TWI339509B - Error cancelling comparator based switch capacitor circuit and method thereof - Google Patents

Description

1339509 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本《月係有關於種電子電路，尤指—種切換式電容電路。 【先前技術】 以比較器為主的切換式電容(comparai〇r s w滅 ’ ⑽c)電關為—種新興發展中的科技，與傳統的以運 算放大器為主的切換式電容(〇p based switch capacit〇r)電路相比較 之下這種CBSC電路提供了許多好處，而與傳統的切換式電容 電路類似，這種CBSC電路同樣也操作於兩種階段下，這兩種階 段分別為”取樣，，階段（samplingphase)與，，轉移”階段（_知 phase)，並且分別由兩個沒有部分重疊的時脈也與也所控制。 在以-取樣率為/運作之典型兩階段之以比較器為主的切換式電 谷電路中，母1¾ ^又的持續時間係略小於取樣時脈週期1 // 的-^在取樣階段⑷_，係__取樣電容Cl來對一輸 • 人電壓Vl取樣，其中取樣絲C,的“ +，，端點係連接到Vl，而取 樣電容C,的‘‘-”端點係連接到—共模電壓〜，而在轉移階段 (Φ2)期間，儲存於取樣電容Ci的電荷係經由一電荷轉移電路轉 移到一積分電容C2 ’其中此電荷轉移電路包含有一比較器13〇以 及-電荷泵（CP) 140，而電荷果140包含有一電流源（current source) I丨以及一電流集（current sink) 12 ’如第1圖所示，其中 V〇D係為一供應電壓，且Vss係為此系統中之最低電位，請注意 VCM係為一共模電壓，而其電壓值通常接近於Vdd與Vss之平均 1339509 值。負載電容cL係經由一取樣開關15〇連接到Vcm，而取樣開關 150係由4換崎s所控制。此電荷轉移電路偏以轉移儲存於 取樣電容⑽電铜積分電紅2直到比較n13G_個輸入端具 =相同的電位為止，亦即Vx = v⑽。而以比較器為主的切換式電 容電路100在轉移階段⑹期間的運作原理將在以下内容中簡 單描述。 β 第2圖係描繪關於CBSC電路1〇〇在轉移階段的時序示意圖。 -開始時’係維持此切換訊號s ’使得取樣開關i5G會被關閉以形 成導通狀態’並錢得負載電容Cl可以連制I，與此同時， V〇停留在之_循環結束後的取樣轉，並且％會接近於^， 而k個伙時間㈣始並且在時間&結束的轉移階段⑹包含有 預先調整⑺階段、粗略的電荷轉移（Ει)階段、精細的電荷轉 移（匕”皆段以及-保持（H)階段等這四個子階段。首先，以比 較器為主的切換式電容電路贈會進入p階段（於時間並 且在此階段期間將輸出節點的電位v〇拉低到^，並且使得％ 下降到低於veM的Vx。。紐，於時L E|階段，而在此階 段期間，比較請係_到vx<veM，並_如4()之電流 集會將電荷从驰対貞載餘Cl、積分電容Μ及取樣電 容C|的電路中’以使得Vx以及V。魏相縣速地提高電壓。接 著，在比較_偵測到Vx>VeM的瞬間時，亦即_心_ 進入_段，在輯注意，姐魏的稍量，~會雖落後於 當^向上超越VCM日树切的時間點，而在純段_，電荷果

7 ，兹配合下列圖示'實施例之詳細說明及申請專利範圍，將上 述及本發明之其他目的與特點詳述於後。 【貫施方式】 “本說明書將會描述-_於_式電容的實施例，但在相關 技*領域巾具有通常知識者賴瞭酬本發啊以由許多種方式 來加以實現。 /又而σ ’本發明可以應用於任何的資料取樣類比電路，舉 例來说’本發明可以應用於一管線式類崎位轉換器（厦卜 也可以應用於—三角積分式類_位轉換器（deua-sigma 、）^料取樣類比電路通常是在—個多重階段下運作，在本 說明書中係揭露-種依據本發明所實兩階段之切換式電容電 路中’但這只是用於舉例說明，而不是本發明的限制條件，此外， 如同先前所描述的習知技術一樣，這兩種階段分別為取樣階段 广）與轉移階段⑹。在不失去—般性的狀況下，在本說明查 =利用-管線式類_位轉換器作為—個例子來制本發明戶二 教導的方法原理。 在-較佳實施财，在取樣階段⑹綱的電路架構係如 圖所4田输’其中，如同先前描述習知技術時所說明的例子一 比C,來對輸人電壓Vl取樣，然而，本說明書所揭露之以 b ^^為主的切換式電容電路刚A與第1圖所示之以比較器為主 的二 ===，，移-

