具有消除誤差功能的切換式電容電路與其方法
2023-06-12 10:28:16 3
專利名稱：具有消除誤差功能的切換式電容電路與其方法
技術領域：
本發明涉及一種電子電路，特別是一種切換式電容電路。
背景技術：
以比較器為主的切換式電容(Comparator Based Switch Capacitor，CBSC)電路為一種新興發展中的科技，與傳統的以運算放大器為主的切換式電容(OP based switch capacitor)電路相比較之下，這種CBSC電路提供了許多好處，而與傳統的切換式電容電路類似，這種CBSC電路同樣也操作於兩種階段下，這兩種階段分別為「取樣」階段(sampling phase)與「轉移」階段(transferphase)，並且分別由兩個沒有部分重迭的頻率1與2所控制。在以一取樣率為f運作的典型兩階段的以比較器為主的切換式電容電路中，每一階段的持續時間略小於取樣頻率周期T＝1/f的一半。在取樣階段(1)期間，是利用一取樣電容C1來對一輸入電壓VI取樣，其中取樣電容C1的「+」端點連接到VI，而取樣電容C1的「-」端點連接到一共模電壓VCM，而在轉移階段(2)期間，儲存於取樣電容C1的電荷經由一電荷轉移電路轉移到一積分電容C2，其中此電荷轉移電路包含有一比較器130以及一電荷泵(CP)140，而電荷泵140包含有一電流源(current source)I1以及一電流集(current sink)I2，如圖1所示，其中VDD為一供應電壓，且VSS為此系統中的最低電位，請注意VCM為一共模電壓，而其電壓值通常接近於VDD與VSS的平均值。負載電容CL經由一取樣開關150連接到VCM，而取樣開關150由一切換信號S所控制。此電荷轉移電路用以轉移儲存於取樣電容C1的電荷到積分電容C2直到比較器130的兩個輸入端具有相同的電位為止，亦即VX＝VCM。而以比較器為主的切換式電容電路100在轉移階段(2)期間的運作原理將在以下內容中簡單描述。
圖2描繪關於CBSC電路100在轉移階段的時序示意圖。一開始時，維持此切換信號S，使得取樣開關150會被關閉以形成導通狀態，並且使得負載電容CL可以連接到VCM，與此同時，VO停留在之前的循環結束後的取樣位準，並且VX會接近於VCM，而這個從時間t1開始並且在時間t5結束的轉移階段(2)包含有預先調整(P)階段、粗略的電荷轉移(E1)階段、精細的電荷轉移(E2)階段以及一保持(H)階段等這四個子階段。首先，以比較器為主的切換式電容電路100會進入P階段(於時間t1)，並且在此階段期間將輸出節點的電位VO拉低到VSS，並且使得VX下降到低於VCM的VXO。然後，於時間t2進入E1階段，而在此階段期間，比較器130檢測到VX＜VCM，並且電荷泵140的電流集I1會將電荷注入到包含有負載電容CL、積分電容C2以及取樣電容C1的電路中，以使得VX以及VO都能相對快速地提高電壓。接著，在比較器130檢測到VX＞VCM的瞬間時，亦即於時間t3開始進入E2階段，在此請注意，由於電路的延遲量，t3會稍微落後於當VX向上超越VCM時確切的時間點，而在E2階段期間，電荷泵140的電流集I2會從包含有負載電容CL、積分電容C2以及取樣電容C1的電路中汲取電荷，以使得VX以及VO都能相對緩慢地降低電壓。最後，以比較器為主的切換式電容電路100會在時間t4，亦即在比較器130再次檢測到VX＜VCM的時間點開始進入H階段，同樣地，由於電路的延遲量，t4會稍微落後於當VX向下超越VCM時確切的時間點，而在H階段期間，不再維持切換信號S，因此取樣開關150會被打開以形成開路，以及儲存於負載電容CL的電荷會會被取樣以及停止轉移；此外，電荷泵140會被關閉。
