CN101364800B - 一种带内置放大器的低噪声开关电容电路 - Google Patents

Abstract

一种带内置放大器的低噪声开关电容电路，涉及一种开关电容电路，提供一种带内置放大器的低噪声开关电容电路。设有开关电容电路和有源放大器，开关电容电路设有开关、电容和放大器。有源放大器的输入端与开关连接，有源放大器的输出端与电容连接，电容与运算放大器的负输入端连接。不仅可运用于开关电容放大器，而且可运用于开关电容积分器以及其他类型的开关电容电路，以达到满足系统低噪声的指标要求，同时又能减小电容和运算放大器所占芯片的面积和功耗的目的。极大程度地减小了开关电容电路在低噪声运用情况下所需要的芯片面积和功耗，使开关电容电路的噪声指标不再受电容的采样噪声，即KT/C噪声所限制。

Description

一种带内置放大器的低噪声开关电容电路

技术领域

本发明涉及一种开关电容电路，尤其是涉及一种带内置放大器的低噪声开关电容电路。可应用于包括开关电容放大器，开关电容积分器和其它多种类型的开关电容电路。

背景技术

传统的开关电容电路采用电容的比例和开关的组合，通过对电容上电荷的操作，达到对信号进行处理的目的。由于开关电容自身的采样噪声，即KT/C热噪声，使得低噪声开关电容电路所需要的电容值C很大。这样不仅造成芯片面积随系统噪声要求的提高而成比例增加，而且为了能驱动大的电容，所需要的运算放大器的功耗和所占芯片的面积也同时按比例增加。除此以外，如果所使用的工艺为CMOS工艺，运算放大器的低频噪声，即1/f闪烁噪声，成为整个开关电容电路系统的低频噪声瓶颈。图1所示为一个典型的开关电容电路用于信号放大的放大器电路(R.Gregorian and G.C.Temes，Analog MOS Integrated Circuits for SignalProcessing，New Yerk，Wiley，1986)，该电路为单端信号电路，同理也可应用于差分信号电路。开关S1，S2，S3，S4和S5，由一组非交叠时钟P1和P2控制，其中，开关S1、S3和S5由时钟信号P1控制，开关S2和S4由时钟信号P2控制，时钟信号P1和P2为非交叠时钟。

该电路在时钟P1为高电平时，输入信号V1对电容C1充电，同时C2被放电。在时钟P2为高电平时，C1上的电荷被放电而充入C2。输出电压即为V2＝(C1/C2)V1。开关电容放大器电路的放大系数为C1/C2。

由于系统的低噪声要求，造成电容C1，C2以及运算放大器OP所占芯片的面积和功耗很大。此外，CMOS运算放大器的低频1/f闪烁噪声也是一个重要的问题。目前国内外最先进的模拟集成电路技术对于CMOS运算放大器的低频1/f闪烁噪声，通常采用相关双采样技术(correlated double sampling)或者是采用斩波放大器(chopping amplifier)的技术。这些现有的技术可有效地降低CMOS运算放大器的低频1/f闪烁噪声，但是却无法解决(降低)开关电容的采样噪声(KT/C噪声)。因而也无法解决因系统低噪声的要求而导致的电容C1以及运算放大器OP所占芯片面积和功耗大的问题。

为了达到低噪声的指标，同时又能减小电容C1和运算放大器OP所占的芯片面积和功耗，常见的技术方法是在开关电容放大器的输入前端增加一级或多级有源放大电路(见产品规格书：美国Texas Instruments，ADS1230Product Data Sheet，July2007)，如图2所示。

有源放大器的输出为：V1＝V0×(R1+R2)/R2，放大系数为(R1+R2)/R2。由于输入信号V0被有源放大器放大了(R1+R2)/R2倍，使得系统的噪声指标对开关电容放大器的噪声要求减小了(R1+R2)/R2倍。采用这种电路方案可以有效减小电容C1和运算放大器OP2所占的芯片面积和功耗。但是有源放大器所用的运算放大器OP1的低频噪声，尤其是其低频的1/f闪烁噪声，成了整个系统的低频噪声瓶颈。将有源放大器改为斩波放大器可有效的将有源放大器的低频噪声调置到信号频率范围之外，但斩波放大器的输出通常需要很大的电容来滤波(见产品规格书：美国Texas Instruments，ADS1230Product Data Sheet，July2007)。

在开关电容集成电路技术中，至今未见有关将有源放大器直接置于开关电容电路内的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带内置放大器的低噪声开关电容电路。

本发明的技术方案是将有源放大器置于开关电容电路之中，使其成为开关电容电路中的一部分，利用开关电容电路对电容充电和放电的时钟周期，将有源放大器的低频噪声有效地转移到信号的频率范围之外。

本发明设有开关电容电路和有源放大器，开关电容电路设有开关、电容和放大器。有源放大器的输入端与开关连接，有源放大器的输出端与电容连接，电容与运算放大器的负输入端连接。

