TW201014192A - Adaptive bias current generation for switched-capacitor circuits - Google Patents

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201014192 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上係關於電子，且更具體言之，係關於用於 產生用於開關電容電路之偏置電流的技術。 【先前技術】 開關電容電路為在不同取樣電容器之間移動電荷以便達 成所要信號處理功能的電路。開關電容電路可基於電容器 大小之比率（而非絕對電容器大小）及取樣率（此兩者常常皆 可以高精確度被獲得）而準確地實施信號處理功能。開關 電容電路係廣泛地用以實施各種電路區塊，諸如西格瑪德 耳塔（sigma-delta)類比至數位轉換器（Σα ADC)、西格瑪德 耳塔數位至類比轉換器（ΣΔ DAC)、濾波器、截頻器 (decimator)，等等。 開關電容電路通常包括有助於在取樣電容器之間移動電 荷的主動電路，諸如運算跨導放大器（〇TA)。主動電路可 藉由大量電流被偏置，以便在最壞情況條件下提供滿意效 能。此接著可導致主動電路時常藉由過量電流被偏置，其 可為不良的。 【發明内容】 本文描述用於適應性地產生用於開關電容電路之偏置電 流以：成所要效能同時減少電力消耗的技術。在一設計 中’-種裝置包括開關電容電路及偏置電路。開關電容電 路包括：（i)至少—開關電容器，其係以—取樣率進行充電 及放電；及⑼放大器’諸如運算跨導放大器（〇ta)，其具 142293.doc 201014192 有與偏置電流成比例之頻寬。偏置電路產生用於開關電容 電路之偏置電流’⑴以針對放大器而獲得與取樣率成比例 之頻寬，及⑴）以追蹤歸因於積體電路（IC)製程及溫度之變 化的該（該等）開關電容器之改變。 在叹°十中，開關電容電路包含以取樣率來數位化類比 信號且提供數位樣本2ΣΔ ADC。ΣΔ ADC可支援與不同取 樣率相關聯之多個模式。可自所支援模式之中選擇一模 式。偏置電路接著可針對選定模式而將偏置電流產生為與 取樣率成比例。開關電容電路之安定時間可藉由多個模式 且跨越1C製程及溫度變化而追蹤。在其他設計中，開關電 容電路可包含濾波器、截頻器或某其他電路。 在一設計中，偏置電路包括開關電容負載、驅動電路及 電流鏡。在一設計中，開關電容負載包括：⑴第一電容 器，其係基於第一控制信號進行放電且基於第二控制信號 進订充電；（11)第二電容器，其係基於第二控制信號進行 放電且基於第一控制信號進行充電，·及（iii)第三電容器， 其濾波用於第一電容器及第二電容器之充電電流。偏置電 "IL可與第一電容器及第二電容器成比例，其可經由丨匸製程 及溫度之變化而追蹤開關電容電路中之開關電容器。驅動 電路向開關電容負載中之第一電容器及第二電容器提供充 電電流。電流鏡接收充電電流且提供偏置電流。 以下更詳細地描述本發明之各種態樣及特徵。 【實施方式】 本文所描述之技術可用於開關電容電路，開關電容電路 142293.doc 201014192 係用於各種電路區塊，諸如ΣΑ ADC、ΣΔ DAC、濾波器、 截頻器，等等。該等技術亦可用於各種應用，諸如無線通 信、計算、網路連接、消費電子，等等。該等技術亦可用 於各種器件，諸如無線通信器件、蜂巢式電話、個人數位 助理（PDA)、掌上型器件、無線數據機、膝上型 線電話、藍芽器件、廣播接收器、消費電子器件，等等。 為了清楚起見，以下描述該等技術在無線通信器件（其可 為蜂巢式電話或某其他器件）中之使用。 圖1展示無線通信器件100之設計的方塊圖。為了簡單起 見，圖1中僅展示接收器部分。亦為了簡單起見，圖i中僅 展不用於一天線之一接收鏈，一般而言，無線器件可包括 用於任何數目之天線、任何數目之頻帶及任何數目之無線 電技術之任何數目的接收鏈。 天線110接收由基地台傳輸之經射頻（RF)調變信號且提 供經接收RF信號。低雜訊放大器（LNA)U2放大經接收RF 信號且提供經放大RF信號。濾波器114濾波經放大RF信號 以傳遞在所關注頻帶中之信號分量，及移除頻帶外雜訊及 不當信號。降頻轉換器116以本端振盪器（L〇)信號對經濾 波RF彳§號進行頻率降頻轉換，且提供經降頻轉換信號。選 擇LO信號之頻率，使得選定頻道中之所要信號降頻轉換 至基頻或近基頻。放大器（Amp)118放大經降頻轉換信號， 且提供具有所要信號位準之信號。低通濾波器12〇濾波來 自放大器118之信號以傳遞選定頻道中之所要信號，及移 除可由降頻轉換製程產生之雜訊及不當信號。 142293.doc 201014192 ΣΔ ADC 130基於取樣時脈SCLK而數位化來自低通濾波 器120之類比信號’且將數位樣本提供至資料處理器15〇。 