CN102751956B - 一种开关电容共模反馈结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电容共模反馈结构，它属于模拟集成电路技术，特别涉及一种能提高全差分运算放大器输出摆幅，减小共模电压建立时间，提高共模电压精度的开关电容共模反馈结构。该结构包括：一共模检测开关电容电路和一运算放大器电路。本发明的共模检测开关电容电路由四个开关和四个电容构成，可增大全差分运算放大器输出摆幅，检测全差分运算放大器输出共模电压，降低开关电荷注入、时钟馈通以及电容初始固有电荷对共模检测精度的影响。检测到的共模电压与理想共模电压通过运算放大器比较放大后输出共模反馈电流源偏置电压，可以有效减小共模电压建立时间，提高共模电压精度。

Description

一种开关电容共模反馈结构

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，特别涉及一种采用开关电容和运算放大器实现的共模反馈结构。

背景技术

由于工艺的改进和设计水平的不断提高，集成电路开发朝着高速高精度和低功耗的方向发展。在模拟电路设计中，带有共模反馈结构的全差分运算放大器是普遍运用的基本电路单元。

具有高输出摆幅、快速稳定、高精度和低功耗的全差分运算放大器对模拟电路的设计尤为重要，而共模反馈结构直接影响到全差分运算放大器的各项性能。共模反馈结构可以分为连续时间共模反馈结构和开关电容共模反馈结构。连续时间共模反馈结构主要应用于连续时间电路中，其具有限制运放输出摆幅，增大输出电阻负载，增加静态功耗等缺点。开关电容共模反馈结构在这几方面具有优势，但其共模电压建立时间较慢，且共模稳定电压波动较大，限制了全差分运算放大器的速度和精度。

为了增大运放输出摆幅，避免运放的输出电阻负载，降低静态功耗，全差分运算放大器经常采用开关电容共模反馈结构，传统的开关电容共模反馈结构如图1所示。在图1中，开关电容共模反馈包括开关S₁~S₆和电容C₁-C₂。开关由两相非交叠时钟φ₁和φ₂控制，V_op和V_on分别为全差分运算放大器双端输出电压，V_cmfb为共模反馈电流源偏置电压，V_cm是理想共模电压，V_bias为直流偏置电压。

当S₁~S₃闭合、S₄~S₆断开时，根据电荷分配原理，所有电容上存储的总电荷为：

Q₁=2C₁·（V_cm-V_bias）+（V_op-V_cmfb)·C₂+(V_on-V_cmfb)·C₂                (式1)

当S₁~S₃断开、S₄~S₆闭合时，根据电荷分配原理，所有电容上存储的总电荷为：

Q₂=（V_op-V_cmfb)·（C₁+C₂）+(V_on-V_cmfb)·（C₁+C₂）                     (式2)

由电荷守恒Q₁=Q₂，可得：

$V_{\mathrm{cmfb}}=(\frac{V_{\mathrm{op}}+V_{\mathrm{on}}}{2}-V_{\mathrm{cm}})+V_{\mathrm{bias}}$ (式3)

由式3式可知，开关电容共模反馈首先检测输出共模电压，再与理想共模电压比较，最后叠加一个直流偏置电压来调节共模反馈电流源偏置电压V_cmtb。

传统开关电容共模反馈电路对输出共模电压的反馈控制是离散的，是在每次电荷转移的半个时钟周期中完成的，校准也是在不断重复的半时钟周期内完成的，因此共模电压建立时间较慢。开关电容共模反馈是通过每次电荷转移使得(V_op+V_on)/2-V_cmfb接近V_cm-V_bias，而不像连续时间共模反馈那样直接检测和比较放大，因此开关电容共模反馈的共模点最终无法保证能精确稳定在理想共模电压V_cm上。

发明内容

本发明为了克服连续时间共模反馈电路输出摆幅的限制和开关电容共模反馈电路共模电压建立缓慢、共模电压精度低的缺点，提出了一种采用开关电容和运算放大器实现的共模反馈结构，该结构采用开关电容电路检测输出共模电压，通过运算放大器放大共模误差量并反馈到全差分运算放大器，可以有效地提高全差分运算放大器的输出摆幅，减小共模电压建立时间，提高稳定共模电压精度。

本发明提供的了一种共模反馈结构，包括一共模检测开关电容电路201和一运算放大器电路202。共模检测开关电容电路201包含四个开关S₁~S₄、两个电容C₁和两个电容C₂，其连接关系如下：全差分运算放大器的双端输出分别接到201的两个输入端，两个电容C₁和两个电容C₂的一端全部接到同一点，开关S₃和S₄的两端分别接到电容C₁和C₂的另一端，开关S₁和S₂的两端分别接到电容C₁的两端，当开关S₁和S₂断开、开关S₃和S₄闭合时，电容C₁和C₂并联，当开关S₁和S₂闭合、开关S₃和S₄断开时，电容C₁短路。运算放大器电路202为一个运算放大器，它的正输入端接到共模检测开关电容电路201的输出端，负输入端接理想共模电压，输出接回全差分运算放大器的电流源偏置点，以稳定全差分运算放大器的共模电压。

