CN116488453A - 开关电流源电路 - Google Patents

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Abstract

一种开关电流源电路，包括：第一电压源节点和第二电压源节点；负载；电流源；以及电容器开关电路系统，其包括负载节点、电容器和多个开关，电容器开关电路系统被配置成基于控制信号采用偏置配置，随后采用活动配置，其中：在偏置配置中，负载节点导电地连接至第二电压源节点以偏置负载节点处的电压电平，并且电容器被连接成使得该电容器至少部分地充电；以及在活动配置中，负载节点经由负载导电地连接至第一电压源节点，并且经由电容器导电地连接至电流源，以增加第一电压源节点与负载节点之间的电势差。

Description

开关电流源电路
技术领域
本发明涉及开关电流源电路，例如用于数模转换器(DAC)电路系统中的开关电流源电路。因此，本发明还涉及包括这样的开关电流源转换器电路的DAC电路系统。在一些布置中，可以独立于DAC电路系统来提供这样的开关电流源转换器电路。实施方式可以例如作为集成电路(或作为集成电路的一部分)来提供。
背景技术
为了提供本发明的实施方式的背景，现在将考虑先前考虑的开关电流源电路的各方面。
图1是简单的开关电流源电路100的示意图，该简单的开关电流源电路100是电流导引(current-steering)电路，其可以用作电流导引数模转换器(或其一部分)。电路100包括第一电压源节点V1、第二电压源节点V2和负载节点N1(在这种情况下，也是尾节点)。第一电压源节点V1可以被认为是VDD，第二电压源节点V2可以被认为是GND或接地，并且第一电压源节点V1和第二电压源节点V2可以连接至(或被认为是)对应的电压源。负载节点N1经由电流源ISRC(导电地)连接至第二电压源节点V2，并且还经由两个并联连接的路径(或分支)连接至第一电压源节点V1，每个路径包括开关、输出节点和负载。
沿着每个路径，负载节点N1经由开关连接至输出节点，并且输出节点经由负载连接至第一电压源节点V1。第一路径包括负载LN、输出节点ZN和开关SN。第二路径包括负载LP、输出节点ZP和开关SP。第一路径和第二路径可以被认为是差分对，并且可替选地可以一起被称为并联连接的路径或并联路径，或单独地被称为负路径和正路径、第一路径和第二路径、或者路径N和路径P。
开关SN和开关SP都由输出开关信号SS的AND逻辑门控制。逻辑门GN输出开关信号SSN以控制开关SN。逻辑门GP输出开关信号SSP以控制开关SP。
逻辑门GN和逻辑门GP、开关SN和开关SP以及负载节点N1可以一起被描述为开关电路系统110，在图1中被示出为包围所述部件的虚线框。
在该实现方式中，每个AND逻辑门包括时钟信号(或控制信号)输入和数据信号输入(即，数字输入)。在图1中，逻辑门GN具有输入CLK和DN，逻辑门GP具有输入CLK和DP。
基于时钟信号CLK和互补(或差分)数据信号DN和DP的值，开关信号SS使开关SN和开关SP中的一个开关闭合(导通)，另一个开关断开(关断)。因此，电流被导引或引导通过具有闭合开关的并联路径，导致该路径的负载两端的电压降，并且在(该路径的)输出节点处看到对应的低电压。
例如，在CLK和DN为高(高电压、逻辑电平1或HI)而DP为低(低电压、逻辑电平0或LO)的情况下，逻辑门GN的开关信号SSN为高并且闭合开关SN。在这种情况下，逻辑门GP的开关信号SSP为低并且断开开关SP。电流沿着第一并联路径流动，并且在负载LN上感应出电压，并且该电压在输出节点ZN处被视为低电压。没有电流沿着第二并联路径流动，并且在输出节点ZP处看到高电压。输出节点ZN和ZP因此可以被认为是对应于互补数字输入DN和DP的互补模拟输出。
在另一示例中，在CLK和DP为高而DN为低的情况下，逻辑门GP的开关信号SSP为高并且闭合开关SP。逻辑门GN的开关信号SSN为低并且断开开关SN。电流沿着第二并联路径流动，并且在负载LP上感应出电压并且该电压在输出节点ZP处被视为低电压。没有电流沿着第一并联路径流动，并且在输出节点ZN处看到高电压。
总之，CLK、DP和DN的值控制开关SN和SP是断开还是闭合，并且沿着并联连接的路径将电流引导至负载LN或LP之一中。
在本示例中，在电压电平方面，当DP为高时，ZP为低(并且ZN为高)，并且当DN为高时，ZN为低(并且ZP为高)。当然，互补(或差分)数据信号DP和DN可以彼此交换，使得当DP为高时，ZP为高，并且使得当DN为高时，ZN为高，并且因此将理解本公开内容。
这样的电路可以是总体上较大的数模转换器中的许多电流导引数模转换器电路之一。这样的电路可以使用2n个类似级(其中，n是>0的整数)和二进制加权的电压源或负载进行二进制加权。
图1的电路100的一个缺点是线性度差，因为在并联连接的路径之间切换期间，电流源上的电压改变。
在图2中示出了该问题的解决方案，图2示出了开关电流源电路200的详细电路示意图，开关电流源电路200同样是类似于图1的电路100的电流导引电路。
图2的电路200包括先前关于图1描述的相同部件，并且因此将省略重复描述。在可能的情况下使用了相似的附图标记来帮助理解电路200。逻辑门GN和GP、开关SN和SP以及负载节点N1可以一起被描述为开关电路系统210(对应于图1所示的开关电路系统110)，并且被示出为包围所述部件的虚线框。
将电路200与电路100进行比较，在电路200中，每个并联连接的路径在输出节点与开关之间包括与该开关串联连接的附加(级联)晶体管。沿着第一并联连接路径，附加晶体管SNCC连接在开关SN与输出节点ZN之间。沿着第二并联连接路径，附加晶体管SPCC连接在开关SP与输出节点ZP之间。
