專利名稱：基于兩階段閾值檢測器的電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總地涉及開關電容電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和A- E調(diào)制器。更具體地，本發(fā)明涉及實現(xiàn)更高精度的基于兩階段或多階段(two-or multi-phase)閾值檢測器的開關電容電路。
背景技術：
基于閾值檢測器(諸如比較器和過零檢測器)的開關電容電路能夠以高速度、數(shù)量級低于傳統(tǒng)電路的功耗工作。基于閾值檢測器的電路中的不精確性的主要來源是由閾值檢測器的有限延遲而導致的輸出電壓過沖(overshoot)。輸出過沖量是斜坡率乘以閾值檢測器的延遲。在高速電路中，斜坡率必須非常高。例如，在200MS/S流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，如果包括非重疊時鐘要求，則每半個時鐘階段(clock phase)僅為大約2ns。減去基于閾值檢測器的電路的操作所需的預置時間，大約剩余I. 5ns。在基于單階段閾值檢測器的電路中，斜坡必須在I. 5ns內(nèi)橫跨(transverse)大約IV的全量程,從而給予0. 66V/ns的斜坡率。以該高斜坡率，閾值檢測器的典型200ps延遲導致133mV輸出過沖。在具有足夠的超范圍(over-range)和數(shù)字糾錯能力的情況下，即使這樣的大的過沖也僅轉(zhuǎn)化為恒定的輸入?yún)⒖际д{(diào)(input referred offset)。然而,實際上,過沖的變化是個問題。斜坡率和延遲可以隨著處理和溫度而改變，從而引起與處理和溫度相關的過沖。更麻煩的是隨輸出信號的過沖變化。由于電流源的有限輸出電阻和非線性寄生電容，斜坡不是完全線性的。因此，斜坡率通常是輸出電壓的函數(shù)。結(jié)果，過沖也是輸出電壓的函數(shù)。該信號相關過沖給予了與基于運算放大器的電路中的有限增益類似的效果，因此，引起所得的電路特性中的非線性。在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，導致例如微分非線性(DNL)和積分非線性(INL)。為了減小過沖和所得的非線性，兩階段斜坡技術的基本原理已在現(xiàn)有技術中作了論證。圖I圖示說明了現(xiàn)有技術的兩階段斜坡電路，在圖I中，示出了典型的開關電容電路的電荷轉(zhuǎn)移階段。電容器34和35通常在前一采樣階段中對輸入電壓進行采樣。電容器41是例如流水線型A/D轉(zhuǎn)換器的下一級采樣電容器。兩個電流源11和12分別生成粗略斜坡和精細斜坡。在粗略階段期間，粗略電流源11被使能，并且給由電容器34、35和41構(gòu)成的電容器網(wǎng)絡充電。電流源11的值被選擇為使得獲得快速的上行斜坡。通常，為粗略 階段留出的時間小于半個時鐘階段的50%。當閾值檢測器切斷(trip)時，電流源11被禁用。如圖2所示的粗略階段過沖Vtfil是粗略階段斜坡率與閾值檢測器20的延遲tdl之間的乘積。由于斜坡率高，圖2所示的粗略階段過沖Vrei可以大。精細階段大大地減小了過沖。緊在粗糙階段之后，精細電流源12被使能。當在精細階段期間檢測到閾值跨越(thresholdcrossing)時，斷開采樣開關30，從而鎖定下一級電容器41上的采樣電荷?？梢允咕氹A段斜坡比第一階段斜坡緩慢得多，因為它僅橫跨粗略階段過沖量，而不是全量程。可以通過如圖3所示那樣修正粗略階段過沖來進一步減小精細階段斜坡率。因為粗略階段過沖Vrei大部分是恒定的，所以可以通過將閾值檢測器20的閾值下移輸入?yún)⒖歼^沖Vre來修正它。