专利名称：基于两阶段阈值检测器的电路的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及开关电容电路、模数转换器和A- E调制器。更具体地，本发明涉及实现更高精度的基于两阶段或多阶段(two-or multi-phase)阈值检测器的开关电容电路。
背景技术：
基于阈值检测器(诸如比较器和过零检测器)的开关电容电路能够以高速度、数量级低于传统电路的功耗工作。基于阈值检测器的电路中的不精确性的主要来源是由阈值检测器的有限延迟而导致的输出电压过冲(overshoot)。输出过冲量是斜坡率乘以阈值检测器的延迟。在高速电路中，斜坡率必须非常高。例如，在200MS/S流水线型模数转换器中，如果包括非重叠时钟要求，则每半个时钟阶段(clock phase)仅为大约2ns。减去基于阈值检测器的电路的操作所需的预置时间，大约剩余I. 5ns。在基于单阶段阈值检测器的电路中，斜坡必须在I. 5ns内横跨(transverse)大约IV的全量程,从而给予0. 66V/ns的斜坡率。以该高斜坡率，阈值检测器的典型200ps延迟导致133mV输出过冲。在具有足够的超范围(over-range)和数字纠错能力的情况下，即使这样的大的过冲也仅转化为恒定的输入参考失调(input referred offset)。然而,实际上,过冲的变化是个问题。斜坡率和延迟可以随着处理和温度而改变，从而引起与处理和温度相关的过冲。更麻烦的是随输出信号的过冲变化。由于电流源的有限输出电阻和非线性寄生电容，斜坡不是完全线性的。因此，斜坡率通常是输出电压的函数。结果，过冲也是输出电压的函数。该信号相关过冲给予了与基于运算放大器的电路中的有限增益类似的效果，因此，引起所得的电路特性中的非线性。在模数转换器中，导致例如微分非线性(DNL)和积分非线性(INL)。为了减小过冲和所得的非线性，两阶段斜坡技术的基本原理已在现有技术中作了论证。图I图示说明了现有技术的两阶段斜坡电路，在图I中，示出了典型的开关电容电路的电荷转移阶段。电容器34和35通常在前一采样阶段中对输入电压进行采样。电容器41是例如流水线型A/D转换器的下一级采样电容器。两个电流源11和12分别生成粗略斜坡和精细斜坡。在粗略阶段期间，粗略电流源11被使能，并且给由电容器34、35和41构成的电容器网络充电。电流源11的值被选择为使得获得快速的上行斜坡。通常，为粗略 阶段留出的时间小于半个时钟阶段的50%。当阈值检测器切断(trip)时，电流源11被禁用。如图2所示的粗略阶段过冲Vtfil是粗略阶段斜坡率与阈值检测器20的延迟tdl之间的乘积。由于斜坡率高，图2所示的粗略阶段过冲Vrei可以大。精细阶段大大地减小了过冲。紧在粗糙阶段之后，精细电流源12被使能。当在精细阶段期间检测到阈值跨越(thresholdcrossing)时，断开采样开关30，从而锁定下一级电容器41上的采样电荷。可以使精细阶段斜坡比第一阶段斜坡缓慢得多，因为它仅横跨粗略阶段过冲量，而不是全量程。可以通过如图3所示那样修正粗略阶段过冲来进一步减小精细阶段斜坡率。因为粗略阶段过冲Vrei大部分是恒定的，所以可以通过将阈值检测器20的阈值下移输入参考过冲Vre来修正它。在现有技术中，这一点通过下述方式来实现，即，在粗略阶段期间，通过闭合图I中的开关31和断开图I中的开关32来将阈值检测器的参考输入切换到20Vre，并且在精细阶段期间通过闭合开关32和断开开关31来使该电压返回到共模电压V 。如果Vtj。-Vcm = Vrei,则粗略阶段过冲将为零。实际上，在粗略阶段期间必须允许少量过冲，以确保在存在过冲变化时斜坡跨越阈值检测器20的阈值电压。这通过使Vre-Vai稍小于Vtfil来实现。因为剩余的粗略阶段过冲小得多，所以可以使精细阶段斜坡远慢于粗略阶段的斜坡，例如慢一个数量级。结果，对于阈值检测器的给定延迟，极大地减小了最终的输出过冲Vtfi2t5这不仅改善了输入参考失调，而且还改善了电路的输入电压与输出电压之间的线性。另外，阈值检测器输入在阈值跨越检测期间被更好地平衡，因此极大地改善了电源抑制。虽然阈值检测器的输入在粗略阶段阈值检测期间不平衡，但是这不造成问题，因为在粗略阶段期间引入的任何噪声或误差在精细阶段期间被去除。
发明内容
