CN105281745A - 用于开关电容器电路的驱动器及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于开关电容器电路的驱动器，驱动器包括(a)电压放大器，包括信号输入端，反馈输入端和放大器输出端，(b)耦合在放大器输出端和反馈输入端之间的反馈网络。反馈网络包含跟踪保持电路，跟踪保持电路适于掩盖在开关电容器电路充电阶段的开始时在放大器输出端(216，316)处发生的电压降。本发明还提出了一种包括这样的驱动器的开关电容器电路，传感器设备，以及驱动开关电容器电路的方法。

Description

用于开关电容器电路的驱动器及其驱动方法

技术领域

本申请涉及开关电容器电路领域，特别涉及用于开关电容器电路的驱动器、包含这种驱动器的开关电容器电路、传感器设备、和驱动开关电容器电路的方法。

背景技术

开关电容器(SC)电路用于执行从滤波器到模拟数字转换器的多个信号处理功能。SC电路的输入级可以包含电容器C_L，该电容器C_L必须在每一个时钟周期充电。由于SC电路的等效输入阻抗可能是低的(由于大电容C_L和/或高时钟频率)，需要驱动器来隔离信号源和SC电路。驱动器是时间连续的电路，它将输入电容器C_L充电到与输入信号成比例的电压水平。由于SC电路中的信息由内部的电容器上的电荷表示，所以驱动器必须保证妥善稳定充电阶段最后的输入电容C_L上的电压。

典型的SC驱动器使用在反馈结构中的放大器来在充电阶段给电容器C_L充电。如果放大器的输出阻抗和开关的电阻足够低，那么充电瞬态是快速的以及在电容器C_L上将精确复制输入电压，该开关是由充电阶段控制信号驱动的。然而，如果放大器的输出阻抗(或者上述开关电阻)不够低，那么将会发生充电瞬态。在这种情况下，如果放大器和反馈网络的带宽是大的，那么电容器上的电压在瞬态的最后稳定在合适的值。

实施具有低的输出阻抗的放大器需要很大的成本。减少放大器的输出阻抗需要增加能量和放大器输出设备的尺寸。为了抵消高输出阻抗的影响，可能使用带宽宽的放大器。然而，这也可能导致放大器的功率消耗增加。另外，如果对驱动器的参考输入的偏移有严格要求，那么放大器必须具有低的固有偏移或者是偏移补偿的。在第一种情况中，放大器需要大的面积以获得它的输出设备的良好匹配，并因此得到低的输入偏移。在后一种情况中，必须使用偏移补偿技术来执行，例如斩波或自动调零。然而，已知的是这种技术限制放大器的带宽(参见Enz，C.C.和Temes，G.C.于1996年11月在IEEE，vol.84，no.11，pp.1584，1614中发表的文章“Circuittechniquesforreducingeffectsofop-ampimperfections：autozeroing，correlateddoublesampling，andchopper，″)。只有通过增加电路的复杂性才能避免这种情况(参见QinwenFan；Huijsing，J.H.；Makinwa，K.AA于2012年2月在Solid-StateCircuits，IEEEJournalof，vol.47，no.2，pp.464，475发表的文章″A21nV/√HzChopper-StabilizedMulti-PathCurtent-FeedbackInstrumentationAmplifierInstrumentationAmplifierWith2μVOffset，″)。

因此，可能需要一种用于开关电容器电路的驱动器，它可以适当地驱动开关电容器电路而不需要具有宽的带宽和/或低的输出阻抗的放大器。

发明内容

这种要求可能由根据独立权利要求的主题来满足。优选的实施例在从属权利要求中提出。

根据第一方面，提供了一种用于开关电容器电路的驱动器，驱动器包括(a)电压放大器，电压放大器包括信号输入端，反馈输入端和放大器输出端，和(b)耦合在放大器输出端和反馈输入端之间的反馈网络，其中(c)反馈网络包括跟踪保持电路，跟踪保持电路适于掩盖在开关电容器电路充电阶段的开始时在放大器输出端处出现的电压突降。

这个方面是基于以下思想，在充电阶段的开始时发生的电压突降(其中开关电容器电路的基本放电的电容器连接到放大器输出端并因此减少在放大器输出端的电压)由跟踪保持电路掩盖从而电压降不会(或只很少地)经由反馈网络反馈到反馈输入端。因此，放大器和反馈网络不需要具有宽带宽，并且放大器也不必具有非常低的输出阻抗。因此，根据之一方面的驱动器可以用相对简单、简洁和低功率放大器和反馈网络实现。因此，驱动器可以实现低成本和相对小的封装。

