CN104052441B - 预充电平衡负载开关电容电路和包含其的开关电容比较器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预充电平衡负载开关电容电路和包含其的开关电容比较器。其中，预充电平衡负载开关电容电路包括一个开关电容电路、主放大器和虚地放大器；主放大器用于将输入的第一模拟电压信号进行缓冲形成第二模拟电压信号，并输出到开关电容电路；开关电容电路用于对第二模拟电压信号进行采样，生成第一采样信号；虚地放大器用于接收第一采样信号并放大形成第二采样信号后输出。采用本发明的预充电平衡负载开关电容电路和包含其的开关电容比较器，可以实现主放大器的平衡负载和对负载电容预充电的功能，进而加快采样模式下主放大器对负载电容的建立时间，最终实现对功耗与速度的优化。

Description

预充电平衡负载开关电容电路和包含其的开关电容比较器

技术领域

本发明涉及集成电路电路技术领域，尤其涉及一种预充电平衡负载开关电容电路和包含其的开关电容比较器。

背景技术

在模拟/混合信号集成电路中，功耗与速度是一对很重要的折中关系，为了提高速度，往往需要牺牲功耗。在基于开关电容技术的模拟/混合信号集成电路中，经常需要多个时钟相位实现对模拟信号的处理，如采样保持、比较、余量放大、积分等。

如图1所示，以传统的开关电容比较器1为例，包括主放大器11、开关电容网络12和虚地放大器13，实现输入信号Vin与阈值电平Vth的比较。其工作于两种模式：采样模式与比较模式，分别对应CK1与CK2两个不交叠的时钟相位。在采样模式期间，开关电容网络12中的采样电容Cs1与Cs2分别采样Vth与Vin，虚地放大器13工作在闭环状态，其中主放大器11提供比较阈值电平Vth。在比较模式期间，采样电容均接至信号地，虚地放大器工作在开环状态。

对于主放大器11，在采样模式开始阶段，Cs1的左端的初始电平为信号地，当采样开关闭合瞬间，主放大器的输出立刻被拉至信号地。因此，主放大器11输出信号建立的起始电平为信号地，在极端条件下，这个建立过程可能包含非线性的压摆过程，大大增加了建立时间。这是一个典型的功耗与速度的折中问题，即要提高采样模式下Vth的建立速度，就必须增加主放大器的带宽，也即需要消耗更多的功耗。

在负载不变的条件下，如果通过某种电路技术使得建立的起始电平为最终电平，即Vth，则理论上建立时间为零。在相同速度条件下，可以大大降低主放大器的功耗。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种预充电平衡负载开关电容电路和开关电容比较器，能在相同速度条件下，大大降低主放大器的功耗。

根据本发明的一个方面，一种预充电平衡负载开关电容电路，包括一个开关电容电路、主放大器和虚地放大器；

所述主放大器用于将输入的第一模拟电压信号进行缓冲形成第二模拟电压信号，并输出到所述开关电容电路；

所述开关电容电路用于对所述第二模拟电压信号进行采样，生成第一采样信号；

所述虚地放大器用于接收所述第一采样信号并放大形成第二采样信号后输出；

其中，

所述开关电容电路包括第一开关电容网络和第二开关电容网络，所述第一开关电容网络和第二开关电容网络具有相同电路结构，且周期性地工作于采样模式、转移模式和预充电模式；

所述第一开关电容网络和第二开关电容网络包括多个开关，所述多个开关用于使得当第一/第二开关电容网络工作在比较模式时，第二/第一开关电容网络工作在预充电模式。

根据本发明的第二方面，一种开关电容比较器，包括预充电平衡负载开关电路，还包括输入电压采集模块；所述输入电压采集模块用于对输入的第三模拟电压进行采样形成第三采样信号；

所述虚地放大器用于比较所述第一采样信号和所述第三采样信号。

采用本发明的预充电平衡负载开关电容电路和开关电容比较器，可以实现主放大器的平衡负载和对负载电容预充电的功能，进而加快采样模式下主放大器对负载电容的建立时间，最终实现对功耗与速度的优化。

附图说明

图1为现有技术的开关电容比较器的电路图；

图2为本发明的预充电平衡负载开关电容电路的一种实施方式的电路图；

图3为图2中的预充电平衡负载开关电容电路中的开关电容电路中各开关的一种实施方式的通断时序图；

图4为图2中的预充电平衡负载开关电容电路中的开关电容电路中各开关的另一种实施方式的通断时序图；

图5为本发明的开关电容比较器的一种实施方式的电路图；

图6为图5中各开关的一种实施方式的通断时序图；

图7为本发明的差分连接的预充电平衡负载开关电容电路的一种实施方式的电路图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或者更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

