CN101166016A

CN101166016A - 比率独立的开关电容放大器和其操作方法

Info

Publication number: CN101166016A
Application number: CNA2007101944180A
Authority: CN
Inventors: 林承贤; 李廷桓; 韩囝熙; 咸锡宪
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2027-10-22
Also published as: CN101166016B; KR100888031B1; KR20080035910A; JP5108449B2; TWI407684B; JP2008104197A; US20080094140A1; US7629838B2; TW200832890A

Abstract

一种比率独立的开关电容放大器包括：用于采集第一输入电压作为第一采样电压和在第一输入电压被切断的时间间隔内使第一采样电压的电平变为双倍的第一采样电路；用于采集第二输入电压作为第二采样电压和在第二输入电压被切断的时间间隔内使第二采样电压的电平变为双倍的第二采样电路；以及用于输出第一采样电压和第二采样电压之间的差值的差分放大器电路。

Description

比率独立的开关电容放大器和其操作方法

技术领域

本发明涉及开关电容(SC)放大器，尤其是，涉及能高速操作的比率独立的SC放大器。

背景技术

比率独立的放大器用于双倍放大(即，以增益2进行放大)两个输入信号之间的差值，而不考虑不匹配的电容比。例如，一个传统的SC放大器中的两个电容器可被设计为具有一比一的比率。然而，由于器件的公差存在误差，实现精确的一比一的电容比是困难的。结果，传统的SC放大器不可能输出具有精确增益的放大信号。因此，比率独立的SC放大器的方案提供能不考虑器件公差输出具有双倍增益的放大信号的电路。

比率独立的开关电容放大器可用于需要具有双倍增益的放大器的电路中。例如，通常，循环模拟-数字转换器和/或流线模拟-数字转换器可能包含放大器电路。循环模拟-数字转换器和/或流线模拟-数字转换器可能用到比率独立的开关电容放大器来双倍放大输入信号之间的差值。

传统的比率独立的开关电容放大器可包含运算放大器、电容器和反馈电容器。尽管在附图中没有显示，但是，电容器连接在运算放大器的反相端，反馈电容器连接在放大器的输出端以形成反馈回路。

在第一阶段，比率独立的开关电容放大器在采样电容器上采集/加载(charge)输入电压，并在第二阶段释放采样电容器上加载的电压(或电荷)到反馈电容器。即，在第二阶段，储存在采样电容器上的电荷被送到反馈电容器。然后，在第三阶段输入电压再次向采样电容器充电，并在第四阶段将储存在采样电容器上的电荷释放到反馈电容器。按照上述的方法步骤，比率独立的开关电容放大器可以在一个电容器中存储双倍的基于输入电压的电荷，结果在该电容器上可具有双倍的电荷增益。

比率独立的开关电容放大器可需要四个操作阶段，包括两个采样阶段以获得双倍增益。因此，传统的方法步骤有一个缺点，即它可能不适用于需要高速放大运算的应用。

发明内容

本发明的一些实施例提供了比率独立的开关电容放大器，其包括：用于采集第一输入电压作为第一采样电压和在第一输入电压被切断的时间间隔内使第一采样电压的电平变为双倍的第一采样电路；用于采集第二输入电压作为第二采样电压和在第二输入电压被切断的时间间隔内使第二采样电压的电平变为双倍的第二采样电路；用于输出双倍的第一采样电压和双倍的第二采样电压之间的差值的差分放大器电路。

根据本发明进一步的实施例，一种操作比率独立的开关电容放大器的方法包括：采集第一输入电压作为第一采样电压；采集第二输入电压作为第二采样电压；在第一输入电压被切断的时间间隔内使第一采样电压的电平变为双倍；在第二输入电压被切断的时间间隔内使第二采样电压的电平变为双倍；和输出第一采样电压和第二采样电压之间的差值。

本发明的另一个进一步的实施例提供了操作比率独立的开关电容放大器的方法，其包括：采集第一输入电压作为第一采样电压和第一反相电压；采集第二输入电压作为第二采样电压和第二反相电压；在第一输入电压被切断的时间间隔内反馈第一反相电压以使第一采样电压的电平变为双倍；在第二输入电压被切断的时间间隔内反馈第二反相电压以使第二采样电压的电平变为双倍；和输出第一采样电压和第二采样电压之间的差值。

附图说明

包含的附图用于对本发明更进一步的理解，与本申请合为一体并构成了本申请的一部分，阐明了本发明的特定实施例。在附图中：

图1是根据本发明的一些实施例的比率独立的开关电容放大器的电路图。

图2是图1中所示的比率独立的开关电容放大器的时序图。

图3是用于描述图1中所示的比率独立的开关电容放大器的第一采样操作的开关状态的图。

图3A是图3中的电路的等效电路图。

图4是用于描述图1中所示的比率独立的开关电容放大器的第一放大操作的开关状态的图。

图4A是图4中的电路的等效电路图。

图5是用于描述图1中所示的比率独立的开关电容放大器的第二采样操作的开关状态的图。

图5A是与图5中的电路的等效电路图。

图6是用于描述图1中所示的比率独立的开关电容放大器的第二放大操作的开关状态的图。

图6A是与图6中的电路的等效电路图。

具体实施方式

现在参照显示了本发明的具体实施例的附图将在下文中更全面地描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的方式实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制到这里所述的实施例。更合适地，提供这些实施例从而使本公开彻底和完整，全面地向本领域技术人员表达本发明的范围。类似的标记始终表示类似的元件。

