專利名稱：減小誤差的基于比較器的切換電容器電路及其方法
技術領域：
本發(fā)明關于一種切換電容器電路，特別是關于一種可減小誤差的基于比
較器的切換電容器(comparator based switch capacitor ) ( CBSC )電路。
背景技術：
相較于基于運算放大器的切換電容器電路，基于比較器的切換電容器 (CBSC)電路是一種能提供較多優(yōu)勢的新興技術。正如傳統的切換電容器電路， CBSC電路同樣以二階段方式工作。所述的兩個階段為"取樣"階段和"轉 移"階段，分別由兩個非重疊時鐘(如，①，和①2)所控制。 一以取樣頻率 /工作的典型兩階段CBSC電路,其每個階段的持續(xù)時間較取樣時鐘周期T=l// 的二分之一稍小。在取樣階段(0^)期間，通過取樣電容器d取來對輸入電 壓V,進行取樣，其中將d的"+，，端連接至V!,且"-"端連接至共模電壓VcM。 在轉移階段(02)期間，如圖1所示，通過電荷轉移電路來將存儲在取樣電 容器d上的電荷轉移至集成電容器C2,該電荷轉移電路包含比較器130和電 荷泵(CP) 140,電荷泵(CP) 140包括電流源L和電流槽I2。如第1圖所示， Cl是CBSC電路100的負載電容器，V。。是電源電壓，Vss是系統中的最小電位，
而共模電壓Vcm通常位于Vd。與Vss的平均值附近。同樣，G通過取取樣開關
150被連接至VeM,而且取樣開關150由開關信號S控制。電荷轉移電路是被 用來將存儲在d上的電荷轉移至C2,直至比較器130兩端的電位相等，即， VX=VCM。 CBSC電路100在轉移階段(02)期間的工作原理將簡述于下。
電荷轉移階段初始時，執(zhí)行簡單預置(brief preset) (P)來清除(^上 存儲的電荷，以確保電壓Vx小于VCM。并通過通過暫時地將輸出節(jié)點V。拉至系 統中的最小電位Vss來完成此一預置的操作。接著，開始進入粗略(coarse) 電荷轉移階段(E1)。在粗略的電荷轉移階段期間，Vx〈Vew且CP 140開啟電流 源并將電荷注入包含有C" C2和d的電路中，以產生由Vx向VeM爬升的較 快的電壓緩升。CP 140持續(xù)注入電荷，直至比較器130檢測出Vx 〉 VcM為止。 在比較器130檢測出Vx 〉 VcM的瞬間，精細(fine)電荷轉移階段(E2)通過
關斷電流源I,并開啟電流槽12，以從包含有CL、 C2和d的電路來泄放電荷。
若令I2小于I"則產生Vx向V^下降的較慢的電壓緩降。在比較器130再次檢
測到Vx〈Vc;m的瞬間，取樣開關150被打開以取樣并維持CL上所存儲的電荷。
圖2表示CBSC電路100電荷轉移階段的典型時序圖。首先，先將開關信 號S拉至高電平。從而，關斷取樣開關150，且將負載C^連接至V 。于此同
時，V。亦將維持在前一周期的取樣位準，且Vx接近于VeM。轉移階段02于時間
^開始且于時間^結束，其包含有四個子階,殳(sub-phase):預置(P )、粗 略電荷轉移(Ei)、精細電荷轉移(E2)和保持(Hold) (H)。 CBSC電路100 首先進入P階段(時間6)，將輸出節(jié)點V。拉至Vss，并導致Vx落至Vx。，其中 Vx。低于Vcm。于時間6,進入EJ介段，此時，比較器檢測到Vx〈、m，且CP 140 將電荷注入包含有Ch C2和C,的電路中以使得V。與Vx具有較快的電壓緩升。 E2階段開始于時間&即比較器130檢測到Vx〉 V。m的瞬間。請注意，由于電 路延遲(即，從比較器130反應到CP 140的延遲)，^稍遲于Vx升高超過VCM 的那一時間點。在E2階段期間，CP140從包含有Cl、 C2和d的電路來泄放電 荷而使得V。與Vx具有較慢的電壓緩降。最后，CBSC電路100于時間"進入H 階段，即，比較器130再次檢測到Vx〈VcM時。同樣，由于電路延遲，"稍遲于 Vx降低至低于V。m的那一時間點。在H階段期間，將開關信號S拉至低位準， 以便維持存儲于Ct上的電荷，并對電荷泵電路CP 140施以禁用。