在本说明书中，术语″跟踪保持电路″可能特别表示适于在跟踪阶段跟踪特定的电压的电路，在跟踪阶段跟踪特定的电压的意思是该电路输出的电压遵循该特定的电压。在保持阶段，电路输出的电压等于保持阶段开始之前最后的特定电压。

跟踪保持电路可能布置在反馈路径中的任意位置，反馈路径位于放大器输出端和反馈输入端之间。特别地，跟踪保持电路可能布置在放大器输出端和剩下的反馈网路之间，在反馈输入端和剩下的反馈网络之间，或者集成在反馈网络的内部。

电压放大器可能优选地实现为运算放大器。

反馈网络可能包含一个或多个无源元件，例如电阻器，电容器等等，配置为在到放大器的反馈输入端的路上减少和/或过滤放大器输出。

综上，与现有的用于开关电容器电路的驱动器相比，根据第一方面的驱动器提供有关面积，能量和电路复杂性方面的节约。

根据一个实施例，跟踪保持电路适于在跟踪阶段导致反馈网络提供与放大器输出电压相应的电压到反馈输入端。另外，跟踪保持电路适于在保持阶段导致反馈网络提供基本恒定的电压到反馈输出端，该恒定的电压与前面的跟踪阶段的最后的放大器输出电压相应。

换句话说，跟踪保持电路运行如下：在跟踪阶段，反馈输入端接收与放大器输出端处的实际电压相应的电压，即从实际的输出电压获得的(减少的或过滤的)电压。在保持阶段，跟踪保持电路运行如下：在放大器输出端的电压的变化没有反映在反馈输入上。反而，反馈输入端接收基本恒定的电压，该恒定的电压与保持阶段开始之前最后的输出电压相应。

因此，在保持阶段出现的在放大器输出端出现的电压突降(即突然的电压下降)不会导致在反馈输入端产生相应的变化。

根据另一个实施例，跟踪保持电路适于在开始保持电路的同时开始开关电容器电路的充电阶段。另外，跟踪保持电路适于在开关电容器电路充电阶段经过预定部分后开始跟踪阶段。

通过在开始保持阶段的同时开始开关电容器电路的充电阶段，可以确保发生在充电阶段的开始时的放大器输出端处的电压突降(或电压降)不会导致在反馈输入端处的电压产生相应的变化。然后，在经过充电阶段的一预定部分之后，即放大器输出端处的电压基本从上述电压突降中恢复过来后，跟踪保持电路切换到跟踪阶段并因此打开反馈路径从而反馈输入端处的电压直接取决于在放大器输出端出现的实际电压。

根据另一个实施例，开关电容器电路充电阶段的预定部分是在开关电容器电路充电阶段的5％至95％之间，例如在开关电容器电路充电阶段的10％至90％之间，例如在开关电容器电路充电阶段的15％至85％之间，例如在开关电容器电路充电阶段的20％至80％之间，例如在开关电容器电路充电阶段的25％至75％之间，例如在开关电容器电路充电阶段的30％至70％之间，例如在在开关电容器电路充电阶段的35％至65％之间，例如在开关电容器电路充电阶段的40％至60％之间，例如在开关电容器电路充电阶段的45％至55％之间，例如大约在开关电容器电路充电阶段的50％之间。

因此，实现了以下折衷，通过跟踪保持电路掩盖了充电阶段开始时在放大器输出端出现的电压突降的大部分，同时允许在充电阶段的剩余部分(以及在之后的放电阶段)使放大器输出端的电压通到反馈输入端从而允许放大器相应地起作用。

根据另一个实施例，跟踪保持电路包括电容器和开关，在跟踪阶段当开关闭合时，耦合电容器以接收相应于放大器输出的电压，在保持阶段当开关断开时将反馈输入端处的电压维持在与前面的跟踪阶段的最后的放大器输出电压相应的电压。

换句话说，在跟踪阶段，电容器上的电压遵循放大器输出电压，并在保持阶段维持来自跟踪阶段的最后的电压。

根据第二方面，提供开关电容器电路，包括(a)根据第一方面或前面描述的任意实施例的驱动器电路，(b)充电电容器，(c)耦合在放大器输出端和充电电容器之间的用于控制充电电容器的充电的第一开关，和(d)用于控制充电电容器的放电的第二开关。