可以理解的是，尽管这里的术语第一、第二等可用于表述不同的元件，但是这些元件并不受这些术语的限制。这些术语仅仅用于将一个元件与另一个元件区别开。例如，在不背离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，而，类似地，第二元件能被称为第一元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个所列关联项的任意和所有组合。

这里使用术语的目的仅仅是为了描述特定实施例，而不是限制本发明。这里使用的单数形式“一”，“一个”和“这个”意欲包含复数形式，除非上下文中已经另外清楚地说明。更进一步地理解，这里采用的术语“包含”、“包括”、“由......组成”和/或“由......构成”说明了所述的特征、整数、步骤、运算、元件和/或组件的存在，但是不排除其中存在或附加一个或多个其他的特征、整数、步骤、运算、元件、组件和/或组。

除非另有说明，这里采用的所有的术语(包括技术术语和科学术语)具有本发明所属领域的普通技术人员公知的含义。更进一步地理解，这里采用的术语应该被解释为在本说明书的内容中的含义与相应领域的含义一致，除非这里特别地说明，不被解释为一个理想的或极端形式的含义。

参照图1，根据本发明的一些实施例的比率独立的开关电容放大器100可包含差分放大器电路10、第一采样电路20、和第二采样电路30。

第一采样电路20可包含第一采样部分201、第二采样部分202、和第一反馈部分203，该第二采样电路30可包含第三采样部分301、第四采样部分302、和第二反馈部分303。第一和第二采样部分201和202分别由输入电压V_INP激活并与地电压GND连接。第三和第四采样部分301和302分别由输入电压V_INM激活并与地电压GND连接。输入电压V_INP和V_INM可具有相同的幅值和不同的相位。

第一采样部分201包含第一采样电容器C1A(以下，简称为采样电容器)以及开关SA、S1A和S2B，第三采样部分301可包含第三采样电容器C1A’(以下，简称为采样电容器)以及开关SA’、S1A’和S2B’。第二采样部分202可包含第二采样电容器C1B(以下，简称为采样电容器)以及开关SB、S1B和S2A，第四采样部分302可包含第四采样电容器C1B’(以下，简称为采样电容器)以及开关SB’、S1B’和S2A’。

第一反馈部分203可包含第一反馈电容器C2(以下，简称为反馈电容器)以及开关S1和S2，第二反馈部分303可包含第二反馈电容器C2’(以下，简称为反馈电容器)以及开关S1’和S2’。

第一和第二采样电路20和30中的电容器C1A、C1A’、C1B、C1B’、C2和C2’可具有同样的电容量。

第一和第二采样电路20和30分别响应于输入电压V_INP和V_INM同时操作。因此，第一和第三采样部分201和301、第二和第四采样部分202和302、以及第一和第二反馈部分203和303分别同时操作。由于第一和第二采样电路20和30同时操作，开关S1、S2、SA、SB、S1A、S1B、S2A和S2B分别与开关S1’、S2’、SA’、SB’、S1A’、S1B’、S2A’和S2B’相对应操作。具体地，开关S 1和S1’、开关S2和S2’、开关SA和SA’、开关SB和SB’、开关S1A和S1A’、开关S1B和S1B’、开关S2A和S2A’、以及开关S2B和S2B’分别同时操作。

当第一和第三采样部分201和301分别响应于相应的输入电压V_INP和V_INM被激活时，第二和第四采样部分202和302被去激活。当第一和第三采样部分201和301分别被输入电压V_INP和V_INM激活时，它们采样相应的输入电压V_INP和V_INM。与此同时，在第一和第二反馈部分203和303中感应出电荷。感应的电荷与第一和第三采样部分201和301中所充的电荷数量相等，且具有相对于第一和第三采样部分201和301中的电荷相反的极性。相应于各自的采样部分201和301中的电荷的电压作为第一采样电压，相应于各自的反馈部分203和303中的电荷的电压作为第一反相电压。

然后，输入电压V_INP和V_INM被切断，存储在各自的第一和第二反馈部分203和303中的电荷被分别释放到第一和第三采样部分201和301。与此同时，不执行采样操作的第二和第四采样部分202和302可分别释放其中存储的任何电荷(例如，来自上一个采样操作的电荷)到地电压GND。