公知技術的CBSC電路100所存在的一個主要問題是由于電路延遲，而使 得最終取樣值V?？傆姓`差存在。從圖2不難發(fā)現，實際取樣值會稍低于理想 取樣值，即V,降低至低于V。m的精確瞬時值。
因此，亟需一種能夠消除因電路延遲而產生誤差的CBSC電路。

發(fā)明內容
一個實施例中，揭示了一種用以減小誤差的基于比較器的切換電容器 (CBSC)的電路，該CBSC電路包含一具有偏移量的比較器、 一由該比較器控 制的電荷泵和多個電容器，其中該CBSC電路在取樣階段期間通過一第一電容 器來對一輸入電壓進4亍取樣，且在轉移階段期間，通過該電荷泵來將存儲于 該第一電容器上的電荷轉移至該第二電容器。
一個實施例中，揭示了一種用于減小基于比較器的切換電容器(CBSC) 電路中因電路延遲所產生的誤差的方法，該CBSC電路包含一比較器、 一由該
比較器所控制的電荷泵以及多個電容器，該方法包含對該比較器中引入一 偏移量；在取樣階段期間，提供一第一電容器對一輸入電壓進行取樣；以及 在轉移階段期間，利用該比較器以使得存儲在該第一電容器上的電荷轉移至 一第二電容器。
例,


圖1表示位于轉移階段的公知的基于比較器的切換電容器(CBSC )電路。 圖2表示圖1的CBSC的典型時序圖。
圖3表示特意向比較器引入偏移電壓的CBSC電路的一實施例。
圖4表示用于產生圖3中CBSC電路所用的偏移電壓的校準電路的一實施
圖5表示圖4校準電路的校準控制器的一實施例。 圖6表示圖3中CBSC電路的差分電路的實際圖。 主要元件符號說明
100公知的基于比較器的切換電容器(CBSC)電路 100A 本發(fā)明的基于比較器的切換電容器電路
100B 差分電路 130
140、 140A 電荷泵 150
160、 520 加法器 340
400校準電路 410
420 校準控制器 430 510 單位延遲電路
比較器
取樣開關
加總電路
比較器
數模轉換器
具體實施例方式
本發(fā)明有關于自校準基于比較器的切換電容器(CBSC)電路。盡管說明 書描述了幾個被視為用于實踐本發(fā)明的較佳實施例，但是，應了解，本發(fā)明 并不限于此。
本發(fā)明的應用性廣泛，其可應用于任何取樣數據才莫擬電路。舉例而言， 本發(fā)明適用于流水線式ADC (模擬數字轉換器)，也適用于A-E ADC。取樣 數據模擬電路通常以多階段方式工作。舉例而言(但不限于)，揭示一種根據 本發(fā)明的二相切換電容器電路。如上文所述的公知技術，所言的兩階段為取
樣階段(①J和轉移階段(①2)。于取樣階段(①J期間，對輸入信號予以
進行取樣，并存儲于輸入電容器。于轉移階段(02)期間，通過電荷泵向與 輸入電容器串聯的反饋電容器來注入/泄放電流，以使得存儲于輸入電容器上 的電荷轉移至反饋電容器。使用比較器來確定存儲于輸入電容器上的電荷是 否已經全部轉移至反饋電容器。 一旦檢測到電荷轉移已完成時，即將電荷泵 電路予以禁用，并停止電荷轉移。承上所述，由于電路延遲的原因，電荷轉
移會出現誤差。與公知的CBSC電路不同，特別對比較器施以偏移電壓，以減 小因電路延遲所產生的誤差。
