专利名称：能减少失真和噪声及增加绝缘度的开关电容结构的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及开关电容结构。
图1A描述开关电容结构10的采样操作，在开关电容结构10中，第一个和第二个采样开关14和17闭合，以使在输入端口15的模拟输入信号Sin驱动采样电荷Qs进入采样电容Cs，由此在采样电容上产生采样信号Ss＝Qs/Cs。
图1B描述开关电容结构10的转移操作，在开关电容结构10中，第一个和第二个采样开关14和17断开，并且电容底极板13通过闭合的转移开关18接地。因为现在采样电容Cs上的信号基本上为0，采样电荷Qs转移到转移电容Ct，在输出端口16产生一个处理过的输出信号Sprcsd＝Qs/Ct。由此，图1A和1B的采样和转移操作产生一个Cs/Ct的Sprcsd/Sin转移函数。由此，在图2C的曲线图20中，由斜率为Cs/Ct的曲线22表示该转移函数。
这样，图1A和1B的开关电容结构20特别适合于用作图1D的流水线模数转换器(ADC)30中的采样器32。采样器32将输入端口33上的输入信号Sin处理成为系统节点34上的采样信号Ssmp1。在响应中，初级ADC35(例如，快闪ADC)将这个采样信号Ssmp1转换成为数字输出信号的至少一个最高有效比特位D0，该数字输出信号相应于输入信号Sin。同时，将该采样信号处理成残余信号Sres，该残余信号Sres适合于由下级ADC顺序地处理成为该输出数字信号的较低有效位。
例如，如果初级ADC是一个1.5比特的转换器级，它提供判决信号36，该信号从输入信号Sin范围的中点起是等间隔的(P2-26)。在响应中，由图1C中的曲线24较佳地表示了该残余信号Sres，曲线24含有由判决信号确定的三段，并且每段的斜率为曲线22斜率的两倍。
例如通过下列的措施能够产生曲线24给图1A和1B的采样电容Cs补充一个额外电容使它的斜率变大(也就是增加增益)，并设计转移开关18，通过给采样电容的底极板施加所选的偏置信号，因此能响应判决信号(图1D的36)。当按这种样子修改图1A和1B的开关电容结构20时，通常将它称作为乘法模数转换器(MDAC)，在图1D中表示为MDAC38。
虽然开关电容结构特别适合于精确地用集成电路光刻技术实现，输入电路的绝缘度通常比所需的要小，而它们的输出信号常常出现严重失真和噪声。
在附加权利要求中特别地阐明了本发明的新颖特点。当连同参考附图时，从下列的描述中将最能理解本发明。
图2A和2B是原理图，分别示出采样模式和转移模式中的本发明的一个开关电容实施例；图3A和3B是原理图，分别示出采样模式和转移模式中的另一个开关电容特别地，采样器40包括第一个和第二个采样开关42和44；以及一个缓冲晶体管46，含有一个控制端47，连接到第一个采样开关42，并含有一个电流端48，响应于控制端47。电流端连接到电流源49，而另一个电流端连接到一个偏置电压(例如，Vcc)。采样电容Cs含有一块底极板51，连接到电流端48，和一块顶极板52，连接到第二个采样开关44。第一个采样开关42连接到采样器输入端口54，以接收模拟输入信号Sin。
另外，差分放大器61的反相输入端连接到顶极板52，转移电容Ct跨接在该差分放大器上，而第一个和第二个转移开关62和64分别连接到控制端47和电流端48。差分放大器61的输出端在采样输出端口68提供一个采样信号Ssmp1。虽然并未特别地示出，较佳地应用一对差分晶体管实现该初级差分放大器。
图2A描述运行的采样模式，在采样模式中，第一个和第二个采样开关42和44闭合，以使模拟输入信号Sin经过缓冲晶体管46产生采样电荷Qs，由此能在开关电容的两端产生采样信号Ss＝Qs/Cs。在采样模式期间，将第一个和第二个转移开关62和64设置为断开状态。