ΣΑ ADC 130可提供特定優點，諸如更好線性、改良之量化 雜訊特性’及在其他類型之ADC上之更簡單實施。ΣΔ ADC 130可藉由以比所要信號頻寬大許多倍的取樣率來進 4 行類比信號之振幅之改變的逐次一位元近似而執行類比信 號之類比至數位轉換。數位樣本包括所要信號及量化雜 訊。可設計ΣΔ ADC 130 ,使得量化雜訊被推出（或雜訊成 形）頻帶外，使得其可更易於被濾波。 如下文所描述’偏置電路140產生用於以ADC 130之偏 置電流。ΣΔ ADC 130及偏置電路140可實施於類比ic、RF IC(RFIC)、混頻信號ic、特殊應用積體電路（ASIC)等等 上。 資料處理器150可包括用於處理來自Σα ADC 13 0之數位 樣本的各種單元。舉例而言’資料處理器15〇可包括一或 多個數位信號處理器（DSP)、精簡指令集電腦（Rise)處理 器、中央處理單元（CPU) ’等等。控制器/處理器16〇可控 制無線器件100處之操作。如圖1所示，控制器/處理器16〇 可產生用於ΣΑ ADC 130之取樣時脈及用於偏置電路14〇之 控制彳S號。取樣時脈及控制信號亦可藉由無線器件1 〇〇内 之某其他單元而產生。記憶體162可儲存用於無線器件1〇〇 之程式碼及資料。 圖1展示藉由亦可被稱作零IF(ZIF)架構之直接轉換架構 而貫施之接收器的設計。在直接轉換架構中，尺1?信號係在 142293.doc 201014192 -階段中直接自灯經頻率降頻轉換至基頻。接收器亦可藉 由超外差架構進仃實施，在超外差架構中，信號係在多 個1¾ &中&頻率降頻轉換，例如，在—階段中自經頻率 降頻轉換至中頻（IF)’且接著在另—階段中自難頻率降 ㈣換至基頻。超外差架構與直接轉換架構可使用不同電 路區塊及/或具有不同要求。 圖1展示具有ΣΔ就之教接收器設計。接收器亦可包 括圖1中未圖示之不同及/或額外電路區塊。舉例而言，可 以常規ADC來替換ΣΔ ADC 13〇，可以開關電容慮波器來替 換低通濾波器120，等等。一般而言，接收器可包括用於 任何數目之電路區塊的任何數目之開關電容電路。為了簡 單起見，下文許多描述假設ΣΔ ADC 130為無線器件100内 之唯一開關電容電路。 無線器件100可支援用於無線通信、地面廣播、衛星通 信等等之一或多種無線電技術^舉例而言，無線器件1〇〇 可支援以下無線電技術中之一或多者： •全球行動通信系統（GSM)、寬頻分碼多重存取 (WCDMA)、長期演進（LTE)，及/或來自名為「第三代合 作夥伴計劃」（3GPP)之組織的其他無線電技術； • CDMA2000 1X(或簡單地’ IX)、CDMA2000 lxEV-DO(或簡單地’ lxEV-DO)、超行動寬頻（UMB)，及/或來 自名為「第二·代合作夥伴计劃2」（3GPP2)之組織的其他 無線電技術；

• IEEE 802.ll(Wi-Fi)、IEEE 802.16(WiMAX)、IEEE 142293.doc 201014192 802.20，及/或來自IEEE之其他無線電技術； •掌上型數位視訊廣播（DVB-Η)、地面電視廣播之整合服 務數位廣播（ISDB-T)、MediaFLOTM，及/或其他數位廣 播系統；及 •美國全球定位系統（GPS)、歐洲伽利略（Galileo)、俄羅 斯GLONASS，或全球導航衛星系統（GNSS)。 無線器件1 〇〇可支援用於一或多種無線電技術之多個操 作模式。每一模式可針對特定無線電技術中之特定信號頻 寬。LTE及UMB支援可變信號頻寬，且可針對LTE及UMB 中之不同可能信號頻寬而定義多個模式。可設計無線器件 100内之ΣΔ ADC 130及其他開關電容電路以處置由無線器 件100所支援之所有模式。 ΣΔ ADC 130可藉由各種設計進行實施，諸如單迴路ΣΔ ADC、MASH ΣΑ ADC，等等。ΣΑ ADC 130亦可以任何階 進行實施，例如，第一階、第二階或更高階。一般而言， 更高階可以更大電路複雜性為代價而提供更好效能。 圖2展示第二階ΣΑ ADC 130的方塊圖，其為圖1中之ΣΔ ADC 130的一設計。ΣΔ ADC 130包括串聯地耦接之兩個區 段210a及210b、量化器230及1位元DAC 232。 在區段210a内，求和器212a自類比信號減去由DAC 232 所輸出之經量化信號。求和器2 12a之輸出係藉由積分器 220a而積分，且由放大器222a以心之增益而放大以獲得區 段210a之輸出。在區段210b内，求和器212b自區段210a之 輸出減去經量化信號。求和器212b之輸出係藉由積分器 142293.doc •10- 201014192 220b而積刀，且由放大器222b以&之增益而放大以獲得區 段210b之輸出。量化器230比較區段21〇b之輸出與參考電 壓，且基於比較結果而提供1位元數位樣本。