CN101986559A - 一种模拟信号处理电路 - Google Patents
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Abstract
一种模拟信号处理电路,包括差分放大器,所述差分放大器包括第一输入端,第二输入端以及输出端;所述模拟信号处理电路还包括:第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第一电容和第二电容;外部模拟信号依次通过第一开关和第二开关与所述第一输入端相连;第二输入端与地连接;第一电容的上极板连接在第一开关和第二开关之间,第一电容的下极板与地连接;第三开关串接于差分放大器的第一输入端和输出端之间;第二电容的上极板与第一输入端相连接,第二电容的下极板通过第四开关与地串联;第二电容的下极板还通过第四开关与所述输出端串联;第一开关、第三开关和第四开关在信号采集阶段导通;第二开关和第五开关在保持放大阶段导通。
Description
技术领域
本发明涉及混合信号系统领域,具体为一种模拟信号处理电路。
背景技术
在混合信号系统中,通常需要模拟信号处理电路采集模拟信号并进行放大,再传送给信号处理系统进行后续处理;上述模拟信号处理电路通常包含一个差分放大器,因差分放大器正负输入端之间存在固有失调,即使输入信号为零输出都会有一个失调输出,这是一个很明显的缺陷;因此带输入失调电压消除的模拟信号处理电路成为首选。
现有的一种带有失调电压校正功能的模拟信号处理电路如图1所示,包含开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7,补偿电容Cm(对应容值也用Cm表示,以下类同)以及一个差分输入单端输出的放大器。电压信号Vin从正输入端输入,在输出端得到输出电压Vout。
对于现有的模拟信号处理电路,通常按照两个阶段来分析其消除失调电压的过程,从失调电压的角度来说,即失调电压的采集阶段和保持消除阶段,从信号传输的角度来说,是信号的采集阶段和保持放大阶段。在一个采样周期中,首先进入信号的采集阶段时,S2、S3、S5、S7闭合导通,S1、S4、S6打开关断,此时放大器接成单位增益缓冲器的形式,等效电路如图2,补偿电容跨接在输出端和地之间,输出电压等于输入失调电压Vos并存储于补偿电容Cm上。其次进入保持放大阶段时,S2、S3、S5、S7打开,S1、S4、S6闭合,等效电路如图3,补偿电容跨接在输出端和负输入端之间,此时与Vos幅度相等,方向相反的电压出现在负输入端,此时电压信号输入,在正输入端迭加Vos后又减去负输入端的Vos,等于为Vos被消除了。以上是未考虑负输入端对地寄生电容Cp的分析结果。不幸的是,考虑Cp重新分析后发现在第一时段到第二时段的切换时,Cp电压从Vos变为Vin,电容会被充电。这会给放大器的增益带来误差,该误差以相对值Cp/(Cp+Cm)来考量。在增益精度要求很高的场合,如规定增益误差不超过0.01%,即使Cp只有几个pF,Cm也要数万pF,这在容值最多只有几个fF/um^2的CMOS工艺中将会耗费惊人的面积。这是该技术的主要不足。
现有的另一种带有失调电压校正功能的模拟信号处理电路如图4所示,电路包含开关S10、S20、S30、S40、S50、S60、S70,补偿电容Cm1,电容C1、C2以及一个差分输入单端输出的放大器。和传统自调零技术一最大的区别是,输入电压信号从放大器负输入端输入,在输出端得到输出电压Vout,形成一个反相放大器,另外补偿电容跨接在正输入端和地之间。在一个采样周期中,第一阶段,S10、S30、S50、S60闭合,S20、S40、S70打开,此时放大器也接成单位增益缓冲器的形式,等效电路如图5,C1电容和输入相连采样输入电压,补偿电容跨接在输出端和地之间,输出电压和输入失调电压Vos幅度相等、方向相反,并存储于补偿电容Cm1上。第二阶段,S10、S30、S50、S60断开,S20、S40、S70闭合,等效电路如图6,补偿电容跨接在正输入端和地之间,此时与Vos幅度相等、方向相反的电压出现在正输入端,切换瞬间的输入电压值被冻结在C1上,加载Vos后又加载一个-Vos,同样等效为Vos被消除了。纯净的输入信号通过C1,C2及差分放大器组成的电荷放大器放大并输出,闭环增益由反馈网络C1,C2决定。同样不幸的是,正输入端寄生电容在两个阶段电压从Vos变为Vin,切换瞬间会被充电,这会导致在正输入端得到的-Vos出现误差,而不是精确的-Vos,该误差以Cp1/(Cp1+Cm1)考量。在要求较高的场合,同样需要一个大的补偿电容。
发明内容
本发明要解决的技术问题为:现有技术中存在的差分放大器,其输入端在工作的过程中易受寄生电容的影响,在满足高增益精度要求的同时,无法避免对芯片的面积造成浪费。
为解决上述技术问题,本发明提出如下技术方案:
一种模拟信号处理电路,包括差分放大器,所述差分放大器包括第一输入端,第二输入端以及输出端;其特征在于:所述模拟信号处理电路还包括:第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第一电容和第二电容;外部模拟信号依次通过第一开关和第二开关与所述第一输入端相连;所述第二输入端与地连接;所述第一电容的上极板连接在第一开关和第二开关之间,所述第一电容的下极板与地连接;所述第三开关串接于差分放大器的第一输入端和输出端之间;所述第二电容的上极板与第一输入端相连接,所述第二电容的下极板通过第四开关与地串联;所述第二电容的下极板还通过第四开关与所述输出端串联;其中第一开关、第三开关和第四开关在信号采集阶段导通;第二开关和第五开关在保持放大阶段导通。
