專利名稱：供開關電容器結構使用的放大器共模反饋系統(tǒng)的制作方法
相關申請的交叉參照本發(fā)明要求2002年6月6日提交的美國臨時申請60/387,952的利益。
在工作成取樣模式時，輸入和第二取樣開關24與27都閉合，使輸入口25的模擬輸入信號Sin把取樣電荷Qs激勵入取樣電容器Cs，從而在該取樣電容器兩端獲得取樣信號Ss＝Qs/Cs。在工作成傳輸模式時，第一與第二取樣開關24與27斷開，傳輸開關28閉合，把取樣電荷Qs傳入傳輸電容器Ct，因而在輸出口26產(chǎn)生輸出信號Sout＝Qs/Ct。


圖1的開關電容器系統(tǒng)20用差分放大器22和包括取樣與傳輸電容器Cs與Ct開關電容器結構29組成。開關電容器結構29在取樣模式中獲取取樣信號Ss，而差分放大器在傳輸模式期間把取樣信號Ss處理成跨接傳輸電容器兩端的輸出信號Sout。這樣就構成了傳輸函數(shù)Cs/Ct，在圖2的曲線30中用斜率為Cs/Ct的曲線32表示。
在各種信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)(入管道式模/數(shù)轉換器(ADC))中，開關電容器系統(tǒng)20(及其差分型式)尤其適合用作取樣器。在此類系統(tǒng)中，圖1系統(tǒng)20的開關一般用互補金屬—氧化物—半導體(CMOS)晶體管構成。圖1以CMOS晶體管34為例示出這種結構，晶體管34代替用置換箭頭35指示的傳輸取樣開關24。
在管道式ADC中，初始的ADC級(如閃頻ADC)一般把模擬輸入信號轉換成對應于輸入信號Sin的數(shù)字輸出信號的至少一個最高位Do。同時，取樣的信號被處理成剩余信號Sres，適于被下游ADC級再處理程輸出數(shù)字信號的諸最低位。
例如，若初始的ADC級是1.5位轉換級，它提供的剩余信號Sres對應于圖2的曲線36，其兩個階躍37與輸入信號Sin范圍的中點等間隔。階躍由來自初始ADC級的判斷信號啟動。這樣，剩余信號Sres的曲線36有三段被階躍37限定，每段的斜率是曲線32的斜率的二倍。
例如，通過用一附加取樣電容器增補圖1的取樣電容器Cs而增大斜率(即提高增益)，并用置換箭頭39指示的多極傳輸開關38取代傳輸開關28，就能產(chǎn)生曲線36所示的剩余信號。對至少一個取樣電容器的底板施加選擇的補償信號(如+V與-V)，該傳輸開關就響應于來自初始ADC級的數(shù)字判斷信號Sdgtl，而該補償信號生成圖2曲線32的階躍37。以該方式修改圖1的開關電容器系統(tǒng)20時，通常將其稱為乘法數(shù)/模轉換器(MDAC)。
開關電容器系統(tǒng)20的取樣與傳輸模式的速度與精度，十分依賴于差分放大器22的處理性能。由于系統(tǒng)20以取樣與傳輸模式工作，所以差分放大器必然要求非連續(xù)工作，往往損害其性能。
所附的權利要求具體描述了本發(fā)明的新特征。通過以下結合附圖的詳述，能更好地理解本發(fā)明。
具體實施例方式
圖3示出的開關電容器放大器40，響應于差分輸入口42的差分輸入信號Sin，在差分輸出口43提供差分輸出信號Sout，而且按輸出口43下面所示的共模參考信號Srefcm與估計誤差信號Serrest校正輸出信號Sout的共模電平。放大器40包括差分前置放大器44、差分后置放大器46、開關電容器網(wǎng)絡48和共模反饋回路50，它們都排列在示意參照的VDD與地之間。
由于本發(fā)明的放大器40要工作于開關電容器環(huán)境(如開關電容器取樣器與MDAC)，故必須基本上工作于50％的占空因數(shù)，要求開關電容器網(wǎng)絡48配備自己的共模存儲器。但放大器每次從系統(tǒng)取樣模式轉換倒系統(tǒng)傳輸模式，必須穩(wěn)定到存貯在開關電容器網(wǎng)絡48里的共模值。
本發(fā)明認為，該網(wǎng)絡以主極電容Cd對放大器傳輸加載，轉換操作的速度與精度取決于放大器前饋部與反饋部的增益—帶寬積(GBW)，而GBW大體上正比于gm/Cd之比，其中gm是跨導，即輸出電流與輸入電壓之比。
為提高放大器的轉換速度，本發(fā)明認為，必須提高其差分前饋部還有共模反饋部的跨導gm。為使雙極結型晶體管的跨導gm正比于其集電極電流，而CMOS晶體管的跨導gm正比于其漏電流的方根，故本發(fā)明希望用雙極結型晶體管產(chǎn)生差分與共模電流。
