專利名稱：：開關(guān)電容電路中用交流電源供電的積分器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：開關(guān)電容電路中用交流電源供電的積分器直接應(yīng)用的
技術(shù)領(lǐng)域：
是采用開關(guān)電容電路技術(shù)的低功耗模擬電路和混和信號(hào)電路設(shè)計(jì)。所提出電路是一種用于設(shè)計(jì)低功耗模擬和混和信號(hào)電路的基本開關(guān)電容電路單元。
背景技術(shù)：
：隨著集成電路制造工藝的進(jìn)步，集成電路的規(guī)模和設(shè)計(jì)復(fù)雜性日益增大，集成電路的功耗和散熱問題也越來越得到重視。特別是在目前集成電路SOC(System-On-a-Chip)設(shè)計(jì)思路下和基于可重用IP核(ReusableIntellectualPropertyCores)設(shè)計(jì)風(fēng)格中，越來越多的模擬電路模塊與數(shù)字電路模塊集成到同一個(gè)系統(tǒng)中，并且模擬電路模塊的功耗占整個(gè)SOC系統(tǒng)功耗的比例不斷增大(見文獻(xiàn)AkiraMatsuzawa，“Low-VoltageandLow-PowerCircuitDesignforMixedAnalog/DigitalSystemsinPortableEquipment”，IEEEJournalofSolid-StateCircuits，Vol29，pp.470-480，1994.)。對(duì)于數(shù)字電路模塊，降低電路的工作電源電壓是很有效降低電路功耗的方法，但是這一方法對(duì)于模擬電路模塊反而會(huì)使模擬電路的信噪比(SNRSignal-to-NoiseRatio)等電路性能惡化。目前，對(duì)于降低數(shù)字電路模塊和模擬電路模塊的功耗，還沒有一種統(tǒng)一的低功耗設(shè)計(jì)方法；對(duì)于模擬電路模塊而言，充分利用各種模擬電路單元的工作特點(diǎn)，同樣可以在很大程度上降低電路的功耗。開關(guān)電容電路(SCSwitched-CapacitorCircuit)是一種廣泛應(yīng)用于數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和濾波器設(shè)計(jì)的電路單元。降低開關(guān)電容電路的功耗可以極大的降低整個(gè)SOC系統(tǒng)的功耗。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法著眼于同時(shí)優(yōu)化開關(guān)電容電路中的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTAOperationalTansconductanceAmplifier)的功耗和閉環(huán)的建立特性(見文獻(xiàn)Silveira，F(xiàn).andFlandre，D，“OperationalAmplifierPowerOptimizationforaGivenTotal(SlewingplusLinear)SettlingTime”inProc.15thSymposiumonIntegratedCircuitsandSystemsDesign，Pages.247-253Sept.9-142002.)。采用雙采樣技術(shù)可以在不影響電路建立特性的前提下把開關(guān)電容電路的采樣時(shí)鐘頻率提高一倍(見文獻(xiàn)PaulJ.Hurst，“DoubleSamplingInSwitched-CapacitorDelta-SigmaA/DConverters”inProc.IEEEInternationalSymposiumonCircuitsandSystems，NewOrleans，LAUSA，pp.902-905，May.1-3，1990.)。文獻(xiàn)(P.S.Cusinato，F(xiàn).Baschirotto，A.，“Reducingthepowerconsumptioninhigh-speed/splSigma//splDelta/bandpassmodulators”，IEEETransactionsonCircuitsandSystemsIIAnalogandDigitalSignalProcessing，Vol.48，pp.952-960，2001.)