零静态功耗的开关电容采样电路及其采样方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911370623.7 (22)申请日 2019.12.26 (71)申请人 核芯互联 （北京） 科技有限公司 地址 100000 北京市朝阳区光华路丙12号 数码01大厦25层 (72)发明人 蔡小波张鹏徐洋尹海滨 (74)专利代理机构 北京知呱呱知识产权代理有 限公司 11577 代理人 朱芳 (51)Int.Cl. H03M 3/00(2006.01) (54)发明名称 一种零静态功耗的开关电容采样电路及其 采样方法 (57)摘要 本发明实施例公开了一种零静态功耗的开。

2、 关电容采样电路及其采样方法， 涉及电子电路领 域。 所述电路包括： 第一采样电路、 第二采样电路 和比较器模块； 所述第一采样电路的两端和第二 采样电路的两端均连接至输入信号端和比较器 模块， 所述第一采样电路的采样电容的上极板连 接至电源电压VDD， 所述第二采样电路的采样电 容的上极板接地VSS， 且所述第一采样电路与第 二采样电路通过短接开关互相连接。 本发明实施 例采用两路采样电路， 且分别接到电源VDD和地 VSS， 同时合理设计开关和控制时序， 能够实现跟 踪阶段零静态功耗的目的， 以此大大减小整个电 路的平均功耗。 权利要求书2页 说明书4页 附图3页 CN 111162791。

3、 A 2020.05.15 CN 111162791 A 1.一种零静态功耗的开关电容采样电路， 其特征在于， 所述电路包括： 第一采样电路、 第二采样电路和比较器模块； 所述第一采样电路的两端和第二采样电路的两端均连接至输入信号端和比较器模块， 所述第一采样电路的采样电容的上极板连接至电源电压VDD， 所述第二采样电路的采样电 容的上极板接地VSS， 且所述第一采样电路与第二采样电路通过短接开关互相连接。 2.如权利要求1所述的一种零静态功耗的开关电容采样电路， 其特征在于， 所述第一采 样电路包括依次串接的开关S1、 采样电容C1和开关S9， 依次串接的开关S2、 采样电容C2和开 关S1。

4、0， 开关S1和开关S2分别连接至VIP输入信号端和VIN输入信号端， 开关S9和开关S10分 别连接至比较器模块的负输入端和正输入端， 采样电容C1和采样电容C2的下极板之间连接 有开关S13， 开关S9和开关S10之间通过串接的开关S5和开关S6相连， 电源电压VDD连接在开 关S5和开关S6之间的电路上。 3.如权利要求1所述的一种零静态功耗的开关电容采样电路， 其特征在于， 所述第二采 样电路包括依次串接的开关S3、 采样电容C3和开关S11， 依次串接的开关S4、 采样电容C4和 开关S12， 开关S3和开关S4分别连接至VIP输入信号端和VIN输入信号端， 开关S11和开关S12 。

5、分别连接至比较器模块的负输入端和正输入端， 采样电容C3和采样电容C4的下极板之间连 接有开关S14， 开关S11和开关S12之间通过串接的开关S7和开关S8相连， VSS接地端连接在 开关S5和开关S6之间的电路上。 4.如权利要求1所述的一种零静态功耗的开关电容采样电路， 其特征在于， 所述第一采 样电路的采样电容C1的上极板通过开关S15连接至第二采样电路的采样电容C3的上极板； 所述第一采样电路的采样电容C2的上极板通过开关S16连接至第二采样电路的采样电 容C4的上极板。 5.如权利要求1所述的一种零静态功耗的开关电容采样电路， 其特征在于， 所述比较器 模块设置有比较器， 所述比较。

6、器的负输入端和正输入端之间连接有串接的开关S17、 开关 S18， 以及串接的寄生电容Cp1和寄生电容Cp2， 其中， VCM产生电路连接在开关S17和开关S18 之间的电路上， 寄生电容Cp1和寄生电容Cp2的下极板接地。 6.一种采样方法， 应用于如权利要求1-5所述的一种零静态功耗的开关电容采样电路， 其特征在于， 所述采样方法包括： 利用时钟触发信号控制开关S1、 S2、 S3和S4， 利用时钟 触发信号控制开关S5、 S6、 S7和S8， 利用时钟触发信号控制开关S9、 S10、 S11、 S12、 S13 和S14， 利用时钟触发信号控制开关S15、 S16、 S17和S18， 通。