DAC 232將 數位樣本轉換至類比，且提供經量化信號。 積分器220a及220b可藉由各種開關電容電路設計進行實 • 施，諸如單次取樣開關電容電路、相關雙重取樣（CDS)電 路、自動歸零（AZ)電路、斬波穩定（cs)電路，等等。開關 電容電路使用一或多個放大器、電容器及開關，其皆可易 於以互補金氧半導體（CMOS)進行製造。 圖3展示藉由單次取樣開關電容電路而實施之積分器 220x之設計的示意圖。積分器22(^可用於圖〗中之積分器 220a及220b中之每一者。在積分器22〇?(内，開關312使一 端接收輸入信號且使另一端耦接至節點χ。開關3丨4耦 接於節點X與電路接地之間》電容器316耦接於節點χ與節 點Y之間。開關318耦接於節點γ與電路接地之間。開關 • 320耦接於節點Y與運算跨導放大器（〇TA)33〇之反相輸入 之間。OTA 330之非反相輸入麵接至電路接地。電容器322 麵接於OTA 330之反相輸入與輸出之間。開關324使一端麵 . 接至OTA 330之輸出且使另一端提供輸出信號開關 ，312及318係由（：1控制信號控制，且開關314、32〇及324係 由C2控制信號控制。OTA33〇接收偏置電流八心。 積分器220x操作如下。在第一相期間，開關312及318係 藉由C1信號上之邏輯高（logic high)而關閉，開關314、32〇 及324係藉由C2信號上之邏輯低（1〇gic i〇w)而打開，且電 142293.doc 201014192 容器316係藉由輸入信號4而充電。在第二相期間，開關 314、320及324係藉由C2信號上之邏輯高而關閉，開關312 及318係藉由C1信號上之邏輯低而打開，且電容器3丨6上之 電荷轉移至電容器322，此導致輸出信號變化。在每一 取樣時脈循環中，電容器316係藉由輸入信號而充電且隨 後將其電荷轉移至電容器322。 如圖2所示，積分器為ADC以及其他類型之開關電容 電路的基本組件。不同ΣΛ ADC設計可包括不同數目之積 分器及/或不同組態之積分器。如圖3所示，積分器可藉由 OTA、開關電容器及開關進行實施β 〇TA在開關電容器之 間移動電荷，例如，在圖3中係自電容器316至電容器 322。電荷轉移速度及準確度係視提供至〇ta之偏置電流 之量及電容器之大小而定。若電荷轉移速度不足夠快，則 電容器上之電荷在一時脈循環内將不完全轉移，且Μ ADC之效能可降級。 如上文所提及，無線器件100可支援用於多個無線電技 術之多個模式。不同模式可與不同信號頻寬相關聯。舉例 而言，無線器件100可支援用於GSM及WCDMAi兩個模 式。用於GSM之信號頻寬可為1〇〇千赫兹（KHz)，而用於 WCDMA之信號頻寬可為1.92百萬赫茲（厘1^)。 SAADC 130之速度要求針對不同模式可能不同。—般而 言，ΣΔ ADC 130需要逐步更快之速度以用於逐步更大之信 號頻寬。為了支援多個模式，可藉由可程式化速度來設計 ZAADC 130。相對複雜之可程式化偏置電路可用以針對不 142293.doc 12 201014192 同模式而產生用於ΣΔ ADC 130之可程式化偏置電流。然 而，針對每一模式，2AADC 130之速度可歸因於⑴製程及 溫度之變化而廣泛地變化。為了對抗此情形，可藉由足夠 大之餘裕（margin)來產生偏置電流，以便確保即使在最壞 情況條件下ΣΔ ADC 130之速度亦可滿足系統要求。因為偶 爾可遭遇最壞情況條件，所以在多數情況下過量偏置電流 可用於ΣΔ ADC 130。ΣΔ ADC 130之電力消耗及晶粒面積 可能不最佳。 ❹ 在態樣中’開關電容電路（例如，ΣΔ ADC)可經設計及 操作以具有可基於取樣率而變化之效能。此可藉由具有以 下各項而達成：（i)〇TA，其具有與偏置電流成比例之迴路 增益頻寬；及（ii)偏置電路，其可將偏置電流產生為與取 樣率及電容成比例。此可允許藉由改變偏置電流而針對不 同模式來變化開關電容電路之速度。此亦可確保開關電容 電路之速度及所得效能跨越IC製程及溫度之變化將足夠。

φ 圖4展示具有與偏置電流成比例之迴路增益頻，寬之〇TA 400之設計的示意圖。〇TA 4〇〇可用於圖3中之〇ta 。 在ΟΤΑ 400内，電流源41 〇麵接於節點ζ與電路接地之間， 且提供偏置電流。Ν通道金氧半導體（NM〇s)電晶體412 -及422使其源極耦接至節點z，且使其閘極分別耦接至 400之非反相輸入及反相輸入。NM〇s電晶體 414及424使其閘極接收偏置電壓匕3、使其源極分別耗接 至NMOS電晶體412及422之汲極，且使其汲極分別耦接至 反相輸出（F。心）及非反相輸出（匕吟）。p通道河〇8(1>1^〇3)電 142293.doc -13- 201014192 晶體416及426使其閘極接收偏置電壓，且使其汲極分 別耦接至NMOS電晶體41 4及424之汲極。PMOS電晶體418 及428使其源極耦接至電力供應電壓VDD、使其閘極接收偏 置電壓Κό1，且使其汲極分別耦接至PMOS電晶體416及426 之源極。 一般而言，可在三個區域（飽和或強反轉區域、線性區 域及弱反轉區域）中之一者中操作MOS電晶體。在一設計 中，可在弱反轉區域中操作NMOS電晶體412及422，使得 ΟΤΑ 400之跨導“與偏置電流成比例，或心，其中尺 為定標因數。OTA 400之迴路增益頻寬則可表達為： BW=^-= K~Ib^， 方程式（1)