因此，依靠第一和第二反馈部分203和303提供的电荷，相应于输入电压V_INP和V_INM的双倍数量的电荷被分别加载到第一和第三采样部分201和301。因此使第一采样电压变为双倍。

差分放大器电路10可通过它的同相和反相输出端(+，-)输出第一和第三采样部分201和301的电压之间的差值。此时，来自差分放大器电路10的电压与输入电压V_INP和V_INM的差值比较是双倍的。即，比率独立的开关电容放大器100使输入电压之间的差值双倍放大并分别通过同相和反相端输出放大信号。因此，比率独立的开关电容放大器100可具有双倍的增益。由差分放大器电路10的同相和反相端产生的信号V_OP和V_OM可具有相同的幅值和不同的相位。

第一和第三采样部分201、301采集完输入电压之后，第二和第四采样部分202和302响应于相应的输入电压V_INP和V_INM分别被激活，第一和第三采样部分201和301被去激活。分别由输入电压V_INP和V_INM激活的第二和第四采样部分202和302采集相应的输入电压V_INP和V_INM。与此同时，电荷被感应到第一和第二反馈部分203和303。感应到第一和第二反馈部分203、303的电荷与加载到第二和第四采样部分202和302的电荷数量相同、极性相反。与各自的采样部分202和302的电荷相应的电压被称为第二采样电压，与各自的反馈部分203和303的电荷相应的电压被称为第二反相电压。

随后，切断输入电压V_INP和V_INM，第一和第二反馈部分203和303中相应的电荷分别被释放到第二和第四采样部分202和302。因此，相对于输入电压V_INP和V_INM的双倍数量的电荷被分别加载到第二和第四采样部分202和302。第二采样电压因此而被变为双倍。与此同时，被去激活的采样部分201和301可分别释放其中存储的任何电荷到地电压GND。

差分放大器电路10可通过它的同相和反相输出端(+，-)输出第二和第四采样部分202和302的电压之间的差值。此时，差分放大器电路10的电压与输入电压V_INP和V_INM的差值比较是双倍的。即，比率独立的开关电容放大器100使得输入电压之间的差值双倍放大并分别通过同相和反相输出端输出放大的信号。因此，比率独立的开关电容放大器100可具有双倍的增益。差分放大器电路10的同相和反相端的信号V_OP和V_OM可具有相同的幅值和不同的相位。

如上所述，根据本发明的实施例的比率独立的开关电容放大器100可响应于第一和第二输入电压并可通过第一和第三采样部分201和301以及第一和第二反馈部分203和303执行第一采样操作和第一放大操作从而获得双倍的增益。被去激活的采样电路202和302中储存的电荷在第一放大操作中可被释放到地电压GND。随后，比率独立的开关电容放大器100响应于第一和第二输入电压并通过第二和第四采样电路202和302以及第一和第二反馈部分203和303执行第二采样操作和第二放大操作从而获得双倍的增益。被去激活的采样电路201和301中储存的电荷可在第二放大操作中被释放到地电压GND。然后比率独立的开关电容放大器100可重复上述的第一、第二采样和放大操作。

因此，比率独立的开关电容放大器100可设置为在一个采样阶段和一个放大阶段使输入信号/电压之间的差值双倍放大。比率独立的开关电容放大器100通过一个采样阶段和一个放大阶段来双倍放大输入电压/信号之间的差值。这意味着根据本发明实施例的比率独立的开关电容放大器100能够仅仅通过两个阶段(一个采样阶段和一个放大阶段)更高速地处理输入信号。

以下，参照图2到6A描述根据本发明的一些实施例的比率独立的开关电容放大器的详细操作过程。

图2是图1所示的比率独立的开关电容放大器的时序图。图3是用于描述图1中所示的比率独立的开关电容放大器的第一采样操作的开关状态的图。图3A是图3中所示电路的等效电路图。参照图2、3和3A更全面地描述比率独立的开关电容放大器的第一采样操作。

设在图2所示的时间间隔A执行采样操作，比率独立的开关电容放大器100的开关S1、S1A和SA是闭合的(即，接通)，而开关S2、SB、S1B、S2A和S2B是开路的(即，切断)。因此，第一采样部分201中的采样电容器C1A的一端通过开关S1A连接到输入电压V_INP，而其另一端通过开关SA连接到差分放大器电路10的反相输入端。采样电容器C1A的另一端通过开关SA和S1连接到第一反馈部分203中的反馈电容器C2的一端。

第一反馈部分203中的开关S1分别连接到反馈电容器C2的两端。反馈电容器C2的一端连接到差分放大器电路10的反相输入端，而反馈电容器C2的另一端通过开关S1连接到差分放大器电路10的同相输出端。即反馈回路通过反馈电容器C2形成，而节点(即，同相输入端)变为虚地点。

