專利名稱：生成誤差電壓的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)電容電路及技術(shù)的領(lǐng)域并且更特別地涉及此類電路在精密電流發(fā)生器及精密振蕩器的實(shí)現(xiàn)中的使用。
背景技術(shù)：
開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)由于它們模擬電路中的電阻負(fù)載的能力被廣泛地使用于電子電路的設(shè)計(jì)中。使用在頻率fsw下開關(guān)的開關(guān)電容器Csw，等效電阻Req能夠在Req = 1/ (fswXCsw)的情況下實(shí)現(xiàn)。已知在半導(dǎo)體集成電路的制造中，電阻值的絕對精度并不容易實(shí)現(xiàn)然而電容值的絕對精度卻正好處于大多數(shù)半導(dǎo)體制造工藝的控制之下。由于這個原因，在需要精確的電阻值的情形中，開關(guān)電容電路在模擬半導(dǎo)體電路設(shè)計(jì)中的使用是特別重要的。被稱為“帶隙基準(zhǔn)電路”的精確電壓基準(zhǔn)電路現(xiàn)在是已知的并且是可普遍購得的。 D. Susak在美國專利No. 5，900, 773中描述了該精密帶隙基準(zhǔn)電路的實(shí)例。但是生成精確且穩(wěn)定的電流基準(zhǔn)是件更困難的任務(wù)。精密電流基準(zhǔn)發(fā)生器的可獲得性是在需要傳感器(例如霍爾元件偏置)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(例如電流導(dǎo)引DAC)等的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)精度所需的。此類電流基準(zhǔn)電路能夠使用在混合信號閉環(huán)電路中的開關(guān)電容器、比較器、電壓基準(zhǔn)及基準(zhǔn)時鐘來實(shí)現(xiàn)，其中該混合信號閉環(huán)電路由Mkurai等人在2006年6月8日
的美國專利申請公開 2006/0119422A1-Semiconductor Device Including Current
ControlCircuit of Reference Current Source (包括基準(zhǔn)電流源的電流控制電路的半導(dǎo)體器件)中進(jìn)行了描述。這種電路具有易受比較器中的延遲的影響的缺陷，從而由于制造工藝的變化、電源變化及溫度變化導(dǎo)致了明顯的精度不足。雖然基于開關(guān)電容器的模擬緩沖電路由Cheol-Min等人在美國專利申請公開 No. 2005/0258997 Al中描述了，但是該電路提供了輸入電壓具有固定增益1的拷貝然而能夠放大并積分微分誤差信號的放大器將會為解決提供精密電流基準(zhǔn)發(fā)生器的問題所需要。在歐洲專利申請公開No. 1，712，973A2中，Moro等人描述了傳統(tǒng)的恒跨導(dǎo)(gm)偏置電流發(fā)生電路，其中電阻元件直接由其開關(guān)電容等效網(wǎng)絡(luò)與緩沖器電容器一起所代替。 這種電路的主要目標(biāo)與其說是提供精確的絕對電流基準(zhǔn)，倒不如說是為了顯著恒定的性能 (該恒定性能取決于gm/C)通過使偏置電流適合于工藝及溫度變化來偏置模擬電路。這種電路因許多將在下面描述的誤差而受損害，阻礙了這種電路被用作高精度電流基準(zhǔn)發(fā)生。在模擬及混合信號電路設(shè)計(jì)中的另一種重要的構(gòu)建模塊是振蕩器。通常，為了構(gòu)建精確的振蕩器，將會使用晶體或陶瓷諧振器。這導(dǎo)致了體積大且昂貴的解決方案，其中由于這些解決方案通常具有與可用的晶體或陶瓷的頻率對應(yīng)的預(yù)定頻率的事實(shí)，它們并不是很靈活。使用具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)的可控振蕩器及分配器的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)很精確的且靈活的振蕩器。這種電路的實(shí)例由 T. R. Viswanathan,S. Murtuza,V. H. Syec^PM. Staszel 描述于“Switched-Capacitor Frequency ControlLoop (開關(guān)電容器頻率控制回路)”(IEEE期刊 Solid State circuits (固態(tài)電路)，Vol. 17，Issue No. 4，1982 年 8 月，pp. 774-778)中。