由於習知CBSC電路100的延遲量，VO的最終取樣數值總是會有一誤差存在，如圖2所示，可以清楚地看到實際的取樣數值總是稍微低於理想的取樣數值，亦即在VX向下超越VCM時確切的時間點的數值；此外，現有的CBSC電路100容易遭受由於比較器130中的偏移量所導致的誤差的影響。
發明內容
本發明的目的之一是提供一種切換式電容電路，以解決上述問題。
本發明的目的之一是提供一種切換式電容電路，可以消除由於電路的不理想性(特別是指電路的延遲量或比較器的偏移量或二者)所導致的誤差的方法。
依據本發明的一實施例提供一種切換式電容電路，其包含有一比較器，一電荷泵電路以及多個電容，其特徵是在一取樣階段，該切換式電容電路對一輸入電壓進行取樣以產生一取樣信號，由於該切換式電容電路的不理想而導致該取樣信號具有一誤差；在一轉移階段，該切換式電容電路依據該取樣信號以產生一生成電壓並轉移到一負載；其中，該切換式電容電路利用該多個電容中至少一電容將其連接端的一極性反向改變以消除該誤差。
依據本發明的一實施例提供一種用於一切換式電容電路的誤差消除方法，該切換式電容電路包含有一比較器、一電荷泵電路以及多個電容，其特徵是對一輸入電壓進行取樣以產生一取樣信號，由於該切換式電容電路的不理想而導致該取樣信號具有一誤差；以及將該取樣信號轉移到一負載，並且利用對於該多個電容中至少一電容將其連接端的一極性反向改變以消除該誤差。
現結合附圖詳細說明本發明的實施例，將上述及本發明的其它目的與特點詳述於後。
圖1是說明習知操作於轉移階段下的以比較器為主的切換式電容電路的示意圖。
圖2是說明圖1所示的以比較器為主的切換式電容電路的時序示意圖。
圖3是本發明一實施例的操作於取樣階段下的以比較器為主的切換式電容電路的示意圖。
圖4是說明圖3所示的以比較器為主的切換式電容電路的時序示意圖。
圖5是本發明一實施例操作於轉移階段下的以比較器為主的切換式電容電路的示意圖。
圖6是說明圖5所示的以比較器為主的切換式電容電路的時序示意圖。
圖7是說明圖5所示的電路的一差動電路版本。
附圖符號說明100、100A、100B、100C切換式電容電路130 比較器140、140A電荷泵150 取樣開關C1、C』1取樣電容C2、C』2積分電容
CL、C』L、C』L+、C』L-負載電容I1電流源I2電流集具體實施方式
本說明書將描述一些關於切換式電容的實施例，但本領域的技術人員應該了解到本發明可以由許多種方式來加以實現。
一般而言，本發明可以應用於任何的數據取樣模擬電路，舉例來說，本發明可以應用於一管線式模擬/數字轉換器(ADC)，也可以應用於一三角積分式模擬/數字轉換器(delta-sigma ADC)。數據取樣模擬電路通常是在一個多重階段下運作，在本說明書中披露一種依據本發明所實現的兩階段的切換式電容電路，但這只是用於舉例說明，而不是本發明的限制條件，此外，如同先前所描述的現有技術一樣，這兩種階段分別為取樣階段(1)與轉移階段(2)。在不失去一般性的狀況下，在本說明書中將利用一管線式模擬/數字轉換器作為一個例子來說明本發明所教導的方法原理。
在一較佳實施例中，在取樣階段(1)期間的電路架構如圖3所示，其中，如同先前描述現有技術時所說明的例子一樣，利用C1來對輸入電壓VI取樣，然而，本說明書所披露的以比較器為主的切換式電容電路100A與圖1所示的以比較器為主的切換式電容電路100相較之下，除了以下所描述的四個部分的改變之外，其它部分都是完全相同的，而這四個改變的部分分別為(1)C1由C』1所取代，而C』1實質上具有與C1相同的電容值；(2)CL由C』L所取代，而C』L實質上具有與CL相同的電容值；(3)C2是以一反向的極性被連接；以及(4)一個另外加入的C』2實質上具有與C2相同的電容值，且與C』1並聯。以比較器為主的切換式電容電路100A實質上具有與以圖1的電路100相同的架構，並且也以類似的方式來運作。
