Método para la realización de un amplificador de condensadores conmutados insensible a la rela ción entre las capacidades y al offset y ganancia de los amplificadores

19 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA 11 Núme o de publicación: 2 302 414 21 Núme o de solici ud: 200502657 51 In . Cl.: H03F 3/00 (2006.01) H03H 19/00 (2006.01) 12 PATENTE DE INVENCIÓN CON EXAMEN PREVIO B2 22 Fecha de p esen ación: 21.10.2005 43 Fecha de publicación de la solici ud: 01.07.2008 Fecha de la concesión: 07.11.2008 45 Fecha de anuncio de la concesión: 01.12.2008 45 Fecha de publicación del olle o de la pa en e: 01.12.2008 73 Ti ula /es: Uni e sidad de Se illa OTRI-Pabellón de B asil Paseo de las Delicias, s/n 41012 Se illa, ES 72 In en o /es: To alba Silgado, An onio Jesús; Muñoz Cha e o, Fe nando; González Ca ajal, Ramón; El Gmli, Hakim; Palomo Vázquez, Be na do y Gómez Galán, Juan An onio 74 Agen e: No cons a 54 Tí ulo: Mé odo pa a la ealización de un ampli icado de condensado es conmu ados insensible a la ela- ción en e las capacidades y al o se y ganancia de los ampli icado es. 57 Resumen: Mé odo pa a la ealización de un ampli icado de conden- sado es conmu ados insensible a la elación en e las ca- pacidades y al o se y ganancia de los ampli icado es. La p esen e in ención se e ie e a un mé odo pa a la ea- lización de un ampli icado de ganancia igual a dos que, u ilizando écnicas de condensado es conmu ados, es in- sensible a la elación en e las capacidades y al o se y ganancia DC de los ampli icado es ope acionales. La in ención es á elacionada con los ci cui os de con- densado es conmu ados, muy u ilizados en la implemen- ación analógica de ci cui os de p ocesado de señal. El mé odo encuen a aplicación en diseño de ampli icado- es de condensado es conmu ados. Es e ipo de ampli- icado es u ilizan ampli icado es ope acionales con eali- men ación nega i a pa a consegui ganancias p opo cio- nales a la elación en e capacidades y son muy u ilizados en el diseño de con e ido es analógicos-digi ales, espe- cialmen e los diseñados con una a qui ec u a en cascada que a pa i de aho a deno a emos “pipelined”. A iso: Se puede ealiza consul a p e is a po el a . 40.2.8 LP. ES 2 302 414 B2 Ven a de ascículos: O icina Española de Pa en es y Ma cas. Pº de la Cas ellana, 75 – 28071 Mad id 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 ES 2 302 414 B2 DESCRIPCIÓN Mé odo pa a la ealización de un ampli icado de condensado es conmu ados insensible a la elación en e las capacidades y al o se y ganancia de los ampli icado es. Obje o de la in ención La p esen e in ención de e ie e a un mé odo pa a la ealización de un ampli icado de ganancia igual a dos que, u ilizando écnicas de condensado es conmu ados, es insensible a la elación en e las capacidades y al o se y ganancia DC de los ampli icado es ope acionales. La in ención es á elacionada con los ci cui os de condensado es conmu ados, muy u ilizados en la implemen- ación analógica de ci cui os de p ocesado de señal. El mé odo encuen a aplicación en diseño de ampli icado es de condensado es conmu ados. Es e ipo de ampli icado es u ilizan ampli icado es ope acionales con ealimen ación ne- ga i a pa a consegui ganancias p opo cionales a la elación en e capacidades y son muy u ilizados en el diseño de con e ido es analógico-digi ales, especialmen e los diseñados con una a qui ec u a en cascada que a pa i de aho a deno a emos “pipelined”. An eceden es de la in ención La écnica de condensado es conmu ados es muy u ilizada pa a ealiza ci cui os analógicos de p ocesado de señal en iempo. Es os ci cui os de condensado es conmu ados se componen de condensado es, in e up o es y ampli ica- do es ope acionales o de ansconduc ancia. El ampli icado de esiduo de ganancia igual a dos es uno de los bloques cons uc i os más popula es