專利名稱：：開關電容積分器的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種開關電容積分器及偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器，屬于集成電路
技術領域：

背景技術：
近年來，信息化建設飛速發(fā)展，信號和信息處理已廣泛地滲透到科學研究、技術開發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)、國防和國民經(jīng)濟的各個領域，成為全球經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要推動力量。正因為如此，信號處理芯片的設計成為集成電路設計者的研究熱點。為了滿足電池驅(qū)動便攜設備的需求以及大型系統(tǒng)的節(jié)能需要，信號處理芯片需要在保證高性能的同時，朝更低電壓、更低功耗以及更低成本的方向不斷前進。積分器是信號處理芯片中常用的重要功能電路，它對信號處理芯片整體性能的優(yōu)劣產(chǎn)生重大影響。在早期的信號處理電路中，電路設計者一般使用電阻、電容和放大器等組成連續(xù)時間電路，構(gòu)成所需的積分器傳遞函數(shù)，并對信號進行處理。但是，電阻和電容的絕對誤差限制了其在高精度電路中的應用。后來，人們逐漸采用MOS開關、電容和放大器組成的開關電容積分器對信號進行精確處理。開關電容積分器之所以能夠成功應用于高精度信號處理，其原因在于信號處理函數(shù)的精確性主要與電容的比例有關。同時，它有良好的線性和溫度特性，并且易于在CMOS工藝中實現(xiàn)。在開關電容積分器中，運算放大器是不可或缺的組成模塊，同時也是最主要的功耗模塊。要實現(xiàn)極低功耗的開關電容積分器，低壓低功耗運算放大器的設計是至關重要的。用C類反向器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的運算放大器是一種新型的低壓低功耗電路設計技術。C類反向器主體部分是一個推挽式反向器，如附圖1所示，結(jié)構(gòu)相當簡單，功耗極低，芯片占用面積小，其中"C類"指該反向器處于飽和導通狀態(tài)的時間小于50%。在實際應用中C類反向器采用了動態(tài)偏置技術，即它的工作狀態(tài)是通過對輸入管柵電位的調(diào)制而不斷變化的。在開關電容積分器的設計中，C類反向器應根據(jù)積分器在不同相位對其的性能要求，在以下兩種不同的工作狀態(tài)之間進行合理的切換。1)高增益低功耗狀態(tài)當PM0S輸入管M1和NM0S輸入管M2均處于弱反型區(qū)時，反向器具有較高的增益和極低的功耗，但跨導和帶寬相對較小，適用于積分器的采樣相位以及積分相位中的保持(settling)相位。2)高擺率大電流狀態(tài)當M1處于強反型區(qū)，M2處于截止區(qū)(或M2處于強反型區(qū)，Ml處于截止區(qū))時，工作在強反型區(qū)的MOS輸入管跨導較大，使得反向器具有較大的擺率和輸出電流，適用于積分器的積分相位中的建立(slewing)相位。而且由于另一個輸入管處于截止區(qū)，整個反向器由電源到地的導通電流極小，避免了無謂的靜態(tài)功耗。根據(jù)上述原理，YoungcheolChae等人在"AO.7V36uW85dB-DRAudioASModulatorUsingClass-CInverter"(ISSCC2008)—文中實現(xiàn)了一種基于C類反向器的極低功耗高精度開關電容積分器。其中，為了提高穩(wěn)態(tài)增益，反向器采用了如附圖2所示的共源共柵結(jié)構(gòu)，其中PM0S管M3和麗0S管M4的偏置電位分別是地電位GND和電源電位VoD。但是，對于采用現(xiàn)有技術C類反向器的開關電容積分器，當其工作在采樣相位或積分相位中的保持相位時，C類反向器中輸入管均工作在弱反型區(qū)，其跨導受工藝偏差影響很大(尤其是MOS管尺寸較大的時候)，導致C類反向器的增益、帶寬和靜態(tài)功耗等穩(wěn)態(tài)特性在不同的工藝角下存在嚴重偏差，增益偏差會影響積分器電荷采樣和傳輸?shù)木_性，而帶寬和靜態(tài)功耗的偏差使積分器的工作頻率和靜態(tài)功耗變得極不穩(wěn)定。