關於本實施例的切換式電容電路100A的時序示意圖如圖4所示，圖4除了以下所描述的四個部分的外，其它部分都與圖2十分類似，而這四個部分分別為(1)一個另外加入的信號R用於將分別儲存於C』1、C2以及C』2的電荷清除掉，而此信號R將這些電容的兩端連接於VCM以實現這個目的；(2)頻率2由頻率1所取代；(3)P、E1、E2以及H階段分別由P』、E』1、E』2以及H』階段所取代；以及(4)時間點t1到t5分別由t』1到t』5所取代。此信號R暫時性地維持一簡短的時間，然後在時間點t』1之前解除，亦即在取樣階段(1)期間開始之前解除，而由於此信號R的緣故，C』1以及C』2在以比較器為主的切換式電容電路100A開始進入取樣階段(1)之前不會具有任何電荷，而這個從時間t』1開始並且在時間t』5結束的轉移階段(2)包含有預先調整(P』)階段、粗略的電荷轉移(E』1)階段、精細的電荷轉移(E』2)階段以及一保持(H』)階段這四個子階段(sub-phase)。首先，以比較器為主的切換式電容電路100A會進入P』階段(於時間t』1)，並且在此階段期間將輸出節點的電位VO拉低到VSS，並且使得VX下降到低於VCM的V'XO，然後於時間t』2進入E』1階段，而在此階段期間，比較器130檢測到VX＜VCM，並且電荷泵140會將電荷注入到包含有C』L、C2、C』1以及C』2的電路中，以使得VO以及VX都能相對快速地提高電壓，接著在比較器130檢測到VX＞VCM的瞬間時，亦即於時間t3開始進入E』2階段，在此請注意，由於電路的延遲量，t』3會稍微落後於當VX向上超越VCM時確切的時間點，而在E2』階段期間，電荷泵140會從包含有C』L、C2、C』1以及C』2的電路中汲取電荷，以使得VO以及VX都能相對緩慢地降低電壓，最後，以比較器為主的切換式電容電路100A會在時間t』4，亦即在比較器130再次檢測到VX＜VCM的時間點開始進入H』階段，同樣地，由於電路的延遲量，t』4會稍微落後於當VX向下超越VCM時確切的時間點，而在H』階段期間，不再維持切換信號S，並且電荷泵140會被關閉，因此儲存於C』1、C』2、C2以及C』L的電荷會停止轉移。
如果以比較器為主的切換式電容電路100A不具有任何比較器的偏移量以及任何電路的延遲量，那麼在取樣階段(1)期間結束時，所有的電容C』1、C』2、C2以及C』L都不會具有任何電荷，然而，由於實際上仍然會有比較器的偏移量以及電路的延遲量，因此上述的四個電容會有一些電荷存在。假設比較器的偏移量是VOS(亦即比較器130在進行比較時，會適宜地提供「-」端點一數量為VOS的偏移量)，並且假設在E』2階段期間從C2所汲取的電流為I，以及假設在VX向下超越VCM時確切的時間點與比較器130檢測到VX＜VCM的實際時間點之間的電路延遲量為τ，那麼在取樣階段(1)結束時，C1、C』2以及C2的電荷可以分別由下列代數式子來加以表示Q1＝C1(V1-VCM)
Q2=-C2VOS+IC2C1+C2]]>Q2＝-(C′1+C′2)VOS+Iτ在一較佳實施例中，在轉移階段(2)期間的電路架構如圖5所描繪，其中，本說明書所披露的以比較器為主的切換式電容電路100B與圖1所示的以比較器為主的切換式電容電路100相較之下，除了另外增加的電容C』2(此電容在轉移階段(2)期間結束時儲存有一誤差電荷Q』2)，並且C』2與C1並聯之外，其它部分實質上都是完全相同的。因此，以比較器為主的切換式電容電路100B實質上具有與以比較器為主的切換式電容電路100相同的架構，並且也以非常類似的方式來運作。
以比較器為主的切換式電容電路100A的時序示意圖如圖6所示，圖6除了輸出電壓VO與在電荷轉移結束時的理想取樣數值完全相同之外，其它部分實質上都與圖2一樣(此外，不像圖2沒有納入比較器的偏移量，本說明書在圖6的VX波形中包含有一偏移電壓VOS)，其中，由於比較器的偏移量以及電路的延遲量所導致的誤差會因為分別儲存於C』2以及C2的初始誤差電荷Q』2與Q2而被消除，而確切的誤差消除原理會在後續的內容中加以證明。
