TWI339510B - Noise shaping switch capacitor circuit and method thereof - Google Patents

Description

1339510 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種電子電路，尤指一種切換式電容電路。 【先前技術】 以比較器為主的切換式電容（comparator based switch capacitor, CBSC)電路係為一發展中的新興科技，與傳統的以運算放大器為 主的切換式電容（operational amplifier based switch capacitor )電路 相比較之下’這CBSC電路提供了許多好處益處，而與傳統的切 換式電容電路類似，CBSC電路同樣也可操作於兩種階段下，這兩 種階段分別為”取樣”階段（sampling phase)與”轉移”階段（transfer phase)，並且分別由兩個沒有部分重疊的時脈也與也所控制。在 以一取樣率為/運作之典型兩階段之CBSC電路中，每一階段的持 續時間係略小於取樣時脈週期//的一半，其中在取樣階段 (也）’係利用一取樣電容c,來對一輸入電壓％取樣，其中取樣 電谷Ci的“ + ’’端點係連接到乂丨，而取樣電容的“—，，端點係連 接到一共模電壓VCM ;在轉移階段（φ2) ’儲存於取樣電容q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130以及一電荷泵（chargepump，cp) 140， 而電荷泵140包含有一電流源（current s〇urce ) I以及一電流槽 (currentsink)l2’如第1圖所示。在第1圖中，仏係為用於CBSC 電路100之一負載電容，❿VDD#為-供應電壓，且vss係為此 糸統中之隶低電位，清注意vcm係為一共模電壓，而其電壓值通 6 ^：' S / 1339510 常接近於vDD與vss之平均值；同時，負載電容Cl係經由一取樣 開關150連接到VcM，而取樣開關15〇係由一切換訊號5所控制。 此電荷轉移f路的目的在於轉賴存娜樣電容Q的電荷到積分 電奋c2直到比較13〇的兩個輸人端具有相同的電位為止，亦即

Vx = VCM ’而CBSC電路100在轉移階段⑹的運作原理將扼 要地描述於在以下内容中簡單扼要地描述。

在轉移階段的-開始’必須先進行一簡單的預先調整⑺階 段來清除貞«容且雜糕Vx^Vgm，而此預先調整 係利用㈣性地將輸出節點的電位v〇拉低到此系統中之最低電 位Vss來几成。接著’開始進入進行一粗略的電荷轉移⑹階段，

而在此粗略的電荷轉移階段，VX<VCM，並且電荷泵14◦係將電 流供應源I!開啟來將電荷注入到包含有負載電容Cl、積分電容C2 以及取樣電容W電路巾，以使#Vx能往V⑽的方向相對快速 地拉升，然彳㈣躲__雜认電荷制峨器130 偵測到VX>VCM，而在比較器13G制到Vx>Vw的瞬間時，利 用透過_電麵L以及·電流槽12㈣從包 CL、積分電容W及取樣電紅㈣路巾汲取電荷，、並轉進- 轉移（E2)階段，其中當刻意選擇—低於電流供應源 ^的電^曰12可以使得Vx能往回VCM的方向相對緩慢地降低電 13〇^"Jf，J 150 成開路’而並且儲存於負栽電容&的電荷則會被取 樣以及停止轉移。 示立第2圖係描繪關於CBSC餅·销移階段下的典型時序 :。—f伽系維持此切換訊號s ’使得取樣開關⑼會被關閉 時，=料狀態’並且使得負載電容Cl可以連接到I ;與此同 v。#留在之前_環結束後脉樣轉，並且％會接近於 八而這個《時間^開始並且在時間，5結束的轉移階段（也）包 預先雜（P)階段、粗略的電荷轉移（El)階段、精細的電 CBS移（E2)階段以及—保持⑻階段等這四個子階段。首先， C電路⑽會進入p階段（於時間〗|)，並且在此階段將輸出 =的電位vQ拉蝴Vss，並且餅νχ下_ v⑶的v奶， V於時間6進人E丨階段。而在於此階段，比較器η〇係偵測到 x<VCM ’並且電荷泵140會將電荷注入到包含有負載電容&、 、分電容Μ及取樣電容^㈣財，以使得％以及v〇都能 :對快速地提高輕，接著在比較器13G_到Vx>Vcm的瞬間 〜亦即於時間㈣始進人E2階段，由於電路的延遲量，^會稱 j洛後於當Vx^上超越時間點，而在&階段，電 何泵140會從由包含有負載電容c丨、積分電容Q以及取樣電容 」的電路巾錄電荷’以使得^錢％魏相·慢地降低電 壓’取後，以CBSC電路100會在時間亦即在比較器13〇再 次偵測到VX<VCM的時間點開始進人η階段，同樣地，由於電路 的延遲量4會稍微落後於當力向下超越％時確切的時間點， 而在Η P桃，不再轉切換訊號s，因此儲存於負載電容Cl的電 荷會停止轉移，並且電荷泵刚會被關閉。關於f知技術之cbsc 電路100有兩侧題，第_個問題是：因魏的延遲量，輸出信 號V〇的最終取樣數值縳有一誤差存在，如第2圖所示，可發現 實際的取樣數值總是稍微低於理想的取樣數值，；第二個問題則 是：習知技術之CBSC電路1〇〇易遭受到因内部元件（比較器） 中的偏移量所導致之誤差的影響。因内部元件（比較器）的偏移 量或電路的延遲量所導致之誤差皆會使系統的效能變差；此外， 内部元件（比較器或電荷录或兩者）也都會產生一些雜訊，特別 是低頻雜訊，亦即眾所週知的，，閃爍雜訊，，（flickern〇ise)。因此， 目刖亟需一種切換式電容電路，以消除因電路之不理想性（尤指 電路的延遲量及㈣元件（啸器的偏移4))所導致之誤差的方 【發明内容】 所述及之問題。 本毛明的目的之-在於提供—切換式電容電路，可解決上面 —切換式電容電路，可消除因電 # 本發明的目的之一在於提供 路不理想性所導致之誤差。 本發明的目 目的之一在於提供-切換式電容電路 想性所導致之誤差進行頻譜勤彡的方法。 ’對電路不理