本发明的一方面是基于两阶段或多阶段阈值检测的开关电容电路。 本发明的另一方面是一个电容器上的粗略阶段输出的采样，并且使它与基于两阶段或多阶段阈值检测器的电路中的精细电流串联。本发明的另一方面是去除精细电流源的有限输出电阻的影响。本发明的另一方面是电容器(两个或更多)上的粗略阶段输出的采样，并且使它们与差分型基于两阶段或多阶段阈值检测器的电路中的精细电流串联。本发明的另一方面是去除差分型基于两阶段或多阶段阈值检测器的电路中的精细电流源的有限输出电阻的影响。
本发明可以采取各种组件和组件布置的形式。附图仅仅是为了图示说明优选实施方案的目的，而不被解读为限制本发明，其中图I图示说明现有技术的基于两阶段阈值检测器的电路；图2图示说明现有技术的基于两阶段阈值检测器的电路的输出波形；图3图示说明现有技术的具有过冲修正的基于两阶段阈值检测器的电路的输出波形；图4图示说明本发明的示例性实施方案；图5图示说明本发明的第二实施方案。
具体实施例方式将结合优选实施方案来描述本发明；然而，将理解的是，并非意图将本发明限于本文所公开的实施方案。相反，意图是如所附权利要求所限定的，涵盖可以包括在本发明的精神和范围内的所有替换形式、修改形式和等同形式。现有技术的两阶段电路减小了最终的输出电压过冲，并且改善了精度。然而，由于斜坡非线性而导致的过冲变化尽管有所减小，但是仍存在于高精度电路中并且在高精度电路中造成局限性。在图2中，斜坡的非线性主要由精细电流源12的有限输出电阻引起。斜坡率根据来自电流源12的电流I和节点33处的总电容来确定。随着节点33处的输出电压变化，跨电流源12的电压变化，并且电流源12的有限输出电阻使得电流变化。这使得精细阶段过冲随着输出电压变化，从而引起非线性。本发明大大地减小了跨电流源的电压变化，因此保持斜坡率在宽范围的输出电压上基本上为恒定的。结果，极大地改善了所得电路的精度。本发明减小了跨电流源的电压变化，并且可应用于单端信号路径和全差分信号路径二者。它可应用于基于两阶段或多阶段阈值检测器的电路。为了简化说明，仅显示了两阶段实施方案，但是具有多阶段操作的实施方案是简单明了的。在本发明的第一实施方案中，粗略阶段结束时的粗略输出电压在一个电容器上被采样，并且在随后的精细阶段期间被设置为与电流源并联。本发明的第一实施方案利用图4所示的串联电容器42和串联电容器采样开关43。示出了开关电容电路的电荷转移阶段期间的电路构造。在粗略阶段期间，粗略 电流源11被使能，并且给由电容器34、35、41和42构成的电容器网络充电。电流源11的值被选择为使得获得快速的上行斜坡。通常，为粗略阶段留出的时间小于半个时钟阶段的50%。当阈值检测器切断时，采样开关43断开，并且电流源11也断开。这使得粗略输出电压跨电容器42被采样。紧在粗略阶段之后，精细斜坡电流源12被使能。这使得输出节点33缓降，从而开始精细阶段。可替换地，阈值检测器43用双阈值或可调整阈值来实现，一个用于粗略阶段，另一个用于精细阶段。可以使粗略阶段阈值降低，以减小粗略阶段过冲，或者可以使粗略阶段阈值更小，以生成使得第二阶段斜坡在与第一斜坡相同的方向上的粗略阶段过冲。当在精细阶段期间检测到阈值跨越时，断开采样开关30，从而锁定下一级电容器41上的采样电荷。跨精细电流源12的电压总是从系统共模电压Vqi开始，并且以与精细阶段过冲成比例的相同电压结束。因此，跨电流源12的电压仅变化一个小的量，而不会随着节点33处的输出电压变化。此外，无论何时跨电流源12的电压均具有跨电流源12的相同波形。因此，由于电流源12的有限电阻而导致的任何误差是恒定的，仅有效地给予输入参考失调，从而大大地改善电路的精度。本发明的第二实施方案利用图5所示的差分信号路径以及串联电容器55和56与串联电容器采样开关47和48。示出了开关电容电路的电荷转移阶段期间的电路构造。在粗略阶段期间，电流源42给由电容器51、53、55和57构成的电容器网络充电，并且电流源46在相反方向上给由电容器52、54、56和58构成的电容器网络充电。电流源42和46的值被选择为使得获得快速的上行斜坡。通常，为粗略阶段留出的时间小于半个时钟阶段的50%。当阈值检测器切断时，采样开关47和48断开，并且粗略电流源42和46也断开。这使得粗略输出电压跨串联电容器55和56被采样。紧在粗略阶段之后，开启精细电流源41和45。这使得输出电压缓降，从而开始精细阶段。可替换地，阈值检测器43用双阈值或可调整阈值来实现，一个用于粗略阶段，另一个用于精细阶段。