在C』2與C1並聯的情況下，會出現一電荷均分(charge sharing)現象以使得C1兩端的跨壓與C』2兩端的跨壓相等，而在以比較器為主的切換式電容電路100B開始進入轉移階段(2)之前，VX的初始值可以由下列代數式子來表示VX(init)=VCM-Q1+Q2C1+C2]]>在P階段期間，VO會被暫時性地拉低，也就是會等於VX，接著，在E1階段期間，電荷泵140會注入電荷以使得VX往VCM+VOS的方向提高，然後，在VX往上超越VCM+VOS過後一陣子，開始進入E2階段，並且電荷泵140會汲取電荷以使得VX往VCM+VOS的方向降低，接著，在VX往下超越VCM+VOS過後一陣子，開始進入H階段，並且儲存於全部四個電容(C1、C2、C』2以及CL)的電荷會停止轉移，而VX的最終值可以由下列代數式子來表示
VX(final)=VCM+VOS-IC1+C2]]>所以，在整個轉移階段(2)期間，從C1以及C』2轉移到C2的所有淨電荷可以由下列代數式子來表示Qt=(C1+C2)(VX(final)-VX(init))]]>因此，在轉移階段(2)期間結束時，儲存於C2的電荷可以由下列代數式子來表示Q2(final)=Q2+Q1=-(C1+C2)VOS+I+(C1+C2)(VX(final)-VX(init))]]>而最終的輸出電壓VO可以由下列代數式子來表示VO(final)=VX(final)+Q2(final)C2]]>利用以上所條列的代數式子以及搭配操作條件C』1＝C1與C』2＝C2就可以得到下列結果VO(final)=VCM+(VI-VCM)C1/C2,]]>這個結果就是最終輸出電壓VO不包含任何比較器的偏移量以及任何電路的延遲量，即比較器的偏移量以及電路的延遲量所導致的誤差也因此已經完全被消除了。
對於本來源的技術人員而言，本發明實施例所披露的方法原理也可以其它形式來加以實現，例如(1)在預先調整(P或P』)階段期間，可以將輸出電壓VO拉升到此系統中最高的電位VDD，因此，在開始進入粗略的電荷轉移(E1或E』1)階段之前使得VX＞VCM，而在這個狀態下，I1必須改換為一個電流集(currentsink)，以及I2必須改換為一電流源(current source)。
(2)可以省略精細的電荷轉移階段E』2以及E2，由於電路的延遲量所導致的誤差會被完全消除，所以可省略精細的電荷轉移階段，在這個例子中，I2電流亦可被省略，還可以提升整體電路的運作速度。
(3)可以利用一差動電路來取代一單端電路，圖7是說明一差動電路的例子，在此請注意，雖然圖7中的電荷泵140A沒有精細的電荷轉移階段E』2，對於本領域的技術人員而言，可輕易地了解到只要加入一電流源I2+以及一電流集I2-就可以包含有此一精細的電荷轉移階段，同樣地，亦可輕易地設計出與圖5所描繪的單端電路相對應的一差動電路。
(4)在轉移階段(2)期間，可以將圖5所示的電容C1的「+」端點及/或電容C』2的「+」端點連接到與不同於VCM的一電壓，舉例來說，對於一管線式模擬/數字轉換器而言，電容C1、C』2中任一電容的「+」端點都可以被連接到取決於電壓V1範圍而預先定義的許多電壓的其中的一。
(5)電容C』2可以利用多個電容來組成，而這些電容在取樣階段(1)期間為互相併聯，但是在轉移階段(2)期間，這些電容的「+」端點可以連接到每一個從許多預先定義的電壓中選出的不同的電壓，或是連接到此系統中的一個內部節點。
(6)可以選擇在轉移階段(2)結束之後清除儲存於C2、C』1以及C』2的電荷(利用維持R信號)，而不是在取樣階段(1)開始的時候進行。
