CN1234206C - 供开关电容器结构使用的放大器共模反馈系统 - Google Patents

供开关电容器结构使用的放大器共模反馈系统 Download PDF

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Abstract

供开关电容器结构(29)使用的改进型差分放大器(40)。诸放大器实施例包括一对(52)高跨导的差分晶体管(53，54)，用于产生差分电流并沿独立的路径(50)传送共模反馈信号，从而对产生共模电流的其它高跨导晶体管提供充足的峰值储备。差分和共模电流较佳地在输出阻抗有限的有源负载中产生差分与共模输出信号。

Description

供开关电容器结构使用的放大器共模反馈系统
相关申请的交叉参照
本发明要求2002年6月6日提交的美国临时申请60/387,952的利益。
技术领域
本发明一般涉及开关电容器系统，尤其涉及这类系统中的差分放大器。
背景技术
图1示出一种开关电容器系统20，其中的取样电容器Cs有一耦接差分放大器22的倒相输入端的顶板21和一通过第一取样开关24耦接输入口25的底板23。差分放大器22驱动输出口26，传输电容器Ct跨接差分放大器耦合。差分放大器具有高增益，故非倒相输入端基本上与其倒相输入端同电位。最后，第二取样开关27和传输开关28分别耦接项板21与底板23。
在取样工作模式时，第一和第二取样开关24与27都闭合，使输入口25的模拟输入信号Sin把取样电荷Qs激励入取样电容器Cs，从而在该取样电容器两端获得取样信号Ss＝Qs/Cs。在传输工作模式时，第一与第二取样开关24与27断开，传输开关28闭合，把取样电荷Qs传入传输电容器Ct，因而在输出口26产生输出信号Sout＝Qs/Ct。
图1的开关电容器系统20用差分放大器22和包括取样与传输电容器Cs与Ct开关电容器结构29组成。开关电容器结构29在取样模式中获取取样信号Ss，而差分放大器在传输模式期间把取样信号Ss处理成跨接传输电容器两端的输出信号Sout。这样就构成了传输函数Cs/Ct，在图2的曲线30中用斜率为Cs/Ct的曲线32表示。
在各种信号调节系统(入管道式模/数转换器(ADC))中，开关电容器系统20(及其差分型式)尤其适合用作取样器。在此类系统中，图1系统20的开关一般用互补金属-氧化物-半导体(CMOS)晶体管构成。图1以CMOS晶体管34为例示出这种结构，晶体管34代替用置换箭头35指示的传输取样开关24。
在管道式ADC中，初始的ADC级(如闪频ADC)一般把模拟输入信号转换成对应于输入信号Sin的数字输出信号的至少一个最高位Do。同时，取样的信号被处理成剩余信号Sres，适于被下游ADC级再处理成输出数字信号的诸最低位。
例如，若初始的ADC级是1.5位转换级，它提供的剩余信号Sres对应于图2的曲线36，其两个阶跃37与输入信号Sin范围的中点等间隔。阶跃由来自初始ADC级的判断信号启动。这样，剩余信号Sres的曲线36有三段被阶跃37限定，每段的斜率是曲线32的斜率的二倍。
例如，通过用一附加取样电容器增补图1的取样电容器Cs而增大斜率(即提高增益)，并用置换箭头39指示的多极传输开关38取代传输开关28，就能产生曲线36所示的剩余信号。对至少一个取样电容器的底板施加选择的补偿信号(如+V与-V)，该传输开关就响应于来自初始ADC级的数字判断信号Sdgtl，而该补偿信号生成图2曲线32的阶跃37。以该方式修改图1的开关电容器系统20时，通常将其称为乘法数/模转换器(MDAC)。
开关电容器系统20的取样与传输模式的速度与精度，十分依赖于差分放大器22的处理性能。由于系统20以取样与传输模式工作，所以差分放大器必然要求非连续工作，往往损害其性能。
发明内容
本发明旨在改进供开关电容器结构使用的差分放大器。本发明的放大器实施例包括一对生成差分电流的高跨导晶体管，并沿独立的路径传送共模反馈信号，从而为产生共模电流的其它高跨导晶体管提供充足的峰值储备(headroom)。较佳地，差分和共模电流以有源负载有限的输出阻抗产生差分与共模输出信号。
依照本发明，提供了一种开关电容器放大器，该放大器响应于一输入信号提供一输出信号，并根据一共模参考信号Srefcm与一估计误差信号Serrest，校正所述输出信号的共模电平。所述放大器包括：
电流源；