ealizables con écnicas de condensado es conmu ados. El obje i o de es e ipo de ampli- icado es es mul iplica po dos la di e encia en e dos ensiones ( esiduo). El uncionamien o de un ampli icado de esiduo puede esumi se en la siguien e ó mula: Siendo Vou la ensión de salida, Vin la ensión de en ada y V e o a ensión de en ada que deno a emos como ensión de e e encia. Se le denomina esiduo la di e encia en e las ensiones: . La implemen ación adicional de un ampli icado de esiduo u iliza ampli icado es ope acionales en ealimen a- ción nega i a de o ma que la ganancia del ci cui o sea p opo cional a la elación en e dos capacidades. P incipalmen e, los ampli icado es de esiduo encuen an su aplicación en el diseño de con e ido es analógico- digi ales, especialmen e con a qui ec u a pipelined ( ambién en con e ido es de ap oximaciones sucesi as y algo í - micos), siendo la esolución alcanzable po el con e ido di ec amen e elacionada a la p ecisión en el alo de la ganancia del ampli icado de esiduo. Las p incipales no idealidades que limi an la p ecisión en la ganancia de un ampli icado de condensado es conmu ados son las siguien es: en p ime luga una des iación en la elación en e las capacidades que de inen la ganancia y en segundo luga las no idealidades del ampli icado ope acional u ilizado, p incipalmen e el o se y la ganancia DC ini a del mismo. Pa a asegu a un alo de ganancia del ampli icado de esiduo lo más ce cano posible al espe ado, el amaño de los condensado es cuya elación de e mina dicha ganancia debe se su icien emen e g ande pa a asegu a un alo de ganancia lo más ce cano posible al espe ado. Es e p oblema se ha con e ido el p incipal obs áculo pa a ealiza ci cui os de condensado es conmu ados de muy bajo consumo y al a p ecisión, debido a que la po encia consumida po los ci cui os de condensado es conmu ados es di ec amen e p opo cional al amaño de los condensado es. En los úl imos años han apa ecido nume osos ampli icado es de condensado es conmu ados que abo dan es os p oblemas desde dis in os en oques. En p ime luga , cabe des aca las écnicas de au o calib ación digi al, en la cuales se com- pensa digi almen e e o (Shang-Yuan (Sean) Chuang, Te y L. Sculley; “A Digi ally Sel -Calib a ing 14-bi 10MHz CMOS Pipelined ND Con e e ” IEEE Jou nal o Solid-S a e Ci cui s. Vo137, N 6, Junio 2002). Es as écnicas han demos ados se muy ap opiadas pa a ecnología CMOS, sin emba go la lógica de con ol y las memo ias necesa ias pa a su aplicación implican un aumen o impo an e en el consumo y á ea del ci cui o. En segundo luga se pueden des aca las écnicas de p omediado del e o (Bang-Sup Song; Tompse , M.F.; Lakshmikuma , K.R.; “A 12-bi 1- Msamplels capaci o e o -a e aging pipelined AID con e e ” IEEE Jou nal o Solid-S a e Ci cui s, Vol: 23, Iss: 6, Dec. 1988, Pages:1324-1333). Es e ipo de écnicas sólo ali ia el p oblema, educiendo la magni ud del e o pe o no eliminándolo. Po úl imo, es posible ealiza el ampli icado de condensado es conmu ados de o ma que su ganancia sea independien e a la elación en e las capacidades (“A CMOS a io-independen and gain-insensi i e algo i hmic analog- o-digi al con e e ”, Shu- Yuan Chin; Chung-Yu Wu; IEEE Jou nal o Solid-S a e Ci cui s, 1996). En es a úl ima ap oximación al p oblema podemos engloba la p esen e in ención. 