除電路之誤差。 切換式電谷電路，利用變換複 9 不 在電荷轉移階段結束時，

Qr-cL(v^-V〇慮當邏輯訊號SWAP為η C, C, C2

It os 儲存於CL的電荷則由下列式子來表

Qiin,,) c ^TV(KJ- C2 C, C2 八 ^os ~

It ς 接著，考 4 ( SWAP = 1 )，在電荷轉移階段結走 ,:子於Cl與C2的電荷分別為ρ;1):%-/:與 Ql ’而輸出電壓則由下列式子來表示：

Qi C, Q? ρ<'> —---2- - 7/ C, C2~Vcm~〔 在電荷轉移·結树，儲存於cL _荷_下列式子表 不 QT=cl{vcm^v^C! C+^V'~Vc^)- 1 +

I v lx OS ~ — 明顯地，在SWAP = 〇時，由比較器的偏移量（v〇s)及電路 的延遲量⑺所導致的誤差項與在SWAp=1的情況下由比較器 的偏移I (V〇s)及電路的延遲量（τ)所導致的誤差項之正負符 戒剛好相反’而其他如閃爍雜訊的電路誤差也可得到相同的結論。 轉 在-實施例中，每當切換式電容電路謂Α完成—次取樣

12 V S 1339510 移的循環時，此邏輯訊號SWAP會改變本身的邏輯狀態；換言之， 右在目前的取樣一轉移循環中，邏輯訊號SWAp為邏輯值〇，則 在下一個取樣一轉移的循環中，邏輯訊號SWAp則會為邏輯值j， 而利用這制賴’由f賴引起之誤差就倾_成—高頻雜 訊因而在超取樣的系統中變得無關緊要。 在另-實關巾’此邏輯訊號SWAP係為—虛擬隨機雜訊序 列（pseudorandom noise seq職ce ’ PNsequence)，而利用這樣的 規劃’由電路所狀之誤差就會被調變成—隨機雜訊。 另’對於熟習本技術領域者的，本發明實施例所揭露之方 法原理也可以其他各種相關的變化形式來加以實現，其中包含有 以下所述之各個實施例： 〇)在預調（p)階段， ’可將輸出電壓v0拉升到此系統中最高

