CN1275392C - 开关电容级和流水线式模电转换器 - Google Patents

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Abstract

提供开关电容结构(40)，因为这些结构能增加结构元件之间的绝缘度以及保证所选元件在一种模式时能可靠地截止，而在另一种模式时能快速地导通，就能够减少处理过的信号中的失真和噪声。

Description

开关电容级和流水线式模电转换器
相关应用的交叉引用
本申请要求具有美国临时专利申请号为60/389,469，申请日期为2002年6月18日的权益。
技术领域
本发明一般涉及开关电容结构。
背景技术
图1A和图1B描述一种传统的开关电容结构10，在开关电容结构10中，采样电容CS含有一块顶极板11，连接到差分放大器12的反相输入端；和一块底极板13，经过第一个采样开关14连接到一个输入端口15。差分放大器12驱动输出端口16；并且转移电容Ct跨接在该差分放大器上，该差分放大器具有一个高增益，所以它的非反相输入端的电位基本上与它的反相输入端相同。最后，第二个采样开关17和转移开关18分别连接到顶极板11和底极板13。一般用晶体管实现第一个和第二采样开关14和17和转移开关18。
图1A描述开关电容结构10的采样操作，在开关电容结构10中，第一个和第二个采样开关14和17闭合，以使在输入端口15的模拟输入信号Sin驱动采样电荷Qs进入采样电容Cs，由此在采样电容上产生采样信号Ss＝Qs/Cs。
图1B描述开关电容结构10的转移操作，在开关电容结构10中，第一个和第二个采样开关14和17断开，并且电容底极板13通过闭合的转移开关18接地。因为现在采样电容Cs上的信号基本上为0，采样电荷Qs转移到转移电容Ct，在输出端口16产生一个处理过的输出信号Sprcsd＝Qs/Ct。由此，图1A和1B的采样和转移操作产生一个Cs/Ct的Sprcsd/Sin转移函数。由此，在图1C的曲线图20中，由斜率为Cs/Ct的曲线22表示该转移函数。
这样，图1A和1B的开关电容结构20特别适合于用作图1D的流水式模数转换器(ADC)30中的采样器32。采样器32将输入端口33上的输入信号Sin处理成为***节点34上的采样信号Ssmpl。在响应中，初级ADC 35(例如，快闪ADC)将这个采样信号Ssmpl转换成数字输出信号的至少一个最高有效比特位D0，该数字输出信号相应于输入信号Sin。同时，将该采样信号处理成为残余信号Sres，该残余信号Sres适合于由下级ADC顺序地处理成为该输出数字信号的较低有效位。
例如，如果初级ADC是一个1.5比特的转换器级，判决信号36，该信号从输入信号Sin范围的中点起是等间隔的(P2-26)。在响应中，由图1C中的曲线(plot)24较佳地表示了该残余信号Sres，曲线24含有由判决信号确定的三段，并且每段的斜率为曲线22斜率的两倍。
例如通过下列的措施能够产生曲线24：给图1A和1B的采样电容Cs补充一个额外电容使它的斜率变大(也就是增加增益)，并设计转移开关18，通过给采样电容的底极板施加所选的偏置信号，因此能响应判决信号(图1D的36)。当按这种样子修改图1A和1B的开关电容结构20时，通常将它称作为乘法模数转换器(MDAC)，在图1D中表示为MDAC38。
虽然开关电容结构特别适合于用集成电路光刻技术实现，但其精度通常比所需的要小。
发明内容
本发明注意到开关电容级通常在采样模式中接收采样电荷并且在转移模式中转移采样电荷的至少一部分，本发明还注意到这种采样和转移操作的精度往往比所需的要小。
