(qǐng)?zhí)枮?009103013271(
專利名稱：:采用體電位調(diào)制器的C類反向器)的新型C類反向器(以下同)。開關(guān)電容積分器用新型C類反向器代替了傳統(tǒng)運(yùn)算放大器或現(xiàn)有技術(shù)的C類反向器，在極大地降低了電路功耗的同時(shí)，并克服了工藝偏差對(duì)于自身的影響，保證了積分器的魯棒性和實(shí)用性。附圖3是開關(guān)電容積分器中采用的新型C類反向器的電路結(jié)構(gòu)圖，它是在現(xiàn)有技術(shù)的C類反向器30基礎(chǔ)上，增加了PM0S體電位調(diào)制器31和NM0S體電位調(diào)制器32(見申請(qǐng)?zhí)枮?009103013271中的PMOS體電位調(diào)制器和NMOS體電位調(diào)制器，以下同)。其中現(xiàn)有技術(shù)的C類反向器30用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大功能，而PM0S體電位調(diào)制器31和NM0S體電位調(diào)制器32分別用于實(shí)現(xiàn)反向器PM0S輸入管M1和NM0S輸入管M2的體電位調(diào)制，以減弱工藝偏差對(duì)于C類反向器的不利影響。新型C類反向器中現(xiàn)有技術(shù)的C類反向器30是一個(gè)共源共柵型反向器，供電電壓略低于反向器中兩輸入管的閾值電壓之和。相比于簡(jiǎn)單型反向器，共源共柵型反向器增益較高，有利于提高開關(guān)電容積分器的建立精度。但在一些對(duì)精度要求不是很高的場(chǎng)合，采用簡(jiǎn)單型反向器能夠增大輸出擺幅，并減小芯片面積。新型C類反向器中的PMOS體電位調(diào)制器31是由感應(yīng)PMOS管M5和高精密電阻R1組成，其中感應(yīng)PM0S管M5與反向器輸入管M1版圖匹配對(duì)稱，寬長(zhǎng)比成固定比例(在l:5至1:20之間)，且M5的柵源電壓與M1在弱反型區(qū)穩(wěn)態(tài)時(shí)的柵源偏置電壓相同(VDDH-VGp=VDD-VCM)，因此M5一直處于弱反型區(qū)，它能夠"感應(yīng)"Ml在不同工藝角和溫度下的跨導(dǎo)、輸出電流等參數(shù)的變化特征。M5源端和體端均接高電平vddh，漏端連接高精密電阻R1，R1作為負(fù)載在M5漏端將體電位調(diào)制器31的輸出電壓信號(hào)VBP反饋到反向器輸入管M1的體端，整個(gè)體電位調(diào)制器形成"感應(yīng)反饋"環(huán)路，用以體電位調(diào)制。R1的另一端接V亂(VCIv￡Vddl<VDDo，w一般取20K~2GGKG。我們可以看到，輸出電壓信號(hào)VBp的范圍略小于vdd『vddh。為避免提供過多的電源供給，vgp和vdd可以復(fù)用，vddl和VcM可以復(fù)用，而Vddh可以在Vdd上用簡(jiǎn)單的升壓電路實(shí)現(xiàn)或片外實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)超過反向器電源電壓VDD的M1體電位調(diào)制。PMOS體電位調(diào)制器31中體電位調(diào)制過程簡(jiǎn)述如下當(dāng)工藝角為tt(typical)時(shí)，設(shè)感應(yīng)PM0S管M5的輸出電流為Itt，調(diào)節(jié)Vi)DH、R1以及M5尺寸使得PM0S體電位調(diào)制器31的輸出電壓VB產(chǎn)VcM+IttRl"VDD，此時(shí)M1體源電壓近似為零，電路進(jìn)入典型工作狀態(tài)。當(dāng)工藝角為ss時(shí)，Ml閾值電壓的絕對(duì)值變大，導(dǎo)致M1在弱反型區(qū)工作時(shí)跨導(dǎo)減小，帶寬降低，此時(shí)輸出電流達(dá)到最小值。