當C類反向器切換至高擺率大電流狀態(tài)時，工藝偏差對于C類反向器的擺率和建立時間等動態(tài)參數(shù)指標的影響同樣不能忽略，它使得開關電容積分器工作在建立相位時的建立時間、積分精度和動態(tài)功耗等指標惡化，最終可能導致積分器性能下降甚至功能喪失。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術問題是，提供一種采用新型C類反向器的開關電容積分器，以克服現(xiàn)有技術的開關電容積分器中的C類反向器的跨導受工藝偏差影響很大(尤其是MOS管尺寸較大的時候)，從而導致積分器工作在采樣相位或保持相位時電荷采樣和傳輸不夠精確，工作頻率和功耗極不穩(wěn)定；工作在建立相位時建立時間、積分精度和動態(tài)功耗等指標惡化，最終可能導致積分器性能下降甚至功能喪失的不足。本發(fā)明要解決的另一個技術問題是，提供一種采用新型C類反向器的偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器。本發(fā)明的開關電容積分器采取以下技術方案，它包括新型C類反向器以及采樣電容、補償電容、積分電容和開關等，其中新型C類反向器是單端輸入單端輸出的。開關電容積分器用本發(fā)明的新型C類反向器代替了傳統(tǒng)運算放大器或現(xiàn)有技術的C類反向器，在極大地降低電路功耗的同時，克服了工藝偏差對于自身的影響，保證了積分器的魯棒性和實用性。新型C類反向器，它是在現(xiàn)有技術的C類反向器基礎上，增加了PMOS體電位調(diào)制器和NMOS體電位調(diào)制器。其中現(xiàn)有技術的C類反向器用于實現(xiàn)運算放大功能，而PMOS體電位調(diào)制器和NMOS體電位調(diào)制器分別用于實現(xiàn)反向器PMOS輸入管和NMOS輸入管的體電位調(diào)制，以減弱工藝偏差對于C類反向器的不利影響。新型C類反向器中的體電位調(diào)制器是由一個MOS管和一個高精密電阻組成，其中M0S管與對應的反向器輸入管(體電位調(diào)制對象)類型相同，版圖匹配對稱，寬長比成固定比例，且MOS管的柵源電壓與反向器輸入管在穩(wěn)態(tài)時的柵源偏置電壓相同。因此，體電位調(diào)制器中的MOS管在任意時刻的工藝偏差程度和溫度條件均與反向器輸入管近似相同，且兩MOS管漏源電流的變化趨勢亦相同。換句話說，體電位調(diào)制器中的MOS管能夠"感應"對應的反向器輸入管在不同工藝角和溫度下的跨導、輸出電流等參數(shù)的變化特征，被稱為感應MOS管。感應MOS管體端與源端相連，漏端連接一個高精密電阻，高精密電阻用于實現(xiàn)"感應"電流信號(感應MOS管漏源電流)轉(zhuǎn)電壓信號的功能，同時它作為負載在感應MOS管的漏端將體電位調(diào)制器的輸出電壓信號反饋到反向器輸入管的體端。整個體電位調(diào)制器形成"感應反饋"環(huán)路，用以體電位調(diào)制。通過體電位調(diào)制器的輸出電壓信號在對應的反向器輸入管體端的調(diào)制作用(即調(diào)節(jié)反向器輸入管的體源電壓)，使得反向器輸入管的跨導和漏源電流在不同的工藝角情況下較為一致。根據(jù)體電位調(diào)制對象的MOS管類型，可將體電位調(diào)制器分為PMOS體電位調(diào)制器和NMOS體電位調(diào)制器。在PMOS體電位調(diào)制器中，感應PMOS管的源端電位決定體電位調(diào)制范圍的最大值，可根據(jù)實際應用設定。高精密電阻另一端電位決定體電位調(diào)制范圍的最小值。而在NMOS體電位調(diào)制器中，感應NMOS管源電位決定體電位調(diào)制范圍的最小值，高精密電阻另一端電位決定體電位調(diào)制范圍的最大值。新型C類反向器中現(xiàn)有技術的C類反向器的主體結(jié)構(gòu)可以是一個簡單型反向器，也可以是一個共源共柵型反向器，供電電壓略低于反向器中兩輸入管的閾值電壓之和?，F(xiàn)有技術的采樣電容，位于信號輸入端，用于積分器采樣相位時輸入信號的采樣，以及積分相位時自身電荷向積分電容的精確傳輸?