每个并联连接的路径还包括小的泄放电流源，该泄放电流源具有连接至附加晶体管与开关之间的节点的第一端子，以及连接至接地或连接至不同的电压源节点(图2中未示出)的第二端子，以承载泄放电流。沿着第一并联连接路径，泄放电流源IN的第一端子连接在开关SN与附加晶体管SNCC之间。沿着第二并联连接路径，泄放电流源IP的第一端子连接在开关SP与附加晶体管SPCC之间。泄放电流确保了附加晶体管始终偏置并保持偏置。这改善了电路200的输出带宽和稳定时间。
电流源ISRC在电路200中被示出为实现为与负载节点N1串联连接的两个晶体管SCC和SSRC。晶体管SCC可以被认为是附加(级联)晶体管，而晶体管SSRC可以被认为是作为恒定电流源操作的晶体管，晶体管SSRC由电压信号VBIAS控制。该电压信号可以是恒定的DC电压，以确保通过晶体管SSRC的恒定电流。
虽然为了简单起见未在图2中示出，但是晶体管SCC、SNCC和SPCC都可以由电压信号控制。
由于附加的晶体管，与电路100的线性度相比，电路200的线性度可以得到改善。然而，在附加(级联)晶体管两端产生电压降，并且沿着每个并联连接的路径连接的泄放电流导致负载两端的附加电压降(由于泄放电流源通过负载汲取附加电流)。这些电压降有效地增加了电路系统有效操作所需的第一电压源节点V1与第二电压源节点V2之间的最小电压差，或者对于第一电压源节点V1与第二电压源节点V2之间的给定电压差不利地影响电路的线性度。
期望解决这些问题。
发明内容
根据本发明的第一方面的实施方式，提供了一种开关电流源电路，包括：第一电压源节点和第二电压源节点；负载；电流源；以及电容器开关电路系统，其包括负载节点、电容器和多个开关，电容器开关电路系统被配置成基于控制信号采用偏置配置，随后采用活动配置。在偏置配置中，负载节点导电地连接至第二电压源节点以偏置负载节点处的电压电平，并且电容器被连接成使得该电容器至少部分地充电。在活动配置中，负载节点经由负载导电地连接至第一电压源节点，并且经由电容器导电地连接至电流源，以增加第一电压源节点与负载节点之间的电势差。
开关可以被实现为晶体管，并且可以被实现为场效应晶体管例如MOSFET，或者被实现为双极晶体管。
在活动配置中，由电流源控制的电流可以使电流流过负载和负载节点，从而增加第一电压源节点与负载节点之间的电势差。
在偏置配置中，负载节点可以(通过电容器开关电路系统的开关)直接导电地连接至第二电压源节点。在偏置配置中，负载节点可以(通过电容器开关电路系统的开关)与第一电压源节点导电地断开连接。
在活动配置中，负载节点可以经由电容器和电流源导电地连接至第二电压源节点。负载节点可以与电容器和电流源导电地串联连接。负载节点可以经由电容器导电地连接至电流源，使得由电流源控制的电流使电流在电容器的两侧流动。
电容器开关电路系统可以被配置成基于控制信号在偏置配置与活动配置之间交替。
控制信号可以包括时钟信号。控制信号可以是可以输出开关信号的逻辑门的输入。开关信号可以是包括一个或更多个逻辑门的逻辑块的输出，所述一个或更多个逻辑门具有多个输入，其中，输入中的一个输入是时钟信号，并且输入中的另一输入是数据信号(数字信号)。开关信号可以是时钟信号。
在偏置配置中，电容器可以导电地连接在第二电压源节点与第一电压源节点或另一电压源节点之间。在偏置配置中，电容器可以导电地连接在负载节点与第一电压源节点或另一电压源节点之间。在活动配置中，电容器可以导电地连接在负载节点与电流源之间。
电容器可以具有第一端子和第二端子。在偏置配置和活动配置中，第一端子可以(导电地)连接至负载节点。电容器开关电路系统可以被配置成在偏置配置中将第二端子导电地连接至第一电压源节点或另一电压源节点，并且在活动配置中经由电流源将第二端子导电地连接至第二电压源节点。
“另一电压源节点”可以是第三电压源节点。在一个示例中，第一电压源节点和第二电压源节点被配置成提供不同的电压电平。在一个示例中，第二电压源可以供应小于第一电压源的电压。在另一示例中，第三电压源可以供应等于、大于或小于第一电压源的电压。
在活动配置中，电流源可以使电流在电容器的第二端子处流动，并且电容器使等效或相同的电流在电容器的第一端子处流动，从而增加第一电压源节点与负载节点之间的所述电势差。
第一电压源节点和第二电压源节点可以被配置成提供不同的电压电平。
在活动配置中，负载节点处的电压电平可以被移位或调整(或移动或改变或平移或推或拉)为与第二电压源节点的电压电平相比更远离第一电压源节点的电压电平的值。
开关电路系统可以包括开关S1、S2、S3和S4。负载节点可以经由开关S1和负载连接至第一电压源节点，并且经由开关S3连接至第二电压源节点。电容器可以(导电地)连接在负载节点与节点N2之间。节点N2可以经由开关S4连接至第一电压源节点或另一电压源节点，并且经由开关S2和电流源连接至第二电压源节点。电容器开关电路系统可以被配置成基于控制信号，使得在偏置配置中开关S3和S4导通并且开关S1和S2关断，并且在活动配置中开关S3和S4关断并且开关S1和S2导通。
负载节点可以与开关S1和负载串联连接至第一电压源节点。节点N2可以与开关S2和电流源串联连接至第二电压源节点。
负载可以包括第一负载和第二负载。电容器开关电路系统可以被配置成：在活动配置中，根据数据信号经由第一负载或第二负载将负载节点导电地连接至第一电压源节点。
开关电路系统可以包括开关SN和SP。负载节点可以经由开关SN和第一负载连接至第一电压源节点，并且经由开关SP和第二负载连接至第一电压源节点。电容器开关电路系统可以被配置成：基于数据信号，使得在活动配置中开关SN或开关SP导通。
开关S1至开关S4可以(各自)被实现为多个开关。例如，开关S1可以包括两个开关SN和SP。负载可以包括第一负载和第二负载，并且开关S1可以被配置成根据数据(数字)信号经由第一负载或第二负载将负载节点导电地连接至第一电压源节点，这意味着开关SN和SP可以被配置成根据数据信号经由第一负载或第二负载将负载节点导电地连接至第一电压源节点。