由于感應(yīng)PM0S管M5能夠"感應(yīng)"到M1的電流變化特征，所以M5的感應(yīng)輸出電流也將達(dá)到最小值，設(shè)為Iss。因此體電位調(diào)制器31的輸出電壓Vbf^Vcm+^sRKVdd，將該電壓信號(hào)反饋到M1的體端，可以使M1的體源電壓小于零，閾值電壓的絕對(duì)值略為降低，Ml在弱反型區(qū)工作時(shí)跨導(dǎo)和輸出電流增大，實(shí)現(xiàn)了對(duì)M1參數(shù)的負(fù)反饋調(diào)制。需要注意的是，vbp不宜過小，以免M1源體結(jié)過度正偏而導(dǎo)致漏電流過大。當(dāng)工藝角為ff時(shí)，Ml閾值電壓的絕對(duì)值變小，導(dǎo)致M1跨導(dǎo)增大，此時(shí)M5的感應(yīng)輸出電流達(dá)到最大值，設(shè)為Iff。PM0S體電位調(diào)制器31將輸出電壓VB^Vc^^^^VDD反饋到Ml的體端，使M1閾值電壓的絕對(duì)值提高，跨導(dǎo)和輸出電流減小，功耗降低。實(shí)際上，通過調(diào)節(jié)VDDH、R1以及M5尺寸等參數(shù)，可以保證PMOS體電位調(diào)制器31在三種工藝角下均輸出較為合適的VBP，使M1在弱反型區(qū)工作時(shí)增益、帶寬和靜態(tài)功耗較為一致。新型C類反向器中的麗OS體電位調(diào)制器32是由感應(yīng)麗OS管M6和高精密電阻R2組成，其中感應(yīng)NM0S管M6與反向器輸入管M2版圖匹配對(duì)稱，寬長(zhǎng)比成固定比例(在l:5至1:20之間)，且M6的柵源電壓與M2在弱反型區(qū)穩(wěn)態(tài)時(shí)的柵源偏置電壓相同(VGN-GNDL^VCM-GND)，類似地，感應(yīng)麗0S管M6能夠"感應(yīng)"反向器NM0S輸入管M2在不同工藝角和溫度下的跨導(dǎo)、輸出電流等參數(shù)的變化特征。M6源端和體端均接低電平GNDL，NM0S管M6的漏端連接高精密電阻R2，R2作為負(fù)載將體電位調(diào)制器32的輸出電壓信號(hào)VBN反饋到反向器輸入管M2的體端，用以體電位調(diào)制。R2的另一端接GNDH〔GWD^^^D^VCM)，R2—般取20K200KQ?？梢钥吹?，輸出電壓信號(hào)VBN的范圍小于GNDI^GNDH。為避免提供過多的電源供給，VcN和GND可以復(fù)用，GNDH和VcM可以復(fù)用，而GNDL可以在GND上用簡(jiǎn)單的降壓電路實(shí)現(xiàn)或片外實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)小于GND的M2體電位調(diào)制。通過調(diào)節(jié)GNDL、R2以及M6尺寸等參數(shù)，可以保證體電位調(diào)制模塊32在三種工藝角下均輸出較為合適的VBN，使M2在弱反型區(qū)工作時(shí)增益、帶寬和靜態(tài)功耗較為一致。需要注意的是，VBN不宜過大，以免M2體源結(jié)過度正偏而導(dǎo)致漏電流過大。附圖4是采用新型C類反向器的開關(guān)電容積分器原理圖，它包括新型C類反向器60以及現(xiàn)有技術(shù)的采樣電容^、補(bǔ)償電容"人積分電容^和開關(guān)。開關(guān)電容積分器在實(shí)際工作中分為采樣相位和積分相位，采用pl和p2兩相不交疊時(shí)鐘進(jìn)行控制，如附圖5所示，以下詳細(xì)介紹本發(fā)明中的開關(guān)電容積分器的工作方式。pl相位是積分器的采樣相位，開關(guān)S1、S4、S5閉合，開關(guān)S2、S3斷開。此時(shí)輸入信號(hào)J^被采樣到電容^上，新型C類反向器的失調(diào)電壓^^被采樣到補(bǔ)償電容^c上，同時(shí)積分電容^在上一相位儲(chǔ)存的電荷被傳遞到下一級(jí)電路中。