CN101861697A - 具有改善的重置阶段的开关电容放大器 - Google Patents

具有改善的重置阶段的开关电容放大器 Download PDF

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郭海东
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Abstract

开关电容(“SC”)放大器包括两级运算放大器(“OP-AMP”)，输入SC网络，和反馈SC网络。两级OP-AMP包括第一OP-AMP级，该第一OP-AMP级具有与第二OP-AMP级的输入相耦合的输出。输入SC网络被耦合到第一OP-AMP级的输入。反馈SC网络被配置用于在SC放大器操作的第一级选择性地将第一OP-AMP级的输出耦合到第一OP-AMP级的输入，并在SC放大器操作的第二级将第二OP-AMP的输出耦合到第一OP-AMP级的输入。

Description

具有改善的重置阶段的开关电容放大器
技术领域
本公开一般涉及电子电路，具体地，但非限制性地，涉及开关电容增益放大器。
背景技术
开关电容(“SC”)增益放大器在模拟信号处理中有广阔的应用，例如，自动增益控制(“AGC”)，前置放大器，模拟到数字转换器(“ADC”)以及其他。图1示出了一个常规的SC增益放大器100。SC增益放大器100包括耦合在积分器配置中的电容Cf和Cs，开关T1到T6，以及运算放大器(“OP-AMP”)。在图1，在操作阶段1(通常称为重置或采样阶段)，输入信号被采样并存储在电容Cs上。在操作阶段2(放大阶段)，输入信号被放大。通过此策略，OP-AMP 105的偏移和低频噪声在阶段1被存储在Cs中，在阶段2被消除。OP-AMP 105可以是一级增益升高放大器或两级放大器。
所使用的OP-AMP 105的类型取决于特定的应用；但是，由于相对高速能力和大输出电压振幅，两级OP-AMP是很平常的。图2示出了可用于实现图1中的OP-AMP 105的常规两级OP-AMP 200。但是，两级OP-AMP 200的体系结构受到稳定性问题的影响。具体地，设计一个能在重置/采样阶段和放大阶段都保持操作稳定性的OP-AMP 200是很难的。
稳定性问题来自(flow from)该事实，即，在重置/采样阶段，反馈因数等于1，但是在放大阶段，反馈因数等于Cf/(Cf+Cs+Cp)。例如，如果OP-AMP 200被设计用于在放大阶段开环带宽100MHz且beta＝1/9，则OP-AMP 200在采样/重置阶段将具有大约900MHz的开环带宽。设计这种在两个阶段都具有好的相位裕度稳定性的OP-AMP是很困难和昂贵的。如果OP-AMP 200的设计需要在放大阶段有小反馈因数，则情况更糟。
为了补偿这些稳定性问题，常规的方法包括，在采样/重置阶段短接SC增益放大器100的输入和输出于参考电压。但是，该技术需要昂贵的参考电路，而且OP-AMP 105的偏移电压未被消除。另外，在采样/重置阶段，OP-AMP 105的虚地端可通过开关与实地连接以减小反馈因数beta。但是，该技术对开关定时，失配和其他问题很敏感。另外，包括相对昂贵的电路(例如，参考电路)的自动调零技术可影响主放大器的性能。
附图说明
通过参考下列各图，说明了本发明非限制性及非穷举的实施例，其中，除非特殊指定，贯穿多个视图中，相似的参考标号指向相似的部件。
图1是示出配置为积分器的常规开关电容增益放大器的电路图。
图2是示出用于开关电容增益放大器的常规两级运算放大器的电路图。
图3是示出根据本发明的实施例的开关电容放大器的电路图。
图4是示出根据本发明的实施例的开关电容放大器的操作的流程图。
图5是示出根据本发明的实施例的两级运算放大器的电路图。
图6是示出根据本发明的实施例的图像系统的框图，该图像系统包括像素阵列和用以放大由像素阵列获取的图像数据的读出放大器。
具体实施方式