圖Ia示出了其中通常為獲得在開關(guān)電容器(CSW)兩端的所需電壓，以及因而所需的電流，而在由Viswanathan等人的工作所啟發(fā)的電路內(nèi)使用開關(guān)電容器(CSW)及放大器 (AMP)的方式。在這種電路中，開關(guān)電容器(CSW)被使用于具有響應(yīng)于在基準(zhǔn)電壓(VR)與點(diǎn)NB處的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)兩端的電壓之間的差異而配置的運(yùn)算放大器(AMP)的反饋電路內(nèi)。 這樣檢測到的差異被用來控制開關(guān)電容器內(nèi)的電流大小。以上設(shè)計(jì)因某些誤差而受損害，現(xiàn)在將參考圖Ib中的波形來描述這種情況。在第一階段(Phl)內(nèi)，開關(guān)電容器連接至運(yùn)算放大器(AMP)。由于運(yùn)算放大器(NB)的輸入具有與開關(guān)電容器(CSW)并聯(lián)連接的緩沖器電容器(CB)，因而在開關(guān)電容器(CSW)與運(yùn)算放大器(AMP)連接的同時，在運(yùn)算放大器的輸入端(NB)的電壓由于開關(guān)電容器(CSW)和緩沖器電容器(CB)的并聯(lián)組合而下降。電流源(IB)給電容器對(CSW和CB)充電直到第一階段 (phi)結(jié)束。在第二階段(ph2)中，開關(guān)電容器(CSW)與運(yùn)算放大器(AMP)解耦并放電。結(jié)果是運(yùn)算放大器輸入(NB)受到鋸齒波形的影響，該鋸齒波形在第一階段(phi)內(nèi)的斜面由于在第一階段內(nèi)的開關(guān)電容器(CSW)的額外電容而略小于第二階段(ph2)內(nèi)的斜面。能夠示出的是，為了修正以上電路的操作，包括運(yùn)算放大器(AMP)的調(diào)節(jié)環(huán)路必須具有顯著低于開關(guān)頻率的帶寬。在這些條件之下，環(huán)路近似地響應(yīng)于在放大器的輸入端的差分電壓的時間平均。因而，在節(jié)點(diǎn)NSW的時間平均電壓通過反饋環(huán)路調(diào)節(jié)至等于基準(zhǔn)電壓(VR)。值得注意的是開關(guān)電容器(CSW)被充電至在第一階段(phi)結(jié)束時所達(dá)到的電壓，該電壓我們將稱為Vcharge，然后在第二階段(pM)期間放電。但是，因?yàn)樵诠?jié)點(diǎn)NSW處的鋸齒波形由于在第一和第二階段期間不同的斜面而并不是完全對稱的，所以節(jié)點(diǎn)NSW處的電壓的實(shí)際時間平均比在第一階段(Phl)結(jié)束時所達(dá)到的電壓大一個非零的正量，該正量我們將稱為失調(diào)電壓(Voffset)。另外，在開關(guān)(Si)兩端的電壓降由于開關(guān)(Si)的寄生電阻進(jìn)一步促成了失調(diào)電壓(Voffset)。而且，在第一和第二階段之間的任意定時差異將導(dǎo)致不平衡的占空比并且將更進(jìn)一步促成失調(diào)電壓(Voffset)。在一段時間內(nèi)所轉(zhuǎn)移的電荷等于VchargeXCSW，這對應(yīng)于等效電流I = Vcharge X CSWXfsw，其中fsw是開關(guān)頻率。我們已經(jīng)在上面示出，一旦反饋環(huán)路達(dá)到穩(wěn)定， Vcharge就并不恰好等于基準(zhǔn)電壓(VR)。更具體地，Vcharge = VR-Voffset。因而等效電流是 I = (VR-Voffset) X CSWXfsw 而不是所希望的值 VRX CSWXfsw。失調(diào)(Voffset)的大小取決于開關(guān)及運(yùn)算放大器的特性，這些特性則隨著工藝、供電電壓及溫度改變，導(dǎo)致了不精確且不穩(wěn)定的電流。一種最小化失調(diào)(VofTset)的方式是增加緩沖器電容器(CB)的值，使鋸齒形紋波在節(jié)點(diǎn)(NB)將得以最小化。但是，如果要將電路集成于半導(dǎo)體芯片之上，則這種簡單的解決方案會用掉大的芯片面積。另外，在節(jié)點(diǎn)(NB)引起的極點(diǎn)將被移動至較低的頻率，與調(diào)節(jié)環(huán)路的主要主導(dǎo)極點(diǎn)沖突并且導(dǎo)致難以達(dá)到環(huán)路穩(wěn)定性。另一種動態(tài)放大器由Vittoz在英國專利申請No. 2，095，946A中進(jìn)行了描述。這種電路是廣泛公知的并且通常廣泛使用于工業(yè)中。但是，在本發(fā)明中所描述的放大電路是自偏置的使得在放大階段(cf phi)中的輸出電壓名義上等于在準(zhǔn)備階段(cf ph2)所達(dá)到