参见图2所示，为本发明的预充电平衡负载开关电容电路的一种实施方式的电路图。

在本实施方式中，预充电平衡负载开关电容电路2包括一个开关电容电路22、主放大器21和虚地放大器23。

主放大器21用于将输入的第一模拟电压信号进行缓冲(即单位增益放大)形成第二模拟电压信号，并输出到开关电容电路22。开关电容电路22用于对第二模拟电压信号进行采样，生成第一采样信号。虚地放大器23用于接收第一采样信号并放大形成第二采样信号后输出。

其中，开关电容电路22包括第一开关电容网络221和第二开关电容网络222。第一开关电容网络221和第二开关电容网络212具有相同电路结构，且周期性地工作于采样模式、转移模式和预充电模式。

在一种实施方式中，第一开关电容网络221和第二开关电容网络222可以包括多个开关，该多个开关用于使得当第一/第二开关电容网络221/222工作在比较模式时，第二/第一开关电容网络222/221工作在预充电模式。

其中，采样模式、转移模式和预充电模式互不重叠，也即是说，第一开关电容网络221和第二开关电容网络222在一个时期仅能处于一个模式。

在一种实施方式中，第一开关电容网络221可以包括第一电容Cs1A、第一采样开关组、第一转移开关组和第一预充电开关组；

第一采样开关组包括第一采样开关CK1s1和第二采样开关CK1s2；第一转移开关组包括第一转移开关CK1t1和第二转移开关CK1t2；第一预充电开关组包括第一预充电开关CK1p1和第二预充电开关CK1p2。

参见图2所示，第一采样开关CK1s1和第一预充电开关CK1p1的第一端与主放大器21的输出端连接。第一采样开关CK1s1和第一预充电开关CK1p1的第二端与第一采样电容Cs1A的第一端连接。第一转移开关CK1t1的第一端接地，第一转移开关CK1t1的第二端与第一采样电容Cs1A的第一端连接。

第二采样开关CK1s2和第二转移开关CK1t2的第一端与第一采样电容Cs1A的第二端连接；第二采样开关CK1s2和第二转移开关CK1t2的第二端连接至虚地放大器23的负极输入端；第二预充电开关CK1p2的第一端与第一采样电容Cs1A的第二端连接，第二预充电开关CK1p2的第二端接地。

且第一采样开关组、第一转移开关组和第一预充电开关组的接通时间互不重叠。

类似的，第二开关电容网络222可以包括第二电容Cs1B、第二采样开关组、第二转移开关组和第二预充电开关组。

第二采样开关组包括第三采样开关CK2s1和第四采样开关CK2s2，第二转移开关组包括第三转移开关CK2t1和第四转移开关CK2t2，第二预充电开关组包括第三预充电开关CK2p1和第四预充电开关CK2p2。

第三采样开关CK2s1和第三预充电开关CK2p1的第一端与主放大器21的输出端连接，第三采样开关CK2s1和第三预充电开关CK2p1的第二端与第二采样电容Cs1B的第一端连接。第三转移开关CK2t1的第一端接地，第三转移开关CK2t1的第二端与第二采样电容Cs1B的第一端连接。第四采样开关CK2s2和第四转移开关CK2t2的第一端与第二采样电容Cs1B的第二端连接，第四采样开关CK2s2和第四转移开关CK2t2的第二端连接至虚地放大器23的负极输入端。第四预充电开关CK2p2的第一端与第二采样电容Cs1B的第二端连接，第四预充电开关CK2p2的第二端接地。

参见图3所示，为预充电平衡负载开关电容电路中的开关电容电路中各开关的一种实施方式的通断时序图。

在本实施方式中，第三转移开关CK2t1与第一预充电开关CK1p1同时通断，第四转移开关CK2t2与第二预充电开关CK1p2同时通断。第三预充电开关CK2p1与第一转移开关CK1t1同时通断，第四预充电开关CK2p2与第二转移开关CK1t2同时通断。在具体实现中，为了缓解与虚地点连接的开关在断开瞬间引入的沟道电荷注入问题，这些开关需要提前断开。