采用这样的构造，当第一采样部分201响应于输入电压V_INP而被激活时，相应于输入电压V_INP的电荷Q1被加载到第一采样部分201中的采样电容器C1A上，而第一反馈部分203中的反馈电容器C2被充有与采样电容器C1A上的电荷的极性相反的感应电荷。第一反馈部分203中的反馈电容器C2上的感应电荷归因于第一采样部分201中的采样电容器C1A上的电荷Q1，使得反馈电容器C2通过输入电压V_INP被加载了与采样电容器C1A上的Q1数量相等的电荷Q2。

如果输入电压V_INP是正电压，第一采样部分201中的加载了电荷Q1的采样电容器C1A的一端变成正的，而采样电容器C1A的另一端变成负的。由于电容器C1A的另一端变成负的，第二反馈电容器C2的另一端变成正的，即，与采样电容器C1A的另一端的极性相反。由于第一反馈部分203中反馈电容器C2的另一端变成正的，反馈电容器C2的一端变成负的。因此，第一采样部分201中的采样电容器C1A上的电荷在数量上与第一反馈部分203的反馈电容器C2上的相等而具有相反的极性。

第一和第三采样部分201和301、第二和第四采样部分202和302、第一和第二反馈部分203和303分别同时操作。因此，在比率独立的开关电容放大器100的第一采样操作中，开关S1’、S1A’和SA’是闭合的(即，接通)，而开关S2’、SB’、S1B’、S2A’和S2B’是开路的(即，切断)。

第一采样部分301中的采样电容C1A’和第二反馈部分303的反馈电容器C2’的、根据输入电压V_INM的响应于第二采样电路30中的开关S1’、S2’、SA’、SB’、S1A’、S1B’、S2A’和S2B’的接通/切断状态的充电操作与采样电容器C1A和反馈电容器C2的根据输入电压V_INP的响应于第一采样电路20中的开关S1、S2、SA、SB、S1A、S1B、S2A和S2B的接通/切断状态的充电操作相似。然而，由于输入电压V_INP和V_INM具有相同的幅值和相反的极性，当输入电压V_INP是正的时，输入电压V_INM是负的。如果输入电压V_INM是负的，加载了电荷Q1的第三采样部分301中的采样电容器C1A’的一端变成负的，而另一端变成正的。由于电容器C1A’的另一端是正的，第二反馈部分303中的第二反馈电容器C2’的另一端与采样电容器C1A’的另一端的极性相反，变成负的。由于第二反馈部分303中的反馈电容器C2’的另一端变成负的，反馈电容器C2’的一端变成正的。

因此，第三采样部分301中的采样电容器C1A’被加载了相应于输入电压V_INM的电荷Q1，而第二反馈部分303中的反馈电容器C2’被加载了极性与采样电容器C1A’上的电荷Q1相反的电荷Q2，电荷Q2在数量上与采样电容器C1A’上的电荷Q1相等。

图4是用于描述图1中所示的比率独立的开关电容放大器的第一放大操作的开关状态的图。图4A是图4中的电路的等效电路图。参照图2、4和4A更全面地描述比率独立的开关电容放大器的第一放大操作。

设在图2所示的时间间隔A执行放大操作，开关S2、S2A和SA是闭合的(即，接通)，而开关S1、SB、S1A、S2B和S1B是开路的(即，切断)。

因此，第一反馈部分203中的两个开关S2分别连接到第二反馈电容器C2的两端。第二反馈电容器C2的一端通过开关S2与差分放大器电路10的反相输入端连接，而第二反馈电容器C2的另一端通过开关S2与地电压GND连接。第二反馈电容器C2的所述一端通过开关S2和SA与第一采样部分201中的第一采样电容器C1A的另一端连接。由于第一采样电容器C1A的一端通过开关S2A与同相输出端连接而第一采样电容器C1A的另一端通过开关SA与差分放大器电路10的反相输入端连接，差分放大器电路10通过第一采样电容器C1A形成了反馈回路。这时，第二采样部分202中的两个开关S2A分别连接到采样电容器C1B的两端，而采样电容器C1B的两端分别通过开关S2A与地电压GND连接。

在第一放大操作中，第一采样部分201的第一采样电容器C1A被加载了与第一反馈部分203的第二反馈电容器C2相比数量相等而极性相反的电荷。设输入电压V_INP是正的，第一采样部分201中的第一采样电容器C1A的一端是正的而另一端是负的。因此，第一反馈部分203中的第二反馈电容器C2的另一端被加载正电荷，即，与第一采样电容器C1A的另一端的电荷极性相反，而第二反馈电容器C2的一端是负的。这样，在比率独立的开关电容放大器100的第一放大操作中，在第二反馈电容器C2的另一端的正电荷通过开关S2被释放到地电压GND。由于在第二反馈电容器C2的另一端的正电荷通过开关S2被释放到了地电压GND，第二反馈电容器C2的一端的负电荷通过开关S2和SA被释放到第一采样部分201的第一采样电容器C1A上。即，第二反馈电容器C2的一端上的负电荷通过开关S2和SA被转移到了第一采样部分201的第一采样电容器C1A上。由于第一采样电容器C1A由第二反馈电容器C2提供负电荷，第一采样电容器C1A上的电荷(Q1+Q2)与在比率独立的开关电容放大器100的第一采样操作中的第一采样电容器C1A上的电荷Q1相比较是双倍的。

