專利名稱：具有消除誤差功能的切換式電容電路與其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子電路，特別是一種切換式電容電路。
背景技術(shù)：
以比較器為主的切換式電容(Comparator Based Switch Capacitor，CBSC)電路為一種新興發(fā)展中的科技，與傳統(tǒng)的以運算放大器為主的切換式電容(OP based switch capacitor)電路相比較之下，這種CBSC電路提供了許多好處，而與傳統(tǒng)的切換式電容電路類似，這種CBSC電路同樣也操作于兩種階段下，這兩種階段分別為“取樣”階段(sampling phase)與“轉(zhuǎn)移”階段(transferphase)，并且分別由兩個沒有部分重迭的頻率1與2所控制。在以一取樣率為f運作的典型兩階段的以比較器為主的切換式電容電路中，每一階段的持續(xù)時間略小于取樣頻率周期T＝1/f的一半。在取樣階段(1)期間，是利用一取樣電容C1來對一輸入電壓VI取樣，其中取樣電容C1的“+”端點連接到VI，而取樣電容C1的“-”端點連接到一共模電壓VCM，而在轉(zhuǎn)移階段(2)期間，儲存于取樣電容C1的電荷經(jīng)由一電荷轉(zhuǎn)移電路轉(zhuǎn)移到一積分電容C2，其中此電荷轉(zhuǎn)移電路包含有一比較器130以及一電荷泵(CP)140，而電荷泵140包含有一電流源(current source)I1以及一電流集(current sink)I2，如圖1所示，其中VDD為一供應(yīng)電壓，且VSS為此系統(tǒng)中的最低電位，請注意VCM為一共模電壓，而其電壓值通常接近于VDD與VSS的平均值。負載電容CL經(jīng)由一取樣開關(guān)150連接到VCM，而取樣開關(guān)150由一切換信號S所控制。此電荷轉(zhuǎn)移電路用以轉(zhuǎn)移儲存于取樣電容C1的電荷到積分電容C2直到比較器130的兩個輸入端具有相同的電位為止，亦即VX＝VCM。而以比較器為主的切換式電容電路100在轉(zhuǎn)移階段(2)期間的運作原理將在以下內(nèi)容中簡單描述。
圖2描繪關(guān)于CBSC電路100在轉(zhuǎn)移階段的時序示意圖。一開始時，維持此切換信號S，使得取樣開關(guān)150會被關(guān)閉以形成導(dǎo)通狀態(tài)，并且使得負載電容CL可以連接到VCM，與此同時，VO停留在之前的循環(huán)結(jié)束后的取樣位準，并且VX會接近于VCM，而這個從時間t1開始并且在時間t5結(jié)束的轉(zhuǎn)移階段(2)包含有預(yù)先調(diào)整(P)階段、粗略的電荷轉(zhuǎn)移(E1)階段、精細的電荷轉(zhuǎn)移(E2)階段以及一保持(H)階段等這四個子階段。首先，以比較器為主的切換式電容電路100會進入P階段(于時間t1)，并且在此階段期間將輸出節(jié)點的電位VO拉低到VSS，并且使得VX下降到低于VCM的VXO。然后，于時間t2進入E1階段，而在此階段期間，比較器130檢測到VX＜VCM，并且電荷泵140的電流集I1會將電荷注入到包含有負載電容CL、積分電容C2以及取樣電容C1的電路中，以使得VX以及VO都能相對快速地提高電壓。接著，在比較器130檢測到VX＞VCM的瞬間時，亦即于時間t3開始進入E2階段，在此請注意，由于電路的延遲量，t3會稍微落后于當VX向上超越VCM時確切的時間點，而在E2階段期間，電荷泵140的電流集I2會從包含有負載電容CL、積分電容C2以及取樣電容C1的電路中汲取電荷，以使得VX以及VO都能相對緩慢地降低電壓。最后，以比較器為主的切換式電容電路100會在時間t4，亦即在比較器130再次檢測到VX＜VCM的時間點開始進入H階段，同樣地，由于電路的延遲量，t4會稍微落后于當VX向下超越VCM時確切的時間點，而在H階段期間，不再維持切換信號S，因此取樣開關(guān)150會被打開以形成開路，以及儲存于負載電容CL的電荷會會被取樣以及停止轉(zhuǎn)移；此外，電荷泵140會被關(guān)閉。
