CN100418301C - 开关电容电路中用交流电源供电的积分器 - Google Patents

Abstract

开关电容电路中用交流电源供电的积分器，属于开关电容电路技术领域，其特征在于：它在传统的用直流电源供电的开关电容积分器中，在放大器的输出端串接了一个采样相位时打开、积分相位时闭合的开关；同时使放大器采用与积分相位时的积分时钟信号同步且两者脉冲宽度相等的交流电源信号作为电源输入，又保持交流电源在采样相位下处于低电平节能状态时与积分相位下处于正常工作状态时各自的状态转换时间两者相等而且尽可能小。由于它在电路处于采样阶段把能耗最大的电路元件即放大器关闭，因而相对于开关电容电路中用直流电源供电的积分器具有低功耗的优势。

Description

开关电容电路中用交流电源供电的积分器

技术领域

开关电容电路中用交流电源供电的积分器直接应用的技术领域是采用开关电容电路技术的低功耗模拟电路和混和信号电路设计。所提出电路是一种用于设计低功耗模拟和混和信号电路的基本开关电容电路单元。

背景技术

随着集成电路制造工艺的进步，集成电路的规模和设计复杂性日益增大，集成电路的功耗和散热问题也越来越得到重视。特别是在目前集成电路SOC(System-On-a-Chip)设计思路下和基于可重用IP核(Reusable Intellectual Property Cores)设计风格中，越来越多的模拟电路模块与数字电路模块集成到同一个系统中，并且模拟电路模块的功耗占整个SOC系统功耗的比例不断增大(见文献Akira Matsuzawa，“Low-Voltage and Low-Power Circuit Design for MixedAnalog/Digital Systems in Portable Equipment”，IEEE Journal of Solid-State Circuits，Vol29，pp.470-480，1994.)。对于数字电路模块，降低电路的工作电源电压是很有效降低电路功耗的方法，但是这一方法对于模拟电路模块反而会使模拟电路的信噪比(SNR：Signal-to-NoiseRatio)等电路性能恶化。目前，对于降低数字电路模块和模拟电路模块的功耗，还没有一种统一的低功耗设计方法；对于模拟电路模块而言，充分利用各种模拟电路单元的工作特点，同样可以在很大程度上降低电路的功耗。

开关电容电路(SC：Switched-Capacitor Circuit)是一种广泛应用于数字/模拟转换器，模拟/数字转换器和滤波器设计的电路单元。降低开关电容电路的功耗可以极大的降低整个SOC系统的功耗。传统的设计方法着眼于同时优化开关电容电路中的运算跨导放大器(OTA：Operational Tansconductance Amplifier)的功耗和闭环的建立特性(见文献Silveira，F.andFlandre，D，“Operational Amplifier Power Optimization for a Given Total(Slewing plus Linear)Settling Time”in Proc.15th Symposium on Integrated Circuits and Systems Design，Pages.247-253Sept.9-14 2002.)。采用双采样技术可以在不影响电路建立特性的前提下把开关电容电路的采样时钟频率提高一倍(见文献Paul J.Hurst，“Double Sampling In Switched-CapacitorDelta-Sigma A/D Converters”in Proc.IEEE International Symposium on Circuits and Systems，New Orleans，LA USA，pp.902-905，May.1-3，1990.)。文献(P.S.Cusinato，F.Baschirotto，A.，“Reducing the power consumption in high-speed/spl Sigma//spl Delta/bandpass modulators”，IEEE Transactions on Circuits and Systems II：Analog and Digital Signal Processing，Vo1.48，pp.952-960，2001.)根据开关电容电路工作的时钟相位，结合自适应偏置技术降低电路功耗。开关运放技术采用具有开/关两个状态的放大器取代MOSFET开关电路，非常适合低电源电压工作，进而具有较小的电路功耗(见文献A.Baschirotto and R.Castello，“A 1V CMOSfully-differential switched-opamp bandpass simga-delta modulator”in Proc.23^rd EuropeanSolid-State Circuits Conference，Southampton，UK，Sept.16-18，1997.)。