此处说明了开关电容放大器的操作的系统和方法。在下列描述中，给出了多个具体细节以提供对实施例的完整理解。但是，本领域技术人员应认识到，此处说明的技术可无需一个或多个具体细节，或利用其他方法，组件，材料等而被实施。在其他示例中，未具体说明已知的结构，材料或运算，以防止混淆特定方面。
贯穿本说明的参考“一个实施例”或“实施例”意思是，与实施例一起描述的具体特性，结构或特征被包含在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明中在多个位置出现的“在一个实施例中”或“在实施例中”不必要指向同一的实施例。另外，可在一个或多个实施例中以任意合适的方式组合具体特性，结构，或特征。
图3是根据本发明的实施例的示出开关电容(“SC”)放大器300的电路图。示出的SC放大器300的实施例包括两级放大器305，输入SC网络310，反馈SC网络315和320，重置开关SW1，以及控制逻辑325。示出的两级放大器305的实施例包括运算放大器(“OP-AMP”)330和335。示出的输入SC网络310的实施例包括采样电容Cs和开关SW2，SW3，SW4，和SW5。注意，寄生电容Cp不是实际的电容元件，而是代表电路内部的实际寄生电容量。反馈SC网络315包括反馈电容Cf和开关SW6，SW7，和SW8，而反馈SC网络320包括反馈电容Cf和开关SW9，SW10，和SW11。
如所示出的，控制逻辑325生成用于对SW1到SW11进行开关的控制信号ph1和ph2。在一个实施例中，开关SW1-SW11是晶体管(例如，MOSFET)。在操作的第一阶段(采样/重置阶段)，控制信号ph1被断言(assert)并被耦合到开关SW1，SW2，SW3，SW6，SW7，SW9，和SW11。否则，生成ph1以禁用这些开关。在操作的第二阶段(放大阶段)，控制信号ph2被断言并被耦合到开关SW4，SW5，SW8，和SW10。否则，生成ph2以禁用这些开关。
在示出的实施例中，两级放大器305是差分放大器，该差分放大器在输入SC网络310采样差分输入信号vip和vin，并从两级放大器305输出差分输出信号vop2和von2。OP-AMP 330的输入被耦合到输入SC网络310，而OP-AMP 330的输出被耦合到OP-AMP 335的输入。反馈SC网络315操作用于在阶段1短接OP-AMP330的输出到其输入(虚地)，在阶段2，通过反馈电容Cf形成反馈路径，该反馈路径将OP-AMP 335的输出耦合到OP-AMP 330的输入。
图4是示出根据本发明的实施例的用于操作SC放大器300的处理400的流程图。过程400的一些或所有处理块的出现顺序不应被认为是限制性的。更确切地，受益于本公开的本领域技术人员应该理解，处理块的一部分可以未示出的多种顺序被执行。
在处理块405，通过给电源导轨(rail)上电来接通SC放大器300。在处理块410，控制逻辑325断言控制信号ph1，并解除断言(deassert)控制信号ph2。断言控制信号ph1导致输入开关SW2和SW3闭路，因而允许采样电容Cs采样差分输入信号vip和vin(处理块415)。因为ph2被解除断言，所以开关SW4和SW5开路以将两级放大器305与输入SC网络310隔离。在阶段1隔离输入SC网络310在采样输入信号的同时使反馈SC网络315和320能重置。在处理块420，开关SW6和SW9为闭路，因而短接每个反馈电容Cf的端子，并且放电/重置反馈电容Cf。
在处理块425，除了SW6和SW9外，SW7和SW11也为闭路，其形成了自第一级OP-AMP 330的输出到其输入虚地(节点N1和N2)的短路反馈路径。与耦合第二级OP-AMP 335的输出到第一级OP-AMP 330的输入相比，耦合OP-AMP 330的中间输出到其输入在重置阶段创建更短的反馈路径。在重置阶段更短的反馈路径减少了对SC放大器300的设计限制，并更容易获得电路稳定性。更短的反馈路径使设计在操作的两阶段都稳定的电路更加容易，而且没有瞬时扰动(ringing)问题。