本发明发现精度的欠缺大致上是由于注入到级(stage)采样信号路径中的虚假电荷所致。针对这一点，本发明将一个缓冲晶体管***信号路径中从而为采样电荷提供较低的下行至上行的低增益，以及一个噪声、低畸变的信号通路。另一个开关在转移模式下完全地关闭缓冲晶体管从而进一步地增加上行绝缘度。该结构显著地减少了虚假电荷。
在本发明的一个实施例中，一种按采样模式和转移模式工作的开关电容级，其特征在于，所述开关电容级包括：第一和第二采样开关(42，44)，其分别被连接为用于接收输入信号和第一电压电位；缓冲晶体管(46)，具有被连接为用于经过所述第一采样开关接收输入信号的控制端(47)，具有被连接为用于接收偏置电位的第一电流端，并具有一个被连接为用于输送电流的第二电流端(48)；一个采样电容，连接在所述第二电流端和所述第二采样开关之间，从而在所述输入信号和所述第一电压电位之间建立一个信号通路，由此，当所述第一个和第二个采样开关在所述采样模式闭合时，通过所述信号通路接收采样电荷Qs；以及，第一和第二转移开关(62，64)，其分别将第二电压电位连接到所述控制端，将第三电压电位连接到所述第二电流端，从而分别偏置截止所述缓冲晶体管，并且当所述第一个和第二个转移开关在所述转移模式闭合时，至少转移来自所述采样电容的一部分所述采样电荷Qs。
在附加权利要求中特别地阐明了本发明的新颖特点。当连同参考附图时，从下列的描述中将最能理解本发明。
附图说明
图1A和1B是原理图，分别示出采样模式和转移模式中的一种传统开关电容结构；
图1C是曲线图，描述图1A和1B开关电容结构的响应；
图1D描述流水式ADC(pipelined ADC)，该ADC包括图1A和1B的开关电容结构；
图2A和2B是原理图，分别示出采样模式和转移模式中的本发明的一种开关电容实施例；及
图3是流水式ADC的框图，能用图2A和2B的开关电容实施例来实现。
具体实施方式
图2A和2B描述一种开关电容实施例40，该实施例40适合于在采样运行模式中，对模拟输入信号Sin进行采样，并在转移运行模式期间，在输出端口提供一个采样信号Ssmpl。当用作一个采样器(例如，如图1D所示)时，实施例40能有效地增强并保证上行的绝缘度。
电流端连接到电流源49，而另一个电流端连接到一个偏置电压(例如，Vcc)。采样电容Cs含有一块底极板51，连接到电流端48，和一块顶极板52，连接到第二个采样开关44。第一个采样开关42连接到采样器输入端口54，以接收模拟输入信号Sin。
另外，差分放大器61的一个反相输入端连接到顶极板52，转移电容Ct跨接在该差分放大器上，而第一个和第二个转移开关62和64分别连接到控制端47和电流端48。差分放大器61的输出端在采样输出端口68提供一个采样信号Ssmpl。虽然并未特别示出，较佳地应用一对差分晶体管实现该初级差分放大器。
图2A描述运行的采样模式，在采样模式中，第一个和第二个采样开关42和44闭合，以使模拟输入信号Sin经过缓冲晶体管46产生采样电荷Qs，由此能在开关电容的两端产生采样信号Ss＝Qs/Cs。在采样模式期间，将第一个和第二个转移开关62和64设置为断开状态。
图2B描述运行的转移模式，在该模式中，第一个和第二个转移开关62和64闭合，分别偏置截止缓冲晶体管46，并将采样电荷Qs转移到转移电容Ct，在输出端口16产生一个处理过的输出信号Sprcsd＝Qs/Ct。在转移模式期间，将第一个和第二个开关42和44设置成断开状态。
采样器40也应较佳地包括一个放电开关76，连接到差分放大器61的输出端。在转移模式结束时，该放电开关76闭合，以清除转移电容Ct上的电荷，并在随后的转移模式中接受新的电荷。所以在图2B中，放电开关76断开，而在图2A中闭合。
在图2A和2B中，缓冲晶体管46示为双极结晶体管，所以控制端和电流端46和48分别为基极和发射极，而缓冲级是射极跟随级。然而，用其他的缓冲晶体管(例如，金属氧化物半导体(MOS)晶体管)也可实现本发明的技术。