，F(xiàn)有技術的補償電容，位于新型C類反向器輸入端，用于消除反向器失調(diào)電壓不利影響，在下極板處形成"虛地"，保證積分器在積分相位時電荷傳輸?shù)木_性。現(xiàn)有技術的積分電容，又稱為反饋電容，在補償電容下極板和新型C類反向器輸出端之間形成反饋回路，用于積分器采樣相位時自身儲存電荷向下一級電路的傳輸，以及積分相位時對采樣電容傳輸電荷的積累?，F(xiàn)有技術的開關，包括NM0S開關、CMOS開關和自舉NMOS開關等類型。其中自舉NMOS開關位于信號輸入端和采樣電容之間，用于高線性度的輸入信號采樣；兩個NMOS開關分別位于采樣電容上下極板與輸入共模電平之間，用于設置和傳輸共模電平；兩個CMOS開關分別位于補償電容上下極板與積分電容上極板之間，用于各電容之間電荷的傳輸。開關電容積分器在實際工作中分為采樣相位和積分相位，采用兩相不交疊時鐘進行控制，其中積分相位又可分為建立(slewing)相位和保持(settling)相位。在開關電容積分器中，C類反向器根據(jù)不同工作相位輸入端偏置電壓的不同能夠?qū)崿F(xiàn)高增益低功耗和高擺率大電流兩種不同的工作狀態(tài)，說明如下在采樣相位，反向器輸入端結(jié)點電位僅為反向器的失調(diào)電壓(設為^m)，接近于共模電平。假設兩輸入管閾值電壓近似相等，輸入共模信號使得反向器輸入管均處于弱反型區(qū)，即可實現(xiàn)C類反向器高增益低功耗的穩(wěn)定狀態(tài)。新型C類反向器中體電位調(diào)制器的引入使得反向器的增益、帶寬和靜態(tài)功耗等在不同的工藝角下較為一致，有利于開關電容積分器在采樣相位電荷的精確采樣和傳輸，同時降低了積分器的工作頻率和靜態(tài)功耗對于工藝偏差的敏感度。在積分相位中的建立相位，采樣電容的下極板電位突變?yōu)楣材ｋ娖?，反向器輸入端結(jié)點電位被拉至—/Ar+^^，其中7^為采樣電容在采樣相位采樣的輸入信號。根據(jù)輸入信號的極性，反向器中的一個輸入管進入強反型區(qū)，另一個輸入管截止，C類反向器進入高擺率大電流狀態(tài)。在積分相位中的保持相位，由于積分電容的負反饋作用，反向器輸入端結(jié)點電位最終恢復至反向器的失調(diào)電壓^^，C類反向器重新進入高增益低功耗的穩(wěn)定狀態(tài)。在整個積分相位中，新型C類反向器中體電位調(diào)制器的引入使得反向器在建立過程中的擺率和動態(tài)功耗在不同的工藝角下較為一致，從而降低了開關電容積分器建立時間、積分精度和動態(tài)功耗等指標對于工藝偏差的敏感度，提高了電路的穩(wěn)定性和魯棒性。需要說明的是，體電位調(diào)制器結(jié)構(gòu)相當簡單，而且其中的感應M0S管M5和M6均工作在弱反型區(qū)，功耗非常低，典型值為現(xiàn)有技術C類反向器功耗的1/10左右。因此，體電位調(diào)制器的引入并不會明顯增加電路功耗，完全適用于低壓低功耗的工作環(huán)境。本發(fā)明的偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器采取以下技術方案，它包括兩個新型C類反向器以及現(xiàn)有技術的電容(采樣電容、補償電容和積分電容等)、開關(NMOS開關、CMOS開關和自舉NMOS開關等)、共模反饋電路。其中兩個新型C類反向器分別位于積分器正向和負向支路，且差分對稱，構(gòu)成偽差分結(jié)構(gòu)，而共模反饋電路分別在積分器正向和負向支路形成共模反饋?，F(xiàn)有技術的共模反饋電路包括兩個共模反饋電容，在采樣相位位于補償電容下極板與輸入共模電平之間，而在積分相位分別位于補償電容下極板與積分器正負輸出端之間，共模反饋電容用于探測輸出共模電平與輸入共模電平的偏差，并將偏差反饋到積分器從而形成共模反饋環(huán)路；兩個自舉NMOS開關，分別位于共模反饋電容下極板與積分器正負輸出端之間，用于共模反饋環(huán)路中輸出信號的精確采樣；兩個NM0S開關，分別位于共模反饋電容下極板與輸入共模電平之間，用于設置和傳輸共模電平。