TWI493851B - 不變動電荷傳送特性而增加電荷傳送電路的電荷容量之操作方法及電荷傳送級裝置 - Google Patents

Description

不變動電荷傳送特性而增加電荷傳送電路的電荷容量之操作方法及電荷傳送級裝置

本發明大體上關於用於電荷傳送電路之一裝置，更特別的是‧關於一增加一電荷儲存裝置的電荷儲存容量而不改變它固有之電荷傳送功能的技術。

在電荷領域訊號處理電路中，訊號被表示為電荷封包。該等電荷封包被儲存，從一儲存位置傳送至另一個儲存位置，或是被處理以實現特定的訊號處理功能。

電荷封包可以代表類比數量，因為以庫侖為單位的電荷封包尺寸大小正比於該代表訊號。

電荷領域操作像是電荷傳送這一類，是由「時脈」電壓所驅動，提供分離時間處理(discrete time processing)。因此電荷領域電路提供類比與分離時間訊號處理能力。

在某些電荷領域訊號處理電路中，該電荷封包儲存在電容裡。大部分的電荷領域操作可以由大家熟知的表示方式：Q=CV表示，其中Q表示該電荷封包的尺寸大小，以庫侖為單位，C表示該電荷封包儲存的電容值，以法拉(Farad)為單位，而V表示該電荷封包儲存之節點電壓，以伏特為單位。在一電荷領域訊號處理電路之電荷傳送與儲存的過程將借助圖1與圖2來解釋。該等圖式省略了一些需要施行一完整電荷領域訊號處理電路的細節，但是該等圖式

足夠允許以下說明之電荷領域電路的電荷儲存與傳送之必要特性(這一類細節說明在其他由Anthony,M.公開之專利申請案，像是美國專利公開案第2007/0279507號，標題為「推進電荷傳送電路」以及美國專利公開案2008/0205581，標題為「在一管線電荷領域訊號處理電路中之共同模式電荷控制」，在這裡併入參考)。值得注意的是，所有以下的說明將假設電子為訊號電荷載體。在這些方程式中電荷的對應數量(Q)具有負值。該相同說明可以同樣施用在使用電洞作為具有相反電壓極性的電荷載體。

圖1說明一個簡單的電荷傳送與儲存電路，而圖2展示圖1所展示的節點A之該電位電荷儲存。假設節點A被給定一初始電壓V_Aic (這一類像是可能在時間t₀ 之前的某一時間由關閉一預先充電切換器PRE來施行)。它的電位(電壓)接著被允許浮動(這一類像是接著在時間t₀ 開啟切換器PRE)。提供一電荷儲存功能的電容C_A 之一終端連接至節點A；電容C_A 之另一終端連接至一靜態電壓V₁ 。當一電荷數量(Q_i )在時間t₁ 被傳送至節點A上，(這一類像是藉由關閉切換器SW1)節點A的該電壓掉至該電壓V_A1 。請注意切換器SW1和SW2意圖為說明在一概念層級上之電荷傳送功能。實際的電荷傳送電路典型地為更加複雜或不同，而SW1與SW2確切的設計並不和本發明有關。方程式1中該傳送電荷Q_i 與A的節點電壓V_A1 有關，給定節點A的該電容值C_A 與它的初始電位V_Aic 。

V_A1 =V_Aic -Q_i /C_A 　方程式1

在電荷儲存裝置裡，該節點A的可允許電壓由各種與該特定電路施行例有關的因素限制。在電路中使用電子作為該電荷載體，該初始電壓V_Aic 通常設定為最大可得正電壓V_A1 ，也被該最小電壓(V_Amin )限制，在該初始電壓V_Aic 電子可從該傳送來源被吸引並儲存。該限制設定了可以被傳送至節點A上的該可允許最大電荷。方程式2中節點A的該電荷容量Q_imax1 與節點A允許的最小電壓V_Amin 有關，給定節點A的該電容C_A 以及它的初始電位V_Aic 。

Q_imax1 =(V_Aic -V_Amin )C_A 　方程式2

在時間t₂ 開始從儲存節點A傳送出電荷。在時間t₂ ，一切換器SW2被關閉，該SW2連接節點A至一傳送一電壓V_o 的電壓源SV。該經由該電壓源SV傳送的電荷數量由方程式3說明，方程式3中經由該電壓源傳送之該電荷Q_o1 與傳送至節點A的該初始電荷Q_i 有關，給定節點A的電容值C_A ，它的初始電位V_Aic 與該電壓源SV的該電位V_o 。

