专利名称：用于开关电容结构的放大器转换速率增强系统的制作方法
(1)技术领域本申请权利请求的是2002年6月18日申请的美国临时申请60/389,471的利益。
本发明主要涉及开关电容，尤其涉及这种系统中的差分放大器。
(2)背景技术图1绘出了一个开关电容系统20，其中采样电容Cs具有一个上极板21与差分放大器22的反相输入端耦合，而下极板23通过输入采样开关与输入端25耦合。差分放大器22驱动输出端26，且转移电容Ct跨接在差分放大器22上。差分放大器具有高增益，从而它的非反相输入端与它的反相输入端具有大体相同的电位。最后，第二采样开关27和转移开关28分别与上极板21和下极板23耦合。
在采样运算模式下，输入和第二采样开关24和27被接通，从而模拟输入信号Sin在输入端25在采样电容Cs内充入采样电荷Qs，从而在采样电容两端得到采样信号Ss＝Qs/Cs。在转移运算模式下，第一和第二采样开关24和27被断开，而转移开关28被接通，以将采样电荷Qs转移到转移电容Ct内，从而在输出端26处产生输出信号Sout＝Qs/Ct。
因此，图1中所示的开关电容系统20由差分放大器22和包括采样和转移电容Cs和Ct的开关电容结构29构成。开关电容结构29在采样模式下获得采样信号Ss，并且差分放大器在转移模式期间将采样信号Ss处理成转移电容两端上的输出信号Sout。这样就实现了一个转移函数Cs/Ct，而且该函数在图2的图表30中用具有斜率Cs/Ct的曲线32来表示。
开关电容20(和它的差分形式)特别适用于在各种信号调节系统(例如流水线模/数转换器(ADC))中用作采样器。在这样的系统中，图1中所示的系统20的开关通常是用互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管来实现的。图1中用CMOS晶体管34作为例子，它代替了输入取样开关24，图中用替代箭头35表示。
在流水线ADC中，输入ADC级(例如一个快闪ADC)一般将模拟输入信号转换成对应于输入信号Sin的数字输出信号的至少一个最高位D0。同时，将采样信号处理成剩余信号Sres，它适合于由下游ADC级进行后续处理而成为输出数字信号的较低位。
例如，如果ADC输入级是一个1.5位转换级，它提供对应于图2中的曲线36的剩余信号Sres，具有与输入信号Sin宽度中点等距离的两个阶梯37。阶梯是由来自ADC输入级的差分信号产生的。因此，剩余信号Sres的曲线36具有由阶梯37确定的三段，并且每段有一个两倍于曲线32斜率的斜率。
例如，通过向图1中所示的采样电容Cs补充另外一个采样电容，以加大斜率(即增加的增益)，并用一个多路转换开关38按代替箭头29所示那样代替转移开关28，可以生成曲线36所示的剩余信号。转移开关响应于来自ADC输入级的数字判决信号Sdgtl，向至少一个采样电容的下极板施加选定的偏移信号(例如+V和-V)，并且偏移信号产生图2中曲线32中的阶梯37。当用这种方式修改图1所示的开关电容系统20时，它一般被称为乘法数/模转换器(MDAC)。
开关电容系统(例如采样器和MDAC)的运算速度高度依赖于相关的运算放大器(例如图1的放大器22)的能力，在转移模式中，将采样电容Cs中的采样电荷快速地转移到转移电容Ct中。尽管运算放大器经常成转换电流结构以提高此电荷转移的速度，但是它们一般(例如，见Michaslki，Christopher的“A 12b 105Msample/S，850mW Analog to Digital Converter”，美国夏威夷2002年的关于电路的VLSI座谈会)引入降低转移过程速度的中间级结构(例如镜象电路)中。
(3)发明内容本发明涉及开关电容结构中使用的高速差分放大器。这些放大器在小信号运算期间减少了电流需求，而在大信号运算中产生大转换电流。
这些进步是用转换电流发生器结构实现的，它在大信号运算中直接生成转换电流，从而避免中间级电流发生器结构的衰退。
在权利要求书中特别阐明了本发明新颖特点。结合附图阅读下面的描述将能很好地理解本发明。
(4)
图1是典型的开关电容系统的示意图，图2是说明图1中的开关电容系统中转移函数的图，图3是本发明用于图1所示开关电容系统的差分放大器实施例的电路图；以及图4A和4B是图3所示差分放大器的第一和第二转换电流发生器中的结构图。
(5)具体实施方式