與Yo皿gcheolChae等人實現(xiàn)的偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器不同的是，本發(fā)明的偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器采用了更優(yōu)化的拓撲結(jié)構(gòu)，它在反饋回路上用包含積分電容和相關開關的采樣保持支路代替原有的重置開關，不需要在每個時鐘相位對輸出端電位重置清零，因此放寬了對C類反向器(包括新型C類反向器和現(xiàn)有技術的C類反向器)的擺率和建立時間的要求。這種拓撲結(jié)構(gòu)雖然在采用傳統(tǒng)運算放大器的差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器中已有運用，但與C類反向器技術結(jié)合使用構(gòu)成偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器尚屬首次。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果本發(fā)明所述的開關電容積分器采用新型C類反向器，通過新型C類反向器中體電位調(diào)制器在反向器輸入管體端的體電位調(diào)制作用，使得整個反向器的穩(wěn)態(tài)特性(增益、帶寬、靜態(tài)功耗等)和動態(tài)特性(擺率、建立時間、動態(tài)功耗等)在不同工藝角情況下較為一致，從而降低了開關電容積分器工作頻率、建立時間、積分精度和功耗等指標對于工藝偏差的敏感度，在不明顯增加功耗的情況極大地提高電路的穩(wěn)定性和魯棒性。圖1為簡單型C類反向器的電路結(jié)構(gòu)圖；圖2為共源共柵型C類反向器的電路結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明采用的新型C類反向器的電路結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明的采用新型C類反向器的開關電容積分器的原理圖；圖5為本發(fā)明的開關電容積分器的兩相不交疊時鐘以及C類反向器輸入端電位變化曲線6為本發(fā)明的偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器的電路結(jié)構(gòu)圖。具體實施方式具體實施例方式實施例一、本發(fā)明提出的開關電容積分器，包含了申請?zhí)枮?009103013271(
專利名稱：:采用體電位調(diào)制器的C類反向器)的新型C類反向器(以下同)。開關電容積分器用新型C類反向器代替了傳統(tǒng)運算放大器或現(xiàn)有技術的C類反向器，在極大地降低了電路功耗的同時，并克服了工藝偏差對于自身的影響，保證了積分器的魯棒性和實用性。附圖3是開關電容積分器中采用的新型C類反向器的電路結(jié)構(gòu)圖，它是在現(xiàn)有技術的C類反向器30基礎上，增加了PM0S體電位調(diào)制器31和NM0S體電位調(diào)制器32(見申請?zhí)枮?009103013271中的PMOS體電位調(diào)制器和NMOS體電位調(diào)制器，以下同)。其中現(xiàn)有技術的C類反向器30用于實現(xiàn)運算放大功能，而PM0S體電位調(diào)制器31和NM0S體電位調(diào)制器32分別用于實現(xiàn)反向器PM0S輸入管M1和NM0S輸入管M2的體電位調(diào)制，以減弱工藝偏差對于C類反向器的不利影響。新型C類反向器中現(xiàn)有技術的C類反向器30是一個共源共柵型反向器，供電電壓略低于反向器中兩輸入管的閾值電壓之和。相比于簡單型反向器，共源共柵型反向器增益較高，有利于提高開關電容積分器的建立精度。但在一些對精度要求不是很高的場合，采用簡單型反向器能夠增大輸出擺幅，并減小芯片面積。新型C類反向器中的PMOS體電位調(diào)制器31是由感應PMOS管M5和高精密電阻R1組成，其中感應PM0S管M5與反向器輸入管M1版圖匹配對稱，寬長比成固定比例(在l:5至1:20之間)，且M5的柵源電壓與M1在弱反型區(qū)穩(wěn)態(tài)時的柵源偏置電壓相同(VDDH-VGp=VDD-VCM)，因此M5一直處于弱反型區(qū)，它能夠"感應"Ml在不同工藝角和溫度下的跨導、輸出電流等參數(shù)的變化特征。