但還認識到，通過應用更細的線寬，可用制造現(xiàn)代信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)的光刻技術實現(xiàn)更大的電路密度，而這些更細的線條要求減少峰值儲備，即降低集成電路的供電電壓(圖3中的VDD)。所以，本發(fā)明就沿獨立的路徑傳送其共模反饋，以對各自產(chǎn)生差分與共模電流的差分后置放大器46和共模反饋回路50中的雙極結型晶體管提供充足的峰值儲備。
現(xiàn)在考慮一下放大器的細節(jié)。放大器40具備高增益，寬帶寬的前置放大器44較佳地用高輸入阻抗器件構成(如互補金屬—氧化物—半導體(CMOS)器件)，以減小會劣化放大器40在開關電容器環(huán)境中精度的輸入電流。
后置放大器46包括一對差分雙極結型晶體管53與54，它們響應于柵編壓61通過第一集電極58控制來自電流源55(響應于柵編壓56)的電流，而第一集電極58設置了電流源晶體管59與60形式的有源負載。差分對52受前置放大器44輸出驅(qū)動，其集電極58耦接輸出口43。
開關電容器網(wǎng)絡48包括串聯(lián)耦接于第一集電極58兩端的第一與第二電容器63與64，還包括第三與第四串耦的電容器65與66，它們通過以工作成充電模式Mchrg傳導信號的第一開關網(wǎng)絡68耦接共模參考信號Srefcm與估計誤差信號Serrest。傳導時，第一開關網(wǎng)絡68把第三和第四電容器65與66的外極耦接共模參考信號Srefcm，而把第三和第四電容器的聯(lián)接內(nèi)極耦接估計誤差信號Serrest。
第二開關網(wǎng)絡70以工作成求均模式Mavrg傳導信號。傳導時，第二開關網(wǎng)絡70把第三和第四電容器65與66的外極耦接第一和第二電容器63與64各自的外極，并把第三和第四電容器聯(lián)接的內(nèi)極耦接第一和第二電容器聯(lián)接的內(nèi)極。
相應地，差信號Sdiff貯存在充電模式Mchrg的第三和第四電容器65與66的兩端，該差信號等于共模參考信號Srefcm與估計誤差信號Serrest之差。在求均模式期間，存貯的差信號Sdiff耦合在第一和第二電容器63與64兩端，在第一和第二電容器63與64聯(lián)接的內(nèi)極生成誤差信號Serr。
共模反饋回路50包括第一和第二雙極結型反饋晶體管73與74，它們通過誤差緩沖器76對誤差信號Serr作出響應。第一和第二反饋晶體管的第二集電極78都通過各自的一個反饋緩沖器79與80耦接各自一個第一集電極58。較佳地，反饋晶體管具有發(fā)射極電阻82，誤差緩沖器76是耦合在編壓83與電流源84之間的共源級，而反饋緩沖器79和80是耦接編壓85的共柵極。
放大器40工作時，輸入口42的輸入信號Sin先被前置放大器44放大，再被后置放大器46放大，在輸出口43產(chǎn)生輸出信號Sout。為預防劣化輸出信號Sout的精度，一定要控制第一集電極58(差分對52的)的共模信號電平。具體而言，應將共模信號電平基本上保持等于例如由相關編壓網(wǎng)絡(未示出)產(chǎn)生的共模參考信號Srefcm。
然而，放大器40配置成工作于開關電容器環(huán)境，因而該放大器在系統(tǒng)傳輸模式期間有效，而在系統(tǒng)取樣模式期間截止(如通過短路第一集電極58)。因此，在后置放大器46工作期間，具有第一和第二電容器63與64的開關電容器網(wǎng)絡48就控制第一集電極58的共模電平。為此，開關電容器網(wǎng)絡48產(chǎn)生(經(jīng)第一和第二電容器63與64)誤差信號Serr，該信號通過反饋緩沖器76耦合到第一和第二反饋晶體管73與74。
注意，誤差信號Serr將與接地基準隔開柵源電壓Vgs(由于緩沖器76)、基射電壓Vbe(由于晶體管73與74)和電阻器82兩端有關的壓降。希望估計誤差信號Serrest(與開關電容器網(wǎng)絡48有關)近似為共模反饋回路50產(chǎn)生的最終誤差信號Serr。因此，估計誤差信號Serrest最好由模擬反饋緩沖器76的模擬網(wǎng)絡(未示出)、至少一個反饋晶體管73與74以及至少一個電阻器82產(chǎn)生。