开关电流源电路可以包括多组所述电容器开关电路系统。
多组所述电容器开关电路系统可以被配置成基于控制信号，使得当多组电容器开关电路系统中的一组电容器开关电路系统处于活动配置时，每个其他组电容器开关电路系统处于偏置配置。
多组电容器开关电路系统可以包括至少三组电容器开关电路系统，并且控制信号可以包括至少一个时钟信号，所述至少一个时钟信号的占空比被配置成使得当多组电容器开关电路系统中的一组电容器开关电路系统处于活动配置时，每个其他组电容器开关电路系统处于偏置配置。
根据本发明的第二方面，提供了一种数模转换器或DAC电路系统，其包括根据本发明的上述第一方面的开关电流源电路。
根据本发明的第三方面，提供了一种集成电路系统，例如IC芯片，其包括根据本发明的上述第一方面的开关电流源电路或根据本发明的上述第二方面的数模转换器。
根据本发明的第四方面，提供了一种增加开关电流源电路中的电势差的方法。开关电流源电路包括第一电压源节点和第二电压源节点、负载、电流源和电容器开关电路系统，该电容器开关电路系统包括负载节点、电容器和多个开关。该方法包括基于控制信号控制开关以采用偏置配置，随后采用活动配置。在偏置配置中，负载节点导电地连接至第二电压源节点以偏置负载节点处的电压电平，并且电容器被连接成使得该电容器至少部分地充电。在活动配置中，负载节点经由负载导电地连接至第一电压源节点，并且经由电容器导电地连接至电流源，以增加第一电压源节点与负载节点之间的电势差。
附图说明
现在将通过示例的方式参照附图，其中：
上面提及的图1是简单的开关电流源电路的示意图；
上面提及的图2是与图1的电路进行了详细比较的简单的开关电流源电路的示意图；
图3是体现本发明的开关电流源电路的示意图；
图4是图3的开关电流源电路处于偏置配置(biasing configuration)的示意图；
图5是图3的开关电流源电路处于活动配置(active configuration)的示意图；
图6是对理解图3的开关电流源电路的操作有用的时序图；
图7是呈现图3的开关电流源电路的简化表示的示意图；
图8是呈现体现本发明的开关电流源电路的示意图，其示出了图3的开关电流源电路的一个可能的实现方式；
图9是呈现体现本发明的开关电流源电路的示意图，其以简化形式表示并具有多组电容器开关电路系统；
图10是呈现体现本发明的开关电流源电路的示意图，其示出了详细的示意图并具有多组电容器开关电路系统并且是图9的开关电流源电路的一个可能的实现方式；
图11是对理解图10的开关电流源电路的操作有用的时序图；
图12是体现本发明的开关电流源电路的示意图；
图13是体现本发明的数模转换器或DAC电路(或电路系统)1000的示意图；以及
图14是体现本发明的集成电路(或电路系统)2000的示意图。
具体实施方式
图3是体现本发明的开关电流源电路(或简称为电流源电路)300的示意图。
电路300包括第一电压源节点(或电压源)V1和第二电压源节点(或电压源)V2、负载L、电流源ISRC和电容器开关电路系统310(在虚线框内示出)。电容器开关电路系统310(对应于图1的开关电路系统110和图2的开关电路系统210)包括负载节点N1、电容器C和多个开关S1至S4。电容器开关电路系统310可以替选地被称为电容器开关电路310。
电容器C具有第一端子和第二端子。第一端子表示为“-”，作为-ve板，并且第二端子表示为“+”，作为+ve板。
如上面所提及的，电容器开关电路系统310包括开关S1、S2、S3和S4。负载节点N1经由开关S1和负载L(开关S1和负载L串联连接)连接至第一电压源节点V1，并且经由开关S3连接至第二电压源节点V2。电容器C连接在负载节点N1与节点N2之间。节点N2经由开关S4连接至第三电压源节点V3，并且经由开关S2和电流源ISRC(开关S2和电流源ISRC串联连接)连接至第二电压源节点V2。
在图3中，负载节点N1被示出为经由开关S3连接至第二电压源节点V2，并且节点N2被示出为经由开关S2和电流源ISRC也连接至第二电压源节点V2。即，可以处于接地或GND电势的第二电压源节点V2对于电容器的两个端子是共用的。另一方面，电压源节点V1和V3被示出为单独的电压源节点V1和V3。
在另一布置中，电压源节点V1和V3可以连接在一起，并且简称为第一电压源节点V1。在又一布置中，电压源节点V1和V3可以连接在一起，并且简称为第一电压源节点V1，并且节点N2也可以经由开关S2和电流源ISRC连接至与第二电压源节点V2分开的第四电压源节点V4(未示出)。
在图3的开关电流源电路300中，第一电压源节点V1经由负载L连接至输出节点Z。输出节点Z经由开关S1连接至负载节点N1。负载节点N1还经由开关S3连接至第二电压源节点V2。第一电压源节点V1和第二电压源节点V2被配置成提供不同的电压电平，使得如果开关S1和S3被一起闭合，则在负载L两端将看到电势差。
负载节点N1还经由包括电容器C、节点N2、开关S2和电流源ISRC的路径连接至第二电压源节点V2。负载节点N1可以可替选地被描述为经由串联连接的电容器C、节点N2、开关S2和电流源ISRC连接至第二电压源节点V2。节点N2经由开关S4连接至第三电压源节点V3。
为了简化和易于解释，将考虑将负载节点N1连接至第一电压源节点V1并且包括一个负载L的一个路径。逻辑门(GN和GP)、可选的附加(级联)晶体管(SNCC和SPCC)和泄放电流源(IN和IP)都已被省略，但应当理解为如将在后面的示例中看到的可选特征。在后面的示例中还将考虑多个并联连接的路径。
开关S1至开关S4中的每个开关由控制信号(未示出)控制。控制信号断开或闭合相应的开关。