第二方面是基于上述第一方面相同的思想，包括开关电容器电路，开关电容器电路具有根据第一方面的驱动器。

如本领域所知的，充电电容器的充电和放电由第一和第二开关控制。

根据一个实施例，开关电容器电路还包括控制单元，适于(a)在开关电容器电路充电阶段闭合第一开关和断开第二开关，(b)在开关电容器电路放电阶段断开第一开关和闭合第二开关，和(c)控制跟踪保持电路从而保持阶段和开关电容器电路的充电阶段同时开始，并且跟踪阶段是在开关电容器电路充电阶段经过预定部分后开始。

控制单元可能特别地适于产生控制信号用于第一和第二开关的每一个，并且基于开关电容器电路的时钟信号用于跟踪保持电路。

根据第三方面，提供一种传感器设备，包括(a)根据第二方面或任何上述实施例的开关电容器电路，和(b)耦合到电压放大器的信号输入端的传感器单元。

这个方面基本基于和第一方面相同的思想。更具体地，第三方面包括在传感器设备中第一方面的使用。

传感器设备可能特别地是用于汽车应用的传感器设备(例如角传感器，速度传感器，等等)或者是用于消费者应用的传感器设备(例如温度传感器，湿度传感器，气体传感器，等等)。

根据第四方面，提供一种通过驱动器电路驱动开关电容器电路的方法，驱动器电路包括电压放大器，电压放大器具有信号输入端，反馈输入端和放大器输出端，耦合在放大器输出端和反馈输入端之间的反馈网络和跟踪保持电路。该方法包括(a)运行跟踪保持电路以掩盖发生在开关电容器电路充电阶段的开始时的放大器输出端处的电压突降。

这个方面基本基于和之前几个方面相同的思想。

应该注意的是本发明的实施例参考不同的主题进行描述。具体地，一些实施例的描述关于方法权利要求而另一些实施例的描述关于产品权利要求。然而，本领域技术人员从上下文可以得出，除非另外指出，除了属于一种类型的主题中的技术特征的结合以下，与不同主题相关的技术特征的任何结合，特别是方法权利要求中的技术特征和产品权利要求中的技术特征的结合，也被认为已被本申请披露。

从以下描述的实施例和参考具体例子的说明可以明显得出上述限定的方面和本发明的其它方面。以下关于本发明的实施例进行详细描述，但本发明不限于这些实施例。

附图说明

图1示出了传统的用于开关电容器电路的驱动器和相应的时序图；

图2示出了根据一个实施例的用于开关电容器电路的驱动器和相应的时序图；

图3示出了根据另一个实施例的用于开关电容器电路的驱动器。

具体实施方式

附图中的示例是示意性的。注意的是在不同的图中，各个实施例中相似的或者相同的元件以相同的或者相似的符号表示，只是在第一个数字发生变化。

图1示出了传统的用于开关电容器电路130的驱动器100和相应的时序图105。传统的驱动器100包括放大器110，放大器110具有信号输入端112、反馈输入端114和放大器输出端116。反馈网络120耦合在放大器输出端116和反馈输入端114之间。开关电容器电路130包括充电电容器C_L，第一开关132和第二开关134。第一开关132布置在放大器输出端116和充电电容器C_L之间以控制电容器C_L的充电。第二开关134配置为控制充电电容器C_L放电到开关电容器电路的相关部分(未示出)。因此，第二开关134是开关电容器电路130的“放电部分”的图示。更具体地，第一开关132是由时序图105中示出的周期性信号控制，第二开关134由时序图105中示出的周期性信号控制。当相应的控制信号和是高时，开关132和134闭合；当相应的控制信号和是低时，开关132和134断开。需要注意的是图1中(以及后面的图2和图3中)所示的开关电容器电路130是简化的模型。因此，以下讨论和详细说明适用于提供在每个时钟周期充电的电容器的所有类型的开关电容器电路。