根據(jù)開關(guān)電容電路工作的時(shí)鐘相位，結(jié)合自適應(yīng)偏置技術(shù)降低電路功耗。開關(guān)運(yùn)放技術(shù)采用具有開/關(guān)兩個(gè)狀態(tài)的放大器取代MOSFET開關(guān)電路，非常適合低電源電壓工作，進(jìn)而具有較小的電路功耗(見文獻(xiàn)A.BaschirottoandR.Castello，“A1VCMOSfully-differentialswitched-opampbandpasssimga-deltamodulator”inProc.23rdEuropeanSolid-StateCircuitsConference，Southampton，UK，Sept.16-18，1997.)?；镜拈_關(guān)電容電路單元包括開關(guān)電容放大器(Switched-CapacitorAmplifier)和開關(guān)電容積分器(Switched-CapacitorIntegrator)(見文獻(xiàn)BehzadRazavi，DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits.NYMcGraw-HillInc.，2001.)。以下電路分析將主要對(duì)采用直流電源(DCPDirect-CurrentPower)供電的開關(guān)電容積分器電路(DCPSC積分器)進(jìn)行說明，如圖1所示。其中電路中的MOSFET開關(guān)S1、S2、S3和S4由雙相不交疊時(shí)鐘信號(hào)CK1和CK2控制，如圖2所示，此雙向不交疊時(shí)鐘信號(hào)由電路外部周期為T的時(shí)鐘信號(hào)CK經(jīng)雙相不交疊時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生。DCPSC積分器直接采用傳統(tǒng)的DCP電源供電，見圖1，其工作原理可以簡單的描述為在電路采樣相位(CK1)，MOSFET開關(guān)S1和S2閉合，開關(guān)S3和S4打開，輸入信號(hào)Vin對(duì)電容C1充電，電路節(jié)點(diǎn)XDC電壓由OTA放大器的負(fù)輸入端點(diǎn)連接到“虛地”；在電路的積分相位(CK2)，MOSFET開關(guān)S3和S4閉合，開關(guān)S1和S2打開，在電路采樣階段存儲(chǔ)在電容C1上的電荷全部轉(zhuǎn)移到電容C2。
發(fā)明內(nèi)容發(fā)明專利提出的采用交流電源(ACPAlternative-CurrentPower)供電的開關(guān)電容電路技術(shù)，充分利用了開關(guān)電容電路工作時(shí)的特點(diǎn)，直接采用ACP電源給開關(guān)電容積分器(ACPSC積分器)供電，在電路結(jié)構(gòu)和電路優(yōu)化方法上區(qū)別于傳統(tǒng)的DCPSC積分器。如圖2所示，ACP電源信號(hào)與CK2信號(hào)同步，在開關(guān)電容電路處于采樣相位(CK1)，OTA外部電容網(wǎng)絡(luò)負(fù)載相對(duì)于積分相位(CK2)較小，所以ACP電源信號(hào)處于低電平節(jié)能狀態(tài)(powerOFF)；當(dāng)電路進(jìn)入積分相位，ACP電源信號(hào)相應(yīng)的處于正常工作電平狀態(tài)(powerON)。其中，為了保證可以取得和DCPSC積分器相同的建立特性，ACP電源處于正常工作電源的持續(xù)時(shí)間(tON)設(shè)定為與CK2時(shí)鐘信號(hào)的脈沖寬度相同，以保證足夠的電路建立時(shí)間(ts)；同時(shí)，ACP電源在低電平節(jié)能狀態(tài)和正常工作電平狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)存在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間，TR和TF，在我們的分析中，假設(shè)TR＝TF。