开关电流源电路300的操作可以以两种配置进行最佳描述，所述两种配置在本文中被描述为偏置(或复位或电压设置或预充电)配置和活动(或操作或电压移位)配置。可以在对应的阶段(即，偏置阶段和活动阶段)中采用这样的配置。电路被配置成基于一个或多个控制信号(未示出)采用偏置配置，随后采用活动配置。
电容器C的第一端子(-ve板)连接至负载节点N1(即，在偏置配置和活动配置两者中均如此连接)，并且电容器开关电路系统310被配置成在偏置配置中将电容器C的第二端子(+ve板)连接至第三电压源节点V3，并且在活动配置中将电容器C的第二端子(+ve板)经由电流源连接至第二电压源节点V2。
电容器开关电路系统310被配置成基于控制信号(未示出)在偏置配置与活动配置之间交替。这些配置对应于电容器开关电路系统310的开关S1至S4的配置。电容器开关电路系统310被配置为使得在偏置配置中开关S3和S4导通并且开关S1和S2关断，并且在活动配置中开关S3和S4关断并且开关S1和S2导通。尽管在图3中未示出，但是这可以通过利用时钟信号CLK控制开关S3和S4以及利用互补时钟信号CLK！控制开关S1和S2来实现，假设所有开关都以相同的方式响应时钟信号(例如，高＝导通、低＝关断)。
现在将更详细地描述这两种配置。
图4是处于偏置配置的开关电流源电路300的示意图。
在偏置配置中，负载节点N1(直接)连接至第二电压源节点V2(并与第一电压源节点V1断开连接)，并且电容器C被连接成使得其至少部分地充电。在图4中，开关S3和S4闭合(导通)，而开关S1和S2断开(关断)。因此，电容器C连接在第三电压源节点V3(经由开关S4)与第二电压源节点V2(经由开关S3)之间，使得电容器至少部分地充电。
然而，可以设想，在偏置配置中电容器C可以连接在任何两个电压源节点之间，使得其至少部分地充电(无论是否形成电路300的一部分)，并且第三电压源节点V3仅仅作为这样的电压源节点的一个示例给出。
可替选地，如上面所描述的，开关S4可以连接在节点N2与第一电压源节点V1之间(相当于第一电压源节点V1和第三电压源节点V3连接在一起)，使得在偏置配置中，电容器连接在负载节点N1与第一电压源节点V1之间，并最终连接在第二电压源节点V2与第一电压源节点V1之间(经由节点N2和负载节点N1)。
随着时间的推移(处于偏置配置的每一周期或处于偏置配置的一系列周期)，在电容器尚未完全充电的情况下(很可能)，随着更多的电荷积聚在电容器C的第二端子(+ve板)处，电容器两端的电压开始增加。电容器在每次处于偏置配置时都达到完全充电状态并不是必要的。
由于在该配置中，负载节点N1(导电地)连接至第二电压源节点V2，因此在偏置配置中，负载节点N1处的电压被偏置为第二电压源节点V2的电压(并且理想地与第二电压源节点V2的电压相同)。
图5是处于活动配置的开关电流源电路300的示意图。
在活动配置中，负载节点N1经由负载L连接至第一电压源节点V1，并且经由电容器C连接至电流源ISRC，以增加第一电压源节点V1与负载节点N1之间的电势差。在图5中，开关S1和S2闭合(导通)，并且开关S3和S4断开(关断)。电容器C(存储来自偏置配置的电荷)因此连接在负载节点N1与电流源ISRC之间(电容器C因此经由电流源ISRC连接在负载节点N1与第二电压源节点V2之间)。
在如前所述的偏置配置中电容器C连接在任何两个电压源节点之间的情况下，在活动配置中电容器C与这些电压源节点断开连接，并且连接在负载节点N1与电流源ISRC之间。
在该活动配置中，电流源ISRC开始从经充电的电容器C的第二端子(+ve板)汲取电荷。随着电荷被汲取，对应的电荷经由负载节点N1(从第一电压源V1)被汲取到电容器C的第一端子(-ve板)中。有效地，由电流源ISRC汲取的电流ISRC使(具有基本上相同幅度的)对应的电流流过负载L和负载节点N1，如所指示的。这使负载节点N1处的电压减小(因为先前被偏置到第二电压源节点V2的负载节点N1由于汲取到电容器C的第一端子(-ve板)中的电流而看到负载L两端的电压降)。
由于在偏置配置结束时负载节点N1处于等于(或被偏置)第二电压源节点V2处的电压电平的电压电平，因此负载节点N1处的电压电平现在减小到低于第二电压源节点V2的电压电平的值。因此，活动配置可以被称为移位或电压移位配置或阶段，其中电容器C的第二端子(+ve板)和负载节点N1处的电压被移位(在这种情况下，向下移位)。
这种效果是期望的，因为它导致第一电压源节点V1与负载节点N1之间的电压差或电势差(V1-N1)大于第一电压源节点V1与第二电压源节点V2之间的电压差或电势差(V1-V2)。这增加了活动配置中电路的电压余量(voltage headroom)，因为负载L两端可以存在较大的电压(或电势差)。
例如，考虑一种实现方式，其中V1＝1V、V2＝0V、V3＝1V，并且其中电容器所存储的电荷由Q＝C*V给出，其中C是电容器C的电容，并且V是电容器C两端的电压。
在偏置配置中，电容器C连接在第三电压源节点V3与第二电压源节点V2之间。电容器C在其端子两端具有等于1V(V3-V2)的电势差，并且开始向电荷Q＝1*C充电。负载节点N1被设置为0V(经由开关S3)。第一电压源节点V1与第二电压源节点V2之间的电压差是1V(1V-0V)。
在活动配置中，电容器C连接在负载节点N1与电流源ISRC之间。电流源ISRC开始从电容器C的第二端子(+ve板)汲取电荷，并且电容器C的第一端子(-ve板)开始从负载节点N1(从第一电压源节点V1)汲取电荷。随着从负载节点N1汲取电荷，负载节点N1处的电压开始减小(减小到低于第二电压源节点V2的电压的值)。因此，负载节点N1处的电压从0V降低到-ΔV，其中ΔV是电压差。第一电压源节点V1与负载节点N1之间的电势差因此为1V+ΔV(1V-(-ΔV))。电压差ΔV可以取决于电容器C的电容、电路保持在活动配置的时间长度、以及存储在电容器C上的总电荷Q。