6的電壓，從而即使在使用典型可用于先進(jìn)短溝道半導(dǎo)體技術(shù)內(nèi)的低增益器件時也消除了殘余輸入失調(diào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了用于生成在開關(guān)電路器件內(nèi)的耦接電容器(CC)兩端的誤差電壓 (Verr)以及用于放大并積分所述的誤差電壓(Verr)的方法，所述的方法被使用在包括開關(guān)電路器件以及控制開關(guān)電路器件的時鐘發(fā)生器(CGEN)的系統(tǒng)中，所述開關(guān)電路器件還包括基準(zhǔn)電壓(VR)、開關(guān)電容器(CSW)、用于給開關(guān)電容器(CSW)充電的偏置電流(IBB)、經(jīng)由耦接電容器(CC)接收誤差電壓(Verr)的放大器(AMP)以及在其上積分所放大的誤差電壓(Verr)的積分電容器(CINT)，所述方法的特征在于它包括三個單獨(dú)階段的執(zhí)行，即充電階段(Phi)、保持階段(ph2)和放電階段(ph3)，其中在充電階段(phi)期間執(zhí)行下列步驟-給開關(guān)電容器(CSW)充電，-自動調(diào)零放大器(AMP)，由此使其輸入保留在其靜態(tài)工作點(diǎn)，在保持階段(ph2)期間執(zhí)行下列步驟-將開關(guān)電容器(CSW)保持于在充電階段(phi)結(jié)束時所達(dá)到的充電電壓，-將開關(guān)電容器(CSW)連接到耦接電容器(CC)，-維持放大器(AMP)的自動調(diào)零配置，在放電階段(ph3)期間執(zhí)行下列步驟-使開關(guān)電容器(CSW)放電，-使開關(guān)電容器(CSW)與耦接電容器(CC)斷開并且將基準(zhǔn)電壓(VR)連接至耦接電容器(CC)由此存儲在耦接電容器(CC)兩端的誤差電壓(Verr)，所述誤差電壓(Verr)是基準(zhǔn)電壓(VR)與充電電壓之間的差異，-使用放大器(AMP)放大誤差電壓(Verr)并且將所放大的誤差電壓積分于積分電容器(CINT)之上以便獲得積分放大誤差電壓(VINT)，所述三個階段以連續(xù)方式按順序循環(huán)。本發(fā)明還提供了用于在開關(guān)電路器件內(nèi)的耦接電容器(CC)的兩端生成誤差電壓 (Verr)的系統(tǒng)，其中所述開關(guān)電路器件包括基準(zhǔn)電壓(V 、開關(guān)電容器(CSW)、偏置電流 (IBB)、經(jīng)由耦接電容器(CC)接收誤差電壓(Verr)的放大器(AMP)、在其上積分所放大的誤差電壓的積分電容器(CINT)以及多個開關(guān)，被配置為允許開關(guān)電容器(CSW)由偏置電流(IBB)充電或者保持于當(dāng)前的電荷或者被放電，開關(guān)電容器(CSW)或基準(zhǔn)電壓被連接至耦接電容器(CC)，使放大器(AMP)自動調(diào)零，由此使其輸入保留在其靜態(tài)工作點(diǎn)，或者放大誤差電壓(Verr)，以及放大器(AMP)的輸出被連接至積分電容器(CINT)或者與積分電容器(CINT) 斷開，所述系統(tǒng)還包括時鐘發(fā)生器(CGEN)，所述系統(tǒng)的特征在于所述時鐘發(fā)生器被配置以通過循環(huán)進(jìn)行三個階段，即充電階段(phi)、保持階段(pM)和放電階段(ρω)來控制所述開關(guān)電路，其中
-在充電階段(phi)期間開關(guān)電容器(CSW)通過偏置電流(IBB)來充電并且使放大器(AMP)自動調(diào)零，由此使其輸入保留在其靜態(tài)工作點(diǎn)，-在保持階段(ph2)期間停止開關(guān)電容器(CSW)的充電由此使開關(guān)電容器保持在充電電壓，將開關(guān)電容器(CSW)切換至耦接電容器(CC)并且保持放大器(AMP)的自動調(diào)零狀態(tài)，-在放電階段(ph3)期間使開關(guān)電容器(CSW)放電，將基準(zhǔn)電壓(VR)切換至耦接電容器(CC)之上，由此存儲耦接電容器(CC)兩端的誤差電壓(Verr)，所述誤差電壓 (Verr)是基準(zhǔn)電壓(VR)與充電電壓之間的差異，誤差電壓(Verr)由放大器(AMP)放大并且使所放大的誤差電壓積分于積分電容器(CINT)之上以給出積分放大誤差電壓(VINT)。通過使用這種根據(jù)上文所提到的方法的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中時鐘發(fā)生器由振蕩器所控制并且基準(zhǔn)電壓由帶隙基準(zhǔn)電壓發(fā)生器生成并且使用其中積分放大誤差電壓被用來控制偏置電流的反饋組態(tài)，能夠獲得精確且穩(wěn)定的電流基準(zhǔn)。