CN102624337B - 对电容失配和采样信号共模不敏感的2倍开关电容放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数模混合集成电路设计领域。为消除开关电容放大器结构中电容失配对放大倍数的影响；调整电路结构，使运放工作在稳定的共模电压下，消除对采样信号共模电平的要求，本发明采取的技术方案是，对电容失配和采样信号共模不敏感的2倍开关电容放大器，电容放大器结构是：由4个电容C₁₁、C₁₂、C₂₁、C₂₂及运放构成，在采样阶段：电容C₁₁、电容C₂₁相连，电容C₁₁另一端连接运放的负输出端，同时接运放输出共模电压Vocom，电容C₂₁另一端连接运放的正输入端；在放大阶段：电容C₂₁与电容C₁₂串联后接到运放正输入端与负输出端之间。本发明主要应用于开关电容放大器的设计制造。

Description

对电容失配和采样信号共模不敏感的2倍开关电容放大器

技术领域

本发明涉及数模混合集成电路设计领域，尤其涉及开关电容放大器的设计，具体讲，对电容失配和采样信号共模不敏感的2倍开关电容放大器。

背景技术

在一些模拟电路中，如模数转换，通常需要进行精确的2倍放大。使用开关电容放大器进行放大是比较常见的方法。最常见到的2倍开关电容放大器如附图1所示。在采样阶段，将电容C1、C2充电到Vin+-Vcom，将电容C3、C4充电到Vin--Vcom。运放的输入输出端短接到电位Vcom。在放大阶段将C2、C3的下极板短接，将C1的下极板接到运放的负输出端，将C4的下极板接到运放的正输出端。由电荷守恒方程，C2、C3中的电荷将导入到C1、C4中，最后在输出端的放大倍数为：

$\mathrm{\ΔVout}=\mathrm{\ΔVin}(1+\frac{C2C3}{C2+C3}\·\frac{C1+C4}{C1C4})$

如果C1、C2、C3、C4容值相等，则放大倍数为2倍。但是，受工艺影响，一旦电容存出现失配，则放大倍数会产生偏差。

现有解决方案原理如附图2所示。在采样阶段将电容C1、C2充电到Vin+-Vcom，将电容C3、C4充电到Vin--Vcom。在放大阶段将C1、C2串联在运放的正输入端和负输出端，同理，C3、C4串联在负输入端和正输出端，来避免电容失配的影响。有电荷守恒方程，放大倍数为：

ΔVout＝2ΔVin

这种结构对电容的失配不敏感，但是当采样信号共模变化较大，甚至不是差分信号时，要求运放要有很大的输入共模承受范围，否则会导致运放不能正常工作，进而影响整个放大电路的工作。

发明内容

本发明旨在解决克服现有技术的不足，消除开关电容放大器结构中电容失配对放大倍数的影响；调整电路结构，使运放工作在稳定的共模电压下，消除对采样信号共模电平的要求。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，对电容失配和采样信号共模不敏感的2倍开关电容放大器，电容放大器结构是：由4个电容C₁₁、C₁₂、C₂₁、C₂₂及运放构成，在采样阶段：电容C₁₁、电容C₂₁相连，电容C₁₁另一端连接运放的负输出端，同时接运放输出共模电压Vocom，电容C₂₁另一端连接运放的正输入端，电容C₁₁、电容C₂₁连接点接正差分信号；电容C₁₂、电容C₂₂相连，电容C₁₂另一端连接运放的正输出端，同时接运放输出共模电压Vocom，电容C₂₂另一端连接运放的负输入端，电容C₁₂、电容C₂₂连接点接负差分信号；在放大阶段：电容C₂₁与电容C₁₂串联后接到运放正输入端与负输出端之间，电容C₁₁与电容C₂₂串联后接到运放负输入端与正输出端之间。

电容放大器结构是：正差分信号经开关101、电容C₂₁接到运放正输入端；正差分信号经开关102、电容C₁₁、开关103接运放输出共模电压Vocom；运放负输出端经开关104接到运放输出共模电压Vocom；负差分信号经开关105、电容C₂₂接到运放负输入端；负差分信号经开关106、电容C₁₂、开关107接运放输出共模电压Vocom；运放正输出端经开关108接到运放输出共模电压Vocom；运放正输入端与负输入端之间串接开关109、开关110；运放正输入端经开关109接运放输入共模电压；运放负输入端经开关110接运放输入共模电压；开关102、电容C₁₁之间与开关105、电容C₂₂之间跨接开关201；开关101、电容C₂₁之间与开关106、电容C₁₂之间跨接开关202；开关103、电容C₁₁之间与运放正输出端间接开关203；开关107、电容C₁₂之间与运放负输出端间接开关204；在采样阶段，开关101至110闭合，开关201至204断开；在放大阶段，开关101至110断开，开关201至204闭合。

本发明的技术特点及效果：

根据电荷守恒方程，由于在本结构中避免了电容间的电荷转移，所以抑制了电容失配对放大倍数的影响；

由于在放大阶段运放每侧的两个串联电容在采样阶段中一个接在正输入端，另一个接在负输入端，使得运放的输入、输出共模电平稳定在固定值，所以可以对共模电平变动较大的采样信号进行放大，而不用要求运放具有很大的输入共模承受范围。