如果直接采用ACP電源對(duì)DCPSC積分器供電，則當(dāng)ACP電源處于低電平節(jié)能狀態(tài)時(shí)，由于OTA電路不能正常工作，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)YDC的電壓受到處于節(jié)能狀態(tài)的OTA輸出端點(diǎn)的影響，造成電路工作異常。本發(fā)明提出的ACPSC積分器電路如圖3(a)所示，相對(duì)與圖1中的DCPSC積分器電路，為了把電容網(wǎng)絡(luò)和采用ACP供電并處于節(jié)能狀態(tài)OTA隔離開，電路增加了一個(gè)MOSFET開關(guān)SIl。在采樣相位(CK1)，ACP電源信號(hào)處于低電平節(jié)能狀態(tài)，開關(guān)S1和S2閉合，開關(guān)S3和S4打開。同時(shí)開關(guān)SI1打開，保證積分器的輸出電壓Vout不會(huì)受到處于節(jié)能狀態(tài)的OTA輸出端點(diǎn)的影響；ACPSC積分器的等效電路相對(duì)于電路節(jié)點(diǎn)XAC存在天然的隔離結(jié)構(gòu)。ACPSC積分器處于采樣相位的等效電路如圖3(b)所示，在這個(gè)階段存儲(chǔ)在電容C1上的電荷為，Qsampling＝(Vin-O)□C1(1)ACPSC積分器處于積分相位(CK2)的等效電路如圖3(c)所示，這與DCPSC積分器處于積分相位的等效電路相同。此時(shí)，開關(guān)SI1閉合，ACP電源信號(hào)處于正常工作電平狀態(tài)，電路節(jié)點(diǎn)XAC的電壓由處于正常工作狀態(tài)的OTA負(fù)輸入端點(diǎn)連接到電路的“虛地”。在此過程中，從電容C1轉(zhuǎn)移到電容C2上的電荷為，因此可以得到與DCPSC積分器相同的輸入輸出關(guān)系，其中k是自然數(shù)，T是時(shí)鐘信號(hào)周期，Vout(kT)=Vout[(k-1)T]-Vin[(k-1)T]·C1C2---(3)]]>本發(fā)明的特征在于它含有開關(guān)S1，它的一端與Vin端相連，Vin端為采樣或積分信號(hào)輸入端；開關(guān)S3，它的一端與上述開關(guān)S1的另一端相連，上述開關(guān)S3的另一端接地；電容C1，它的一端與上述開關(guān)S1的另一端相連；開關(guān)S2，它的一端與上述電容C1的另一端相連，上述開關(guān)S2的另一端接地；開關(guān)S4，它的一端與上述電容C1的另一端相連；放大器，它的用XAC表示的負(fù)輸入端與上述開關(guān)S4的另一端相連，上述放大器的正輸入端接地，上述放大器的電源端輸入用ACP表示的交流電源信號(hào)，它與用CK2表示的積分時(shí)鐘信號(hào)同步且脈沖寬度相等；設(shè)TR、TF分別為ACP電源在采樣相位下處于低電平節(jié)能狀態(tài)時(shí)與在積分相位下交流電源處于正常工作狀態(tài)時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間，且TR＝TF；開關(guān)SI1，它的一端接上述放大器的輸出端相連；電容C2，它并聯(lián)于上述放大器的負(fù)輸入端和上述開關(guān)SI1的用YAC表示的另一端即積分輸出信號(hào)輸出端，該積分輸出信號(hào)用Vout表示；在采樣時(shí)，開關(guān)S1、S2閉合，開關(guān)S3、S4、SI1打開；在放大時(shí)，開關(guān)S1、S2打開，開關(guān)S3、S4、SI1閉合。通過以上的電路分析，可以發(fā)現(xiàn)ACPSC積分器可以實(shí)現(xiàn)和DCPSC積分器相同的電路功能，同時(shí)由于ACPSC積分器在電路處于采樣階段把能耗最大的電路元件OTA的電源關(guān)閉，使得ACPSC積分器相對(duì)于DCPSC積分器有很大的功耗優(yōu)勢。如果ACP電源的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間TR足夠短，那么采用ACPSC電路技術(shù)后可以取得的最大的節(jié)能效率表示為，本發(fā)明的有益效果是與已有DCPSC積分器電路技術(shù)比較，本發(fā)明可以在取得相同建立特性的前提下，ACPSC積分器電路功耗的降低高達(dá)40％。同時(shí)電路實(shí)現(xiàn)比較簡單。