另一方面，如果系統(tǒng)根據(jù)以上所描述的方法來使用，其中基準(zhǔn)電壓通過使鏡像版本的偏置電流流過基準(zhǔn)電阻來生成，并且其中開關(guān)電路還包括輸出驅(qū)動器以將積分放大誤差電壓轉(zhuǎn)換成輸出電流，并且系統(tǒng)還包括由輸出電流所驅(qū)動的電流控制型振蕩器和由電流控制型振蕩器的輸出所驅(qū)動的分頻器，然后通過使用分頻器的輸出來驅(qū)動時鐘發(fā)生器，能夠獲得穩(wěn)定且精確的無晶體振蕩器。


關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的下列詳細(xì)描述在結(jié)合附圖來閱讀時將會最好理解，在附圖中圖Ia是常規(guī)的開關(guān)電容電流發(fā)生電路的示意圖。圖Ib是由諸如圖1所示的電路那樣的常規(guī)的開關(guān)電容電流發(fā)生電路產(chǎn)生的波形。圖2是本發(fā)明所提出的解決方案的示意圖。圖3示出了在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的三個階段期間執(zhí)行的操作。圖4示出了三個階段的時序圖以及在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的那些階段期間執(zhí)行的一組操作。圖5是與圖2的示意圖有關(guān)的時序圖。圖6是本發(fā)明在閉環(huán)電路中的實(shí)施例的示意圖，其中所述閉環(huán)電路被設(shè)計(jì)以提供基本上恒定的且精確的電流輸出，從而克服了在圖1的常規(guī)電路中的某些缺陷。圖7是本發(fā)明在閉環(huán)電路中的實(shí)施例的示意圖，其中所述閉環(huán)電路被設(shè)計(jì)以提供基本上恒定的且精確的輸出時鐘。圖8示出了使用可編程的開關(guān)來修改在按電流鏡拓?fù)洳贾玫木w管分支組的一個分支中的，用來補(bǔ)償由于由制造工藝所引起的變化所致的開關(guān)電路器件的操作特性的變化的電流的方法。圖9示出了在開關(guān)電路器件中用來補(bǔ)償由于溫度變化所致的操作特性的變化的解決方案的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明包括使用開關(guān)電路器件來生成在耦接電容器兩端的誤差電壓的方法，其中所述開關(guān)電路器件包括耦接電容器、開關(guān)電容器、基準(zhǔn)電壓、放大誤差電壓的放大器以及在其上積分由所放大的誤差電壓引起的誤差電流的積分電容器。方法根據(jù)三階段的循環(huán)的定時時段(包括充電階段、保持階段及放電階段)來執(zhí)行。誤差電壓是基準(zhǔn)電壓與在充電階段結(jié)束時于開關(guān)電容器兩端生成的電壓之間的差異，其中在充電階段期間開關(guān)電容器經(jīng)由電流源來充電。本發(fā)明還涉及為實(shí)現(xiàn)以上方法而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。通過在反饋環(huán)路中使用由根據(jù)本發(fā)明的方法驅(qū)動的開關(guān)電路器件產(chǎn)生的在積分電容器上的電壓來控制電流源，本發(fā)明還提供了包括時鐘發(fā)生器的系統(tǒng)，其中該時鐘發(fā)生器由振蕩器所驅(qū)動以生成控制信號以根據(jù)以上方法來驅(qū)動開關(guān)電路器件以便使這樣生成的誤差電壓最小化。通過使用精確的振蕩器來驅(qū)動時鐘發(fā)生器和帶隙發(fā)生器以供應(yīng)開關(guān)電路器件內(nèi)的基準(zhǔn)電壓，開關(guān)電路器件在理想情況下在這樣描述的結(jié)構(gòu)中生成接近零的誤差電壓，并且生成穩(wěn)定且精確的電流輸出以用作例如電流基準(zhǔn)。通過使用由根據(jù)本發(fā)明的方法驅(qū)動的開關(guān)電路器件在積分電容器上產(chǎn)生的電壓來控制輸出電流源，本發(fā)明另外還提供了包括時鐘發(fā)生器、依賴于這樣生成的輸出電流來生成輸出頻率的電流控制型振蕩器以及由輸出頻率驅(qū)動并且在反饋環(huán)路中用來驅(qū)動時鐘發(fā)生器的分頻器的系統(tǒng)，以便提供精確的無晶體振蕩器。本發(fā)明還允許該基準(zhǔn)電流發(fā)生器或該振蕩器相對于在開關(guān)電路器件的制造期間因工藝變化所致的器件特性的變化來校準(zhǔn)。