Q_o1 =Q_i -(VA_ic -V_o )C_A 　方程式3

如前所述，在電荷領域訊號處理電路中，該訊號由一電荷封包表示。在這個狀況裡，該傳送至節點A上的該電荷Q_i 表示該訊號，因此該允許的該最大訊號值為Q_imax1 。在所有的類比電路中，一個判斷數據為該訊號對雜訊比(signal-to-noiseration，SNR)。方程式4說明了該數量。

SNR=Signal/Noise=Q_imax1 /Q_noise 　方程式4

方程式2說明該數量Q_imax1 。在圖1的該簡化電路中，該數量Q_noise 通常指為KTC雜訊並且正比於該電容C_A 的該平方根。方程式5說明了這個關係。

將方程式5和2代入方程式4可得到方程式6。

從方程式6，可清楚看出SNR正比於C_A 的該平方根與該電壓差(V_Aic -V_Amin )。如同方程式3所表示的，因為該等數量中之任一改變都將導致Q_o1 的改變，不可能增加SNR而不變動該簡化電路的電荷傳送特性。(類似的限制也施加於更複雜的電路。)並且可以展示該增加C_A 以改善SNR的傳統方法以增加該電路與功率消耗的所需區域。因此在某種形式上也對改良SNR變得有利，當在不變動該電路的電荷傳送特性時，也不創造該等缺點。

在先前技術中，增加SNR由增加該系統之該電荷儲存節點之該電容來達成。該方法因為數種理由而變得不利。第一，變動了該電荷傳送特性，必需的電路與系統改變了。第二，因為SNR與電容之間的該平方律關係，C_A 要有平方的改變以在SNR上產生一線性改變。最後，增加電容C_A 造成了消耗了更多功率實際上更大的施行。

本發明允許增加一節點的該電荷容量，因此增加了它的訊號對雜訊比而不改變它的固有電荷傳送功能或遭致與增加C_A 有關的常見缺點。

在一較佳實施例中，這一點已經藉由連接一時脈訊號至像是一電容的電荷儲存裝置而實現。當電荷被傳送時，該時脈訊號調整了一跨越該電容之一電壓差，但是接著回傳了該電壓差至之後的初始狀況。該結果是為了在不改變傳送電荷的數量下增加該電荷儲存容量。

本發明之例示實施例的說明如下。

圖3與圖4說明一類似於圖1的簡化電荷儲存與傳送電路。在圖3中電容C_A 的該第二終端連接至一時脈節點K_minV ，而不是連接到圖1的一固定電壓。

假設浮動節點A被設定至該相同初始狀況，這一類藉由操作預先充電切換器PRE，對於圖1之電路，在時間t₀ 為V_Aic 。然而，在圖3的電路中，在時間t₁ 時，節點K_minV 的電壓的時脈現在被定義為從電壓V₁ 到電壓V₂ ，電荷Q_i 被注入節點A上(例如藉由操作切換器SW1)。方程式7中該傳送電荷Q_i 與A的該節點電壓V_A2 有關，給定節點A的該電容C_A ，它的初始電位V_Aic ，以及K_minV 的該電壓轉換。

V_A2 =V_Aic -Q_i /C_A +(V₂ -V₁ )=V_A1 +(V₂ -V₁ ) 方程式7

其中方程式1中給定V_A1 。

只要一直維持V2>V1的關係，該電壓V_A2 將總是比V_A1 具有更大正值。方程式8說明了該裝置的該電荷容量。

Q_Amax2 =(V_Aic -V_Amin +(V₂ -V₁ ))C_A =Q_Amax1 +(V₂ -V₁ )C_A 方程式8

使用於該電容C_A 之第二終端上的一切換電壓增加了該電路之數量為(V₂ -V₁ )C_A 的電荷容量。

在時間t₂ 時，當該切換器SW2被關閉且節點A連接至電壓Vo及初始化來自節點A的電荷傳送，節點K_minV 也在時間t₂ 時從V₂ 回到V₁ ，沒有傳送至電壓來源之電荷數量的淨效應。經由該電荷來源SV傳送的電荷利用方程式9來說明。

Q_o2 =Q_i +(V_Aic -V₁ )C_A =Q_o1 方程式9

因為Q_o2 =Q_o1 ，該裝置的電荷傳送功能相同於如圖1與圖2所說明的該裝置，然而它的電荷容量已經增加。實際上，V₂ 可以被設定為最大可得電壓，而V₁ 可以被設定為最小可得電壓。在大部分的狀況裡，該電壓差(V₂ -V₁ )將會比(V_Aic -V_Amin )來的大，因此該傳送與儲存節點的該電荷容量可以比放大兩倍更大，而不遭致稍早所述之該缺點。