圖3表示根據本發(fā)明的CBSC電路100A,其處于電荷轉移階段(02)的 狀態(tài)。其中，CBSC電路100A與公知技術的CBSC電路100完全相同，除了比 較器130的參考電壓Vcm以V， cm來取代，V， 《是通過加總電路340對參考電 壓V。m與偏移電壓V。s進行加總所得之和值。通過適當設定偏移電壓V。s的值， 即可完全消除最終取樣值V。因電路延遲所產生的誤差。
假設無偏移電壓時(即，V。s=0時)的最終取樣值V。的誤差為s 。此誤差 被定義為最終取樣值V。與無電路延遲情況下的理想取樣值之差。對于CBSC 電路100A而言，如上文所述，s因電路延遲而始終為負值。若偏移電壓Vos 存在，則該最終取樣值V。中會因此而被引入另一額外誤差項?；陔姾墒睾?原理，該額外誤差項的值為
S ' = V。s' (C/C2)
若將V。s取作VQS=-s (C2/d),則此額外誤差項可完全抵消誤差s 。 因此，通過特意向比較器引入一適當的偏移電壓，來完全抵消最終取樣 值V。的誤差。
盡管圖3是利用顯式加總電路340來將偏移電壓V。s添加到V。中，但在實 作中，可無需通過加總電路，即可實現偏移電壓。舉例而言，可利用包含有 兩個輸入晶體管的高增益差分對來實現比較器。兩個輸入晶體管之間的失配 (mismatch)替比較器引來了偏移量。因此，偏移電壓V。s可通過具有適當失配 量的失配差分對來實現。于公知技術中，對于CM0S晶體管失配與有效偏移電 壓兩者間的關系的分析技術已有相當好的發(fā)展，例如，在由McGraw-Hill于 2001年出版的由Behzad Razavi所著的"ew>/3 ^zW^ 6M S //^egr"e〃 C/rc〃/ "第13章中可得知。
一實施例中，根據估算要發(fā)生的電路延遲及其因此對最終取樣值V。誤差
的影響，預定相對應的偏移電壓V。s值。在實作中，由于各種原因，如溫度漂 移和制造技術的變化等，將無法準確估算由電路延遲所產生的誤差。因此，
若僅僅基于估算來設定偏移電壓V。s的值，僅可減小最終取樣值v。的誤差，但
并不可能完全予以消除。
一實施例中，在一組預定值中選褲，偏移電壓V。s的值，以便于將最終取樣
值v。的誤差予以最小化。
一實施例中，通過在校準期間內啟動的校準電路，于系統啟動時或系統
未處于活動狀態(tài)的間歇時期內對一組預定值中選擇偏移電壓V。s的值，此外，
此時亦無輸入信號待取樣。在校準期間，圖3的CBSC電路100A仍反復地以 兩階段方式操作。在校準期間的每個取樣階段，所有電容器(圖3中的C,、 C2和CJ皆被置零(即，清除電荷)。在每個轉移階段結束點，理想情況是負 載電容器G上應無電荷，且最終取樣值V。應與共模電壓VeM相等。若最終取樣 值V。小于Va^(即，s<0),則需增加偏移電壓V。s的值，以彌補誤差。若最終 取樣值V。大于VeM (即，5> 0)，則需減小偏移電壓V。s的值，以彌補誤差。 以此方式，我們重復調節(jié)偏移電壓V。s的值，以最小化最終取樣值V。的誤差。 圖4表示例示性校準電路400，其包含比較器410，用以比較最終取樣 值V。與V ,以產生二元判定值D;校準控制器420，用于接收二元判定值D 并產生數字控制字D。s;和數模轉換器，用以將數字控制字D。s轉換為偏移電壓 V。s。 二元判定值D為1 ( V?！礦。M時)或-l ( V。〈VcM時)。在圖5所示的實施例中， 通過包含單位延遲電路510和加法器520的校準控制器，當D= -1時，就增 加數字控制字D。s的值，而當D-l時，即減小數字控制字D。s的值。 一實施例 中，通過待校準的核心CBSC電路的比較器中的差分對的失配，來實現偏移電 壓V。s。 一實施例中，待校準的核心CBSC電路的比較器中的差分對具有多種 組態(tài)，且明顯具有失配的狀況，而DAC 430通過選擇所述多種組態(tài)之一而被 隱式實現。