7、过设置不同的触发周期将采 样电路分为采样跟踪阶段、 共模建立阶段和信号转换阶段。 7.如权利要求6所述的一种采样方法， 其特征在于， 在所述采样跟踪阶段， 时钟CLK为低 电平， 开关S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S8导通， 开关S9、 S10、 S11、 S12、 S13、 S14、 S15、 S16、 S17、 S18关断， VCM产生电路和比较器处于关断状态， 在采样跟踪阶段电路的静态功耗为零， 当时 钟CLK的上升沿到来时， 触发的下降沿， 开关S5、 S6、 S7、 S8关断， 完成采样。 8.如权利要求6所述的一种采样方法， 其特征在于， 在所述共模建立阶。

8、段， 时钟CLK为高 电平， 用一个窄脉冲控制开关S15和S16导通， 此时， 开关S1、 S2、 S3、 S4、 S15、 S16、 S17、 S18导通， 开关S5、 S6、 S7、 S8、 S9、 S10、 S11、 S12、 S13、 S14关断， 采样电容C1、 C2、 C3、 C4的上极 板端的电压均为VDD/2， 同时控制S17、 S18导通， 比较器输入端电压复位到VCM， 共模建立完 权利要求书 1/2 页 2 CN 111162791 A 2 成。 9.如权利要求6所述的一种采样方法， 其特征在于， 在所述信号转换阶段， 时钟CLK、 和为高电平，和为低电平， 开关S9、 。

9、S10、 S11、 S12、 S13、 S14导通， 开关S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S8、 S15、 S16、 S17、 S18和VCM产生电路关断， 比较器输入端电压等于输 入信号端电压， 完成信号转换。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111162791 A 3 一种零静态功耗的开关电容采样电路及其采样方法 技术领域 0001 本发明实施例涉及电子电路领域， 具体涉及一种零静态功耗的开关电容采样电路 及其采样方法。 背景技术 0002 随着无线传感器网络、 可穿戴式设备和可植入式医疗设备等电子产品的快速发 展， 市场对超低功耗模数转换器Analog to D。

10、igital Converter， 即ADC的需求非常旺盛。 ADC一般分为采样跟踪和信号转换两个阶段， 在很多应用场景中， ADC长时间处于跟踪状态， 只有在需要的时候进入转换状态， 而且转换完成后又进入跟踪状态。 所以， 尽量降低跟踪状 态的功耗就能大大降低ADC的平均功耗。 0003 然而， 现有技术中的采样电路在跟踪阶段， 采样电容的上极板需要接到一个共模 电平VCM上， 而VCM的产生电路主要由3种方式来实现， 即1)电阻串分压产生； 2)电阻串分压 再经过缓冲器； 3)电流源经过MOS管产生偏置电压。 但是， 这三种实现方式分别是通过增大 电阻、 减小缓冲器电流、 减小偏置电流来适。

11、当地降低静态功耗， 其电路在工作过程中仍然要 消耗静态功耗， 无法做到跟踪阶段没有静态功耗， 其降低ADC平均功耗的能力有限。 发明内容 0004 本发明实施例的目的在于提供一种零静态功耗的开关电容采样电路及其采样方 法， 用以解决现有采样电路存在静态功耗的问题。 0005 为实现上述目的， 本发明实施例主要提供如下技术方案： 0006 第一方面， 本发明实施例提供了一种零静态功耗的开关电容采样电路， 0007 所述电路包括： 第一采样电路、 第二采样电路和比较器模块； 所述第一采样电路的 两端和第二采样电路的两端均连接至输入信号端和比较器模块， 所述第一采样电路的采样 电容的上极板连接至电源。