图3示出放大器40，它特别适合工作在开关电容结构中，因为它被配置成传送加大这些结构的运算速度的高转换电流。其配置减少了在小信号运算期间的电流需求和在大信号运算情况下产生大转换电流。因此，采样电荷Qs在它的转移模式中能被快速地转移到开关电容结构的转移电容Ct。
配置放大器40，使得中间级转换电流发生器结构衰减传输过程，从而减少运算速度。因此将放大器配置为在放大器输出级直接产生第一和第二转换电流。
具体说来，放大器40包括放大器输入级42和输出级44。输入级42具有由输入级晶体管47和48组成的输入级差分对管46，它们响应于差分输入端50的差分输入信号Sin而引导电流源49的电流。差分对管46具有输入级电流接线端(例如漏极)52，它们通过串联共基极晶体管54(由偏置信号53偏置的)连接到电阻负载55。
输出级44具有由输出级晶体管57和58组成的输出差分对管56，它们引导电流源59的电流以响应差分驱动信号Sdrv。差分对管56具有输出级电流接线端(例如集电极)62，它们经过至少一个以共栅晶体管64(由偏置信号63偏置的)形式的有源负载连接至电源电压VDD。输出级差分对管56在差分输出端70响应由输入级差分对管46提供的差分驱动信号Sdrv提供差分输出信号Sout。
放大器40最好包括第一和第二缓冲器(例如射极跟随器)72，它们插在输入级差分对管46和输出级差分对管56之间，从而电平移动并为输出级差分对管提供差分驱动信号Sdrv。放大器还包括偏置网络80，其中，晶体管82接收偏置53并连接在串联电阻83及84和电流源86之间。偏置网络80经过缓冲器89提供反馈信号88和经过连接至电流源87的缓冲器91提供输出信号90。
共模反馈系统92连接在反馈信号88和连接在电源电压VDD和控制栏96之间的反馈晶体管94之间。本发明的一个特点是，这样构成的反馈回路95响应于反馈信号88并控制控制栏(rail)96的电平，从而精确地保持差分驱动信号Sdrv的共模电平。
放大器40还包括第一转换电流发生器100，每个发生器从对应的第一和第二缓冲器72接收差分驱动信号Sdrv的相应端，并且在响应时为相应的一个输出级电流接线端62提供第一转换电流101。它同样包括第二转换电流发生器102，每个发生器从对应的第一转换电流发生器100接收电流信号103，并且在响应时为相应的电流接线端62提供第二转换电流104。
图4A示出第一转换电流发生器100的结构，包括由转换晶体管111和112组成的差分对管110引导第一转换电流101(在图3中介绍)从电流源115到第一转换端116以响应通过驱动端117接收的差分驱动信号(图3中的信号Sdrv)的对应端。转换晶体管112响应偏置信号90，它是由图3所示的偏置网络80提供的。
电流源115由通过第二驱动端120接收的差分驱动信号Sdrv的对应端启动。驱动信号最好由图3中连接至对应缓冲器72的缓冲器122提供。如图3所示，这些缓冲器被连接至(和电流源49、86和87一起)接收偏置信号125的电流源124。
图4A的第一转换电流发生器100还包括分流晶体管126，它连接至转换晶体管111，以使转换晶体管的第一转换电流的电流部分分流，从而在分流端129形成电流信号103。
图4B说明第二转换电流发生器102的结构，包括一对连接有二极管的晶体管140，它串联耦合在电源电压和分流端142之间。转换晶体管144的电流和控制接线端连接在连接有二极管的晶体管140上，也就是电阻146的两端。转换晶体管144的另一电流接线端连接至转换端148。在分流端142处接收电流信号103(来自图4A的第一转换电流发生器100)，并且该电流流经连接有二极管的晶体管，产生电压启动转换晶体管144中的第二转换电流104。
在图3的放大器40的非转换小信号工作状态，输入级差分对管46从差分输入端50接收差分输入信号Sin，响应并且在缓冲器72的输出处产生差分驱动信号Sdrv。输出级差分对管66响应于差分驱动信号Sdrv，并在差分输出端70提供差分输出信号Sout。
因为它稳定了控制栏(rail)96的电压电平，所以共模反馈回路95保持输入级电流接线端52和差分驱动信号Sdrv的充分恒定的共模电平。图4A的第一转换电流发生器100的转换晶体管111接收差分驱动信号Sdrv的共模电平。