为了增强对采样器40的工作过程的理解，用传统的开关符号表示图2A和2B的采样和转移开关。然而实际上，可以较佳地用MOS晶体管实现图2A和2B的采样和转移开关，作为例子，由图2A中的第一个和第二个n型MOS采样晶体管72和74代替分别由替代箭头73和75指明的第一个和第二个采样开关42和44。
已经发现，常由寄生电荷降低传统采样器的工作性能，这些寄生电荷注入在采样信号通路(例如由图2A中的采样电荷Qs确定的通路)中存在的晶体管内阻中。例如已经确定，第二个采样晶体管74中的栅极移动(例如，当为了退出采样模式，改变栅极电位，使该晶体管截止时)将上行电荷流注入到该电荷通过第一个采样晶体管72的内阻上，并由此产生一个变化的信号，使采样信号Qs失真。
然而，对照传统的结构并依据本发明的特点，采样器40将缓冲晶体管46***到信号通路内，将第一个和第二个采样晶体管72和74隔开。这个射极跟随器的较低的下行到上行的增益明显地减少了到达第一个采样晶体管72的注入电荷，并这样，明显地减少了相关的失真。缓冲晶体管46给采样电荷Qs提供了一条低噪声，低失真的信号通路，并提供一种用于转换到转移模式的快速切换处理。
采样处理精度要求：在将采样电荷Qs传递到转移电容Ct期间(如图2B所示)，具有更高的上行绝缘度。在本发明的另一个特点中，通过缓冲晶体管46和第一个采样开关42的串级组合增强这种上行绝缘度。
然而，如果缓冲晶体管46在转移模式期间完全截止，只能实现这种绝缘度的增强。在按照本发明的另一个特点中，第一个转移开关62下拉控制端47，并由此保证缓冲晶体管46可靠地截止。因为该控制端维持在低电位上，即使当差分电位通过第二个转移开关64出现在电流端48时，该缓冲晶体管仍将维持截止状态。
例如，开关电容结构40尤其适合用作流水式ADC中的MDAC(例如，如图1D所示)。在一种MDAC结构中，可以用由图2中的替代箭头79所指的多极晶体管78代替第二个转移开关64。该开关可选择地将不同的偏置信号(例如，-V和+V)连接到采样电容Cs的底极板51，由此产生适当的残余信号Sres(例如，如图1C中的曲线24所示)。在这种MDAC排列中，第一个转移开关62能够将控制端47连接到一个足够低的电位上，以保证缓冲晶体管46可靠地截止。
本发明的这种开关电容结构能够方便地用作各种信号条件模块内的采样器和MDAC，例如，图3的流水式ADC80。ADC80包括采样器84，初级转换器86，及至少一个连续级88，并将输入端口81上的模拟输入信号Sin变换为输出端口上的相应的数字输出信号Sout。
特别地，采样器84提供一个相应于输入信号Sin的采样信号Ssmp，而初级转换器86对采样信号Ssmpl进行处理，提供残余信号Sres并还提供各自的数字比特位Dr。在相似的方式中，每级连续转换器级88对先前的残余信号Sres进行处理，提供连续的残余信号Sres并还提供各自的数字比特位Dr。然而，连续转换器级的最后一级仅提供各自的数字比特位Dr。流水式ADC80的转移级一般提供额外的数字比特位，因此，该流水式ADC可包括校正逻辑90，校正处理错误并产生数字输出信号Sout。
初级转换器86含有一个ADC92(例如，快闪ADC)，将采样信号Ssmpl转换为各自的数字比特位Dr。该初级转换器还含有一个MDAC94，接收采样信号Ssmpl并还从ADC92中接收判决信号96。该判决信号表示：由ADC92在任一给定时刻提供各自位的数字比特位Dr中的哪一位。虽然连续转换器级88中的每一个处理一个先前残余信号Sres(而不是采样信号Ssmpl)，将它们配置成类似于初级转换器86。相反，最后一级的转换器只包含ADC92。
因为本发明的开关电容结构增强结构元件之间的绝缘度，并保证所选元件在一种模式可靠地截止，而在另一种模式快速地导通，减少了处理信号中的失真和噪声。