在此相位，由于反向器輸入端結(jié)點(diǎn)X的電位僅為反向器的失調(diào)電壓^^，接近于共模電平，該兩輸入管M1和M2均工作在弱反型區(qū)，所以反向器一直處于高增益低功耗的穩(wěn)定狀態(tài)，滿足了積分器在采樣相位對(duì)反相器的要求。在pl相位，新型C類反向器中體電位調(diào)制器31和32的引入使得反向器的增益、帶寬和靜態(tài)功耗等在不同的工藝角下較為一致，有利于開關(guān)電容積分器在采樣相位電荷的精確采樣和功耗對(duì)于工藝偏差的敏感度。而且由于輸入管M1和M2工作在弱反型區(qū)，整個(gè)反向器的輸出電流量級(jí)僅為幾十個(gè)^甚至更低，大大降低了系統(tǒng)功耗。需要說(shuō)明的是，采樣相位對(duì)反向器的跨導(dǎo)和擺率要求較低，這是C類反向器高增益低功耗狀態(tài)應(yīng)用的一個(gè)必要條件。p2相位是積分器的積分相位，開關(guān)S2、S3閉合，開關(guān)S1、S4、S5斷開。積分相位包括建立(slewing)相位和保持(settling)相位。在p2相位的初始時(shí)刻，積分器進(jìn)入建立相位，采樣電容^的下極板電位突變?yōu)楣材ｋ娖?，由于電容兩端的電位差是不?huì)突變的，因此采樣電容^的上極板(即結(jié)點(diǎn)Y)和反向器輸入結(jié)點(diǎn)X的電位均發(fā)生突變，其中X電位被拉至—/Ar+f^^。根據(jù)輸入信號(hào)的極性，反向器中的一個(gè)輸入管由先前的弱反型區(qū)進(jìn)入強(qiáng)反型區(qū)，產(chǎn)生相當(dāng)大的瞬態(tài)電流，而另外一個(gè)會(huì)立即關(guān)斷，新型C類反向器進(jìn)入高擺率大電流狀態(tài)，這恰恰滿足了積分器在建立相位對(duì)反向器電流輸出能力較高的要求。與傳統(tǒng)積分器一樣，反向器較大的輸出電流導(dǎo)致采樣電容^的電荷迅速向積分電容'^傳輸。由于積分電容'^的負(fù)反饋?zhàn)饔茫聪蚱鞯妮斎攵私Y(jié)點(diǎn)X的電位被逐漸恢復(fù)至^^(C類反向器輸入端X電位變化曲線圖如附圖5所示)，而補(bǔ)償電容^c在pi采樣相位后始終維持^^的電位差，因此補(bǔ)償電容的下極板(結(jié)點(diǎn)Y)被補(bǔ)償為"虛地"，利用這種自動(dòng)清零(Autozeroing)技術(shù)提高了積分器的建立精度。最終新型C類反向器重新進(jìn)入高增益低功耗的穩(wěn)定狀態(tài)，積分器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定建立，此時(shí)積分器進(jìn)入p2相位中的保持相位。在p2相位，新型C類反向器中體電位調(diào)制器31和32的引入使得反向器在建立過程中的擺率和動(dòng)態(tài)功耗在不同的工藝角下較為一致，從而降低了開關(guān)電容積分器建立時(shí)間、積分精度和動(dòng)態(tài)功耗等指標(biāo)對(duì)于工藝偏差的敏感度，提高了電路的穩(wěn)定性和魯棒性。與此同時(shí)，由于新型C類反向器在建立相位反向器有一個(gè)輸入管處于截止區(qū)，而在保持相位兩輸入管均工作在弱反型區(qū)，整個(gè)積分器以最低靜態(tài)功耗的代價(jià)獲得了較大擺率的能力。需要說(shuō)明的是，體電位調(diào)制器31和32結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，而且其中的感應(yīng)M0S管M5和M6均工作在弱反型區(qū)，功耗非常低，典型值為現(xiàn)有技術(shù)C類反向器功耗的1/10左右。因此，體電位調(diào)制器的引入并不會(huì)明顯增加電路功耗，完全適用于低壓低功耗的工作環(huán)境。