CN108233907B - 多路复用器的预充电电路 - Google Patents

Abstract

本公开涉及多路复用器的预充电电路。提供预充电电路用于多路复用器输出被馈送到的电容器组件的输入节点预充电到接近或近似多路复用器的信号输出电平，此时接下来切换其输出。为了减少预充电电路中的放大器的电平转换负载，每个预充电电路输入通道具有各自的电容器，该电容器能够与相应的多路复用器通路切换进入和切断，各个电容器跟踪多路复用器通道上的信号电平。为每个MUX通道提供相应的电容器减少了输入到预充电放大器的电流，并且允许电容器进行电平转换负载，导致更稳定和更低的功率操作。

Description

多路复用器的预充电电路

技术领域

本公开涉及预充电电路，预充电电路对多路复用器的输出将被切换到的电容性节点进行预充电，以在发生多路复用器通路切换之后允许在电容性节点处更快的电荷建立时间。

背景技术

当多路复用器(MUX)的输出被切换以便连接到电容性节点(诸如形成模数转换器的一部分的开关电容器数模转换器(DAC)的输入节点时(ADC))，电荷再分配可能需要发生，以驱动电容节点与MUX的输出电压相同。例如，如果电容性节点在前一个MUX周期中被连接到具有低电压输出信号的MUX通道，然后MUX切换以输出具有高电压输出的MUX通道到电容性节点，则电荷必须从MUX输出流到电容节点，以对电容节点充电，使其达到当前MUX输出的高电压电平。这种充电流量不是即时的并且需要有限的时间，限制了MUX通道的切换时间和电路的吞吐量。减少所需时间的一种方式是在接下来MUX通道串联切换之前，使用适当控制的预充电放大器，将电容节点预充电至接近要选择的接下来MUX通道的电平。然而，这样的放大器在处理可能存在于不同MUX通道上的全部可能的输入信号时可能遇到操作困难，因为它们可能不能够实现快速足够的轨到轨输出电平转换，或者能够通过轨到轨电压范围驱动电容节点。

发明内容

在本公开的一些例子中，提供预充电电路用于多路复用器输出被馈送到的电容器组件的输入节点预充电到接近或近似多路复用器的信号输出电平，此时接下来切换其输出。为了减少预充电电路中的放大器的电平转换负载，每个预充电电路输入通道具有各自的电容器，该电容器能够与相应的多路复用器通路切换进入和切断，各个电容器跟踪多路复用器通道上的信号电平。为每个MUX通道提供相应的电容器减少了输入到预充电放大器的电流，并且允许电容器进行电平转换负载，导致更稳定和更低的功率操作

鉴于上述情况，本文描述的例子提供多路复用电路，具有用于预充电多路复用器提供信号的电容性负载的预充电电路。多路复用电路可包括：多路复用器，具有多个输入通道和输出通道；可连接到所述多路复用器的输出通道的电容性负载；和预充电电路，被配置用于依赖于所述输入通道之一上的信号将所述电容性负载预充电到所述多路复用器，以接下来输出到所述电容性负载。预充电电路还可包括：第一放大器，被配置为向所述电容性负载提供第一预充电信号以对所述负载进行预充电；多个电容器，可切换以分别跟踪所述多个输入通道到所述多路复用器；和第一开关电路，可控制地切换成与所述第一放大器串联输入相应的电容器，该电容器跟踪所述输入通道到所述多路复用器以作为接下来输出。如上所述，提供电容器意味着第一放大器不需要像在其他情况下那样处理大的信号电平变化，从而导致稳定且功率高效的操作。

在例子中，当与所述第一放大器输入串联时，各自的电容器已经对输入通道上的信号进行采样，接下来从所述多路复用器输出。

在另外例子中，每个输入通道分别提供两个或更多个电容器到所述多路复用器，每个通道的两个或更多个电容器可切换以分别跟踪所述多路复用器的输入通道。每通道提供两个电容器，允许多路复用器输出的下一个输入通道在整个预充电阶段一直跟踪，以便预充电可能尽可能准确。

在其中提供两个电容器的例子中，第一放大器是具有相应的第一和第二差分输入的差分放大器，每个输入通道中的两个或更多个电容器中的一者可通过用于电容器的相应多路复用器输入通道与第一放大器的第一差分输入之间的开关电路连接，并且所述两个或更多个电容器中的其他者可通过下列和所述第一放大器的第二差分输入之间的开关电路连接：i)在第一阶段操作中，所述电容器的相应多路复用器输入通道；或ii)在第二阶段操作中，所述多路复用器输出通道。如上所述，这种电容器的连接允许其中一个电容器在整个预充电阶段追踪由MUX输出的下一个输入节点，而另一个电容器检测MUX输出线上的电荷，由此允许精确控制所提供的电荷由第一放大器。

在上述例子中，在另外的例子中，在第一阶段操作中两个电容跟踪各自的多路复用器输入通道作为接下来输出，并且因此所述第一放大器不向电容性负载输出预充电信号，以及在第二阶段操作中其中所述电容器中一者跟踪相应的多路复用器输入通道，并且所述电容器中其他者跟踪多路复用器输出通道，所述第一放大器依赖于多路复用器输出通道和相应多路复用器输入通道之间的信号的任何差异输出预充电信号作为接下来输出。这样的操作确保了多路复用器输出通道被准确地预充到多路复用器旁边要输出的信号的电平。

在这方面，在上述例子中在第一和第二阶段操作之间切换的时刻，在跟踪相应的接下来多路复用器输出通道和多路复用器输出通道之间切换的两个电容器中的另一者被充电到相应的接下来多路复用器输入通道的信号水平。

在例子中，第一放大器在上电期间进行自动归零校准过程。这样的校准过程确保放大器将提供精确的操作。在一个例子中，当两个电容器跟踪相应的多路复用器输入通道作为下一个输出时，在上述操作的第一阶段期间发生自动归零校准过程，并且不需要来自第一放大器的输出。