圖5說明一可能使用圖3之原理之一電荷領域管線級。該電路含有兩電荷管線。該上管線含有一電荷傳送電路1A、儲存節點2A、電荷傳送電路3A與電容5A。在上管線的操作中，電荷儲存在電容5A的該組合上，電容5A連接於儲存節點2A與時脈電壓V_C1 之間，而且電容C_A 連接於儲存節點2A與時脈電壓K_minVA 之間。電荷經由電荷傳送電路1A進入該級，而且之後經由電荷傳送電路3A從該級出去。電壓V_C1 為一數位時脈訊號，該訊號控制在該級的之電荷處理的時間選擇。該注意的是使用電容C_A 與對應訊號K_minVA 以提供增加電荷儲存能力。該較低管線含有元件1B...5B與C_B 與訊號K_minVB ，該元件等效於該上管線元件1A、2A、3A、4A、5A與C_A 。

如圖5所展示的多重電路，該電路具有特定增加元件，該元件可被配置於一管線以提供需要的操作來實現電荷領域類比轉數位的轉換：也就是電荷儲存與傳送、電荷比較以及有條件的與不變的電荷增加。該等操作可以用多種方式組合以實現各種ADC演算法，該演算法舉例來說，可能是實現每級一位元、每級一又二分之一位元、每級二位元或是如一同時另案待審的的美國專利公開案第2008/0246646號，美國專利公開案提申日2008年1月18日，標題為「電荷領域管線類比轉數位轉換器」所說明的其他組態，

該案將在這裡併入參考。

這一類的ADC一特別的用途在於施行大致上如圖6所示的一數位無線電接收器。在一射頻RF放大器104上接收一射頻(Radio Frequency，RF)訊號。該RF訊號可能源自於一天線102，這一類像是在一無線終端應用裡，或可能經由一電線或光纖被提供，像是可能在一纜線數據機或是其他有線通訊訊號介面。該放大RF訊號接著被輸入至一RF轉譯機506以下轉換(down-convert)該放大RF訊號至一中間頻率(intermediate frequency，IF)。在該RF轉譯機506(可能是視狀況而定)之後，該ADC510被使用於將該RF輸入數位化成用於隨後處理的數位抽樣(digital sample)。一數位區域振盪器511可能操作數位混合器512-i與512-q以提供同相與具90度相位差的抽樣。一數位低通濾波器520限制了至該所欲頻寬之所得訊號的頻率內容。一解調器530接著從該相同用途復原該原始調變訊號。該數位區域振盪器511、混合器512、低通濾波器520及/或解調器530之該一或多個操作可能在一數位訊號處理器550上被施行。該復原訊號視該數位接收器的該特定終端應用而定，可能接著被進一步處理並轉換回一類比基頻音訊訊號或其類似物。

當本發明參照該例示實施例特別展示與說明，熟習此技術者將可明白，可以進行各種形式與細節上的改變而不偏離由隨附專利申請範圍所涵蓋的本發明之該範疇。

1A&1B．．．電荷傳送電路

2A&2B．．．儲存節點

3A&3B．．．電荷傳送電路

5A&5B．．．電容

8．．．比較器

9．．．栓鎖器

500．．．數位無線電接收器

502．．．天線

504．．．RF放大器

506．．．RF轉譯器

510．．．ADC(類比轉數位轉換器)

511．．．數位區域振盪器

512-i．．．數位混合器

512-q．．．數位混合器

520．．．低通濾波器

530．．．解調器

550．．．數位訊號處理器

C_A ．．．節點A之電容

C_B ．．．電容

K_minv ．．．時脈節點

K_minVA ．．．訊號

K_minV ．．．訊號

PRF．．．預先充電切換器

Q_i ．．．初始電壓

Q_o ．．．經由電壓源的電荷傳送

SV．．．電壓源

SW1．．．切換器

SW2．．．切換器

t₀ -t₂ ．．．時間

V₁ ．．．靜態電壓

V₂ ．．．電壓

V_A1 ．．．A的節點電壓

V_A2 ．．．電壓

V_Aic ．．．初始電壓

V_Amin ．．．最小化電壓

V_B ．．．電壓

V_C1 ．．．訊號(數位時脈訊號)

V_C2 ．．．訊號

V_o ．．．電壓源電位

從前面本發明之例示性實施例更特別的說明，上述的內容將更清楚，如同隨附的圖所闡述，在該圖中，相似的參考特性經由該不同觀點參照該相同部分。該圖式不必要用來比較或強調，而只是置放用於闡述本發明的實施例。