12、电压VDD， 所述第二采样电路的采样电容的上极板接地VSS， 且所 述第一采样电路与第二采样电路通过短接开关互相连接。 0008 进一步地， 所述第一采样电路包括依次串接的开关S1、 采样电容C1和开关S9， 依次 串接的开关S2、 采样电容C2和开关S10， 开关S1和开关S2分别连接至VIP输入信号端和VIN输 入信号端， 开关S9和开关S10分别连接至比较器模块的负输入端和正输入端， 采样电容C1和 采样电容C2的下极板之间连接有开关S13， 开关S9和开关S10之间通过串接的开关S5和开关 S6相连， 电源电压VDD连接在开关S5和开关S6之间的电路上。 0009 进一步地， 所述第二。

13、采样电路包括依次串接的开关S3、 采样电容C3和开关S11， 依 次串接的开关S4、 采样电容C4和开关S12， 开关S3和开关S4分别连接至VIP输入信号端和VIN 输入信号端， 开关S11和开关S12分别连接至比较器模块的负输入端和正输入端， 采样电容 C3和采样电容C4的下极板之间连接有开关S14， 开关S11和开关S12之间通过串接的开关S7 和开关S8相连， VSS接地端连接在开关S5和开关S6之间的电路上。 0010 进一步地， 所述第一采样电路的采样电容C1的上极板通过开关S15连接至第二采 说明书 1/4 页 4 CN 111162791 A 4 样电路的采样电容C3的上极板；。

14、 所述第一采样电路的采样电容C2的上极板通过开关S16连 接至第二采样电路的采样电容C4的上极板。 0011 进一步地， 所述比较器模块设置有比较器， 所述比较器的负输入端和正输入端之 间连接有串接的开关S17、 开关S18， 以及串接的寄生电容Cp1和寄生电容Cp2， 其中， VCM产生 电路连接在开关S17和开关S18之间的电路上， 寄生电容Cp1和寄生电容Cp2的下极板接地。 0012 第二方面， 本发明实施例还提供一种采样方法， 所述采样方法包括： 利用时钟触发 信号控制开关S1、 S2、 S3和S4， 利用时钟触发信号控制开关S5、 S6、 S7和S8， 利用时钟 触发信号控制开关S。

15、9、 S10、 S11、 S12、 S13和S14， 利用时钟触发信号控制开关S15、 S16、 S17和S18， 通过设置不同的触发周期将采样电路分为采样跟踪阶段、 共模建立阶段和 信号转换阶段。 0013 进一步地， 在所述采样跟踪阶段， 时钟CLK为低电平， 开关S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S8导通， 开关S9、 S10、 S11、 S12、 S13、 S14、 S15、 S16、 S17、 S18关断， VCM产生电路和比较器处于 关断状态， 在采样跟踪阶段电路的静态功耗为零， 当时钟CLK的上升沿到来时， 触发的下 降沿， 开关S5、 S6、 S7、 S8。

16、关断， 完成采样。 0014进一步地， 在所述共模建立阶段， 时钟CLK为高电平， 用一个窄脉冲控制开关 S15和S16导通， 此时， 开关S1、 S2、 S3、 S4、 S15、 S16、 S17、 S18导通， 开关S5、 S6、 S7、 S8、 S9、 S10、 S11、 S12、 S13、 S14关断， 采样电容C1、 C2、 C3、 C4的上极板端的电压均为VDD/2， 同时控制S17、 S18导通， 比较器输入端电压复位到VCM， 共模建立完成。 0015进一步地， 在所述信号转换阶段， 时钟CLK、和为高电平，和为低 电平， 开关S9、 S10、 S11、 S12、 S13、 S。

17、14导通， 开关S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S8、 S15、 S16、 S17、 S18和VCM产生电路关断， 比较器输入端电压等于输入信号端电压， 完成信号转换。 0016 本发明实施例提供的技术方案至少具有如下优点： 0017 本发明实施例提供的一种零静态功耗的开关电容采样电路及其采样方法， 采用两 路采样电路， 且分别接到电源VDD和地VSS， 同时合理设计开关和控制时序， 能够使电路实现 和传统电路同样的功能， 但能够避免在采样跟踪阶段使用共模电平， 从而实现跟踪阶段零 静态功耗的目的， 以此大大减小整个电路的平均功耗。 附图说明 0018 图1为本发明实施。