如果驱动器100的放大器110具有不可忽略的输出阻抗，那么输出电压V₀将在充电阶段的开始(即变高)时下降。由于放大器110和反馈网络120的带宽是有限的，因此需要有限的时间用于输出电压V₀，结果，需要有限的时间用于充电电容器C_L上的电压V_CAP来稳定。反馈网络120被设计为，在反馈系统的带宽内，V_IN≈V_β(即信号输出端112处的电压与反馈输入端114处的电压基本相等)。因此，如果反馈网络120的衰减因子是β，那么在放大器输出端116处的电压V₀近似等于V_IN/β，即V₀≈V_IN/β。然而，如果具有反馈网络120的放大器110的带宽低于放大器输出端116处的信号的带宽，那么反馈系统忽略一些频谱部分，导致误差。例如，如果反馈的带宽大大低于时钟频率(1/T)，那么反馈将只能保证输出电压V₀的平均值等于输入电压V_IN。由于瞬态，V₀的平均值低于稳定时间的最后处的V₀值(见图1中的示例)，因此在充电阶段的最后处的电压V_CAP(即当变高)将高于V_IN/β。

注意在本说明书中，输入信号被假定为是DC。然而，这只是为了便于解释。相同的理由也适用于时变信号。

为了量化由放大器110和反馈网络120的有限带宽引入的误差，假设反馈网路120具有宽带宽并且放大器110的带宽大大低于开关电容器电路的时钟频率(即1/T)。

假设放大器110的输出阻抗完全是电阻的并且等于R₀，并且在输出节点116处的寄生电容是可忽略的，那么如时序图105所示，输出电压V₀将在充电阶段的开始出降到地。假设放大器110具有低带宽，瞬态可以通过使用时间常数的指数稳定来近似τ＝R_OC_L。对于τ＜＜T，V₀的平均值可以计算如下：

$<V_0>\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{V}_0\left(t\right)dt\&cong;\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T\mathrm{\&Delta;}V(1-e^{-t/\mathrm{\&tau;}})dt=\mathrm{\&Delta;}V\&lsqb;1-\frac{\mathrm{\&tau;}}{T}(1-e^{-T/\mathrm{\&tau;}})\&rsqb;\&cong;\mathrm{\&Delta;}V(1-\frac{\mathrm{\&tau;}}{T})$

其中ΔV是在稳定的最后(及向着充电阶段的最后)的电容器C_L上的电压。在前面的表述中，在充电和放电阶段中时间常数不变时使用近似。另外，忽略了放大器的带宽的影响。如果τ＜＜T和如果B＜＜1/T，那么维持近似，其中B是放大器110的带宽。

由于<V_O>β＝V_IN，在充电阶段的最后的输出电压上的相对误差等于

${\mathrm{error}}_{relative}=\frac{\mathrm{\&Delta;}V-\frac{V_{IN}}{\mathrm{\&beta;}}}{\frac{V_{IN}}{\mathrm{\&beta;}}}=\frac{\frac{\mathrm{\&tau;}}{T}}{1-\frac{\mathrm{\&tau;}}{T}}\&cong;\frac{\mathrm{\&tau;}}{T}=\frac{R_O{C}_L}{T}$

考虑对于上述参数的常用参数(R_O＝1kΩ，C_L＝1pF，)，相对误差无疑可能大约是1％。另外，这个误差不是常数，它很大程度上依赖于上述公式中参数的变化。例如，输出阻抗可以随着温度和工艺范围具有很大的变化。

图2示出了根据一个实施例的用于开关电容器电路230的驱动器201和相应的时序图206。驱动器电路201不同于以上讨论的传统驱动器电路100，区别在于与反馈网络220串联的跟踪保持电路222。更具体地，图2中所示的跟踪和保持电路222由控制信号控制，当是高时，其运行从而发送输出电压到相当于它的输入的反馈网络220(即放大器输出端216处的电压V₀)，当是低时，它保持输出电压V₀的最后值。如时序图206所示，控制信号在充电阶段的起始时变低(即，当变高)，以及当充电阶段的预定部分过去后变高，即在时序图206中示出的Δt。因此，由于电容器C_L的充电导致的瞬态被掩盖从而反馈网络220只接收电容器C_L顶部的电压V_CAP，其中所述电压V_CAP靠近最终稳定值。这样，在放大器210的反馈输入端214处的电压V_β是低频信号(在图2的示例中是DC信号)，该低频信号等于稳定最后处的放大器输出端216处的电压V₀。由于反馈网络220保证V_IN≈V_β，在稳定的最后如所需的V_O≈V_IN/β。