圖1為一習知電荷儲存電路的一簡化圖。

圖2為用於圖1電路之一時間選擇圖。

圖3為施行本發明之一電荷儲存裝置之一簡化概略圖。

圖4為用於圖3電路之一時間選擇圖。

圖5為使用圖3電路之一電荷管線類比轉數位轉換器(ADC)之一高層級圖。

圖6為使用圖4的ADC之一數位無線電接收器的高層級圖。

K_minV ．．．時脈節點

PRF．．．預先充電切換器

Q_o ．．．經由電壓源的電荷傳送

SV．．．電壓源

SW1．．．切換器

SW2．．．切換器

V_Aic ．．．初始電壓

V_o ．．．電壓源電位

Claims (15)

1. 一種用於操作一電荷傳送級之方法，包含：(a)、將一電荷傳送節點預先充電至一預先充電電壓V_Aic ，其中該電荷傳送節點耦合至一電荷儲存裝置的第一終端；(b)、將一輸入電荷經由該電荷儲存裝置傳送至該電荷傳送節點，並且因此造成在該電荷傳送節點處的電壓下降至一電壓範圍，該電壓範圍所包括的電壓係如同V_Amin 一樣低，且該V_Amin 取決於該輸入電荷中的最大可能電荷；(c)、在步驟(b)的同一時間，改變一施加至該電荷儲存裝置的施加電壓，從一第一電壓V₁ 改變至一第二電壓V₂ ；(d)、在步驟(b)和(c)之後的一稍後時間，從該電荷傳送節點經由該電荷儲存裝置傳送電荷，並且同時將施加至該電荷儲存裝置的電壓回復到該第一電壓V₁ ；並且同時控制電壓V₁ 、V₂ 、V_Amin 以及V_Aic ，使得(V₁ -V₂ )>(V_Aic -V_Amin )。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該稍後時間係與將電荷從該電荷傳送節點傳送出來的一開始同時發生。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該稍後時間發生在將電荷從該電荷傳送節點傳送出來的步驟完成之前。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電荷儲存裝置包含一個或更多個電容。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電荷傳送級為一電荷領域管線的一部分。
6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該電荷領域管線為一類比轉數位轉換器的一部分。
7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該類比轉數位轉換器為一數位射頻訊號接收器的一部分。
8. 一種用於操作一電荷傳送級方法，包含：(a)、將一電荷傳送節點預先充電至一預先充電電壓V_Aic ，該電荷傳送節點耦合至一電容的一第一終端；(b)、將一輸入電荷經由該電容傳送至該電荷傳送節點，並且因此造成在該電荷傳送節點處的電壓下降至一電壓範圍，該電壓範圍所包括的電壓係如同V_Amin 一樣低，且該V_Amin 取決於該輸入電荷中的最大可能電荷；(c)、在步驟(b)的同一時間，改變耦合至該電容的一第二終端之一施加電壓，將該電壓從一第一電壓V₁ 改變至一第二電壓V₂ ；(d)、從該電荷傳送節點傳送電荷；(e)、在初始化步驟(d)之後的一時間，將耦合至該電容之第二終端的該施加電壓回復至該第一電壓V₁ ；以及(f)、在至少步驟(d)期間，控制電壓V₁ 、V₂ 、V_Amin 以及V_Aic ，使得(V₁ -V₂ )>(V_Aic -V_Amin )。
9. 一種電荷傳送級裝置，包含：一電荷傳送節點，其耦合以在一第一時間接收一預先充電電壓V_Aic ，並在一第二時間接收一注入的輸入電荷，且 進一步被配置以使得一最小電壓V_Amin 在該該電荷傳送節點產生，該V_Amin 相關於一最大可能的注入的輸入電荷；一電荷儲存裝置，其耦合至該電荷傳送節點也耦合至一施加電壓；及一訊號產生器，其用於改變該施加電壓從一第一電壓V₁ 至一第二電壓V₂ ，在該第二時間該輸入電荷被注入至該電荷傳送節點，在一第三時間將該施加電壓回復至該第一電壓V₁ ，及藉此將電荷從該電荷傳送節點傳送出去，並且用於控制電壓V₁ 、V₂ 、V_Amin 以及V_Aic ，使得(V₁ -V₂ )>(V_Aic -V_Amin )。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電荷傳送級裝置，其中該第三時間發生在電荷從該電荷傳送節點被傳送出之期間。
11. 如申請專利範圍第9項所述之電荷傳送級裝置，其中該第三時間發生在初始化該電荷從該電荷傳送節點傳送出之後。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電荷傳送級裝置，其中該電荷儲存裝置包含一個或更多個電容。
13. 如申請專利範圍第9項所述之電荷傳送級裝置，其中該電荷傳送節點為一電荷領域管線的一部分。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電荷傳送級裝置，其中該電荷領域管線為一類比轉數位轉換器之一部分。
15. 如申請專利範圍第14項所述之電荷傳送級裝置，其中該類比轉數位轉換器為一數位射頻訊號接收器的一部 分。