由于習(xí)知CBSC電路100的延遲量，VO的最終取樣數(shù)值總是會有一誤差存在，如圖2所示，可以清楚地看到實際的取樣數(shù)值總是稍微低于理想的取樣數(shù)值，亦即在VX向下超越VCM時確切的時間點的數(shù)值；此外，現(xiàn)有的CBSC電路100容易遭受由于比較器130中的偏移量所導(dǎo)致的誤差的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種切換式電容電路，以解決上述問題。
本發(fā)明的目的之一是提供一種切換式電容電路，可以消除由于電路的不理想性(特別是指電路的延遲量或比較器的偏移量或二者)所導(dǎo)致的誤差的方法。
依據(jù)本發(fā)明的一實施例提供一種切換式電容電路，其包含有一比較器，一電荷泵電路以及多個電容，其特征是在一取樣階段，該切換式電容電路對一輸入電壓進行取樣以產(chǎn)生一取樣信號，由于該切換式電容電路的不理想而導(dǎo)致該取樣信號具有一誤差；在一轉(zhuǎn)移階段，該切換式電容電路依據(jù)該取樣信號以產(chǎn)生一生成電壓并轉(zhuǎn)移到一負載；其中，該切換式電容電路利用該多個電容中至少一電容將其連接端的一極性反向改變以消除該誤差。
依據(jù)本發(fā)明的一實施例提供一種用于一切換式電容電路的誤差消除方法，該切換式電容電路包含有一比較器、一電荷泵電路以及多個電容，其特征是對一輸入電壓進行取樣以產(chǎn)生一取樣信號，由于該切換式電容電路的不理想而導(dǎo)致該取樣信號具有一誤差；以及將該取樣信號轉(zhuǎn)移到一負載，并且利用對于該多個電容中至少一電容將其連接端的一極性反向改變以消除該誤差。
現(xiàn)結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的實施例，將上述及本發(fā)明的其它目的與特點詳述于后。


圖1是說明習(xí)知操作于轉(zhuǎn)移階段下的以比較器為主的切換式電容電路的示意圖。
圖2是說明圖1所示的以比較器為主的切換式電容電路的時序示意圖。
圖3是本發(fā)明一實施例的操作于取樣階段下的以比較器為主的切換式電容電路的示意圖。
圖4是說明圖3所示的以比較器為主的切換式電容電路的時序示意圖。
圖5是本發(fā)明一實施例操作于轉(zhuǎn)移階段下的以比較器為主的切換式電容電路的示意圖。
圖6是說明圖5所示的以比較器為主的切換式電容電路的時序示意圖。
圖7是說明圖5所示的電路的一差動電路版本。
附圖符號說明100、100A、100B、100C切換式電容電路130 比較器140、140A電荷泵150 取樣開關(guān)C1、C’1取樣電容C2、C’2積分電容
CL、C’L、C’L+、C’L-負載電容I1電流源I2電流集具體實施方式
本說明書將描述一些關(guān)于切換式電容的實施例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該了解到本發(fā)明可以由許多種方式來加以實現(xiàn)。