無論如何，本發明上述所教導的方法原理可順利地應用於這種組態之下。此外，有許多開關(除了開關150的外)並沒有在這些圖標中顯示，而這些開關是由多個頻率信號所控制，以定義出取樣階段(1)以及轉移階段(2)下的電路架構(亦即電路組件之間的連接關係)，對於本領域的技術人員而言，這些開關是顯而易見。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明的權利要求所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種切換式電容電路，其包含有一比較器，一電荷泵電路以及多個電容，其特徵在於在一取樣階段，該切換式電容電路對一輸入電壓進行取樣以產生一取樣信號，由於該切換式電容電路的不理想而導致該取樣信號具有一誤差；在一轉移階段，該切換式電容電路依據該取樣信號以產生一生成電壓並轉移到一負載；其中，該切換式電容電路利用該多個電容中至少一電容將其連接端的一極性反向改變以消除該誤差。
2.如權利要求1所述的切換式電容電路，其中該取樣階段包含有一預先調整階段、一電荷轉移階段以及一保持階段。
3.如權利要求1所述的切換式電容電路，其中該轉移階段包含有一預先調整階段、一電荷轉移階段以及一保持階段。
4.如權利要求1所述的切換式電容電路，其中該多個電容包含有一取樣電容以及一積分電容。
5.如權利要求4所述的切換式電容電路，其中在該取樣階段，該取樣電容耦接於該輸入電壓。
6.如權利要求4所述的切換式電容電路，其中在該取樣階段，該積分電容耦接於該電荷泵電路，而在該轉移階段，該積分電容以一相反的極性耦接於該電荷泵電路。
7.如權利要求1所述的切換式電容電路，其中該該取樣階段以及該轉移階段周期性地運作。
8.如權利要求7所述的切換式電容電路，其中該多個電容電路包含有一取樣電容以及一積分電容，其中在該取樣階段，該取樣電容耦接於該輸入電壓。
9.如權利要求7所述的切換式電容電路，其中該多個電容電路包含有一取樣電容以及一積分電容，在該取樣階段，該積分電容耦接於該電荷泵電路，而在該轉移階段，該積分電容以一相反的極性耦接於該電荷泵電路。
10.一種用於一切換式電容電路的誤差消除方法，該切換式電容電路包含有一比較器、一電荷泵電路以及多個電容，其特徵在於對一輸入電壓進行取樣以產生一取樣信號，由於該切換式電容電路的不理想而導致該取樣信號具有一誤差；以及將該取樣信號轉移到一負載，並且利用對於該多個電容中至少一電容將其連接端的一極性反向改變以消除該誤差。
11.如權利要求10所述的方法，其中該切換式電容電路於一取樣階段以及一轉移階段周期性地運作。
12.如權利要求11所述的方法，其中該取樣階段包含有一預先調整階段、一電荷轉移階段以及一保持階段。
13.如權利要求11所述的方法，其中該多個電容包含有一取樣電容以及一積分電容，其中在該取樣階段期間，該取樣電容耦接於該輸入電壓。
14.如權利要求13所述的方法，其中在該取樣階段，該積分電容耦接於該電荷泵電路，而在該轉移階段，該積分電容以一相反的極性耦接於該電荷泵電路。
15.如權利要求11所述的方法，其中該多個電容包含有一取樣電容以及一積分電容，其中在該取樣階段，該積分電容耦接於該電荷泵電路，而在該轉移階段，該積分電容以一相反的極性耦接於該電荷泵電路。
全文摘要
一種切換式電容電路，經由包含有一取樣階段以及一轉移階段而周期性地運作，其中在該取樣階段期間，一輸入電壓與由於該切換式電容電路的不理想性所導致的誤差均被取樣，而在該轉移階段期間，該取樣的輸入電壓以一固定比例放大並且被轉移到一輸出負載，並且於此同時利用對該切換式電容電路中一內部電容將其連接端的極性反向改變以消除該誤差。
文檔編號H03L7/00GK101051831SQ200710089009
公開日2007年10月10日 申請日期2007年3月29日 優先權日2006年3月29日
發明者林嘉亮, 周格至 申請人:瑞昱半導體股份有限公司