C C 其中C為積分電容器（例如，圖3中之電容器322)之電 容；且 5酽為OTA 400之迴路增益頻寬。 如方程式（1)所示，藉由在弱反轉區域中操作NMOS電晶 體412及422，可藉由改變八…電流來變化OTA 400之迴路 增益頻寬。可藉由將NMOS電晶體之大小選擇為足夠大以 使得匕-ΚξΟ而在弱反轉區域中操作NMOS電晶體412及 422，其中匕,為閘極至源極電壓且Fu為臨限電壓。 在一設計中，可適應性地產生開關電容電路之電流 以追蹤歸因於1C製程及溫度之變化的電容器大小之改變。 用於開關電容電路之取樣電容器可隨著1C製程及溫度而變 化，且為給定速度所需要之偏置電流之量可因此隨著1C製 142293.doc • 14- 201014192 程及溫度而改變。偏置電流可經產生為與開關電容電路内 之取樣電容器之大小成比例。此可確保開關電容電路之速 度及所得效能跨越ic製程及溫度之變化將足夠。 在一設計中，可基於選定操作模式而適應性地產生開關 電容電路之偏置電流。可在不同模式中以不同取樣率來操 作開關電容電路。針對每一模式之取樣率可基於針對彼模 式之信號頻寬（例如，與針對彼模式之信號頻寬成比例）進 Φ 行選擇。在一設計中，偏置電流係與取樣率或頻率成比 例。此可確保開關電容電路之速度針對每一模式足夠。 圖5展示圖i中之偏置電路14〇之設計的示意圖。偏置電 路140可基於選定模式而適應性地產生用於開關電容電路 (例如ΣΔ ADC 13 0)之偏置電流，且追蹤1(：製程及溫度之 變化。在圖5所示之設計中，偏置電路14〇包括驅動電路 51〇、開關電容負載520及電流鏡54〇。 在驅動電路510内，運算放大器（〇p_amp)512使其非反相 • 輸入接收偏置電壓^，且使其反相輸入轉接至節點C。 NMOS電晶體514使其源極耗接至節點c、使其閘極编接至 Op amp 512之輸出，且使其汲極耦接至節點D。電容器 •耦接於op-amp 512之輸出與電路接地之間。電容器518耦 接於NMOS電晶體514之閘極與源極之間。 開關電容負載520輕接於節點c與電路接地之間。在開關 電容負載520内’開關522與電容器526係並聯地麵接，且 該組合麵接於節點A與電路接地之間。開M52蝴接於節點 A與節點C之間。開關532轉接於節點B與節點c之間。開關 142293.doc 15 201014192 534與電容器536係並聯地耦接，且該組合耦接於節點B與 電路接地之間。電容器528耦接於節點C與電路接地之間。 開關522及532係由S1控制信號控制，且開關524及534係由 S2控制信號控制。 電容器526及536可藉由用於開關電容電路中之相同類型 之電容器進行實施。各種類型之電容器可能可用，諸如金 屬電容器、MOS電容器，等等。藉由與開關電容電路中之 開關電容器相同之類型的開關電容器來實施電容器526及 536，由偏置電路140所產生之偏置電流可更準確地追蹤歸 因於1C製程及溫度變化之電容器大小之改變。 電流鏡540耦接於節點D與電力供應電壓VDD之間。在電 流鏡540内，PMOS電晶體542及544使其源極耦接至供應電 壓，且使其閘極耦接在一起且耦接至節點D。PMOS電晶 體542之汲極亦耦接至節點D，且PMOS電晶體544之汲極 提供偏置電流八…。電容器546耦接於供應電壓與PMOS電 晶體542及544之閘極之間。 偏置電壓可藉由帶隙電壓參考而產生，且可跨越1C 製程及溫度變化而大致恆定。偏置電壓亦可藉由其他 電壓參考而產生且可具有任何適當值。〇p-amp 5 12及 NMOS電晶體514係作為在節點C處提供電壓^心之回饋電 路而操作。電容器516補償回饋迴路，使得其穩定。當 NMOS電晶體514正充電電容器526或536時，電容器518減 少電流尖峰。 開關電容負載520藉由在一時脈週期内平均化電容器526 142293.doc -16· 201014192 及536中之電荷轉移而實現等效電阻器。由NMOS電晶體 5 14所提供之平均充電電流係視等效電阻器及節點c 處之Vbias電壓而定。 圖6展示用以產生用於偏置電路140之S1及S2控制信號之 電路600之設計的方塊圖。