CN101051832A - 具有误差平均功能的切换式电容电路与其方法 - Google Patents

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Abstract

一种切换式电容电路，经由一采样阶段、一第一转移阶段及一第二转移阶段周期性地工作。在该采样阶段，该切换式电容电路对一输入电压进行采样，在该第一转移阶段，利用一比例放大该采样的输入电压并转移到一第一负载，在该第二转移阶段，该切换式电容电路对于该多个电容中至少一电容将其连接端之一极性反向改变，且利用一比例放大该采样的输入电压并转移到一第二负载。

Description

具有误差平均功能的切换式电容电路与其方法
技术领域
本发明系有关于一种电子电路，尤指一种切换式电容电路。
背景技术
以切换式电容电路是一种新兴发展中的科技，这种切换式电容电路操作于两种阶段下，这两种阶段分别为”采样”阶段(sampling phase)与”转移”阶段(transfer phase)，并且分别由两个没有部分重迭的时钟脉冲φ1与φ2所控制。在以一采样率为f工作的典型两阶段的以比较器为主的切换式电容电路中，每一阶段的持续时间系略小于采样时钟脉冲周期T＝1/f的一半。在采样阶段(φ1)期间，利用一采样电容C1来对一输入电压VI采样，其中采样电容C1的“+”端点连接到VI，而采样电容C1的“-”端点连接到一共模电压VCM，而在转移阶段(φ2)期间，储存于采样电容C1的电荷经由一电荷转移电路转移到一积分电容C2，其中此电荷转移电路包含有一比较器130以及一电荷泵(CP)140，而电荷泵140包含有一电流源(current source)I1以及一电流汇(current sink)I2，如图1所示，其中VDD是一电源电压，且VSS是此系统中之最低电位，请注意VCM是一共模电压，而其电压值通常接近于VDD与VSS的平均值。负载电容CL经由一采样开关150连接到VCM，而采样开关150系由一切换信号S所控制。此电荷转移电路用以转移储存于采样电容C1的电荷到积分电容C2直到比较器130的两个输入端具有相同的电位为止，亦即VX＝VCM。而以比较器为主的切换式电容电路100在转移阶段(φ2)期间的工作原理将在以下内容中简单描述。
图2是描绘关于切换式电容电路100在转移阶段的时序示意图。一开始时，维持此切换信号S，使得采样开关150会被关闭以形成导通状态，并且使得负载电容CL可以连接到VCM，与此同时，VO停留在之前的循环结束后的采样位准，并且VX会接近于VCM，而这个从时间t1开始并且在时间t5结束的转移阶段(φ2)包含有预先调整(P)阶段、粗略的电荷转移(E1)阶段、精细的电荷转移(E2)阶段以及一保持(H)阶段等这四个子阶段。首先，以比较器为主的切换式电容电路100会进入P阶段(于时间t1)，并且在此阶段期间将输出节点的电位VO拉低到VSS，并且使得VX下降到低于VCM的VXO。然后，于时间t2进入E1阶段，而在此阶段期间，比较器130系检测到VX＜VCM，并且电荷泵140的电流汇I1会将电荷注入到包含有负载电容CL、积分电容C2以及采样电容C1的电路中，以使得VX以及VO都能相对快速地提高电压。接着，在比较器130检测到VX＞VCM的瞬间时，亦即于时间t3开始进入E2阶段，在此请注意，由于电路的延迟量，t3会稍微落后于当VX向上超越VCM时确切的时间点，而在E2阶段期间，电荷泵140的电流汇I2会从包含有负载电容CL、积分电容C2以及采样电容C1的电路中汲取电荷，以使得VX以及VO都能相对缓慢地降低电压。最后，以比较器为主的切换式电容电路100会在时间t4，亦即在比较器130再次检测到VX＜VCM的时间点开始进入H阶段，同样地，由于电路的延迟量，t4会稍微落后于当VX向下超越VCM时确切的时间点，而在H阶段期间，不再维持切换信号S，因此采样开关150会被打开以形成开路，以及储存于负载电容CL的电荷会会被采样以及停止转移；此外，电荷泵140会被关闭。
由于现有切换式电容电路100的延迟量，VO的最终采样数值总是会有一误差存在，如图2所示，可以清楚地看到实际的采样数值总是稍微低于理想的采样数值，亦即在VX向下超越VCM时确切的时间点之数值；此外，现有切换式电容电路100容易遭受由于比较器130的偏移量所导致的误差之影响。
发明内容
本发明的目的之一，在于提供一种切换式电容电路，以解决上述问题。