在另外的例子中，可提供可切换串联在所述第一放大器的输出和所述电容性负载之间的电池电容器。当所需的信号电平接近第一放大器电源电压时，电池电容器可以帮助第一放大器将电容性负载充电到必要的信号电平。

在例子中，可提供第二开关电路，布置为：在第三阶段操作中，将所述电池电容器切换以对第一放大器提供并联负载的电容性负载，其中允许所述第一放大器对与电容性负载并联的电池电容器充电。然后还进行第四阶段操作，其中第二开关电路将电池电容器串联在第一放大器输出端与电容性负载。这种操作允许允许电池电容器首先由第一放大器充电，然后补充放大器输出信号来预充电容性负载。

在另外或交替例子中，可提供第二开关电路，布置为在第一放大器输出与电容性负载之间串联切换所述电池电容器。此外，这样的操作允许电池电容器补充第一放大器输出信号以对电容性负载进行预充电，并且允许第一放大器由较低的电压源供电。在这样的例子中，电池电容器在被调用操作之前将典型地从电源电压节点切换到充电。

在另外的例子中，提供镜像第一预充电电路的第二预充电电路。在该例子中第二预充电电路还可包括第二放大器，布置向电容性负载提供第二预充电信号以对负载进行预充电；多个电容器，可切换以分别跟踪到多路复用器的多个输入通道；和第二开关电路，可控制以切换成与第二放大器串联输入各自的电容器，所述电容器跟踪多路复用器的输入通道以进行接下来输出。第二预充电电路的提供允许预充电阶段被分成两个独立的阶段，专用放大器专用于每个阶段的要求。

在这方面，在例子中在所述第一放大器将第一预充电信号提供给所述电容性负载之前，所述第二放大器将第二预充电信号提供给所述电容性负载。而且，在另外的例子中所述第二预充电信号大于所述第一预充电信号，从而获得两阶段预充电操作。利用这样的示例，第一放大器和第二放大器可以被设计为对于它们分别必须执行的预充电任务是功率有效的。例如，第二放大器可以提供更大但更粗糙的非精确的预充电信号，以使MUX的输出大部分达到期望的信号电平，然后第一放大器被更精确地控制为完成预充电到所需的信号电平，但是由于粗第二放大器的作用，必须提供较少的电荷。

在本文描述的另外例子中，还提供另外多路复用电路，具有预充电电路用于对多路复用器提供信号的电容性负载进行预充电。在该例子中预充电电路还包括：第一放大器，被配置为向所述电容性负载提供第一预充电信号以对所述负载进行预充电；和电池电容器，可切换成串联在第一放大器的输出和电容性负载之间，以提供补充预充电信号给电容性负载。如上面参照更早例子所述解释的，电池电容器的提供有助于第一放大器将电容性负载预充电至可能在放大器的电源电压轨道处或附近的电平，否则放大器可能难以及时地自己实现。

本文描述的另外例子提供一种操作多路复用电路的方法，所述多路复用电路具有用于预充电第一多路复用器提供信号的电容性负载的预充电电路。该方法包括通过多个相应的电容器跟踪多个输入通道上的信号到所述第一多路复用器，然后选择输入通道之一以由所述第一多路复用器接下来输出。然后通过跟踪所选通道的相应电容器将所选通道上的信号馈送到第一放大器，其中用于依赖于在第一放大器处接收的信号通过相应的电容器产生第一预充电信号。然后在第一多路复用器输出选择的输入通道之前，将第一预充电信号馈送到电容性负载以对电容性负载进行预充电。

而且，基于上述另外示例性方法还可包括在第二放大器中依赖于第二放大器处接收的信号生成第二预充电信号以由所述第一多路复用器进行接下类输出，所述第二放大器对应于所选通道上的信号，然后在第一预充电信号馈送到电容性负载之前，将第二预充电信号馈送到电容性负载以对电容性负载进行预充电。在该例子中第二预充电信号大于第一预充电信号，从而获得电容性负载的粗略预充电，随后进行精细的预充电。

根据以下描述和所附权利要求，本公开的进一步特征、实施例和优点将变得显而易见。

附图说明

现在将参照附图描述本公开的示例，其中相同的附图标记表示相同的部分，并且其中：

图1是在第一种操作模式中本公开的第一例子的电路框图；

图2是在第二种操作模式中本公开的第一例子的电路框图；

图3是在第三种操作模式中本公开的第一例子的电路框图；

图4是在第一种操作模式中本公开的第二例子的电路原理图；

图5是在第二种操作模式中本公开的第二例子的电路原理图；

图6是在第三种操作模式中本公开的第二例子的电路原理图；

图7是在第四种操作模式中本公开的第二例子的电路原理图；

图8a是在第一种操作模式中本公开的第三例子的电路原理图；

图8b是在第二种操作模式中本公开的第三例子的电路原理图；

图9是在第三种操作模式中本公开的第三例子的电路原理图；

图10是在第四种操作模式中本公开的第三例子的电路原理图；

图11是描述本公开的第三例子的操作的时序的时序图；

图12是描述本文所述第一例子的操作的流程图；

图13是描述本文所述第二例子的操作的流程图；

图14是描述本文所述第一例子的操作的流程图；和

图15是本公开的第四例子的电路原理图。

具体实施方式

在本公开的示例中，提供了预充电电路，该预充电电路旨在对多路复用器输出所馈送到的电容元件的输入节点(或者是多路复用器的输出节点，在这里它是不同的)预充电到接近于或接近多路复用器输出下一次切换时的信号输出电平。为了减小预充电电路中放大器的电平转换负担，预充电电路向MUX通道的数目提供相应数量的输入通道，预充电电路输入通道连接到与MUX的输入通道相同的输入节点，使得相同的各个信号Vin[1]、Vin[2]、...、Vin[n]出现在那里。每个预充电电路输入通道具有相应的电容器，该电容器能够与相应的输入节点串联和切断，使得相应的电容器跟踪输入节点上的信号电平。当MUX通道输出到电容节点时，选择相应的预充电电路输入通道，其上的电容与预充电电路放大器串联。预充电电路放大器是第一跨导放大器，其根据保持在电容器上的电压来输出电流，输出电流被馈送到MUX的输出将被馈送到的电容性组件的输入节点，以便对该节点进行预充电，使其处于或近似处于与从MUX输出的信号相同的信号电荷电平。为每个MUX通道提供相应的电容器减少了输入到预充电放大器的电流，并允许电容器进行电平转换负担。这又使得预充电放大器能够以相似或相同的信号输入电平工作，从而导致更稳定和更低的功率操作。