一般而言，本發(fā)明可以應(yīng)用于任何的數(shù)據(jù)取樣模擬電路，舉例來說，本發(fā)明可以應(yīng)用于一管線式模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，也可以應(yīng)用于一三角積分式模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(delta-sigma ADC)。數(shù)據(jù)取樣模擬電路通常是在一個多重階段下運作，在本說明書中披露一種依據(jù)本發(fā)明所實現(xiàn)的兩階段的切換式電容電路，但這只是用于舉例說明，而不是本發(fā)明的限制條件，此外，如同先前所描述的現(xiàn)有技術(shù)一樣，這兩種階段分別為取樣階段(1)與轉(zhuǎn)移階段(2)。在不失去一般性的狀況下，在本說明書中將利用一管線式模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器作為一個例子來說明本發(fā)明所教導(dǎo)的方法原理。
在一較佳實施例中，在取樣階段(1)期間的電路架構(gòu)如圖3所示，其中，如同先前描述現(xiàn)有技術(shù)時所說明的例子一樣，利用C1來對輸入電壓VI取樣，然而，本說明書所披露的以比較器為主的切換式電容電路100A與圖1所示的以比較器為主的切換式電容電路100相較之下，除了以下所描述的四個部分的改變之外，其它部分都是完全相同的，而這四個改變的部分分別為(1)C1由C’1所取代，而C’1實質(zhì)上具有與C1相同的電容值；(2)CL由C’L所取代，而C’L實質(zhì)上具有與CL相同的電容值；(3)C2是以一反向的極性被連接；以及(4)一個另外加入的C’2實質(zhì)上具有與C2相同的電容值，且與C’1并聯(lián)。以比較器為主的切換式電容電路100A實質(zhì)上具有與以圖1的電路100相同的架構(gòu)，并且也以類似的方式來運作。
關(guān)于本實施例的切換式電容電路100A的時序示意圖如圖4所示，圖4除了以下所描述的四個部分的外，其它部分都與圖2十分類似，而這四個部分分別為(1)一個另外加入的信號R用于將分別儲存于C’1、C2以及C’2的電荷清除掉，而此信號R將這些電容的兩端連接于VCM以實現(xiàn)這個目的；(2)頻率2由頻率1所取代；(3)P、E1、E2以及H階段分別由P’、E’1、E’2以及H’階段所取代；以及(4)時間點t1到t5分別由t’1到t’5所取代。此信號R暫時性地維持一簡短的時間，然后在時間點t’1之前解除，亦即在取樣階段(1)期間開始之前解除，而由于此信號R的緣故，C’1以及C’2在以比較器為主的切換式電容電路100A開始進入取樣階段(1)之前不會具有任何電荷，而這個從時間t’1開始并且在時間t’5結(jié)束的轉(zhuǎn)移階段(2)包含有預(yù)先調(diào)整(P’)階段、粗略的電荷轉(zhuǎn)移(E’1)階段、精細的電荷轉(zhuǎn)移(E’2)階段以及一保持(H’)階段這四個子階段(sub-phase)。首先，以比較器為主的切換式電容電路100A會進入P’階段(于時間t’1)，并且在此階段期間將輸出節(jié)點的電位VO拉低到VSS，并且使得VX下降到低于VCM的V'XO，然后于時間t’2進入E’1階段，而在此階段期間，比較器130檢測到VX＜VCM，并且電荷泵140會將電荷注入到包含有C’L、C2、C’1以及C’2的電路中，以使得VO以及VX都能相對快速地提高電壓，接著在比較器130檢測到VX＞VCM的瞬間時，亦即于時間t3開始進入E’2階段，在此請注意，由于電路的延遲量，t’3會稍微落后于當VX向上超越VCM時確切的時間點，而在E2’階段期間，電荷泵140會從包含有C’L、C2、C’1以及C’2的電路中汲取電荷，以使得VO以及VX都能相對緩慢地降低電壓，最后，以比較器為主的切換式電容電路100A會在時間t’4，亦即在比較器130再次檢測到VX＜VCM的時間點開始進入H’階段，同樣地，由于電路的延遲量，t’4會稍微落后于當VX向下超越VCM時確切的時間點，而在H’階段期間，不再維持切換信號S，并且電荷泵140會被關(guān)閉，因此儲存于C’1、C’2、C2以及C’L的電荷會停止轉(zhuǎn)移。