图2B描述运行的转移模式，在该模式中，第一个和第二个转移开关62和64闭合，分别消除缓冲晶体管46的偏置，并将采样电荷Qs转移到转移电容Ct，在输出端口16产生一个处理过的输出信号Sprosd＝Qs/Ct。在转移模式期间，将第一个和第二个采样开关42和44(原为采样电容44和46？)设置成断开状态。
采样器40也应较佳地包括一个放电开关76，连接到差分放大器61的输出端。在转移模式结束时，该放电开关76闭合，以清除转移电容Ct上的电荷，并在随后的转移模式中准备接受新的电荷。所以，在图2B中，放电开关76闭合，而在图2A中断开。
在图2A和2B中，缓冲晶体管46示为双极结晶体管，所以控制端和电流端46和48分别为基极和发射极，而缓冲级是射极跟随级。然而，用其他的缓冲晶体管(例如，金属氧化物半导体(MOS)晶体管)也可实现本发明的技术。
为了增强对采样器40的工作过程的理解，用传统的开关符号表示图2A和2B的采样和转移开关。然而实际上，可以较佳地用MOS晶体管实现图2A和2B的采样和转移开关，作为例子，由图2A中的第一个和第二个n型MOS采样晶体管72和74代替分别由替代箭头73和75指明的第一个和第二个采样开关42和44。
已经发现，常由寄生电荷降低传统采样器的工作性能，这些寄生电荷注入在采样信号通路(例如由图2A中的采样电荷Qs确定的通路)中存在的晶体管内阻中。例如已经确定，第二个采样晶体管74中的栅极移动(例如，当为了退出采样模式，改变栅极电位，使该晶体管截止时)将上行电荷流注入到该电荷通过第一个采样晶体管72的内阻上，并由此产生一个变化的信号，使采样信号Qs失真。
然而，对照传统的结构并依据本发明的特点，采样器40将缓冲晶体管46插入到信号通路内，将第一个和第二个采样晶体管72和74隔开。这个射极跟随器的较低的下行到上行的增益明显地减少了到达第一个采样晶体管72的注入电荷，并这样，明显地减少了有关的失真。缓冲晶体管46给采样电荷Qs提供了一条低噪声，低失真的信号通路，并提供一种用于转换到转移模式的快速切换处理。
采样处理精度要求在将采样电荷Qs传递到转移电容Ct期间(如图2B所示)，具有更高的上行绝缘度。在本发明的另一个特点中，通过缓冲晶体管46和第一个采样开关42的串级组合增强这种上行绝缘度。
然而，如果缓冲晶体管46在转移模式期间完全截止，只能实现这种绝缘度的增强。按照本发明的另一个特点，第一个转移开关62下拉控制端47，并由此保证缓冲晶体管46可靠地截止。因为该控制端维持在低电位上，即使当不同的电位通过第二个转移开关64出现在电流端48时，该缓冲晶体管仍将维持截止状态。将参考图5的开关电容结构，下面描述产生这种不同电位的原因。
虽然图2A和2B中的采样器40有效地减少了串联采样元件中的失真以及增强并伪保证上行的绝缘度，它可以将电荷注入到输入端口54，导致第一个采样晶体管72的栅极移动。因为这种注入的电荷可以降低某些上行系统的工作性能，图3B和3B的采样器80在第一个采样开关之前插入第二个缓冲晶体管82(和一个相应的电流源83)。在本发明的另一个特点中，第二个缓冲器的较低的下行到上行增益有效地减少到达上行系统的注入电荷。除了第二个缓冲晶体管82之外，图3A和3B类似于图2A和2B，用相似的参考数字表示相似的元件。
然而，已经发现缓冲晶体管46要求有足够的上行充电电流。当从转移模式到转换到采样模式的操作中，需要该充电电流对缓冲晶体管46的基极区进行再充电。电流源49的电流是可靠的(substantial)，所以，缓冲晶体管能够以低失真，高频率驱动采样电容Cs。因此，这种再充电电流的注入部分足够大，降低上行系统的工作性能。