放大器40在充電模式Mchrg期間工作時，第一開關網(wǎng)絡68把共模參考信號Srefcm耦至第一和第二電容器65與66的外極，把估計誤差信號Serrest耦至它們聯(lián)接的內(nèi)極，從而在圖3指示的各電容器兩端建立差信號Sdiff。一般，在通常對應于放大器的開關電容器環(huán)境的傳輸模式的充電模式Mchrg期間，放大器40將有效。
在求均模式Mavrg期間，第二開關網(wǎng)絡70把差信號Sdiff耦接在第一和第二電容器63與64兩端，這樣就將差信號Sdiff與先前存入第一和第二電容器63與64的信號求均，從而通過緩沖器76把修改的誤差信號Serr耦至反饋晶體管73與74。
隨之改變了第二集電極78的電流，而且由于該電流取自輸出阻抗有限的電流源59與60(作為第一集電極58的差分電流)，也改變了原有的共模電壓。通常，在一般對應于該放大器的開關電容器環(huán)境的取樣模式的求均模式Mavrg期間，放大器40將截止。
在連續(xù)求均模式Mavrg時，差信號Sdiff與第一和第二電容器63與64上存在的信號連續(xù)求均，使這些電容器兩端的信號向差信號Sdiff收斂，而第一集電極58的共模電平向共模參考信號Srefcm收斂。
因此，根據(jù)本發(fā)明，共模反饋沿一獨立路徑傳送，對圖3中差分后置放大器46和共模反饋回路50里的雙極結型晶體管提供充足的峰值儲備。這些晶體管的高跨導實現(xiàn)的差分與共模電流，提高了放大器的開關電容器環(huán)境中取樣與傳輸模式之間轉換的速度與精度。
本文描述的本發(fā)明諸實施例均用于示例，而且很易于設想出達到差不多同等效果的許多修正、變更與重新配置方法，而所有這些都落在所附權利要求規(guī)定的本發(fā)明的精神與范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種響應于輸入信號提供輸出信號所述的放大器，其特征在于，包括一對(52)響應于所述輸入信號并具有提供所述輸出信號的第一集電極(58)的差分晶體管(53，54)；串耦在所述第一集電極兩端提供誤差信號Serr的第一和第二電容器(63，64)；和響應于所述誤差信號Serr并具有各自耦合至各自一個所述第一集電極的第二集電極(78)的第一和第二反饋晶體管(73，74)。
2.如權利要求1所述的放大器，其特征在于，還包括插入的一個誤差緩沖器(76)，用于把所述誤差信號Serr耦至所述第一和第二反饋晶體管。
3.如權利要求1所述的放大器，其特征在于，還包括第一和第二反饋緩沖器(79，80)，它們各自插在各自一個所述第一集電極與各自一個所述第二集電極之間。
4.如權利要求1的所述的放大器，其特征在于，還包括一開關電容器網(wǎng)絡(48)，在第一操作模式中，用于產(chǎn)生代表共模參考信號Srefcm與估計誤差信號Serrest之差的差信號Sdiff，在第二操作模式中，用于將所述差信號Sdiff耦接在所述第一和第二電容器兩端。
5.如權利要求4所述的放大器，其特征在于，所述開關電容器網(wǎng)絡包括串聯(lián)的第三和第四電容器(65，66)；第一開關網(wǎng)絡(68)，在所述第一操作模式中，用于把所述第三和第四電容器耦接至所述差信號Sdiff；和第二開關網(wǎng)絡(70)，在所述第二操作模式中，用于分別將所述第三和第四電容器與所述第一和第二電容器并聯(lián)耦合。
6.一種開關電容器放大器，響應于輸入信號提供輸出信號，并估計共模參考信號Srefcm與估計誤差信號Serrest校正所述輸出信號的共模電平，其特征在于，所述放大器包括一對(52)響應于所述輸入信號并具有提供所述輸出信號的第一集電極(58)的差分晶體管(53，54)；第一和第二有源負載(79，80)，它們耦接各自一個所述第一集電極；串耦在所述第一集電極以提供誤差信號Serr的第一和第二電容器(63，64)；開關電容器網(wǎng)絡(48)，在第一操作模式中，用于產(chǎn)生代表所述共模參考信號Srefcm與所述估計誤差信號Serrest之差的差信號Sdiff，在第二操作模式中，用于將所述差信號Sdiff耦接在所述第一和第二電容器兩端；和響應于所述誤差信號Serr并具有耦接各自一個所述第一集電極的第二集電極的第一和第二反饋晶體管(73，74)。