另外還采取措施以允許溫度補(bǔ)償在開關(guān)電路器件所使用的任意電阻器或電容器具有隨溫度的顯著變化的情況下得以實(shí)現(xiàn)。由于單輸入放大器及所使用的開關(guān)方法的使用，本發(fā)明不易受諸如放大器失調(diào)那樣的效應(yīng)的影響，同時在放大器中的閃爍噪聲的效應(yīng)被消弱。值得注意的是由于本發(fā)明的設(shè)計(jì)，本發(fā)明被運(yùn)用于其中的系統(tǒng)將顯示出對例如開關(guān)電阻、以上所描述的鋸齒紋波的非對稱特性以及在開關(guān)電容器上的波形的占空比的問題的降低的敏感性。在圖2中示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。開關(guān)電容器(CSW)由受控緩沖器偏置電流源(IBB)充電至盡可能接近于所需電壓，所需電壓等于基準(zhǔn)電壓(VR)。通過近似控制一組受控開關(guān)以依次將開關(guān)電容電壓(NSW)然后是基準(zhǔn)電壓(VR)連接到傳感節(jié)點(diǎn)(NSENSE)， 能夠?qū)㈤_關(guān)電容器上的在其充電時段結(jié)束時的電壓與基準(zhǔn)電壓(VR)之間的差異(Verr)放大(AMP)以給出誤差電流(IERR)。誤差電流(IERR)能夠隨時間積分于積分電容器(CINT)之上以給出積分誤差電壓(VINT)。積分誤差電壓(VINT)可以被用作反饋環(huán)路的一部分以便或者控制給開關(guān)電容器充電的緩沖器偏置電流(IBB)或者控制電流控制型振蕩器，該電流控制型振蕩器的輸出能夠被用來控制開關(guān)電容器以及開關(guān)電路器件的相關(guān)受控開關(guān)的切換。放大器包括至少一個放大元件。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在圖2中示出的放大元件是被P型MOSFET (PMOS)偏置的N型MOSFET (NMOS)。放大元件的輸入與傳感節(jié)點(diǎn)(NSENSE) 電容耦接。放大器具有反饋開關(guān)(SEQ)和輸出開關(guān)(SINT)，這兩種開關(guān)都被實(shí)現(xiàn)為受控開關(guān)。受控開關(guān)被實(shí)現(xiàn)為MOS晶體管。緩沖器電容器(CB)由緩沖器偏置電流(IBB)充電。開關(guān)電容器(CSW)被連接于開關(guān)節(jié)點(diǎn)(NSW)與第一公共DC基準(zhǔn)面(VOO)之間，在此情況下為地，開關(guān)節(jié)點(diǎn)能夠或者與緩沖器電容器(CB)連接于緩沖器節(jié)點(diǎn)(NB)并且從而與緩沖器電
9容器并聯(lián)被充電，或者它能夠被放電至第一公共DC基準(zhǔn)面(VOO)，或者它能夠被隔離從而允許開關(guān)電容器將開關(guān)電容器(CSW)的電荷保持于開關(guān)節(jié)點(diǎn)(NSW)上。布置一組受控開關(guān) (S2，SREF)由此使傳感節(jié)點(diǎn)(NSENSE)與基準(zhǔn)電壓(VR)或開關(guān)節(jié)點(diǎn)(NSW)連接。整個電路由連接于第一公共DC基準(zhǔn)面(VOO)與第二公共DC基準(zhǔn)面(Vll)之間的電源供電，由電源供應(yīng)的電壓高于基準(zhǔn)電壓(VR)。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，放大元件可以是被NMOS偏置的PMOS或者輸出驅(qū)動器可以包括與圖2所描述的電流源極性相反的電流源，并且緩沖器偏置的極性能夠關(guān)于圖2 所示的極性反轉(zhuǎn)。本發(fā)明的開關(guān)電路在三個階段內(nèi)工作。根據(jù)一種實(shí)施例，在第一階段內(nèi)，開關(guān)節(jié)點(diǎn) (NSff)和基準(zhǔn)電壓(VR)兩者都與傳感節(jié)點(diǎn)(NSENSE)斷開，而緩沖器電容器(CB)與開關(guān)電容器(CSW)并聯(lián)連接于緩沖器節(jié)點(diǎn)(NB)，允許緩沖器偏置電流(IBB)作用于與緩沖器電容器(CB)并聯(lián)的開關(guān)電容器(CSW)上。在第二階段中，當(dāng)為理想情況時，開關(guān)節(jié)點(diǎn)(NSW)已經(jīng)達(dá)到與基準(zhǔn)電壓(VR)相同的電勢，開關(guān)電容器(CSW)與緩沖器偏置電流(IBB)斷開，因此允許緩沖器偏置電流(IBB)單獨(dú)連續(xù)地作用在緩沖器電容器(CB)上，而開關(guān)節(jié)點(diǎn)(NSW) 與傳感節(jié)點(diǎn)(NSENSE)連接。