基本的开关电容电路单元包括开关电容放大器(Switched-Capacitor Amplifier)和开关电容积分器(Switched-Capacitor Integrator)(见文献Behzad Razavi，Design of Analog CMOSIntegrated Circuits.NY：McGraw-Hill Inc.，2001.)。以下电路分析将主要对采用直流电源(DCP：Direct-Current Power)供电的开关电容积分器电路(DCPSC积分器)进行说明，如图1所示。其中电路中的MOSFET开关S₁、S₂、S₃和S₄由双相不交叠时钟信号CK1和CK2控制，如图2所示，此双向不交叠时钟信号由电路外部周期为T的时钟信号CK经双相不交叠时钟信号产生电路产生。

DCPSC积分器直接采用传统的DCP电源供电，见图1，其工作原理可以简单的描述为：在电路采样相位(CK1)，MOSFET开关S₁和S₂闭合，开关S₃和S₄打开，输入信号V_in对电容C₁充电，电路节点X_DC电压由OTA放大器的负输入端点连接到“虚地”；在电路的积分相位(CK2)，MOSFET开关S₃和S₄闭合，开关S₁和S₂打开，在电路采样阶段存储在电容C₁上的电荷全部转移到电容C₂。

发明内容

发明专利提出的采用交流电源(ACP：Alternative-Current Power)供电的开关电容电路技术，充分利用了开关电容电路工作时的特点，直接采用ACP电源给开关电容积分器(ACPSC积分器)供电，在电路结构和电路优化方法上区别于传统的DCPSC积分器。如图2所示，ACP电源信号与CK2信号同步，在开关电容电路处于采样相位(CK1)，OTA外部电容网络负载相对于积分相位(CK2)较小，所以ACP电源信号处于低电平节能状态(power OFF)；当电路进入积分相位，ACP电源信号相应的处于正常工作电平状态(power ON)。其中，为了保证可以取得和DCPSC积分器相同的建立特性，ACP电源处于正常工作电源的持续时间(t_ON)设定为与CK2时钟信号的脉冲宽度相同，以保证足够的电路建立时间(t_s)；同时，ACP电源在低电平节能状态和正常工作电平状态转换时存在状态转换时间，TR和TF，在我们的分析中，假设TR＝TF。

如果直接采用ACP电源对DCPSC积分器供电，则当ACP电源处于低电平节能状态时，由于OTA电路不能正常工作，导致节点Y_DC的电压受到处于节能状态的OTA输出端点的影响，造成电路工作异常。本发明提出的ACPSC积分器电路如图3(a)所示，相对与图1中的DCPSC积分器电路，为了把电容网络和采用ACP供电并处于节能状态OTA隔离开，电路增加了一个MOSFET开关S_I1。在采样相位(CK1)，ACP电源信号处于低电平节能状态，开关S₁和S₂闭合，开关S₃和S₄打开。同时开关S_I1打开，保证积分器的输出电压V_out不会受到处于节能状态的OTA输出端点的影响；ACPSC积分器的等效电路相对于电路节点X_AC存在天然的隔离结构。ACPSC积分器处于采样相位的等效电路如图3(b)所示，在这个阶段存储在电容C₁上的电荷为，

Q_sampling＝(V_in-0)·C₁    (1)

ACPSC积分器处于积分相位(CK2)的等效电路如图3(c)所示，这与DCPSC积分器处于积分相位的等效电路相同。此时，开关S_I1闭合，ACP电源信号处于正常工作电平状态，电路节点X_AC的电压由处于正常工作状态的OTA负输入端点连接到电路的“虚地”。在此过程中，从电容C₁转移到电容C₂上的电荷为，

$Q_{\mathrm{amplifying}}=(V_{\mathrm{out}}-V_{X_{\mathrm{AC}}})\·C_2---\left(2\right)$

因此可以得到与DCPSC积分器相同的输入输出关系，其中k是自然数，T是时钟信号周期，

$V_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{kT}\right)=V_{\mathrm{out}}\left[(k-1)T\right]-V_{\mathrm{in}}\left[(k-1)T\right]\·\frac{C_1}{C_2}---\left(3\right)$