M5源端和體端均接高電平vddh，漏端連接高精密電阻R1，R1作為負載在M5漏端將體電位調(diào)制器31的輸出電壓信號VBP反饋到反向器輸入管M1的體端，整個體電位調(diào)制器形成"感應反饋"環(huán)路，用以體電位調(diào)制。R1的另一端接V亂(VCIv￡Vddl<VDDo，w一般取20K~2GGKG。我們可以看到，輸出電壓信號VBp的范圍略小于vdd『vddh。為避免提供過多的電源供給，vgp和vdd可以復用，vddl和VcM可以復用，而Vddh可以在Vdd上用簡單的升壓電路實現(xiàn)或片外實現(xiàn)，以實現(xiàn)超過反向器電源電壓VDD的M1體電位調(diào)制。PMOS體電位調(diào)制器31中體電位調(diào)制過程簡述如下當工藝角為tt(typical)時，設感應PM0S管M5的輸出電流為Itt，調(diào)節(jié)Vi)DH、R1以及M5尺寸使得PM0S體電位調(diào)制器31的輸出電壓VB產(chǎn)VcM+IttRl"VDD，此時M1體源電壓近似為零，電路進入典型工作狀態(tài)。當工藝角為ss時，Ml閾值電壓的絕對值變大，導致M1在弱反型區(qū)工作時跨導減小，帶寬降低，此時輸出電流達到最小值。由于感應PM0S管M5能夠"感應"到M1的電流變化特征，所以M5的感應輸出電流也將達到最小值，設為Iss。因此體電位調(diào)制器31的輸出電壓Vbf^Vcm+^sRKVdd，將該電壓信號反饋到M1的體端，可以使M1的體源電壓小于零，閾值電壓的絕對值略為降低，Ml在弱反型區(qū)工作時跨導和輸出電流增大，實現(xiàn)了對M1參數(shù)的負反饋調(diào)制。需要注意的是，vbp不宜過小，以免M1源體結(jié)過度正偏而導致漏電流過大。當工藝角為ff時，Ml閾值電壓的絕對值變小，導致M1跨導增大，此時M5的感應輸出電流達到最大值，設為Iff。PM0S體電位調(diào)制器31將輸出電壓VB^Vc^^^^VDD反饋到Ml的體端，使M1閾值電壓的絕對值提高，跨導和輸出電流減小，功耗降低。實際上，通過調(diào)節(jié)VDDH、R1以及M5尺寸等參數(shù)，可以保證PMOS體電位調(diào)制器31在三種工藝角下均輸出較為合適的VBP，使M1在弱反型區(qū)工作時增益、帶寬和靜態(tài)功耗較為一致。新型C類反向器中的麗OS體電位調(diào)制器32是由感應麗OS管M6和高精密電阻R2組成，其中感應NM0S管M6與反向器輸入管M2版圖匹配對稱，寬長比成固定比例(在l:5至1:20之間)，且M6的柵源電壓與M2在弱反型區(qū)穩(wěn)態(tài)時的柵源偏置電壓相同(VGN-GNDL^VCM-GND)，類似地，感應麗0S管M6能夠"感應"反向器NM0S輸入管M2在不同工藝角和溫度下的跨導、輸出電流等參數(shù)的變化特征。M6源端和體端均接低電平GNDL，NM0S管M6的漏端連接高精密電阻R2，R2作為負載將體電位調(diào)制器32的輸出電壓信號VBN反饋到反向器輸入管M2的體端，用以體電位調(diào)制。R2的另一端接GNDH〔GWD^^^D^VCM)，R2—般取20K200KQ。可以看到，輸出電壓信號VBN的范圍小于GNDI^GNDH。為避免提供過多的電源供給，VcN和GND可以復用，GNDH和VcM可以復用，而GNDL可以在GND上用簡單的降壓電路實現(xiàn)或片外實現(xiàn)，以實現(xiàn)小于GND的M2體電位調(diào)制。通過調(diào)節(jié)GNDL、R2以及M6尺寸等參數(shù)，可以保證體電位調(diào)制模塊32在三種工藝角下均輸出較為合適的VBN，使M2在弱反型區(qū)工作時增益、帶寬和靜態(tài)功耗較為一致。需要注意的是，VBN不宜過大，以免M2體源結(jié)過度正偏而導致漏電流過大。附圖4是采用新型C類反向器的開關電容積分器原理圖，它包括新型C類反向器60以及現(xiàn)有技術的采樣電容^、補償電容"人積分電容^和開關。開關電容積分器在實際工作中分為采樣相位和積分相位，采用pl和p2兩相不交疊時鐘進行控制，如附圖5所示，以下詳細介紹本發(fā)明中的開關電容積分器的工作方式。pl相位是積分器的采樣相位，開關S1、S4、S5閉合，開關S2、S3斷開。此時輸入信號J^被采樣到電容^上，新型C類反向器的失調(diào)電壓^^被采樣到補償電容^c上，同時積分電容^在上一相位儲存的電荷被傳遞到下一級電路中。