图3示出了根据另一个实施例的用于开关电容器电路330的驱动器301。在本实施例中，跟踪保持电路222由电容器C_S和开关324执行。其余部分，驱动器301与结合图2讨论的驱动器201相同。更具体地，如图2的时序图206所示，开关324由控制信号φ_S控制。因此，当控制信号φ_S在充电阶段的开始时变为低时开关324断开，当过了一段时间Δt后控制信号φ_S再次变为高时闭合。当开关是断开时，电容器C_S将电压保持在开关324刚刚断开前放大器输出端316处的电压V₀。当开关324闭合时，在电容器C_S上的电压遵循在放大器输出端316处的电压V₀。因此，在放大器310的反馈输入端314处的电压不受(或只轻微地受到)放大器输出端316处电压V₀突降的影响，电压V₀突降发生在充电阶段的开始时。

需要注意的是，虽然图2和3中示出的实施例是单端系统，本发明中的原理或教导也可能用于差分系统，例如在传感器应用中，其中传感器单元提供差分输出。

需要注意的是，除非另有指出，使用以下术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”仅参考相应附图中的方位。

需要注意的是，术语”包括”不排除其他的元件或者步骤，以及不定冠词“一”不排除复数。与不同实施例相关联的元件也可能结合。还应该注意的是在权利要求中的附图标记将不被理解为对范围的限制。

Claims (9)

1.一种用于开关电容器电路(230，330)的驱动器，其特征在于，所述驱动器包括：

电压放大器(210，310)，所述电压放大器(210，310)包括信号输入端(212，312)，反馈输入端(214，314)和放大器输出端(216，316)，和

耦合在放大器输出端(216，316)和反馈输入端(214，314)之间的反馈网络(220)，

其中反馈网络包含跟踪保持电路(222)，跟踪保持电路(222)适于掩盖在开关电容器电路充电阶段开始时在放大器输出端(216，316)处发生的电压突降。

2.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，跟踪保持电路(222)适于导致反馈网络(220，320)在跟踪阶段将相应于放大器输出电压(V_O)的电压提供到反馈输入端，并且跟踪保持电路(222)适于导致反馈网络(220，320)在保持阶段将恒定的电压提供到反馈输入端，该恒定的电压与前面的跟踪阶段最后的放大器输出电压(V_O)相应。

3.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，跟踪保持电路(222)适于使保持阶段和开关电容器电路充电阶段同时开始，并且跟踪保持电路(222)适于在经过开关电容器电路充电阶段的预定部分(Δt)之后开始跟踪阶段。

4.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，开关电容器电路充电阶段的预定部分(Δt)在开关电容器电路充电阶段的5％至95％之间。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的驱动器，其特征在于，跟踪保持电路(222)包括电容器(C_S)和开关(324)，在跟踪阶段当开关(324)闭合时耦合电容器(C_S)以接收相应于放大器输出电压(V_O)的电压，并在保持阶段当开关(324)断开时保持反馈输出端处的电压与前面的跟踪阶段的最后的放大器输出电压(V_O)相应。

6.一种开关电容器电路，其特征在于，包括根据前述任一权利要求所述的驱动器电路(201，301)，充电电容器(C_L)，耦合在放大器输出端(216，316)与充电电容器(C_L)之间的用于控制充电电容器(C_L)的充电的第一开关(232，332)，用于控制充电电容器(C_L)的放电的第二开关(234，334)。

7.根据权利要求6所述的开关电容器电路，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元适于

在开关电容器电路的充电阶段闭合第一开关(232，332)和断开第二开关(234，334)，

在开关电容器电路的放电阶段断开第一开关(232，332)和闭合第二开关(234，334)，以及

控制跟踪保持电路(222，C_S，324)，从而使保持阶段与开关电容器电路的充电阶段同时开始，以及从而使跟踪阶段在开关电容器电路的充电阶段经过预定部分(Δt)后开始。

8.一种传感器设备，其特征在于，包括根据权利要求6或7的开关电容器电路，以及耦合到电压放大器的信号输入端的传感器单元。

9.一种通过驱动器电路驱动开关电容器电路的方法，其特征在于，驱动器电路包括电压放大器，所述电压放大器包括信号输入端，反馈输入端和放大器输出端，耦合在放大器输出端和反馈输入端之间的反馈网络，反馈网络包括跟踪保持电路，所述方法包括

运行跟踪保持电路以掩盖在开关电容器电路的充电阶段开始时在放大器输出端出现的电压突降。