MÉTODO PARA LA REALIZACIÓN DE UN AMPLIFICADOR DE CAPACIDADES CONMUTADAS INSENSIBLE A LA RELACIÓN ENTRE LAS CAPACIDADES Y AL OFFSET DE LOS AMPLIFICADORES

D E S C R I P C I Ó N

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un método para Ia realización de un amplificador que, utilizando técnicas de capacidades conmutadas, es insensible a Ia relación entre las capacidades y al offset de los amplificadores operacionales. El método consiste en utilizar cuatro fases de reloj y dos amplificadores operacionales en un circuito de capacidades conmutadas, de forma que, tras las dos primeras fases de reloj se almacene una estimación del error producido por el desapareamiento entre capacidades. Posteriormente, en las dos fases de reloj restantes, se realimenta dicho error para realizar una amplificación con ganancia independiente de Ia relación entre capacidades y el offset de los amplificadores operacionales. El circuito propuesto para Ia implementación de Ia invención consta de dos amplificadores operacionales (o de transconductacia) y tres condensadores, de forma que uno de ellos se utiliza para el almacenamiento del error. El método propuesto permite liberar un amplificador operacional en fases de reloj no consecutivas y realizar el muestreo y retención de Ia señal de entrada sin aumento del consumo de potencia. La invención está relacionada con los circuitos de capacidades conmutadas, muy utilizados en Ia realización de filtros en tiempo discreto y convertidores analógicos digitales. El método encuentra aplicación en diseño de convertidores analógicos digitales basados en Ia arquitectura pipelined.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Una de las técnicas más habituales para realizar circuitos analógicos de procesado de señal en tecnología CMOS es mediante el uso de capacidades conmutadas. Estos circuitos se componen de condensadores, interruptores y

amplificadores operacionales o de transconductancia. Entre los posibles bloques constructivos realizables con Ia técnica de capacidades conmutadas, uno de los más populares es un amplificador de ganancia controlada de forma precisa por Ia relación entre dos capacidades. La potencia consumida por estos circuitos es directamente proporcional al tamaño de las capacidades. Sin embargo, en determinadas aplicaciones (como el diseño de convertidores analógico-digitales) donde Ia relación entre las capacidades debe ser muy precisa, el tamaño de dichas capacidades debe ser suficientemente grande como para asegurar que Ia relación entre ellas toma un valor Io más cercano posible al valor esperado.=Esta razón se ha convertido en el principal obstáculo para realizar circuitos de capacidades conmutadas de muy bajo consumo y alta precisión.

Por otro lado, el offset de los amplificadores operacionales limita Ia resolución de circuito de capacidades conmutadas, obligando a Ia utilización de costosas técnicas de cancelación del offset. En este sentido cabe citar las patentes estadounidenses 4393351 y 5880630.

En los últimos años han aparecido numerosos amplificadores de capacidades conmutadas que abordan estos problemas desde distintos enfoques. En primer lugar, se pueden destacar las técnicas de auto calibración digital, en Ia cuales se compensa digitalmente el desapareamiento entre capacidades (error en el valor esperado para Ia relación entre dos capacidades) (Shang-Yuan (Sean) Chuang, Terry L. Sculley; "A Digitally Self-Calibrating 14-bit 10MHz CMOS Pipelined A/D Converter" IEEE Journal of Solid-State Circuits. Vol37, N 6, Junio 2002). La lógica de control y las memorias necesarias para Ia aplicación de estas técnicas implican un aumento importante en el consumo y área del circuito. En segundo lugar cabe destacar las técnicas de promediado del error (Bang-Sup Song; Tompsett, M.F.; Lakshmikumar, K.R.; "A 12-bit 1-Msample/s capacitor error-averaging pipelined A/D converter" IEEE Journal of Solid-State Circuits, VoI: 23 , Iss: 6 , Diciembre 1988, Páginas: 1324 - 1333). Este tipo de técnicas sólo alivia el problema, reduciendo Ia magnitud del error sin eliminarlo. Por último, es posible realizar el amplificador de capacidades conmutadas de forma que su ganancia sea independiente a Ia relación entre las capacidades. En esta última aproximación al problema podemos englobar Ia presente invención. Estas técnicas permiten reducir el tamaño de las capacidades utilizadas y consecuentemente Ia potencia consumida.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El método que Ia invención propone consiste Ia utilización de cuatro fases de reloj y dos amplificadores operacionales (o de transconductancia) para implementar un amplificador de ganancia dos insensible a Ia relación entre capacidades. Uno de los amplificadores operacionales realiza Ia función amplificadora, mientras que el otro, además de realizar el muestreo y retención, implementa Ia técnica propuesta. La operación del circuito en las cuatro fases de reloj está dividida de Ia siguiente forma: En Ia primera fase se realiza el muestreo de Ia señal de entrada y Ia inicialización del circuito. En Ia segunda almacena (para su posterior cancelación) el error debido al desapareamiento entre capacidades y el offset de los amplificadores. En Ia tercera se vuelve a muestrear Ia señal de entrada. Y por último, en Ia cuarta fase se realiza Ia amplificación y se utilizan los errores almacenados para realizar Ia cancelación. La invención propuesta tiene Ia ventaja de no necesitar el primer amplificador operacional durante las fases impares de reloj, haciendo posible Ia utilización del amplificador para otros propósitos con el consiguiente ahorro de energía.