附图说明

图1传统的精确乘2电路。

图2已有解决方案。

图3本发明方案的工作原理。

图4本发明方案的电路结构。

具体实施方式

本发明的方案如附图3所示，为了抑制电容失配的影响，可以采用将两个电容串联到输入端和输出端的办法来避免电荷转移，从而消除电容失配带来的电压变化。同时为了使采样信号的共模值达到全摆幅，在放大阶段可以将采样阶段正输入端的电容C21与负输入端的电容C12串联后接到正输入端与负输出端之间，将采样阶段正输入端的电容C11与负输入端的电容C22串联后接到负输入端与正输出端之间。

由电荷守恒方程得：

V_out+＝V_icom+V_in+-V_icom+V_ocom-V_in-

V_out-＝V_icom+V_in--V_icom+V_ocom-V_in+

$\frac{1}{2}(V_{\mathrm{out}+}+V_{\mathrm{out}-})=V_{\mathrm{ocom}}$

V_out＝2ΔV_in

本发明的电路结构如附图4所示。在实际设计中运放的输入、输出共模值Vicom和Vocom可以分别定义，如Vicom＝1.8V，Vocom＝1.6V，根据需要以及运放结构的不同，共模电压可以灵活调整。在采样阶段，开关101至110表示的联动开关闭合，开关201至204表示的联动开关断开；在放大阶段，开关101至110表示的联动开关断开，开关201至204表示的联动开关闭合。

例如采样信号为Vin+＝0.5V，Vin-＝0V，运放输入共模为Vicom＝1.8V，输出共模为Vocom＝1.6V。在采样阶段，电容C11充电到Vin+-Vocom＝-1.1V，C21充电到Vin+-Vicom＝-1.3V，电容C22充电到Vin--Vicom＝-1.8V，C12充电到Vin--Vocom＝-1.6V。

在放大阶段，将C21、C12串联在运放的正输入端和负输出端，压降为1.6V-1.3V＝0.3V，同理，C22、C11串联在负输入端和正输出端，压降为-1.8V+1.1V＝-0.7V。运放差模输出为0.3V-(-0.7V)＝1V，而采样信号差模值为0.5V-0V＝0.5V，实现了2倍放大。此时运放的输入共模仍然为Vicom＝1.8V，输出共模仍然为Vocom＝1.6V。运放的直流工作点并未发生改变，与采样信号的共模值无关。

Claims (2)

1.一种对电容失配和采样信号共模不敏感的2倍开关电容放大器，其特征是，电容放大器结构是：由第1-4共4个电容(C₁₁、C₁₂、C₂₁、C₂₂)及运放构成，在采样阶段：第1电容(C₁₁)、第3电容(C₂₁)相连，第1电容(C₁₁)另一端连接运放的负输出端，同时接运放输出共模电压(Vocom)，第3电容(C₂₁)另一端连接运放的正输入端，第1电容(C₁₁)、第3电容(C₂₁)连接点接正差分信号；第2电容(C₁₂)、第4电容(C₂₂)相连，第2电容(C₁₂)另一端连接运放的正输出端，同时接运放输出共模电压(Vocom)，第4电容(C₂₂)另一端连接运放的负输入端，第2电容(C₁₂)、第4电容(C₂₂)连接点接负差分信号；在放大阶段：第3电容(C₂₁)与第2电容(C₁₂)串联后接到运放正输入端与负输出端之间，第1电容(C₁₁)与第4电容(C₂₂)串联后接到运放负输入端与正输出端之间。 

2.如权利要求1所述的电容放大器，其特征是，电容放大器结构是：正差分信号经第1开关(101)、第3电容(C₂₁)接到运放正输入端；正差分信号经第2开关(102)、第1电容(C₁₁)、第3开关(103)接运放输出共模电压(Vocom)；运放负输出端经第4开关(104)接到运放输出共模电压(Vocom)；负差分信号经第5开关(105)、第4电容(C₂₂)接到运放负输入端；负差分信号经第6开关(106)、第2电容(C₁₂)、第7开关(107)接运放输出共模电压(Vocom)；运放正输出端经第8开关(108)接到运放输出共模电压(Vocom)；运放正输入端与负输入端之间串接第9开关(109)、第10开关(110)；运放正输入端经第9开关(109)接运放输入共模电压；运放负输入端经第10开关(110)接运放输入共模电压；第2开关(102)、第1电容(C₁₁)之间与第5开关(105)、第4电容(C₂₂)之间跨接第11开关(201)；第1开关(101)、第3电容(C₂₁)之间与第6开关(106)、第2电容(C₁₂)之间跨接第12开关(202)；第3开关(103)、第1电容(C₁₁)之间与运放正输出端间接第13开关(203)；第7开关(107)、第2电容(C₁₂)之间与运放负输出端间接第14开关(204)；在采样阶段，第1开关(101)至第10开关(110)闭合，第11开关(201)至第14开关(204)断开；在放大阶段，第1开关(101)至第10开关(110)断开，第11开关(201)至第14开关(204)闭合。 

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