经改进低功率切换式电容器积分器、模/数转换器及切换式电容器放大器制造技术

本发明专利技术涉及经改进低功率切换式电容器积分器、模/数转换器及切换式电容器放大器。所揭示实例包含切换式电容器积分器电路(100)，所述切换式电容器积分器电路(100)包含放大器(110)、反馈电容器(CF1)、取样电容器(CS1)、负载电容器(CL)及切换电路(S1到S5)以及控制器(116)，所述控制器(116)操作所述切换电路(S1到S5)以在给定取样及保持循环的取样部分期间将输入信号(VIN)取样到所述取样电容器(CS1)、在每一取样及保持循环的第一保持部分期间将所述取样电容器(CS1)耦合到放大器输入(111)，且在每一取样及保持循环的第二保持部分中将所述取样电容器(CS1)及所述负载电容器(CL)耦合到所述放大器输入(111)以减小带宽及所述积分器电路的功率消耗。

Improved low power switched capacitor integrator, analog-to-digital converter and switched capacitor amplifier

The invention relates to an improved low power switching capacitor integrator, an analog-to-digital converter and a switching capacitor amplifier. The disclosed example includes a switching capacitor integrator circuit (100), which includes an amplifier (110), a feedback capacitor (CF1), a sampling capacitor (CS1), a load capacitor (CL), a switching circuit (S1 to S5) and a controller (116), which operates the switching circuit (S1 to S5) to achieve the goal. The input signal (VIN) is sampled to the sampling capacitor (CS1) during the sampling part of a given sampling and holding cycle, the sampling capacitor (CS1) is coupled to the amplifier input (111) during the first holding part of each sampling and holding cycle, and the sampling is performed in the second holding part of each sampling and holding cycle. The capacitor (CS1) and the load capacitor (CL) are coupled to the amplifier input (111) to reduce the bandwidth and power consumption of the integrator circuit.

【技术实现步骤摘要】
经改进低功率切换式电容器积分器、模/数转换器及切换式电容器放大器
本专利技术涉及电路，且更特定来说，涉及积分器电路、模/数转换器电路及切换式电容器放大器电路。
技术介绍
切换式电容器积分器用于离散时间ΣΔ模/数转换器(SDADC)电路中，其中积分器电路的数目确定SDADC的阶数。SDADC中的第一积分器确定ADC的总体功率、面积及性能(就有效位数(ENOB)来说)。初始积分器电路使用取样电容器，所述取样电容器的大小由针对给定应用的噪声规范确定。ADC线性要求及噪声考虑因素(例如信号对量化噪声比(SQNR))确定积分器的带宽。这些考虑因素通常呈现能量效率、性能与电路面积之间的不期望的折衷，其中经改进噪声及性能规范通常要求较大取样电容器大小，而大的取样电容器会增加电路面积及功率消耗。
技术实现思路