如果以比較器為主的切換式電容電路100A不具有任何比較器的偏移量以及任何電路的延遲量，那么在取樣階段(1)期間結(jié)束時，所有的電容C’1、C’2、C2以及C’L都不會具有任何電荷，然而，由于實際上仍然會有比較器的偏移量以及電路的延遲量，因此上述的四個電容會有一些電荷存在。假設(shè)比較器的偏移量是VOS(亦即比較器130在進行比較時，會適宜地提供“-”端點一數(shù)量為VOS的偏移量)，并且假設(shè)在E’2階段期間從C2所汲取的電流為I，以及假設(shè)在VX向下超越VCM時確切的時間點與比較器130檢測到VX＜VCM的實際時間點之間的電路延遲量為τ，那么在取樣階段(1)結(jié)束時，C1、C’2以及C2的電荷可以分別由下列代數(shù)式子來加以表示Q1＝C1(V1-VCM)
Q′2=-C′2VOS+IτC′2C′1+C′2]]>Q2＝-(C′1+C′2)VOS+Iτ在一較佳實施例中，在轉(zhuǎn)移階段(2)期間的電路架構(gòu)如圖5所描繪，其中，本說明書所披露的以比較器為主的切換式電容電路100B與圖1所示的以比較器為主的切換式電容電路100相較之下，除了另外增加的電容C’2(此電容在轉(zhuǎn)移階段(2)期間結(jié)束時儲存有一誤差電荷Q’2)，并且C’2與C1并聯(lián)之外，其它部分實質(zhì)上都是完全相同的。因此，以比較器為主的切換式電容電路100B實質(zhì)上具有與以比較器為主的切換式電容電路100相同的架構(gòu)，并且也以非常類似的方式來運作。
以比較器為主的切換式電容電路100A的時序示意圖如圖6所示，圖6除了輸出電壓VO與在電荷轉(zhuǎn)移結(jié)束時的理想取樣數(shù)值完全相同之外，其它部分實質(zhì)上都與圖2一樣(此外，不像圖2沒有納入比較器的偏移量，本說明書在圖6的VX波形中包含有一偏移電壓VOS)，其中，由于比較器的偏移量以及電路的延遲量所導(dǎo)致的誤差會因為分別儲存于C’2以及C2的初始誤差電荷Q’2與Q2而被消除，而確切的誤差消除原理會在后續(xù)的內(nèi)容中加以證明。
在C’2與C1并聯(lián)的情況下，會出現(xiàn)一電荷均分(charge sharing)現(xiàn)象以使得C1兩端的跨壓與C’2兩端的跨壓相等，而在以比較器為主的切換式電容電路100B開始進入轉(zhuǎn)移階段(2)之前，VX的初始值可以由下列代數(shù)式子來表示VX(init)=VCM-Q1+Q′2C1+C′2]]>在P階段期間，VO會被暫時性地拉低，也就是會等于VX，接著，在E1階段期間，電荷泵140會注入電荷以使得VX往VCM+VOS的方向提高，然后，在VX往上超越VCM+VOS過后一陣子，開始進入E2階段，并且電荷泵140會汲取電荷以使得VX往VCM+VOS的方向降低，接著，在VX往下超越VCM+VOS過后一陣子，開始進入H階段，并且儲存于全部四個電容(C1、C2、C’2以及CL)的電荷會停止轉(zhuǎn)移，而VX的最終值可以由下列代數(shù)式子來表示
VX(final)=VCM+VOS-IτC1+C′2]]>所以，在整個轉(zhuǎn)移階段(2)期間，從C1以及C’2轉(zhuǎn)移到C2的所有凈電荷可以由下列代數(shù)式子來表示Qt=(C1+C′2)·(VX(final)-VX(init))]]>因此，在轉(zhuǎn)移階段(2)期間結(jié)束時，儲存于C2的電荷可以由下列代數(shù)式子來表示Q2(final)=Q2+Q1=-(C′1+C′2)VOS+Iτ+(C′1+C′2)·(VX(final)-VX(init))·]]>而最終的輸出電壓VO可以由下列代數(shù)式子來表示VO(final)=VX(final)+Q2(final)C2]]>利用以上所條列的代數(shù)式子以及搭配操作條件C’1＝C1與C’2＝C2就可以得到下列結(jié)果VO(final)=VCM+(VI-VCM)·C1/C2,]]>這個結(jié)果就是最終輸出電壓VO不包含任何比較器的偏移量以及任何電路的延遲量，即比較器的偏移量以及電路的延遲量所導(dǎo)致的誤差也因此已經(jīng)完全被消除了。