在处理块430，控制信号ph1还被施加于重置开关SW1，因而短接OP-AMP 335的差分输出vop2和von2。短接OP-AMP 335的差分输出具有减少反映回第一级OP-AMP 330的电容负载的效果。减少电容负载可提高两级放大器305的性能。
一旦采样/重置阶段(阶段1)完成，控制逻辑325解除断言控制信号ph1并断言控制信号ph2(处理块435)。切换控制信号ph1和ph2意味着由采样/重置阶段到放大阶段(阶段2)的转换。在阶段2，两级放大器305的示出实施例被置于积分反馈配置中。但是，应该理解，可使用包括简单增益配置的反馈SC网络315和输入SC网络310的其他配置。
在阶段2，开关SW2和SW3开路，因而将采样电容Cs与差分输入信号vip和vin断开连接。在处理块440，采样电容Cs保持差分输入信号，并经由闭路输入开关SW4和SW5被耦合到OP-AMP 330的输入。在处理块445，在控制逻辑325的控制下，反馈SC网络315和320被配置用于经由反馈电容Cf建立反馈路径。在示出的实施例中，开关SW6，SW7，SW9，SW11是开路的，而反馈开关SW8和SW10是闭路的。最后，在处理块450，重置开关SW1开路，以允许差分输出信号vop2和von2自两级放大器305输出。
应该理解，虽然处理块405到450被示出为顺序操作，但是，许多处理块可同时发生。例如，在阶段1发生的操作均可基本上同时发生，而在阶段2发生的操作均可基本上同时发生。一旦阶段2完成，处理400回到处理块410，并如上描述地重复执行。
如先前提到的，耦合第一级OP-AMP 330的中间输出到其输入(虚地)在重置阶段创建了更短的反馈路径，其减少了对SC放大器300的设计限制，并可更容易获得电路稳定性。另外，耦合第二级OP-AMP 335的输出vop2和von2减少了反映回第一级OP-AMP 330的电容负载，因而扩展了SC放大器300的操作带宽。电路元件可被调整为获得所需的放大器性能，其包括重置开关SW1的栅极大小，电容Cf，Cs和Cp的电容量，以及反馈开关SW8和SW10的电阻或大小。如下所述，其他两级OP-AMP305的内部电路组件也可被调整以获得所需的电路性能。
图5是示出根据本发明实施例的两级放大器500的电路图。两级放大器500是图3示出的两级放大器305的可能实施例。示出的两级放大器500的实施例包括第一级OP-AMP 505(也称为套筒式放大器)，第二级OP-AMP 510(也称为共源放大器)，和电压电平移位器515。
如所示出的，电压电平移位器515被耦合在第一和第二级OP-AMP505和510之间。具体地，来自第一级OP-AMP 505的中间输出von1和vop2被分别耦合到电压电平移位器515的晶体管T7和T8的栅极。相应地，晶体管T7和T8的源极端分别被耦合到第二级OP-AMP 510的晶体管T9和T10的栅极。电压电平移位器515操作用于将第一级OP-AMP 505的输出电压转换为第二级OP-AMP 510的输入电压。依赖于SC放大器300的特定应用，电压电平移位器可被配置用于提供不同程度的电压电平移位。除了上述列出的以外，为了获得大的相位裕度及电路稳定性，还可调整其他电路处理或特性，其包括在第一级OP-AMP 505中的电路节点P和Q的时间常数。可通过由信号pb1的适当偏置而改变经由晶体管T11的电流，或通过调整晶体管T12和T13的大小来调整这些时间常数。
根据本发明的实施例，图6是示出成像系统600的框图。成像系统600是一个示例性系统，其可包括SC放大器300的实施例；但是，应当理解，诸如前置放大器，模拟到数字转换器或其他的设备也可利用SC放大器300来实现。示出的成像系统600的实施例包括像素阵列605，输出电路610，和功能逻辑615。示出的读出电路610的实施例包括读出复用器620和读出放大器625。读出放大器625可利用SC放大器300和两级放大器500的实施例实现。