電路600可為圖1中之控制器/處 理器160的一部分或無線器件1〇〇内之某其他單元的一部 分。 在電路600内，時脈產生器61〇接收用於無線器件ι〇〇之 選定模式，且基於選定模式而產生取樣時脈SCLK。可基 於與選定模式相關聯之信號頻寬及/或其他因數而確定取 樣時脈之頻率或速率。控制信號產生器62〇接收取樣時脈 且產生用於開關電容負載52〇内之開關之S1及S2控制信 號。 圖7展示S1及S2控制信號的時序圖。圖7之頂部展示取樣 時脈，其具有由選定模式所確定之頻率S1信號在 取樣時脈處於邏輯高時之第一相φ!期間處於邏輯高。相反 地，S2信號在取樣時脈處於邏輯低時之第二相衫期間處於 邏輯高。S1信號與S2信號非重疊且具有頻率力⑽一％。每一 控制信號具有小於50%之占空比。 返回參看圖5，電容器526及536係經由開關522、524、 532及534而以取樣率進行週期性地充電及放電。在第一相 Φ1期間’開關522及532係藉由S1信號上之邏輯高而關閉， 且開關524及534係藉由S2信號上之邏輯低而打開。電容器 526係經由開關522而放電，且電容器536係藉由NM〇s電晶 142293.doc •17- 201014192 體514經由開關532而充電。 在第二相φ2期間，開關522及532係藉由S1信號上之邏輯 低而打開，且開關524及534係藉由S2信號上之邏輯高而關 閉。電容器526係藉由NMOS電晶體514經由開關524而充 電，且電容器536係經由開關534而放電。 電容器526及536因此係藉由NMOS電晶體514而在交替取 樣時脈相時充電，且每一電容器係在互補時脈相時充電及 放電。由NMOS電晶體514所提供之平均充電電流可表達 為：

Icharge=fsampl,ng<C,+C2)-Vbias > 方程式（2) 其中（^為電容器526之電容，且C2為電容器536之電容。 電容器526與電容器536可具有相同大小，使得C1=C2。 如方程式（2)所不*平均充電電流/e/；arge係分別精由偏置 電壓]、取樣率却以及電容器526及536之電容（7丨及 C2而確定，且係與偏置電壓、取樣率以及電容 器526及536之電容(^及^成比例。針對更高取樣率，更常 常充電及放電電容器526及536，且充電電流因此係與取樣 率成比例。針對更大電容器526及536，在每一取樣時脈循 環中使用更多電流以將此等電容器充電至偏置電壓，且充 電電流因此係與此等電容器之大小成比例。 電容器528校平及濾波充電電流，且具有電容C3，其可 大於電容器526及536之總電容，或（：3>((^+(：2)。電容器528 充當只要開關524及532關閉便校平充電電流中之尖峰的大 電荷組（charge bank)。電容器528及由週期性地充電及放電 142293.doc -18 - 201014192 電容器526及536而引起之等效電阻器將額外極引入至回饋 迴路，且藉由電容器516來確保此迴路之穩定性。 電流鏡540產生偏置電流，使得其鏡射平均充電電流 。在一設計中’ PMOS電晶體542與PMOS電晶體544 具有相同大小，且偏置電流大致等於充電電流。在另一設 計中，PMOS電晶體542與PMOS電晶體544具有不同大小， 且偏置電流係視PMOS電晶體大小之比率而定。.舉例而 言，PMOS電晶體544可比PMOS電晶體542大因數Μ，且偏 置電流接著將比放電電流大Μ倍。此設計可減少偏置電路 140之電力消耗。電容器546防止PMOS電晶體542及544之 閘極電壓改變且因此提供額外濾波。 如方程式（2)所示，圖5所示之設計允許基於選定模式而 適應性地產生偏置電流八,。偏置電流係與取樣率成比 例，其可基於選定模式而確定。針對具有更高速度之模 式，應用更高取樣率，且藉由用於ΣΑ ADC之偏置電路140 來產生更大偏置電流。 圖5中之設計亦允許偏置電流追蹤歸因於1C製程及溫度 之變化的用於ΣΔ ADC之積分器中之取樣電容器之改變。 偏置電流係與電容器526及536之電容(^及心成比例，其可 以與取樣電容器相同之方式跨越1C製程及溫度而變化。舉 例而言，若ΣΑ ADC内之取樣電容器歸因於1C製程及溫度 變化（例如，高溫及/或慢1C製程）而變大，則電容器526及 536將以大致相同百分比變大，且偏置電路140將產生按比 例更大之偏置電流，此接著將允許ΣΔ ADC内之ΟΤΑ更快 142293.doc -19- 201014192 地移動電荷。 圖8展示用於適應性地產生用於開關電容電路（例如，ςδ ADC)之偏置電流之製程8〇〇的設計。可自與不同取樣率相 關聯之多個模式之中選擇一模式（區塊812)。可以可變且視 選定模式而定之取樣率來操作開關電容電路（區塊814)。開 關電容電路可具有與偏置電流成比例之迴路增益頻寬。在 °又冲中’開關電容電路可包含以取樣率來數位化類比信 號且提供數位樣本之ΣΔ ADC。