一对差分晶体管它们的基极经耦连用于接收所述输入信号，它们的发射极与所述电流源耦连，而它们的集电极用于提供所述输出信号；
第一和第二有源负载，它们分别与所述差分晶体管对中一个相应的集电极耦连；
第一和第二电容器，它们串联并具有相连的内极，串联的第一和第二电容器跨接所述差分晶体管对的两个所述集电极，并且；
开关电容器网络，它在第一操作模式下产生代表所述共模参考信号Srefcm与所述估计误差信号Serrest之差的差信号Sdiff，并在第二操作模式下将所述差信号Sdiff跨接所述第一和第二电容器两端，从而在所述相连的内极处提供一误差信号Serr；和
第一和第二反馈晶体管，它们的基极经安排用于接收所述误差信号Serr，它们各自的集电极分别与所述差分晶体管对中一个相应的集电极耦连。
在本发明的放大器中，所述开关电容器网路可以包括：第三和第四电容器，它们都具有外极和内极；第一开关网络，它在所述第一操作模式下把两个所述外极耦连，用以接收所述共模参考信号Srefcm，并且将两个所述内极耦连，用以接收所述估计误差信号Serrest，从而在所述第三和第四电容器中每个电容器的两端产生所述差信号Sdiff；和第二开关网络，它在所述第二操作模式下分别将所述第三和第四电容器与所述第一和第二电容器并联耦合。
在本发明的放大器中，还可以包括误差缓冲器，它经插入用于将来自所述相连的内极的所述误差信号Serr耦连至所述第一和第二反馈晶体管的基极。
在本发明的放大器中，还可以包括第一和第二反馈缓冲器，它们分别被插在所述差分晶体管对中一个相应的集电极与所述第一和第二反馈晶体管中一个相应的集电极之间。
在本发明的放大器中，还可以包括：误差缓冲器，它经插入用于将来自所述相连的内极的所述误差信号Serr耦连至所述第一和第二反馈晶体管的基极；和第一和第二反馈缓冲器，它们分别被插在所述差分晶体管对中一个相应的集电极与所述第一和第二反馈晶体管中一个相应的集电极之间。
结合附图阅读以下描述，将更理解本发明。
附图说明
图1为示例性开关电容器系统的示意图，
图2是表示图1开关电容器系统中传输函数的曲线图，和
图3是本发明用于图1开关电容器系统的差分放大器实施例的示意图。
具体实施方式
图3示出的开关电容器放大器40，响应于差分输入口42的差分输入信号Sin，在差分输出口43提供差分输出信号Sout，而且按输出口43下面所示的共模参考信号Srefcm与估计误差信号Serrest校正输出信号Sout的共模电平。放大器40包括差分前置放大器44、差分后置放大器46、开关电容器网络48和共模反馈回路50，它们都排列在示意参照的VDD与地之间。
由于本发明的放大器40要工作于开关电容器环境(如开关电容器取样器与MDAC)，故必须基本上工作于50％的占空因数，要求开关电容器网络48配备自己的共模存储器。但放大器每次从系统取样模式转换到系统传输模式，必须稳定到存贮在开关电容器网络48里的共模值。
本发明认为，该网络以主极电容Cd对放大器传输加载，转换操作的速度与精度取决于放大器前馈部与反馈部的增益-带宽积(GBW)，而GBW大体上正比于gm/Cd之比，其中gm是跨导，即输出电流与输入电压之比。
为提高放大器的转换速度，本发明认为，必须提高其差分前馈部还有共模反馈部的跨导gm。为使双极结型晶体管的跨导gm正比于其集电极电流，而CMOS晶体管的跨导gm正比于其漏电流的方根，故本发明希望用双极结型晶体管产生差分与共模电流。
但还认识到，通过应用更细的线宽，可用制造现代信号调节系统的光刻技术实现更大的电路密度，而这些更细的线条要求减少峰值储备，即降低集成电路的供电电压(图3中的VDD)。所以，本发明就沿独立的路径传送其共模反馈，以对各自产生差分与共模电流的差分后置放大器46和共模反馈回路50中的双极结型晶体管提供充足的峰值储备。
现在考虑一下放大器的细节。放大器40具备高增益，宽带宽的前置放大器44较佳地用高输入阻抗器件构成(如互补金属-氧化物-半导体(CMOS)器件)，以减小会劣化放大器40在开关电容器环境中精度的输入电流。
后置放大器46包括由双极结型晶体管53与54组成的差分对52，它们响应于栅偏压61通过第一集电极58控制来自电流源55(响应于栅偏压56)的电流，而第一集电极58设置了电流源晶体管59与60形式的有源负载。差分晶体管对52的基极接收前置放大器44的输出，它们的集电极58耦接输出口43。