在进一步的示例中，除了向跨导放大器提供相应的输入电容器之外，还可以提供有效的粗略缓冲放大器，其具有与上述第一跨导放大器的输入电路相对应的输入电路，开关电容器可连接到输入通道Vin[1]、Vin[2]、...Vin[n]。在第一跨导放大器上电的同时，粗缓冲放大器用于预充电容性节点到与下一个MUX输出大致相同的信号电平，然后预充电电路中的第一跨导放大器以与上述相同的方式完成预充电。通过以这种方式提供这种两阶段的“粗”和“精细”预充电过程，预充电电路可以消耗更少的功率，因为第一跨导放大器仅需要处理更小的预充电误差，并且因此可能需要较低的电源。

现在将参考图1至3来描述本公开的第一实例，以进一步描述和说明上述操作。在图1中，提供了多路复用采样电路10，其具有接收多个相应输入通道Vin[1]、Vin[2]、...、Vin[n]的多路复用器(MUX)12。多路复用器12用于选择输入通道之一，并将所选输入通道上的信号切换到单个MUX输出。连接到MUX输出节点的是电容性负载，在该例子中是开关电容DAC阵列14(capdac)，构成模数转换器(ADC)的一部分。capdac14包括与开关电容器阵列144串联的输入开关142，其中MUX的输出连接到输入开关142，其将MUX输出切换到开关电容器阵列144。

影响这样的采样电路10的操作速度的一个问题是当MUX 12的输出切换到不同的通道时，capdac 14的输入节点的电荷建立时间。在这方面，考虑当MUX输出一个低电压的输入通道给capdac进行采样的情况。在这种情况下，capdac 14的输入节点上的电荷也将相对较低，表示当前输出MUX通道上的低电压信号。接下来考虑MUX然后切换到其上存在较高电压信号的通道，并且输出较高的电压。为了使capdac的输入节点达到更高的采样电荷电压，必须从MUX流向capdac，以便将capdac输入节点充电至更高的电压。这样的电荷流动花费有限的时间量，降低了采样电路的操作速度和吞吐量。

当MUX 12的输出是间歇的，或者在输出不同的通道之间具有输出为零(或者不管电路的最低电压是多少)的周期时，该问题会加剧，这可能是多路复用ADC操作期间的情况。在这种情况下，从样品到样品，capdac上的电荷摆动可能甚至更大，可能达到来自MUX 12的潜在输出信号的全部信号摆动范围。

为了解决上述问题，提供了一个预充电电路，在下一个MUX通道切换到MUX通道之前，将Capdac的输入节点充电至接近MUX通道或在下一个MUX通道切换输出之前，从MUX输出下一个MUX通道的输出。该例子中的预充电电路包括一个运算跨导放大器(OTA)16，它接收来自电容器18的并联阵列的信号，每个相应的电容器(1824、1844、1864)能够被接通并通过相应的电容器输出开关(1826、1846、1866)与OTA输入串联脱离电路。每个电容器(1824、1844、1864)还具有相应的电容器输入开关(1822、1842、1862)，其切换相应的电容器以连接到相应的输入通道Vin[1]、Vin[2]...Vin[n]与输入到MUX 12的输入通道相同。因此，每个输入通道Vin[1]、Vin[2]、...、Vin[n]都具有相应的开关电容器单元182、184、186，每个开关电容器单元包括相应的电容器输入开关(1822、1842、1862)，电容器输入开关(1822、1842、1862)连接到相应的输入通道并与相应的电容器(1824、1844、1864)串联，，其依次与相应的电容器输出开关(1826、1846、1866)串联。各个电容器输出开关全部连接到包括OTA16的输入的公共节点。OTA 16的输出经由开关20连接到capdac14的输入节点，以允许OTA16在MUX通道切换之前对该节点进行预充电。

上述电路结构的操作如下，如图1至3和12所示。首先，考虑图1，其示出了采集阶段(s.12.2)，其中capdac 14与MUX输出12串联切换，即，capdac输入开关142接通，使得capdac可以获取MUX输出端上的信号以进行采样和随后的A至D转换。在这个阶段，开关20断开，从而预充电电路不连接到capdac的输入节点。然而，预充电电路本身并不处于休眠状态，因为虽然在这个阶段OTA 16可以断电以节省电力，开关电容器单元18全部被切换，使得电容器输入开关1822、1842和1862被接通，并且输入信号Vin[1]。Vin[2]、...、Vin[n]被馈送到相应的电容器1824、1844、1864，使得电容器跟踪输入信号通路Vin[1]、Vin[2]、...、Vin[n]上的信号。电容器输出开关1826、1846、1866全部被关断，所以没有信号输出到OTA，在这个阶段中无论如何断电。在这样的配置下，所有的电容器都跟踪它们各自的输入，并准备成为预充电电路的下一个选择输入通道。

然后，图2说明了操作的下一个阶段，在那里选择和采样下一个要输出的MUX通道，并且OTA加电(12.6)。在该例子中，为了说明，考虑将要输出的下一个MUX通道将是通道2，其上具有信号Vin[2]。在这种情况下，如图所示，控制具有第二通道作为其输入的开关电容器单元184使其输入开关1842关断，从而冻结电容器1844上的信号Vin[2]以供OTA采样(s.12.4)。同时，第二开关电容单元184的电容输出开关导通，使电容上的电压信号在上电完成后可以输入到OTA。另一个未选定的开关电容器单元保持与之前相同的状态，其输入开启并且其输出关闭，使得它们各自的电容器跟踪它们各自的MUX输入通道。开关20仍然处于这个关断状态，所以没有预充电信号被送到capdac输入端，但是在这个阶段，capdac本身的输入开关142已经关断，所以转换可以在ADC中进行。