本实施方式的预充电平衡负载开关电容电路由于开关电容电路中增加了预充电模式。使得当其中一组开关电容网络处于比较模式时，主放大器21可以对另一组开关电容网络的电容进行预充电。从而，当先前处于预充电模式的开关电容网络进入采样模式时，主放大器21可以对其快速建立。而且主放大器的负载电容在三个工作模式下都是一致的，即实现了平衡负载，从而最大限度地利用了主放大器的功耗。

参见图4所示，为本发明的预充电平衡负载开关电容电路中各开关的另一种实施方式的通断时序图。

在本实施方式中，第一预充电开关CK1p1和第二预充电开关CK1p2的接通时间可以部分重叠；第一采样开关CK1s1和第二采样开关CK1s2的接通时间可以部分重叠；第一转移开关CK1t1和第二转移开关CK1t2的接通时间可以部分重叠。

第三预充电开关CK2p1和第四预充电开关CK2p2的接通时间可以部分重叠；第三采样开关CK2s1和第四采样开关CK2s2的接通时间可以部分重叠；第三转移开关CK2t1和第四转移开关CK2t2的接通时间部分重叠。

例如，在一种实施方式中，第一预充电开关CK1p1和第二预充电开关CK1p2的接通时刻相同，第二预充电开关CK1p2的断开时刻早于第一预充电开关CK1p1的断开时刻；第一采样开关CK1s1和第二采样开关CK1s2的接通时刻相同，第二采样开关CK1s2的断开时刻早于第一采样开关CK1s1的断开时刻；第一转移开关CK1t1和第二转移开关CK1t2的接通时刻相同，第二转移开关CK1t2的断开时刻早于第一转移开关CK1t1的断开时刻。

第三预充电开关CK2p1和第四预充电开关CK2p2的接通时刻相同，第四预充电开关CK2p2的断开时刻早于第三预充电开关CK2p1的断开时刻；第三采样开关CK2s1和第四采样开关CK2s2的接通时刻相同，第四采样开关CK2s2的断开时刻早于第三采样开关CK2s1的断开时刻；第三转移开关CK2t1和第四转移开关CK2t2的接通时刻相同，第四转移开关CK2t2的断开时刻早于第三转移开关CK2t1的断开时刻。

采用如上所述的提前断开的方式，可以消除由电容另一侧开关断开时引入的电荷注入等非理想效应。例，CK1s2比CK1s1提前断开，可以消除CK1s1断开时引入的非理想效应。

在一种实施方式中，开关电容电路还可以包括公共采样开关CK1。公共采样开关CK1用于在第一采样开关组或第二采样开关组接通时同时接通，用于输出第一开关电容网络或第二开关电容网络采集的第一采样信号。公共采样开关CK1的第一端与虚地放大器23的负极输入端相连，公共采样开关CK1的第二端接地。

参见图5所示，为本发明的开关电容比较器的一种实施方式的电路图。

在本实施方式中，开关电容比较器包括如上所述的预充电平衡负载开关电路和输入电压采集模块24。输入电压采集模块24用于对输入的第三模拟电压进行采样形成第三采样信号。

虚地放大器23用于比较第一采样信号和第三采样信号。

在一种实施方式中，输入电压采集模块24可以包括输入电压采样开关CK3、输入电压采样电容Cs2和输入电压转移开关CK4。

输入电压采样开关CK3用于对输入电压进行采样形成第三采样信号。输入电压采样开关CK3的第一端连接至输入电压Vin，输入电压采样开关CK3的第二端连接至输入电压采样电容Cs2的第一端。

输入电压转移开关CK4用于将电压采样开关CK3采样得到的第三采样信号输出至虚地放大器23。

输入电压采样开关CK3的接通时间与第一采样开关CK1s1和第二采样开关CK1s2的接通时间至少部分重叠。

优选地，虚地放大器23还可以包括反馈开关CK1p。反馈开关CK1p的接通时间与输入电压采样开关CK3、第一采样开关CK1s1、第二采样开关CK1s2、第三采样开关CK3s1和第四采样开关CK2s2的接通时间至少部分重叠。参见图6所示，为本发明的一种实施方式的开关电容比较器中各开关的通断时序图。

图6中的时序给出了CK3和CK4完整的两个周期，CK3、CK4相位基本相反，且不存在高电平与高电平交叠部分，以保证二者不同时导通。

因为预充电平衡负载开关电路中的第一开关电容网络221和第二开关电容网络222交替工作，而Vin网络一直工作，因此除了CK1p之外，其余8个开关的控制时钟的占空比均为CK3(或CK4)的一半。