新型C類反向器和現(xiàn)有技術(shù)的簡(jiǎn)單型、共源共柵型C類反向器的增益、帶寬、相位裕度以及靜態(tài)功耗等指標(biāo)在高增益低功耗狀態(tài)(輸入管均處于弱反型區(qū))不同工藝角下的數(shù)據(jù)對(duì)比情況見表l，其中電源電壓為1.2V，M1和M3寬長(zhǎng)比為180，/0.35，，M2和M4的寬長(zhǎng)比為60，/0.35，，M5和M6寬長(zhǎng)比分別取M1和M2的1/8，反向器的負(fù)載電容均取5pF。在表1中，新型C類反向器中現(xiàn)有技術(shù)的C類反向器30采用共源共柵結(jié)構(gòu)。通過表1可知，在高增益低功耗狀態(tài)下，本發(fā)明中采用的新型C類反向器的增益、帶寬和靜態(tài)功耗在不同工藝角下較為一致一既可以保證C類反向器在ss工藝角下有足夠的增益和帶寬，又能使其在ff工藝角下輸出電流和靜態(tài)功耗不至于過大，而簡(jiǎn)單型和共源共柵型C類反向器存在較大偏差，尤其是帶寬和靜態(tài)功耗兩個(gè)指標(biāo)的偏差很大。表l:<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>事實(shí)上，c類反向器在高擺率大電流狀態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性(擺率、建立時(shí)間、動(dòng)態(tài)功耗等)與反向器輸入管的跨導(dǎo)和輸出電流也有直接的關(guān)系。因此，引入體電位調(diào)制器31和32同樣可以改善C類反向器的動(dòng)態(tài)特性對(duì)于工藝偏差的敏感度。由于C類反向器的擺率和建立時(shí)間等動(dòng)態(tài)指標(biāo)與反向器在高擺率大電流狀態(tài)時(shí)的輸入偏置條件密切相關(guān)，而反向器輸入偏置電壓需要外部提供。因此，討論C類反向器的動(dòng)態(tài)特性必須結(jié)合具體的應(yīng)用環(huán)境，我們將在實(shí)施例二中結(jié)合偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器來(lái)分析，具體數(shù)據(jù)見表2。實(shí)施例二、本發(fā)明提出的采用新型C類反向器的偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器的電路結(jié)構(gòu)見附圖6，它包含了兩個(gè)所述的新型C類反向器60和現(xiàn)有技術(shù)的共模反饋電路61。新型C類反向器60為單端輸入單端輸出的，所以需要采用兩個(gè)差分對(duì)稱的新型C類反向器60來(lái)構(gòu)成偽差分結(jié)構(gòu)，偽差分結(jié)構(gòu)同樣可以改善共模噪聲和減小非線性，并同時(shí)增加信號(hào)的最大擺幅?，F(xiàn)有技術(shù)的共模反饋電路61分別在積分器正向和負(fù)向支路形成共模反饋。在p1相位，S7、S8閉合，S6、S9斷開，共模反饋電容^^被放電至共模電平；在p2相位，S6、S9閉合，S7、S8斷開，共模反饋電容^^分別連接補(bǔ)償電容^c的下極板和反向器輸出端形成共模反饋。此時(shí)共模反饋電容^^的作用像是一個(gè)輸出共模電壓"探測(cè)器"一旦探測(cè)的輸出共模電平與輸入共模電平有偏差，"探測(cè)器""氣就將這個(gè)偏差反饋到積分器從而形成共模反饋環(huán)路，該環(huán)路的增益為e^^&。共模反饋電容^^的取值不宜太小，(；太小使得反饋環(huán)路增益太小，進(jìn)而導(dǎo)致共模工作點(diǎn)建立不準(zhǔn)確甚至不建立；共模反饋電容^^的取值也不宜太大，(;太大會(huì)導(dǎo)致共模工作點(diǎn)建立時(shí)間過長(zhǎng)，通常取幾百fF量級(jí)較好。