反馈回路95的控制过程允许图3的偏置网络80为图4A的转换晶体管112提供偏移基准信号90，它从转换晶体管111的共模电平足够偏移所以差分对管110不向转换端116引导电流。另外，图3的反馈回路95被设置为偏移基准信号90在过程和温度变化中跟随共模电平，从而它们之间的偏移保持大体恒定。
在本发明的另一重要特点中，通过在图4A的电流源115的电流不需要时关断它减少了电源损耗。因为差分对管110在小信号运算中不引导电流到转换端116，此时共模电平被控制为来自图3的缓冲器122的信号不开启电流源115。
因为没有电流被引导经过转换晶体管111，分流晶体管126也无法分流电流信号103(见图3、4A和4B)到图4B的第二转换电流发生器102，所以它不能产生第二转换电流104。总之，在图3的放大器40的小信号运算中，图4A和4B的第一和第二转换电流发生器100和102不提供转换电流101和104，并且图4A的电流源115不消耗电流。
在图3所示的放大器40的大信号运算中，图4的差分驱动信号Sdrv的一端升高足以(例如几百毫伏)开启图4A的电流源115。因为该升高超过图4A中偏移基准信号90，差分驱动信号Sdrv的这一端也开启(经图4的缓冲器72)转换晶体管111，并关断转换晶体管112。
因此，图4A的差分对管引导电流源115的电流，并因此产生第一转换电流101。分流晶体管126也被开启并分流电流部分(电流信号103)至图4B的第二转换电流发生器102，它流经连接有二极管的晶体管140，并开启转换晶体管144，从而产生第二转换电流104。当图4的差分驱动信号Sdrv的对应端随后下降，第一转换电流101、电流信号103和第二转换电流104都被停止。
转换晶体管111和112和图4A的分流晶体管126和图4B的连接有二极管的晶体管140最好都是具有固有高互感gm的双极结型晶体管。在本发明的另一重要特点中，注意第一转换电流101是直接由转换晶体管111的高互感gm产生的。也就是说，没有引入将延迟第一转换电流101产生的中间级结构(例如电流镜象)。
在本发明的另一重要特点中，分流晶体管126的高互感gm和连接有二极管的晶体管140直接产生转换晶体管144中的第二转换电流104。当图4的差分驱动信号Sdrv的对应端随后下降时，相同的高互感gm同样使转换晶体管111、分流晶体管126和连接有二极管的晶体管140快速地关断第一和第二转换电流101和104。图4B的电阻146提供了一条来自连接有二极管的晶体管的大电流放电路径。
注意图3中，差分驱动信号Sdrv的一端开启第一转换电流101，也将开启输出级晶体管58，并拉低其输出集电极62的信号。第一转换电流101从而在这同一个集电极形成反向电流而推动输出级晶体管58的反向电流。相反，第二转换电流104在输出级晶体管57的输出集电极形成源电流。这样，第一和第二转换电流101和104明显地增大了输出端70处的差分输出信号Sout的响应时间。
上述大信号运算可以在图4的差分驱动信号Sdrv的另一端升高时重复。在这种情况下，第一和第二转换电流由第一转换电流发生器100A和第二转换电流发生器102A提供。需要进一步注意的是，第一转换电流101形成输出集电极62中的宿电流，而第二转换电流104形成这些输出集电极中的源电流，其中，这些电流的第一和第二方向总是相反的。
图3所示的放大器40特别适用于用在开关电容结构，如图1所示的结构29。在这个结构的转移模式中，在采样电容Cs中的采样电荷Qs必须快速地转移到转移电容Ct中，以提高开关电容结构的运算速度。通过放大器40的直接产生的第一和第二转换电流101和104，明显地改善了这个转移的响应时间。
本说明书中描述的发明实施例只是举例说明，它们可以有许多种修改形式、变化形式以及重排形式，并且这些变化形式具有大体相同的结果。申请人认为，这些变化形式都应被视为落在本发明由权利要求书所限定的范围内。
权利要求
