專利名稱：共模不靈敏采樣器的制作方法
共模不靈敏采樣器
相關(guān)申請
本申請要求2007年1月30日提交的美國臨時專利申請No. 60/898,216 的優(yōu)先權(quán)。以上申請的整體教示通過參考結(jié)合于此。
背景技術(shù)：
在很多(高速)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中，模擬輸入信號在轉(zhuǎn)換之前被采樣 到輸入采樣電容器中。模擬輸入和采樣電容器之間的任何介入電路都可以是增 加失真和/或噪聲的退化源。因此，為了實現(xiàn)最大可能的無雜散動態(tài)范圍(SFDR) 和最高信噪比(SNR)，很多高性能采樣器和ADC省略有源前端差動放大器， 結(jié)果得到類似

圖1所示的拓撲結(jié)構(gòu)。圖la示出基于常規(guī)的運算放大器的設(shè)計， 且圖lb示出Kenet(肯耐特)共柵極電荷流水線采樣前端(由其它專利覆蓋)。 注意，兩種方法如何以類似定時的時鐘控制使用附連至模擬輸入的相同開關(guān)電 容器網(wǎng)絡(luò)。該描述的其余部分基于利用Kenet共柵極電荷流水線獲得的結(jié)果， 但所披露的采樣器的獨特特征可同樣良好地應(yīng)用于常規(guī)的方法。
盡管單端采樣器/轉(zhuǎn)換器可由圖1所示的電路制作，但更常見的是， 一對 單端采樣器/轉(zhuǎn)換器結(jié)成對，從而形成如圖2所示的差動配置。(在圖3和4 中示出采樣器/轉(zhuǎn)換器輸入電路的操作，示出兩個主要的時鐘相，跟蹤和保持)。 該電路關(guān)于水平中心線成鏡像，形成采樣器/轉(zhuǎn)換器的m (減)半部分和p (加) 半部分。理想地，以某共模值Vcm為中心，將差動信號vdiff施加至vi叩和 vinm輸入，艮卩，Vinp = Vcm + vdiff/2， Vinm = Vcm - vdiff/2。實際上，當差動 信號擺動而通過其范圍時，大多數(shù)模擬輸入——甚至是預期為完全差動的模擬 輸入——具有某些殘余共模電壓變化。例如，通常從執(zhí)行不平衡(單端)至平 衡(差動)轉(zhuǎn)換的、基于變換器的平衡-不平衡變換器來驅(qū)動高速轉(zhuǎn)換器的輸 入。這些平衡-不平衡變換器不是完美的，結(jié)果導致其輸出處的共模分量。另 一種說法是，如果vinp和vinm不具有相等幅度和精確的180。相對相位，則將在采樣器/轉(zhuǎn)換器輸入處出現(xiàn)殘余時變共模分量。采樣器將輸入電壓轉(zhuǎn)換成存儲 在采樣電容器上的電荷，所以任何輸入共模電壓變化將導致兩個采樣電容器上 的共模電荷變化。下游電路于是必需能夠適應(yīng)這種共模變化，而沒有性能損失。 如上所述，驅(qū)動轉(zhuǎn)換器輸入的第二種方法是在轉(zhuǎn)換器之前設(shè)置有源差動放 大器。該差動放大器與變換器類似，能夠提供某種程度的共模抑制。然而，現(xiàn) 實放大器不是完美的，且它們也將殘余共模電壓變化留給采樣器/轉(zhuǎn)換器處理。 另外，這些有源放大器增加失真和噪聲，通常超過采樣器/轉(zhuǎn)換器本身的失真和 噪聲。
發(fā)明概述
需要的是一種在信號路徑中不使用差動放大器因此沒有任何增加的失真 或噪聲的抑制輸入共模電壓變化的方法。本發(fā)明的實施例提供一種這樣的方 法。在橫跨附圖中標記為"Vcmi"的節(jié)點上的模擬輸入的一對匹配電阻器上感 測輸入共模變化。在可選實施例中，可使用開關(guān)電容器電路感測共模變化。利 用該測量的Vcmi，對其余的采樣器/轉(zhuǎn)換器進行調(diào)節(jié)，以去掉在Vcmi處觀察 到的任何變化。
附圖簡述
上述內(nèi)容將從本發(fā)明的示例實施例的以下更具體描述中顯而易見，如附圖 所示，其中在各附圖中相似的附圖標記指代相同的部分。附圖不一定是按比例 的，相反地，重點放在示出本發(fā)明的實施例上。
圖la是常規(guī)的基于運算放大器的轉(zhuǎn)換器的示意圖。
圖lb是電荷流水線轉(zhuǎn)換器的示意圖。
圖2是差動配置中電荷采樣器的示意圖。
圖3是在采樣階段期間圖2的釆樣器的示意圖。
圖4是在放電階段期間圖2的采樣器的示意圖。
圖5是示出電荷輸出與電壓輸入的關(guān)系的圖2的采樣器的示意圖。
圖6是示出共模電荷輸出與共模電壓輸入的關(guān)系的圖2的采樣器的示意圖。圖7是采用電壓源的共模不靈敏采樣器的示意圖。 圖8是共模不靈敏采樣器的示意圖。
圖9是用于常規(guī)和共模不靈敏采樣器的共模電荷與共模電壓的關(guān)系的曲 線圖。