2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 ES 2 302 414 B2 O a limi ación impo an e de la p ecisión de un ci cui o de condensado es conmu ados, es la ensión con inua de desequilib io a la en ada de los ampli icado es ope acionales (que a pa i de aho a llama emos “o se ”), que in oduce un e o a la salida del ampli icado de condensado es conmu ados. Es e p oblema obliga a u iliza cos osas écnicas de cancelación del o se . En es e sen ido cabe ci a las pa en es es adounidenses 4393351 y 5880630. Po úl imo, el hecho de que la ganancia en bucle abie o del ampli icado ope acional no sea in ini a p oduce una des iación en el alo espe ado de la ganancia del ampli icado de condensado es conmu ados. Es e p oblema obliga a u iliza écnicas de “gain boos ing” en el diseño del ampli icado ope acional (“A 14-b 12-MS/s CMOS pipeline ADC wi h o e 100-dB SFDR”, Yun Chiu; G ay, P.R.; Nikolic, B.; IEEE Jou nal o Solid-S a e Ci cui s, 2004) o écnicas especiales de mues eo doblemen e co elacionado (“A 1.8-V 67-mW 10-bi 100MS/s Pipelined ADC Using Time-Shi ed CDS Technique” J. Li y o os, IEEE JSSC, 2004). Ambas soluciones ali ian el p oblema sin esol e lo comple amen e. Además aumen an conside ablemen e la complejidad del ci cui o y limi an su espues a en ecuencia. La p esen e in ención p opone un ampli icado esiduo cuya ganancia es igual a 2 independien emen e de la e- lación en e capacidades y de la ganancia y o se de los ampli icado es ope acionales, pe mi iendo la u ilización de condensado es de pequeño alo y a qui ec u as muy sencillas del ampli icado ope acional. Es a simpli icación de los bloques cons uc i os del ci cui o de condensado es conmu ados p oduce una educción conside able del consumo y mejo a la espues a dinámica. Desc ipción de la in ención El mé odo que la in ención p opone consis e en la u ilización de cua o ases de eloj y un ampli icado ope acional (o de ansconduc ancia) pa a implemen a un ampli icado de esiduo cuya ganancia sea insensible a la elación en e capacidades y las p incipales no idealidades del ampli icado ope acional. En el p esen e apa ado sólo se ealiza á un b e e esumen del uncionamien o del ci cui o, que se á ampliado pos e io men e. La ope ación del ci cui o en las cua o ases de eloj es á di idida de la siguien e o ma: Fase 1: Se almacena una es imación el e o debido a la ganancia y o se del ampli icado ope acional. Fase 2: Se ans ie e una ca ga igual a 2C1Vin a el condensado C2, u ilizando el e o almacenado en la ase an e io pa a compensa el e o debido a la ganancia ini a y el o se del ampli icado . Fase 3: Po un lado se ealiza una nue a es imación del e o debido a la ganancia y o se del ampli icado ope acional y po o o se almacena una ca ga igual a C1V e en el condensado C1. Fase 4: Se ans ie e la ca ga 2C1Vin del condensado C2a C1. Se u iliza el e o almacenado en la ase an e io pa a consegui una ensión de salida igual a 2 ·Vin - V e independien emen e de la elación en e capacidades y el o se y ganancia de los ampli icado es ope acionales. La in ención p opues a iene la en aja de pe mi i el uso de ampli icado es ope acionales con a qui ec u as muy simples (de baja ganancia) y condensado es de muy pequeño alo . En consecuencia, se puede educi de o ma impo an e el consumo del ci cui o de condensado es conmu ados y aumen a su elocidad. Desc ipción de los dibujos Pa a complemen a la desc ipción que se es á ealizando y con obje o de ayuda a una mejo comp ensión de las ca ac e ís icas del in en o, de acue do con un ejemplo p e e en e de ealización p ác ica del mismo, se acompaña como pa e in eg an e de dicha desc ipción un juego de dibujos en donde, con ca ác e ilus a i o y no limi a i o, se ha ep esen ado lo siguien e: La igu a 1.- mues a el esquema del ci cui o de condensado es conmu ados compues o po cua o ases de eloj y un ampli icado ope acional que ilus a el mé odo p opues o. Po simplicidad se ha ep esen ado sólo la e sión que u iliza un ampli icado ope acional con e minación simple, siendo su uncionamien o equi alen e al de su e sión comple amen e di e encial. La igu a 2.- mues a un diag ama empo al de las cua o ases de eloj. La igu a 3.- mues a, pa a una mejo comp ensión del mé odo p opues o en la igu a 1, la con igu ación del ci cui o pa a las cua o ases de eloj. La igu a 4.