专利名称：减少失真和电流需要的差分采样器结构的制作方法
背景技术：
本发明一般涉及信号调节系统，并尤其涉及在这些系统中的采样器。
相关技术描述采样器是各种信号调节系统中的基本元件(例如，模数转换器)。虽然有时称为跟踪和保持(track-and-hold)、采样和保持(sample-and-hold)以及采样保持放大器(SHA)，但所有的采样器都具有连续“冻结”快速移动的输入信号以便提供便于在相关的信号调节系统中进一步处理的采样任务。“冻结”或采样的速度和时间通常由系统时钟信号设定。
输入信号通常存储于电容器上，由响应时钟信号的开关将电容器和输入信号分离。通常插入缓冲(即，缓冲级或缓冲放大器)来使输入信号通过到电容器和开关从而对输入信号源呈现高阻抗并提供电流增益来提升电容器的信号驱动。
虽然优选降低电容器的大小来限制缓冲器所需的电流，但它必须足够大来产生将在采样器的输出处实现所需的信噪比的采样振幅。因此，电容器的大小不能降低到由所需信噪比设定的限制电容Clmt之下。
因此，缓冲必须提供电流到至少等于Clmt的电容，该电容足够大从而实现保持采样的保真度的相应电容器的转换速度。当输入信号的频率增加时，该电流需求也增加以便补偿(offset)相应的电容器阻抗的减少。不足的电流将不能保持所需的转换速度(即，将产生转换速度限制)且因此，将产生采样的失真。
缓冲通常包括发射极跟随器(或源极跟随器)和相关的电流源来将该发射极跟随器偏置。即使发射极跟随器可以具有足够的电流增益，但来自电流源的不足的电流将在发射极跟随器内产生电流变化，这将在其基极到发射极电压Vbe(或栅极到源极电压Vgs)产生变化。因为该电压在信号通路内，这些变化还产生采样中的失真。
通过增加电流源的电流典型地降低了这些采样失真源，但这会产生新型信号调节系统中所不需要的效果(例如，降低效率和增加发热)。
发明概述本发明针对降低信号失真和电流需求的差分采样器结构。
使用驱动第一和第二电容器以及第一第二开关的第一和第二缓冲实现这些目的。第一和第二电流泵电容性地耦合且相对于第一和第二缓冲与第一和第二电容器的耦合还交叉地耦合到这些电容器。在降低电流需要的同时，还降低信号的失真。
在所附的权利要求书中特别阐述了本发明的新颖特点。结合附图阅读以下说明将最佳地理解本发明。
附图概述
图1是本发明的采样器实施例的示意图，图2A和2B是图1的弧线2内结构的不同实施例的示意图；以及图3是包括图1采样器的本发明的ADC系统实施例的框图。
具体实施例方式
图1示出本发明的采样器实施例20。采样器包括响应时钟端口21处的时钟信号Sclk的第一和第二开关。采样器还包括第一和第二采样电容器以及第二和第二缓冲，它们响应差分输入端口22处的差分输入信号Sin分别驱动第一和第二采样电容器。
根据本发明，第一和第二电流泵25和26电容性耦合以便用第一和第二缓冲分别响应差分输入信号Sin且，作为响应，分别将电流提供到第二和第一缓冲。即，第一和第二电流泵25和26相对于第一和第二缓冲的耦合而与第一和第二开关进行交叉耦合。该交叉耦合降低了失真和电流需量。
在图1的采样器实施例中，第一电流泵25由第一模拟缓冲39、第一模拟电容器37和耦合到第二缓冲30的第一电流镜像电路43构成。因此，第一电流泵25连同第一缓冲29响应差分信号Sin的第一输入部分，但相对于第一缓冲交叉耦合，因为其第一镜像电路43耦合到第二缓冲30。
同样地，第二电流泵26由第二模拟缓冲40、第二模拟电容器38和耦合到第一缓冲29的第二电流镜像电路44构成。因此，第二电流泵26连同第二缓冲30响应差分输入信号Sin的第二输入部分，但相对第二缓冲交叉耦合因为其第二电流镜像电路44耦合到第一缓冲29。第一和第二电流泵的结构和操作将包含于以下的描述中。