在此相位，由于反向器輸入端結(jié)點X的電位僅為反向器的失調(diào)電壓^^，接近于共模電平，該兩輸入管M1和M2均工作在弱反型區(qū)，所以反向器一直處于高增益低功耗的穩(wěn)定狀態(tài)，滿足了積分器在采樣相位對反相器的要求。在pl相位，新型C類反向器中體電位調(diào)制器31和32的引入使得反向器的增益、帶寬和靜態(tài)功耗等在不同的工藝角下較為一致，有利于開關電容積分器在采樣相位電荷的精確采樣和功耗對于工藝偏差的敏感度。而且由于輸入管M1和M2工作在弱反型區(qū)，整個反向器的輸出電流量級僅為幾十個^甚至更低，大大降低了系統(tǒng)功耗。需要說明的是，采樣相位對反向器的跨導和擺率要求較低，這是C類反向器高增益低功耗狀態(tài)應用的一個必要條件。p2相位是積分器的積分相位，開關S2、S3閉合，開關S1、S4、S5斷開。積分相位包括建立(slewing)相位和保持(settling)相位。在p2相位的初始時刻，積分器進入建立相位，采樣電容^的下極板電位突變?yōu)楣材ｋ娖?，由于電容兩端的電位差是不會突變的，因此采樣電容^的上極板(即結(jié)點Y)和反向器輸入結(jié)點X的電位均發(fā)生突變，其中X電位被拉至—/Ar+f^^。根據(jù)輸入信號的極性，反向器中的一個輸入管由先前的弱反型區(qū)進入強反型區(qū)，產(chǎn)生相當大的瞬態(tài)電流，而另外一個會立即關斷，新型C類反向器進入高擺率大電流狀態(tài)，這恰恰滿足了積分器在建立相位對反向器電流輸出能力較高的要求。與傳統(tǒng)積分器一樣，反向器較大的輸出電流導致采樣電容^的電荷迅速向積分電容'^傳輸。由于積分電容'^的負反饋作用，反向器的輸入端結(jié)點X的電位被逐漸恢復至^^(C類反向器輸入端X電位變化曲線圖如附圖5所示)，而補償電容^c在pi采樣相位后始終維持^^的電位差，因此補償電容的下極板(結(jié)點Y)被補償為"虛地"，利用這種自動清零(Autozeroing)技術提高了積分器的建立精度。最終新型C類反向器重新進入高增益低功耗的穩(wěn)定狀態(tài)，積分器實現(xiàn)穩(wěn)定建立，此時積分器進入p2相位中的保持相位。在p2相位，新型C類反向器中體電位調(diào)制器31和32的引入使得反向器在建立過程中的擺率和動態(tài)功耗在不同的工藝角下較為一致，從而降低了開關電容積分器建立時間、積分精度和動態(tài)功耗等指標對于工藝偏差的敏感度，提高了電路的穩(wěn)定性和魯棒性。與此同時，由于新型C類反向器在建立相位反向器有一個輸入管處于截止區(qū)，而在保持相位兩輸入管均工作在弱反型區(qū)，整個積分器以最低靜態(tài)功耗的代價獲得了較大擺率的能力。需要說明的是，體電位調(diào)制器31和32結(jié)構(gòu)相當簡單，而且其中的感應M0S管M5和M6均工作在弱反型區(qū)，功耗非常低，典型值為現(xiàn)有技術C類反向器功耗的1/10左右。因此，體電位調(diào)制器的引入并不會明顯增加電路功耗，完全適用于低壓低功耗的工作環(huán)境。新型C類反向器和現(xiàn)有技術的簡單型、共源共柵型C類反向器的增益、帶寬、相位裕度以及靜態(tài)功耗等指標在高增益低功耗狀態(tài)(輸入管均處于弱反型區(qū))不同工藝角下的數(shù)據(jù)對比情況見表l，其中電源電壓為1.2V，M1和M3寬長比為180，/0.35，，M2和M4的寬長比為60，/0.35，，M5和M6寬長比分別取M1和M2的1/8，反向器的負載電容均取5pF。在表1中，新型C類反向器中現(xiàn)有技術的C類反向器30采用共源共柵結(jié)構(gòu)。通過表1可知，在高增益低功耗狀態(tài)下，本發(fā)明中采用的新型C類反向器的增益、帶寬和靜態(tài)功耗在不同工藝角下較為一致一既可以保證C類反向器在ss工藝角下有足夠的增益和帶寬，又能使其在ff工藝角下輸出電流和靜態(tài)功耗不至于過大，而簡單型和共源共柵型C類反向器存在較大偏差，尤其是帶寬和靜態(tài)功耗兩個指標的偏差很大。表l:<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>事實上，c類反向器在高擺率大電流狀態(tài)時的動態(tài)特性(擺率、建立時間、動態(tài)功耗等)與反向器輸入管的跨導和輸出電流也有直接的關系。