如前所述，上述操作和布置的一些优点是由于对于每个MUX输入通道Vin[1]、Vin[2]、...Vin[n]而言至少各设置一个开关输入电容器18。每个MUX输入通道都有一个相应的电容，用于减少输入到预充电OTA的输入电流，并允许由电容处理(从MUX通道到MUX通道)的电平转换负载，而不是直接由OTA处理。这使得OTA能够从样品到样品进行类似或相同的输入，从而导致稳定和低功率操作。

一旦ADC准备好从MUX接收下一个采样(在这种情况下将来自MUX通道2)，那么在ADC进入采集模式之前，再次进行预充电阶段，如图3所示。这里开关20导通，并且capdac 14输入开关142导通，从而允许OTA输出电流，以将capdac 14的输入节点和电容器充电到保持在输入电容器1844上的电压。以这种方式，capdac被预充电(s.12.8)至少与从MUX通道2输出的信号电平至少接近相同的信号电平，一旦MUX通道2被切换以从MUX输出，并且从MUX通道切换的充电建立时间显着减少。一旦发生预充电，capdac随后准备从通道2获取信号，并且电路回到采集模式，如图1所示，MUX 12将通道2输出到capdac 14。这完成了整个预充电和采集周期，然后从样本到样本重复。

出于解释的目的，图1至3的示例表示相对高级别的示例。现在将描述第二和第三示例实施例，其表示图1至图3的更详细的示例，其中第二更详细的示例示于图4至8和13中，并且图9至图11和图14中示出了第三更详细的示例。

参照图4至图8，在第二示例中，提供了多路复用采样电路装置40，其具有多路复用器42，在该例子中其具有16个输入通道、Vin[1]至Vin[16]和一个单输出通道。多路复用器42的输出被馈送到包括输入capdac开关442和开关电容器阵列444的capdac 44，用于采样多路复用器的输出。

为了在信号采集之前对capdac 44进行预充电，提供了以操作跨导放大器(OTA)46为中心的预充电电路。在OTA 46的左侧，并联连接到输入端，是并联的电路组，每组16个MUX通道。为了清楚的目的，在图4至图8中的每一个中示出了一组这样的并联电路组，尽管电路原理图上的标记表示存在16个并联组。

每个并联的电路组包括输入节点48，其连接到16个输入通道中的相应一个到MUX42。然后，第一电容器56连接在输入节点48和低电压(0.9v，功能电路0v)节点并且还连接到OTA 46的非反相输入端。第二开关50连接在输入节点48和第二电容器54的第一端子之间，第二电容器54的第一端子也经由第三开关52连接到MUX 42的输出线。第二电容器54的第二端子经由第四开关66连接到OTA 46的反相输入，并且还经由第五开关62到达低电压(0.9v，再次功能性电路0v)节点64。所有上述的第一和第二电容器以及第一到第五开关在每个MUX通道的每个并联电路组中以相同的连接重复，任何一组都可以通过适当的开关选择切换到OTA的输入。

在OTA的输出侧提供单组输出电路，其包括从OTA的输出端连接到MUX 42的输出线的第六开关68和从OTA的输出端连接到与另一个电容器的下端连接的节点的第七开关70，被称为电池电容器Cbat 76。还连接到同一节点的是第八开关78，其将电池电容器76的下端子切换到电源节点80，为2.5v。电池电容器的上端通过第九开关74连接到另一电源节点80，也是2.5v，第十开关72也将Cbat电容器76的上端连接到MUX输出通道。

现在将参考图4至8和13来描述通过采集-预充电-采集周期的上述电路的操作。假设正在采集前一个(第n-1)个采样，并且电路40处于采集模式，如图4所示。这里，MUX 42在其输出线路上输出16个通道中的一个，并且通过capdac 44中的闭合的capdac输入开关442将其馈送到开关电容器阵列444以用于采样。预充电电路通过开关52、68和72断开(或者当通过晶体管实现时为高阻抗)从MUX输出线断开。在预充电电路内，OTA 46断电以节省电力，其输出通过开关68与MUX输出线隔离。由于开关70和72都断开，Cbat 76在这个阶段也与OTA46的输出端以及MUX输出线隔离。在这个方面，在采集期间，Cbat 76的两个端子通过开关74和78连接到向电容器的两个端子提供相同输入电压(2.5v)的电源端子80。因此，Cbat电容器上的电荷保持不变，并且没有电流流入或流出电容器。

对于OTA的输入侧，在采集期间，所有并行的OTA输入电路组保持在相同的状态，为了清楚起见，我们只描述一组这样的并行电路。在这个方面，在任何一组中，开关52都是断开的，因此不检测MUX输出线。开关50接通，开关62和58也接通，这意味着第一和第二电容器56和54都连接在相应的输入节点48和相应的低电压节点64(保持在0.9v，有效地为电路0V)之间，使得两个电容器跟踪输入节点48上的信号。开关60和66都关断，使得电容器不连接到如所述的OTA，其被断电。