- mues a la posible aplicación de la in ención en el diseño de un con e ido analógico digi al con a qui ec u a pipelined. La igu a 5.- mues a un diag ama empo al de las ases de eloj necesa ias pa a el ci cui o de la igu a 4. 3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 ES 2 302 414 B2 Realización p e e en e de la in ención En la igu a 1 se mues a la ealización p e e en e de la in ención en un ci cui o de e minación simple. Todos los condensado es que apa ecen en la a qui ec u a se asumen del mismo alo po simplicidad en el azonamien o, si bien, el uncionamien o co ec o de la in ención no exige que dichos alo es sean idén icos. En el esquema se puede obse a la exis encia de cua o ases de eloj no solapadas (φ1,φ2,φ3, y φ4) u ilizadas pa a gobe na la conmu ación de los in e up o es. En la igu a 2 se mues a un diag ama empo al que ilus a la o ma de onda de dichas ases de eloj. Pa a una mejo comp ensión de la in ención, en la igu a 3 se mues a la opología del ci cui o pa a cada una de las ases de eloj. A con inuación de explica á de alladamen e las ope aciones ealizadas en cada una de ellas. En la p ime a ase se almacena á una es imación del e o debido a la ganancia y el o se del ampli icado ope a- cional en el condensado C5. Pa a ello se ans ie e una ca ga de ap oximadamen e -(C3+ C’3) Vin en el condensado C4, esul ando una ensión de salida de ap oximadamen e Vou = 2Vin. Se puede comp oba , suponiendo odos los con- densado es del mismo alo y pe ec amen e apa eadas, que la ensión almacenada (Ve 1) en capacidad C5al inal de la p ime a ase ale: Donde, A es la ganancia DC del ampli icado ope acional y Vo la ensión de o se equi alen e a su en ada (pa a ealiza la ap oximación de la ecuación 1.2 se ha supues o un alo de A lo su icien emen e g ande, es deci , A>>3). Simul áneamen e se in oduce una ca ga de C1Vin en el condensado C1. Nó ese que, aunque en una implemen ación comple amen e di e encial dispone de la señal de en ada y su nega- da simul áneamen e no supone ningún p oblema, es e p oblema puede soluciona se ácilmen e. Se puede almacena -C1Vin (en luga de C1Vin) en el condensado C1siemp e que se in ie a la pola idad del mismo en e las ases p ime a y segunda. En la segunda ase se si úa el condensado C5en se ie con la en ada del ampli icado ope acional, o zando que la ensión en el nodo A sea igual a ie a. Debido a la ca ga de C1que se p oduce du an e es a ase se almacena á una ca ga en C2de: Es a ca ga se man end á en el condensado C2has a la úl ima ase del p oceso. En la e ce a ase se almacena de nue o una es imación del e o p oducido po el ampli icado ope acional en el condensado C5. Si conside amos odos los condensado es pe ec amen e apa eadas se puede comp oba que la ensión del e o almacenado en C5es equi alen e a: Nó ese que se puede consegui el mismo e ec o almacenando p e iamen e Vin en C3y C3’ en la ase an e io y desca gándolas comple amen e sob e el condensado C4. De es a o ma no se ía necesa io ene disponible la señal de en ada du an e es a ase de eloj. Pa alelamen e, en la ase 3, se ans ie e la ca ga -V e C1al condensado C1. En la ase 4 se ans ie e oda la ca ga almacenada en C2(es deci 2VinC1) al condensado C1. El posible e o debido a la ganancia y o se del ampli icado ope acional es compensado conec ando C5en se ie con la en ada del ampli icado , ob eniéndose una ensión igual a ce o en el nodo A. La ca ga inal almacenada en C1es ap oximadamen e igual a: 4 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 ES 2 302 414 B2 Po an o, la ensión de salida se á igual a: O a p opiedad muy impo an e del ampli icado de esiduo p esen ado adica en que su ganancia es independien e de la elación en e dos capacidades. Es o se debe a que la señal de en ada (Vin) y la de e e encia (V e ) son mues ea- das en la misma capacidad (C1), y además, es a misma capacidad es u ilizada pa a ans e i el esul ado a la salida en la