必須改換為一電流源。

13 1339510 例來說，對於一管線式類比/數位轉換器而言，電容Q的另一 端點可被連接到取決於電壓％範圍而預先定義之許多電壓的 其中之一。 (4)電容C!可利用複數個電容來實現，而這些電容在取樣階段 (Φΐ)係為互相並聯，但在轉移階段（φ2)，對於這些電容的 每電谷而言，其中之一端點（“+”或端點係由邏輯訊 號SWAP來決定）係連接到νχ，而其另一端點可連接到一預 先疋義的電壓’或是連接到此系統中的一内部節點。 本發明亦可利用一差動電路來取代一單端電路，第4圖係本 發明一實施例操作於取樣階段之一差動電路之示意圖，其中一對 取樣電容CV/CV.係對於一差動輸入電壓Vl,/V卜進行取樣，而第 5圖係本發明一實施例操作於轉移階段之一差動電路版本之切換 式電容電路100B之示意圖，其中在此實施例係利用差動電荷泵電 路將儲存於c1+/Cl-之電荷傳送到一對積分電容C2H/C2—，而在此 實施例中的轉移階段（也）包含有預調（p)階段、粗略的電荷轉 移（E〇階段以及保持（H)階段這三個子階段（sub_phase)，雖 然在此一實施例中沒有精細的電荷轉移階段氐，但對於熟習本技 術領域者而言，應該可輕易地了解到只要加入一電流源Ip及—電 流槽I2-就可包含有此一精細的電荷轉移階段。在預調（p)階段， V〇f會被拉低到VSs ’而V〇-會被拉高Vdd，以使得Vx+<Vx， 而在粗略的電荷轉移（Ει)階段，VXI <VX-纽電躲140A係 主入電荷到v0,，以及從v〇-汲取電荷直到比較器130偵測到

14 # X接著』始進八保持⑻階段，於此，開關及電 荷泵140A皆會被關閉。 第6圖係本發明另—實施鳩作於轉移階段之—差動電路版 本之切換式電容電路1(K)C之示意圖。在本實施例中，每當邏輯訊 波SWAP摘發時，本發明係將比較㈣_電荷泵1佩之輸 出的連接極性反向改變，以取代前述將—些電容之連接端的極性 反向改㈣枝。囉地，在本實關巾制用絲電荷果電路 將儲存於Cl，/Cl—之電荷傳送到-對積分電容CWCV.，而在此實 施例中的轉移階段（φ2)包含有預調⑺階段、粗略的電荷轉移 ⑻ΡΙ段以及保持（Η)階段這三個子階段，軸在此實施例中 沒有精細的電荷轉移階段&，但對於熟f本技術領域者而言，應 可輕易地了解到只S加人—電赫12+以及—電赌12〜就可包含 有此一精細的電荷轉移階段。在預調（P)階段，若SWAP = 〇， 則V〇p就會被拉低到vss ’而ν〇_會被拉高VDD，反之，則％+就 會被拉高vDD，而v〇―會被拉低到Vsy但無論如何，在進入粗略 的電荷轉移（EO階段前’本實施例可確保vx+<Vx._，而在粗略 的電荷轉移（E,)階段，電荷泵140A係注入電荷到V〇+(當SWAp =〇)或是ν〇-(當SWAP=1) ’以及從ν〇-(當SWAP=0)或是 V0+ (當SWAP= 1)汲取電荷直到比較器13〇偵測到νχ4 > Vx。 本實施例係利用改組器340來變換比較器130之連接端的極性， 以及利用改組器350來變換電荷泵140A之連接端的極性，以取代 前述將一些電容之連接端的極性加以改變的方式，如此，即可清 楚地瞭__式餘魏⑽C的電路·雜切換式電容電 路100B低’因此切換式電容電路i〇〇c是更佳的一個實施例。其 巾糊換式電谷電路可為以運算放Α||為主的切換式電容電路 或是以比較料域t猶式電容電路歧其㈣式的以比較器為 主的切換式電容電路。 另’在本5兒明書所揭露的全部内容中有許多開關（除開關15〇 藝外）疋必要的但並沒錢些圖示巾顯示，而㈣關係由複數個 時脈訊號所控制，以定義出取樣階段⑹及轉獅段⑹下的 電路架構（即電路元件間的連接關係），這些開關沒在這些圖示中 顯不疋因為這些開關是必然包含其中的，且對於熟習本技術領域 者而言，這些開關是顯而易見且不言自明的。 以上所述僅為本發明之較佳實施例’凡依本發明中請專利範 圍所做之鱗變化娜飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖係習知操作於轉移階段下之CBSC電路之示意圖。 第2圖係第1圖所示之CBSC電路之時序示意圖。 第3圖係本發明—實關操作於—轉移階段之切換式電容電路之 示意圖。 第4圖係本發明一實施例操作於一取樣階段之一差動電路版本之 - 切換式電容電路之示意圖。 16