因此，在这种状态下，如图13的s.13.2所示，capdac可以从MUX获取要采样的信号，Cbat保持稳定状态，输入电容器54和56跟踪它们各自的MUX输入。

下一步的操作如图5所示。这里，capdac 44已经捕获了前一个采样，因此与MUX输出线断开(开关442断开)。如图11所示，在采集模式结束之后不久，MUX 42停止输出先前选择的第(n-1)通道，并且MUX输出下降到电路低电平状态，尽管之前的样品仍然保持在capdac 44的电容器444上。OTA 46开始加电并自己校准以便自己自动调零(s.13.6)，但capdac输入节点没有预充电，因此Cbat还不需要，并且开关68、70、72、74和78中的所有开关保持与它们在采集阶段期间处于相同的状态，即，OTA输出仍然与MUX输出/Capdac输入线断开。但是，在输入侧的OTA的一些与MUX通道相关的开关将成为下一个输出改变状态，如下所述。对于与MUX 42的MUX通道有关的，并不是下一个选择的通道的并联组开关将不会发生变化，并且这些组开关保持在采集模式，其电容器54和56跟踪它们各自的MUX输入。

然而，对于接下来要输出到capdac(第n个通道)的与MUX通道相关的并联开关组，开关58、60、62和66改变状态，其效果是电容器54和56被切换，从而分别与输入节点以及OTA46的相应反相和非反相输入端串联。也就是说，开关62断开并且开关66导通以在输入节点48与OTA的反相输入之间串联切换电容器54，并且开关58断开，并且开关60导通以在输入节点48和OTA的非反相输入之间串联切换电容器56。这种切换的效果是这是所选通道的输入实际上在预充电电路中在电容器54和56上被采样的时刻。然而，因为两个电容器54和56此时连接到相同的输入节点48，它们都跟踪相同的所选输入信号Vin[n]，因此作为差分跨导放大器工作的OTA在其两个输入端上看到相同的信号并且此时不提供输出。在整个状态期间，电容器54和56继续追踪所选择的输入信号Vin[n]。

然后，操作转到图6所示的通道状态(其他通道未被用于采集模式)，以便预充电开始发生。在这个方面，在这一点上，OTA被加电并工作，并且开关50断开，开关52接通以将电容器54从输入节点48断开，并将其连接到MUX输出线。这允许电容器54感测MUX输出线，同时电容器56继续感测下一个输入Vin[n]，然后根据两个信号之间的差异来控制OTA。此时，参考图11的时序图，刚刚进入预充电模式，MUX 42目前不会输出任何信号，即它仍然处于静止阶段，在静止阶段，在输出之间没有提供输出第n-1个样本和下一个第n个样本，尽管capdac44中的电容器444仍然应该具有对应于前面的第n-1个样本的电荷。因此，导通和关断的开关52和50分别将已经保持在下一个第n采样的选定通道的Vin[n]电压的电容器54连接到MUX 42的静态输出线上，电容器444保持在该静态输出线上之前的采样被连接，结果MUX反相输入看到保持在电容器444上的前n-1个采样与保持在电容器54上的未来第n个采样之间的差异，导致OTA 46开始看到递增的差分输入信号在其输入端，因此开始输出电流给MUX输出线充电。

在这个方面，在OTA开关68的输出侧接通以将OTA输出连接到MUX输出线/capdac输入，并且开关72接通并且开关74关断，以将Cbat 76作为平行负载放置到OTA的capdac 44上。因此，在这一点上，OTA通过接通开关68驱动MUX 42的输出线，使capdac 44和Cbat 76两者作为负载，将MUX输出线/capdac输入驱动到尽可能快地由MUX输出的第n个采样的必要信号电平，从而减少电荷稳定时间。在这个方面，如上所述，连接到OTA的反相输入端的电容器54通过开关52连接到MUX的输出端，因此检测到MUX输出，为OTA提供控制输入信号以将capdac驱动至要输出的MUX输出电平。

因此，在这一点上，OTA已经尽可能多地对MUX输出线/capdac输入节点进行了预充电。但是，这可能没有将节点完全预充电到期望的信号电平，因为除了OTA的驱动能力之外，可能还有额外的信号摆动。因此，为了协助OTA，Cbat电容器76现在开始工作，如图7(s.13.10)所示。一旦OTA驱动的预充电完成，开关68断开，开关70开启。开关78断开，使得Cbat电容器76与OTA输出和capdac输入节点串联。电池电容器76上的电荷有助于将OTA输出提升到高于OTA的驱动能力，并因此覆盖可能需要的任何额外预充电，以便尽可能快地将capdac带到MUX输出信号电平。

一旦电池电容器完成对capdac充电，输入电容器54的左侧和capdac44中的电容器的左侧都被准确地充电到从MUX接通的输入信号。这确保了在该阶段中MUX中的开关的任何背栅或阱也被预充电。

一旦电池电容器的补充完成，预充电过程完成，电路返回到图1所示的采集阶段，MUX输出capdac中开关电容器的第n个采样，以便转换。因此，下一个采集-采集周期的采集-预充电可以从样本到样本重复。

与第一个例子一样，第二个例子提供了许多优点。如前所述，为每个MUX输入通道提供相应的电容器54和56有助于承担电平从OTA移开的负担，使得OTA能够以相似的样本之间的信号电平工作，从而促进稳定且较低的功率操作。也就是说，当OTA上电时，立即看到两个电容器54和56两个输入端上保持的下一个采样的信号电平，因此不需要立即输出信号，因为它们之间没有差别。然而，一旦电容器54被切换为感测MUX输出线，则OTA开始看到其输入上的差异，并且因此开始输出预充电信号，但是由于电容器54被充电到所选择的第n通道输出信号时，OTS在输入端看不到阶跃变化，从而避免了大输入信号波动。此外，在整个转换阶段中电容器56继续连接到第n通道输出信号意味着预充电电路总是能够将MUX 42输出线维持在下一个第n输出信号的充电直到转换点，从而获得更快的操作，适用于从通道到通道的快速移动信号。

此外，Cbat电池电容器的提供通过提供有效的电荷储备来帮助处理从样品到样品的大的电压摆动，如果所需的电荷超出了OTA的能力以在电源的限制内提供。总的来说，获得了更有效、更低功耗的预充电电路。