可基於針對開關電容電路之取樣率（例如，與針對開關 電容電路之取樣率成.比例)而產生用於開關電容電路之偏 置電流，以獲得選定迴路增益頻寬及以追蹤歸因於IC製程 及溫度之變化的開關電容電路中之至少一開關電容器之改 變(區塊816)。可基於以下各項而產生偏置電流⑴至少 電谷器其經由IC製程及溫度之變化而追蹤開關電容電 中之該至夕開關電容器；及/或（ii)偏置電壓，其可_ 由帶隙或某其他電壓參考而產生。 ❹ 在區塊816之一由 _p _ _ 11 °十中，可基於第一控制信號而放電及 土於第二控制信號而充電第-電容器(例如，電容器526)。 可：：第二控制信號而放電及基於第一控制信號而充電第 一電容器（例如，電容器 , 电谷器536)。可濾波用於第一電容器之 電電流及用於第二雷交哭 充電電流（例如，藉由電容器 、電容器546,等等)以獲得平均充電電流 ===電流（例如，作為平均充電電流之電流鏡）而產

生偏置電流。亦可甘a + 1 I 了以其他方式來適應性地產生偏置電流， 142293.doc -20- 201014192 使得其與取樣率成比例及/或追蹤IC製程及溫度之變化。 執行電腦模擬以跨越1C製程及溫度變化而量測ΣΔ ADC 130内之OTA的安定時間。安定時間為使〇ΤΑ以指定準確 度在電容器之間轉移電荷所花費的時間量。電腦模擬量測 ⑴在基於圖5所示之設計而適應性地產生之偏置電流的情 況下ΟΤΑ的安定時間’及（ii)在藉由將電壓施加於固定 電容器上而產生之偏置電流的情況下〇TA的安定時間。電 腦模擬指示在適應性地產生之偏置電流的情況下的安定時 間與在習知地產生之偏置電流的情況下的安定時間相比， 跨越1C製程及溫度變化具有少得多的擴展。 本文所描述之技術可能能夠減少ΣΔ ADC及其他開關電 容電路之電力消耗，且改良ADC及其他開關電容電路 之效能’因為適應性地產生之偏置電流可針對最壞情況條 件確保足夠速度，而不需要用於偏置電流之大餘裕❶藉由 使用適應性地產生之偏置電流’ ΣA ADC及其他開關電容 電路之效能亦可跨越1C製程及溫度角（corner)而在更緊密 範圍内變化，此可改良良率。當支援大量模式時，該等技 術特別有益。舉例而言，針對具有不同取樣率之17河8可能 存在10個模式。該等技術可易於針對所有模式而產生不同 偏置電流’以達成更低電力消耗及良好ADC效能。 本文所描述之技術及偏置電路可實施於IC、類比Ic、 RFIC '混頻信號ic、ASIC、印刷電路板（PCB)及電子器件 等等上。偏置電路亦可藉由各種IC製程技術進行製造，諸 如CMOS、NMOS、PMOS、雙極接面電晶體（bjt)、雙極 142293.doc 21 201014192 CMOS(BiCMOS)、鍺化矽（SiGe)、砷化鎵（GaAs)，等等。 實施本文所描述之技術的裝置可為單獨器件或可為更大 器件的一部分。一器件可為⑴單獨Ic，（ii)可包括用於健 存資料及/或指令之記憶體1C之一或多個1(：的集合，（iii)諸 如RF接收器（RFR)或RF傳輸器/接收器（RTR)iRFIC，（iv) 諸如行動台數據機（MSM)之ASIC，（v)可嵌入於其他器件 内之模組、（vi)接收器、蜂巢式電話、無線裝置、手機或 行動單元，（vii)等等。 在一或多個例示性設計中，所描述功能可以硬體、軟 體、韌體或其任何組合來實施。若以軟體進行實施，則可 將該等功能作為一或多個指令或程式碼而儲存於電腦可讀 媒體上或經由電腦可讀媒體而傳輸。電腦可讀媒體包括電 腦儲存媒體及通信媒體兩者，通信媒體包括促進將電腦程 式自-位置傳送至另-位置之任何媒體。儲存媒體可為可 由電腦存取之任何可用媒體。藉由實例而非限制，該等電 腦可讀媒體可包含RAM、R〇M、EEpR〇M、cd r〇m或其 他光碟儲存器件、磁碟儲存器件或其他磁性儲存器件或 可用以载運或儲存以指令或資料結構之形式之所要程式碼 且可由電腦存取的任何其他媒體。又，可恰當地將任何連 接稱作電腦可讀媒體。舉例而言，若使用同轴電境、光纖 電規、雙扭線、數位用戶線（DSL)或諸如紅外線、無線電 及微波之無線技術而自網站、祠服器或其他遠端源傳輸軟 體’則同轴電鏡、光纖電缓、雙扭線、飢或諸如紅外 線無線電及微波之無線技術係包括於媒體之定義中。如 142293.doc 201014192 本文所使用之磁碟及光碟包括緊密光碟（CD)、雷射光碟、 光碟、數位化通用光碟（DVD)、軟性磁碟及藍光光碟，其 中磁碟通常以磁性方式來再生資料，而光碟利用雷射以光 予方式來再生資料。以上之組合亦應包括於電腦可讀媒體 之範疇内。 提供本發明之先前描述以使任何熟習此項技術者皆能夠 製造或使用本發明。在不脫離本發明之範疇的情況下，對 本發明之各種修改對於熟習此項技術者而言將係顯而易見 的，且可將本文所定義之一般原理應用於其他變化。