1.一种放大器，它响应于差分输入信号而提供差分输出信号，其特征在于，它包括由输入级晶体管(47，48)组成的输入级差分对管(46)，它响应于所述差分输入信号而提供一差分驱动信号；由输出级晶体管(57，58)组成的输出级差分对管(56)，它具有输出级电流接线端(62)，并响应于所述差分驱动信号，在所述输出级电流接线端提供所述差分输出信号；由转换晶体管(111，112)组成的第一和第二差分对管(110)，其中，每个所述差分对管响应于对应的一个所述差分驱动信号，引导第一转换电流(101)到对应的一个所述输出级电流接线端的第一方向；第一和第二分流晶体管(126)，它们各自连接至所述差分对管对应的一个晶体管的转换晶体管(111)，以分流所述转换晶体管的第一转换电流的电流部分；以及第一和第二电流发生器(102，102A)，它们各自响应于对应的电流部分，并在所述输出电流接线端中的一个中，产生并引导第二转换电流(104)到第二方向；其中，所述第二方向与所述第一方向相反，并且耦合所述第一和第二转换电流，从而响应于所述差分驱动信号的每一侧，为一个所述输出级电流接线端提供沿所述第一方向的第一转换电流，而为另一个所述输出级电流接线端提供沿所述第二方向的第二转换电流。
2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，每个所述第一和第二电流发生器包括至少一个连接有二极管的晶体管(140)，它接收相应的电流部分；以及第二转换晶体管(144)，它与连接有二极管的晶体管跨接耦合，从而产生对应的第二转换电流。
3.如权利要求2所述的放大器，其特征在于，它还包括电阻(146)，它耦合至所述连接有二极管的晶体管，用以增强所述连接有二极管的晶体管中的电流终止。
4.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，它还包括第一和第二缓冲器(72)，它插在所述输入级差分对管和所述输出级差分对管之间，用以提供所述差分驱动信号。
5.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，它还包括第一和第二电流源(115)，每个所述电流源响应于所述差分驱动信号的对应端，向所述第一和第二差分对管中的对应晶体管提供第一转换电流。
6.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述输入级晶体管具有输入级电流接线端(52)，并且还包括共模反馈回路(95)，所述共模反馈回路响应于共模基准信号，控制所述输入级电流接线端的共模电平。
7.如权利要求6所述的放大器，其特征在于，它还包括偏置网络(80)，它向所述第一和第二差分对管提供一足够偏移所述共模电平的偏移基准信号(90)，用以在所述差分驱动信号的幅度下降到低于预定电平时，终止所述第一和第二差分对管的响应。
8.一种放大器，它响应于差分输入信号而提供差分输出信号，其特征在于，它包括由输入级晶体管(47，48)组成的输入级差分对管，它具有输入级电流接线端，并响应于所述差分输入信号而提供差分驱动信号；共模反馈回路(95)，它响应于共模基准信号而控制所述输入级电流接线端的共模电平；由输出级晶体管(57，58)组成的输出级差分对管(56)，它具有输出级电流接线端(62)，并且响应于所述差分驱动信号，在所述输出级电流接线端处提供所述差分输出信号；由转换晶体管(111，112)组成的第一和第二差分对管(110)，其中，每个所述差分对管响应于对应一侧的所述差分驱动信号，在对应的一个所述输出级电流接线端中，引导对应的第一转换电流(101)沿第一方向；第一和第二电流发生器(102，102A)，它们各自响应于对应的一个所述第一转换电流的部分电流，并在对应的一个所述输出电流接线端中产生第二转换电流(104)，并引导所述第二转换电流(104)沿第二方向；以及偏置网络(80)，向所述第一和第二差分对管提供足以偏移所述共模电平的偏移基准信号(90)，用以在所述差分驱动信号的幅度下降到低于预定电平时，终止所述第一和第二差分对管的响应；其中，所述第二方向与所述第一方向相反，并且耦合所述第一和第二转换电流，从而响应于所述差分驱动信号的每一侧，为一个所述输出级电流接线端提供沿所述第一方向的第一转换电流，而为另一个所述输出级电流接线端提供沿第二方向第二转换电流。
9.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，每个所述第一和第二电流发生器包括至少一个连接有二极管的晶体管(140)，它接收对应的电流部分；以及第二转换晶体管(144)，它与连接有所述连接有二极管的晶体管跨接耦合，以产生对应的第二转换电流。
10.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，它还包括电阻(146)，它耦合至所述连接有二极管的晶体管，以增强所述连接有二极管的晶体管中的电流终止。
