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基于兩階段閾值檢測器的電路

閱讀：70發(fā)布：2024-02-22

專利匯可以提供基于兩階段閾值檢測器的電路專利檢索，專利查詢，專利分析的服務(wù)。并且一種 開關(guān) 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(yù)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(dāng)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(jìn)行采樣。采樣電容器與生成精細(xì)斜坡的精細(xì)電流源串聯(lián)連接。，下面是基于兩階段閾值檢測器的電路專利的具體信息內(nèi)容。

1.一種開關(guān)電容電路，所述開關(guān)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(yù)定水平時產(chǎn)生閾值檢測信號；
開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)；
粗略電流源，所述粗略電流源與所述開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)可操作地耦合，生成粗略斜坡；
精細(xì)電流源，所述精細(xì)電流源與所述開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)可操作地耦合，生成精細(xì)斜坡；
串聯(lián)電容器，所述串聯(lián)電容器與所述精細(xì)電流源可操作地耦合；以及
串聯(lián)采樣開關(guān)，所述串聯(lián)采樣開關(guān)與所述串聯(lián)電容器和所述閾值檢測器可操作地耦合，當(dāng)所述閾值檢測器指示第一閾值跨越時，對所述開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)的粗略輸出電壓進(jìn)行采樣。
2.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電容電路，其中所述預(yù)定水平為零。
3.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)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1所述的開關(guān)電容電路，其中所述閾值檢測器為比較器。
5.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)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1所述的開關(guān)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1所述的開關(guān)電容電路，還包括輸出采樣電容器和輸出采樣開關(guān)，當(dāng)所述閾值檢測器指示第二閾值跨越時，所述采樣開關(guān)斷開。
8.一種差分型開關(guān)電容電路，所述差分型開關(guān)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(yù)定水平時產(chǎn)生閾值檢測信號；
開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)；
粗略電流源，所述粗略電流源與所述開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)可操作地耦合，生成粗略斜坡；
精細(xì)電流源，所述精細(xì)電流源與所述開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)可操作地耦合，生成精細(xì)斜坡；
串聯(lián)電容器，所述串聯(lián)電容器與所述精細(xì)電流源可操作地耦合；以及
串聯(lián)采樣開關(guān)，所述串聯(lián)采樣開關(guān)與所述串聯(lián)電容器和所述閾值檢測器可操作地耦合，當(dāng)所述閾值檢測器指示第一閾值跨越時，對所述開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)的粗略輸出電壓進(jìn)行采樣。
9.如權(quán)利要求8所述的開關(guān)電容電路，其中所述預(yù)定水平為零。
10.如權(quán)利要求8所述的開關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)電容電路，還包括輸出采樣電容器和輸出采樣開關(guān)，當(dāng)所述閾值檢測器指示第二閾值跨越時，所述采樣開關(guān)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(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)充電；
(b)當(dāng)閾值檢測器指示預(yù)定閾值跨越時，在串聯(lián)電容器上對所述開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)的粗略輸出電壓進(jìn)行采樣；
(c)將所述串聯(lián)電容器與精細(xì)電流源串聯(lián)連接；以及
(d)用所述精細(xì)電流源給所述開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)充電。
16.一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(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)充電；
(b)當(dāng)閾值檢測器指示預(yù)定閾值跨越時，在串聯(lián)電容器上對所述開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)的粗略輸出電壓進(jìn)行采樣；
(c)將所述串聯(lián)電容器與精細(xì)電流源串聯(lián)連接；以及
(d)用所述精細(xì)電流源給所述開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)充電。

說明書全文

基于兩階段閾值檢測器的電路

技術(shù)領(lǐng)域

[0001] 本發(fā)明總地涉及開關(guān)電容電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和Δ-∑調(diào)制器。更具體地，本發(fā)明涉及實(shí)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(guān)電容電路。

背景技術(shù)