目前所揭示实例包含切换式电容器积分器电路、切换式电容器放大器电路及离散时间ΣΔ模/数转换器电路。所揭示实例性切换式电容器积分器电路包含放大器以及切换电路、反馈电容器、取样电容器及负载电容器。控制器操作所述切换电路以在给定取样及保持循环的取样部分期间对输入信号进行取样。所述控制器实施所述给定循环的多部分保持部分以在第一保持部分期间将所述取样电容器耦合到放大器输入且在第二保持部分中将所述取样电容器及所述负载电容器耦合到所述放大器输入以减小带宽及所述积分器电路的功率消耗。揭示多阶ΣΔ模/数转换器，其包含初始切换式电容器积分器电路，其中在取样及保持循环的第二保持部分期间引入额外负载电容。揭示切换式电容器放大器电路，其包含反馈电容器、取样电容器及负载电容器、放大器、切换电路及控制器，所述控制器用以实施每一取样及保持循环的多部分保持部分以在第二保持部分中引入经添加电容。附图说明图1是切换式电容器积分器电路的示意图。图2是展示针对图1的切换式电容器积分器电路中的两个实例性取样及保持循环的切换控制信号的信号图式。图3是使用图1的积分器电路作为第一或初始积分器级的三级离散时间切换式电容器ADC的示意图。图4是展示针对图3的第一级切换式电容器积分器电路中的两个实例性取样及保持循环的切换控制信号的信号图式。图5是包含DC增益非线性校正电路的另一实例性切换式电容器积分器电路的示意图。图6是展示图5的切换式电容器积分器电路中的放大器及积分器电路输出信号以及切换控制信号的信号图式。图7是切换式电容器放大器电路的示意图。图8是展示针对图7的第一级切换式电容器放大器电路中的两个实例性取样及保持循环的切换控制信号的信号图式。图9是跨导放大器及等效电路模型的示意图。图10是常规切换式电容器积分器电路的示意图。图11是展示图10的切换式电容器积分器电路中的切换控制信号的信号图式。具体实施方式在图式中，通篇中的相似参考编号是指相似元件，且各种特征未必按比例绘制。在以下论述中且在权利要求书中，术语“包含(including)”、“包含(includes)”、“具有(having)”、“具有(has)”、“具有(with)”或其变化形式打算以类似于术语“包括(comprising)”的方式为包含性的，且因此应解释为意指“包含但不限于…”。而且，术语“耦合(couple)”或“耦合(couples)”打算包含间接或直接电连接或机械连接或者其组合。举例来说，如果第一装置耦合到第二装置或与第二装置耦合，那么所述连接可为通过直接电连接，或通过经由一或多个介入装置及连接的间接电连接。所揭示放大器及积分器电路促进适于满足经改进噪声及性能规范，同时允许较小取样电容器增强针对给定设计的性能规范、功率消耗与电路面积之间的平衡。图9到11图解说明切换式电容器积分器电路以演示其缺点。图9展示跨导(GMA)放大器900及等效电路模型，其中将单个跨导放大器900建模为相应增益(跨导)GM1及GM2连同介入电阻器R及可调整输出电容C的第一级904及第二级906。图9中的等效电路模型仅为用以对跨导放大器进行实施或建模的许多可能配置中的一者。在此实例中，GM1热噪声增益GM2*R倍，且跨导GM1增益GM2*R倍。与单级GM单元相比，此以较低功率实现较高带宽(与GM/C成比例)。然而，与单级GM单元相比，双级模型具有较高噪声。跨导放大器900(GM)包含非反相输入901以及反相输入902及输出903。图9中的右侧所展示的等效电路包含第一跨导放大器904(GM1)，所述第一跨导放大器具有通过电阻器R而连接到接地连接908(GND)的输出。第一跨导放大器904的输出连接到第二跨导放大器906(GM2)的输入，所述第二跨导放大器包含通过可变电容器C而连接到接地连接908的输出903。图10及11图解说明切换式电容器积分器电路1000以及展示相关联切换控制信号曲线1102及1104的信号图式1100。电路1000包含四个开关1001、1002、1003及1004以及图9的放大器900。第一开关1001连接于输入电压信号VI与取样电容器CS的第一端子之间。第一开关1001根据在图11中图解说明为曲线1102的第一信号φ1而进行操作。第二开关1002连接于取样电容器CS的第一端子与参考电压信号VR之间。第二开关1002根据在图11中展示为曲线1104的第二信号φ2而进行操作。第三开关1003连接于取样电容器CS的第二端子与接地连接GND之间，且根据第一信号φ1而进行操作。第四开关1004连接于取样电容器CS的第二端子与放大器1006的反相输入(-)之间。