圖10是用于常規(guī)和共模不靈敏采樣器的共模電荷與共模時變電壓的關(guān)系
的曲線圖。
圖11是開關(guān)電容器共模不靈敏采樣器的示意圖。
具體實施例方式
以下是本發(fā)明的示例實施例的描述。
圖5分別提供輸入差動和共模電壓Vdiff和Vcm與輸出差動和共模電荷 Qdiff和Qcm之間的關(guān)系。差模式輸出電荷僅僅是按需要的差模式輸入電壓和 采樣電容的乘積。另一方面，共模輸出電荷是輸入共模電壓、預充電(Vpch) 和放電(Vdch)電壓、下游電壓(Vfdss)、采樣電容和任意底板電容(Cbp) 的函數(shù)。
在圖6的常規(guī)(或"傳統(tǒng)")采樣器中，Vdch和Vpch接地，結(jié)果導致共 模輸出電壓(Qcm)等于常數(shù)加上輸入共模電壓與采樣電容的乘積項。換言之， 任何共模輸入變化直接通過該采樣器，且具有與期望的輸入信號相同的增益，
所以該拓撲完全沒有提供共模抑制。
相反，圖7中所提出的共模不靈敏(Vcm跟蹤)采樣器在理論上具有無 限的共模抑制，因為共模輸出電荷不是輸入共模電壓的函數(shù)。為了實現(xiàn)這點， 需要理想的電壓源將Vdch保持為Vcmi以下的恒定電壓降。實際上，這種電 壓源將具有非零輸出阻抗和有限的操作范圍。另外，如果共模輸入電壓隨時間
改變，則當對輸入信號采樣時，還需要同時對Vcmi采樣。
圖8示出Vcm跟蹤采樣器的實際實現(xiàn)。另外的采樣和保持電路(電容器 Ci和另外的開關(guān)Kbp)添加到共模感測路徑，后面是具有低輸出阻抗的緩沖器 放大器Ab。當模擬輸入信號Vinp、 Vinm和共模信號Vcmi被同時采樣到其各 自的電容器(分別是Cs和Ci)上時，對大的共模校正電容器Ccmc充電到固 定基準電壓Vcmc—samp。在電荷傳送階段中，Ccmc串聯(lián)連接在緩沖器放大器Ab的輸出和vdch之間，結(jié)果導致Vcmi一s和Vdch之間所需要的固定偏移。為 了使Ccmc和采樣電容器之間的電容性劃分效應(yīng)最小化，可使Ccmc相對較大。 因為該電容器在兩個采樣器部分共用的路徑中，所以沒有將差動KTC噪聲添 加至電荷輸出。當Ccmc的值增加時，所需的Vcmc—samp下降，最終接近Vcm。 注意，除了提供抑制共模輸入變化外，可使用Vcmc一samp作為調(diào)節(jié)采樣器的 共模輸出電荷的手段。
返回圖8中的采樣器電路的操作，電路首先進入采樣狀態(tài)以獲取模擬輸入 信號Vinp、 Vinm和共模信號Vcmi的采樣。在該采樣狀態(tài)下，由Kbp和Ktp 時鐘控制的開關(guān)閉合，而由Kct時鐘控制的開關(guān)打開，使得電容器Cs能對相 應(yīng)的輸入信號Vi叩和Vinm采樣。同時，將Vcmi連接至Ci的開關(guān)閉合，使 電容器Ci能對共模電壓Vcmi采樣。結(jié)果，可同時對共模電壓Vcmi與輸入信 號Vi叩和Vinm采樣。同時，Ccmc通過分別由Kbp和Ktp控制的一對開關(guān)充 電至Vcmc—samp。
在完成信號Vi叩、Vinm和Vcmi的采樣后，采樣電路可進入傳送狀態(tài)以 經(jīng)由電荷輸出Vfdp、 Vfdm傳送所采樣的電荷。由Kbp和Ktp控制的開關(guān)打開， 且由Kct控制的開關(guān)閉合。結(jié)果，所采樣的共模電壓的經(jīng)緩沖的形式Vcmi—s 驅(qū)動校正電容器Ccmc的一側(cè)，強制連接至該電容器的另一節(jié)點Vdch下降至 Vcmi-Vcmc一samp。這進而驅(qū)動電荷離開采樣電容器進入下游電路。對于大的 Ccmc (Ccmc〉>Cc)，存在最小電容性電荷劃分，所以Vdch保持在共模輸入 Vcmi以下的恒定電壓降，從而跟蹤電容器Cs處所采樣的電荷的任何共模變化 (由于在Vinp和Vinm處輸入共模改變)。因此，采樣電路在具有與共模輸入 電壓Vcmi無關(guān)的恒定共模電荷Qcm的電荷輸出Vfdp、 Vfdm處提供所采樣的 差動輸出電荷。