本发明的特征在于：它含有：

开关电容电路中用交流电源供电的积分器，其特征在于，它含有：

第一开关S₁，它的一端与输入信号端V_in相连，该输入信号端V_in为采样或积分信号输入端；

第三开关S₃，它的一端与上述第一开关S₁的另一端相连，上述第三开关S₃的另一端接地；

第一电容C₁，它的一端与上述第一开关S₁的另一端相连；

第二开关S₂，它的一端与上述第一电容C₁的另一端相连，上述第二开关S₂的另一端接地；

第四开关S₄，它的一端与上述第一电容C₁的另一端相连；

放大器OTA，它的负输入端X_AC与上述第四开关S₄的另一端相连，上述放大器OTA的正输入端接地，上述放大器OTA的电源输入端接交流电源信号ACP，交流电源信号ACP与积分时钟信号CK2同步且脉冲宽度相等；交流电源信号ACP从采样相位处于低电平节能状态转换为积分相位正常工作状态的时间为第一状态转换时间TR，交流电源信号ACP从积分相位处于正常工作状态转换为采样相位低电平节能状态的时间为第二状态转换时间TF，且第一状态转换时间TR与第二状态转换时间TF相等；

第五开关S_I1，它的一端与上述放大器OTA的输出端相连；

第二电容C₂，它并联于上述放大器OTA的负输入端X_AC和上述第五开关S_I1的另一端Y_AC，第五开关S_I1的另一端Y_AC连接积分器信号输出端V_out；

在采样时，第一开关S₁、第二开关S₂闭合，第三开关S₃、第四开关S₄、第五开关S_I1打开；

在积分时，第一开关S₁、第二开关S₂打开，第三开关S₃、第四开关S₄、第五开关S_I1闭合。

通过以上的电路分析，可以发现ACPSC积分器可以实现和DCPSC积分器相同的电路功能，同时由于ACPSC积分器在电路处于采样阶段把能耗最大的电路元件OTA的电源关闭，使得ACPSC积分器相对于DCPSC积分器有很大的功耗优势。如果ACP电源的状态转换时间TR足够短，那么采用ACPSC电路技术后可以取得的最大的节能效率表示为，

${\mathrm{\η}}_{\max }=(1-\frac{t_{\mathrm{ON}}}{T})\·100\%=(1-\frac{t_s}{T})\·100\%---\left(4\right)$

本发明的有益效果是：与已有DCPSC积分器电路技术比较，本发明可以在取得相同建立特性的前提下，ACPSC积分器电路功耗的降低高达40％。同时电路实现比较简单。与其他低功耗开关电容电路设计方法比较，本发明提出的ACPSC电路技术存在与数字电路低功耗设计方法相协调，形成统一的SOC低功耗电路设计方法的潜力。

附图说明

图1.采用直流电源(DCP)供电的开关电容积分器电路图；

图2.双相不交叠时钟信号CK1，CK2和ACP电源时序图：

a时钟信号CK1，

b时钟信号CK2，

c交流电源信号ACP；

图3.ACPSC积分器电路结构图：

a电路图和隔离开关S_I1，

b采样相位等效电路，

c积分相位等效电路；

图4.ACPSC积分器电路瞬态输入输出波形图；

图5.ACPSC积分器和DCPSC积分器瞬态电源电流I_dd波形的比较图；

图6.不同建立精度条件下ACPSC积分器归一化建立时间与ACP信号归一化转换时间TR/T关系图。

具体实施方式

ACPSC电路技术采用交流电源ACP供电，ACP电源与双相不交叠时钟信号CK1，CK2配合。当ACPSC电路工作在采样相位(CK1)，ACP电源进入低电平节能状态，使耗能器件OTA进入低功耗状态，达到减小能量消耗的目标；当ACPSC电路工作在信号处理相位(CK2，积分相位)，ACP电源进入正常工作电平状态，OTA开始正常工作，进行信号处理。ACP电源进行状态转换需要时间为TR。采用ACPSC电路技术设计开关电容电路，在电路结构上需要增加隔离开关。这些开关的作用是保证当电路工作在采样相位时，能够把电路节点X_AC的电压确定在“虚地”，同时保证处于低功耗状态的OTA输出不影响输出电路节点Y_AC的电平。从而保证了ACPSC电路技术满足电荷守恒定律，可以实现和DCPSC电路技术相同的电路功能。