與Yo皿gcheolChae等人實(shí)現(xiàn)的偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器不同的是，本發(fā)明的偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器在包含新型C類反向器60的同時(shí)，采用了更優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它在反饋回路上用包含積分電容^和相關(guān)開關(guān)S5的采樣保持支路代替原有的重置開關(guān)。在pl相位，積分電容^上一相位積累電荷得以保留，積分器輸出端電位保持不變，并不重置清零；在p2相位，積分電容^繼續(xù)接收來(lái)自采樣電容^的電荷，積分器輸出端從pl相位時(shí)的電位開始新一次的建立過程，而不需要從信號(hào)地重新建立。如果輸入信號(hào)的過采樣率較高，積分器輸出端電位在兩個(gè)相鄰的時(shí)鐘相位變化不會(huì)太大，因此本發(fā)明的偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器放寬了對(duì)C類反向器(包括新型C類反向器和現(xiàn)有技術(shù)的C類反向器)的擺率和建立時(shí)間的要求，這一點(diǎn)在時(shí)鐘頻率相對(duì)較高時(shí)顯得尤為重要。由于C類反向器的擺率和建立時(shí)間在一定范圍內(nèi)與反向器輸入管的尺寸成正比，所以采用本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠適當(dāng)減小反向器輸入管的尺寸，進(jìn)而減小反向器的寄生電容，降低功耗。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然在差分結(jié)構(gòu)的開關(guān)電容積分器(采用傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器)已有運(yùn)用，但與C類反向器技術(shù)結(jié)合使用構(gòu)成偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器尚屬首次。表2是新型C類反向器、現(xiàn)有技術(shù)中的簡(jiǎn)單型、共源共柵型C類反向器在高擺率大電流狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以及采用這三種C類反向器的偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器指標(biāo)對(duì)比情況，其中電源電壓為1.2V，C類反向器中M1和M3寬長(zhǎng)比為180，/0.35，，M2和M4的寬長(zhǎng)比為60，/0.35，，M5和M6寬長(zhǎng)比分別取M1和M2的1/8，積分器工作頻率為5腿z，輸入差分信號(hào)幅值為0.4V，電容負(fù)載為lpF，C,Cc=4.8pF'C,24pF，C^=800fF。在表2中，新型C類反向器中現(xiàn)有技術(shù)的C類反向器30采用共源共柵結(jié)構(gòu)。需要注意的是，C類反向器的擺率和建立時(shí)間與積分器中積分電容和負(fù)載電容大小有直接的關(guān)系。表2:<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>由表2可知，在高擺率大電流狀態(tài)下，采用新型C類反向器使得擺率和最大動(dòng)態(tài)電流等指標(biāo)在不同工藝角下較為一致一既保證了反向器在ff工藝角下動(dòng)態(tài)功耗不至于過高，又避免了其在ss工藝角下擺率過小，從而大大降低了開關(guān)電容積分器建立時(shí)間、積分精度和功耗等指標(biāo)對(duì)于工藝偏差的敏感度，且積分精度達(dá)到99.6%以上。