在第一和第二兩個階段期間，放大元件(MAMP)的輸出與其輸入連接，即放大器(AMP)是“自動調(diào)零的”。第三階段于是保證，在該第三階段期間開關(guān)電容器(CSW)通過將其連接至第一 DC基準(zhǔn)面(在這種情況下為V00)被重置，基準(zhǔn)電壓(VR)連接至傳感節(jié)點(diǎn)(NSENSE)(即基準(zhǔn)電壓被“傳感”)，并且放大器(AMP)的輸出連接至積分電容器(CINT)從而將由基準(zhǔn)電壓(VR)與開關(guān)電容器上的電壓之間的差異(Verr)在第二階段期間產(chǎn)生的誤差電流(IERR)積分于積分電容器(CINT)之上，從而給出VINT。圖3示出了說明在以上所描述的三個階段期間都實(shí)現(xiàn)什么步驟的表格。圖4以時序圖的形式示出了相同的信息。這樣描述的開關(guān)電路的不同實(shí)施例是可能的。例如，PMOS晶體管可以用作放大元件(MAMP)，或者偏置電流的極性能夠被反轉(zhuǎn)。下面的表1總結(jié)了本發(fā)明的四個不同實(shí)施例的在本發(fā)明中發(fā)生的各種操作與它們可以在其中進(jìn)行的階段之間的關(guān)系。從表中可以看出，其中開關(guān)電容器被充電，被傳感以及被放電的操作分別發(fā)生于第一階段、第二階段和第三階段期間，與哪種實(shí)施例被使用無關(guān)。自動調(diào)零放大器、傳感基準(zhǔn)電壓以及積分誤差電流這些其他操作可以在不同的階段期間進(jìn)行，取決于所使用的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于生成在開關(guān)電路器件內(nèi)的耦接電容器(CC)兩端的誤差電壓(Verr)以及用于放大并積分所述誤差電壓(Verr)的方法，所述方法被用于包括所述開關(guān)電路器件以及控制所述開關(guān)電路器件的時鐘發(fā)生器(CGEN)的系統(tǒng)中，所述開關(guān)電路器件還包括基準(zhǔn)電壓(VR)、開關(guān)電容器(CSW)、用于給所述開關(guān)電容器(CSW)充電的偏置電流(IBB)、經(jīng)由所述耦接電容器(CC)接收所述誤差電壓(Verr)的放大器(AMP)以及在其上積分所放大的誤差電壓(Verr)的積分電容器(CINT)，所述方法的特征在于它包括三個單獨(dú)階段的執(zhí)行，即充電階段(Phi)、保持階段(ph2)和放電階段(ph3)，其中在所述充電階段(Phl)期間執(zhí)行下列步驟 -給所述開關(guān)電容器(CSW)充電，-自動調(diào)零所述放大器(AMP)，由此使其輸入保留在其靜態(tài)工作點(diǎn)， 在所述保持階段(PM)期間執(zhí)行下列步驟-將所述開關(guān)電容器(CSW)保持于在所述充電階段(Phl)結(jié)束時所達(dá)到的充電電壓， -將所述開關(guān)電容器(CSW)連接到所述耦接電容器(CC)， -維持所述放大器(AMP)的所述自動調(diào)零配置， 在所述放電階段(ρω)期間執(zhí)行下列步驟 -使所述開關(guān)電容器(CSW)放電，-使所述開關(guān)電容器(CSW)與所述耦接電容器(CC)斷開并且將所述基準(zhǔn)電壓(VR)連接至所述耦接電容器(CC)由此存儲所述耦接電容器(CC)兩端的所述誤差電壓(Verr)，所述誤差電壓(Verr)是所述基準(zhǔn)電壓(VR)與所述充電電壓之間的差異，-使用所述放大器(AMP)來放大所述誤差電壓(Verr)并且將所放大的誤差電壓在所述積分電容器(CINT)上積分以便獲得積分放大誤差電壓(VINT)， 所述三個階段以連續(xù)方式按順序循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述系統(tǒng)還包括振蕩器(XOSC)以驅(qū)動所述時鐘發(fā)生器 (CGEN)，所述方法還包括下列步驟-使用所述積分放大誤差電壓(VINT)來控制所述偏置電流(IBB)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述開關(guān)電路還包括基準(zhǔn)電阻器(RREF)并且所述系統(tǒng)還包括受控振蕩器(ICO)和分頻器(DIV)，所述方法包括下列步驟-迫使基準(zhǔn)偏置電流(IBR)流過所述基準(zhǔn)電阻器(RREF)以便生成所述基準(zhǔn)電壓(VR)， -使用所述積分放大誤差電壓(VINT)來驅(qū)動所述受控振蕩器以給出輸出時鐘 (CKOUT)，-使用所述分頻器將所述輸出時鐘(CKOUT)劃分為至少一個， -使用所劃分的輸出時鐘來驅(qū)動所述時鐘發(fā)生器(CGEN)。