现在将关于图8a至图11和图14来描述第三示例实施例。在该例子中，预充电阶段被分成两个阶段，第一阶段是使用连接到所选择的所选输入端的功率高效粗略缓冲放大器对电容性节点(例如Capdac输入节点)进行粗略预充电，经由在前一示例中将输入跟踪电路镜像到OTA的输入电路，随后是如前一实施例中所述的由同一输入跟踪电路控制的OTA进行精细预充电的第二时段。因此，该第三示例的一般操作是，粗缓冲放大器将感兴趣的电容节点预充电到接近将要从MUX 42，然后是OTA 92输出的信号的电荷电平，其产品由一系列电池电容器提升，然后进行精细的预充电阶段，以将电容节点一直带到将要从MUX 42输出的信号的电荷电平。与前述第二阶段相比，这两阶段操作可具有若干优点，例如，由于缓冲放大器完成预充电的大部分工作，因此可以使OTA 92能够从较低电压的电源供电。假如这个缓冲放大器是高效的，那么整个预充电装置的整体功耗可以降低。在下面的示例的详细描述之后，稍后将描述进一步的优点。

图8a示出了根据第三示例的预充电电路装置90。这里，MUX 42和用于每个MUX通道的并行输入电路组，每个组包括电容器54和56、输入节点48以及开关50、52、54、58、60、62、66，电源节点64与上述第二个例子相同，在此不再赘述。然而，在第三示例中，OTA 92可以不同于前一示例的OTA 46，因为在一个变型中，OTA 92可以被馈送较低电压的电源，因为如上所述它的预充电的量要求做的更少。然而，在第三示例的另一个变体中，OTA 92可以被馈送有5v电源，就像在前面所描述的第二示例中一样。

第二示例和第三示例之间的轻微差异也出现在OTA 92的输出处的电路中，并且尤其是通过移除开关68而发生。因此，开关70、72、74和78被保持在与Cbat 94一起，开关和Cbat的连接方式与第二个例子相同。然而，开关68的去除意味着绝对不存在将Cbat 94作为与感兴趣的电容性负载(即，capdac 44)并联的负载放置的任何电路路径，相反，Cbat 94反而仅仅被切换到电路中与电容性负载相结合，在预充电阶段帮助提高OTA的输出。电路的这个部分的最后的区别在于，Cbat 94本身可以与第二示例不同，因为在第三示例中可以使用比在第二示例中的Cbat 94更小的Cbat 94。这样做的原因是Cbat 94应该只需要帮助OTA92补偿一个非常小的残留误差(通常小于100mV)，因此可以使用更小的Cbat。

然而，第三和第二示例之间的主要区别在于提供了粗缓冲放大器92c和其中的输入跟踪电路，其将输入跟踪电路镜像到OTA 92。也就是说，提供对应于MUX 42的通道数量的多个并联的输入电路组，每个组包括对应于MUX 42输入通道中的相应一个的输入节点48c，输入节点48c通过电容器56c和开关60c串联连接到放大器92c的非反相输入端。类似地，每个并联组的电容器54c经由开关50c连接到相应的输入节点48c，并且经由开关62c连接到放大器92c的反相输入。还在每个并联装置中提供了将电容器56c和开关60c之间的节点连接到低电压电源的开关58c，以及将电容器54c和开关62c之间的节点连接到低电压电源64c的开关62c。最后，开关52c充当MUX 42输出线感测开关，并将电容器54c和开关50c之间的节点连接到MUX 42输出线。

可以实现为基于高效晶体管的运算跨导放大器的粗缓冲放大器92c分别从开关66c和60c接收反相和非反相输入，并根据两个输入上的信号差异输出电流，输出电流信号通过开关100输出到要预充电的电容节点，在这种情况下，capdac 44连接到MUX 42的输出线。

在操作中，第三个例子如下所述地工作，参照图8a至图11和图14。从图8a开始，让我们假设capdac 44捕获前面的样本。在这种情况下，预充电电路从MUX 42输出线路中断开，因为开关100、52和72全部断开。Capdac 44输入开关442导通，以允许开关电容器阵列444对capdac44输入节点处的MUX 42输出线上的信号进行采样。然而，如在第二实施例中那样，在采集期间，在粗和精预充电电路中的OTA的输入侧上的预充电电路的并联组继续操作以跟踪它们各自的输入通道Vin[1∶16]，其中每个电容器54和56并行设置在精确跟踪电路中，并且粗跟踪电路中的每个并联组中的每个输入节点54c和56c都被切换以在一侧连接到具有开关62和58的相应输入节点48、48c，62c和58c分别将电容器的另一侧切换到局部低电压节点64和64c。在这个方面，预充电的输入电路的操作与第二个例子的输入电路的操作相同，考虑到预充电电路的粗分和细分。

在OTA的输出侧，在采集期间，电池电容器Cbat通过开关74和78被切换以置于电压源81和低压节点83之间，其中电压源81具有较高的电压(在该例子中为2.5v)，低于低电压节点83，结果Cbat 94在采集阶段积累电荷。在图14的上下文中，上述全部在步骤14.2中进行。

图8b显示了操作的下一个阶段。这假定capdac 44已经完成了先前的采集阶段，此后capdac输入开关442关闭以允许转换发生，如图所示。在转换结束时(见图11)，粗缓冲器OTA 92c开始上电并可以自动调零(s.14.6)，接下来将要从MUX 42输出的输入通道的电容器54c和56c被切换为与粗略OTA 92c的反相和非反相输入串联，同时仍然跟踪和采样它们各自的输入48c(s.14.4)。

在这个阶段中要注意的一点是，虽然OTA 92c可以如上所述在加电期间进行自动归零校准过程，但在另外的或替代的示例中，可以不要求这样的校准过程，因为粗缓冲器OTA 92c不需要提供精确的预充电信号。其原因在于，在来自OTA 92c的粗预充电完成之后由OTA 92执行精密预充电，因此不需要由OTA 92c进行精确的预充电，所需要的只是某种程度的大容量预充电，以将电容节点上的电荷移向期望的电平。因此，在一些示例中，OTA 92c不需要在加电期间进行任何校准或自动调零，并且由此获得的由此得到的相对不精确的粗略预充电然后在预充电阶段由精细的预充电OTA 92补偿。