采样模式之后，Vin和Vth分别储存于CS2和Cs1A(或Cs1B)上，紧接着进入转移模式，Cs2和Cs1A(或Cs1B)原先与Vin、Vth相连的一端都接地，而电容的另一端的电位由采样模式时的虚地点(CK1p为高，其所控制开关闭合时的虚地点，此时该虚地点的电位为地)变为了转移模式的虚地点(CK1p为低，其所控制的开关断开时的虚地点)，此时该虚地点的电位不为地，且是一个与Vin与Vth之和成比例的电位，该电位经虚地放大器放大之后，即可得到比较结果。

转移模式下，电容左端所连的电位必须与采样模式下虚地放大器正向端的所接电位一致。在本专利中，为行文方便，该电位为地，这也符合本专业的常规认识。

参见图7所示，为本发明的差分连接的预充电平衡负载开关电容电路的一种实施方式的电路图。

在本实施方式中，包含了两个主放大器21A、21B，两个开关电容电路22A、22B和一个虚地放大器23。

两个主放大器21A和21B分别接收输入电压Vinp和Vinn，经两个开关电容电路22A和22B进行采样后，将输出的采样信号分别接入虚地放大器23的正极和负极，通过虚地放大器23进行差分放大。

在一种实施方式中，差分连接的预充电平衡负载开关电容电路中的各开关的时序可以采用如图3所示的时序。由于开关电容电路22A和22B中的各开关在其中一组处于比较模式时，另一组处于预充电模式，使得开关电容电路22A和22B可以平衡负载，最大限度的利用主放大器21A和21B的功耗。

采用本发明的预充电平衡负载开关电容电路和开关电容比较器，可以实现主放大器的平衡负载和对负载电容预充电的功能，进而加快采样模式下主放大器对负载电容的建立时间，最终实现对功耗与速度的优化。

上面对本发明的一些实施方式进行了详细的描述。如本领域的普通技术人员所能理解的，本发明的方法和装置的全部或者任何步骤或者部件，可以在任何计算设备(包括处理器、存储介质等)或者计算设备的网络中，以硬件、固件、软件或者它们的组合加以实现，这是本领域普通技术人员在了解本发明的内容的情况下运用他们的基本编程技能就能实现的，因此不需在此具体说明。

此外，显而易见的是，在上面的说明中涉及到可能的外部操作的时候，无疑要使用与任何计算设备相连的任何显示设备和任何输入设备、相应的接口和控制程序。总而言之，计算机、计算机系统或者计算机网络中的相关硬件、软件和实现本发明的前述方法中的各种操作的硬件、固件、软件或者它们的组合，即构成本发明的设备及其各组成部件。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (9)

1.一种预充电平衡负载开关电容电路，其特征在于，包括一个开关电容电路、主放大器和虚地放大器；

所述主放大器用于将输入的第一模拟电压信号进行缓冲形成第二模拟电压信号，并输出到所述开关电容电路；

所述开关电容电路用于对所述第二模拟电压信号进行采样，生成第一采样信号；

所述虚地放大器用于接收所述第一采样信号并放大形成第二采样信号后输出；

其中，

所述开关电容电路包括第一开关电容网络、第二开关电容网络和公共采样开关，所述第一开关电容网络和第二开关电容网络具有相同电路结构，且周期性地工作于采样模式、转移模式和预充电模式；

所述第一开关电容网络和第二开关电容网络包括多个开关，所述多个开关用于使得当第一/第二开关电容网络工作在转移模式时，第二/第一开关电容网络工作在预充电模式；

所述公共采样开关用于在所述第一采样开关组或所述第二采样开关组接通时同时接通，用于产生所述第一开关电容网络或第二开关电容网络采集的第一采样信号；

所述公共采样开关的第一端与所述虚地放大器的负极输入端相连，所述公共采样开关的第二端接地。

2.根据权利要求1所述的预充电平衡负载开关电容电路，其特征在于，所述采样模式、转移模式和预充电模式互不重叠。

3.根据权利要求1所述的预充电平衡负载开关电容电路，其特征在于，所述第一开关电容网络包括第一电容、第一采样开关组、第一转移开关组和第一预充电开关组；

所述第一采样开关组包括第一采样开关和第二采样开关，所述第一转移开关组包括第一转移开关和第二转移开关，所述第一预充电开关组包括第一预充电开关和第二预充电开关；

所述第一采样开关和所述第一预充电开关的第一端与所述主放大器的输出端连接，所述第一采样开关和所述第一预充电开关的第二端与所述第一采样电容的第一端连接；所述第一转移开关的第一端接地，所述第一转移开关的第二端与所述第一采样电容的第一端连接；所述第二采样开关和所述第二转移开关的第一端与所述第一采样电容的第二端连接，所述第二采样开关和所述第二转移开关的第二端连接至所述虚地放大器的负极输入端；所述第二预充电开关的第一端与所述第一采样电容的第二端连接，所述第二预充电开关的第二端接地；