由于在第一电压源节点V1与负载节点N1之间存在较大的电势差，从而使得能够在负载两端感应出较大的电压，因此增加了电路的电压余量。
总之，电容器C被充电到第三电压源节点V3的电势(假设第二电压源节点V2接地)，或者被用于基于由电流源ISRC汲取的电流ISRC使电流流过负载L和负载节点N1。在偏置配置期间，从电容器C的第二端子(+ve板)流出的电流也分别经由开关S2和S1有效地进入电容器C的第一端子(-ve板)。电容器C使得电流能够从负载节点N1被汲取(或被推到负载节点N1上)，并且使得负载节点N1处的电容器C的第一端子(-ve板)的电势低于第二电压源节点V2的电压，从而有效地提升电压余量。
图6是对理解电路300的操作有用的时序图。
图6示出了绘制电压对时间的两个电压波形。标记为N2的上面的波形示出了节点N2或电容器C的第二端子(+ve板)处的电压。标记为N1的下面的波形示出了负载节点N1或电容器C的第一端子(-ve板)处的电压。
波形被分成了连续的时段，由穿过两个波形的垂直虚线标记。这些时段对应于偏置配置和活动配置，并且时序图随着时间的推移在两种配置之间交替。
时序图在对应于偏置配置的时段或阶段的开始处开始。
在偏置配置中，电容器C连接在第三电压源节点V3与第二电压源节点V2之间。假设第二电压源节点V2处的电压为0V或接地。波形N2示出了电容器的第二端子(+ve板)处的电压充电到第三电压源节点V3的电压V3，并且然后保持在第三电压源节点V3的电压V3。
在偏置配置中，负载节点N1连接至第二电压源节点V2。波形N1示出了负载节点N1处的电压上升到第二电压源节点V2的电压V2并且保持在第二电压源节点V2的电压V2(如上面所提及的，为了简单起见，这里假设为0V)。
然后时序图转换到对应于活动配置的下一个时段或阶段。
在活动配置中，电容器C连接在第二电压源节点V2(经由电流源ISRC)与第一电压源节点V1(经由负载L)之间。如前所述，由电流源ISRC汲取的电流ISRC使对应的电流流过负载L和负载节点N1。
电容器C两端的电压保持恒定，但是随着电流源ISRC汲取更多的电荷，节点N2和负载节点N1两者处的电压基本上以相同的速率降低(假设电容器C两端的电压保持恒定)——其由N2和N1的时序图上的向下的梯度或斜率示出，并且随着电流源ISRC汲取更多的电荷，在活动配置的整个持续时间期间继续以该速率下降。在活动配置的开始与结束之间，节点N1和N2中的每个节点处的电压的减小(或差)被示出为ΔV。
然后时序图转换回偏置配置，并且波形重复。
理想地，在切换到偏置配置之后，节点N2处的电压将立即上升到电压V3，然而，实际上，电容器将花费一些时间来完全充电。在切换期间，存储在电容器C上的少量电荷丢失，并且这些电荷在电路处于偏置配置时的每个时段或阶段中被补充。理想地，在切换到偏置配置之后，节点N1处的电压将立即上升到电压V2，然而，实际上，负载节点N1处的电压可能表现出电压过冲(其中在降低并再次稳定在电压V2之前，电压瞬间上升到电压V2以上)而不是逐渐上升(如图6所示)。
图7是呈现开关电流源电路300的简化表示的示意图，其中电容器开关电路系统310以所谓的黑盒形式示出，有助于理解本文所描述的其他示例。
图8是呈现与电路200对应的开关电流源电路400的示意图，其示出了电路300的一种可能实现方式。电路400包括负载节点N1、第二电压源节点V2、电容器C、第三电压源节点V3、节点N2、电流源ISRC和开关S2至S4，它们以与先前关于图3所解释的方式相同的方式连接。省略了重复描述。
在电路400中，并且查看电路300，从负载节点N1到第一电压源节点V1的路径已经被替换为如电路200中的并联路径，使得负载节点N1可以被称为尾节点。因此，开关SN和SP一起对应于开关S1，输出节点ZN和ZP一起对应于输出节点Z，并且负载LN和LP一起对应于负载L。附加(级联)晶体管SNCC和SPCC以及泄放电流源IN和IP也已经与电路200一致地设置。
类似地，与电路200一致地，作为AND门的逻辑门GN和GP已经被提供以分别驱动开关SN和SP。如前所述，逻辑门GN由时钟信号CLK和数据信号DN驱动，并且逻辑门GP由时钟信号CLK和数据信号DP驱动。如前所述，输出节点ZN和ZP可以被认为是对应于互补数字输入DN和DP的互补模拟输出。
尽管未示出，但是假设开关S2在CLK为高时闭合(导通)，在CLK为低时断开(关断)，并且开关S3和S4在CLK为低时闭合(导通)，在CLK为高时断开(关断)。
因此，电路400的操作在很大程度上与关于图3至图6所描述的操作相同，并且通过如先前所解释的在偏置配置与活动配置之间交替来实现。然而，在活动配置期间，电流沿着并联连接的路径之一(取决于CLK、DP和DN的值)被导引或引导，并且表现出电路300的增加的电压余量，由于并联路径连接至相同的负载节点N1，因此该电压余量可用于承载电流的负载LN和LP之一。
为了简单起见，电流源ISRC已经被示出为电流源，而不是两个串联连接的晶体管(如图2所示)。这样的电路(其中电流源被实现为两个串联连接的晶体管)可以被认为等同于图8所示的电路。
虽然图8示出了两个并联连接的路径(其在差分DAC电路系统中可以是优选的，以沿着负路径或支路或者正路径或支路引导电流，从而在负负载或正负载两端生成电压)，但是可以设想任何数目的并联连接的路径(包括相同的部件并且以与先前所描述的相同的方式连接)。为了沿着特定的并联连接的路径导引或引导电流，可以相应地使用任何数目的逻辑门或控制信号(时钟信号或数据信号)。
图9是呈现简化的开关电流源电路500的示意图，其示出了多组电容器开关电路系统510(对应于图8的电容器开关电路系统410)。该图以与图7进行直接比较的方式呈现。