在操作中，像素阵列605被暴露给承载图像的照射(impinging)光，导致像素阵列605获取图像数据。在一个实施例中，像素阵列605是二维互补金属氧化物半导体(“CMOS”)光学传感器阵列。一旦图像数据被像素阵列605获取，读出复用器620从每个列或行作为差分信号数据而顺序扫描出图像数据。被扫描出的数据被读出放大器625顺序放大，并被提供给功能逻辑615。功能逻辑615可包括软件逻辑，硬件逻辑，或二者的组合，其用于存储或操作图像数据。
上述从计算机软件和硬件方面说明了处理。所说明的技术包括包含在机器(例如，计算机)可读介质中的机器可执行指令，当该指令被机器执行时，将导致机器执行所述操作。另外，该处理可包含在硬件中，例如，专用集成电路(“ASIC”)或类似的。
机器可介入媒介包括任何以机器(例如，计算机，网络设备，个人数字助理，生产工具，任何具有一个或多个处理器的设备)可介入方式提供
(即，存储)信息的机制。例如，机器可介入媒介包括可录制/非可录制媒体(例如，只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，磁盘存储媒体，光存储媒体，闪存设备，等)。
对本发明示出实施例的上述描述(包括在摘要中的描述)并不意欲穷尽或限制本发明于公开的精确形式。为了示出目的，虽然此处描述了本发明的具体实施例和示例，但是，本领域的技术人员应当认识到，在本发明的范围内可能有多个更改例。
根据上述详尽描述可对本发明进行修改。在下述权利要求中使用的术语不应被理解为限制本发明于说明书中公开的具体实施例。更确切地，本发明的范围完全由下述权利要求决定，根据已建立的权利要求解释的准则来理解该权利要求。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
两级运算放大器，该两级运算放大器包括第一运算放大器级，该第一运算放大器级所具有的输出与第二运算放大器级的输入相耦合；
输入开关电容网络，该输入开关电容网络与所述第一运算放大器级的输入相耦合；以及
反馈开关电容网络，该反馈开关电容网络被耦合以选择性地在所述设备操作的第一阶段将所述第一运算放大器级的输出耦合到所述第一运算放大器级的输入，并在所述设备操作的第二阶段将所述第二运算放大器级的输出耦合到所述第一运算放大器级的输入。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述两级运算放大器包括两级差分运算放大器，所述差分运算放大器用于在所述第一运算放大器级的输入路径上接收差分输入信号，并在所述第二运算放大器级的输出路径上输出差分输出信号。
3.如权利要求2所述的设备，还包括重置开关，所述重置开关被耦合在所述第二运算放大器级的输出路径之间，用以选择性地在所述设备操作的第一阶段耦合所述输出路径。
4.如权利要求2所述的设备，其中，所述反馈开关电容网络包括：
第一反馈开关电容网络，用以在操作的第一阶段耦合所述第一运算放大器级的正差分输出到所述第一运算放大器级的负差分输入；以及
第二反馈开关电容网络，用以在操作的第一阶段耦合所述第一运算放大器级的负差分输出到所述第一运算放大器级的正差分输入。
5.如权利要求4所述的设备，其中，所述第一反馈开关电容网络还配置用于选择性地在所述操作的第二阶段，经由第一反馈电容耦合所述第二运算放大器级的正差分输出到所述第一运算放大器级的负输入，以及其中，所述第二反馈开关电容网络还配置用于选择性地在所述操作的第二阶段，经由第二反馈电容耦合所述第二运算放大器级的负差分输出到第一运算放大器级的正差分输入。
6.如权利要求2所述的设备，其中，所述两级差分运算放大器还包括电压电平移位器，该电压电平移位器被耦合在所述第一运算放大器级和所述第二运算放大器级之间，所述电压电平移位器将从所述第一运算放大器级输出的第一电压电平转换到输入到所述第二运算放大器级的第二电压电平。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述第一运算放大器级包含套筒式放大器，所述第二运算放大器级包括共源放大器。