本发明的目的之一，在于提供一种切换式电容电路，可以消除由于电路之不理想性(特别是指电路的延迟量或电路的偏移量或二者)所导致之误差的方法。
依据一实施例，系提供一种切换式电容电路，其包含有一比较器，一电荷泵以及多个电容，其特征在于：在一采样阶段，该切换式电容电路对一输入信号进行采样；在一第一转移阶段，该切换式电容电路利用一比例来放大该采样的输入信号并转移到一第一负载；以及在一第二转移阶段，该切换式电容电路对于该多个电容中至少一电容将其连接端之一极性反向改变，且利用该比例来放大该采样的输入信号并转移到一第二负载。
依据一实施例，系提供一种用于一切换式电容电路的误差消除方法，该切换式电容电路包含有一比较器、一电荷泵以及多个电容，其特征在于：在一采样阶段，对一输入信号进行采样；在一第一转移阶段，利用一比例来放大该采样的输入信号并转移到一第一负载；在一第二转移阶段，对于该多个电容中至少一电容将其连接端之一极性反向改变；以及在该第二转移阶段，利用该比例来放大该采样的输入信号并转移到一第二负载。
配合下列附图、实施例的详细说明及权利要求，将上述及本发明的其他目的与特点详述于后。
附图说明
图1是描绘现有操作于转移阶段下的切换式电容电路的示意图。
图2是描绘图1所示的切换式电容电路的时序示意图。
图3系本发明一实施例之操作于一第一转移阶段下的切换式电容电路的示意图。
图4系本发明一实施例之操作于一第二转移阶段下的切换式电容电路的示意图。
图5是描绘图3所示操作于一第二转移阶段下以及图4所示操作于一第二转移阶段下的切换式电容电路的时序示意图。
图6是描绘图3所示之电路的一差动电路版本。
主要元件符号说明
  100、100A、100B、100C   切换式电容电路   130   比较器
  140、140A   电荷泵   150   采样开关
  C1A、C1B   采样电容   C2   积分电容
  CLA、CLB   负载电容   I1   电流源
  I2   电流吸集
具体实施方式
本说明书将会描述一些关于本发明的实施例，但在相关技术领域中具有通常知识者应该了解到本发明可以由许多种方式来加以实现，并不局限于以下的说明中所提供的特定实施例或是实方法。
一般而言，本发明可以应用于任何的数据采样模拟电路，举例来说，本发明可以应用于一管线式(pipeline)模拟数字转换器，也可以应用于一三角积分式模拟数字转换器(delta-sigma ADC)。在本说明书中公开一种依据本发明所实现的两阶段(例如是采样阶段(φ1)与转移阶段(φ2))的切换式电容电路中，但这只是用于举例说明，而不是本发明的限制条件。
本发明公开了一种利用将误差平均以消除由于偏移量(例如是比较器的偏移量)以及电路的延迟量所导致之误差的方法。一实施例中，采样电容C1现在则是由两个具有相同电容值的电容C1A与C1B所取代，其中，在采样阶段(φ1)期间，电容C1A与C1B的“+”端点都是连接到输入电压VI，而电容C1A与C1B的“-”端点则都是连接到共模电压VCM，同时，负载电容CL现在则是由两个具有相同电容值的电容CLA与CLB所取代。
在一实施例中，转移阶段(φ2)系被进一步分成两个没有部分重迭的阶段：一第一转移阶段(φ2A)以及一第二转移阶段(φ2B)，而在此第一转移阶段(φ2A)期间的电路架构系如图3所描绘。其中，与图1中所示现有的切换式电容电路100相较之下，除了以下所描述的四个部分的改变之外，其他部分是相似的，而这四个改变的部分分别为：(1)C1由C1A所取代；(2)CL由CLA所取代；(3)E1由E1A所取代；以及(4)E2由E2A所取代，而图3的切换式电容电路100A工作方式如下：一开始时，本发明先进行一预先调整(PA)阶段来使得VX＜VCM，然后再进行一粗略的电荷转移阶段(E1A)，直到检测到VX＞VCM，接着再进行一精细的电荷转移阶段(E2A)，直到再次检测到VX＜VCM，最后再进行一保持(HA)阶段来将所有电容的电荷保持住，而在此第一转移阶段(φ2A)结束时，储存在负载电容CLA的电荷会具有由比较器的偏移量以及电路的延迟量所导致的误差。