本发明与传统开关电容共模反馈相比，减少了两个开关，同时增加了一个运运算放大器，共模检测开关电容电路201包含四个开关S₁~S₄、两个电容C₁和两个电容C₂，其中V_op和V_on分别为全差分运算放大器双端输出电压，V_cmfb为共模反馈电流源偏置电压，V_cm是理想共模电压，V_det为中间检测共模电压。开关由两相非交叠时钟φ₁和φ₂控制。稳定全差分运算放大器的共模电压。

当S₁和S₂闭合、S₃和S₄断开时，C₂上有电荷存储，而C₁被短路，故所有电容上总电荷为：

Q₁=（V_op-V_det)·C₂+（V_on-V_det)·C₂                           (式4)

当S₁和S₂断开、S₃和S₄闭合时，C₁和C₂上都有电荷存储，故所有电容上总电荷为：

Q₂=（V_op-V′_det)·（C₁+C₂）+(V_on-V′_det)·（C₁+C₂）          (式5)

其中，V′_det是该时刻的中间检测共模电压，即是V_det下一个时刻的共模检测输出电压。

由电荷守恒Q₁=Q₂，可得：

$(C_1+C_2)\·V_{\det }^{\′}-C_2\·V_{\det }=\frac{V_{\mathrm{op}}+V_{\mathrm{on}}}{2}\·C_1$ (式6)

将式6转化为数列计算，令V′_det=V_n，V_det=V_n-1，则有：

$(C_1+C_2)\·V_n-C_2\·V_{n-1}=\frac{V_{\mathrm{op}}+V_{\mathrm{on}}}{2}\·C_1$ (式7)

通过解式7数列，可得

$V_n=\frac{V_{\mathrm{op}}+V_{\mathrm{on}}}{2}+{\left(\frac{C_2}{C_1+C_2}\right)}^n\·(V_0-\frac{V_{\mathrm{op}}+V_{\mathrm{on}}}{2})$ (式8)

其中V₀是在初始状态下开关电容电路中间检测电压值，这是由于电路在未工作之前电容上存储了初始固有电荷。

从而有：

$V_{\det }=\frac{V_{\mathrm{op}}+V_{\mathrm{on}}}{2}+{\left(\frac{C_2}{C_1+C_2}\right)}^n\·(V_0-\frac{V_{\mathrm{op}}+V_{\mathrm{on}}}{2})$ (式9)

式9中，V_det为中间检测共模电压，V_op和V_on分别为全差分运算放大器双端输出电压，V₀是在初始状态下中间检测电压值，C₁和C₂表示开关电容电路中两个电容的电容值，n为电路开关转换次数。由式9可知，C₂/(C₁+C₂)小于1，当开关转换次数n大到一定值后，等式右边第二项接近于0，则V_det近似等于(V_op+V_on)/2。所以，共模反馈经过一段时间后V_det等于输出共模电压，即开关电容电路检测到输出共模电平。

共模检测开关电容电路201检测到共模电平V_det后，再经过运算放大器电路202与理想共模电压V_cm比较放大，最终输出共模反馈电流源偏置电压为：

V_cmfb=A_v·（V_det-V_cm）+V_bias                    (式10)

其中，A_v是共模反馈结构中运放的直流增益；当V_det=V_cm时，共模反馈结构中运放输出直流偏置电压V_bias。

由式10可见，该共模反馈结构同样首先检测共模电平，再经过运放与理想共模电压相减后放大，最后叠加直流偏置电压V_bias来调节共模反馈电流源偏置电压V_cmfb。

本发明采用共模检测开关电容电路201作为共模检测器，可以提高全差分运算放大器的输出摆幅。本发明相对于传统开关电容共模反馈结构减少了两个开关，降低了开关电荷注入和时钟馈通的影响，另外，共模检测开关电容电路201降低了电容初始固有电荷的影响，提高了共模检测精度。本发明采用了一运算放大器电路202，对共模偏移量进行放大并提供连续时间偏置电压，从而有效提高稳定共模电压精度，并降低共模电压建立时间。

附图说明

图1传统开关电容共模反馈结构示意图；

图2本发明开关电容共模反馈结构示意图；

图3本发明实施例与传统开关电容共模反馈结构仿真结果对比。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的具体实施实例。

如图2所示，提供了一种开关电容共模反馈电路，包括一共模检测开关电容电路201以及一运算放大器电路202。共模检测开关电容电路201由开关S₁~S₄、两个电容C₁和两个电容C₂构成，V_op和V_on分别为全差分运算放大器双端输出电压，V_cmfb为共模反馈电流源偏置电压，V_cm是理想共模电压，V_det为中间检测共模电压。四个开关S₁~S₄由两相非交叠时钟φ₁和φ₂控制，其中S₁和S₂由时钟信号φ₁控制,S₃和S₄由时钟信号φ₂控制。