8.如权利要求1所述的设备，还包括控制逻辑，所述控制逻辑被耦合到所述输入开关电容网络和所述反馈开关电容网络，所述控制逻辑在操作的第一阶段断言第一控制信号，并在操作的第二阶段断言第二控制信号，所述输入开关电容网络和所述反馈开关电容网络响应于所述第一和第二控制信号。
9.一种开关电容电路的操作方法，所述开关电容电路包括两级运算放大器，反馈开关电容网络，和输入开关电容网络，该方法包括：
在所述开关电容电路操作的第一阶段，利用所述输入开关电容网络对差分输入信号进行采样；
在所述第一阶段，将所述两级运算放大器的第二级的差分输出相互耦合；以及
在放大所述差分输入信号的同时，在所述开关电容电路操作的第二阶段，经由所述反馈开关电容网络，将来自所述两级运算放大器的第二级的差分输出信号反馈到第一级的输入。
10.如权利要求9所述的方法，还包括，在操作的第一阶段，暂时性地将来自第一级的差分输出耦合到第一级的差分输入。
11.如权利要求10所述的方法，还包括，在所述第一阶段对所述反馈开关电容网络中的反馈电容进行放电。
12.如权利要求10所述的方法，还包括，将从第一级输出的电压电平移位到输入第二级的不同电压电平。
13.如权利要求9所述的方法，其中，在所述第一阶段，将所述两级运算放大器的第二级的差分输出相互耦合包括将晶体管开关闭路，该晶体管开关将所述差分输出耦合在一起。
14.如权利要求9所述的方法，其中，所述输入开关电容网络和所述反馈开关电容网络配置所述两级运算放大器以执行积分功能。
15.一种系统，包括：
用于获取图像数据的像素阵列；
与所述像素阵列耦合的读出复用器，用于读出来自所述像素阵列的图像数据；以及
与所述读出复用器耦合的读出放大器，用于放大所述图像数据，所述读出放大器包括：
两级差分运算放大器，其包括第一级和第二级，所述两级差分运算放大器被耦合以在差分输入端接收图像数据，并在差分输出端输出放大的图像数据；以及
重置开关，其耦合在所述差分输出端之间，以选择性地在所述读出放大器的操作的重置阶段将所述差分输出端耦合在一起。
16.如权利要求15所述的系统，其中，所述读出复用器还包括：
反馈网络，用以选择性地在所述读出放大器的操作的重置阶段，将第一级的第一中间输出耦合到输入到第一级的所述差分输入端中的第一差分输入端，以及选择性地在操作的放大阶段，将从第二级输出的差分输出端中的第一差分输出端耦合到所述第一级的第一差分输入端。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述反馈网络包括：
第一开关，其耦合在第一级的第一中间输出和电路节点之间；
第二开关，其耦合在所述电路节点和所述第一差分输入端之间；
第三开关，其耦合在所述第一差分输出端和所述电路节点之间；以及
反馈电容，其耦合在所述电路节点和所述第一差分输入端之间。
18.如权利要求17所述的系统，其中，所述反馈网络包括第一反馈开关电容网络，所述读出放大器还包括第二反馈开关电容网络，用以在操作的重置阶段选择性地耦合第一级的第二中间输出到第二差分输入端，以及在操作的放大阶段，选择性地耦合第二差分输出端到所述第二差分输入端。
19.如权利要求17所述的系统，其中，所述读出放大器还包括输入开关电容网络，该输入开关电容网络被耦合在所述读出复用器和所述第一级的差分输入端之间，所述输入开关电容网络被耦合以为所述两级运算放大器采样和保持图像数据。
20.如权利要求16所述的系统，其中，所述两级运算放大器还包括电压电平移位器，该电压电平移位器被耦合在第一级和第二级之间，该电压电平移位器被耦合以将从第一级输出的电压电平移位到输入到第二级的不同电压电平。
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