相比之下，采用簡(jiǎn)單型和共源共柵型C類反向器的開關(guān)電容積分器在各指標(biāo)上均有很大偏差，在ss工藝角下甚至不能完全建立，導(dǎo)致積分器功能喪失。權(quán)利要求1.一種開關(guān)電容積分器，它包括采樣電容CS，補(bǔ)償電容CC，積分電容CI，自舉NMOS開關(guān)S1、NMOS開關(guān)S2、S4以及CMOS開關(guān)S3、S5；其中S1位于信號(hào)輸入端和采樣電容CS之間；S2、S4分別位于采樣電容CS上下極板與共模電平之間；S3、S5分別位于補(bǔ)償電容CC上下極板與積分電容CI上極板之間；其特征在于它還包括新型C類反向器(60)，在現(xiàn)有技術(shù)C類反向器的基礎(chǔ)上新增了PMOS體電位調(diào)制器(31)和NMOS體電位調(diào)制器(32)，供電電壓VDD略低于反向器中兩輸入管的閾值電壓之和；本開關(guān)電容積分器采用p1和p2兩相不交疊時(shí)鐘進(jìn)行控制。2.一種偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器，它包括兩個(gè)共模反饋電路(61)，分別在積分器正向和負(fù)向支路形成共模反饋；采樣電容^、補(bǔ)償電容^和積分電容^以及麗OS開關(guān)、CMOS開關(guān)和自舉麗OS開關(guān)；其特征在于它還包括兩個(gè)新型C類反向器(60)，分別位于積分器正向和負(fù)向支路，兩個(gè)反向器差分對(duì)稱，構(gòu)成偽差分結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器，其特征在于它在新型C類反向器(60)的輸入和輸出端之間的反饋回路上采用包含積分電容^和相關(guān)開關(guān)S5的采樣保持支路。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器，其特征在于共模反饋電路(61)包括兩個(gè)共模反饋電容^^，在pl相位位于補(bǔ)償電容^c下極板與共模電平之間，而在p2相位分別位于補(bǔ)償電容^c下極板與積分器正負(fù)輸出端之間；自舉NM0S開關(guān)S6、S9，分別位于共模反饋電容^^下極板與積分器正負(fù)輸出端之間NM0S開關(guān)S7、S8，分別位于共模反饋電容^^下極板與共模電平之間。全文摘要本發(fā)明公開了一種采用新型C類反向器的開關(guān)電容積分器及其一種偽差分結(jié)構(gòu)的開關(guān)電容積分器實(shí)現(xiàn)形式。偽差分結(jié)構(gòu)開關(guān)電容積分器包括兩個(gè)新型C類反向器(60)以及現(xiàn)有技術(shù)的電容(采樣電容C_S、補(bǔ)償電容C_C和積分電容C_I等)、開關(guān)(NMOS開關(guān)S2、S4、S7和S8，CMOS開關(guān)S3、S5以及自舉NMOS開關(guān)S1、S6和S9等)、共模反饋電路(61)。其中兩個(gè)新型C類反向器分別位于積分器正向和負(fù)向支路且差分對(duì)稱，構(gòu)成偽差分結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過新型C類反向器中體電位調(diào)制器的體電位調(diào)制作用，克服了工藝偏差對(duì)于開關(guān)電容積分器工作頻率、建立時(shí)間、積分精度和功耗等指標(biāo)的影響，在不明顯增加功耗的情況極大地提高積分器的穩(wěn)定性和魯棒性。文檔編號(hào)H03K19/00GK101621292SQ20091030148公開日2010年1月6日申請(qǐng)日期2009年4月10日優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日發(fā)明者昊張,豪羅,蔡坤明,雁韓,韓曉霞,黃小偉申請(qǐng)人:浙江大學(xué)