4.一種用于在開關(guān)電路器件內(nèi)的耦接電容器(CC)的兩端生成誤差電壓(Verr)的系統(tǒng)，所述開關(guān)電路器件包括基準(zhǔn)電壓(V 、開關(guān)電容器(CSW)、偏置電流(IBB)、經(jīng)由所述耦接電容器(CC)接收所述誤差電壓(Verr)的放大器(AMP)、在其上積分所放大的誤差電壓的積分電容器(CINT)以及多個開關(guān)，被配置為允許所述開關(guān)電容器(CSW)由所述偏置電流(IBB)充電或者保持于當(dāng)前的電荷或者被放電，所述開關(guān)電容器(CSW)或所述基準(zhǔn)電壓被連接至所述耦接電容器(CC)，使所述放大器(AMP)自動調(diào)零，由此使其輸入保留在其靜態(tài)工作點(diǎn)，或者放大所述誤差電壓(Verr)，以及所述放大器(AMP)的所述輸出被連接至所述積分電容器(CINT)或者與所述積分電容器(CINT)斷開，所述系統(tǒng)還包括時鐘發(fā)生器(CGEN)，所述系統(tǒng)的特征在于所述時鐘發(fā)生器被配置以通過經(jīng)過三個階段的循環(huán)，即充電階段(phi)、保持階段(pM)和放電階段(ρω)來控制所述開關(guān)電路，其中-在所述充電階段(Phl)期間所述開關(guān)電容器(CSW)經(jīng)由所述偏置電流(IBB)來充電并且使所述放大器(AMP)自動調(diào)零，由此使其輸入保留在其靜態(tài)工作點(diǎn)，-在所述保持階段(PM)期間停止所述開關(guān)電容器(CSW)的充電由此使所述開關(guān)電容器保持在充電電壓，所述開關(guān)電容器(CSW)被切換至所述耦接電容器(CC)并且保持所述放大器(AMP)的所述自動調(diào)零狀態(tài)，-在所述放電階段(ρω)期間使所述開關(guān)電容器(CSW)放電，所述基準(zhǔn)電壓(V 被切換至所述耦接電容器(CC)上，由此存儲所述耦接電容器(CC)兩端的所述誤差電壓(Verr)， 所述誤差電壓(Verr)是所述基準(zhǔn)電壓(VR)與所述充電電壓之間的差異，所述誤差電壓 (Verr)由所述放大器(AMP)放大并且使所放大的誤差電壓在所述積分電容器(CINT)上積分以給出積分放大誤差電壓(VINT)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述開關(guān)電路還包括由所述偏置電流(IBB)以連續(xù)的方式偏置的緩沖器電容器(CB)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的系統(tǒng)，其中所述放大器(AMP)包括放大元件(MAMP)，所述放大元件(MAMP)是由放大器偏置電流(IBA)所偏置的N型MOS晶體管，所述自動調(diào)零通過將所述放大器的所述輸出連接至其輸入來實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4到6中的任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中所述開關(guān)電路器件還包括將所述積分放大誤差電壓(VINT)轉(zhuǎn)換成輸出電流(IOUT)的輸出驅(qū)動器、生成所述基準(zhǔn)電壓 (VR)的帶隙基準(zhǔn)電壓發(fā)生器(BG)以及驅(qū)動所述時鐘發(fā)生器(CGEN)的振蕩器O(OSC),所述輸出電流(IOUT)被用于電流鏡配置中以控制所述偏置電流(IBB)和所述放大器偏置電流 (IBA)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4到7中的任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中所述開關(guān)電路器件還包括連接于所述放大器輸出和所述積分電容器(CINT)之間以降低所述輸出電流(IOUT)對電源紋波的敏感性的可折疊級聯(lián)級(FCASC)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4到6中的任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中所述基準(zhǔn)電壓(VR)通過迫使基準(zhǔn)偏置電流(IBR)流過基準(zhǔn)電阻(RREF)來生成，所述基準(zhǔn)偏置電流(IBR)與經(jīng)過電流鏡配置的所述偏置電流(IBB)相關(guān)，并且其中所述開關(guān)電路器件還包括輸出驅(qū)動器以將所述積分放大誤差電壓(VINT)轉(zhuǎn)換成輸出電流(IOUT)并且使用電流鏡配置來生成與所述輸出電流(IOUT)成比例的所述放大器偏置電流(IBA)，所述系統(tǒng)還包括電流控制型振蕩器(ICO) 