18、例提供的一种零静态功耗的开关电容采样电路。 0019 图2为本发明实施例提供的第一采样电路的电路图。 0020 图3为本发明实施例提供的第二采样电路的电路图。 0021 图4为本发明实施例提供的比较器模块的电路图。 0022 图5为本发明实施例提供的时钟开关时序图。 具体实施方式 0023 以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式， 熟悉此技术的人士可由本说明 书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。 0024 以下描述中， 为了说明而不是为了限定， 提出了诸如特定系统结构、 接口、 技术之 说明书 2/4 页 5 CN 111162791 A 5 类的具体细节， 以便透彻理解本发明。

19、。 然而， 本领域的技术人员应当清楚， 在没有这些具体 细节的其它实施例中也可以实现本发明。 在其它情况中， 省略对众所周知的系统、 电路以及 方法的详细说明， 以免不必要的细节妨碍本发明的描述。 0025 本发明实施例提供一种零静态功耗的开关电容采样电路， 参考图1， 该电路包括： 第一采样电路、 第二采样电路和比较器模块； 第一采样电路的两端和第二采样电路的两端 均连接至输入信号端和比较器模块， 第一采样电路的采样电容的上极板连接至电源电压 VDD， 第二采样电路的采样电容的上极板接地VSS， 从而避免了在采样跟踪阶段使用共模电 平， 以此达到采样跟踪阶段零静态功耗的目的， 另外， 第一采。

20、样电路与第二采样电路通过短 接开关互相连接， 以此实现共模建立。 0026 具体地， 参考图2， 第一采样电路包括依次串接的开关S1、 采样电容C1和开关S9， 依 次串接的开关S2、 采样电容C2和开关S10， 开关S1和开关S2分别连接至VIP输入信号端和VIN 输入信号端， 开关S9和开关S10分别连接至比较器模块的负输入端和正输入端， 采样电容C1 和采样电容C2的下极板之间连接有开关S13， 开关S9和开关S10之间通过串接的开关S5和开 关S6相连， 电源电压VDD连接在开关S5和开关S6之间的电路上。 0027 参考图3， 第二采样电路包括依次串接的开关S3、 采样电容C3和开关。

21、S11， 依次串接 的开关S4、 采样电容C4和开关S12， 开关S3和开关S4分别连接至VIP输入信号端和VIN输入信 号端， 开关S11和开关S12分别连接至比较器模块的负输入端和正输入端， 采样电容C3和采 样电容C4的下极板之间连接有开关S14， 开关S11和开关S12之间通过串接的开关S7和开关 S8相连， VSS接地端连接在开关S7和开关S8之间的电路上。 0028 需要说明的是， 参考图1， 第一采样电路的采样电容C1的上极板通过开关S15连接 至第二采样电路的采样电容C3的上极板； 第一采样电路的采样电容C2的上极板通过开关 S16连接至第二采样电路的采样电容C4的上极板。 0。

22、029 参考图4， 比较器模块设置有比较器， 比较器的负输入端和正输入端之间连接有串 接的开关S17、 开关S18， 以及串接的寄生电容Cp1和寄生电容Cp2， 其中， VCM产生电路连接在 开关S17和开关S18之间的电路上， 寄生电容Cp1和寄生电容Cp2的下极板接地。 0030 本实施例提供的零静态功耗的开关电容采样电路采用两路采样电路， 且分别接到 电源VDD和地VSS， 能够避免在采样跟踪阶段使用共模电平， 从而实现跟踪阶段零静态功耗 的目的。 0031 对应的， 利用上述零静态功耗的开关电容采样电路的采样方法包括： 0032利用时钟触发信号控制开关S1、 S2、 S3和S4， 利用。