特别地，第一和第二采样电容器27和28耦合到差分输出端口23的相对侧。第一和第二缓冲29和30的输入耦合以便响应差分输入信号Sin的第一和第二部分，且耦合来分别驱动第一和第二采样电容器27和28。第一和第二开关31和32分别与第一和第二采样电容器27和28串联耦合。
此外，提供了第一和第二模拟电容器37和38且与第一和第二模拟缓冲39和40耦合以便用第一和第二缓冲29和30分别响应差分输入信号Sin的第一和第二部分。第一和第二电流镜像电路43和44耦合以便分别将电流45和46提供到第二和第一缓冲30和29，且第一和第二模拟电容器37和38分别耦合在第一模拟缓冲39和第一电流镜像电路43之间以及在第二模拟缓冲40和第二电流镜像电路44之问。因此，安排第一和第二模拟电容器37和38来分别耦合第一模拟缓冲39以便驱动第一电流镜像电路43以及耦合第二模拟缓冲40以便驱动第二电流镜像电路44。
在本发明的实施例中，第一缓冲29包括发射极跟随器51形式的第一缓冲晶体管并包括耦合到跟随器的发射极用电流53将其偏置的第一缓冲电流源52。同样地，第二缓冲30包括发射极跟随器形式55的第二缓冲晶体管并包括耦合到跟随器的发射极用电流57将其偏置的第二缓冲电流源56。
第一模拟缓冲39包括发射极跟随器61形式的第一模拟缓冲晶体管并包括耦合到跟随器的发射极用电流63将其偏置的第一模拟缓冲电流源62。同样地，第二模拟缓冲40包括发射极跟随器65形式的第二模拟缓冲晶体管并包括耦合到跟随器的发射极用电流67将其偏置的第一模拟缓冲电流源66。
在本发明的实施例中，第一电流反射器43由连接到二极管耦合(diode-coupled)的晶体管72的晶体管71构成。前者的晶体管由偏流源73偏置。第二电流发射器44由连接到二极管耦合的晶体管75的晶体管74构成。前者的晶体管由偏流源76偏置。
应注意，发射极跟随器51和61响应差分输入信号Sin的一侧而发射极跟随器55和65响应另一侧。还应注意到，虽然第二电流镜像电路44耦合到发射极跟随器51的发射极，但该电流镜像电路由发射极跟随器65驱动(通过第二模拟电容器38)。同样地，第一电流镜像电路43耦合到发射极跟随器55的发射极，但该电流镜像电路由发射极跟随器61驱动(通过第一模拟电容器37)。
因此，差分输入信号Sin的一侧耦合到第一缓冲29且，通过发射极跟随器61，第一模拟电容器37和第二电流镜像电路43耦合到第二缓冲30。同样地，差分输入信号Sin的另一侧耦合到第二缓冲30且，通过发射极跟随器65，第二模拟电容器38和第二电流镜像电路44耦合到第一缓冲29。换句话说，相对于其直接耦合到第一和第二缓冲29和30，差分输入信号Sin通过第一和第二模拟缓冲39和40、第一和二模拟电容器37和38以及第一和第二电流镜像电路43和44与这些缓冲交叉耦合。
在采样器20的操作中，发射极跟随器51和55由输入端口22处的差分输入信号Sin驱动且初始假定第一和第二开关27和28闭合。通常，在第一瞬间，差分输入信号Sin在一个跟随器处上升而在另一处下降，而随后在之后的第二瞬间倒转。
如果在第一瞬间差分输入信号Sin在发射极跟随器51上升，则该跟随器提供电流源52的电流53并还提供充电电流80来驱动第一采样电容器27。当随后在第二瞬间差分输入信号Sin在发射极跟随器51处下降时，电流源52的电流53必须提供放电电流81来驱动第一采样电容器27并提供电流的剩余53来将发射极跟随器51偏置。
如果放电电流81相当大，则剩余将不够且在第一和第二瞬时的通过发射极跟随器51的偏置电流将相当不同。该电流差将造成发射极跟随器51的基极到发射极的电压Vbe相当不同且，由于Vbe在信号通路中，所以在存储于第一采样电容器27上的信号和差分输入信号Sin的相应部分之间将存在相当大的失真。