úl ima ase de eloj. La p incipal aplicación de los ampli icado es de esiduo la encon amos en el diseño de con e ido es analógico digi ales con a qui ec u a pipelined. Es e ipo de con e ido es consis e en una cascada de di e en es e apas, cada una de ellas compues a po un con e ido analógico-digi al de baja esolución, un con e ido digi al-analógico de baja esolución y un ampli icado de esiduo. En la igu a 4 se mues a una posible u ilización de la in ención p opues a en el diseño de un con e ido analógico- digi al con a qui ec u a pipelined. Dicha ealización pe mi e mues ea la señal de en ada una de cada es ases de eloj en luga de una de cada cua o, inc emen ando así la elocidad de mues eo del con e ido . No a que pa a el co ec o uncionamien o del ampli icado de esiduo de la igu a 1 la señal de en ada debe es a disponible en las es p ime as ases de eloj, siendo po an o necesa ia la u ilización de un ci cui o de mues eo y e ención p e io pa a cada una de las e apas. Po o o lado, en la úl ima ase de eloj no se u iliza la señal de en ada. Es a ca ac e ís ica hace posible, u ilizando adecuadamen e las ases de eloj, la implemen ación simul ánea del ci cui o de mues eo y e ención y del ampli icado de esiduo u ilizando dos ampli icado es ope acionales como se explica á a con inuación. En la igu a 4 se han duplicado odas la e apas de con e ido , di idiendo las di e en es e apas en e apas ipo A y ipo B (en unción de las ases de eloj u ilizadas. Ve igu a 5). Dicha di isión se ha ealizado con obje o de elimina la necesidad del ci cui o de mues eo y e ención a la en ada de cada e apa, ya que las e apas ipo B man end án el esul ado el iempo necesa io pa a el co ec o uncionamien o de las e apas ipos A y ice e sa. De es a o ma, debido a que la elección adecuada de las ases de eloj, sólo es necesa io un ci cui o de mues eo y e ención a la en ada del con e ido analógico digi al. En la igu a 5 se mues a el diag ama empo al de las di e en es ases de eloj u ilizadas. La E apa 1A necesi a la señal de en ada es able en las ases 1a, 2a y 3a y se man iene la señal de salida du an e la ase 4a, que se co esponde con las ases 1b, 2b y 3b en que la e apa siguien e mues ea su en ada. 5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 ES 2 302 414 B2 REIVINDICACIONES 1. Mé odo pa a la implemen ación de un ampli icado de condensado es conmu ados cuya ganancia es indepen- dien e de la elación en e las capacidades y a la ganancia y o se del ampli icado ope acional u ilizado. El mé odo es á ca ac e izado po la u ilización de cua o ases de eloj, de o ma que el e o debido a la ganancia ini a y el o se del ampli icado ope acional es almacenado en las ases de eloj p ime a y e ce a pa a su pos e io cancelación. Además se u iliza un solo condensado pa a el mues ea dos eces la señal de en ada (Vin ) y una ez la señal de e e encia (V e ). Pos e io men e se ans ie e la señal a la salida median e es a misma capacidad, eliminando de es a o ma cualquie dependencia de la ganancia del ampli icado de esiduo con la elación en e dos capacidades. 2. Ampli icado de condensado es conmu ados pa a la pues a en p ác ica del mé odo de la ei indicación 1. Di- cho ci cui o es á compues o po un ampli icado ope acional y a ios condensado es. Uno de los condensado es se u iliza pa a almacena el e o debido a las no-idealidades del ampli icado ope acional. Dicho ampli icado se ha ep esen ado, con ca ác e ilus a i o y no limi a i o, sólo en su e sión con e minación simple. 3. Mé odo pa a u iliza la in ención de la ei indicación 1 en el diseño de con e ido es analógico digi ales con a qui ec u a pipelined. Es e mé odo se mues a en las igu as 4 y 5, y pe mi e elimina la necesidad de un ci cui o de mues eo y e ención y aumen a la ecuencia de mues eo del con e ido . 6 ES 2 302 414 B2 7 ES 2 302 414 B2 8 ES 2 302 414 B2 9