参考预充电系统

背景技术

在许多高性能系统中，为模数转换器(ADC)提供参考电压的带隙参考电压发生器经过滤波，以满足期望的噪声性能。集成在ADC中的处于外部引脚和ADC参考输入之间的缓冲器减少了参考输入引脚上的负载。一些ADC使用预充电缓冲器来减少参考电压发生器上的开关负载。然而，预充电缓冲器中的运算放大器消耗大量的功率，并且预充电缓冲器的输出(即参考电压)可能响应于反馈电容器与之耦合而下降。对于Δ-Σ(delta-sigma)ADC，参考电压的下降可能将误差引入假定固定参考电压的ADC执行的积分操作。一些预充电缓冲器包括储层电容器，以减少响应于反馈电容器与之耦合而产生的下降，但消耗大量的功率，并且在对反馈数模转换器(DAC)电容器预充电时可能不准确。通过向预充电缓冲器添加增益可以改善预充电准确度，但代价是消耗甚至更多的功率。

发明内容

一种装置包括增益放大器、比较器、储层电容器、逻辑电路、电流源、共模反馈(CMFB)环路、电流沉和开关网络。增益放大器耦合到比较器和第一电压端子。储层电容器的阴极耦合到比较器。逻辑电路耦合到比较器并生成用于第一开关和第二开关的第一控制信号。第一开关将电流源耦合到阴极，并且第二开关将储层电容器的阳极耦合到电流沉。CMFB环路耦合到阳极、阴极和共模电压端子，并生成用于电流沉的第二控制信号。开关网络基于第三控制信号将阴极耦合到该装置的第一输出，并将阳极耦合到该装置的第二输出。开关网络基于第四控制信号将第一电压端子耦合到第一输出，并将第二电压端子耦合到第二输出。

在一些示例中，开关网络包括第三开关、第四开关、第五开关和第六开关。第三开关将阴极耦合到第一输出。第四开关将阳极耦合到第二输出。第五开关将第一电压端子耦合到第一输出。第六开关将第二电压端子耦合到第二输出。在一些示例中，第一输出和第二输出耦合到ADC，并且第三控制信号使第三开关和第四开关在由ADC执行的积分操作的粗充电部分期间闭合。第四控制信号使第五开关和第六开关在由ADC执行的积分操作的细充电部分期间闭合。在一些示例中，第一控制信号使第一开关和第二开关在由ADC执行的采样操作期间闭合。

在一些示例中，CMFB环路生成第二控制信号来调整通过电流沉的电流量，使得共模电压端子上的电压基本上等于跨储层电容器的电压的一半。在一些示例中，增益放大器包括放大器和两个电阻器。放大器具有耦合到第一电压端子的第一输入。第一电阻器耦合到放大器的第二输入和第二电压端子。第二电阻器耦合到第二输入和放大器输出。在一些示例中，第二电阻器是可变电阻器，并且第二电阻器的电阻被选择来修整比较器随过程和温度的变化。

附图说明

对于各种示例的详细描述，现在参考附图，在附图中：

图1图示了用于ADC的正参考电压发生器。

图2图示了用于ADC的差分参考电压发生器。

图3A-图3B图示了集成到ADC中的示例预充电系统和示例预充电系统内的控制信号的时序图。

图4A-图4B图示了具有集成到ADC中的储层电容器的另一示例预充电系统以及该示例预充电系统内的控制信号的时序图。

图5图示了用于集成到ADC中的示例参考预充电系统。

图6图示了图5中所示的参考预充电系统的时序图。

图7图示了图5中所示的参考预充电系统中的跨储层电容器的电压随时间推移的曲线图。

图8图示了用于集成到ADC中的示例差分参考预充电系统。

图9图示了用于图8中所示的差分参考预充电系统的示例共模反馈环路。

图10图示了用于图8中所示的差分参考系统的具有差分积分的另一示例共模反馈环路。

具体实施方式

所描述的参考预充电电路包括电流源和比较器以对储层电容器(reservoircapacitor)充电，其比基于运算放大器的预充电电路消耗更少的功率。比较器将经放大的参考电压与跨储层电容器的电压进行比较，并且当经放大的参考电压与跨储层电容器的电压基本上相同时，耦合到比较器的逻辑电路生成控制信号将电流源与储层电容器解耦。增益放大器可以用于生成经放大的参考电压，并且增益放大器中的可变电阻器可以被修整，以在过程和温度变化上改善预充电准确度。