因 此，本發明不意欲限於本文所描述之實例及設計，而應符 合與本文所揭示之原理及新穎特徵一致的最廣泛範疇。 【圖式簡單說明】 圖1展示一無線通信器件的方塊圖； 圖2展示一第二階EAADC的方塊圖； 圖3展示EAADC内之積分器的示意圖； 圖4展示OTA的示意圖； 圖5展示一偏置電路的示意圖； 圖6展示用以產生用於偏置電路.之控制信號之電路的方 塊圖； 圖7展示控制信號的時序圖；及 圖8展示用於適應性地產生用於開關電容電路之偏置電 流的製程。 【主要元件符號說明】 100 無線通信器件/無線器件 142293.doc -23- 201014192 110 天線 112 低雜訊放大器（LNA) 114 濾、波器 116 降頻轉換器 118 放大器（Amp) 120 低通濾波器 130 ΣΔ ADC 140 偏置電路 150 資料處理器 160 控制器/處理器 162 記憶體 210a 區段 210b 區段 212a 求和器 212b 求和器 220a 積分器 220b 積分器 220x 積分器 222a 放大器 222b 放大器 230 量化器 232 1位元DAC 312 開關 314 開關 142293.doc -24- 201014192 316 電容器 318 開關 320 開關 322 電容器 324 開關 330 運算跨導放大器（OTA) 400 OTA 412 N通道金氧半導體（NMOS)電晶體 414 NMOS電晶體 416 P通道MOS(PMOS)電晶體 418 PMOS電晶體 422 N通道金氧半導體（NMOS)電晶體 424 NMOS電晶體 426 P通道MOS(PMOS)電晶體 428 PMOS電晶體 510 驅動電路 512 運算放大器（op-amp) 514 NMOS電晶體 516 電容器 518 電容器 520 開關電容負載 522 開關 524 開關 526 電容器 142293.doc .25. 201014192 528 電容器 532 開關 534 開關 536 電容器 540 電流鏡 542 PMOS電晶體 544 PMOS電晶體 546 電容器 600 電路 610 時脈產生器 620 控制信號產生器 φΐ 第一相 φ2 第二相 A 節點 Β 節點 C, 電容 Cl 控制信號 c2 電容 C2 控制信號 c3 電容 D 節點 fsampling 頻率 I bias 偏置電流 I charge 平均充電電流 142293.doc -26- 201014192

SI 控制信號 S2 控制信號 SCLK 取樣時脈 vbl 偏置電壓 Vb2 偏置電壓 vb3 偏置電壓 Vbias 偏置電壓 Vdd 電力供應電壓 Vin 輸入信號 Vinn 反相輸入 Vinp 非反相輸入 vout 輸出信號 ^ out n 反相輸出 V 〇utp 非反相輸出 X 節點 Y 節點 142293.doc -27-

Claims (1)

1. 201014192 七、申請專利範圍： 1· 一種裝置，其包含： 一開關電容電路，其包含至少一開關電容器及一放大 器’該開關電容電路可操作以便以一取樣率來充電及放 . 電該至少一開關電容器，該放大器具有與-偏置電流成 比例之一頻寬；及 一偏置電路，其耦接至該開關電容電路且可操作以產 生用於該開關電容電路之該偏置電流’該偏置電流追蹤 • 歸因於積體電路（1C)製程及溫度之變化之該至少一開關 電奋器的改變，使得該放大器具有一與該取樣率成比例 之頻寬。 2. 如=求項1之装置，其中該偏置電路可操作以基於經由 1C製程及溫度之變化而追蹤該開關電容電路中之該至少 一開關電容器的至少一電容器而產生該偏置電流。 3. 如清求項1之裝置，其中針對該開關電容電路之該取樣 φ 帛糸可變的且其中該偏置電路可操作以將該偏置電流 產生為與該取樣率成比例。 4. 如4求項2之裝£，其中該偏置電路可操作以進一步基 於一偏置電壓而產生該偏置電流。 .5· W求項1之裝置’其中該放大器包含-運算跨導放大 姦（OTA) ’該OTA具有提供信冑增益且在—弱反轉區域 中操作之至少一金氧半導體（MOS)電晶體。 6.如凊求項1之裝置，其中該開關電容電路包含一西格瑪 德耳塔類比至數位轉換器（ΣΔ ADC)，該^ ADC可操作 142293.doc 201014192 以便以該取樣率來數位化一 w主击s 頰比仏唬且獒供數位樣本。 如靖求項6之裝置，其中 槎奄如… ^保午你丞於選自與不同取 樣率相Μ之^料之巾卜料 偏置電路可操作以^ 且具〒3亥 、 十對该ΣΔ ADCM該偏置電流產生為盥 該取樣率錢例。 U生為與 8. 9. 如凊求項7之裝置，其中該開關電容電路之 由該多個模式且跨越IC製程及溫度變化而追蹤。 =項1之裝置’其中該開關電容電路包含-濾波器 或一截頻器。 