因此，图4A描述一个并入有本发明另一个特点的采样器90。在该采样器中，一个预充电开关92连接到缓冲晶体管的控制端47，允许注入预充电电流94。该预充电电流94对缓冲晶体管46的基级区进行快速充电，以增强在随后的采样运行模式中的性能。图4A示出在转移模式位置(即，类似于图2B和3B中它们的位置)中的第一个和第二个采样开关42和44及第一个和第二个转移开关62和64。在转移模式结束时，第一个和第二个转移开关62和64是断开的。
已经建议，图4A的电流源49在转移模式时断开，以使不会干扰采样电容Cs中的采样电荷Qs。对照这种建议，本发明实施例中的电流源49是恒流的，并且更正确地，由图4B所示的差分对96的晶体管97和98有选择地控制流过第一条和第二条通路中的电流。响应于固定偏置99的晶体管97较佳地应为CMOS晶体管，而相应于开关信号Ssw的晶体管98较佳地应为双极结晶体管。
当采样模式中的开关信号Ssw处理较低状态时，由晶体管97控制流过包含缓冲晶体管46的第一条通路中的电流。当转移模式中的开关信号Ssw处理较高状态时，由晶体管98控制流过不包含缓冲晶体管46的第二条通路(例如，到Vcc)中的电流。在本发明另一个特点中，晶体管98的高跨导gm有效地加快流过缓冲晶体管46的启动和终止电流的速度。
在本发明示范性的时标序列中，第一个和第二个转移开关62和64在转移模式结束时断开，而第二个采样开关44随后在接近启动采样模式时闭合。接着，差分对96(在图4B中)控制流过缓冲晶体管46的电流，并且预充电开关92闭合，将预充电电流94注入到缓冲晶体管46的基级区。然后，第一个采样开关42闭合，并随后，预充电开关92断开，以终止预充电电流94的注入。
第二个采样开关44在采样模式结束时断开，将采样电荷Qs保持在采样电容Cs内。随后，第一个采样开关42断开，并且差分对96(在图4B中)控制电流流出缓冲晶体管46和采样电容Cs以及，在这些操作后，第一个和第二个转移开关62和64闭合，启动随后的转移模式。
图5描述采样器90的不同版本100。在该版本中，由差分输入端口104代替图4A的输入端口54，并由差分放大器101代替放大器61，差分地驱动一个差分输出端口108。差分的上信号通路和下信号通路连接在差分输入端口104和差分放大器101之间，第二个缓冲晶体管82(和相关的电流源83)及第一个采样晶体管42启动每一条这种信号通路(第一个采样晶体管42和图2A的第一个采样晶体管72相同)。
用一对第一个晶体管62实现图42A的第一个转移开关62，从公共端口63驱动这对晶体管62，并用一对再充电晶体管92实现再充电开关92，从公共端口93驱动这对晶体管92。虽然在图5中没有特别地示出，图4A的放电开关76跨接在差分输出端口108。一对转移电容Ct跨接到差分放大器101上，而第二个采样晶体管44跨接到该放大器的输入端(第二个采样晶体管44和图2A的第二个采样晶体管74相同)。
然而，与此相反，缓冲晶体管46(和相关的电流源49)，第二个转移开关64和采样电容Cs在上信号通路和下信号通路中都是平行排列的。这种排列方式提供额外的采样电容Cs，该采样电容Cs可增加转移函数的斜率(例如，如图1C曲线24所示)并提供额外的第二个转移开关64，该转移开关64能将多个开关端切换到相应的第二个转移开关的电流端，由引有利于所选偏置信号的应用。为了描述简单，在图5中未示出图4B的差分对96。
因此图5的开关电容结构100尤其适合用作流水线ADC中的MDAC(例如，如图1D所示)。因此，将差分输出端口108上的信号示作为残余信号Sres。为了促进(to facilitate)这种MDAC结构，每个第一个开关62下拉各自缓冲晶体管46的控制端，以保证在转移模式期间，它们仍维持截止，这样允许在各自的转移电容Ct的底极板上应用所选的偏置信号。
能将本发明的开关电容结构方便地用作为各种信号条件模块中的采样器和MDAC，例如，图6的流水线ADC120。ADC120包括采样器124，初级转换器126和至少一个连续级128，并将输入端口121上的模拟输入信号Sin转换为输出端口122上相应的数字输出信号Sout。