與其他低功耗開關(guān)電容電路設(shè)計(jì)方法比較，本發(fā)明提出的ACPSC電路技術(shù)存在與數(shù)字電路低功耗設(shè)計(jì)方法相協(xié)調(diào)，形成統(tǒng)一的SOC低功耗電路設(shè)計(jì)方法的潛力。圖1.采用直流電源(DCP)供電的開關(guān)電容積分器電路圖；圖2.雙相不交疊時(shí)鐘信號(hào)CK1，CK2和ACP電源時(shí)序圖a時(shí)鐘信號(hào)CK1，b時(shí)鐘信號(hào)CK2，c交流電源信號(hào)ACP；圖3.ACPSC積分器電路結(jié)構(gòu)圖a電路圖和隔離開關(guān)SI1，b采樣相位等效電路，c積分相位等效電路；圖4.ACPSC積分器電路瞬態(tài)輸入輸出波形圖；圖5.ACPSC積分器和DCPSC積分器瞬態(tài)電源電流Idd波形的比較圖；圖6.不同建立精度條件下ACPSC積分器歸一化建立時(shí)間與ACP信號(hào)歸一化轉(zhuǎn)換時(shí)間TR/T關(guān)系圖。具體實(shí)施例方式ACPSC電路技術(shù)采用交流電源ACP供電，ACP電源與雙相不交疊時(shí)鐘信號(hào)CK1，CK2配合。當(dāng)ACPSC電路工作在采樣相位(CK1)，ACP電源進(jìn)入低電平節(jié)能狀態(tài)，使耗能器件OTA進(jìn)入低功耗狀態(tài)，達(dá)到減小能量消耗的目標(biāo)；當(dāng)ACPSC電路工作在信號(hào)處理相位(CK2，積分相位)，ACP電源進(jìn)入正常工作電平狀態(tài)，OTA開始正常工作，進(jìn)行信號(hào)處理。ACP電源進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要時(shí)間為TR。采用ACPSC電路技術(shù)設(shè)計(jì)開關(guān)電容電路，在電路結(jié)構(gòu)上需要增加隔離開關(guān)。這些開關(guān)的作用是保證當(dāng)電路工作在采樣相位時(shí)，能夠把電路節(jié)點(diǎn)XAC的電壓確定在“虛地”，同時(shí)保證處于低功耗狀態(tài)的OTA輸出不影響輸出電路節(jié)點(diǎn)YAC的電平。從而保證了ACPSC電路技術(shù)滿足電荷守恒定律，可以實(shí)現(xiàn)和DCPSC電路技術(shù)相同的電路功能。為了比較ACPSC電路技術(shù)相對(duì)于DCPSC電路技術(shù)的節(jié)能效果，我們采用CSMC5-V0.6μm工藝，使用電路仿真工具HSPICE對(duì)兩種電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真比較分析。在電路仿真中，OTA電路采用折疊共源—共柵(foldedcascode)結(jié)構(gòu)，輸入信號(hào)Vin是峰峰值為1V，頻率為500KHz的正弦信號(hào)。外部參考時(shí)鐘信號(hào)是占空比為50％，頻率為10MHz的方波信號(hào)，用于產(chǎn)生同頻率的雙相不交疊時(shí)鐘信號(hào)CK1和CK2。ACP電源信號(hào)是頻率為10MHz梯形波信號(hào)，其中狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間TR為10ns。所有仿真電路的輸出負(fù)載電容為10pF。ACPSC積分器的瞬態(tài)仿真輸出波形如圖4所示。從電路仿真波形可以很明顯的看到，ACPSC積分器可以很好的滿足開關(guān)電容電路積分器時(shí)序的要求。圖5所示為ACPSC積分器和DCPSC積分器瞬態(tài)電源電流Idd波形的比較。輸入信號(hào)Vin是峰峰值為1V，頻率為20KHz的正弦信號(hào)。外部參考時(shí)鐘信號(hào)是占空比為50％，頻率為200KHz的方波信號(hào)，用于產(chǎn)生同頻率的雙相不交疊時(shí)鐘信號(hào)CK1和CK2。ACP電源信號(hào)是頻率為200KHz梯形波信號(hào)，其中狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間TR為0.25us。當(dāng)ACP電源處于低電平節(jié)能狀態(tài)時(shí)，ACPSC積分器的電源電流i(ACP)遠(yuǎn)小于DCPSC積分器電源電流i(DCP)。