因此，引入體電位調(diào)制器31和32同樣可以改善C類反向器的動態(tài)特性對于工藝偏差的敏感度。由于C類反向器的擺率和建立時間等動態(tài)指標與反向器在高擺率大電流狀態(tài)時的輸入偏置條件密切相關，而反向器輸入偏置電壓需要外部提供。因此，討論C類反向器的動態(tài)特性必須結(jié)合具體的應用環(huán)境，我們將在實施例二中結(jié)合偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器來分析，具體數(shù)據(jù)見表2。實施例二、本發(fā)明提出的采用新型C類反向器的偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器的電路結(jié)構(gòu)見附圖6，它包含了兩個所述的新型C類反向器60和現(xiàn)有技術的共模反饋電路61。新型C類反向器60為單端輸入單端輸出的，所以需要采用兩個差分對稱的新型C類反向器60來構(gòu)成偽差分結(jié)構(gòu)，偽差分結(jié)構(gòu)同樣可以改善共模噪聲和減小非線性，并同時增加信號的最大擺幅。現(xiàn)有技術的共模反饋電路61分別在積分器正向和負向支路形成共模反饋。在p1相位，S7、S8閉合，S6、S9斷開，共模反饋電容^^被放電至共模電平；在p2相位，S6、S9閉合，S7、S8斷開，共模反饋電容^^分別連接補償電容^c的下極板和反向器輸出端形成共模反饋。此時共模反饋電容^^的作用像是一個輸出共模電壓"探測器"一旦探測的輸出共模電平與輸入共模電平有偏差，"探測器""氣就將這個偏差反饋到積分器從而形成共模反饋環(huán)路，該環(huán)路的增益為e^^&。共模反饋電容^^的取值不宜太小，(；太小使得反饋環(huán)路增益太小，進而導致共模工作點建立不準確甚至不建立；共模反饋電容^^的取值也不宜太大，(;太大會導致共模工作點建立時間過長，通常取幾百fF量級較好。與Yo皿gcheolChae等人實現(xiàn)的偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器不同的是，本發(fā)明的偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器在包含新型C類反向器60的同時，采用了更優(yōu)化的拓撲結(jié)構(gòu)，它在反饋回路上用包含積分電容^和相關開關S5的采樣保持支路代替原有的重置開關。在pl相位，積分電容^上一相位積累電荷得以保留，積分器輸出端電位保持不變，并不重置清零；在p2相位，積分電容^繼續(xù)接收來自采樣電容^的電荷，積分器輸出端從pl相位時的電位開始新一次的建立過程，而不需要從信號地重新建立。如果輸入信號的過采樣率較高，積分器輸出端電位在兩個相鄰的時鐘相位變化不會太大，因此本發(fā)明的偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器放寬了對C類反向器(包括新型C類反向器和現(xiàn)有技術的C類反向器)的擺率和建立時間的要求，這一點在時鐘頻率相對較高時顯得尤為重要。由于C類反向器的擺率和建立時間在一定范圍內(nèi)與反向器輸入管的尺寸成正比，所以采用本發(fā)明的拓撲結(jié)構(gòu)能夠適當減小反向器輸入管的尺寸，進而減小反向器的寄生電容，降低功耗。該拓撲結(jié)構(gòu)雖然在差分結(jié)構(gòu)的開關電容積分器(采用傳統(tǒng)的運算放大器)已有運用，但與C類反向器技術結(jié)合使用構(gòu)成偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器尚屬首次。表2是新型C類反向器、現(xiàn)有技術中的簡單型、共源共柵型C類反向器在高擺率大電流狀態(tài)下的動態(tài)指標以及采用這三種C類反向器的偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器指標對比情況，其中電源電壓為1.2V，C類反向器中M1和M3寬長比為180，/0.35，，M2和M4的寬長比為60，/0.35，，M5和M6寬長比分別取M1和M2的1/8，積分器工作頻率為5腿z，輸入差分信號幅值為0.4V，電容負載為lpF，C,Cc=4.8pF'C,24pF，C^=800fF。