且所述第一采样开关组、第一转移开关组和第一预充电开关组的接通时间互不重叠。

4.根据权利要求3所述的预充电平衡负载开关电容电路，其特征在于：

所述第二开关电容网络包括第二电容、第二采样开关组、第二转移开关组和第二预充电开关组；

所述第二采样开关组包括第三采样开关和第四采样开关，所述第二转移开关组包括第三转移开关和第四转移开关，所述第二预充电开关组包括第三预充电开关和第四预充电开关；

所述第三采样开关和所述第三预充电开关的第一端与所述主放大器的输出端连接，所述第三采样开关和所述第三预充电开关的第二端与所述第二采样电容的第一端连接；所述第三转移开关的第一端接地，所述第三转移开关的第二端与所述第二采样电容的第一端连接；所述第四采样开关和所述第四转移开关的第一端与所述第二采样电容的第二端连接，所述第四采样开关和所述第四转移开关的第二端连接至所述虚地放大器的负极输入端；所述第四预充电开关的第一端与所述第二采样电容的第二端连接，所述第四预充电开关的第二端接地；

所述第三转移开关与所述第一预充电开关同时通断，所述第四转移开关与所述第二预充电开关同时通断；所述第三预充电开关与所述第一转移开关同时通断，所述第四预充电开关与所述第二转移开关同时通断。

5.根据权利要求4所述的预充电平衡负载开关电容电路，其特征在于：

所述第一预充电开关和第二预充电开关的接通时间部分重叠；第一采样开关和第二采样开关的接通时间部分重叠；所述第一转移开关和所述第二转移开关的接通时间部分重叠；

所述第三预充电开关和第四预充电开关的接通时间部分重叠；第三采样开关和第四采样开关的接通时间部分重叠；所述第三转移开关和所述第四转移开关的接通时间部分重叠。

6.根据权利要求5所述的预充电平衡负载开关电容电路，其特征在于：

所述第一预充电开关和第二预充电开关的接通时刻相同，所述第二预充电开关的断开时刻早于所述第一预充电开关的断开时刻；所述第一采样开关和第二采样开关的接通时刻相同，所述第二采样开关的断开时刻早于所述第一采样开关的断开时刻；所述第一转移开关和第二转移开关的接通时刻相同，所述第二转移开关的断开时刻早于所述第一转移开关的断开时刻；

所述第三预充电开关和第四预充电开关的接通时刻相同，所述第四预充电开关的断开时刻早于所述第三预充电开关的断开时刻；所述第三采样开关和第四采样开关的接通时刻相同，所述第四采样开关的断开时刻早于所述第三采样开关的断开时刻；所述第三转移开关和第四转移开关的接通时刻相同，所述第四转移开关的断开时刻早于所述第三转移开关的断开时刻。

7.一种开关电容比较器，包括如权利要求1-6任意一项所述的预充电平衡负载开关电容电路，其特征在于，还包括输入电压采集模块；所述输入电压采集模块用于对输入的第三模拟电压进行采样形成第三采样信号；

所述虚地放大器用于比较所述第一采样信号和所述第三采样信号。

8.根据权利要求7所述的开关电容比较器，其特征在于，所述输入电压采集模块包括输入电压采样开关、输入电压采样电容和输入电压转移开关；

其中，

所述输入电压采样开关用于对输入电压进行采样形成第三采样信号，所述输入电压采样开关的第一端连接至所述输入电压，所述输入电压采样开关的第二端连接至所述输入电压采样电容的第一端；

所述输入电压转移开关用于将所述电压采样开关采样得到的第三采样信号输出至所述虚地放大器；

所述输入电压采样开关的接通时间为所述第一采样开关和所述第二采样开关接通时间的总和。

9.根据权利要求7或8所述的开关电容比较器，其特征在于：

所述虚地放大器还包括反馈开关；

所述反馈开关的接通时间与所述输入电压采样开关、第一采样开关、所述第二采样开关、第三采样开关和第四采样开关的接通时间至少部分重叠。