在現(xiàn)有技術中，這一點通過下述方式來實現(xiàn)，即，在粗略階段期間，通過閉合圖I中的開關31和斷開圖I中的開關32來將閾值檢測器的參考輸入切換到20Vre，并且在精細階段期間通過閉合開關32和斷開開關31來使該電壓返回到共模電壓V 。如果Vtj。-Vcm = Vrei,則粗略階段過沖將為零。實際上，在粗略階段期間必須允許少量過沖，以確保在存在過沖變化時斜坡跨越閾值檢測器20的閾值電壓。這通過使Vre-Vai稍小于Vtfil來實現(xiàn)。因為剩余的粗略階段過沖小得多，所以可以使精細階段斜坡遠慢于粗略階段的斜坡，例如慢一個數(shù)量級。結(jié)果，對于閾值檢測器的給定延遲，極大地減小了最終的輸出過沖Vtfi2t5這不僅改善了輸入?yún)⒖际д{(diào)，而且還改善了電路的輸入電壓與輸出電壓之間的線性。另外，閾值檢測器輸入在閾值跨越檢測期間被更好地平衡，因此極大地改善了電源抑制。雖然閾值檢測器的輸入在粗略階段閾值檢測期間不平衡，但是這不造成問題，因為在粗略階段期間引入的任何噪聲或誤差在精細階段期間被去除。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面是基于兩階段或多階段閾值檢測的開關電容電路。 本發(fā)明的另一方面是一個電容器上的粗略階段輸出的采樣，并且使它與基于兩階段或多階段閾值檢測器的電路中的精細電流串聯(lián)。本發(fā)明的另一方面是去除精細電流源的有限輸出電阻的影響。本發(fā)明的另一方面是電容器(兩個或更多)上的粗略階段輸出的采樣，并且使它們與差分型基于兩階段或多階段閾值檢測器的電路中的精細電流串聯(lián)。本發(fā)明的另一方面是去除差分型基于兩階段或多階段閾值檢測器的電路中的精細電流源的有限輸出電阻的影響。


本發(fā)明可以采取各種組件和組件布置的形式。附圖僅僅是為了圖示說明優(yōu)選實施方案的目的，而不被解讀為限制本發(fā)明，其中圖I圖示說明現(xiàn)有技術的基于兩階段閾值檢測器的電路；圖2圖示說明現(xiàn)有技術的基于兩階段閾值檢測器的電路的輸出波形；圖3圖示說明現(xiàn)有技術的具有過沖修正的基于兩階段閾值檢測器的電路的輸出波形；圖4圖示說明本發(fā)明的示例性實施方案；圖5圖示說明本發(fā)明的第二實施方案。
具體實施例方式將結(jié)合優(yōu)選實施方案來描述本發(fā)明；然而，將理解的是，并非意圖將本發(fā)明限于本文所公開的實施方案。相反，意圖是如所附權(quán)利要求所限定的，涵蓋可以包括在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有替換形式、修改形式和等同形式?，F(xiàn)有技術的兩階段電路減小了最終的輸出電壓過沖，并且改善了精度。然而，由于斜坡非線性而導致的過沖變化盡管有所減小，但是仍存在于高精度電路中并且在高精度電路中造成局限性。在圖2中，斜坡的非線性主要由精細電流源12的有限輸出電阻引起。斜坡率根據(jù)來自電流源12的電流I和節(jié)點33處的總電容來確定。隨著節(jié)點33處的輸出電壓變化，跨電流源12的電壓變化，并且電流源12的有限輸出電阻使得電流變化。這使得精細階段過沖隨著輸出電壓變化，從而引起非線性。本發(fā)明大大地減小了跨電流源的電壓變化，因此保持斜坡率在寬范圍的輸出電壓上基本上為恒定的。結(jié)果，極大地改善了所得電路的精度。本發(fā)明減小了跨電流源的電壓變化，并且可應用于單端信號路徑和全差分信號路徑二者。它可應用于基于兩階段或多階段閾值檢測器的電路。為了簡化說明，僅顯示了兩階段實施方案，但是具有多階段操作的實施方案是簡單明了的。在本發(fā)明的第一實施方案中，粗略階段結(jié)束時的粗略輸出電壓在一個電容器上被采樣，并且在隨后的精細階段期間被設置為與電流源并聯(lián)。