期望的总体系统增益G可以通过经放大的参考电压的第一增益G1和第二增益来实施，该第二增益由跨储层电容器的电压变得基本上等于经放大的参考电压的时间和电流源与储层电容器解耦的时间之间的比较器时间延迟引起。使用时间延迟来实施整个系统增益的一部分放松了期望的比较器速度和对应的功耗。为了提供差分参考电压，电流沉耦合到储层电容器。共模反馈环路生成控制信号，以调整通过电流沉的电流量，使得储层电容器的共模电压基本上与参考共模电压相同。

在由ADC执行的积分操作的粗充电部分期间，开关网络将储层电容器的阴极耦合到ADC的正参考输入，并将储层电容器的阳极耦合到ADC的负参考输入。在积分操作的细充电部分期间，开关网络将储层电容器与输出解耦，将正参考电压源耦合到正参考输入，并将负参考电压源耦合到负参考输入。

图1图示了用于ADC 170的正参考电压发生器100。正参考电压发生器100包括带隙参考电压发生器110、滤波器120、缓冲器150和电容器160。滤波器120包括电阻器130和电容器140。对于高性能ADC，可以对带隙参考电压进行滤波以降低噪声。在电压发生器100中，滤波器120对来自带隙参考电压发生器110的输出电压进行滤波。缓冲器150放置在电阻器130和ADC 170之间，并且电容器160耦合到缓冲器150的输出和ADC 170。

缓冲器150减少了带隙110上的负载，减少了由带隙参考电压发生器110和ADC 170之间串联的电阻器130造成的误差。缓冲器150可以是预充电缓冲器，因为来自预充电缓冲器的噪声不影响ADC 170的噪声性能。正参考电压发生器100可以并入到与包括ADC 170的集成电路分离的集成电路中，以简化总体系统设计，因为缓冲器150不需要被单独添加到系统。

图2图示了被配置为使用比率电阻温度检测器(RTD)测量温度的ADC260，其通过测量RTD的电阻作为参考电阻的比率，而不是使用绝对电压，可以减少温度测量中的误差。ADC260生成参考电流IDAC1，并将其提供给参考电阻器Rref 230，该参考电阻器Rref 230跨正参考电压输入210和负参考电压输入220耦合。RTD电阻Rrtd 240耦合到Rref 230和偏置电阻器Rbias 250。为了确保跨Rref 230的电压不被从ADC 260汲取的电流加载，正参考电压和负参考电压二者需要被缓冲。

图3A图示了用于ADC(诸如ADC 170或ADC 260)的示例预充电系统300。预充电系统300包括预充电放大器310和开关315-330。预充电放大器310可以是运算放大器。开关325被配置为在积分操作φ2期间将预充电放大器310的输出耦合到反馈DAC电容器Cdac 340。开关330被配置为在采样操作φ1期间将参考共模电压Vrefcm 335耦合到Cdac 340。预充电放大器310的正输入被配置为接收正参考电压Vrefp 305，并且预充电放大器310的负输入耦合到预充电放大器310的输出。开关320被配置为在积分操作φ2的粗充电部分φ2PRE期间，通过闭合的开关325将预充电放大器310的输出耦合到Cdac 340。开关315被配置为在积分操作φ2的细充电部分φ2F期间，通过闭合的开关325将Vrefp 305耦合到预充电放大器310的输出和Cdac 340。

预充电放大器310在粗充电部分φ2PRE期间快速将Cdac 340充电到近似Vrefp305，并且提供Vrefp 305的外部参考电压发生器在细充电部分φ2F期间更精确地将Cdac340充电到Vrefp 305。然而，预充电放大器310的输出可能响应于耦合到Cdac 340而下降，这可能将误差引入假设固定参考电压的积分操作φ2。因为预充电放大器310必须在不到四分之一的时钟周期内完成(settle)，所以它消耗大量电流。