1〇·如凊求項1之裝置，其中該偏置電路包含： 開關電谷負載，其可操作以牽引—平均充電電流且 耗接至帛％關及第二開關之—第一電容器，該第 3關基於第一控制信號而放電該第一電容器，該第 一開關基於一第二控制信號而充電該第一電容器，且該 平均充電電流係基於用於該第一電容器之充電電流而確 定。 11. 如》月求項10之裝置，其中該開關電容負載進一步包含耦 ❹ 接至第二開關及第四開關之一第二電容器，該第三開關 基於該第二控制信號而放電該第二電容器，該第四開關 基於該第—控制信號而充電該第二電容器，且該平均充 電電流係進一步基於用於該第二電容器之充電電流而確 ’ 定。 12. 如*月求項u之裝置’其中該開關電容負載進一步包含一 第三電容器，該第三電容器耦接至該第二開關及該第三 142293.doc 201014192 開關x可操作以渡波用於該第—電容器之該充電電流 及用於該第二電容器之該充電電流。 13. 如請求項H)之裝置，其中該偏置電路進_步包含： -驅動電路’其耦接至該開關電容負載，且可操作以 接收一偏置電壓且提供該平均充電電流。 14. 如請求項13之襄置，其中該驅動電路包含： 電BB體其可操作以提供該平均充電電流；及 一運算放大器，其耦接至該電晶體，且可操作以接收 該偏置電壓且驅動該電晶體。 15. 如請求項Η之裝置，其中該驅動電路進一步包含： 一電容器，其耦接於該電晶體之一閘極與一源極之 間’且可操作以濾、波用於該第__電容器之該充電電流中 的尖峰。 16_如請求項10之裝置，其甲該偏置電路進一步包含： 電/”L鏡其可操作以接收該平均充電電流且提供該 偏置電流。 17.如研求項16之裝置，其中該電流鏡包含： 第一電晶體及第二電晶體，其源極雜接在一起且閘極 耦接在起，該第一電晶體可操作以提供該平均充電電 抓，且該第二電晶體可操作以提供該偏置電流；及 一電谷器，其耦接於該第一電晶體及該第二電晶體之 及等閘極與該等源極之間，且可操作以向該偏置電流提 供滤波。 如》月求項1之裝置，其中該裝置為一積體電路。 142293.doc 201014192 19. 一種方法，其包含： 以取樣率來操作一開關電容電路，該開關電容電路 具有與一偏置電流成比例之一頻寬；及 產生用於該開關電容電路之該丨置電&，以獲得與該 取樣率成比例之一頻寬，及以追縱歸因於積體電路 製程及溫度之變化之該開關電容電路中之至少一開關電 容器的改變。 如叫求項19之方法，其中該開關電容電路包含—西格瑪 德耳塔類比至數位轉換器（ΣΔ ADC)，且其中該以該取樣 率來操作該開關電容電路包含藉由該£么八〇〇：以該取樣率 來數位化一類比信號以獲得數位樣本。 21_如請求項19之方法，進一步包含： 自與不同取樣率相關聯之多個模式之中選擇一模式；及 針對該選定模式，將該偏置電流產生為與該取樣率成 比例。 22. 如請求項19之方法，其中該產生該偏置電流包含基於經 由1C製程及溫度之變化而追蹤該開關電容電路中之該至 少一開關電容器的至少一電容器而產生該偏置電流。 23. 如請求項19之方法’其中該產生該偏置電流包含： 基於一第一控制信號而放電一第一電容器； 基於一第二控制信號而充電該第一電容器；及 基於用於該第一電容器之充電電流而產生該偏置電 流。 24. 如請求項23之方法，其中該產生該偏置電流進一步包 142293.doc 201014192 含： 基於该第二控制信號而放電一第二電容器； 基於該第一控制信號而充電該第二電容器；及 進步基於用於該第二電容器之充電電流而產生該偏 置電流。 25·如請求項24之方法，其中該產生該偏置電流進一步包 含： 濾波用於該第一電容器之該充電電流及用於該第二電 容器之該充電電流以獲得一平均充電電流；及 基於該平均充電電流而產生該偏置電流。 26. —種裝置，其包含： 用於以一取樣率來操作一開關電容電路的構件，該開 關電容電路具有與一偏置電流成比例之一頻寬；及 用於產生用於s亥開關電容電路之一偏置電流以獲得與 該取樣率成比例之一頻寬及以追蹤歸因於積體電路（ic) 製程及溫度之變化之該開關電容電路中之至少一開關電 容器之改變的構件。 27. 如請求項26之裝置，其中該開關電容電路包含一西格瑪 德耳塔類比至數位轉換器（ΣΑ ADC)，且其中該用於以該 取樣率來操作該開關電容電路的構件包含用於藉由—西 格瑪德耳塔類比至數位轉換器（ΣΔ ADC)以該取樣率來數 位化一類比信號以獲得數位樣本的構件。 28. 如請求項26之褒置，進一步包含： 用於自與不同取樣率相關聯之多個模式之 — 切·悍—模 142293.doc 201014192 式的構件；及 用於針對該選定模式而將該偏置電流產生為與該取樣 率成比例的構件。 勺項26之裝置，其中該用於產生該偏置電流的構件 匕3基於經由1C製程及溫度之變化 路中之兮丨、a 該開關電容電 峪甲之該至少一開關電容器之至少〜 电 置電流的構件。 -容器而產生該偏 142293.doc