第四开关1004根据第二信号φ2而进行操作。放大器1006包含连接到接地连接GND的非反相输入(+)。放大器1006的输出提供积分器输出电压信号VOUT。反馈电容器CF连接于放大器900的反相输入与输出之间。图10的积分器电路1000根据如图11中所展示的一系列取样及保持循环中的信号φ1及φ2而进行操作。在每一循环的取样部分(“取样”)期间，将开关1001及1003接通以连接输入电压信号VI与GND之间的取样电容器CS，同时将开关1002及1004关断。此根据输入电压VI而对取样电容器CS进行充电，而跨越反馈电容器CF的电压保持来自先前取样及保持循环的电压。在保持阶段(“保持”)中，将第一开关1001及第三开关1003闭合，且将第二开关1002及第四开关1004断开。此连接参考电压信号VR与放大器1006的非反相输入之间的取样电容器CS。在此阶段中，取样电容器CS及反馈电容器CF在参考电压VR与放大器输出之间彼此串联连接，而反相放大器输入操作为虚拟接地。此可致使电容器CS与CF之间的电荷转移提供输出电压信号VOUT，所述输出电压信号根据输入电压VI的最新取样而更新。图10中的积分器电路1000具有各种缺点，如上文所论述。举例来说，在多级模/数转换器电路中使用积分器电路1000导致能量效率、性能与电路面积之间的折衷。特定来说，经改进噪声及性能规范需要较大取样电容器CS，但增加电容器CS的大小会增加电路面积及功率消耗，从而导致经降低能量效率。通过将增益GM的单级跨导放大器建模为图9中所展示的两级电路，通过以下方程式(1)而得出在电路1000的保持阶段操作期间的带宽UGB：(1)UGB＝GM/(2*π*CS*(1+GM*Rsw))，其中GM＝GM1*本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种积分器电路，其包括：放大器，其包含第一放大器输入、连接到恒定电压节点的第二放大器输入及用以提供积分器输出信号的放大器输出；反馈电容器，其耦合于所述第一放大器输入与所述放大器输出之间；取样电容器，其包含第一端子及第二端子；负载电容器，其包含第一端子及第二端子；切换电路，其与所述放大器、积分器输入节点、参考电压节点及所述恒定电压节点耦合；及控制器，其包含信号输出，所述信号输出用以在一系列连续取样及保持循环中的每一者中提供切换控制信号以致使所述切换电路：在每一取样及保持循环的取样部分中的第一非零时间周期期间将来自所述积分器输入节点的积分器输入信号连接到所述取样电容器，在每一取样及保持循环的第一保持部分中的所述第一非零时间周期之后的第二非零时间周期期间将所述取样电容器耦合于所述参考电压节点与所述第一放大器输入之间，及在每一取样及保持循环的第二保持部分中的所述第二非零时间周期之后的第三非零时间周期期间将所述取样电容器及所述负载电容器耦合到所述第一放大器输入以减小所述积分器电路的带宽且减小所述积分器电路的功率消耗。

【技术特征摘要】
2017.05.12 US 15/593,6181.一种积分器电路，其包括：放大器，其包含第一放大器输入、连接到恒定电压节点的第二放大器输入及用以提供积分器输出信号的放大器输出；反馈电容器，其耦合于所述第一放大器输入与所述放大器输出之间；取样电容器，其包含第一端子及第二端子；负载电容器，其包含第一端子及第二端子；切换电路，其与所述放大器、积分器输入节点、参考电压节点及所述恒定电压节点耦合；及控制器，其包含信号输出，所述信号输出用以在一系列连续取样及保持循环中的每一者中提供切换控制信号以致使所述切换电路：在每一取样及保持循环的取样部分中的第一非零时间周期期间将来自所述积分器输入节点的积分器输入信号连接到所述取样电容器，在每一取样及保持循环的第一保持部分中的所述第一非零时间周期之后的第二非零时间周期期间将所述取样电容器耦合于所述参考电压节点与所述第一放大器输入之间，及在每一取样及保持循环的第二保持部分中的所述第二非零时间周期之后的第三非零时间周期期间将所述取样电容器及所述负载电容器耦合到所述第一放大器输入以减小所述积分器电路的带宽且减小所述积分器电路的功率消耗。2.