[發明專利]生成誤差電壓的系統及方法

有效

• 申請號: 200980137548.8
• 申請日: 2009-09-24
• 公開（公告）號: CN102165687A
• 公開（公告）日: 2011-08-24
• 發明（設計）人: F·巴倫那格
• 申請（專利權）人: 莫斯卡德設計及自動控制有限公司
• 主分類號: H03F3/00
• 分類號: H03F3/00;G05F3/26;H03H19/00;H03F3/45
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 秦晨

技術領域

本發明涉及開關電容電路及技術的領域并且更特別地涉及此類電路在精密電流發生器及精密振蕩器的實現中的使用。

背景技術

開關電容網絡由于它們模擬電路中的電阻負載的能力被廣泛地使用于電子電路的設計中。使用在頻率fsw下開關的開關電容器Csw，等效電阻Req能夠在Req＝1/(fsw×Csw)的情況下實現。已知在半導體集成電路的制造中，電阻值的絕對精度并不容易實現然而電容值的絕對精度卻正好處于大多數半導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，開關電容電路在模擬半導體電路設計中的使用是特別重要的。

被稱為“帶隙基準電路”的精確電壓基準電路現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電路的實例。但是生成精確且穩定的電流基準是件更困難的任務。精密電流基準發生器的可獲得性是在需要傳感器(例如霍爾元件偏置)、數據轉換器(例如電流導引DAC)等的應用中實現精度所需的。

此類電流基準電路能夠使用在混合信號閉環電路中的開關電容器、比較器、電壓基準及基準時鐘來實現，其中該混合信號閉環電路由Sakurai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(包括基準電流源的電流控制電路的半導體器件)中進行了描述。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致了明顯的精度不足。

雖然基于開關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?A1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發生器的問題所需要。

在歐洲專利申請公開No.1,712,973A2中，Moro等人描述了傳統的恒跨導(gm)偏置電流發生電路，其中電阻元件直接由其開關電容等效網絡與緩沖器電容器一起所代替。這種電路的主要目標與其說是提供精確的絕對電流基準，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發生器。

在模擬及混合信號電路設計中的另一種重要的構建模塊是振蕩器。通常，為了構建精確的振蕩器，將會使用晶體或陶瓷諧振器。這導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的預定頻率的事實，它們并不是很靈活。使用具有閉環結構內的可控振蕩器及分配器的開關電容網絡，能夠實現很精確的且靈活的振蕩器。這種電路的實例由T.R.Viswanathan、S.Murtuza、V.H.Syed和M.Staszel描述于“Switched-Capacitor?Frequency?ControlLoop(開關電容器頻率控制回路)”(IEEE期刊Solid?State?circuits(固態電路)，Vol.17，Issue?No.4，1982年8月，pp.774-778)中。

圖1a示出了其中通常為獲得在開關電容器(CSW)兩端的所需電壓，以及因而所需的電流，而在由Viswanathan等人的工作所啟發的電路內使用開關電容器(CSW)及放大器(AMP)的方式。在這種電路中，開關電容器(CSW)被使用于具有響應于在基準電壓(VR)與點NB處的開關電容網絡兩端的電壓之間的差異而配置的運算放大器(AMP)的反饋電路內。這樣檢測到的差異被用來控制開關電容器內的電流大小。

以上設計因某些誤差而受損害，現在將參考圖1b中的波形來描述這種情況。在第一階段(ph1)內，開關電容器連接至運算放大器(AMP)。由于運算放大器(NB)的輸入具有與開關電容器(CSW)并聯連接的緩沖器電容器(CB)，因而在開關電容器(CSW)與運算放大器(AMP)連接的同時，在運算放大器的輸入端(NB)的電壓由于開關電容器(CSW)和緩沖器電容器(CB)的并聯組合而下降。電流源(IB)給電容器對(CSW和CB)充電直到第一階段(ph1)結束。在第二階段(ph2)中，開關電容器(CSW)與運算放大器(AMP)解耦并放電。結果是運算放大器輸入(NB)受到鋸齒波形的影響，該鋸齒波形在第一階段(ph1)內的斜面由于在第一階段內的開關電容器(CSW)的額外電容而略小于第二階段(ph2)內的斜面。