注意，在圖6的傳統(tǒng)采樣器中，Vdch = 0。在圖8的Vcm跟蹤采樣器中， 對于大的Ccmc且Vcmc一samp設(shè)置為Vcm而言，Vdch也被驅(qū)動至接近0V。 當輸入共模電壓改變時，圖6的傳統(tǒng)采樣器中的Vdch是恒定的，結(jié)果導致輸 出共模電荷的變化。相反，在圖8的Vcm跟蹤采樣器中，當輸入共模電壓(在 Vi叩和Vinm處)變化時，Vdch以相同的量上下移動以便匹配，將輸出共模 電荷(在Vfdp和Vfdm處)保持為恒定值。在圖9的直流掃描中示出圖8的Vcm跟蹤采樣器的測量性能。在這些掃描 中，在輸入共模電壓的標定值附近對其進行掃描，同時設(shè)置輸入差模電壓為o， 即vinm = vinp = Vcm。記錄輸出共模電荷。示出兩組三條曲線在-40C、 +40C 和120C的三種溫度的每一種下傳統(tǒng)采樣器和vcm跟蹤采樣器性能。正如所預 期的，傳統(tǒng)采樣器直接響應(yīng)于Vcm的變化，對于該特定采樣器，具有1.6fC/mV 的斜率。相反，Vcm跟蹤采樣器為下游電路提供降低約16倍的共模電荷變化， 具有0. lfC/mV的斜率。
本發(fā)明的實施例可為時變輸入信號提供共模變化抑制。圖IO示出在三個 不同輸入頻率(10、 260和510腿z)和同樣的三種溫度下圖6和圖8的釆樣 器對vimn和vi叩中10%的失配的響應(yīng)。該失配產(chǎn)生很大的時變輸入共模變化。 對于所有的情形，傳統(tǒng)采樣器(圖6)直接通過電荷輸出傳送該共模電壓波動， 結(jié)果導致不可接受的大的共模電荷變化。
相反，Vcm跟蹤采樣器(圖8)充分抑制這些動態(tài)輸入共模信號。10MHz 情況非常類似于圖9中所示的直流情形，提供大量共模抑制。當輸入頻率升高 時，共模抑制逐漸退化，但即使在510MHz輸入時，Vcm跟蹤采樣器仍提供降低 約2. 5至3倍的輸出共模電荷波動。
盡管大多數(shù)高速轉(zhuǎn)換器需要相對低的源阻抗來實現(xiàn)高帶寬，但某些應(yīng)用不 能容許直接耦合至采樣器輸入的電阻器負載。對于這些或其它應(yīng)用，可采用圖 11的替換共模感測電路。該電路使用一對開關(guān)電容器來感測共模輸入電壓，并 將緩沖器放大器直接置于vdch上。對于需要vdch接近或低于接地的應(yīng)用，這 種拓撲還要求負電源軌或電荷泵(未示出)以在緩沖器將vdch維持在0伏附 近時吸入采樣電荷。注意，圖8中的Ccmc電容器提供類似的電荷泵功能以及 已經(jīng)討論的偏移功能。如圖1 (a)中的示例所示，本發(fā)明的實施例還可應(yīng)用于 基于運算放大器的轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器一般通過差動放大器來實現(xiàn)共模抑制。 然而，可在這一轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)如上所述的共模跟蹤釆樣器，以在差動放大器之 前提供共模抑制。例如，圖7的采樣器可配置在差動放大器(未示出)前的流 水線中，該差動放大器接收輸入Vfdp和Vfdm并提供相應(yīng)的電壓差動。
盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的示例實施例具體示出并描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的 技術(shù)人員將理解可在其中進行各種形式和細節(jié)的變化，而不背離由所附權(quán)利要 求書包括的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于抑制采樣器中的輸入共模電壓變化的裝置，包括用于感測共模輸入變化的電路，所述電路檢測共模電壓Vcmi；以及電壓源，用于將放電節(jié)點Vdch維持在電壓Vcmi以下基本恒定的電壓降。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括第一采樣器，用于在給定時間對輸入電壓采樣，所述輸入電壓具有對應(yīng)于所述共模電壓Vcmi的共模分量；以及第二采樣器，用于在給定時間對共模電壓Vcrai采樣。
3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述電壓源包括電容器Ccmc。
4. 如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述第一采樣器包括多個輸入 采樣電容器Cs，所述電容器Ccmc的電容充分大于每個所述輸入采樣電容器 Cs的電容。
5. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述第一采樣器經(jīng)由放電節(jié)點 Vdch釋放電流。
6. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，還包括用于提供與所述第一采 樣器采樣的輸入電壓相對應(yīng)的輸出電荷的電荷輸出。
7. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述輸出電荷是具有相對于共 模電壓Vcmi的變化保持基本恒定的輸出共模電荷的多個電荷。
8. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述電荷輸出耦合至差動放大器。
9. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述用于感測所述共模輸入變 化的電路包括一對電阻器。
10. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述一對電阻器配置成使 差動輸入電壓分壓以指示共模電壓Vcmi 。
11. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述用于感測所述共模輸 入變化的電路包括一對開關(guān)電容器。
12. —種用于抑制采樣器中的輸入共模電壓變化的方法，包括 在共模電壓Vcmi處感測共模輸入變化；以及將放電節(jié)點Vdch維持在電壓Vcmi以下基本恒定的電壓降。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包括 在給定時間對輸入電壓采樣，以提供具有對應(yīng)于所述共模電壓Vcmi的共模分量的采樣輸入電壓；以及在給定時間對共模電壓Vcmi采樣，以提供所采樣的共模電壓。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，維持放電節(jié)點包括使電 壓源充電和放電，所述電壓源包括電容器Ccmc。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，對所述輸入電壓采樣包 括對多個輸入采樣電容器Cs充電，所述電容器Ccmc的電容充分大于每個輸入 采樣電容器Cs的電容。
16. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括經(jīng)由放電節(jié)點Vdch 釋放電流。
17. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括提供與所述第一 采樣器采樣的輸入電壓相對應(yīng)的輸出電荷。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述輸出電荷是具有相 對于共模電壓Vcmi的變化保持基本恒定的輸出共模電荷的多個電荷。
19. 權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，還包括向差動放大器的輸 入提供多個電荷。
20. 權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，感測所述共模輸入變化包 括經(jīng)由 一對電阻器對輸入電壓采樣。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述一對電阻器配置成 使差動輸入電壓分壓以指示共模電壓Vcmi。
22. 權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，感測所述共模輸入變化包 括對一對開關(guān)電容器充電。
23. —種用于抑制釆樣器中的輸入共模電壓變化的裝置，包括 用于在給定時間對輸入電壓采樣以提供具有對應(yīng)于所述共模電壓Vcmi的共模分量的采樣輸入電壓的裝置；以及用于在給定時間對共模電壓Vcmi采樣以提供所采樣的共模電壓的裝置。
全文摘要
一種用于抑制采樣器/轉(zhuǎn)換器中的輸入共模電壓變化的方法，其避免在信號路徑中使用差動放大器，且不引入添加的失真或噪聲。在一個實施例中，在橫跨節(jié)點“Vcmi”上的共模模擬輸入的一對匹配電阻器上感測輸入共模變化。一種供選擇的基于開關(guān)電容器的感測方案也是可行的。利用該測量的Vcmi，然后對其余的采樣器/轉(zhuǎn)換器進行調(diào)節(jié)，以去掉在Vcmi處觀察到的任何變化。
文檔編號H03M1/34GK101622789SQ200880003289
公開日2010年1月6日 申請日期2008年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月30日
發(fā)明者J·S·費希爾, L·J·庫什納, M·P·安東尼 申請人:肯耐特股份有限公司