开关电容器网络48包括串联耦接于第一集电极58两端的第一与第二电容器63与64，还包括第三与第四串耦的电容器65与66，它们通过以充电工作模式Mchrg传导信号的第一开关网络68耦接共模参考信号Srefcm与估计误差信号Serrest。传导时，第一开关网络68把第三和第四电容器65与66的外极耦接共模参考信号Srefcm，而把第三和第四电容器的联接内极耦接估计误差信号Serrest。
第二开关网络70以求均的工作模式Mavrg传导信号。传导时，第二开关网络70把第三和第四电容器65与66的外极耦接第一和第二电容器63与64各自的外极，并把第三和第四电容器联接的内极耦接第一和第二电容器联接的内极。
相应地，差信号Sdiff贮存在充电模式Mchrg的第三和第四电容器65与66的两端，该差信号等于共模参考信号Srefcm与估计误差信号Serrest之差。在求均模式期间，存贮的差信号Sdiff耦合在第一和第二电容器63与64两端，在第一和第二电容器63与64联接的内极生成误差信号Serr。
共模反馈回路50包括第一和第二双极结型反馈晶体管73与74，它们通过误差缓冲器76对误差信号Serr作出响应。第一和第二反馈晶体管的基极接收误差信号Serr，它们的第二集电极78都通过反馈缓冲器79与80中一个相应的反馈缓冲器耦接第一集电极58中相应的一个集电极。较佳地，反馈晶体管具有发射极电阻82，误差缓冲器76是耦合在偏压83与电流源84之间的共源级，而反馈缓冲器79和80是耦接偏压85的共栅级。
放大器40工作时，输入口42的输入信号Sin先被前置放大器44放大，再被后置放大器46放大，在输出口43产生输出信号Sout。为预防劣化输出信号Sout的精度，一定要控制第一集电极58(差分对52的)的共模信号电平。具体而言，应将共模信号电平基本上保持等于例如由相关偏压网络(未示出)产生的共模参考信号Srefcm。
然而，放大器40配置成工作于开关电容器环境，因而该放大器在系统传输模式期间有效，而在系统取样模式期间截止(如通过短路第一集电极58)。因此，在后置放大器46工作期间，具有第一和第二电容器63与64的开关电容器网络48就控制第一集电极58的共模电平。为此，开关电容器网络48产生(经第一和第二电容器63与64)误差信号Serr，该信号通过反馈缓冲器76耦合到第一和第二反馈晶体管73与74。
注意，误差信号Serr将与接地基准隔开栅源电压Vgs(由于缓冲器76)、基射电压Vbe(由于晶体管73与74)和电阻器82两端有关的压降。希望估计误差信号Serrest(与开关电容器网络48有关)近似为共模反馈回路50产生的最终误差信号Serr。因此，估计误差信号Serrest最好由模拟反馈缓冲器76的模拟网络(未示出)、至少一个反馈晶体管73与74以及至少一个电阻器82产生。
放大器40在充电模式Mchrg期间工作时，第一开关网络68把共模参考信号Srefcm耦至第一和第二电容器65与66的外极，把估计误差信号Serrest耦至它们联接的内极，从而在图3指示的各电容器两端建立差信号Sdiff。一般，在通常对应于放大器的开关电容器环境的传输模式的充电模式Mchrg期间，放大器40将有效。
在求均模式Mavrg期间，第二开关网络70把差信号Sdiff耦接在第一和第二电容器63与64两端，这样就将差信号Sdiff与先前存入第一和第二电容器63与64的信号求均，从而通过缓冲器76把修改的误差信号Serr耦至反馈晶体管73与74。
随之改变了第二集电极78的电流，而且由于该电流取自输出阻抗有限的电流源59与60(作为第一集电极58的差分电流)，也改变了原有的共模电压。通常，在一般对应于该放大器的开关电容器环境的取样模式的求均模式Mavrg期间，放大器40将截止。
在连续求均模式Mavrg时，差信号Sdiff与第一和第二电容器63与64上存在的信号连续求均，使这些电容器两端的信号向差信号Sdiff收敛，而第一集电极58的共模电平向共模参考信号Srefcm收敛。
因此，根据本发明，共模反馈沿一独立路径传送，对图3中差分后置放大器46和共模反馈回路50里的双极结型晶体管提供充足的峰值储备。这些晶体管的高跨导实现的差分与共模电流，提高了放大器的开关电容器环境中取样与传输模式之间转换的速度与精度。
本文描述的本发明诸实施例均用于示例，而且很易于设想出达到差不多同等效果的许多修正、变更与重新配置方法，而所有这些都落在所附权项规定的本发明的精神与范围内。