7.如權利要求6所述的放大器，其中所述開關電容器網(wǎng)路包括串聯(lián)的第三和第四電容器(65，66)；第一開關網(wǎng)絡(68)，在所述第一操作模式中，用于把所述第三和第四電容器耦接至所述差信號Sdiff；和第二開關網(wǎng)絡(70)，在所述第二操作模式中，用于分別將所述第三和第四電容器與所述第一和第二電容器并聯(lián)耦合。
8.如權利要求6所述的放大器，其特征在于，還包括插入用于將所述誤差信號Serr耦至所述第一和第二反饋晶體管的誤差緩沖器(76)。
9.如權利要求6所述的放大器，其特征在于，還包括插在各自一個所述第一集電極與各自一個所述第二集電極之間的第一和第二反饋緩沖器(79，80)。
10.一種以取樣模式對模擬輸入信號取樣而以傳輸模式提供相應輸出信號的開關電容器系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括一種包括傳輸電容器(Ct)并以所述取樣模式獲取取樣信號的開關電容器結構(29)；一個耦接在所述傳輸電容器兩端以在所述傳輸模式期間把所述取樣信號處理成所述輸出信號的差分放大器(40)，其中所述差分放大器包括a)一對(52)響應于所述取樣信號并具有提供所述輸出信號的第一集電極(58)的差分晶體管(53，54)；b)串耦在所述第一集電極兩端以提供誤差信號Serr的第一和第二電容器(63，64)；和c)響應于所述誤差信號Serr且其第二集電極都耦至各自一個所述第一集電極的第一和第二反饋晶體管(73，74)。
11.如權利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一插入用以把所述誤差信號Serr耦至所述第一和第二反饋晶體管的誤差緩沖器(76)。
12.如權利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括插在各自一個所述第一集電極與各自一個所述第二集電極之間的第一和第二反饋緩沖器(79，80)。
13.如權利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一開關電容器網(wǎng)絡(48)，在所述傳輸模式中，用于產(chǎn)生代表共模參考信號Srefcm與估計誤差信號Serrest之差的差信號Sdiff，而在所述取樣模式中，用于將所述差信號Sdiff耦接在所述第一和第二電容器兩端。
14.如權利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述開關電容器網(wǎng)絡包括串耦的第三和第四電容器(65，66)；第一開關網(wǎng)絡(68)，在所述傳輸模式中，把所述第三和第四電容器耦至所述差信號Sdiff；和第二開關網(wǎng)絡(70)，在所述第二取樣模式中，分別將所述第三和第四電容器與所述第一和第二電容器并聯(lián)耦合。
15.如權利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述開關電容器結構還包括在所述取樣模式期間閉合的第一和第二取樣開關(24，27)；耦接在所述第一與第二取樣開關之間的取樣電容器(Cs)；和在所述傳輸模式期間閉合并與所述取樣和傳輸電容器串耦的傳輸開關(28)。
16.如權利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳輸開關配置成對所述取樣電容器施加選擇的補償信號。
全文摘要
供開關電容器結構(29)使用的改進型差分放大器(40)。諸放大器實施例包括一對(52)高跨導的差分晶體管(53，54)，用于產(chǎn)生差分電流并沿獨立的路徑(50)傳送共模反饋信號，從而對產(chǎn)生共模電流的其它高跨導晶體管提供充足的峰值儲備。差分和共模電流較佳地在輸出阻抗有限的有源負載中產(chǎn)生差分與共模輸出信號。
文檔編號H03F3/00GK1479447SQ0314274
公開日2004年3月3日 申請日期2003年6月6日 優(yōu)先權日2002年6月6日
發(fā)明者C·米哈爾斯基, C 米哈爾斯基 申請人:模擬設備股份有限公司