特别地，采样器124提供相应于输入信号Sin的采样信号Ssmp1，而初级转换器126处理该采样信号Ssmp1，提供一个残余信号Sres并还提供各自的数字比特位Dr。在相似的方式中，每个连续转换器级128处理一个先前的残余信号Sres，提供一个连续的残余信号Sres并还提供各自的数字比特位Dr。然而，连续转换器级的最后一个转换器仅提供各自的数字比特位Dr。流水线ADC120转换器级一般提供额外的数字比特位，因此该流水线ADC能够包括校正逻辑130，校正处理出错并产生数字输出信号Sout。
初级转换器126含有一个ADC132(例如，快闪ADC)，能将采样信号Ssmp1转换成各自的数字比特位Dr。初级转换器还含有MDAC134，接收采样信号Ssmp1，并还接收来自ADC132的一个判决信号136。该判决信号136表明由ADC132在任意给定时刻提供数字比特位Dr中的哪一位。虽然每个连续转换器级128处理一个先前的残余信号Sres(而不是采样信号Ssmp1)，它们配置成类似于初级转换器126。与之相比，最后的转换器级仅包括ADC132。
因为本发明的开关电容结构在结构元件之间增强了绝缘度，并保证所选元件在一种模式能可能靠地截止，而在另一种模式能快速地导通，本发明开关电容结构减少了处理信号中的失真和噪声。
这里描述的本发明实施例是示范性的，并可轻易地设想多种修改，变化和重新排列，基本上达到相同的结果，所有这些倾向于包含在如附加权利要求中规定的本发明范畴内。
权利要求
1.一种开关电容级，所述开关电容级包括一个缓冲晶体管和一个采样电容，串连在第一个和第二个采样开关之间，这两个开关在运行的采样模式中闭合，并包括第一个和第二个转移开关在运行的转换模式中闭合，并分别连接到所述缓冲晶体管的控制端和电流端；所述改进包括第二个缓冲晶体管，含有一个控制端，接收输入信号；和一个电流端，连接到所述第一个采样开关，以将所述输入信号传递给所述第一个采样开关。
2.按照权利要求1的所述开关电容器级，其特征在于，还包括一个预充电开关，连接到所述第一个采样开关和所述缓冲晶体管之间的节点，由此在所述采样模式之前，将一个预充电电流传导给第二个缓冲晶体管。
3.按照权利要求1的所述开关电容级，其特征在于，还包括一对差分晶体管，有选择地控制流过所述采样模式中的第一条通路和所述转移模式中的第二条通路的偏置电流，其中，所述第一条通路包括所述缓冲晶体管，而所述第二条通路不包括所述缓冲晶体管。
4.按照权利要求1的所述开关电容级，其特征在于，所述预充电开关是金属氧化物半导体晶体管。
5.按照权利要求1的所述开关电容级，其特征在于，所述控制端是基级，而所述电流端是发射级。
6.按照权利要求1的所述开关电容级，其特征在于，进一步包括一个差分放大器，连接到所述采样电容和所述第二个采样开关；一个转移电容，跨接到所述差分放大器；及一个放电开关，连接到所述转移电容，由此，在所述采样模式中，对所述转移电容进行放电。
7.按照权利要求1的所述开关电容级，其特征在于，所述第二个转移开关配置成能将多个开关端切换到所述采样电容，以有利于所选偏置信号的应用。
8.一种开关电容级，所述开关电容级含有一个缓冲晶体管和一个采样电容，串连在第一个和第二个采样开关之间，这两个开关在运行的采样模式时闭合；并含有第一个和第二个转移开关，这两个开关在运行的转移模式时闭合，并分别连接到所述缓冲晶体管的控制端和电流端；所述改进包括一个预充电开关，连接到所述第一个采样开关和所述缓冲晶体管之间的一个节点，由此在所述采样模式之前，将预充电电流传导给所述第二个缓冲晶体管。
9.按照权利要求8的所述开关电容级，还包括一对差分晶体管，有选择地控制流过所述采样模式中的第一条通路和所述转移模式中的第二条通路的偏置电流，其中所述第一条通路包括所述缓冲晶体管，而所述第二条通路不包括所述缓冲晶体管。