图3B图示了示例预充电系统300的时序图。在时间t0处，ADC正在执行采样操作φ1。控制信号φ1 350使开关330闭合，从而将参考共模电压Vrefcm335耦合到Cdac 340。控制信号φ2 360使开关325断开，从而将预充电放大器310和正参考电压Vrefp 305与Cdac 340断开。控制信号φ2PRE 365使开关320断开，并且控制信号φ2F 370使开关315断开。在时间t1处，ADC停止执行采样操作φ1。控制信号φ1 350使开关330断开，从而将Vrefcm 335与Cdac 340断开。开关315-325保持断开。

在时间t2处，ADC执行积分操作φ2。控制信号φ2 360使开关325闭合，从而将Cdac340连接到开关315和320。开关315和330保持断开。积分操作φ2包括粗充电部分φ2PRE和细充电部分φ2F。在t2处，粗充电部分φ2PRE开始，并且控制信号φ2PRE 365使开关320闭合，从而将预充电放大器310的输出连接到Cdac 340。预充电放大器310将Cdac 340快速充电至近似Vrefp305。在时间t3处，粗充电部分φ2PRE结束。控制信号φ2PRE 365使开关320断开，从而将放大器310的输出与Cdac 340断开。开关315和330保持断开，并且开关325保持闭合。

在时间t4处，细充电部分φ2F开始。控制信号φ2F 370使开关315闭合，从而将来自外部电压发生器的正参考电压Vrefp 305连接到Cdac 340。开关320和330保持断开，并且开关325保持闭合。提供Vrefp 305的外部参考电压发生器在细充电部分φ2F期间更精确地将Cdac 340充电到Vrefp 305。在时间t5处，ADC完成积分操作φ2，并且细充电部分φ2F结束。控制信号φ2F 370使开关315断开，从而将外部参考电压提供器与Cdac 340断开。控制信号φ2 360使开关325断开，从而将Cdac 340与开关315和320断开。开关320和330保持断开。

图4A图示了用于ADC的具有储层电容器450的另一示例预充电系统400。预充电系统400类似于图3中所示的预充电系统300，并包括附加开关445和储层电容器450。开关445被配置为当预充电系统400不在积分操作φ2的粗充电部分φ2PRE中时(诸如在采样操作φ1或积分操作φ2的细充电部分φ2F期间)，将预充电放大器410的输出耦合到储层电容器Cres 450。Cres 450具有比Cdac 440的电容大得多的电容。

当预充电系统不在粗充电部分φ2PRE中时，开关445闭合，并且预充电放大器410的输出将Cres 450充电到近似Vrefp 405。在积分操作φ2的粗充电部分φ2PRE期间，开关445断开，从而将Cres 450与预充电放大器410的输出断开，并且开关420闭合，从而通过闭合的开关425将Cres 450连接到Cdac440。通过电荷共享，Cdac 440被充电到近似：

其中Vrefp表示正参考电压Vrefp 405，Cres表示储层电容器Cres 450的电容，并且Cdac表示DAC电容器Cdac 440的电容。

由于在粗充电部分φ2PRE期间预充电放大器410与Cdac 440断开并且Cres 450提供参考电压，因此提供给DAC的参考电压下降小于图3中所示的预充电系统300提供给DAC的参考电压。然而，预充电放大器410消耗大量的功率，并且预充电系统不能准确地对Cdac440充电。通过经由预充电放大器410引入增益可以改善预充电放大器410的充电准确度，但代价是甚至更高的功耗。

图4B图示了示例预充电系统400的时序图。在时间t0处，ADC正在执行采样操作φ1。控制信号φ1 460使开关430闭合，从而将共模参考电压Vrefcm435连接到Cdac 440。控制信号φ2 470使开关425断开，从而将Cdac 440与开关415和420断开。控制信号φ2PRE 475使开关420断开。由于φ2PRE 475指示示例预充电系统400不在积分操作φ2的粗充电部分φ2PRE中，因此控制信号

在时间t1处，ADC停止执行采样操作φ1。控制信号φ1 460使开关430断开，从而将Vrefcm 435与Cdac 440断开。开关415-425保持断开，并且开关445保持闭合。在时间t2处，ADC执行积分操作φ2。控制信号φ2 470使开关425闭合，从而将Cdac 440连接到开关415和420。开关415、420和430保持断开。积分操作φ2包括粗充电部分φ2PRE和细充电部分φ2F。