Claims (5)

1.一种开关电容器放大器，该放大器响应于一输入信号提供一输出信号，并根据一共模参考信号Srefcm与一估计误差信号Serrest，校正所述输出信号的共模电平，其特征在于，所述放大器包括：
电流源(55)；
一对(52)差分晶体管(53，54)，它们的基极经耦连用于接收所述输入信号，它们的发射极与所述电流源耦连，而它们的集电极(58)用于提供所述输出信号；
第一和第二有源负载(59，60)，它们分别与所述差分晶体管对中一个相应的集电极耦连；
第一和第二电容器(63，64)，它们串联并具有相连的内极，串联的第一和第二电容器跨接所述差分晶体管对的两个所述集电极，并且；
开关电容器网络(48)，它在第一操作模式下产生代表所述共模参考信号Srefcm与所述估计误差信号Serrest之差的差信号Sdiff，并在第二操作模式下将所述差信号Sdiff跨接所述第一和第二电容器两端，从而在所述相连的内极处提供一误差信号Serr；和
第一和第二反馈晶体管(73，74)，它们的基极经安排用于接收所述误差信号Serr，它们各自的集电极分别与所述差分晶体管对中一个相应的集电极耦连。
2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述开关电容器网路包括：
第三和第四电容器(65，66)，它们都具有外极和内极；
第一开关网络(68)，它在所述第一操作模式下把两个所述外极耦连，用以接收所述共模参考信号Srefcm，并且将两个所述内极耦连，用以接收所述估计误差信号Serrest，从而在所述第三和第四电容器中每个电容器的两端产生所述差信号Sdiff；和
第二开关网络(70)，它在所述第二操作模式下分别将所述第三和第四电容器与所述第一和第二电容器并联耦合。
3.如权利要求1所述的的放大器，其特征在于，还包括误差缓冲器(76)，它经插入用于将来自所述相连的内极的所述误差信号Serr耦连至所述第一和第二反馈晶体管的基极。
4.如权利要求1的放大器，其特征在于，还包括第一和第二反馈缓冲器(79，80)，它们分别被插在所述差分晶体管对中一个相应的集电极与所述第一和第二反馈晶体管中一个相应的集电极之间。
5.如权利要求1所述的的放大器，其特征在于，还包括：
误差缓冲器(76)，它经插入用于将来自所述相连的内极的所述误差信号Serr耦连至所述第一和第二反馈晶体管的基极；和
第一和第二反馈缓冲器(79，80)，它们分别被插在所述差分晶体管对中一个相应的集电极与所述第一和第二反馈晶体管中一个相应的集电极之间。
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