[0002] 基于閾值檢測器(諸如比較器和過零檢測器)的開關(guān)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?；陂撝禉z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(dǎo)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(yù)置時間，大約剩余1.5ns。在基于單階段閾值檢測器的電路中，斜坡必須在1.5ns內(nèi)橫跨(transverse)大約1V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(dǎo)致133mV輸出過沖。
[0003] 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(shí)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(guān)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(guān)過沖給予了與基于運(yùn)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(dǎo)致例如微分非線性(DNL)和積分非線性(INL)。
[0004] 為了減小過沖和所得的非線性，兩階段斜坡技術(shù)的基本原理已在現(xiàn)有技術(shù)中作了論證。圖1圖示說明了現(xiàn)有技術(shù)的兩階段斜坡電路，在圖1中，示出了典型的開關(guān)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(jìn)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(xì)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(luò)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(dāng)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VOS1是粗略階段斜坡率與閾值檢測器20的延遲td1之間的乘積。由于斜坡率高，圖2所示的粗略階段過沖VOS1可以大。精細(xì)階段大大地減小了過沖。緊在粗糙階段之后，精細(xì)電流源12被使能。當(dāng)在精細(xì)階段期間檢測到閾值跨越(threshold crossing)時，斷開采樣開關(guān)30，從而鎖定下一級電容器41上的采樣電荷。
[0005] 可以使精細(xì)階段斜坡比第一階段斜坡緩慢得多，因?yàn)樗鼉H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(jìn)一步減小精細(xì)階段斜坡率。因?yàn)榇致噪A段過沖VOS1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VOC來修正它。在現(xiàn)有技術(shù)中，這一點(diǎn)通過下述方式來實(shí)現(xiàn)，即，在粗略階段期間，通過閉合圖1中的開關(guān)31和斷開圖1中的開關(guān)32來將閾值檢測器的參考輸入切換到20VOC，并且在精細(xì)階段期間通過閉合開關(guān)32和斷開開關(guān)31來使該電壓返回到共模電壓VCM。如果VOC-VCM＝VOS1，則粗略階段過沖將為零。實(shí)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VOC-VCM稍小于VOS1來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槭Ｓ嗟拇致噪A段過沖小得多，所以可以使精細(xì)階段斜坡遠(yuǎn)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VOS2。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?yàn)樵诖致噪A段期間引入的任何噪聲或誤差在精細(xì)階段期間被去除。

發(fā)明內(nèi)容

[0006] 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(guān)電容電路。
[0007] 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(xì)電流串聯(lián)。
[0008] 本發(fā)明的另一方面是去除精細(xì)電流源的有限輸出電阻的影響。
[0009] 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(xì)電流串聯(lián)。
[0010] 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(xì)電流源的有限輸出電阻的影響。附圖說明
[0011] 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(shí)施方案的目的，而不被解讀為限制本發(fā)明，其中：
[0012] 圖1圖示說明現(xiàn)有技術(shù)的基于兩階段閾值檢測器的電路；
[0013] 圖2圖示說明現(xiàn)有技術(shù)的基于兩階段閾值檢測器的電路的輸出波形；
[0014] 圖3圖示說明現(xiàn)有技術(shù)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；
[0015] 圖4圖示說明本發(fā)明的示例性實(shí)施方案；
[0016] 圖5圖示說明本發(fā)明的第二實(shí)施方案。

具體實(shí)施方式

[0017] 將結(jié)合優(yōu)選實(shí)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(shí)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。
[0018] 現(xiàn)有技術(shù)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(dǎo)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(xì)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(diǎn)33處的總電容來確定。隨著節(jié)點(diǎn)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(xì)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。
[0019] 本發(fā)明減小了跨電流源的電壓變化，并且可應(yīng)用于單端信號路徑和全差分信號路徑二者。它可應(yīng)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(shí)施方案，但是具有多階段操作的實(shí)施方案是簡單明了的。在本發(fā)明的第一實(shí)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(xì)階段期間被設(shè)置為與電流源并聯(lián)。本發(fā)明的第一實(shí)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(guān)43。示出了開關(guān)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(luò)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(dāng)閾值檢測器切斷時，采樣開關(guān)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(xì)斜坡電流源12被使能。這使得輸出節(jié)點(diǎn)
33緩降，從而開始精細(xì)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(shí)現(xiàn)，一個用于粗略階段，另一個用于精細(xì)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(dāng)在精細(xì)階段期間檢測到閾值跨越時，斷開采樣開關(guān)30，從而鎖定下一級電容器
41上的采樣電荷?？缇?xì)電流源12的電壓總是從系統(tǒng)共模電壓VCM開始，并且以與精細(xì)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(diǎn)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(dǎo)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。
[0020] 本發(fā)明的第二實(shí)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(guān)47和48。示出了開關(guān)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(luò)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(luò)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(dāng)閾值檢測器切斷時，采樣開關(guān)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(xì)電流源41和45。這使得輸出電壓緩降，從而開始精細(xì)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(shí)現(xiàn)，一個用于粗略階段，另一個用于精細(xì)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(dāng)在精細(xì)階段期間檢測到閾值跨越時，斷開采樣開關(guān)30和31，從而鎖定下一級電容器57和58上的采樣電荷?？缇?xì)電流源41和45的電壓總是從系統(tǒng)共模電壓VCM開始，并且以與精細(xì)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vout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(dǎo)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。
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