當(dāng)ACP電源從低電平狀態(tài)開始向高電平狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，i(ACP)開始增大，并在積分相位時(shí)鐘信號(hào)CK2的上升沿到來前建立到與i(DCP)相當(dāng)接近的數(shù)值。保證了ACPSC積分器在滿足電路建立特性的前提下具有相對(duì)于DCPSC積分器較小的功耗。ACPSC積分器和DCPSC積分器瞬態(tài)仿真(按照圖5電路配置)平均功耗結(jié)果如表1所示。表1ACPSC積分器電路和DCPSC積分器電路瞬態(tài)仿真平均功耗比較在公式(4)中，我們假設(shè)TR足夠小。但是TR的取值對(duì)電路的建立特性有很大的影響。因?yàn)門R越小，雖然可以節(jié)省更多的能量，但是需要更多的時(shí)間裕量保證OTA電路滿足特定的建立精度要求。所以在采用ACPSC電路技術(shù)設(shè)計(jì)低功耗開關(guān)電容電路單元時(shí)，存在對(duì)電路節(jié)能效果和建立特性折中考慮的問題，如圖6所示。圖6中，在不同建立精度條件下所有的建立時(shí)間都是被相同條件下DCPSC放大器建立時(shí)間歸一化后的結(jié)果，圖示中的橫坐標(biāo)為ACP電源信號(hào)歸一化轉(zhuǎn)換時(shí)間TR/T。權(quán)利要求1.開關(guān)電容電路中用交流電源供電的積分器，其特征在于，它含有開關(guān)S1，它的一端與Vin端相連，Vin端為采樣或積分信號(hào)輸入端；開關(guān)S3，它的一端與上述開關(guān)S1的另一端相連，上述開關(guān)S3的另一端接地；電容C1，它的一端與上述開關(guān)S1的另一端相連；開關(guān)S2，它的一端與上述電容C1的另一端相連，上述開關(guān)S2的另一端接地；開關(guān)S4，它的一端與上述電容C1的另一端相連；放大器，用OTA表示，它的用XAC表示的負(fù)輸入端與上述開關(guān)S4的另一端相連，上述放大器的正輸入端接地，上述放大器的電源端輸入用ACP表示的交流電源信號(hào)，它與用CK2表示的積分時(shí)鐘信號(hào)同步且脈沖寬度相等；設(shè)TR、TF分別為ACP電源在采樣相位下處于低電平節(jié)能狀態(tài)時(shí)與在積分相位下交流電源處于正常工作狀態(tài)時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間，且TR＝TF；開關(guān)SI1，它的一端接上述放大器的輸出端相連；電容C2，它并聯(lián)于上述放大器的負(fù)輸入端和上述開關(guān)SI1的用YAC表示的另一端即積分輸出信號(hào)輸出端，該積分輸出信號(hào)用Vout表示；在采樣時(shí)，開關(guān)S1、S2閉合，開關(guān)S3、S4、SI1打開；在放大時(shí)，開關(guān)S1、S2打開，開關(guān)S3、S4、SI1閉合。全文摘要開關(guān)電容電路中用交流電源供電的積分器，屬于開關(guān)電容電路
技術(shù)領(lǐng)域：
，其特征在于它在傳統(tǒng)的用直流電源供電的開關(guān)電容積分器中，在放大器的輸出端串接了一個(gè)采樣相位時(shí)打開、積分相位時(shí)閉合的開關(guān)；同時(shí)使放大器采用與積分相位時(shí)的積分時(shí)鐘信號(hào)同步且兩者脈沖寬度相等的交流電源信號(hào)作為電源輸入，又保持交流電源在采樣相位下處于低電平節(jié)能狀態(tài)時(shí)與積分相位下處于正常工作狀態(tài)時(shí)各自的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間兩者相等而且盡可能小。由于它在電路處于采樣階段把能耗最大的電路元件即放大器關(guān)閉，因而相對(duì)于開關(guān)電容電路中用直流電源供電的積分器具有低功耗的優(yōu)勢。文檔編號(hào)H03M1/12GK1658494SQ200510011380公開日2005年8月24日申請日期2005年3月4日優(yōu)先權(quán)日2005年3月4日發(fā)明者喬飛,楊華中,汪蕙申請人:清華大學(xué)