电容可通过第2开关与运算放大器的负输入端连接。

第1开关和第2开关可根据需要任意组合。

运算放大器的输出端可根据需要通过电容或开关与运算放大器的负输入端相连。

如果有源放大器的放大倍数为a。由于输入信号V0在进入电容C1之前，被有源放大器放大了a倍，使得系统对电容C1采样噪声指标的要求也下降了a倍，有效地降低了所需要的电容值的大小，从而达到减小芯片面积和功耗的目的。另一方面，由于输入信号在到达有源放大器的输入端时，已被开关组1所相应的开关控制信号调制到了采样频率，有源放大器的低频噪声，包括低频1/f闪烁噪声，与信号已不在同一频率段上，对系统的噪声指标没有影响。

所述的有源放大器可为差分信号有源放大器，则本发明可应用于差分信号电路。

有源放大器可设2个用于单端信号的运算放大器(分别为第1运算放大器和第2运算放大器)、第1电阻、第2电阻和第3电阻。第1电阻、第2电阻和第3电阻串联后并接在2个运算放大器的输出端之间，第1电阻与第2电阻的连接点接第1个运算放大器的负输入端，第2电阻与第3电阻的连接点接第2个运算放大器的负输入端，由此组成一个用于差分信号的有源放大器电路。

所述开关设有第1开关、第2开关、第2开关、第3开关、第4开关、第6开关、第7开关和第8开关，其中，第1开关、第3开关、第5开关、第7开关与第2开关、第4开关、第6开关、第8开关分别由一组非交叠时钟P1和P2或P2和P1控制。输入信号经第1开关、第2开关、第3开关和第4开关后连接到第1运算放大器和第2运算放大器的正输入端。有源放大器设有第1运算放大器、第2运算放大器、第1电阻、第2电阻和第3电阻，第1运算放大器和第2运算放大器的输出端连接到开关电容积分器的输入采样电容。输入信号经第1运算放大器、第2运算放大器、第1电阻、第2电阻和第3电阻所组成的有源放大器放大后对采样电容充电。在时钟信号P2为高电平时，采样电容上的电荷通过第3运算放大器，对积分电容放电。如此循环，在每个P1和P2的时钟周期内，经放大的输入信号被累加到积分电容上，实现了带有源放大器的开关电容积分器的功能。

本发明不仅可运用于开关电容放大器，而且可运用于开关电容积分器以及其他类型的开关电容电路，以达到满足系统低噪声的指标要求，同时又能减小电容和运算放大器所占芯片的面积和功耗的目的。与现有的开关电容电路相比，本发明极大程度地减小了开关电容电路在低噪声运用情况下所需要的芯片面积和功耗，使开关电容电路的噪声指标不再受电容的采样噪声，即KT/C噪声所限制。本发明对开关电容电路的基本结构不作任何改变，开关电容电路现有的各种理论和电路设计方法不受影响，可应用于现有的各种开关电容电路中，包括开关电容放大器、积分器和滤波器等。与斩波放大器(chopping amplifier)的技术方案相比，本发明不需要额外的大电容对高频谐波进行滤波。

附图说明

图1为现有的一个典型开关电容放大器的电路组成框图。

图2为现有的一个带有前置有源放大器的开关电容放大器的电路组成框图。

图3为本发明实施例(带内置有源放大器的低噪声开关电容电路)的电路组成框图。

图4为本发明实施例的一种用于差分信号的有源放大器的电路组成原理图。

图5为本发明实施例(带内置有源放大器的低噪声开关电容电路)应用于开关电容积分器的电路组成原理图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图3，本发明设有开关电容电路和有源放大器A，开关电容电路设有第1开关1、第2开关2、电容C1和运算放大器OP1，第1开关1和第2开关2可根据需要任意组合。有源放大器A的输入端与第1开关1连接，有源放大器A的输出端与电容C1连接，电容C1通过第2开关2与运算放大器OP1的负输入端相连。其中，第2开关2也可根据需要省去，使电容C1直接与运算放大器OP1的负输入端相连。运算放大器OP1的输出端可根据需要通过电容或开关与运算放大器的负输入端相连。

由于输入信号V0在进入电容C1之前，被有源放大器A放大了a倍，使得系统对电容C1采样噪声指标的要求也下降了a倍，有效地降低了所需要的电容值的大小，从而达到减小芯片面积和功耗的目的。另一方面，由于输入信号在到达有源放大器的输入端时，已被非交叠时钟P1和P2控制的输入开关调制到了采样频率，有源放大器的低频噪声，包括低频1/f闪烁噪声，与信号已不在同一频率段上，对系统的噪声指标没有影响。

图3用于说明本发明的基本原理。本发明的最重要之处在于将有源放大器与开关电容电路中对系统噪声起决定性作用的电容相串联，以达到用小的芯片面积和功耗实现低噪声的目的。这一原理可应用于各种类型的开关电容电路中，不局限于图3所示的电路，图3内所示的有源放大器也同样可以用多种形式的电路实现。