根据权利要求1所述的积分器电路，其中所述切换电路包含：第一开关，其连接于所述积分器输入节点与所述取样电容器的所述第一端子之间；第二开关，其连接于所述取样电容器的所述第一端子与所述参考电压节点之间；及第三开关，其与所述负载电容器串联连接于所述第一放大器输入与所述恒定电压节点之间；且其中所述控制器操作以在所述取样及保持循环中的每一者中提供所述切换控制信号以致使所述切换电路：在所述第一非零时间周期期间闭合所述第一开关，且在所述第一非零时间周期期间断开所述第二开关及所述第三开关，在所述第二非零时间周期期间闭合所述第二开关，且在所述第二非零时间周期期间断开所述第一开关及所述第三开关，及在所述第三非零时间周期期间闭合所述第二开关及所述第三开关，且在所述第三非零时间周期期间断开所述第一开关。3.根据权利要求2所述的积分器电路，其中所述切换电路进一步包含：第四开关，其连接于所述取样电容器的所述第二端子与所述恒定电压节点之间；及第五开关，其连接于所述取样电容器的所述第二端子与所述第一放大器输入之间；且其中所述控制器操作以提供所述切换控制信号以在所述取样及保持循环中的每一者中同时断开所述第一开关及闭合所述第四开关，且在所述取样及保持循环中的每一者中同时断开所述第二开关及闭合所述第五开关。4.根据权利要求3所述的积分器电路，其中所述放大器是跨导放大器，其中所述第一放大器输入是反相放大器输入，且其中所述第二放大器输入是非反相放大器输入。5.根据权利要求3所述的积分器电路，其进一步包括：至少一个额外积分器电路，其包含额外放大器、额外反馈电容器、额外取样电容器及额外切换电路，以在所述额外取样电容器处对前一积分器电路的输出信号进行取样且将所述输出信号传送到所述额外反馈电容器以提供对应额外积分器输出信号；及模/数转换器ADC，其包含经耦合以从所述至少一个额外积分器电路中的最后一个额外积分器电路接收所述积分器输出信号的ADC输入，及连接到所述参考电压节点的ADC输出。6.根据权利要求5所述的积分器电路，其中所述积分器电路、所述至少一个额外积分器电路及所述ADC形成多阶级联的积分器前馈CIFFΔΣ模/数转换器电路，其中所述ADC操作为量化器。7.根据权利要求2所述的积分器电路，其中所述放大器是跨导放大器，其中所述第一放大器输入是反相放大器输入，且其中所述第二放大器输入是非反相放大器输入。8.根据权利要求2所述的积分器电路，其进一步包括：至少一个额外积分器电路，其包含额外放大器、额外反馈电容器、额外取样电容器及额外切换电路，以在所述额外取样电容器处对前一积分器电路的输出信号进行取样且将所述输出信号传送到所述额外反馈电容器以提供对应额外积分器输出信号；及模/数转换器ADC，其包含经耦合以从所述至少一个额外积分器电路中的最后一个额外积分器电路接收所述积分器输出信号的ADC输入，及连接到所述参考电压节点的ADC输出。9.根据权利要求8所述的积分器电路，其中所述积分器电路、所述至少一个额外积分器电路及所述ADC形成多阶级联的积分器前馈CIFFΔΣ模/数转换器电路，其中所述ADC操作为量化器。10.一种积分器电路，其包括：放大器，其包含第一放大器输入、连接到恒定电压节点的第二放大器输入及用以提供放大器输出信号的放大器输出；反馈电容器，其耦合于所述第一放大器输入与积分器电路输出之间以提供积分器电路输出信号；取样电容器，其包含第一端子及第二端子；负载电容器，其包含第一端子及第二端子；输出电容器，其包含与所述放大器输出耦合的第一端子，及连接到所述积分器电路输出的第二端子；切换电路，其与所述放大器、积分器输入节点、参考电压节点及所述恒定电压节点耦合；及控制器，其包含信号输出，所述信号输出用以在一系列连续取样及保持循环中的每一者中提供切换控制信号以致使所述切换电路：在一系列连续取样及保持循环中的每一者的取样部分中的第一非零时间周期期间将来自所述积分器输入节点的积分器输入信号连接到所述取样电容器，在每一取样及保持循环的第一保持部分中的所述第一非零时间周期之后的第二非零时间周期期间将所述取样电容器耦合于所述参考电压节点与所述第一放大器输入之间，及在每一给定取样及保持循环的第二保持部分中的所述第二非零时间周期之后的第三非零时间周期期间将所述取样电容器与所述第一放大器输入耦合且将所述负载电容器耦合到所述放大器输出以减小所述积分器电路的带宽且减小所述积分器电路的功率消耗。11.根据权利要求10所述的积分器电路，所述切换电路包含：第一开关，其连接于所述积分器输入节点与所述取样电容器的所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉贾韦吕·西纳卡兰，苏密特·杜贝，
申请(专利权)人：德州仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US