与现有技术相比,本发明所提供的一种模拟信号处理电路在整个采样-保持周期中,差分放大器第二输入端始终接地,电位没有变化;第一入端电位一直为Vos,也没有变化。这样正负输入端的寄生电容并没有充放电,既不会带来增益误差,也不会损害减小失调的效果。在提高了性能的基础上并未增加芯片的面积及功耗,还由于减少了开关的使用减少了开关噪声的影响,增强了放大电路的抗干扰性。
附图说明
图1为现有的一种带有失调电压校正功能的模拟信号处理电路;
图2为图1中所示电路处于信号采集阶段的等效电路图;
图3为图1中所示电路处于信号保持放大阶段的等效电路图;
图4为现有的另一种带有失调电压校正功能的模拟信号处理电路;
图5为图4中所示电路处于信号采集阶段的等效电路图;
图6为图4中所示电路处于信号保持放大阶段的等效电路图;
图7为本发明第一实施例的模拟信号处理电路图;
图8为本发明第一实施例处于信号采集阶段的等效电路图;
图9为本发明第一实施例处于信号保持放大阶段的等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例一:
如图7至9所示,为本发明提供的第一种模拟信号处理电路,包括差分放大器,所述差分放大器包括第一输入端,第二输入端以及输出端;所述模拟信号处理电路还包括:第一开关S100、第二开关S200、第三开关S300、第四开关S400、第五开关S500、第一电容C10和第二电容C20;外部模拟信号依次通过第一开关和第二开关与所述第一输入端相连;所述第二输入端与地连接;所述第一电容的上极板连接在第一开关和第二开关之间,所述第一电容的下极板与地连接;所述第三开关串接于差分放大器的第一输入端和输出端之间;所述第二电容的上极板与第一输入端相连接,所述第二电容的下极板通过第四开关与地串联;所述第二电容的下极板还通过第四开关与所述输出端串联;本实施例中的第一输入端为差分放大器的负输入端,第二输入端为差分放大器的正输入端;
在此同样按照两个阶段来分析其消除失调电压的过程,从失调电压的角度来说,即失调电压的采集阶段和保持消除阶段,从信号传输的角度来说,是信号的采集阶段和保持放大阶段。在一个采样周期中,首先进入信号的采集阶段时,第一开关S100、第三开关S300和第四开关S400在信号采集阶段导通;第二开关S200和第五开关S500关闭。此时的等效电路图如图8所示,此时外部模拟信号Vin和电容C10的上极板相连,C10中的电荷总量Q1=C10*Vin.差分放大器接成单位增益缓冲器的形式,输入失调电压被采集后送到输出端,输出电压Vout=Vos,并存储在电容C20上。接下来进入保持放大阶段,第一开关S100、第三开关S300和第四开关S400在信号采集阶段关闭;第二开关S200和第五开关S500在保持放大阶段导通。此时的等效电路如图9所示,电路接成电荷放大器的形式。和Vos幅度相等,方向相同的电压出现在放大器负输入端,相当于从输入端减去了一个Vos,相当于失调电压被调零了。此时电容C10连接在放大器负输入端和地之间,由于放大器的“虚短”特性,负输入端“虚地”,电容C10的上下极板电势差变为0,C10中的电荷被倒入已经跨接在负输入端和输出端之间的电容C2中,根据电荷守恒定律,Q1=Q2即Vin*C10=Vout*C20,从而得到系统增益Vout/Vin=C10/C20.系统增益误差仅仅来源于电容的相对误差。在CMOS工艺中,该误差可以小到0.1%。
在整个采样-保持周期中,差分放大器正输入端始终接地,电位没有变化;负输入端电位一直为Vos,也没有变化。这样正负输入端的寄生电容并没有充放电,既不会带来增益误差,也不会损害减小失调的效果。在提高了性能的基础上并未增加芯片的面积及功耗,还由于减少了开关的使用减少了开关噪声的影响,增强了放大电路的抗干扰性。
在某些实施例中,第一输入端也可以为差分放大器的正输入端,第二输入端也可以为差分放大器的负输入端;其具体工作过程与实施例一类似,在此不再赘述。
Claims (3)
1.一种模拟信号处理电路,包括差分放大器,所述差分放大器包括第一输入端,第二输入端以及输出端;其特征在于:所述模拟信号处理电路还包括:第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第一电容和第二电容;外部模拟信号依次通过第一开关和第二开关与所述第一输入端相连;所述第二输入端与地连接;所述第一电容的上极板连接在第一开关和第二开关之间,所述第一电容的下极板与地连接;所述第三开关串接于差分放大器的第一输入端和输出端之间;所述第二电容的上极板与第一输入端相连接,所述第二电容的下极板通过第四开关与地串联;所述第二电容的下极板还通过第四开关与所述输出端串联;其中第一开关、第三开关和第四开关在信号采集阶段导通;第二开关和第五开关在保持放大阶段导通。
2.根据权利要求1所述的模拟信号处理电路,其特征在于:所述第一输入端为差分放大器的正输入端,所述第二输入端为差分放大器的负输入端。
3.根据权利要求1所述的模拟信号处理电路,其特征在于:所述第一输入端为差分放大器的负输入端,所述第二输入端为差分放大器的正输入端。
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