开关电流源电路500包括并联连接的多组所述电容器开关电路系统510(表示为电容器开关电路系统A和电容器开关电路系统B)。并联连接的多组电容器开关电路系统510共享(或连接至相同的)第一电压源节点V1(经由相同的输出节点Z和负载L)、第二电压源节点V2、电流源ISRC和第三电压源节点V3。
当考虑这两种活动配置和偏置配置时，并联连接的两组电容器开关电路系统510可能特别有用。例如，一起考虑图6和图7，在偏置配置和活动配置交替的情况下，并且在每个配置保持相同的时间量的情况下，负载节点N1处的电压正在减小的时段仅在电路的总操作时间的一半(即，仅在处于活动配置时)出现。
电路500使得偏置配置和活动配置能够在多组电容器开关电路系统510之间进行时间交错。在时间交错的应用(例如，电流导引DAC)中，可以组合两个(或更多个)这样的级以将连续电流提供到负载L中。因此，在图9的情况下，两组电容器开关电路系统510被配置成由控制信号例如时钟信号控制，使得当它们中的一组(例如，电容器开关电路系统A)处于活动配置时，另一组(例如，电容器开关电路系统B)处于偏置配置，反之亦然。
两组电容器开关电路系统510各自经由其自己的开关S1连接至同一负载(例如，参见图3)。由电容器C通过负载L并通过当前处于活动配置的电容器开关电路系统510的(并且经由共享节点SN连接至负载L的)负载节点N1汲取电流。因此，假设多组电容器开关电路系统510以受控的交叠/欠重叠在偏置配置与活动配置之间交替，负载L本身有效地看到与由电流源ISRC汲取的电流对应的恒定电流。因此，负载L总是看到活动配置，并获得增加的或正在增加的电压余量的益处。
虽然图9示出了两组电容器开关电路系统510，但是可以设想任意数目的多组电容器开关电路系统510(包括相同的部件并且以与先前所描述的相同的方式连接)。对于存在多于两组并联连接的电容器开关电路系统510的情况，可以是(在操作期间的所有时间)多组电容器开关电路系统510中的至少一组处于活动配置，而每个其他组电容器开关电路系统510处于偏置配置。
开关电流源电路500被呈现为简化的示例布置，但是可以被理解为采取先前设想的各种替选的电路配置中的任何一种的形式，包括采用电容器开关电路系统实现方式410(并且因此也采用并联连接的路径和多个负载)。
图10是呈现开关电流源电路600的示意图，其示出了具有多组电容器开关电路系统(如图9所示)以及并联连接的路径和多个负载(如图8所示)的详细实现方式。为了帮助比较，图10中的共享节点SNN和SNP(分别用于N和P并联路径)一起对应于图9的共享节点SN。
开关电流源电路600可以被理解为具有与开关电流源电路400相同的拓扑，但是包括两组电容器开关电路系统410。一组电容器开关电路系统410被称为电容器开关电路系统A，另一组电容器开关电路系统410被称为电容器开关电路系统B。
电容器开关电路系统A的部件和电容器开关电路系统B的部件一起呈现在组合的电容器开关电路系统610(示出为虚线框)中。组合的电容器开关电路系统610以这种方式示出，以便直接与先前所描述的电路进行比较。
在可能的情况下，与电路400的部件对应的电路600的部件已经被给予相似的附图标记(例如，并联连接路径的负载LN和LP)。
基于图8可以理解组合的电容器开关电路系统610之外的部件，除了电流源ISRC已经被实现为分别由偏置信号VBIAS1和VBIAS2控制的串联连接的(n沟道)场效应晶体管SCC和SSRC(与图2一致)。在这种布置中，场效应晶体管SNCC和SPCC也是n沟道晶体管。因此，省略了重复的描述。
组合的电容器开关电路系统610内的部件的附图标记已经用附加的后缀字符A或B来表示，以表示这些部件属于电容器开关电路系统A还是电容器开关电路系统B。例如，由A下标字符表示的部件(例如，GN-A、N1-A)是电容器开关电路系统A的部件，并且由B下标字符表示的部件(例如，GN-B、N1-B)是电容器开关电路系统B的部件。
组合的电容器开关电路系统610因此可以被理解为两组电容器开关电路系统410，组合的电容器开关电路系统610包括存在于电容器开关电路系统410中的每种部件中的两个，通过上面提及的下标字符彼此区分。以这种方式，可以将图10与图9进行比较。电路400中的每个开关已经被呈现为电路600中的晶体管(场效应晶体管)，该晶体管由其栅极端子处的控制信号控制。图10中对应于图8中的开关S2和S4的晶体管(即，S2-A、S2-B和S4-A、S4-B)被实现为p沟道晶体管。图10中对应于图8中的开关SN、SP和S3的晶体管(即，SN-A、SN-B和SP-A、SP-B和S3-A、S3-B)被实现为n沟道晶体管。
因此，电容器开关电路系统A和电容器开关电路系统B中的每一个以与电容器开关电路系统410相同的方式操作，并且可以省略重复的描述。电容器开关电路系统A由分别对应于图8的CLK、DN、DP的时钟信号(控制信号)CLKA和互补数据信号DN-A、DP-A控制。类似地，电容器开关电路系统B由分别对应于图8的CLK、DN、DP的时钟信号(控制信号)CLKB和互补数据信号DN-B、DP-B控制。
开关S3-A由控制信号CLKA！控制(其中CLKA！是CLKA的反信号(inverse))。开关S3-B由控制信号CLKB！控制(其中CLKB！是CLKB的反信号)。开关S4-A由控制信号CLKA控制。开关S4-B由控制信号CLKB控制。开关S2-A由控制信号CLKA！控制。开关S2-B由控制信号CLKB！控制。时钟信号CLKA！表示时钟信号CLKA的反信号，并且时钟信号CLKB！表示时钟信号CLKB的反信号。
通过将CLKA和CLKB设置为互补时钟信号，因此确保了当电容器开关电路系统A处于偏置配置时，电容器开关电路系统B处于活动配置，反之亦然。当然，图10因此可以通过用CLKA！代替CLKB来简化，使得仅需要单个控制信号CLKA，然而为了易于理解，保留了A时钟信号和B时钟信号。