Qr =(C, +C. 因此’在轉移階段⑹期間結束 由下列代數灯來絲： 騎於㈣電何可以

Qi/hin/) _ n 1 ~ Q? +Ql= ^(C，' +C，2 Ks + It + (C, + C'2). (^w™/) _ y〇nil)) 而最終的輸出電壓V。可糾下列倾奸來表示： y(liml) = y(/i„〇n U r \· 十---- 利用以上所條列的代數式子以及搭配操作條件〇C满C c2就可以得到下列結果： 、 dM+(d).C|/C2 這個結果就是··最終輸出電壓v〇不包含任何比較器的偏移息 以及任何f關㈣量，即比鮮⑽移量錢f關延遲量所里 導致的誤差也因此已經完全被消除了。 對於熟習本技術領域者而言，本發明實施例所揭露之方法原 14 1 1339509 理也可以其他形式來加以實現，例如： (1)在預先調整（P或P，）階段期間，可以將輸出電壓Vo拉 升到此系統中最高的電位VDD，因此，在開始進入粗略的 電荷轉移（E^或三，,）階段之前使得VX>VCM，而在這個 狀態下，Ιι必須改換為一個電流集（currentsink)，以及 I2必須改換為一電流源（current source )。

(2)可以省略精細的電荷轉移階段E，2以及e2，由於電路的延 遲里所導致的誤差會被完全消除，所以可省略精細的電荷 轉移階段’在這個例子中，L電流亦可被省略，尚可以提 升整體電路的運作速度。 (3)可以利用-差動電路來取代一單端電路，第7圖係描繪一 差動電路的例子，在此請注意，雖然第7圖中的電荷泵 雇」如仏的電荷轉移階邮，對於熟習本技術領域 者而t可㈣地了解取要加人—電流源12.,.以及-電流 “ 2 ?尤可以包3有此—精細的電荷轉移階段，同樣地，亦 I輕易地設計出與第5騎描繪之單端電路麟應之一差 動電路。 t轉移階段(Φ2)_，可以將第5圖所示之電容Q的“ + ” 立而點及/或電容C，，的“丄”从 、彡而點連接到與不同於vCM之一電

15 (4) =舉例來說，對於—管線式類峻位轉換器而言，電容 1、^’2中任一電容的“+”端點都可以被連接到取決於電壓 11已固而預先定義之許多電壓的其中之一。 (5 ) ’2可以_複數個電容來組成，*這些電容在取樣 ^段（Φι)期間係為互相並聯，但是在轉移階段（也）期 間，延些電容的“+，，端點可以連接到每一個從許多預先定 義的電壓中選出之不同的電壓，或是連接到此系統中的一 個内部節點。 (6 ) -r- 1以選擇在轉移階段（Φ2)結束之後清除儲存於C2、C，, 乂及C 2的電荷（利用維持R訊號），而不是在取 ⑹開始的時候進行。 如何’本發明上述所教導的綠原理可糊地 這此:八此外，有許多開關（除了開關150之外）並沒有在 =圖不1Μ ’而這些削綠由複數個時脈訊號所控制，以定 -出取樣階段⑹以及轉移階段⑹下的電路架構（亦即電路 β 1的連接關係），對於熟習本技術領域者而言，這些開關 疋顯而易見。 、上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範 圍所做之解變化與_，皆應屬本發明 之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖係W會習知操作於轉移階段下之以比較器為主的切換 容電路之示意圖。 第圖制田、會第1圖所示之以比較器為主的切換式電容電路之時 序示意圖。 ί 3 11係本發明—實施例之操作於取樣階段下之以比較器為主的 切換式電容電路之示意圖。 φ 第4 ®係描料3 ®所示之以比較器駐的切換式電容電路之時 序示意圖。 第5圖係本發明一實施例操作於轉移階段下之以比較器為主的切 換式電容電路之示意圖。 第6圖係描續第5圖所示之以比較器為主的切換式電容電路之時 序示意圖。 第7圖係描繪第5圖所示之電路的一差動電路版本。 【主要元件符號說明】 1〇〇、100Α、100Β、100C 切換式電容電路 130 比較器 140、140Α 電何栗 c丨、C，1 取樣電容 C2、c，2 積分電容 Cl-、c’ 丨,、c’ LI、C’ L 負載電容 I. 電流源 h 電流集 150 取樣開關 17