对这点的操作描述用于在常规采样器中的操作。应注意，在第二瞬间差分输入信号Sin在第二模拟缓冲40处上升。根据本发明，该信号上升使第二模拟缓冲40通过第二模拟电容器38驱动电流82且该电流由第二电流镜像电路44映射到发射极跟随器51的发射极侧。
小部分反射电流45对应来自偏流源73的镜像电路的偏流，但主要的部分是电流82的反射产物且该部分补偿上述发射极跟随器51内的电流差。因此，发射极跟随器51内的偏流差和(由此引起的)Vbe差明显下降。因此，存储于第一采样电容器27上的信号内的失真也明显下降(即，其保真度提升)。
虽然以上的操作描述针对第一缓冲39的发射极跟随器，但明显的是，通过第一电流镜像电路43的电流46的类似部分补偿发射极跟随器55内的电流差，该补偿大大降低了存储于第二采样电容器28上存储的信号的失真。
当差分输入信号Sin的频率增加时，需要精确地跟随输入信号的充电和放电电流(例如，充电和放电电流80和81)的振幅也增加，因为第一和第二采样电容器27和28的阻抗降低。因此，第一和第二模拟缓冲39和40通过第一和第二模拟电容器37和38耦合到其各自的电流镜像电路43和44，当差分输入信号Sin的频率增加时第一和第二模拟电容器37和38的阻抗也降低。
当由于频率的增加需要更多的充电和放电电流时，通过第一和第二模拟电容器37和38的电流(例如，电流82)增加且该增加反射为电流45和46的增加，其中电流45和46补充采样电流源52和56的电流53和57。因此，在更高的频率上采样器20的转换速度能力明显增加且由于转换速度限制的信号失真明显降低。
在常规采样器中，通常通过明显增加第一和第二缓冲29和30的电流源52和56的电流53和57来降低上述信号失真(Vbe变化和转换速度限制)。但是，该失真的解决增加了电流需求，这产生严重的负面后果(例如，降低效率和增加发热)。
相反地，本发明的采样器实施例允许缓冲电流源52和56的电流53和57明显降低，因为在差分输入信号Sin的低频时它们只需要提供足够的电流来降低信号失真。
较佳地配置电流镜像电路43和44来具有电流增益N。例如，晶体管71被配置来具有N倍二极管耦合晶体管72的装置尺寸的装置尺寸。因此，尽管在差分输入信号Sin的低频处分别将发射极跟随器61和65偏压(在模拟缓冲39和40内)的电流源62和66明显降低来限制电流消耗，但反射的电流45和46将相当大。也可以明显降低偏流源73和76，因为在低频处它们只需要将二极管耦合晶体管72和75偏置。
在示例性的采样器实施例中，电流镜像电路43和44的电流增益是N，模拟电容器37和38的电容是采样电容器27和28的电容的1/N而电流源62和66提供电流源52和56的偏置电流的1/N，此外，N足够高(例如，至少4)以便在差分输入信号Sin的低频时明显降低电流需要。因此，图1的采样器20将降低信号失真(例如，由于Vbe变化和转换速度限制造成的失真)同时也降低电流需要(且因此增加效率并减少发热)。
图1的采样器将第一和第二开关31和32置于第一和第二缓冲29和30以及第一和第二采样电容器27和28之间。当第一和第二开关响应时钟端口21处的时钟信号Sclk打开时，在差分输出端口23提供采样Ssmpl。图1的采样器20的优点还可以在各种其它的采样器结构中实现，如在图2A和2B中举例说明的，图2A和2B中示出在图1的弧线2内结构的不同实施例。
图2A示出差分输出结构，其中第一和第二采样电容器27和28位于第一和第二缓冲29和30以及第一和第二开关31和32之间。另外的开关91和92将第一和第二采样电容器27和28的上板耦合到地。在该采样器结构中，当所有的开关在图2A所示的状态时，第一和第二采样电容器27和28得到采样充电。当随后第一和第二开关31和32打开而开关91和92关闭时，采样充电被转移到下游电路(例如，差分放大器)，因为第一和第二采样电容器的上下板现在都具有同样的地电位。