在t2处，粗充电部分φ2PRE开始。控制信号φ2PRE 475使开关420闭合，从而通过闭合的开关425将Cres 450连接到Cdac 440。控制信号

在时间t3处，粗充电部分φ2PRE结束。控制信号φ2PRE 475使开关420断开，从而将Cres 450与Cdac 440断开。开关415和430保持断开，并且开关425保持闭合。

在时间t4处，细充电部分φ2F开始。控制信号φ2F 480使开关415闭合，从而将来自外部电压发生器的正参考电压Vrefp 405连接到Cdac 440。开关420和430保持断开，并且开关425保持闭合。由于粗充电部分φ2PRE结束，因此控制信号

图5图示了用于ADC的示例参考预充电系统500。参考预充电系统500包括增益放大器510、比较器530、逻辑电路535、电流源540、储层电容器550和开关545、560和565。增益放大器具有增益G1，并且包括放大器520、可变电阻器514和电阻器518。放大器520的正输入被配置为从外部电压发生器(诸如图1中所示的带隙参考电压发生器110)接收正参考电压Vrefp 505。可变电阻器514耦合在放大器520的负输入和输出之间。电阻器518耦合在放大器520的负输入和被配置为从外部电压发生器(诸如带隙参考电压发生器110)接收负参考电压Vrefn 525的端子之间。

放大器520的输出耦合到比较器530的正输入。比较器530的负输入耦合到节点555。比较器530的输出耦合到逻辑电路535，该逻辑电路535生成用于开关545的控制信号。当开关545闭合时，电流源540耦合到节点555，并生成电流Icharge，其可以表示为：

其中R表示电流源540的内阻。储层电容器Cres 550连接到节点555和接地，并且具有比Cdac 585的电容大得多的电容。

比较器530将增益放大器510的输出(近似为G1乘以Vrefp 505)与节点555上的跨Cres 550的电压进行比较。当跨Cres 550的电压小于增益放大器510的输出时，逻辑电路535使开关545闭合，从而将电流源540连接到Cres 550。响应于跨Cres 550的电压基本上等于增益放大器510的输出，逻辑电路535使开关545断开，从而将电流源540与Cres 550断开。跨Cres 550的电压近似达到增益放大器510的输出和开关545断开之间的延迟允许Cres550继续充电一段时间，从而实施附加增益G2。

总体上，电流源540对Cres 550充电，使得跨Cres 550的电压Vpre可以表示为：

Vpre＝(G1+G2)*(Vrefp505-Vrefn525)

增益放大器510提供了增益G的部分增益G1，并且其余部分的增益G2可以使用比较器530中的延迟来实施，如在此参考图7进一步描述。通过采用比较器530和电流源540而不是运算放大器来充电Cres 550和扩展Cdac 585，参考预充电系统500使用比本文在图3和图4A中描述的基于运算放大器的缓冲器系统300和400低的功率。

在积分操作φ2的粗充电部分φ2PRE期间，开关545将电流源540与Cres550断开，并且开关560闭合，从而通过闭合的开关572将Cres 550连接到Cdac 585。在积分操作φ2的细充电部分φ2F中，开关560断开，从而将Cres550与Cdac 585断开，并且开关565闭合，从而通过闭合的开关572将提供Vrefp 505的外部电压发生器连接到Cdac 585。在积分操作φ2期间，Cdac 585也通过开关576接收负参考电压Vrefn 525。在采样操作φ1中，开关572和576断开，从而将Cdac 585与正参考电压和负参考电压断开。开关574闭合，从而将参考共模电压Vrefcm 580连接到Cdac 585。

图6图示了图5中所示的参考预充电系统的时序图。在时间t0处，ADC正在执行采样操作φ1。控制信号φ1 610使开关574闭合，从而将共模参考电压Vrefcm 580连接到Cdac585。控制信号φ2 620使开关572和576断开，从而将Cdac 585与开关560和565以及正参考电压Vrefp 505和负参考电压Vrefn525断开。控制信号φ2PRE 625使开关560断开，从而将Cres 550与断开的开关572断开。控制信号φ2F 630使开关565断开，从而将提供Vrefp 505的外部电压发生器与断开的开关572断开。控制信号φ2_SW 635使开关545闭合，从而将电流源540连接到Cres 550。电流源540对Cres 550充电，使得Cres 550具有跨它的电压Vpre，如本文先前所述。