图11是对理解电路600的操作有用的时序图。
图11示出了四个控制信号和数据信号CLKB、DN-B、CLKA和DN-A的波形，以及节点N2-B和N2-A处的电压波形。每个控制信号和数据信号的值可以被认为是数字值，并且除了在转换时具有对应的电压电平之外，是0或1。假设DP-A和DP-B分别与DN-A和DN-B互补，因此未示出。节点N2-B和N2-A处的电压波形可以被认为是模拟信号，并且取V3与V3-ΔV之间的值，如关于图6针对节点N2所解释的。
时钟信号CLKA和CLKB在值0与1之间交替，在示出为沿着表示时间的x轴的垂直虚线的每个时钟周期(或刻度)处在0与1之间转换。
当时钟信号CLKB为低(低电压、逻辑电平0或LO)时，时钟信号CLKA为高(高电压、逻辑电平1或HI)，并且当时钟信号CLKA为低时，时钟信号CLKB为高。
数据信号DN-A是电容器开关电路系统A的数据输入，数据信号DN-B是电容器开关电路系统B的数据信号输入。为了实现两组电容器开关电路系统之间的时间交错，数据信号被交替地输入到电容器开关电路系统A和电容器开关电路系统B中。换句话说，数据位流可以在两组电容器开关电路系统之间分割。这在图11的时序图上示出为数据信号DN-B针对每个偶数位(位0、位2等)保存数据值，以及DN-A针对每个奇数位(位1等)保存数据值。
在第一示例时间段X中，电容器开关电路系统A处于偏置配置，并且电容器开关电路系统B处于活动配置。CLKB为高，并且CLKA为低。参照图10，时钟信号用于控制晶体管。在时间段X，S4-B关断，S4-A导通，S2-B导通，S2-A关断，S3-B关断，S3-A导通。因此，晶体管将电容器CA连接在第三电压源节点V3与第二电压源节点V2之间，并且将电容器CB经由电流源ISRC连接至第二电压源节点V2。节点N2-A处的电压因此被偏置到第三电压源节点V3处的电压(参见图6)，并且节点N2-B处的电压从该电平向下倾斜(同样参见图6)。尽管未示出，但是负载节点N1-A处的电压因此被偏置到第二电压源节点V2处的电压(参见图6)，并且负载节点N1-B处的电压从该电平向下倾斜(同样参见图6)。
在随后的第二示例时间段Y中，情况相反，并且因此晶体管将电容器CB连接在第三电压源节点V3与第二电压源节点V2之间，并将电容器CA经由电流源ISRC连接至第二电压源节点V2。节点N2-B处的电压因此被偏置到第三电压源节点V3处的电压(参见图6)，并且节点N2-A处的电压从该电平向下倾斜(同样参见图6)。尽管未示出，但是负载节点N1-B处的电压因此被偏置到第二电压源节点V2处的电压(参见图6)，并且负载节点N1-A处的电压从该电平向下倾斜(同样参见图6)。
为了确保恒定电流始终指向负载，CLKA和CLKB应当被交错/定时调整以防止欠重叠/优化交叠。此外，在时钟信号转变到其下一个值之前，在数据信号DN-A上看到位0的值(或在转变之后保持在数据信号上)，因此可以得到稳定的值。如已经结合图8所解释的，数据信号的值仅确定在对应的活动配置中电流流过并联负载路径中的哪一个，即电流流过负载LN还是流过负载LP(并且因此确定输出ZN和ZP中的哪一个具有高输出以及哪一个具有低输出)。
虽然确定偏置配置和活动配置的长度的时间段在图11中被示出为相同的时间段，但是这仅仅是一个示例实现方式。偏置配置和活动配置的长度可以彼此不同或者相同，例如当存在三组或更多组电容器开关电路系统时。
如前所述，开关电流源电路可以具有多组电容器开关电路系统，所述多组电容器开关电路系统被配置成基于控制信号，使得当所述多组电容器开关电路系统中的一组电容器开关电路系统处于活动配置时，每个其他组电容器开关电路系统处于偏置配置。例如，多组电容器开关电路系统可以包括至少三组电容器开关电路系统，并且控制信号可以包括至少一个时钟信号(或一组三个时间交错的时钟信号)，所述时钟信号的占空比被配置为使得当多组电容器开关电路系统中的一组电容器开关电路系统处于活动配置时，每个其他组电容器开关电路系统处于偏置配置。
在使用N组电容器开关电路系统的情况下，可以实现与每组电容器开关电路系统对应的N个时钟信号和2N个数据信号(针对每个电容器开关电路系统为数据信号DN和数据信号DP)。一个时钟信号可以在任何给定时间为高，并且对应的数据信号DN和DP可以在任何给定时间保持当前位的值(以及其相反数或二进制倒数)。
在存在四组电容器开关电路系统的示例中，可以使用时钟信号CLKA、CLKB、CLKC、CLKD，并且可以使用数据信号DN-A、DN-B、DN-C和DN-D。时钟信号可以在一个周期中逐个为高。例如，当CLKB、CLKC、CLKD为低时，CLKA可以为高。当CLKA、CLKC、CLKD为低时，CLKB可以为高，等等。数据信号可以循环保持每个位的值。例如，DN-A可以具有位0的值。DN-B可以具有位1的值。DN-C可以具有位3的值。DN-D可以具有位4的值，等等。
图12是体现本发明的开关电流源节点电路300U的示意图。
图12示出了如先前所解释的那样连接但是“倒置”呈现的图3的电路300的示意图。因此，在该示例中，第二电压源节点V2具有大于第一电压源节点V1的电压的电压，并且在活动配置中，电荷通过电流源ISRC(通过从第二电压源节点V2汲取电流)沉积在电容器C的-ve板上，并且因此沉积到负载节点N1上，从而增加负载节点N1处的电压。
图3的电路通过增加连接至负载任一侧的电压源节点(V1与V2)之间的差来增加电压余量。因此可以设想，不是如图3中那样降低负载节点N1处的电压来增加电压余量(通过将负载节点N1处的电压降低到低于第二电压源节点V2的电压的电压)，而是可以升高负载节点N1处的电压以有效地实现图6中的相同结果(通过将负载节点N1处的电压增加到高于第二电压源节点V2的电压的电压)。