这儿描述的本发明实施例是示范性的，能够轻易设想各种修改，变化和重新排列，实际上达到相同的效果，所有这些倾向于包含在如附加权利要求中所规定的本发明的范畴内。

Claims (8)

1、一种按采样模式和转移模式工作的开关电容级，其特征在于，所述开关电容级包括：
第一和第二采样开关(42，44)，其分别被连接为用于接收输入信号和第一电压电位；
缓冲晶体管(46)，具有被连接为用于经过所述第一采样开关接收输入信号的控制端(47)，具有被连接为用于接收偏置电位的第一电流端，并具有一个被连接为用于输送电流的第二电流端(48)；
一个采样电容，连接在所述第二电流端和所述第二采样开关之间，从而在所述输入信号和所述第一电压电位之间建立一个信号通路，由此，当所述第一个和第二个采样开关在所述采样模式闭合时，通过所述信号通路接收采样电荷Qs；及
第一和第二转移开关(62，64)，其分别将第二电压电位连接到所述控制端，将第三电压电位连接到所述第二电流端，从而分别偏置截止所述缓冲晶体管，并且当所述第一个和第二个转移开关在所述转移模式闭合时，至少转移来自所述采样电容的一部分所述采样电荷Qs。
2、按照权利要求1的所述开关电容级，其特征在于，所述第一个和第二个采样开关以及第一个和第二个转移开关是金属氧化物半导体晶体管。
3、按照权利要求1的所述开关电容级，其特征在于，所述控制端是基极，而所述电流端是发射极。
4、按照权利要求1的所述开关电容级，其特征在于，还包括：
差分放大器(61)，具有第一输入端，连接到所述采样电容和所述转移电容，还具有第二输入端，被连接为用于接收第四电压电位；还具有一个输出端；及
一个转移电容，跨接在所述第一输入端和所述输出端之间以接收所述部分采样电荷Qs。
5、一种将模拟信号变换为相应的数字信号的流水式模数转换器，其特征在于，包括：
采样器(84)，提供响应于所述模拟信号的一个采样信号；
初级转换器(86)，处理所述采样信号，提供一个残余信号和所述数字信号各自的比特位；及
至少一个连续转换器级(88)，处理先前的残余信号，提供一个连续的残余信号，及所述数字信号各自的比特位，其中最后一级的转换器仅提供所述各自的比特位；
及其中所述采样器按采样模式和转移模式运行并包括：
(A)第一和第二采样开关(42，44)，其分别被连接为用于接收输入信号和第一电压电位；
(B)缓冲晶体管(46)，含有被连接为用于经过所述第一采样开关接收输入信号的控制端(47)，并含有被连接为用于输送电流的第二电流端(48)；
(C)一个采样电容，连接在所述第二电流端和所述第二采样开关之间，从而在所述输入信号和所述第一电压电位之间建立一个信号通路，由此，当所述第一个和第二个采样开关在所述采样模式闭合时，通过所述信号通路接收采样信号；及
(D)第一和第二转移开关(62，64)，其分别将第二电压电位连接到所述控制端，将第三电压电位连接到所述第二电流端，从而分别偏置截止所述缓冲晶体管，并且当所述第一个和第二个转移开关在所述转移模式时闭合时，从所述采样电容中至少转移一部分所述的采样电荷Qs。
6、按照权利要求5的所述转换器，其特征在于，所述第一个和第二个采样开关及所述第一个和第二个转移开关是金属氧化物半导体晶体管。
7、按照权利要求5的所述转换器，其特征在于，所述控制端是基极，而所述电流端是发射极。
8、按照权利要求5的所述转换器，其特征在于，进一步包括：
差分放大器(61)，具有第一输入端，连接到所述采样电容和所述第二个转移开关，还具有第二输入端，被连接为接收第四电压电位；还具有输出端；及
一个转移电容，跨接在所述第一输入端和所述输出端之间，以接收所述部分采样电荷Qs。
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