和時鐘分頻器(DIV)，所述電流控制型振蕩器(ICO)由所述輸出電流(IOUT)驅(qū)動以給出輸出時鐘(CKOUT)，所述反饋配置包括使用所述時鐘分頻器以控制所述時鐘發(fā)生器(CGEN)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4到9中的任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中所述開關(guān)電路還包括啟動電路 (START)以通過將啟動電流注入所述積分電容器(CINT)上來確保所述輸出電流(IOUT)不為零。
11.根據(jù)權(quán)利要求4到10中的任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中所述開關(guān)電路中的電容器中的至少一個至少部分地由寄生電容構(gòu)成。
12.根據(jù)權(quán)利要求4到11中的任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中所述開關(guān)電路器件包括用于補(bǔ)償所述基準(zhǔn)電阻(RREF)的電阻率變化的系統(tǒng)，所述補(bǔ)償系統(tǒng)包括下列特征中的至少一條-所述基準(zhǔn)電阻(RREF)包括多個電阻部分，每個電阻部分都與至少一個可編程的開關(guān)相關(guān)聯(lián)以允許所述電阻部分參與所述基準(zhǔn)電阻(RREF)的總電阻或者被從所述總電阻中排除，-所述開關(guān)電容器(CSW)包括多個電容部分，每個電容部分與至少一個可編程的開關(guān)相關(guān)聯(lián)以允許所述電容部分參與所述開關(guān)電容器(CSW)的總電容或者被從所述總電容中排除，-所述電流鏡配置中任一個的至少一個分支包括至少一個晶體管以及晶體管的多個并聯(lián)部分，晶體管的所述部分中的每一個經(jīng)由可編程的開關(guān)與所述分支連接以允許所述部分被包含于所述分支內(nèi)或者被從所述分支中排除。
13.根據(jù)權(quán)利要求4到12中的任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中所述開關(guān)電路器件還包括用于補(bǔ)償因溫度變化所致的所述基準(zhǔn)電阻(RREF)的值的變化和/或所述開關(guān)電容器(CSW) 的值的變化的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括溫度補(bǔ)償電流鏡以反射其值與溫度成比例的一定比例的電流，所述一定比例的電流被用來調(diào)整所述偏置電流(IBB)或者所述基準(zhǔn)偏置電流(IBR)。
全文摘要
本發(fā)明允許通過提供精確控制開關(guān)電容器的循環(huán)充電操作的電路來實(shí)現(xiàn)精密電流基準(zhǔn)或全積分無晶體精密振蕩器。使在開關(guān)電容器兩端的電壓斜坡上升或者在充電階段結(jié)束時精確停止于所需的電壓。通過使用基于跨導(dǎo)放大器的開關(guān)的適當(dāng)網(wǎng)絡(luò)，在所需電壓和開關(guān)電路兩端的電壓之間的誤差電壓由跨導(dǎo)放大器放大以給出誤差電流。誤差電流被按時間積分以給出積分放大誤差電壓。通過使用適當(dāng)?shù)姆答?，誤差電壓能夠被最小化以給出其值取決于電容、電壓及頻率的精確的輸出電流。在不同的反饋配置中，所描述的電路能夠被用作頻率鎖定環(huán)路的一部分以提供其頻率取決于電阻和電容的精確的無晶體振蕩器。該電路不易受放大器偏置及帶寬、開關(guān)電阻、占空比以及在放大器的輸入處的非對稱紋波的影響。該電路還包括用于補(bǔ)償溫度變化的裝置以及用于補(bǔ)償由于工藝變化而一般發(fā)生在集成電路內(nèi)的電阻及電容的變化的裝置。
文檔編號H03H19/00GK102165687SQ200980137548
公開日2011年8月24日 申請日期2009年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日
發(fā)明者F·巴倫那格 申請人:莫斯卡德設(shè)計(jì)及自動控制有限公司