在OTA 92c上电后，操作进入图9所示的状态。这里，对于接下来将从MUX输出的MUX通道，对应于该MUX通道的并联开关组的开关50c关断，并且开关52c导通，使得电容器54c然后能够感测MUX 42输出线。开关100导通，并且capdac输入开关442也导通，从而capdac中的电容器444连接到MUX输出线。采用这样的配置，与前面的实施例一样，粗OTA 92c感测在电容器444上保持的前n-1个采样与保持在仍连接到输入节点48c的电容器56c上的下n个采样之间的差异，并跟踪其上的输入电压，并且根据差异开始输出电流信号到MUX输出线(s.14.12)。因此，关于图11的时序图，在图9所示的点处，预充电阶段已经开始，并且具体地示出了粗驱动预充电阶段，而来自MUX 42的输出是低的，即下一个采样还没有从MUX 42输出。

在精细预充电OTA的输入电路内，在图9中所示的相同点处，发生如关于第二实施例所述的相同的操作。也就是说，OTA开始加电(第14.8节)和自动调零，并且开关58、60、62和66在对应于下一个MUX通道的特定电路组中切换状态，以便该通道上的信号被采样并开始馈送到OTA输入(s.14.10)。在OTA的输出处，在那里的电路中不发生变化，并且Cbat 94继续在电源节点81和83之间被充电。

图10显示了下一个操作阶段。在图11的时序图的上下文中，图10的电路状态在图9中由电路状态表示的“粗驱动”阶段之后的“细驱动”时序阶段期间被假设。如图10在精细驱动阶段期间，通过开关100关断，粗缓冲放大器92c被切换到与capdac输入节点的连接。相反，粗略的预充电然后被OTA 92的精细的预充电操作取代，这与第二个例子的OTA引导的预充电操作几乎相同。也就是说，开关50断开，开关52接通，使得OTA能够检测到MUX 42的输出，开关70和72接通，开关74和78断开，从而OTA输出经由开关70、Cbat 94和开关72到达capdac输入节点/MUX 42输出线被馈送，以完成节点的精细预充电。在这个方面，这个第三个例子中的Cbat 94在与OTA输出串联之前已经通过节点81和83被充电，因此一旦与OTA输出串联，Cbat有助于提升OTA输出信号，以帮助OTA完成精细的预充电阶段(s.14.14)。一旦精细的预充电阶段已经完成，到达capdac和MUX 42输出线的输入节点应该被完全预充电到MUX 42的输出信号，因此电路可以返回到图8(s.14.2)所示的获取阶段，以便由MUX 42输出的当前样本的capdac获取。

如上所述，提供粗缓冲放大器来传导大部分的预充电，并且在精细预充电模式期间完成预充电的精细OTA电路可以导致较低的功率，只要在粗略缓冲放大器中消耗的功率较小。然而，与第三实施例的粗/精预充电装置相比，还有其他优点，即可以使用较小的Cbat，并且从精细OTA的角度来看，在运行时只能看到一个电容性负载，就是在capdac的输入端对电容性节点进行充电。相反，在第二个例子中，单个OTA看到一个不断变化的电容性负载，因为在Cbat与负载并联之前，它必须首先与负载并联充电Cbat，以便最终补充。

另外，在第三示例中，精细OTA的操作比第二示例更稳定，因为除了在其输入端上的电容器54和56之外，在精细OTA投入运行时，应该只有一个小的残余预充电误差，约为100mV左右，因此对精细OTA的输入是可以预测的，不应受到任何波动。因此，精细的OTA可以被设计和操作，以便处理在粗预充电阶段之后在MUX输出线上剩余的小的可预测的电荷误差。

相反地，也是跨导放大器的粗缓冲放大器也可以被设计和操作以处理其需要处理的粗预充电阶段，但是知道不需要精确操作，并且在整个信号范围内也不需要预充电，因为可以依靠精细的预充电OTA和电池电容器进行精确的最终预充补充。因为可以使用这样一个更简单的功率高效放大器设计，其不一定提供精确操作。

现在我们简要地转到第四个例子，如图15所示。第四示例通过在OTA46的输入处的跟踪电路中的修改来提供上述第二示例的变体，但是也可以对第三示例中的粗略和精细预充电电路进行相同的修改以提供更多的例子。

在第四示例中，OTA输入跟踪电路被修改以移除电容器56和开关58和60，并且替代地将OTA 46的非反相输入直接连接到电路低电压节点64。其结果是元件数量可以大大减少，因为电容器和两个开关从与输入通道的数量相对应的输入电路的每个并联集合移除到MUX 42。对电路操作的影响在于，只有当电容器54切换到检测MUX 42输出线路时，剩下的电容器54才对下一个输入通道进行采样直到图6所示的状态，并且来自OTA的预充电开始调整输出线上的电荷，该电荷保持在表示最后一个采样的capdac中的电容器444上的电荷和表示由MUX 46输出的下一个MUX输入通道的电容器54上保持的电荷之间，以使输出线上的电荷达到下一个MUX输入通道的信号电平输出。在这个时间之后以及在实际输出通道之前输出的下一个MUX输入通道的任何变化都不被检测到，并且不对其进行预充电。然而，假设从MUX输出的可能的信号在预充电的开始和结束之间，即在预充电期间的时间段内相对较慢地移动，那么这样的妥协是可接受的，以减少电路中的元件数量。

在上述所有例子中，我们都提到了可以打开或关闭，或“打开”(关闭)或“关闭”(打开)的各种开关。当然，可以理解的是，所描述的电路中的开关典型地将被实现为适当控制的晶体管，其中电路中的大部分开关被实现为规则的NMOS、PMOS或T门晶体管开关。连接到MUX输出线的一些开关，特别是开关52、72和100可以是栅极升压的NMOS晶体管，而开关50可以是与栅极升压的PMOS晶体管串联的NMOS晶体管的组合。其他基于晶体管的开关当然可以用在所述电路的实现中。