對于本來源的技術(shù)人員而言，本發(fā)明實施例所披露的方法原理也可以其它形式來加以實現(xiàn)，例如(1)在預(yù)先調(diào)整(P或P’)階段期間，可以將輸出電壓VO拉升到此系統(tǒng)中最高的電位VDD，因此，在開始進入粗略的電荷轉(zhuǎn)移(E1或E’1)階段之前使得VX＞VCM，而在這個狀態(tài)下，I1必須改換為一個電流集(currentsink)，以及I2必須改換為一電流源(current source)。
(2)可以省略精細的電荷轉(zhuǎn)移階段E’2以及E2，由于電路的延遲量所導(dǎo)致的誤差會被完全消除，所以可省略精細的電荷轉(zhuǎn)移階段，在這個例子中，I2電流亦可被省略，還可以提升整體電路的運作速度。
(3)可以利用一差動電路來取代一單端電路，圖7是說明一差動電路的例子，在此請注意，雖然圖7中的電荷泵140A沒有精細的電荷轉(zhuǎn)移階段E’2，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，可輕易地了解到只要加入一電流源I2+以及一電流集I2-就可以包含有此一精細的電荷轉(zhuǎn)移階段，同樣地，亦可輕易地設(shè)計出與圖5所描繪的單端電路相對應(yīng)的一差動電路。
(4)在轉(zhuǎn)移階段(2)期間，可以將圖5所示的電容C1的“+”端點及/或電容C’2的“+”端點連接到與不同于VCM的一電壓，舉例來說，對于一管線式模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器而言，電容C1、C’2中任一電容的“+”端點都可以被連接到取決于電壓V1范圍而預(yù)先定義的許多電壓的其中的一。
(5)電容C’2可以利用多個電容來組成，而這些電容在取樣階段(1)期間為互相并聯(lián)，但是在轉(zhuǎn)移階段(2)期間，這些電容的“+”端點可以連接到每一個從許多預(yù)先定義的電壓中選出的不同的電壓，或是連接到此系統(tǒng)中的一個內(nèi)部節(jié)點。
(6)可以選擇在轉(zhuǎn)移階段(2)結(jié)束之后清除儲存于C2、C’1以及C’2的電荷(利用維持R信號)，而不是在取樣階段(1)開始的時候進行。
無論如何，本發(fā)明上述所教導(dǎo)的方法原理可順利地應(yīng)用于這種組態(tài)之下。此外，有許多開關(guān)(除了開關(guān)150的外)并沒有在這些圖標中顯示，而這些開關(guān)是由多個頻率信號所控制，以定義出取樣階段(1)以及轉(zhuǎn)移階段(2)下的電路架構(gòu)(亦即電路組件之間的連接關(guān)系)，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，這些開關(guān)是顯而易見。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明的權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種切換式電容電路，其包含有一比較器，一電荷泵電路以及多個電容，其特征在于在一取樣階段，該切換式電容電路對一輸入電壓進行取樣以產(chǎn)生一取樣信號，由于該切換式電容電路的不理想而導(dǎo)致該取樣信號具有一誤差；在一轉(zhuǎn)移階段，該切換式電容電路依據(jù)該取樣信號以產(chǎn)生一生成電壓并轉(zhuǎn)移到一負載；其中，該切換式電容電路利用該多個電容中至少一電容將其連接端的一極性反向改變以消除該誤差。