在此第二转移阶段(φ2B)期间的电路架构系如图4所描绘，其中，与图3中所示的切换式电容电路100A相较之下，除了以下所描述的五个部分的改变之外，其他部分是相同的，而这四个改变的部分分别为：(1)C1A由以一相反极性连接的C1B所取代；(2)CLA由以一相反极性连接的CLB所取代；(3)C2系以一相反极性连接；(4)E1A由E1B所取代；以及(4)E2A由E2B所取代，而以比较器为主的切换式电容电路100B工作方式如下：一开始时，先进行一预先调整(PB)阶段来使得VX＜VCM，然后再进行一粗略的电荷转移阶段(E1B)，直到检测到VX＞VCM，接着再进行一精细的电荷转移阶段(E2B)，直到再次检测到VX＜VCM，最后再进行一保持(HB)阶段来将所有电容的电荷保持住，而在此第二转移阶段(φ2B)结束时，储存在负载CLB的电荷会具有由比较器的偏移量以及电路的延迟量所导致的误差。因为以上这些连接端点之极性被反向改变的缘故，所以在此第一转移阶段期间结束时储存在负载CLA的误差与此第二转移阶段期间结束时储存在负载CLB的误差系恰好正负符号相反。
这两个正负符号相反的误差可以是明确地或隐含地经由平均而被消除，在一实施例中，这两个负载电容CLA与CLB在此第二转移阶段(φ2B)结束之后是并联(经由将CLA的“+”端点与CLB的“+”端点相连接，以及将CLA的“-”端点与CLB的“-”端点相连接)，而在这个连接组态之下，这些误差会明确地经由平均而被消除。在另一实施例中，CLA与CLB系在系统中的某一部份(例如，在一管线式模拟数字转换器中的次一管线阶)形成一对采样电容(就像C1A与C1B一样)，而在这个情况中，因为储存在C1A与C1B的电压可以被分开个别处理，如图3与图4所示，所以这些误差可以隐含地经由平均而被消除。
图5是描绘关于完整的转移阶段的时序示意图，其中，在第一转移阶段(φ2A)期间，VX的波形与图2中VX的波形非常类似，而由于电路之不理想性，最后储存在CLA的电荷会稍微低于理想的数值。在第二转移阶段(φ2B)期间，除了在预先调整(PB)阶段期间VX会被拉到不同的电压值(在此为VXOB而非VXOA)之外，VX的波形与在第一转移阶段(φ2A)期间之VX的波形十分类似，然而，在第二转移阶段(φ2B)期间储存于CLB的电荷之波形跟在第一转移阶段(φ2A)期间储存于CLA的电荷之波形十分不同，而这要归功于将极性反向改变的动作。首先，在预先调整(PB)阶段期间，储存于CLB的电荷会被拉高，接着，在粗略的电荷转移阶段(E1B)期间，储存于CLB的电荷会以一速率往下滑落，而此速率会与在粗略的电荷转移(EIA)阶段期间，储存于CLA的电荷往上提高的速率完全一致，然后，在精细的电荷转移阶段(E2B)期间，储存于CLB的电荷会以一速率往上提高，而此速率会与在精细的电荷转移阶段(E2A)期间，储存于CLA的电荷往下滑落的速率完全一致，而由于电路之不理想性，最后储存在CLB的电荷会稍微高于理想的数值。因为在第一转移阶段的电路架构与在第二转移阶段的电路架构之间除了连接端点的极性之外，其他部分在本质上都完全一样，所以由于电路之不理想性所造成的误差除了正负相反之外都具有相同的数值，因此可以对这些误差进行平均以进而消除这些误差，举例来说，将CLA以及CLB并联就可以消除这些误差。
此外，由于比较器的偏移量所导致的误差通常会比由于电路的延迟量所导致的误差小很多，譬如说在图5所示的例子中，比较器的偏移量所造成的误差可以视为无关紧要的影响(相较于因为电路的延迟量所导致的误差)，因此可以忽略由于比较器的偏移量所造成的误差。
对于本领域的技术人员而言，本发明实施例所揭露之方法原理也可以其他各种相关的变化形式来加以实现，其中包含有以下所述之各实施例：
(1)在预先调整(PA或PB)阶段期间，可以将输出电压VO拉升到此系统中最高的电位VDD，因此，在开始进入粗略的电荷转移(E1A或E1B)阶段之前使得VX＞VCM，而在这个状态下，I1必须改换为一个电流汇(current sink)，以及I2必须改换为一电流源(current source)。
(2)由于电路的延迟量所导致的误差会经由平均而完全消除，所以可省略精细的电荷转移阶段E2A以及E2B，，而在这个例子中，提供I2的电流源可被去除掉，如此一来，另可以提升整体电路的工作速度。
(3)可以利用一差动电路来取代一单端电路，图6是描绘一差动电路的例子，其对应于图3所描绘之操作于第一转移阶段(φ2A)的单端电路，在此请注意，虽然第6中的电荷泵140A没有精细的电荷转移阶段E2A，对于本领域的技术人员而言，应该可以轻易地了解到只要加入皆由E2A所控制之一电流源I2+以及一电流汇I2-就可以包含有此一精细的电荷转移阶段，同样地，亦可轻易地使用类似的方式设计出与图4所描绘之操作于第一转移阶段(φ2B)的单端电路相对应之一差动电路。