在时间t1处，ADC完成采样操作φ1。控制信号φ1 610使开关574断开，从而将Vrefcm 580与Cdac 585断开。开关572、576、560和565保持断开。控制信号φ2_SW 635使开关545断开，从而将电流源540和Cres 550断开。在时间t2处，ADC执行积分操作φ2。控制信号φ2 620使开关572和576闭合，从而将Cdac 585连接到开关560和565，并连接到负参考电压Vrefn 525。开关574、565和545保持断开。在t2处，粗充电部分φ2PRE开始。控制信号φ2PRE 625使开关560闭合，从而通过闭合的开关572将Cres 550连接到Cdac 585。通过电荷共享，Cres 550将Cdac 585充电至Vrefp_coarse。在时间t3处，粗充电部分φ2PRE结束。控制信号φ2PRE 625使开关560断开，从而将Cres 550与Cdac 585断开。开关574、565和545保持断开。

在时间t4处，细充电部分φ2F开始。控制信号φ2F 630使开关565闭合，从而将来自外部电压发生器的正参考电压Vrefp 505连接到Cdac 585。开关574和560保持断开。控制信号φ2_SW使开关545闭合，从而将电流源540连接到Cres 550。提供Vrefp 505的外部参考电压发生器在细充电部分φ2F期间将Vrefp 505更精确地充电到Cdac 585。在时间t5处，细充电部分φ2F结束。控制信号φ2F 630使开关565断开，从而将外部参考电压提供器与Cdac585断开。在时间t6处，ADC完成积分操作φ2。控制信号φ2 620使开关572和576断开，从而将Cdac 585与开关560和565以及正参考电压和负参考电压断开。

图7图示了跨储层电容器550的电压V(Cres)710随时间推移的曲线图。在t0和t1之间，电流源540对Cres 550充电，并且电压V(Cres)710增加，跨过正参考电压505。在t1处，V(Cres)710达到从增益放大器510输出的阈值电压Vth 730，即G1乘以Vrefp 505。在t1和t2之间，比较器530和逻辑电路535确定V(Cres)710与Vth 730近似相同，并使开关545断开。在时间t2处，开关545断开并将电流源540与Cres 550断开。在来自比较器540和逻辑电路535的t1和t2之间的延迟750期间，电流源540继续对Cres 550充电。V(Cres)710从Vth 730增加到Vpre 740，其可表示为：

其中tdelay表示t1和t2之间的延迟750。

通过利用比较器延迟750以实施增益，可以降低比较器速度，从而降低参考预充电系统500的功耗。增益放大器510的增益G1可以使用可变电阻器514来修整，以补偿比较器延迟750随过程和温度变化的变化。在时间t3处，开关560闭合，从而通过闭合的开关572将Cres 550连接到Cdac 585。Cres 550通过电荷共享对Cdac 585充电，从而将V(Cres)710降低到低于正参考电压505。在时间t4处，开关560断开，从而将Cres 550与Cdac 585断开。开关545闭合，从而连接电流源540和Cres 550。电流源540开始对Cres 550再充电。

图8图示了用于ADC的示例差分参考预充电系统800。为了便于说明，参考预充电系统800在本文中参考图5中所示的参考预充电系统500进行描述，并且包括共模反馈(CMFB)环路810、电流沉820和开关825、835和840。Cres 550耦合到节点830，而不是接地。CMFB环路810耦合到节点555和830，并被配置为接收共模参考电压Vrefcm 580。CMFB环路810输出用于电流沉820的控制信号Vctrl 815，该电流沉820通过开关825在来自电流源540的充电电流Icharge的返回路径中连接到节点830。在积分操作φ2的粗充电部分φ2PRE期间，开关835将节点830耦合到开关576。在积分操作φ2的细充电部分φ2F期间，开关840将提供负参考电压Vrefn 805的外部参考电压发生器耦合到开关576。

节点555上的电压为Vrefp_coarse，并且节点830上的电压为Vrefn_coarse。考虑到与Cdac 585的电荷共享期间Cres 550的有限电容，Vrefp_coarse大于Vrefp 505，并且Vrefn_coarse低于Vrefn 805。CMFB环路810将Vrefcm 580与Vrefp_coarse和Vrefn_coarse之和的一半进行比较，并生成控制信号Vctrl815来调整电流沉820。CMFB环路810平衡电流源540和电流沉820，类似于差分放大器。如上文所述，参考图5，比较器530和电流源540比基于运算放大器的预充电系统消耗更少的功率。电流沉820和CMFB环路810比参考预充电系统500消耗更少的功率。