为了比较ACPSC电路技术相对于DCPSC电路技术的节能效果，我们采用CSMC 5-V0.6μm工艺，使用电路仿真工具HSPICE对两种电路结构进行了仿真比较分析。在电路仿真中，OTA电路采用折叠共源-共栅(folded cascode)结构，输入信号V_in是峰峰值为1V，频率为500KHz的正弦信号。外部参考时钟信号是占空比为50％，频率为10MHz的方波信号，用于产生同频率的双相不交叠时钟信号CK1和CK2。ACP电源信号是频率为10MHz梯形波信号，其中状态转换时间TR为10ns。所有仿真电路的输出负载电容为10pF。

ACPSC积分器的瞬态仿真输出波形如图4所示。从电路仿真波形可以很明显的看到，ACPSC积分器可以很好的满足开关电容电路积分器时序的要求。

图5所示为ACPSC积分器和DCPSC积分器瞬态电源电流I_dd波形的比较。输入信号V_in是峰峰值为1V，频率为20KHz的正弦信号。外部参考时钟信号是占空比为50％，频率为200KHz的方波信号，用于产生同频率的双相不交叠时钟信号CK1和CK2。ACP电源信号是频率为200KHz梯形波信号，其中状态转换时间TR为0.25us。当ACP电源处于低电平节能状态时，ACPSC积分器的电源电流i(ACP)远小于DCPSC积分器电源电流i(DCP)。当ACP电源从低电平状态开始向高电平状态转换时，i(ACP)开始增大，并在积分相位时钟信号CK2的上升沿到来前建立到与i(DCP)相当接近的数值。保证了ACPSC积分器在满足电路建立特性的前提下具有相对于DCPSC积分器较小的功耗。

ACPSC积分器和DCPSC积分器瞬态仿真(按照图5电路配置)平均功耗结果如表1所示。

表1ACPSC积分器电路和DCPSC积分器电路瞬态仿真平均功耗比较

	DCPSC(mW)	ACPSC(mW)	功耗节省比例(％)
				仿真结果	11.63	7.26	37.58

在公式(4)中，我们假设TR足够小。但是TR的取值对电路的建立特性有很大的影响。因为TR越小，虽然可以节省更多的能量，但是需要更多的时间裕量保证OTA电路满足特定的建立精度要求。所以在采用ACPSC电路技术设计低功耗开关电容电路单元时，存在对电路节能效果和建立特性折中考虑的问题，如图6所示。图6中，在不同建立精度条件下所有的建立时间都是被相同条件下DCPSC放大器建立时间归一化后的结果，图示中的横坐标为ACP电源信号归一化转换时间TR/T。

Claims (1)

1. 开关电容电路中用交流电源供电的积分器，其特征在于，它含有：

第一开关(S₁)，它的一端与输入信号端(V_in)相连，该输入信号端(V_in)为采样或积分信号输入端；

第三开关(S₃)，它的一端与上述第一开关(S₁)的另一端相连，上述第三开关(S₃)的另一端接地；

第一电容(C₁)，它的一端与上述第一开关(S₁)的另一端相连；

第二开关(S₂)，它的一端与上述第一电容(C₁)的另一端相连，上述第二开关(S₂)的另一端接地；

第四开关(S₄)，它的一端与上述第一电容(C₁)的另一端相连；

放大器(OTA)，它的负输入端(X_AC)与上述第四开关(S₄)的另一端相连，上述放大器(OTA)的正输入端接地，上述放大器(OTA)的电源输入端接交流电源信号(ACP)，交流电源信号(ACP)与积分时钟信号(CK2)同步且脉冲宽度相等；交流电源信号(ACP)从采样相位处于低电平节能状态转换为积分相位正常工作状态的时间为第一状态转换时间(TR)，交流电源信号(ACP)从积分相位处于正常工作状态转换为采样相位低电平节能状态的时间为第二状态转换时间(TF)，且第一状态转换时间(TR)与第二状态转换时间(TF)相等；

第五开关(S_I1)，它的一端与上述放大器(OTA)的输出端相连；

第二电容(C₂)，它并联于上述放大器(OTA)的负输入端(X_AC)和上述第五开关(S_I1)的另一端(Y_AC)，第五开关(S_I1)的另一端(Y_AC)连接积分器信号输出端(V_out)；

在采样时，第一开关(S₁)、第二开关(S₂)闭合，第三开关(S₃)、第四开关(S₄)、第五开关(S_I1)打开；

在积分时，第一开关(S₁)、第二开关(S₂)打开，第三开关(S₃)、第四开关(S₄)、第五开关(S_I1)闭合。

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