第一和第三采样部分201和301、第二和第四采样部分202和302、以及第一和第二反馈部分203和303分别同时运行。因此，在比率独立的开关电容放大器100的第一放大操作中，第二采样电路30中的开关S2’、S2A’和SA’是闭合的(即，接通)，而开关S1’、SB’、S1A’、S2B’和S1B’是打开的(即，切断)。

尽管相位相反，但根据第二采样电路30中的开关S1’、S2’、SA’、SB’、S1A’、S1B’、S2A’和S2B’的接通/切断的状态由第二反馈部分303中的反馈电容器C2’释放的电荷被加载到第三采样部分301中的采样电容器C1A’上的这样的操作相似于根据第一采样电路20中的开关S1、S2、SA、SB、S1A、S1B、S2A和S2B的接通/切断的状态由第一反馈部分203中的反馈电容器C2释放的电荷被加载到第一采样部分201中的采样电容器C1A上的操作。

因此，由于第三采样部分301中的采样电容器C1A’被加载了由第二反馈部分303中的反馈电容器C2’释放的电荷Q2’，第二采样部分301中的采样电容器C1A’上的电荷(Q1’+Q2’)与在比率独立的开关电容放大器100的第一采样操作中的第二采样部分301中的采样电容器C1A’上的电荷Q1’相比是双倍的。

结果，比率独立的开关电容放大器100的第一放大操作中的采样电容器C1A和C1A’上的电荷数量与比率独立的开关电容放大器100的第一采样操作中的采样电容器C1A和C1A’上的电荷数量相比是双倍的。

在比率独立的开关电容放大器100的第一放大操作中，差分放大器电路10的反相输入端和同相输出端通过第一采样部分201中的采样电容器C1A形成了一个反馈回路，而同相输入端和反相输出端通过第三采样部分301中的采样电容器C1A’形成了一个反馈回路。因此，差分放大器电路10分别输出采样电容器C1A和C1A’的电压差值到同相和反相输出端。这时，来自差分放大器电路10的电压与输入电压V_INP和V_INM之间的差值相比是双倍的。即，比率独立的开关电容放大器100双倍放大了输入电压V_INP和V_INM之间的差值并分别通过同相和反相输出端输出放大信号。因此，比率独立的开关电容放大器100具有双倍的增益。来自同相输出端的信号V_OP与来自反相输出端的信号V_OM相比具有相同的幅值和相反的相位。

比率独立的开关电容放大器100通过在图2所示的时间间隔A中的一个采样操作和一个放大操作双倍放大了输入电压/信号之间的差值。为了双倍放大输入电压/信号之间的差值，放大器100采用了一个采样操作和一个放大操作。这意味着由于通过两个阶段获得双倍增益，在某些实施例中与传统的开关电容放大器相比以更高的速度处理输入信号是可能的。

第一放大操作之后，比率独立的开关电容放大器100重复上述采样和放大操作。然而，由于采样电容器C1A和C1A’在第一放大操作完成之后被加载了电荷，在再次使用采样电容器C1A和C1A’执行采样和放大操作之前，采样电容器C1A和C1A’中的电荷可以被释放。

因此，在时间间隔A中的第一放大操作中，比率独立的开关电容放大器100通过开关S2A将第二采样部分202中的采样电容器C1B上的电荷释放到地电压GND，并通过开关S2A’将第四采样部分302中的采样电容器C1B’上的电荷释放到地电压GND。然后，在放大器100的第二采样操作中，可以使用在放大器100的第一放大操作中放电的采样电容器C1B和C1B’。下面将更全面地进行描述。

图5是一个用于描述图1中所示的比率独立的开关电容放大器的第二采样操作的开关状态的图。图5A是图5中的电路的等效电路图。参照图2、5和5A更全面地描述比率独立的开关电容放大器的第二采样操作。

设在图2所示的时间间隔BA中执行第二采样操作，比率独立的开关电容放大器100的开关S1、S1B和SB是闭合的(即，接通)而开关S2、SA、S1A、S2A和S2B是开路的(即，切断)。因此，第二采样部分202中的第一采样电容器C1B的一端通过开关S1B与输入电压V_INP连接，而它的另一端通过开关SB与差分放大器电路10的反相输入端连接。采样电容器C1B的另一端通过开关SB和S1也与第一反馈部分203中的第二反馈电容器C2的一端连接。第一反馈部分203中的开关S1分别连接到第二反馈电容器C2的两端。第二反馈电容器C2的一端通过开关S1连接到差分放大器电路10的同相输出端，而第二反馈电容器C2的另一端通过开关S1连接到差分放大器电路10的反相输入端。即，通过第二反馈电容器C2形成了一个反馈回路，节点(即，同相输入端)是虚地点。采用这种构造，当第二采样部分202响应于输入电压V_INP被激活，相应于输入电压V_INP的电荷Q1被加载到第二采样部分202中的第一采样电容器C1B上，而第一反馈部分203中的第二反馈电容器C2被加载一个感应电荷，这个感应电荷具有与第一采样电容器C1B上的电荷Q1相反的极性。第一反馈部分203中的第二反馈电容器C2上的感应电荷归因于第一采样电容器C1B上的电荷Q1，从而第二反馈电容器C2通过输入电压V_INP被加载了与第一采样电容器C1B上加载的电荷Q1数量相等的电荷Q2。