23、时钟触发信号控制开关 S5、 S6、 S7和S8， 利用时钟触发信号控制开关S9、 S10、 S11、 S12、 S13和S14， 利用时钟触发 信号控制开关S15、 S16、 S17和S18， 通过设置不同的触发周期将采样电路分为采样跟踪 阶段、 共模建立阶段和信号转换阶段。 0033参考图5， 在t1采样跟踪阶段， 时钟CLK、为低电平，为高电 平， 由高电平导通、 低电平关断的开关电路的特性可知： 开关S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S8导 通， 开关S9、 S10、 S11、 S12、 S13、 S14、 S15、 S16、 S17、 S18关断， VCM产生电。

24、路和比较器处于关断 状态， 不需要连接共模电平， 因此， 在采样跟踪阶段电路的静态功耗为零。 当时钟CLK的上升 沿到来时， 触发的下降沿， 开关S5、 S6、 S7、 S8关断， 完成采样。 其中， 在触发的下降沿 说明书 3/4 页 6 CN 111162791 A 6 时， 存在孔径延时ta， 但ta的时间间隔很小。 0034在t2共模建立阶段， 时钟CLK为高电平， 此时，依然为高电平，为低电平， 为低电平， 用一个窄脉冲控制开关S15和S16导通， 开关S1、 S2、 S3、 S4、 S15、 S16、 S17、 S18导通， 开关S5、 S6、 S7、 S8、 S9、 S10、 S。

25、11、 S12、 S13、 S14关断， 此时形成两个闭环电路， 包括 开关S1、 采样电容C1、 采样电容C3和开关S3形成的闭环， 以及开关S2、 采样电容C2、 采样电容 C4和开关S4形成的闭环， 使得采样电容C1、 C2、 C3、 C4的上极板端的电压从原来的VDD和VSS 变为VCM， VCMVDD/2。 同时控制S17、 S18导通， 比较器输入端电压复位到VCM， 共模建立完 成。 0035在t3信号转换阶段， 时钟CLK、和为高电平，和为低电平， 开关S9、 S10、 S11、 S12、 S13、 S14导通， 开关S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S8。

26、、 S15、 S16、 S17、 S18和VCM产生 电路关断， 比较器输入端电压等于输入信号端电压， 完成信号转换。 0036 若现有传统的采样电路中的采样电容的值为C， 寄生电容的值为Cp， 则本实施例中 的采样电容C1C2C3C4C/2， Cp1Cp2Cp， Cp远小于C， 当完成信号转换时， 本实施 例中开关S17和S18两端的电压， 即比较器输入端的电压为： 0037 0038 由于Cp远小于C， 所以， 0039 VOP-VONVIP-VIN 0040 因此， 本实施例提供的电路成功把输入信号转移到比较器输入端， 并进行量化等 后续处理， 转换完成后电路回到采样跟踪状态， 等待下一。

27、个CLK的上升沿来触发下一次转 换。 本实施例中的信号转换包括信号转换、 信号比较和信号放大。 且本发明电路的输出端除 了可以接比较器以外， 还可以接入采样保持放大器、 逐次逼近式模数转换器和各种增益的 开关电容放大器。 0041 综上， 本发明实施例采用两路采样电路， 且分别接到电源VDD和地VSS， 同时合理设 计开关和控制时序， 能够使电路实现和传统电路同样的功能， 但能够避免在采样跟踪阶段 使用共模电平， 从而实现跟踪阶段零静态功耗的目的， 以此大大减小整个电路的平均功耗。 0042 以上所述的具体实施方式， 对本发明的目的、 技术方案和有益效果进行了进一步 详细说明， 所应理解的是， 以上所述仅为本发明的具体实施方式而已， 并不用于限定本发明 的保护范围， 凡在本发明的技术方案的基础之上， 所做的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应 包括在本发明的保护范围之内。 说明书 4/4 页 7 CN 111162791 A 7 图1 图2 说明书附图 1/3 页 8 CN 111162791 A 8 图3 图4 说明书附图 2/3 页 9 CN 111162791 A 9 图5 说明书附图 3/3 页 10 CN 111162791 A 10 。