图9图示了用于图8中所示的差分参考预充电系统800的示例共模反馈环路900。CMFB环路900包括放大器950、采样电容器Cs 935和940、积分电容器Cint 955，以及开关910、915A、920B、925A、930B和945B。在采样操作φ1期间，开关915A将电压为Vrefp_coarse的节点555耦合到Cs 935。在积分操作φ2期间，开关920B将共模参考电压Vrefcm 580耦合到Cs 935。在采样操作φ1期间，开关925A将电压为Vrefn_coarse的节点830耦合到Cs940。在积分操作φ2期间，开关930B将Vrefcm 580耦合到Cs 940。

Cs 935和940耦合在一起并耦合到开关910和945B。开关910提供输入共模电压INCM 905。开关945B将Cs 935和940以及INCM 905耦合到放大器950的负输入。放大器950的正输入被配置为接收INCM 905。积分电容器Cint 955耦合在放大器950的负输入和输出之间。积分电容器955的电容与采样电容器935或940的电容的比值确定CMFB环路900的稳定性和响应性。放大器950的输出是用于电流沉820的控制信号Vctrl 815。CMFB环路900对跨Cres 550的共模进行采样，并将其与Vrefcm 580进行比较。

图10图示了用于图8中所示的差分参考预充电系统800的具有差分积分的另一示例共模反馈环路1000。CMFB环路1000包括开关1010、1012A、1014B、1016A、1018B、1020B、1022A、1024B、1026A、1040、1044B和1048B；采样电容器Cs 1030、1032、1034和1036；采样电容器Cint 1054和1058；电阻器1064、1068、1070和1080；以及放大器1050和1075。在采样操作φ1期间，开关1012A将具有Vrefp_coarse的节点555耦合到Cs 1030。在积分操作φ2期间，开关1014B将Vrefcm 580耦合到Cs 1030。在采样操作φ1期间，开关1016A将具有Vrefn_coarse的节点830耦合到Cs 1032。在积分操作φ2期间，开关1018B将Vrefcm 580耦合到Cs1032。在积分操作φ2期间，开关1020B将Vrefcm 580耦合到Cs 1034。在采样操作φ1期间，开关1022A将Vrefcm 580耦合到Cs 1034。在积分操作φ2期间，开关1024B将Vrefcm 580耦合到Cs 1036。在采样操作φ1期间，开关1026A将Vrefcm 580耦合到Cs 1036。

Cs 1030和1032耦合在一起并耦合到开关1010和1044B。开关1010提供输入共模电压INCM 1005。在积分操作φ2期间，开关1044B将Cs 1030和1032以及INCM 1005耦合到放大器1050的正输入。Cs 1034和1036耦合在一起并耦合到开关1040和1048B。开关1040提供输入共模电压INCM 1005。在积分操作φ2期间，开关1048B将Cs 1034和1036以及INCM 1005耦合到放大器1050的负输入。积分电容器Cint 1054耦合在放大器1050的正输入和负输出之间。Cint 1058耦合在放大器1050的负输入和正输出之间。积分电容器1054或1058的电容与采样电容器1030、1032、1034或1036的电容的比值确定CMFB环路1000的稳定性和响应性。

电阻器1064耦合在放大器1050的负输出和放大器1075的正输入之间。电阻器1068耦合在放大器1050的正输出和放大器1075的负输入之间。电阻器1070耦合在放大器1075的正输入和提供输入共模电压INCM 1005的端子之间。电阻器1080耦合在放大器1075的负输入和输出之间。放大器1050充当差分积分器。放大器1075充当差分到单端转换器，并且输出控制信号Vctrl815。

术语“耦合”在整个说明书中使用。该术语可以涵盖使功能关系与此描述一致的连接、通信或信号路径。例如，如果设备A生成信号来控制设备B执行动作，则在第一示例中，设备A耦合到设备B，或者在第二示例中，如果中间部件C没有实质上改变设备A和设备B之间的功能关系，则设备A通过中间部件C耦合到设备B，使得经由设备A生成的控制信号由设备A控制设备B。

在权利要求书的范围内，在所述实施例中修改是可能的，并且其它实施例也是可能的。