无论是通过添加、删除还是替换，可以进行各种进一步的修改，以提供进一步的实例，其任何和全部旨在由所附权利要求涵盖。

Claims (12)

1.一种多路复用电路，具有用于预充电多路复用器对其提供信号的电容性负载的预充电电路，所述多路复用电路包括：

多路复用器，具有多个输入通道和输出通道；

可连接到所述多路复用器的输出通道的电容性负载；和

预充电电路，被布置为依赖于将接下来输出到所述电容性负载的到所述多路复用器的输入通道之一上的信号对所述电容性负载预充电，所述预充电电路还包括：

第一放大器，被布置为向所述电容性负载提供第一预充电信号以对所述负载进行预充电；

多个电容器，可切换以分别跟踪到所述多路复用器的所述多个输入通道；和

第一开关电路，可控制地将相应的电容器切换成与所述第一放大器输入串联，该相应的电容器跟踪将接下来输出的到所述多路复用器的输入通道。

2.根据权利要求1所述的多路复用电路，其中每个输入通道分别提供两个或更多个电容器到所述多路复用器，每个通道的两个或更多个电容器可切换以分别跟踪所述多路复用器的输入通道。

3.根据权利要求2所述的多路复用电路，其中所述第一放大器是具有相应的第一差分输入和第二差分输入的差分放大器，每个输入通道中的两个或更多个电容器中的一者可通过用于电容器的相应多路复用器输入通道与第一放大器的第一差分输入之间的开关电路连接，并且所述两个或更多个电容器中的其他者可通过下列和所述第一放大器的第二差分输入之间的开关电路连接：

i)在第一阶段操作中，用于所述电容器的相应多路复用器输入通道；或

ii)在第二阶段操作中，所述多路复用器输出通道。

4.根据权利要求1所述的多路复用电路，还包括可切换成串联在所述第一放大器的输出和所述电容性负载之间的电池电容器。

5.根据权利要求4所述的多路复用电路，还包括第二开关电路，布置为：

i)在第三阶段操作中，将所述电池电容器切换以对第一放大器提供电容性负载的并联负载，其中允许所述第一放大器对与电容性负载并联的电池电容器充电；

ii)在第四阶段操作中，在第一放大器输出与电容性负载之间串联切换所述电池电容器，其中允许电池电容器补充放大器输出信号以预充电所述电容性负载。

6.根据权利要求4所述的多路复用电路，还包括第二开关电路，布置为：

i)在第三阶段操作中，在第一放大器输出与电容性负载之间串联切换所述电池电容器，其中允许电池电容器补充第一放大器输出信号以预充电所述电容性负载。

7.根据权利要求1所述的多路复用电路，还包括：

第二预充电电路，布置用于依赖于将接下来输出到电容性负载的到多路复用器的输入通道之一上的信号对电容性负载进行预充电，所述第二预充电电路还包括：

第二放大器，布置向电容性负载提供第二预充电信号以对负载进行预充电；

多个电容器，可切换以分别跟踪到多路复用器的多个输入通道；和

第二开关电路，可控制以将相应的电容器切换成与第二放大器输入串联，该相应的电容器跟踪将接下来输出的到多路复用器的输入通道。

8.根据权利要求7所述的多路复用电路，其中在所述第一放大器将第一预充电信号提供给所述电容性负载之前，所述第二放大器将第二预充电信号提供给所述电容性负载；和

其中所述第二预充电信号大于所述第一预充电信号，从而获得两阶段预充电操作。

9.一种多路复用电路，具有用于对多路复用器对其提供信号的电容性负载进行预充电的预充电电路，所述多路复用电路包括：

多路复用器，具有多个输入通道和输出通道；

可连接到所述多路复用器的输出通道的电容性负载；和

预充电电路，被布置为依赖于将接下来输出到所述电容性负载的到所述多路复用器的输入通道之一上的信号对所述电容性负载预充电，所述预充电电路还包括：

第一放大器，被布置为向所述电容性负载提供第一预充电信号以对所述负载进行预充电；

多个电容器，可切换以分别跟踪到所述多路复用器的所述多个输入通道；和

电池电容器，可切换成串联在第一放大器的输出和电容性负载之间，以提供补充预充电信号给电容性负载。

10.根据权利要求9所述的多路复用电路，还包括开关电路，布置为：

i)在第一阶段操作中，将所述电池电容器切换以对第一放大器提供电容性负载的并联负载，其中允许所述第一放大器对与电容性负载并联的电池电容器充电；

ii)在第二阶段操作中，在第一放大器输出与电容性负载之间串联切换所述电池电容器，其中允许电池电容器补充放大器输出信号以预充电所述电容性负载。

11.一种操作多路复用电路的方法，所述多路复用电路具有用于预充电第一多路复用器对其提供信号的电容性负载的预充电电路，该方法包括：

a)通过多个相应的电容器跟踪到所述第一多路复用器的多个输入通道上的信号；

b)选择输入通道之一以由所述第一多路复用器接下来输出，并且通过跟踪所选通道的相应电容器将所选通道上的信号馈送到第一放大器；

c)在第一放大器中依赖于通过相应的电容器在第一放大器处接收的信号产生第一预充电信号；和

d)在所选择的输入通道被第一多路复用器输出之前，将第一预充电信号馈送到电容性负载以对电容性负载进行预充电。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

e)在第二放大器中依赖于第二放大器处接收的信号生成第二预充电信号，该信号对应于将由所述第一多路复用器接下来输出的所选通道上的信号；和

f)在第一预充电信号馈送到电容性负载之前，将第二预充电信号馈送到电容性负载以对电容性负载进行预充电；

其中所述第二预充电信号大于所述第一预充电信号，从而获得电容性负载的粗略预充电，随后进行精细的预充电。

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