假设在第一个时刻，即非交叠时钟的半个周期内，共模检测开关电容电路201中开关S₁和S₂闭合、S₃和S₄断开，则电容C₁被短路，C₁上存储的初始电荷被两个极板平均分配，故电容C₁上电压为0，电容C₂可检测输出共模电压，但电容C₂上存储的初始电荷未被平均，从而会影响共模检测精度。

下一个时刻，即非交叠时钟的下半个周期，共模检测开关电容电路201中开关S₁和S₂断开、S₃和S₄闭合，此时电容C₁和C₂并联，共同检测共模电压，同时，电容C₂上存储的初始电荷部分转移到电容C₁上，故此时检测到的共模电压比上一时刻要精确。

接下来的第三个时刻，重复第一个时刻状态，共模检测开关电容电路201中开关S₁和S₂闭合、S₃和S₄断开，电容C₂检测输出共模电压，电容C₁被短路，即由电容C₂转移到电容C₁上的初始电荷被两个极板平均分配。

非交叠时钟经过多个半周期控制开关的切换，电容上存储的固有初始电荷渐渐平均到电容的两个极板，从而初始固有电荷对共模电压的检测几乎没有影响，最终共模检测开关电容电路201检测到高精度共模电压。

共模检测开关电容电路201检测到共模电压后，将其输入到运算放大器202的正端，运算放大器的负端接理想共模电压，进而运算放大器将共模差值放大，共模电压有微小的波动都会被运算放大器202放大，再通过负反馈来调节全差分运算放大器共模点，因此该结构稳定共模点精度高。另外，由于初始直流偏置电压是由连续时间电路运算放大器直接提供，故共模建立时间快。

本发明一种开关电容共模反馈结构和传统的开关电容共模反馈结构仿真对比如图3所示。两种结构运用在同一个全差分运算放大器中，且开关和电容的尺寸一致。本实施例中全差分运算放大器的理想共模电压为1.25V，从共模电压的瞬态仿真波形可以看出：运用本发明一种开关电容共模反馈结构的共模电压建立时间约为200ns，稳定后共模电压的波动范围是1.2505V-1.2513V；而运用传统开关电容共模反馈结构的共模电压建立时间约为1.2μs，稳定后共模电压的波动范围是1.2446V-1.2469V。可见，运用本发明的全差分运算放大器共模建立时间短，稳定后共模电压精度高。

上述实施例的开关电容共模反馈结构适用于各类全差分运算放大器中，特别适合于开关电容电路中。

综上所述，本发明的开关电容共模反馈结构，由于包括开关电容共模检测电路201和运算放大器电路202，可以使得全差分运算放大器实现高输出摆幅，快速建立共模电压，以及输出高精度共模电压。

虽然本发明的一种开关电容共模反馈结构已经以实例的形式公开如上，然而并非用以限定本发明，如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种开关电容共模反馈结构，包含一共模检测开关电容电路(201)和一运算放大器电路(202)，其特征在于：所述的共模检测开关电容电路(201)由四个开关S1～S4、两个电容C₁和两个电容C₂组成，全差分运算放大器的双端输出电压V_op和V_on分别接到共模检测开关电容电路(201)的两个输入端，两个电容C₁和两个电容C₂的一端全部接到同一点，开关S₃和S₄的两端分别接到电容C₁和C₂的另一端，开关S₁和S₂的两端分别接到电容C₁的两端，当开关S₁和S₂断开、开关S₃和S₄闭合时，电容C₁和C₂并联，当开关S₁和S₂闭合、开关S₃和S₄断开时，电容C₁短路，开关由非交叠时钟φ₁和φ₂控制，经过多个时钟后共模检测开关电容电路(201)输出中间检测共模电压，该电压可表示为：

$V_{\det }=\frac{V_{\mathrm{op}}+V_{\mathrm{on}}}{2}+{\left(\frac{C_2}{C_1+C_2}\right)}^n\·(V_0-\frac{V_{\mathrm{op}}+V_{\mathrm{on}}}{2})$

其中：V_det为中间检测共模电压，V_op和V_on为全差分运算放大器双端输出电压，V₀是在初始状态下中间检测电压值，C₁和C₂表示电路中两个电容的电容值，n为电路中开关的转换次数，该开关电容电路(201)检测到共模电压V_det后，将其输入到运算放大器(202)的正端，再经过运算放大器电路(202)与理想共模电压V_cm比较放大，理想共模电压V_cm连接到运算放大器电路(202)的负端，输出共模反馈电流源偏置电压V_cmfb，并反馈回全差分运算放大器的电流源偏置点，稳定全差分运算放大器的共模电压。