[发明专利]开关电容积分器

说明书

技术领域

本发明涉及一种开关电容积分器及伪差分结构开关电容积分器，属于集成电路技术领域 。

背景技术

近年来，信息化建设飞速发展，信号和信息处理已广泛地渗透到科学研究、技术开发、 工业生产、国防和国民经济的各个领域，成为全球经济和社会发展的重要推动力量。正因为 如此，信号处理芯片的设计成为集成电路设计者的研究热点。为了满足电池驱动便携设备的 需求以及大型系统的节能需要，信号处理芯片需要在保证高性能的同时，朝更低电压、更低 功耗以及更低成本的方向不断前进。

积分器是信号处理芯片中常用的重要功能电路，它对信号处理芯片整体性能的优劣产生 重大影响。在早期的信号处理电路中，电路设计者一般使用电阻、电容和放大器等组成连续 时间电路，构成所需的积分器传递函数，并对信号进行处理。但是，电阻和电容的绝对误差 限制了其在高精度电路中的应用。后来，人们逐渐采用MOS开关、电容和放大器组成的开关 电容积分器对信号进行精确处理。开关电容积分器之所以能够成功应用于高精度信号处理， 其原因在于信号处理函数的精确性主要与电容的比例有关。同时，它有良好的线性和温度特 性，并且易于在CMOS工艺中实现。

在开关电容积分器中，运算放大器是不可或缺的组成模块，同时也是最主要的功耗模块 。要实现极低功耗的开关电容积分器，低压低功耗运算放大器的设计是至关重要的。用C类 反向器代替传统的运算放大器是一种新型的低压低功耗电路设计技术。C类反向器主体部分 是一个推挽式反向器，如附图1所示，结构相当简单，功耗极低，芯片占用面积小，其中“ C类”指该反向器处于饱和导通状态的时间小于50％。在实际应用中C类反向器采用了动态偏 置技术，即它的工作状态是通过对输入管栅电位的调制而不断变化的。在开关电容积分器的 设计中，C类反向器应根据积分器在不同相位对其的性能要求，在以下两种不同的工作状态 之间进行合理的切换。

1)高增益低功耗状态：当PMOS输入管M1和NMOS输入管M2均处于弱反型区时，反向器具 有较高的增益和极低的功耗，但跨导和带宽相对较小，适用于积分器的采样相位以及积分相 位中的保持(settling)相位。

2)高摆率大电流状态：当M1处于强反型区，M2处于截止区(或M2处于强反型区，M1处 于截止区)时，工作在强反型区的MOS输入管跨导较大，使得反向器具有较大的摆率和输出 电流，适用于积分器的积分相位中的建立(slewing)相位。而且由于另一个输入管处于截止 区，整个反向器由电源到地的导通电流极小，避免了无谓的静态功耗。

根据上述原理，Youngcheol Chae等人在“A0.7V 36uW 85dB-DR Audio Δ∑Modulator Using Class-C Inverter”(ISSCC2008)一文中实现了一种基于C类反向器的极低功耗高精 度开关电容积分器。其中，为了提高稳态增益，反向器采用了如附图2所示的共源共栅结构 ，其中PMOS管M3和NMOS管M4的偏置电位分别是地电位GND和电源电位V_DD。

但是，对于采用现有技术C类反向器的开关电容积分器，当其工作在采样相位或积分相 位中的保持相位时，C类反向器中输入管均工作在弱反型区，其跨导受工艺偏差影响很大( 尤其是MOS管尺寸较大的时候)，导致C类反向器的增益、带宽和静态功耗等稳态特性在不同 的工艺角下存在严重偏差，增益偏差会影响积分器电荷采样和传输的精确性，而带宽和静态 功耗的偏差使积分器的工作频率和静态功耗变得极不稳定。当C类反向器切换至高摆率大电 流状态时，工艺偏差对于C类反向器的摆率和建立时间等动态参数指标的影响同样不能忽略 ，它使得开关电容积分器工作在建立相位时的建立时间、积分精度和动态功耗等指标恶化， 最终可能导致积分器性能下降甚至功能丧失。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种采用新型C类反向器的开关电容积分器，以克服 现有技术的开关电容积分器中的C类反向器的跨导受工艺偏差影响很大(尤其是MOS管尺寸较 大的时候)，从而导致积分器工作在采样相位或保持相位时电荷采样和传输不够精确，工作 频率和功耗极不稳定；工作在建立相位时建立时间、积分精度和动态功耗等指标恶化，最终 可能导致积分器性能下降甚至功能丧失的不足。

本发明要解决的另一个技术问题是，提供一种采用新型C类反向器的伪差分结构开关电 容积分器。