其中在非理想電路狀態(tài)下，輸出信號需要具有零平均值的系統中，即使 系統處于活動狀態(tài)，我們也可以選擇對偏移進行校準。換句話說，即使CBSC 電路正在接收信號，也可以執(zhí)行校準。因為輸出信號需要具有零平均值，我 們可連續(xù)調節(jié)偏移電壓，以使輸出信號具有零平均值?？墒褂脠D4中所示的 校準電路，但插入低通濾波電路(圖中未示)仍是優(yōu)先考量，以過濾來自比 較器410的二元判定值D，來使得偏移電壓的適應變化(adaptation)較為 平滑化。
所屬領域的技術人員應了解，本發(fā)明所揭示的原理可以以各種形式實施，
包括
1. 一實施例中，可將輸出電壓V。拉至預置(P)階段期間系統中的最高
電位V。d，由此強迫形成Vx〉VeM條件，之后進入粗略轉移階段(E,)。這種情形
下，L需變?yōu)殡娏鞑?，而L需變?yōu)殡娏髟础?br> 2. —實施例中，可略去精細轉移階段E2，因為由電路延遲所引起的誤差 可通過偏移電壓來予以進行消除。在此情況下，可省去12，且提高了切換電 容器電路的整體操作速度。同樣，偏移電壓V。s的極性需被予以互換，這是因 為由于電路延遲所引起的最終取樣值V。誤差的極性發(fā)生互換。
3. —實施例中，可使用差分電路而非單端電路來實現核心CBSC電路以 及校準電路。差分核心CBSC電路包含 一對輸入電容器C,+和C卜， 一對反饋 電容器C2+和C2—， 一對負載電容器Cu和Cl-, 一個比較器和一個電荷泵電路。 在取樣階段期間，輸入電容器對d+和d—對一差分電壓進行取樣。在轉移階段 期間，由輸入電容器所取樣而得的差分電壓被轉移至反饋電容器對G和C2-。 圖6表示一個例示性CBSC電路100B,在轉移階段期間，其為圖3所述的單 端電路100A的差分對應部分。請注意，盡管在圖6的CP 140A中省去了精細 轉移階段E2，所屬領域的技術人員應了解，可通過添加均由E2控制的電流源 12+和電流槽12-來能達成一樣的目的，而這亦將精細轉移階段包含在內。在差 分電路結構中，校準電路400中的比較器410 (參看圖4)需要比較V。+與Vo-，
而非比較V。與Vcm。
4. 一實施例中，在轉移階段期間，圖3中的電容器d的"+"端可連接 至不同于V。m的電壓。舉例而言，對于流水線式ADC應用，根據于取樣階段期 間所得的取樣輸入電壓范圍，可將C,的"+，，端連接至多個其他預先定義電壓 中的一個。然而，本發(fā)明所教示的原理同樣亦適用于這類情形。
5. 另一實施例中，使用多個電容器來實施電容器d，所述的多個電容器 在取樣階段期間并聯，但在轉移階段期間，其"+"端可連接至分別選自多個 預先定義電壓中的不同電壓或可連接至系統中的一個內部節(jié)點。然而，本發(fā) 明所教示的原理亦同樣適用于這類情形。
同樣，系統中存在多個系統所需的開關(除開關150之外)，但于圖中并 未顯示。這些開關由多個時鐘信號所控制，以為取樣階段(o)和轉移階段
(①2)定義電路結構(即，電路元件之間的連接)。因已暗示其存在且認為 所屬領域的技術人員將不難理解這一結構，因此附圖中并未顯示出這些開關。 所屬領域的技術人員將不難發(fā)現，可在不脫離本發(fā)明的教示的情況下對 本發(fā)明的裝置和方法做出多種變更和修改。因此，本文揭示應理解為僅受限 于專利申請的范圍和界定。