可以使粗略阶段阈值降低，以减小粗略阶段过冲，或者可以使粗略阶段阈值更小，以生成使得第二阶段斜坡在与第一斜坡相同的方向上的粗略阶段过冲。当在精细阶段期间检测到阈值跨越时，断开采样开关30和31，从而锁定下一级电容器57和58上的采样电荷。跨精细电流源41和45的电压总是从系统共模电压Vqi开始，并且以与精细阶段过冲成比例的相同电压结束。因此，跨源41和45的电压仅变化一个小的量，而不会随着输出电压Vwt变化。此外，无论何时跨源41和45的电压均具有跨源的相同波形。因此，由于源41和45的有限电阻而导致的任何误差是恒定的，仅有效地给予输入参考失调，从而大大地改善电路的精度。·
权利要求
1.ー种开关电容电路，所述开关电容电路包括 阈值检测器，所述阈值检测器在第一输入信号和第二输入信号之间的差值跨越预定水平时产生阈值检测信号； 开关电容器网络； 粗略电流源，所述粗略电流源与所述开关电容器网络可操作地耦合，生成粗略斜坡； 精细电流源，所述精细电流源与所述开关电容器网络可操作地耦合，生成精细斜坡；串联电容器，所述串联电容器与所述精细电流源可操作地耦合；以及串联采样开关，所述串联采样开关与所述串联电容器和所述阈值检测器可操作地耦合，当所述阈值检测器指示第一阈值跨越吋，对所述开关电容器网络的粗略输出电压进行采样。
2.如权利要求I所述的开关电容电路，其中所述预定水平为零。
3.如权利要求I所述的开关电容电路，其中所述阈值检测器为过零检测器。
4.如权利要求I所述的开关电容电路，其中所述阈值检测器为比较器。
5.如权利要求I所述的开关电容电路，其中所述阈值检测器包括可调整阈值。
6.如权利要求I所述的开关电容电路，其中所述阈值检测器包括双阈值。
7.如权利要求I所述的开关电容电路，还包括输出采样电容器和输出采样开关，当所述阈值检测器指示第二阈值跨越时，所述采样开关断开。
8.ー种差分型开关电容电路，所述差分型开关电容电路包括 阈值检测器，所述阈值检测器在第一输入信号和第二输入信号之间的差值跨越预定水平时产生阈值检测信号； 开关电容器网络； 粗略电流源，所述粗略电流源与所述开关电容器网络可操作地耦合，生成粗略斜坡； 精细电流源，所述精细电流源与所述开关电容器网络可操作地耦合，生成精细斜坡；串联电容器，所述串联电容器与所述精细电流源可操作地耦合；以及串联采样开关，所述串联采样开关与所述串联电容器和所述阈值检测器可操作地耦合，当所述阈值检测器指示第一阈值跨越吋，对所述开关电容器网络的粗略输出电压进行采样。
9.如权利要求8所述的开关电容电路，其中所述预定水平为零。
10.如权利要求8所述的开关电容电路，其中所述阈值检测器为过零检测器。
11.如权利要求8所述的开关电容电路，其中所述阈值检测器为比较器。
12.如权利要求8所述的开关电容电路，其中所述阈值检测器包括可调整阈值。
13.如权利要求8所述的开关电容电路，其中所述阈值检测器包括双阈值。
14.如权利要求8所述的开关电容电路，还包括输出采样电容器和输出采样开关，当所述阈值检测器指示第二阈值跨越时，所述采样开关断开。
15.一种用于减轻基于阈值检测器的电路中的电流源的有限输出电阻的影响的方法，所述包括 (a)用粗略电流源给开关电容器网络充电； (b)当阈值检测器指示预定阈值跨越时，在串联电容器上对所述开关电容器网络的粗略输出电压进行米样；(C)将所述串联电容器与精细电流源串联连接；以及 (d)用所述精细电流源给所述开关电容器网络充电。
16.ー种用于减轻差分型基于阈值检测器的电路中的电流源的有限输出电阻的影响的方法，所述包括 (a)用粗略电流源给差分型开关电容器网络充电； (b)当阈值检测器指示预定阈值跨越时，在串联电容器上对所述开关电容器网络的粗 略输出电压进行米样； (C)将所述串联电容器与精细电流源串联连接；以及 (d)用所述精细电流源给所述开关电容器网络充电。
全文摘要
一种开关电容电路包括阈值检测器，其在第一输入信号与第二输入信号之间的差值跨越预定水平时产生阈值检测信号。粗略电流源生成粗略斜坡。当阈值检测器指示第一阈值跨越时，串联采样电容器对粗略输出电压进行采样。采样电容器与生成精细斜坡的精细电流源串联连接。
文档编号H03M1/54GK102801423SQ20121015934
公开日2012年11月28日 申请日期2012年5月21日 优先权日2011年5月20日
发明者M·盖顿, H·S·李 申请人:马克西姆综合产品公司