如果输入电压V_INP是正电压，加载了电荷Q1的第二采样部分202中的第一采样电容器C1B的一端变成正的，而第一采样电容器C1B的另一端变成负的。由于采样电容器C1B的另一端变成负的，第一反馈部分203中的第二反馈电容器C2的另一端变成正的，即，与采样电容器C1B的另一端相反。由于第二反馈电容器C2的另一端变成正的，第二反馈电容器C2的一端变成负的。因此，第二采样部分202中的第一采样电容器C1B上的电荷与第一反馈部分203中的反馈电容器C2上的电荷在数量上相等，而具有相反的极性。

第一和第三采样部分201和301、第二和第四采样部分202和302、以及第一和第二反馈部分203和303分别同时运行。因此，在比率独立的开关电容放大器100的第二采样操作中，开关S1’、S1B’和SB’是闭合的(即，接通)，而开关S2’、SA’、S1A’、S2A’和S2B’是开路的(即，切断)。

在第二采样电路30中的开关S1’、S2’、SA’、SB’、S1A’、S1B’、S2A’和S2B’的接通/切断状态下与输入电压V_INM相关的、第四采样部分302中的采样电容器C1B’的和第二反馈部分303中的反馈电容器C2’的充电操作与响应于第一采样电路20中的开关S1、S2、SA、SB、S1A、S1B、S2A和S2B的接通/切断的、与输入电压V_INP相关的第二采样部分202中的采样电容器C1B的和第二反馈部分203中的反馈电容器C2的充电操作相似。然而，由于输入电压V_INP和V_INM具有相同的幅值和相反的极性，当输入电压V_INP是正的时，输入电压V_INM是负的。如果输入电压V_INM是负的，加载了电荷Q1的第四采样部分302中的采样电容器C1A’的一端变成负的，而它的另一端变成正的。由于采样电容器C1A’的另一端变成正的，第二反馈部分303中的第二反馈电容器C2’的另一端与采样电容器C1A’的另一端相反，变成负的。由于第二反馈部分303中的反馈电容器C2’的另一端变成负的，反馈电容器C2’的一端变成正的。

因此，第四采样部分302中的采样电容器C1B’被加载了相应于输入电压V_INM的电荷Q1’，而第二反馈部分303中的反馈电容器C2’被加载了极性与采样电容器C1B’相反而数量与采样电容器C1B’中电荷相等的电荷Q2’。

图6是用于描述图1中所示的比率独立的开关电容放大器的第二放大操作的开关状态的图。图6A是图6中的电路的等效电路图。参照图2、6和6A更全面地描述比率独立的开关电容放大器的第二放大操作。

当在图2所示的时间间隔B执行第二放大操作时，开关S2、S2B和SB是闭合的(即，接通)，而开关S1、SA、S1A、S2A和S1B是开路的(即，切断)。

因此，第一反馈部分203中的两个开关S2分别与第二反馈电容器C2的两端连接。第二反馈电容器C2的一端通过开关S2与差分放大器电路10的反相输入端连接，而第二反馈电容器C2的另一端通过开关S2与地电压GND连接。第二反馈电容器C2的一端通过开关S2和SB与第二采样部分202中的采样电容器C1B的另一端连接。由于第二采样部分202中的采样电容器C1B的一端通过开关S2B连接到同相输出端而采样电容器C1B的另一端通过开关SB连接到差分放大器电路10的反相输入端，差分放大器电路10通过采样电容器C1B形成了一个反馈回路。这时，第一采样部分201的两个开关S2B分别连接到采样电容器C1A的两端，而电容器C1A的两端分别通过开关S2B与地电压GND连接。

在比率独立的开关电容放大器100的第二采样操作中，第二采样部分202中的第一采样电容器C1B被加载了与第一反馈部分203中的第二反馈电容器C2相比数量相等而极性相反的电荷。如果输入电压V_INP是正的，第一采样电容器C1B的一端是正的而它的另一端是负的。因此，第一反馈部分203中的第二反馈电容器C2的另一端与第一采样电容器C1B的另一端相反，是正的，而第二反馈电容器C2的一端是负的。