在表2中，新型C類反向器中現(xiàn)有技術的C類反向器30采用共源共柵結(jié)構(gòu)。需要注意的是，C類反向器的擺率和建立時間與積分器中積分電容和負載電容大小有直接的關系。表2:<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>由表2可知，在高擺率大電流狀態(tài)下，采用新型C類反向器使得擺率和最大動態(tài)電流等指標在不同工藝角下較為一致一既保證了反向器在ff工藝角下動態(tài)功耗不至于過高，又避免了其在ss工藝角下擺率過小，從而大大降低了開關電容積分器建立時間、積分精度和功耗等指標對于工藝偏差的敏感度，且積分精度達到99.6%以上。相比之下，采用簡單型和共源共柵型C類反向器的開關電容積分器在各指標上均有很大偏差，在ss工藝角下甚至不能完全建立，導致積分器功能喪失。權(quán)利要求1.一種開關電容積分器，它包括采樣電容CS，補償電容CC，積分電容CI，自舉NMOS開關S1、NMOS開關S2、S4以及CMOS開關S3、S5；其中S1位于信號輸入端和采樣電容CS之間；S2、S4分別位于采樣電容CS上下極板與共模電平之間；S3、S5分別位于補償電容CC上下極板與積分電容CI上極板之間；其特征在于它還包括新型C類反向器(60)，在現(xiàn)有技術C類反向器的基礎上新增了PMOS體電位調(diào)制器(31)和NMOS體電位調(diào)制器(32)，供電電壓VDD略低于反向器中兩輸入管的閾值電壓之和；本開關電容積分器采用p1和p2兩相不交疊時鐘進行控制。2.一種偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器，它包括兩個共模反饋電路(61)，分別在積分器正向和負向支路形成共模反饋；采樣電容^、補償電容^和積分電容^以及麗OS開關、CMOS開關和自舉麗OS開關；其特征在于它還包括兩個新型C類反向器(60)，分別位于積分器正向和負向支路，兩個反向器差分對稱，構(gòu)成偽差分結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器，其特征在于它在新型C類反向器(60)的輸入和輸出端之間的反饋回路上采用包含積分電容^和相關開關S5的采樣保持支路。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器，其特征在于共模反饋電路(61)包括兩個共模反饋電容^^，在pl相位位于補償電容^c下極板與共模電平之間，而在p2相位分別位于補償電容^c下極板與積分器正負輸出端之間；自舉NM0S開關S6、S9，分別位于共模反饋電容^^下極板與積分器正負輸出端之間NM0S開關S7、S8，分別位于共模反饋電容^^下極板與共模電平之間。全文摘要本發(fā)明公開了一種采用新型C類反向器的開關電容積分器及其一種偽差分結(jié)構(gòu)的開關電容積分器實現(xiàn)形式。偽差分結(jié)構(gòu)開關電容積分器包括兩個新型C類反向器(60)以及現(xiàn)有技術的電容(采樣電容C_S、補償電容C_C和積分電容C_I等)、開關(NMOS開關S2、S4、S7和S8，CMOS開關S3、S5以及自舉NMOS開關S1、S6和S9等)、共模反饋電路(61)。其中兩個新型C類反向器分別位于積分器正向和負向支路且差分對稱，構(gòu)成偽差分結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過新型C類反向器中體電位調(diào)制器的體電位調(diào)制作用，克服了工藝偏差對于開關電容積分器工作頻率、建立時間、積分精度和功耗等指標的影響，在不明顯增加功耗的情況極大地提高積分器的穩(wěn)定性和魯棒性。文檔編號H03K19/00GK101621292SQ20091030148公開日2010年1月6日申請日期2009年4月10日優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日發(fā)明者昊張,豪羅,蔡坤明,雁韓,韓曉霞,黃小偉申請人:浙江大學