[发明专利]伪差动切换电容式电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种伪差动切换电容式电路，特别是涉及一种积分形式共 模电压稳定技术的伪差动切换电容式电路。

背景技术

在高精确度切换电容式电路中，通常需要高增益以及高线性度的放大 器，而系统效能往往决定于该放大器的效能。然而，在先进制程中，为了确 保电路的可靠度，电路的操作电压必须随之下降，因此，造成放大器的信 号范围严重被压缩，增加放大器的设计难度。为了维持足够的信噪比 (signal-to-noise ratio)，甚至会增加放大器的消耗功率。

请参阅图1A所示，是传统全差动(fully differential)放大器电路 示意图。传统全差动(fully differential)放大器电路10，其可增加电 路对抗噪声能力和增加电路信号振幅。全差动放大器电路10使用共模反馈 电路(common-mode feedback circuit，CMFB)102来稳定(输出端Out+/Out- 的)输出共模电压。由于电路的总电流是由尾(tail)电流金属氧化物半 导体(MOS)Mc1所控制，因此，输入端In+/In-的共模扰动(common-mode disturbance)将不会影响电路的效能。因此，全差动放大器电路10具有 极高的共模噪声抑制比(common-mode rejection ratio，CMRR)。然而，金 属氧化物半导体Mc1会压缩电路的输出信号范围，因此不利于低压电路的 操作。为了增加电路的信号输出范围，因此使用如图1B所示的伪差动 (pseudo-differential)放大器电路12。图1B是传统伪差动 (pseudo-differential)放大器电路示意图。伪差动放大器电路12免除了 图1A的尾电流金属氧化物半导体Mc1，但是，此电路将无共模噪声抑制功 能。因此，输入端In+/In-的共模噪声将会被伪差动放大器电路12放大，严 重影响电路的效能。全差动放大器电路10(如图1A所示)及伪差动放大器 电路12(如图1B所示)的操作将在以下段落依序说明。

请参阅图2所示，是使用全差动放大器的切换电容式电路的操作示意 图。使用全差动放大器104的切换电容式电路20的操作。在这里仅考虑共 模电压扰动(ΔV_cm)，不考虑其他交流信号。在取样相位(sample phase) 时(如图2的左端所示)，共模电压扰动(ΔV_cm)被两个电容C取样。在放 大相位(amplify phase)时(如图2的右端所示)，由于有共模反馈电路 (CMFB)的关系，因此输出共模电压会维持于V_cm。根据电荷守恒原理，可 以得到如图2所示的放大器104输入端的共模电压V_x。输入共模电压扰动 (ΔV_cm)会反映到电压V_x。然而，只要放大器104具有足够大的输入共模范 围，将可容许此共模电压扰动(ΔV_cm)的漂移。

请参阅图3所示，是使用伪差动放大器的切换电容式电路的操作示意 图。使用伪差动放大器124的切换电容式电路30的操作。由于伪差动放大 器124并无共模反馈电路(CMFB)，所以其输出缺少一强制力量以控制其输 出位准。因此，电路30会对于输入共模电压扰动(ΔV_cm)产生二倍的共模 增益，其中，共模增益和差模增益是相同的。一旦电路30应用于串联电路 中，如图4所示，是传统管路式模拟数字转换器示意图，管路式模拟数字转换 器(pipelined analog-to-digital converter)，由于每一级具有二倍的 共模增益，因此后级电路将会饱和掉，电路将会脱离正常操作。上述管路 式模拟数字转换器的细节可参考同一申请人的另一专利申请案中(题为「适 用于管路式或循环式模拟数字转换器的前后级解析度可调的共享运算放大 器技术」)。

上述伪差动切换电容式电路需要一有效稳定共模电压的电路机制，才 能够在低压制程下维持足够大的信号振幅。目前文献中有数种方法可达到 此目的，分别介绍如下。

一、共模反馈电路(CMFB)