權利要求
1、一種基于比較器的切換電容器電路，該基于比較器的切換電容器電路包含一比較電路，該比較電路具有一偏移量；一電荷泵，耦接該比較電路，該電荷泵由該比較電路的輸出所控制；以及多個電容器，包含有一第一電容器與一第二電容器；其中，在一取樣階段，利用該第一電容器取樣一輸入電壓；在一轉移階段，利用該電荷泵將存儲于該第一電容器上的電荷轉移至該第二電容器。
2、 根據權利要求1所述的基于比較器的切換電容器電路，其中在該轉 移階段，該比較電路將該第一電容器上的電壓與該基于比較器的切換電容器 電路中一節(jié)點處的電壓進行比較。
3、 根據權利要求1所述的基于比較器的切換電容器電路，其中，該比 較電路包括有 一 比較器以及一加法電路。
4、 根據權利要求1所述的基于比較器的切換電容器電路，其中在轉移 階段，當檢測到該比較電路的輸出發(fā)生觸發(fā)時，將該電荷泵禁用。
5、 根據權利要求1所述的基于比較器的切換電容器電路，其中該偏移 量為一預定值。
6、 根據權利要求1所述的基于比較器的切換電容器電路，其中在一校 準期間，該偏移量由一4交準電^各來確定。
7、 根據權利要求6所述的基于比較器的切換電容器電路，其中該校準 電路包含一第二比較電路和一校準控制器，該校準控制器根據該第二比較電 路的判定來控制該偏移量。
8、 根據權利要求7所述的基于比較器的切換電容器電路，其中該第二 比較電路將該基于比較器的切換電容器電路的一輸出與該基于比較器的切換 電容器電路中的一節(jié)點的電壓進行比較。
9、 一種用于減'J、一切換電容器電路引起誤差的方法，其中該切換電容 器電路包含有一比較器、 一由該比較器的輸出所控制的電荷泵、和多個電容 器，該方法包含對該比較器中引入一偏移量； 在取樣階段期間，提供一第一電容器對一輸入電壓進行取樣；以及 在轉移階段期間，利用該比較器以使得存儲在該第一電容器上的電荷轉 移至一第二電容器。
10、 根據權利要求9所述的方法，在電荷轉移的步驟還包含有 利用該比較器來對該第一電容器上的電壓與該基于比較器的切換電容器電路中的一節(jié)點的電壓進行比較，以輸出該比較器的輸出。
11、 根據權利要求9所述的方法，其中該偏移量為一預定值。
12、 根據權利要求9所述的方法，還包含 在一校準期間，利用一校準電路來產生該偏移量。
13、 根據權利要求12所述的方法，其中產生該偏移量的步驟包含有 比較該基于比較器的切換電容器電路的一輸出與該基于比較器的切換電容器電路中的一節(jié)點的電壓，以產生一比較信號；以及依據該比較信號以輸出該偏移量，其中，當該比較信號為一第一值時， 增加該偏移量；當該比較信號為一第二值時，減小該偏移量。
全文摘要
一種用于減小誤差的基于比較器的切換電容器(CBSC)的電路，該CBSC電路包含一具有偏移的比較器、一由該比較器的輸出所控制的電荷泵以及多個電容器。該CBSC電路反復地在取樣階段與轉移階段間操作。在取樣階段期間，通過一第一電容器對一輸入電壓進行取樣。在轉移階段期間，通過該電荷泵注入或泄放電荷，將存儲在該第一電容器上的電荷轉移至一第二電容器。適當地設定該偏移量，以減小CBSC電路中因電路延遲所導致的誤差。
文檔編號H03M1/12GK101174836SQ20071018199
公開日2008年5月7日 申請日期2007年10月22日 優(yōu)先權日2006年10月20日
發(fā)明者林嘉亮 申請人:瑞昱半導體股份有限公司