，、S 1339510 第5圖係本發明一實施例操作於一轉移階段之一差動電路版本之 切換式電容電路之示意圖。 第6圖係本發明另一實施例操作於一轉移階段之一差動電路版本 . 之切換式電容電路之示意圖。 【主要元件符號說明】 100 : CBSC 電路 100A、100B、100C :切換式電容電路 • KH、130 :比較器 140、140A:電荷泵 150 :取樣開關 310、320、330、310+、320+、330+、310—、320—、330—、 340、350 改組器（shuffler) CL、CL+、CL-:負載電容 C1、C1+、C1 一：取樣電容 Φ C2、C2+、C2— 積分電容 12、Π—電流槽 II、11+電流源 17

Claims (1)

1339510

I"年仏漆正木丨 十、申請專利範圍： I 一種切換式電容電路，包含·· —比較器； 一電荷泵； 複數個電容；及 複數個改組器(Shuffler)，其中每一改組器係由一邏輯訊號所控 制來決定綠切換式電容電路中之一電路元件的連接端之 • 一極性，且該切換式電容電路係週期性地運作於一取樣 階段與一轉移階|免； 其中在該轉階段’該切換式f容電路係對—輪 ，取樣在該轉移階段，购換式電容電路係利用丄比例 綠大娜狀輸人訊賴產n域訊號並利用 该電荷泵將該第一生成訊號轉移到—資載。 其十該電路元件係為該複數 其中該電路元件係為該比較 其中該電路元件係為該 2·如第1項所述之切換式電容電路， 個電容的其中之一。 3.如第1項所述之切換式電容電路 器。 4.如第1項所述之切換式電容電路， 泵0 18 1339510 5‘如第1項所述之切換式電容電路，其中該邏輯訊號係為一交替 變換邏輯值的序列。 6. 如第1項所述之切換式電容電路，其中該邏輯訊號係為一虛擬 隨機序列。 7. 如第1項所述之切換式電容電路，其中該複數個電容包含有一 取樣電容，其係用於在該取樣階段對該輸入訊號進行取樣。 8. 如第1項所述之切換式電容電路，其中該取樣電容在該轉移階 段係耦接於該比較器。 9. 如第1項所述之切換式電容電路，其中該複數個電容另包含有 一積分電容（integrating capacitor)，且該積分電容於該轉移 階段係耦接於該電荷泵。 10. 如第1項所述之切換式電容電路，其中該負載包含有_負載電 容。 如第1項所述之切換式電容電路，其中，控制該邏輯訊號以致 於將該切換式電容電路之不理想性所導致的誤差被調變成— 高頻雜訊。 12. —種用於對一切換式電容電路中產生之一電路雜訊進行頻级 19 1339510 整形之方法，該切換式電容電路包含有一比較器、一電荷泵 以及複數個電容，該方法包含有： 產生一邏輯訊號； 在一取樣階段對一輸入訊號進行取樣； . 利用一比例來放大該取樣階段之輸入訊號以產生一生成訊 號；以及 利用一電路元件的連接端之一組態，在一轉移階段利用一 Φ 電荷泵將該生成訊號轉移到一負載，其中該組態係由 該邏輯訊號所決定。 、 13.如第12項所述之方法，更包含： 控制該邏輯訊號以致於該切換式電容電路之不理想性所 導致的誤差被調變成一高頻雜訊。 14·如第12項所述之方法，更包含： ^ 週期性地運作該取樣階段與該轉移階段。 15. 如第12項所述之方法，其中該電路元件係為該複數個電容的 其中之一。 16. 如第12項所述之方法，其中該電路元件係為該比較器。 如第12項所述之方法，其中該電路元件係為該電荷泵。 20 丄⑽510 18‘如第12項所述之方法，其中該邏輯訊號係為一交替變換邏輯 ： •值的序列與一虛擬隨機序列其中之一。 19. 如第12項所述之方法，其中該複數個電容包含有一取樣電 容’其係在該取樣階段對該輸入訊號進行取樣。 20. 如第19項所述之方法，其中該取樣電容在該轉移階段係耦接 於該比較器。 · 21. 如第19項所述之方法’其中該複數個電容另包含有一積分電 容，且該積分電容在該轉移階段係耗接於該電荷泉。 · 泛如第12項所述之方法，其中.該負載包含有一負載電容。

圖式：

21 1339510 的年斧月正替換ij