11.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，它还包括第一和第二射极跟随器(72)，它插在所述输入级差分对管和所述输出级差分对管之间，以提供所述差分驱动信号。
12.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，它还包括第一和第二电流源(115)，每个电流源响应于所述差分驱动信号的对应端，向所述第一和第二差分对管的对应晶体管提供第一转换电流。
13.一种以采样模式对模拟输入信号进行采样并以转移模式提供相应的输出信号的开关电容系统，其特征在于，所述系统包括开关电容结构(29)，它包括转移电容，并以所述采样模式获得采样信号；差分放大器(22)，它跨接耦合所述转移电容上，用以在所述转移模式期间将所述采样信号处理成为所述输出信号，其中，所述差分放大器包括a)由输入级晶体管(47，48)组成的输入级差分对管(46)，它响应于所述差分输入信号而提供差分驱动信号；b)由输出级晶体管(57，58)组成的输出级差分对管(56)，它具有输出级电流接线端(62)，并响应于所述差分驱动信号，在所述输出级电流接线端提供所述差分输出信号；c)由转换晶体管(111，112)组成的第一和第二差分对管(110)，其中，每个所述差分对管响应所述差分驱动信号的对应一端，引导第一转换电流(101)在对应的一个所述输出电流接线端中沿第一方向；d)第一和第二分流晶体管(126)，它们各自耦合至所述差分对管对应的一个晶体管的转换晶体管，用以分流所述转换晶体管的第一转换电流的电流部分；以及e)第一和第二电流发生器(102，102A)，它们各自响应于对应的电流部分，并在对应的一个所述输出电流接线端中，产生和引导第二转换电流(104)沿第二方向；其中，所述第二方向与所述第一方向相反，并且耦合所述第一和第二转换电流，从而响应于所述差分驱动信号的每一端，为一个所述输出级电流接线端提供沿所述第一方向的第一转换电流，而为另一个所述输出级电流接线端提供沿第二方向的第二转换电流。
14.如权利要求13所述的放大器，其特征在于，每个所述第一和第二电流发生器包括至少一个连接有二极管的晶体管(140)，它接收相应的电流部分；以及第二转换晶体管(144)，它跨接连接有二极管的晶体管上，用以产生对应的第二转换电流。
15.如权利要求13所述的放大器，其特征在于，它还包括第一和第二射极跟随器(72)，它们插在所述输入级差分对管和所述输出级差分对管之间，从而提供所述差分驱动信号。
16.如权利要求13所述的放大器，其特征在于，它还包括第一和第二电流源(115)，每个电流源响应于所述差分驱动信号的对应端，为所述第一和第二差分对管中对应的晶体管提供第一转换电流。
17.如权利要求13所述的放大器，其特征在于，所述输入级晶体管具有输入级电流接线端(52)，并且还包括共模反馈回路(95)，所述共模反馈回路响应于共模基准信号，控制所述输入级电流接线端的共模电平。
18.如权利要求17所述的放大器，其特征在于，它还包括偏置网络(80)，向所述第一和第二差分对管提供足以偏移所述共模电平的偏移基准信号(90)，用以在所述差分驱动信号的幅度下降到低于预定电平时，终止所述第一和第二差分对管的响应。
19.如权利要求18所述的放大器，其特征在于，所述开关电容结构还包括在所述采样模式期间接通的第一和第二采样开关(24，27)；耦合在所述第一和第二采样开关之间的采样电容；以及转移开关(28)，它在所述转移模式期间接通，并与所述采样电容和转移电容串联耦合。
20.如权利要求19所述的放大器，其特征在于，所述转移开关用来向所述采样电容施加经过选择的偏移信号。
全文摘要
本发明提供了一种用于开关电容结构(29)的高速差分放大器(40)。这些放大器在小信号工作期间减少了电流需求，而在大信号工作期间产生大的转换电流。这些进步是用转换电流发生器结构(100，102)实现的，它在大信号工作期间直接生成转换电流，从而避免了中间级电流发生器结构的劣化一。
文档编号H03F3/00GK1482737SQ0314929
公开日2004年3月17日 申请日期2003年6月18日 优先权日2002年6月18日
发明者C·米哈尔斯基, C 米哈尔斯基 申请人:模拟设备股份有限公司