2.如權(quán)利要求1所述的切換式電容電路，其中該取樣階段包含有一預(yù)先調(diào)整階段、一電荷轉(zhuǎn)移階段以及一保持階段。
3.如權(quán)利要求1所述的切換式電容電路，其中該轉(zhuǎn)移階段包含有一預(yù)先調(diào)整階段、一電荷轉(zhuǎn)移階段以及一保持階段。
4.如權(quán)利要求1所述的切換式電容電路，其中該多個電容包含有一取樣電容以及一積分電容。
5.如權(quán)利要求4所述的切換式電容電路，其中在該取樣階段，該取樣電容耦接于該輸入電壓。
6.如權(quán)利要求4所述的切換式電容電路，其中在該取樣階段，該積分電容耦接于該電荷泵電路，而在該轉(zhuǎn)移階段，該積分電容以一相反的極性耦接于該電荷泵電路。
7.如權(quán)利要求1所述的切換式電容電路，其中該該取樣階段以及該轉(zhuǎn)移階段周期性地運作。
8.如權(quán)利要求7所述的切換式電容電路，其中該多個電容電路包含有一取樣電容以及一積分電容，其中在該取樣階段，該取樣電容耦接于該輸入電壓。
9.如權(quán)利要求7所述的切換式電容電路，其中該多個電容電路包含有一取樣電容以及一積分電容，在該取樣階段，該積分電容耦接于該電荷泵電路，而在該轉(zhuǎn)移階段，該積分電容以一相反的極性耦接于該電荷泵電路。
10.一種用于一切換式電容電路的誤差消除方法，該切換式電容電路包含有一比較器、一電荷泵電路以及多個電容，其特征在于對一輸入電壓進行取樣以產(chǎn)生一取樣信號，由于該切換式電容電路的不理想而導(dǎo)致該取樣信號具有一誤差；以及將該取樣信號轉(zhuǎn)移到一負載，并且利用對于該多個電容中至少一電容將其連接端的一極性反向改變以消除該誤差。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該切換式電容電路于一取樣階段以及一轉(zhuǎn)移階段周期性地運作。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該取樣階段包含有一預(yù)先調(diào)整階段、一電荷轉(zhuǎn)移階段以及一保持階段。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該多個電容包含有一取樣電容以及一積分電容，其中在該取樣階段期間，該取樣電容耦接于該輸入電壓。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中在該取樣階段，該積分電容耦接于該電荷泵電路，而在該轉(zhuǎn)移階段，該積分電容以一相反的極性耦接于該電荷泵電路。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該多個電容包含有一取樣電容以及一積分電容，其中在該取樣階段，該積分電容耦接于該電荷泵電路，而在該轉(zhuǎn)移階段，該積分電容以一相反的極性耦接于該電荷泵電路。
全文摘要
一種切換式電容電路，經(jīng)由包含有一取樣階段以及一轉(zhuǎn)移階段而周期性地運作，其中在該取樣階段期間，一輸入電壓與由于該切換式電容電路的不理想性所導(dǎo)致的誤差均被取樣，而在該轉(zhuǎn)移階段期間，該取樣的輸入電壓以一固定比例放大并且被轉(zhuǎn)移到一輸出負載，并且于此同時利用對該切換式電容電路中一內(nèi)部電容將其連接端的極性反向改變以消除該誤差。
文檔編號H03L7/00GK101051831SQ200710089009
公開日2007年10月10日 申請日期2007年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月29日
發(fā)明者林嘉亮, 周格至 申請人:瑞昱半導(dǎo)體股份有限公司