这样，在比率独立的开关电容放大器100的第二放大操作中，第一反馈部分203中的第二反馈电容器C2的另一端上的正电荷通过开关S2被释放到地电压GND。由于第二反馈电容器C2的另一端上的正电荷通过开关S2被释放到了地电压GND，第二反馈电容器C2的一端的负电荷通过开关S2和SB被释放到第二采样部分202中的第二采样电容器C1B上。即，第二反馈电容器C2的一端的负电荷通过开关S2和SB被转移到了第二采样部分202的第一采样电容器C1B上。由于第二采样部分202中的第一采样电容器C1B被提供了第二反馈电容器C2上的负电荷，第一采样电容器C1B上的电荷(Q1+Q2)与在比率独立的开关电容放大器100的第二采样操作中的第一采样电容器C1B上的电荷Q1相比是双倍的。

第一和第三采样部分201和301、第二和第四采样部分202和302、以及第一和第二反馈部分203和303分别同时运行。因此，在比率独立的开关电容放大器100的第二放大操作中，开关S2’、S2A’和SA’是闭合的(即，接通)，而开关S1’、SB’、S1A’、S2B’和S1B’是开路的(即，切断)。

尽管相位相反，其中根据第二采样电路30中的开关S1’、S2’、SA’、SB’、S1A’、S1B’、S2A’和S2B’的接通/切断的状态由第二反馈部分303中的反馈电容器C2’释放的电荷Q2’被加载到第四采样部分302中的采样电容器C1B’上的这样的操作，与其中根据第一采样电路20中的开关S1、S2、SA、SB、S1A、S1B、S2A和S2B的接通/切断的状态由第一反馈部分203中的反馈电容器C2释放的电荷Q2被加载到第二采样部分202中的采样电容器C1B上的操作相似。因此，由于第四采样部分302中的采样电容器C1B’被加载了由第二反馈部分303中的反馈电容器C2’释放的电荷Q2’，采样电容器C1B’上的电荷(Q1’+Q2’)与在比率独立的开关电容放大器100的第二采样操作中的采样电容器C1B’上的电荷Q1’相比是双倍的。

在比率独立的开关电容放大器100的第二放大操作中的采样电容器C1B和C1B’上的电荷的数量与比率独立的开关电容放大器100的第二采样操作中的采样电容器C1B和C1B’上的电荷的数量相比是双倍的。

在比率独立的开关电容放大器100的第二放大操作中，差分放大器电路10的反相输入端和同相输出端通过第二采样部分202中的采样电容器C1B形成了一个反馈回路，而同相输入端和反相输出端通过第四采样部分302中的采样电容器C1B’形成了一个反馈回路。因此，差分放大器电路10分别输出采样电容器C1B和C1B’的电压差值到同相和反相输出端。这时，来自差分放大器电路10的电压与输入电压V_INP和V_INM之间的差值相比是双倍的。即，比率独立的开关电容放大器100双倍放大了输入电压V_INP和V_INM之间的差值并分别通过同相和反相输出端输出放大信号。因此，比率独立的开关电容放大器100具有双倍的增益。来自同相输出端的信号V_OP与来自反相输出端的信号V_OM具有相同的幅值和相反的相位。

在第二放大操作中，比率独立的开关电容放大器100通过开关S2B将储存在第一采样部分201中的采样电容器C1A上的电荷释放到地电压GND并通过开关S2A’将储存在第三采样部分301中的采样电容器C1A’上的电荷释放到地电压GND。

因此，比率独立的开关电容放大器100通过在图2所示的时间间隔B中的一个采样操作和一个放大操作双倍放大了输入电压/信号之间的差值。为了双倍放大了输入电压/信号之间的差值，放大器100采用了一个采样操作和一个放大操作。这意味着由于通过两个阶段获得双倍的增益，因此高速地处理输入信号可能的。

结果，比率独立的开关电容放大器100通过采用采样电容器C1A和C1A’和反馈电容器C2和C2’的采样和放大操作获得了双倍的增益。当使用采样电容器C1A和C1A’和反馈电容器C2和C2’进行放大操作时，比率独立的开关电容放大器100将采样电容器C12B和C12B’上的电荷释放到地电压GND。在下一个阶段，比率独立的开关电容放大器100通过使用放电的采样电容器C12B和C12B’和反馈电容器C2和C2’执行采样和放大操作获得双倍的增益。当使用采样电容器C12B和C12B’和反馈电容器C2和C2’执行放大操作时，比率独立的开关电容放大器100将采样电容器C1A和C1A’上的电荷释放到地电压GND。随后，如图2所示，比率独立的开关电容放大器100在时间间隔A和B中重复采样和放大操作。

在附图和说明书中，尽管使用了特殊的术语，但是已经披露了本发明的典型的实施例，它们仅仅用于普通的和描述性的意义而非限制性的目的，本发明的范围将在下面的权利要求中阐明。