在图1和2A的输出结构中，应注意，第一和第二开关31和32分别和第一和第二采样电容器27和28串联耦合从而便于这些电容器的充电。但是，图2A的结构使第一和第二开关的下板可供使用，从而它们的充电可以随后被转移到下游。在该转移期间，第一和第二缓冲(图1中的29和30)必须被去耦，这是通过图2A中的去耦开关95和96实现的。
图2B中示出另一个输出结构，它类似图2A，且相同的元件具有相同的标号。当随后在图2B中第一和第二开关31和32打开时，可以通过开关91和92将第一和第二采样电容器的上板切换到各种不同的电位(例如，+V、接地和-V)。下游电路(例如，差分放大器)内的电压现在可以如所需要地补偿。具有该补偿特点的采样器通常称为相乘数模转换器(MDAC)。明显的是，该结构只是本发明的另一个采样器实施例。
本发明的采样器结构可以有利地用作诸如图3的管道(pipelined)ADC100的各种信号调节系统中的采样器和MDAC。ADC100包括采样器104、初始转换器级106和至少一个连续转换器级108并将输入端口101处的模拟输入信号Sin转换为输出端口102处的对应的数字输出信号Sout。
特别地，采样器104响应输入信号Sin提供采样信号Ssmpl而初始转换器级106处理采样信号Ssmpl从而提供残余信号Sres并还提供各数字比特Dr。在类似的情况中，每个连续转换器级108处理之前的残余信号Sres来提供连续的残余信号Sres并还提供各数字比特Dr。管道ADC100的转换器级通常提供额外的信号比特从而管道ADC可以包括校正逻辑110，它校正处理误差并产生数字输出信号Sout。
初始转换器级106通常具有ADC112(例如，快速(flash)ADC)，它将采样信号Ssmpl转换为各数字比特Dr。初始转换器级还具有MDAC114，它接收采样信号Ssmpl还接收来自ADC112的判决信号116。判决信号表示由ADC112在任何给定的瞬间提供哪个数字比特Dr。虽然每个顺序转换器级108处理之前的残余信号Sres(而不是采样信号Ssmpl)，但类似地配置它们到初始转换器级106。例如，连续的转换器级108具有ADC122、MDAC124并从ADC122接收判决信号126。相反地，最后的转换器级由ADC128构成。
本发明的开关(例如，图1的31和32)较佳地用响应时钟信号Sclk的晶体管实现，诸如示例性的共栅极级130，如图1中的插入箭头131所示将130插入用于开关32。
虽然参考普通晶体管广泛地描述了本发明的采样器实施例，但为了清楚，附图示出了特殊的晶体管类型(例如，双极结晶体管和金属氧化物半导体(MOS)晶体管)。但是应注意，本发明的教导可以通常使用各种晶体管类型来实施。作为一实例，如代替箭头135所示的，图1的发射极跟随器51可以由源极跟随器134代替。
为了扩大本发明的描述，第一和第二泵25和26的元件(例如，第一和第二模拟补偿39和40)被选择来包括字模拟(word mimic)因为它们类似或近似地仿效其它采样器结构(例如，第一和第二缓冲29和30)。
本发明的实施例通常称作采样器，但本发明的结构和教导通常适用于驱动具有低失真响应高带宽输入信号的电容性负载。在许多应用(例如，需要高线性和高电容性负载的一种)中，本发明的开环差分驱动器将提供比通常的闭环放大器更好的性能(例如，速度和稳定性上)。
通过从图1中除去第一和第二电容器27和28以及第一和第二开关31和32来形成本发明的实例性开环差分驱动器。剩余的元件确定差分驱动器，其中第一和第二缓冲29和30分别响应差分输入信号Sin的第一和第二输入部分驱动差分输出端口23的第一和第二输出侧。