(4)在以上两个转移阶段(φ2A与φ2B)其中任一阶段期间，可以将图3所示之电容C1A的“+”端点或是图4所示之电容C1B的“+”端点连接到与不同于VCM之一电压，举例来说，对于一管线式模拟数字转换器而言，电容C1、C’2中任一电容的“+”端点都可以被连接到取决于电压V1范围而预先定义之许多电压的其中之一，。
(5)电容C1A(或C1B)可以利用多个电容来组成，而这些电容在采样阶段(φ1)期间是互相并联，但是在转移阶段φ2A(或φ2B)期间，这些电容的“+”(或“-”)端点可以连接到每一个从许多预先定义的电压中选出之不同的电压，或是连接到此系统中的一个内部节点。
无论如何，本发明上述所教导的方法原理也同样可以顺利地应用于这种组态之下。此外，有许多开关(除了开关150之外)是没有在这些图示中显示，而这些开关由多个时钟脉冲信号所控制1以定义出采样阶段(φ1)以及以上两个转移阶段(φ2A与φ2B)下的电路架构(亦即电路元件之间的连接关系)，这些开关没有在这些图示中显示是因为这些开关对于本领域的技术人员而言，是显而易见且不言自明的。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。

Claims (13)

1.一种切换式电容电路，其包含有一比较器，一电荷泵以及多个电容，其特征在于：
在一采样阶段，该切换式电容电路对一输入信号进行采样；
在一第一转移阶段，该切换式电容电路利用一比例来放大该采样的输入信号并转移到一第一负载；以及
在一第二转移阶段，该切换式电容电路对于该多个电容中至少一电容将其连接端之一极性反向改变，且利用该比例来放大该采样的输入信号并转移到一第二负载。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于：经由该采样阶段、该第一转移阶段以及该第二转移阶段周期性地工作。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于：该第一转移阶段包含有一第一预先调整子阶段、一第一电荷转移子阶段以及一第一保持子阶段。
4.如权利要求1所述的电路，其特征在于：该多个电容包含有一采样电容以及一积分电容，其中在该采样阶段，该采样电容耦接于该输入信号。
5.如权利要求1所述的电路，其特征在于：该多个电容包含有一采样电容以及一积分电容，其中在该第一转移阶段，该积分电容耦接于该电荷泵，而在该第二转移阶段，该积分电容系以一相反的极性耦接于该电荷泵。
6.如权利要求1所述的电路，其特征在于：该第一负载包含一电容。
7.如权利要求1所述的电路，其特征在于：该切换式电容电路结合该第一负载以及该第二负载以产生一输出信号。
8.一种用于一切换式电容电路的误差消除方法，该切换式电容电路包含有一比较器、一电荷泵以及多个电容，其特征在于：
在一采样阶段，对一输入信号进行采样；
在一第一转移阶段，利用一比例来放大该采样的输入信号并转移到一第一负载；
在一第二转移阶段，对于该多个电容中至少一电容将其连接端之一极性反向改变；以及
在该第二转移阶段，利用该比例来放大该采样的输入信号并转移到一第二负载。
9.如权利要求8所述的方法，其特征还包含：
结合该第一负载以及该第二负载以产生一输出信号。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：该多个电容包含有一采样电容以及一积分电容，其中在该第一转移阶段，该积分电容耦接于该电荷泵，而在该第二转移阶段，该积分电容系以一相反的极性耦接于该电荷泵。
11.如权利要求8所述的方法，其特征还包含：
周期性地经由该采样阶段、该第一转移阶段以及该第二转移阶段来进行操作。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：该多个电容包含有一采样电容以及一积分电容，其中在该第一转移阶段，该积分电容耦接于该电荷泵，而在该第二转移阶段，该积分电容系以一相反的极性耦接于该电荷泵。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于：该第一转移阶段包含有一第一预先调整子阶段、一第一电荷转移子阶段以及一第一保持子阶段。
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