Claims (1)

1. 十、申請專利範圍： 1，一種切換式電容電路，其包含： 一比較器； 一電荷泵電路；以及 複數個電容； 其中，在一取樣階段，該切換式 行取樣；

   電容電路係對一輸入電壓進 其中’在—娜·，軸料電容魏魏據已取樣之輸 入電壓以產生一生成電壓並轉移到-負載； 其中’勒換式電容電路係利職魏個電容中至少一電容 將其連接端之-紐反向改變以消除誤差。 2·如專利申請範_丨項所述之切換式電容電路，其中該取樣階 段包含有-預先調整階段、一電荷轉移階段以及一保持階段。 如專利巾請範_丨項所述之切換式電容電路，其中該轉移階 &包含有-贱雊階段一電荷_階段以及—保持階段。 《如專利申魏圍第丨項所述之切換式電容電路，其巾該負載包 5’如^利申晴賴第丨項所述之切換式電容電路，其中該複數個 電谷包含有-取樣電容以及一積分電容。 18 6. 6. 電路，其中在該取樣 如專獅請範I®第5賴述之切換式電容 階段，該取樣電容係雛於該輪入電麼。 圍第5項所述之場式電容電路，其中在該取樣 =，_分電耗__電荷泵魏，移階段， 積/刀電容係以一相反的極性輕接於該電荷栗電路。 8. 如^•利中請範圍第丨酬述之切換式電容電路 段以及該轉移階段係週期性地運作。 ’其甲該取樣階 9. 2利申請範㈣8類叙切換錢容電路，其中該複數個 電公電路包含有一取樣電容以及一積分電容。 10. 如專辦請細第9項所述之切換式電容電路，其中在該取 樣，泫取樣電容係耦接於該輸入電壓。 U·如專利申請範圍第9項所述之_式電容電路，其中在該取 Τ階段’顧分電容係祕於該電躲電路，而在該轉移階 & ’遣積分電容細-相反的極_接於該電荷系電路。 12.―種祕―切献電容之誤差、;肖除方法，糾換式電容 電路包含有-比㈣、—電荷泵電路以及複數個電容，該方 法包含有： 對一輸入電壓與由於該切換式電容電路的一誤差進行取 19 樣；以及 將4取樣之輸入電壓放大並且轉移到一負載，並且利用對 於該複數個電容中至少一電容將其連接端之一極性反 向改變以消除該誤差。 13.如專利申請範圍第12項所述之方法，其中該負載包含有一電 容。 14·如專利申請範圍第12項所述之方法，其中該切換式電容電路 係於一取樣階段以及一轉移階段週期性地運作。 15. 如專利申請範圍第14項所述之方法，其中該取樣階段包含有 一預先調整階段、一電荷轉移階段以及一保持階段。 16. 如專利申請範圍第15項所述之方法，其中該轉移階段包含有 一預先調整階段、一電荷轉移階段以及一保持階段。 17. 如專利申請範圍第14項所述之方法，其中該轉移階段包含有 一預先調整階段、一電荷轉移階段以及一保持階段。 18. 如專利申請範圍第14項所述之方法’其中該複數個電容包含 有一取樣電容以及一積分電容。 19.如專利申請範圍第18項所述之方法，其中在該取樣階段期 1339509

   間，該取樣電容係耦接於該輸入電壓。 20,如專利申請範圍第18項所述之方法，其中在該取樣階段，該 積分電容係耦接於該電荷泵電路，而在該轉移階段，該積分 電容係以一相反的極性耦接於該電荷泵電路。 Η—、圖式：

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