图4所示为一个用于差分信号电路的有源放大器电路。有源放大器为差分信号有源放大器，则本发明可应用于差分信号电路。有源放大器设2个用于单端信号的运算放大器(分别为第1运算放大器OP1和第2运算放大器OP2)、第1电阻R1、第2电阻R2和第3电阻R3。第1电阻R1、第2电阻R2和第3电阻R3串联后并接在2个运算放大器的输出端之间，第1电阻R1与第2电阻R2的连接点接第1个运算放大器的负输入端，第2电阻R2与第3电阻R3的连接点接第2个运算放大器的负输入端，由此组成一个用于差分信号的有源放大器电路。

图5所示为本发明实施例应用于低噪声开关电容积分器的差分信号电路组成原理图。开关设有第1开关S1、第2开关S2、第3开关S3、第4开关S4、第5开关S5、第6开关S6、第7开关S7和第8开关S8，其中，第1开关S1、第3开关S3、第5开关S5、第7开关S7与第2开关S2、第4开关S4、第6开关S6、第8开关S8可根据需要分别由一组非交叠时钟P1和P2或P2和P1控制。输入信号V0经第1开关S1、第2开关S2、第3开关S3和第4开关S4后连接到第1运算放大器OP1和第2运算放大器OP2的正输入端。第1运算放大器OP1、第2运算放大器OP2、第1电阻R1、第2电阻R2和第3电阻R3构成图4中所示的有源放大器。第1运算放大器OP1和第2运算放大器OP2的输出端连接到开关电容积分器的输入采样电容C1和C2。输入信号V0经第1运算放大器OP1、第2运算放大器OP2、第1电阻R1、第2电阻R2和第3电阻R3所组成的有源放大器放大后对采样电容C1和C2充电。在时钟信号P2为高电平时，采样电容C1和C2上的电荷通过第3运算放大器OP3，对积分电容C3和C4放电。如此循环，在每个P1和P2的时钟周期内，经放大的输入信号V0被累加到积分电容C3和C4上，实现了带有源放大器的开关电容积分器的功能。

由于输入信号V0在到达有源放大器的输入端(第1运算放大器OP1和第2运算放大器OP2的正输入端)时，被调制到采样时钟的高频频段，有源放大器的低频噪声不在其频段上，对系统的噪声参数没有影响，实现了低噪声放大的目的。

上述发明的应用举例为一差分信号积分器的开关电容电路。依照同理，该方法也可应用于其他类型的开关电容电路，包括开关电容放大器，以达到低噪声同时又能减小电容和运算放大器所占芯片的面积和功耗的目的。该方法也可同其他开关电容电路技术结合，以进一步降低系统的整体噪声，如相关双采样(correlated double sampling)技术。

Claims (5)

1.一种带内置放大器的低噪声开关电容电路，其特征在于设有开关电容电路和有源放大器，开关电容电路设有开关、电容和运算放大器，所述开关包括第1开关和第2开关，有源放大器的输入端与第1开关连接，有源放大器的输出端与电容连接，电容通过第2开关与运算放大器的负输入端连接；所述电容通过第2开关与运算放大器的负输入端连接。

2.如权利要求1所述的一种带内置放大器的低噪声开关电容电路，其特征在于运算放大器的输出端通过电容或开关与运算放大器的负输入端相连。

3.如权利要求1所述的一种带内置放大器的低噪声开关电容电路，其特征在于所述的有源放大器为差分信号有源放大器。

4.如权利要求1所述的一种带内置放大器的低噪声开关电容电路，其特征在于有源放大器设有第1运算放大器和第2运算放大器、第1电阻、第2电阻和第3电阻，第1电阻、第2电阻和第3电阻串联后并接在第1运算放大器与第2运算放大器的输出端之间，第1电阻与第2电阻的连接点接第1运算放大器的负输入端，第2电阻与第3电阻的连接点接第2运算放大器的负输入端，由此组成一个用于差分信号的有源放大器电路。

5.如权利要求1所述的一种带内置放大器的低噪声开关电容电路，其特征在于所述开关设有第1开关、第2开关、第3开关、第4开关、第5开关、第6开关、第7开关和第8开关，其中，第1开关、第3开关、第5开关、第7开关与第2开关、第4开关、第6开关、第8开关分别由一组非交叠时钟P1和P2或P2和P1控制；输入信号经第1开关、第2开关、第3开关和第4开关后连接到第1运算放大器和第2运算放大器的正输入端；有源放大器设有第1运算放大器、第2运算放大器、第1电阻、第2电阻和第3电阻，第1运算放大器和第2运算放大器的输出端连接到开关电容积分器的输入采样电容；输入信号经第1运算放大器、第2运算放大器、第1电阻、第2电阻和第3电阻所组成的有源放大器放大后对采样电容充电。

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