10.按照权利要求8的所述开关电容级，其特征在于，所述预充电开关是金属氧化物半导体晶体管。
11.按照权利要求8的所述开关电容级，其特征在于，进一步包括一个差分放大器，连接到所述采样电容和所述第二个采样开关；一个转移电容，跨接到所述差分放大器；及一个放电开关，连接到所述转移电容，由此在所述采样模式中，对所述转移电容进行放电。
12.按照权利要求8的所述开关电容级，其特征在于，所述第二个转移开关配置成能将多个开关端切换到所述采样电容，以有利于所选偏置信号的应用。
13.一种开关电容级，其特征在于，所述开关电容级含有一个缓冲晶体管和一个采样电容，串连在第一个和第二个采样开关之间，这两个开关在运行的采样模式时闭合；并含有第一个和第二个转移开关，这两个开关在运行的转移模式时闭合，并分别连接到所述缓冲晶体管的控制端和电流端；所述改进包括一对差分晶体管，有选择地控制流过所述采样模式中的第一条通路和所述转移模式中的第二条通路的偏置电流，其中所述第一条通路包括所述缓冲晶体管，而所述第二条通路不包括所述缓冲晶体管。
14.按照权利要求13的所述开关电容级，其特征在于，进一步包括一个差分放大器，连接到所述采样电容和所述第二个采样开关；一个转移电容管，跨接在所述差分放大器；及一个放电开关，连接到所述转移电容，由此在所述采样模式中，对所述转移电容进行放电。
15.按照权利要求13的所述开关电容级，其特征在于，所述第二转移开关配置成能将多个开关端切换到所述采样电容，以有利于所选偏置信号的应用。
16.一种流水线模数转换器，其特征在于，所述流水线模数转换器含有一个采样器，提供响应一个模拟输入信号的一个采样信号；并含有一个缓冲晶体管和一个采样电容，串连在第一个和第二个采样开关之间，这两个开关在运行的采样模式时闭合；并含有第一个和第二个转移开关，这两个开关在运行的转移模式时闭合，并分别连接到所述缓冲晶体管的控制端和电流端；所述改进包括一个初级转换器，处理所述采样信号，提供一个残余信号以及分别相应于所述模拟输入信号的一个数字输出信号的比特位；至少一个连续转换器级，处理一个先前的残余信号，分别提供一个连续残余信号和所述数字输出信号的比特位，其中最后的转换器级仅分别提供所述比特位；第二个缓冲晶体管，含有一个控制端，接收输入信号；和一个电流端，连接到所述第一个采样开关，将所述输入信号传递给所述第一个采样开关；一个预充电开关，连接到所述第一个采样开关和所述缓冲晶体管之间的一个节点，由此在所述采样模式之前，将预充电电流传导给所述第二个缓冲晶体管；及一对差分晶体管，有选择地控制流过所述采样模式中的第一条通路和所述转移模式中的第二条通路的偏置电流，其中，所述第一条通路包括所述缓冲晶体管，而所述第二条通路不包括所述缓冲晶体管。
17.按照权利要求16的所述流水线模数转换器，其特征在于，所述预充电开关是金属氧化物半导体晶体管。
18.按照权利要求16的所述流水线模数转换器，其特征在于，所述控制端是基极，而所述电流端是发射极。
19.按照权利要求16的所述流水线模数转换器，其特征在于，还包括一个差分放大器，连接到所述采样电容和所述第二个采样开关；一个转移电容，跨接到所述差分放大器；及一个放电开关，连接到所述转移电容，由此在所述采样模式中，对所述转移电容进行放电。
全文摘要
提供开关电容结构，因为这些开关电容结构能增强结构元件之间的绝缘度，并能在不同模式中，保证所选元件可靠和快速地截止和导通，能减少它们处理信号中的失真和噪声。
文档编号H03H19/00GK1471234SQ03149358
公开日2004年1月28日 申请日期2003年6月17日 优先权日2002年6月17日
发明者S·G·巴兹利, R·K·库马拉贡特勒, S G 巴兹利, 库马拉贡特勒 申请人:模拟设备股份有限公司