[發(fā)明專利]基于兩階段閾值檢測器的電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210159343.3
• 申請日: 2012-05-21
• 公開（公告）號: CN102801423B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: M·蓋頓;H·S·李
• 申請（專利權(quán)）人: 馬克西姆綜合產(chǎn)品公司
• 主分類號: H03M1/54
• 分類號: H03M1/54
• 代理公司: 永新專利商標(biāo)代理有限公司72002
• 代理人: 鄔少俊,王英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總地涉及開關(guān)電容電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和Δ-∑調(diào)制器。更具體地，本發(fā)明涉及實現(xiàn)更高精度的基于兩階段或多階段(two-or?multi-phase)閾值檢測器的開關(guān)電容電路。

背景技術(shù)

基于閾值檢測器(諸如比較器和過零檢測器)的開關(guān)電容電路能夠以高速度、數(shù)量級低于傳統(tǒng)電路的功耗工作。基于閾值檢測器的電路中的不精確性的主要來源是由閾值檢測器的有限延遲而導(dǎo)致的輸出電壓過沖(overshoot)。輸出過沖量是斜坡率乘以閾值檢測器的延遲。在高速電路中，斜坡率必須非常高。例如，在200MS/s流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，如果包括非重疊時鐘要求，則每半個時鐘階段(clock?phase)僅為大約2ns。減去基于閾值檢測器的電路的操作所需的預(yù)置時間，大約剩余1.5ns。在基于單階段閾值檢測器的電路中，斜坡必須在1.5ns內(nèi)橫跨(transverse)大約1V的全量程，從而給予0.66V/ns的斜坡率。以該高斜坡率，閾值檢測器的典型200ps延遲導(dǎo)致133mV輸出過沖。

在具有足夠的超范圍(over-range)和數(shù)字糾錯能力的情況下，即使這樣的大的過沖也僅轉(zhuǎn)化為恒定的輸入?yún)⒖际д{(diào)(input?referred?offset)。然而，實際上，過沖的變化是個問題。斜坡率和延遲可以隨著處理和溫度而改變，從而引起與處理和溫度相關(guān)的過沖。更麻煩的是隨輸出信號的過沖變化。由于電流源的有限輸出電阻和非線性寄生電容，斜坡不是完全線性的。因此，斜坡率通常是輸出電壓的函數(shù)。結(jié)果，過沖也是輸出電壓的函數(shù)。該信號相關(guān)過沖給予了與基于運算放大器的電路中的有限增益類似的效果，因此，引起所得的電路特性中的非線性。在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，導(dǎo)致例如微分非線性(DNL)和積分非線性(INL)。

為了減小過沖和所得的非線性，兩階段斜坡技術(shù)的基本原理已在現(xiàn)有技術(shù)中作了論證。圖1圖示說明了現(xiàn)有技術(shù)的兩階段斜坡電路，在圖1中，示出了典型的開關(guān)電容電路的電荷轉(zhuǎn)移階段。電容器34和35通常在前一采樣階段中對輸入電壓進(jìn)行采樣。電容器41是例如流水線型A/D轉(zhuǎn)換器的下一級采樣電容器。兩個電流源11和12分別生成粗略斜坡和精細(xì)斜坡。在粗略階段期間，粗略電流源11被使能，并且給由電容器34、35和41構(gòu)成的電容器網(wǎng)絡(luò)充電。電流源11的值被選擇為使得獲得快速的上行斜坡。通常，為粗略階段留出的時間小于半個時鐘階段的50％。當(dāng)閾值檢測器切斷(trip)時，電流源11被禁用。如圖2所示的粗略階段過沖V_OS1是粗略階段斜坡率與閾值檢測器20的延遲t_d1之間的乘積。由于斜坡率高，圖2所示的粗略階段過沖V_OS1可以大。精細(xì)階段大大地減小了過沖。緊在粗糙階段之后，精細(xì)電流源12被使能。當(dāng)在精細(xì)階段期間檢測到閾值跨越(threshold?crossing)時，斷開采樣開關(guān)30，從而鎖定下一級電容器41上的采樣電荷。

可以使精細(xì)階段斜坡比第一階段斜坡緩慢得多，因為它僅橫跨粗略階段過沖量，而不是全量程。可以通過如圖3所示那樣修正粗略階段過沖來進(jìn)一步減小精細(xì)階段斜坡率。因為粗略階段過沖V_OS1大部分是恒定的，所以可以通過將閾值檢測器20的閾值下移輸入?yún)⒖歼^沖V_OC來修正它。在現(xiàn)有技術(shù)中，這一點通過下述方式來實現(xiàn)，即，在粗略階段期間，通過閉合圖1中的開關(guān)31和斷開圖1中的開關(guān)32來將閾值檢測器的參考輸入切換到20V_OC，并且在精細(xì)階段期間通過閉合開關(guān)32和斷開開關(guān)31來使該電壓返回到共模電壓V_CM。如果V_OC-V_CM＝V_OS1，則粗略階段過沖將為零。實際上，在粗略階段期間必須允許少量過沖，以確保在存在過沖變化時斜坡跨越閾值檢測器20的閾值電壓。這通過使V_OC-V_CM稍小于V_OS1來實現(xiàn)。因為剩余的粗略階段過沖小得多，所以可以使精細(xì)階段斜坡遠(yuǎn)慢于粗略階段的斜坡，例如慢一個數(shù)量級。結(jié)果，對于閾值檢測器的給定延遲，極大地減小了最終的輸出過沖V_OS2。這不僅改善了輸入?yún)⒖际д{(diào)，而且還改善了電路的輸入電壓與輸出電壓之間的線性。另外，閾值檢測器輸入在閾值跨越檢測期間被更好地平衡，因此極大地改善了電源抑制。雖然閾值檢測器的輸入在粗略階段閾值檢測期間不平衡，但是這不造成問題，因為在粗略階段期間引入的任何噪聲或誤差在精細(xì)階段期間被去除。

發(fā)明內(nèi)容