Claims

1.一种比率独立的开关电容放大器，包括：

第一采样电路，用于采集第一输入电压作为第一采样电压并在其采样之后使第一采样电压的电平变为双倍；

第二采样电路，用于采集第二输入电压作为第二采样电压并在其采样之后使第二采样电压的电平变为双倍；以及

差分放大器电路，用于输出双倍的第一采样电压和双倍的第二采样电压之间的差值。

2.根据权利要求1所述的比率独立的开关电容放大器，其中第二输入电压与第一输入电压具有相同的幅值和相反的相位，其中第一和第二采样电路设置为同时执行采样操作。

3.根据权利要求1所述的比率独立的开关电容放大器，其中第一采样电路包括：

第一采样部分，用于采集第一输入电压；

第二采样部分，用于在第一采样部分去激活的时间间隔里采集第一输入电压；和

第一反馈部分，用于在第一和第二采样部分两者的任何一个的采样操作中产生与第一采样电压具有相同幅值和相反相位的第一反相电压，

其中第一反馈部分设置为在第一输入电压的切断时间间隔内提供第一反相电压给第一和第二采样部分中的一个。

4.根据权利要求3所述的比率独立的开关电容放大器，其中第一采样部分设置为响应于第一反馈部分提供的第一反相电压使第一采样电压的电平变为双倍。

5.根据权利要求3所述的比率独立的开关电容放大器，其中第二采样部分设置为响应于第一反馈部分提供的第一反相电压使第一采样电压的电平变为双倍。

6.根据权利要求3所述的比率独立的开关电容放大器，其中第二采样部分设置为当第一采样部分由第一反馈部分提供第一反相电压时将其中储存的电荷释放到地电压。

7.根据权利要求3所述的比率独立的开关电容放大器，其中第一采样部分设置为当第二采样部分由第一反馈部分提供第一反相电压时将其中储存的电荷释放到地电压。

8.根据权利要求3所述的比率独立的开关电容放大器，其中第一和第二采样部分设置为顺序激活。

9.根据权利要求1所述的比率独立的开关电容放大器，其中第二采样电路包括：

第三采样部分，用于采集第二输入电压；

第四采样部分，用于在第三采样部分去激活的时间间隔里采集第二输入电压；和

第二反馈部分，用于在第三和第四采样部分两者的任何一个的采样操作中产生与第二采样电压具有相同幅值和相反相位的第二反相电压，

其中第二反馈部分设置为在第二输入电压的切断时间间隔内提供第二反相电压给第三和第四采样部分中的一个。

10.根据权利要求9所述的比率独立的开关电容放大器，其中第三采样部分设置为响应于第二反馈部分提供的第二反相电压使第二采样电压的电平变为双倍。

11.根据权利要求9所述的比率独立的开关电容放大器，其中第四采样部分设置为响应于第二反馈部分提供的第二反相电压使第二采样电压的电平变为双倍。

12.根据权利要求9所述的比率独立的开关电容放大器，其中第四采样部分设置为当第三采样部分由第二反馈部分提供第二反相电压时将其中储存的电荷释放到地电压。

13.根据权利要求9所述的比率独立的开关电容放大器，其中第三采样部分设置为当第四采样部分由第二反馈部分提供第二反相电压时将其中储存的电荷释放到地电压。

14.根据权利要求9所述的比率独立的开关电容放大器，其中第三和第四采样部分设置为顺序激活。

15.一种操作比率独立的开关电容放大器的方法，包括：

采集第一输入电压作为第一采样电压；

采集第二输入电压作为第二采样电压；

在第一输入电压被切断的时间间隔内使第一采样电压的电平变为双倍；

在第二输入电压被切断的时间间隔内使第二采样电压的电平变为双倍；和

输出第一采样电压和第二采样电压之间的差值。

16.根据权利要求15所述的方法，其中第二输入电压与第一输入电压具有相同的幅值和相反的相位。

17.根据权利要求15所述的方法，其中采集第一输入电压和采集第二输入电压同时执行，并同时使第一采样电压的电平和第二采样电压的电平变为双倍。

18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括产生与第一输入电压具有相同幅值和相反相位的第一反相电压。

19.根据权利要求18所述的方法，其中使第一采样电压的电平变为双倍包括反馈第一反相电压以使第一采样电压的电平变为双倍。

20.根据权利要求15所述的方法，其中采集第一输入电压包括顺序地激活第一和第二采样部分。

21.根据权利要求20所述的方法，其中将储存在第一和第二采样部分中被去激活的一个中的电荷释放到地电压。

22.根据权利要求15所述的方法，其中采集第二输入电压包括采集与第二输入电压具有相同幅值和相反相位的第二反相电压。

23.根据权利要求15所述的方法，其中使第二采样的电平变为双倍包括反馈第二反相电压以使第二采样电压的电平变为双倍。

24.根据权利要求15所述的方法，其中采集第二输入电压包括顺序地激活第三和第四采样部分。

25.根据权利要求24所述的方法，其中将第三和第四采样部分中被去激活的一个中的电荷释放到地电压。