图1示出由分别响应第一和第二输入部分将电流提供到第二和第一输出侧的第一和第二电容性耦合的电流泵25和26补充这些缓冲。因此，电流泵25和26电容性的耦合且，此外，它们和第一和第二缓冲29和30交叉耦合。
这里描述的本发明的实施例是实例性的且可以易于想像大量的修改、变化和重新配置来实现基本相同的结果，它们全部都旨在包含于权利要求书中所定义的本发明的精神和范围内。
权利要求
1.一种采样器，它响应命令信号提供差分输入信号的采样，其特征在于，包括第一和第二采样电容器(27，28)；第一和第二缓冲(29，30)，它们分别响应所述差分输入信号驱动所述第一和第二采样电容器；第一和第二开关(31，32)，它们响应所述命令信号并分别和所述第一和第二采样电容器串联耦合；以及第一和第二电流泵(43，44)，它们电容性耦合来分别用所述第一和第二缓冲响应所述差分输入信号且，作为响应，分别将电流提供到所述第二和第一缓冲。
2.如权利要求1所述的采样器，其特征在于，所述第一电流泵包括第一模拟缓冲(39)，它用所述第一缓冲响应所述差分输入信号；第一电流镜像电路(43)，它将电流映射到所述第二缓冲；以及第一模拟电容器(37)，它耦合所述第一模拟缓冲来驱动所述第一电流镜像电路；且其中所述第二电流泵包括第二模拟缓冲(40)，它用所述第二缓冲响应所述差分输入信号；第二电流镜像电路(44)，它将电流反射到所述第二缓冲；以及第二模拟电容器(38)，它将所述第二模拟缓冲耦合来驱动所述第二电流镜像电路。
3.如权利要求2所述的采样器，其特征在于，所述第一和第二电流镜像电路具有超过一的电流增益，且所述第一和第二模拟电容器分别小于所述第一和第二采样电容器。
4.如权利要求2所述的采样器，其特征在于，所述第一模拟缓冲包括第一模拟缓冲晶体管(61)；以及第一模拟缓冲电流源(62)，它将所述第一模拟缓冲晶体管偏置；且其中所述第二模拟缓冲包括第二模拟缓冲晶体管(65)；以及第一模拟缓冲电流源(66)，它将所述第二模拟缓冲晶体管偏置。
5.如权利要求4所述的采样器，其特征在于，所述第一和第二模拟缓冲晶体管是双极结型晶体管。
6.如权利要求4所述的采样器，其特征在于，所述第一和第二模拟缓冲晶体管是互补型金属氧化物半导体(CMOS)晶体管。
7.如权利要求1所述的采样器，其特征在于，所述第一缓冲包括第一缓冲晶体管(51)以及第一缓冲电流源(52)，它将所述第一缓冲晶体管偏置；且其中所述第二缓冲包括第二缓冲晶体管(55)；以及第二缓冲电流源(56)，它将所述第二缓冲晶体管偏置。
8.如权利要求7所述的采样器，其特征在于，所述第一和第二缓冲晶体管是双极结型晶体管。
9.如权利要求1所述的采样器，其特征在于，所述第一开关位于所述第一缓冲和所述第一采样电容器之间；以及所述第二开关位于所述第二缓冲和所述第二采样电容器之间。
10.如权利要求1所述的采样器，其特征在于，所述第一采样电容器位于所述第一缓冲和所述第一开关之间；以及所述第二采样电容器位于所述第二缓冲和所述第二开关之间。
全文摘要
提供了差分采样器结构，它降低了信号失真和电流需求。该结构包括第一和第二缓冲(29，30)，它们驱动第一和第二电容器(27，28)以及第一和第二开关(31，32)。第一和第二电流泵(43，44)被电容性驱动且还相对第一和第二缓冲到这些电容器的耦合而交叉耦合到第一和第二电容器。结果，信号失真和电流需求都得到降低。
文档编号G11C27/00GK1508967SQ20031011424
公开日2004年6月30日 申请日期2003年11月4日 优先权日2002年11月4日
发明者C·D·狄龙, C D 狄龙 申请人:模拟设备股份有限公司