本發(fā)明的第一實施方案利用圖4所示的串聯(lián)電容器42和串聯(lián)電容器采樣開關43。示出了開關電容電路的電荷轉(zhuǎn)移階段期間的電路構(gòu)造。在粗略階段期間，粗略 電流源11被使能，并且給由電容器34、35、41和42構(gòu)成的電容器網(wǎng)絡充電。電流源11的值被選擇為使得獲得快速的上行斜坡。通常，為粗略階段留出的時間小于半個時鐘階段的50%。當閾值檢測器切斷時，采樣開關43斷開，并且電流源11也斷開。這使得粗略輸出電壓跨電容器42被采樣。緊在粗略階段之后，精細斜坡電流源12被使能。這使得輸出節(jié)點33緩降，從而開始精細階段?？商鎿Q地，閾值檢測器43用雙閾值或可調(diào)整閾值來實現(xiàn)，一個用于粗略階段，另一個用于精細階段?？梢允勾致噪A段閾值降低，以減小粗略階段過沖，或者可以使粗略階段閾值更小，以生成使得第二階段斜坡在與第一斜坡相同的方向上的粗略階段過沖。當在精細階段期間檢測到閾值跨越時，斷開采樣開關30，從而鎖定下一級電容器41上的采樣電荷?？缇氹娏髟?2的電壓總是從系統(tǒng)共模電壓Vqi開始，并且以與精細階段過沖成比例的相同電壓結(jié)束。因此，跨電流源12的電壓僅變化一個小的量，而不會隨著節(jié)點33處的輸出電壓變化。此外，無論何時跨電流源12的電壓均具有跨電流源12的相同波形。因此，由于電流源12的有限電阻而導致的任何誤差是恒定的，僅有效地給予輸入?yún)⒖际д{(diào)，從而大大地改善電路的精度。本發(fā)明的第二實施方案利用圖5所示的差分信號路徑以及串聯(lián)電容器55和56與串聯(lián)電容器采樣開關47和48。示出了開關電容電路的電荷轉(zhuǎn)移階段期間的電路構(gòu)造。在粗略階段期間，電流源42給由電容器51、53、55和57構(gòu)成的電容器網(wǎng)絡充電，并且電流源46在相反方向上給由電容器52、54、56和58構(gòu)成的電容器網(wǎng)絡充電。電流源42和46的值被選擇為使得獲得快速的上行斜坡。通常，為粗略階段留出的時間小于半個時鐘階段的50%。當閾值檢測器切斷時，采樣開關47和48斷開，并且粗略電流源42和46也斷開。這使得粗略輸出電壓跨串聯(lián)電容器55和56被采樣。緊在粗略階段之后，開啟精細電流源41和45。這使得輸出電壓緩降，從而開始精細階段。可替換地，閾值檢測器43用雙閾值或可調(diào)整閾值來實現(xiàn)，一個用于粗略階段，另一個用于精細階段?？梢允勾致噪A段閾值降低，以減小粗略階段過沖，或者可以使粗略階段閾值更小，以生成使得第二階段斜坡在與第一斜坡相同的方向上的粗略階段過沖。當在精細階段期間檢測到閾值跨越時，斷開采樣開關30和31，從而鎖定下一級電容器57和58上的采樣電荷。跨精細電流源41和45的電壓總是從系統(tǒng)共模電壓Vqi開始，并且以與精細階段過沖成比例的相同電壓結(jié)束。因此，跨源41和45的電壓僅變化一個小的量，而不會隨著輸出電壓Vwt變化。此外，無論何時跨源41和45的電壓均具有跨源的相同波形。因此，由于源41和45的有限電阻而導致的任何誤差是恒定的，僅有效地給予輸入?yún)⒖际д{(diào)，從而大大地改善電路的精度。·
權(quán)利要求
1.ー種開關電容電路，所述開關電容電路包括 閾值檢測器，所述閾值檢測器在第一輸入信號和第二輸入信號之間的差值跨越預定水平時產(chǎn)生閾值檢測信號； 開關電容器網(wǎng)絡； 粗略電流源，所述粗略電流源與所述開關電容器網(wǎng)絡可操作地耦合，生成粗略斜坡； 精細電流源，所述精細電流源與所述開關電容器網(wǎng)絡可操作地耦合，生成精細斜坡；串聯(lián)電容器，所述串聯(lián)電容器與所述精細電流源可操作地耦合；以及串聯(lián)采樣開關，所述串聯(lián)采樣開關與所述串聯(lián)電容器和所述閾值檢測器可操作地耦合，當所述閾值檢測器指示第一閾值跨越吋，對所述開關電容器網(wǎng)絡的粗略輸出電壓進行采樣。