可以设想，虽然图12仅示出了以“倒置”取向示出的图3的电路，但是可以遵循相同的原理类似地“倒置”地实现图3至图9的任何先前考虑的电路。
图13是体现本发明的数模转换器或DAC电路(或电路系统)1000的示意图。这样的数模转换器电路可以包括本文所描述的任何开关电流源电路的一个或更多个实例，例如电路300。例如，参见图8，如前所述，输出节点ZN和ZP可以被认为是对应于互补数字输入DN和DP的互补模拟输出。
图14是体现本发明的集成电路(或电路系统)2000的示意图。这样的集成电路系统可以包括本文所描述的任何开关电流源电路和/或数模转换器电路1000。这样的集成电路系统可以表示IC芯片的一些或全部。本发明扩展到如上面所提及的集成电路系统和IC芯片、包括这样的IC芯片的电路板、以及包括这样的电路板的通信网络(例如，互联网光纤网络和无线网络)和这样的网络的网络设备。
在所附权利要求的范围内，根据上述公开内容，本发明可以以许多不同的方式实施。

Claims (15)

1.一种开关电流源电路，包括：
第一电压源节点和第二电压源节点；
负载；
电流源；以及
电容器开关电路系统，其包括负载节点、电容器和多个开关，所述电容器开关电路系统被配置成基于控制信号采用偏置配置，随后采用活动配置，
其中：
在所述偏置配置中，所述负载节点导电地连接至所述第二电压源节点以偏置所述负载节点处的电压电平，并且所述电容器被连接成使得所述电容器至少部分地充电；以及
在所述活动配置中，所述负载节点经由所述负载导电地连接至所述第一电压源节点，并且经由所述电容器导电地连接至所述电流源，以增加所述第一电压源节点与所述负载节点之间的电势差。
2.根据权利要求1所述的开关电流源电路，其中，在所述活动配置中，由所述电流源控制的电流使电流流过所述负载和所述负载节点，从而增加所述第一电压源节点与所述负载节点之间的电势差。
3.根据权利要求1或2所述的开关电流源电路，其中，所述电容器开关电路系统被配置成基于所述控制信号在所述偏置配置与所述活动配置之间交替。
4.根据前述权利要求中任一项所述的开关电流源电路，其中：
所述电容器具有第一端子和第二端子；
在所述偏置配置和所述活动配置中，所述第一端子被连接至所述负载节点；以及
所述电容器开关电路系统被配置成：在所述偏置配置中将所述第二端子导电地连接至所述第一电压源节点或另一电压源节点，并且在所述活动配置中将所述第二端子经由所述电流源导电地连接至所述第二电压源节点。
5.根据权利要求4所述的开关电流源电路，其中，在所述活动配置中，所述电流源使电流在所述电容器的第二端子处流动，并且所述电容器使等效或相同的电流在所述电容器的第一端子处流动，从而增加所述第一电压源节点与所述负载节点之间的所述电势差。
6.根据前述权利要求中任一项所述的开关电流源电路，其中，在所述活动配置中，所述负载节点处的电压电平被移位或调整或改变为与所述第二电压源节点的电压电平相比更远离所述第一电压源节点的电压电平的值。
7.根据前述权利要求中任一项所述的开关电流源电路，其中：
所述开关电路系统包括开关S1、开关S2、开关S3和开关S4；
所述负载节点经由所述开关S1和所述负载连接至所述第一电压源节点，并且经由所述开关S3连接至所述第二电压源节点；
所述电容器连接在所述负载节点与节点N2之间；
所述节点N2经由所述开关S4连接至所述第一电压源节点或另一电压源节点，并且经由所述开关S2和所述电流源连接至所述第二电压源节点；以及
所述电容器开关电路系统被配置成：基于所述控制信号，使得在所述偏置配置中所述开关S3和所述开关S4导通并且所述开关S1和所述开关S2关断，并且在所述活动配置中所述开关S3和所述开关S4关断并且所述开关S1和所述开关S2导通。
8.根据权利要求7所述的开关电流源电路，其中：
所述负载节点与所述开关S1和所述负载串联连接至所述第一电压源节点；以及/或者
所述节点N2与所述开关S2和所述电流源串联连接至所述第二电压源节点。
9.根据前述权利要求中任一项所述的开关电流源电路，其中：
所述负载包括第一负载和第二负载；以及
所述电容器开关电路系统被配置成：在所述活动配置中，根据数据信号，经由所述第一负载或所述第二负载将所述负载节点导电地连接至所述第一电压源节点。
10.根据权利要求9所述的开关电流源电路，其中：
所述开关电路系统包括开关SN和开关SP；
所述负载节点经由所述开关SN和所述第一负载连接至所述第一电压源节点，并且经由所述开关SP和所述第二负载连接至所述第一电压源节点；以及
所述电容器开关电路系统被配置成：基于所述数据信号，使得在所述活动配置中所述开关SN或所述开关SP导通。
11.根据前述权利要求中任一项所述的开关电流源电路，包括多组所述电容器开关电路系统。
12.根据权利要求11所述的开关电流源电路，其中，多组所述电容器开关电路系统被配置成：基于所述控制信号，使得当多组所述电容器开关电路系统中的一组电容器开关电路系统处于活动配置时，每个其他组电容器开关电路系统处于偏置配置。
13.根据权利要求11或12所述的开关电流源电路，其中，多组所述电容器开关电路系统包括至少三组电容器开关电路系统，并且其中，所述控制信号包括至少一个时钟信号，所述至少一个时钟信号的占空比被配置成使得当多组所述电容器开关电路系统中的一组电容器开关电路系统处于活动配置时，每个其他组电容器开关电路系统处于偏置配置。
14.一种数模转换器，包括根据前述权利要求中任一项所述的开关电流源电路。
15.一种集成电路系统，例如IC芯片，包括根据权利要求1至13中任一项所述的开关电流源电路，或根据权利要求14所述的数模转换器。
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