2.如權(quán)利要求I所述的開關電容電路，其中所述預定水平為零。
3.如權(quán)利要求I所述的開關電容電路，其中所述閾值檢測器為過零檢測器。
4.如權(quán)利要求I所述的開關電容電路，其中所述閾值檢測器為比較器。
5.如權(quán)利要求I所述的開關電容電路，其中所述閾值檢測器包括可調(diào)整閾值。
6.如權(quán)利要求I所述的開關電容電路，其中所述閾值檢測器包括雙閾值。
7.如權(quán)利要求I所述的開關電容電路，還包括輸出采樣電容器和輸出采樣開關，當所述閾值檢測器指示第二閾值跨越時，所述采樣開關斷開。
8.ー種差分型開關電容電路，所述差分型開關電容電路包括 閾值檢測器，所述閾值檢測器在第一輸入信號和第二輸入信號之間的差值跨越預定水平時產(chǎn)生閾值檢測信號； 開關電容器網(wǎng)絡； 粗略電流源，所述粗略電流源與所述開關電容器網(wǎng)絡可操作地耦合，生成粗略斜坡； 精細電流源，所述精細電流源與所述開關電容器網(wǎng)絡可操作地耦合，生成精細斜坡；串聯(lián)電容器，所述串聯(lián)電容器與所述精細電流源可操作地耦合；以及串聯(lián)采樣開關，所述串聯(lián)采樣開關與所述串聯(lián)電容器和所述閾值檢測器可操作地耦合，當所述閾值檢測器指示第一閾值跨越吋，對所述開關電容器網(wǎng)絡的粗略輸出電壓進行采樣。
9.如權(quán)利要求8所述的開關電容電路，其中所述預定水平為零。
10.如權(quán)利要求8所述的開關電容電路，其中所述閾值檢測器為過零檢測器。
11.如權(quán)利要求8所述的開關電容電路，其中所述閾值檢測器為比較器。
12.如權(quán)利要求8所述的開關電容電路，其中所述閾值檢測器包括可調(diào)整閾值。
13.如權(quán)利要求8所述的開關電容電路，其中所述閾值檢測器包括雙閾值。
14.如權(quán)利要求8所述的開關電容電路，還包括輸出采樣電容器和輸出采樣開關，當所述閾值檢測器指示第二閾值跨越時，所述采樣開關斷開。
15.一種用于減輕基于閾值檢測器的電路中的電流源的有限輸出電阻的影響的方法，所述包括 (a)用粗略電流源給開關電容器網(wǎng)絡充電； (b)當閾值檢測器指示預定閾值跨越時，在串聯(lián)電容器上對所述開關電容器網(wǎng)絡的粗略輸出電壓進行米樣；(C)將所述串聯(lián)電容器與精細電流源串聯(lián)連接；以及 (d)用所述精細電流源給所述開關電容器網(wǎng)絡充電。
16.ー種用于減輕差分型基于閾值檢測器的電路中的電流源的有限輸出電阻的影響的方法，所述包括 (a)用粗略電流源給差分型開關電容器網(wǎng)絡充電； (b)當閾值檢測器指示預定閾值跨越時，在串聯(lián)電容器上對所述開關電容器網(wǎng)絡的粗 略輸出電壓進行米樣； (C)將所述串聯(lián)電容器與精細電流源串聯(lián)連接；以及 (d)用所述精細電流源給所述開關電容器網(wǎng)絡充電。
全文摘要
一種開關電容電路包括閾值檢測器，其在第一輸入信號與第二輸入信號之間的差值跨越預定水平時產(chǎn)生閾值檢測信號。粗略電流源生成粗略斜坡。當閾值檢測器指示第一閾值跨越時，串聯(lián)采樣電容器對粗略輸出電壓進行采樣。采樣電容器與生成精細斜坡的精細電流源串聯(lián)連接。
文檔編號H03M1/54GK102801423SQ20121015934
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月20日
發(fā)明者M·蓋頓, H·S·李 申請人:馬克西姆綜合產(chǎn)品公司