CN103259493A - 一种利用非对称电容实现低功耗开关放大电路的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用非对称电容实现低功耗开关放大电路方法，包括如下步骤：a.基于对开关放大电路进行非理想特性的分析；b.使用低增益运放；c.使用非对称电容特性进行补偿。和传统的开关电容放大电路相比，该发明在同等精度目标下降低了对放大器的高增益要求（从80-90分贝降到约40分贝），从而使得开关电容放大器的功耗显著降低（>60%），占用芯片面积减小，并使得使用该模块的系统如Pipeline模数转换器功耗减少40%，促进系统的整体性能大幅提升。

Description

一种利用非对称电容实现低功耗开关放大电路的方法
技术领域
本发明涉及电子工程中的半导体工艺和电路设计技术，以及使用半导体工艺实现的混合信号电路系统。
背景技术
开关电容放大电路广泛应用于各种模数转换器如Pipeline ADC和Delta-Sigma ADC以及其它的混合信号电路系统如滤波器，数模转换器等。如图1，和连续时间的电阻反馈放大器（左图）相比，开关电容放大器（右图）对放大器内部运放的负载影响很小，而且没有电阻造成的热噪声，所以更易于获得精确的放大倍数（通常<1/1000精确度）。
传统的开关放大电路使用对称电容来实现电荷转移，为了保证电荷转移的精确性，通常采用的半导体工艺可以在同一芯片上生成高度对称的电容（通常<1/1000误差）。
如图2所示，为了克服运放有限增益对放大器放大倍数精度的影响，运放的增益都设计得极高（通常80--90分贝），这样使得运放的功耗巨大。通常在开关电容典型应用如Pipeline模数转换器（ADC）就需要使用10个或更多的开关电容放大器，所以这样使得模数转换器的功耗过高，对于电池驱动的 系统有极大的负面影响。
发明内容
本发明提供一种于传统的开关电路的设计方式和实现过程，基于对开关放大电路非理想特性的分析, 有目的的使用低增益的运放，并使用非对称电容特性进行补偿。
 一种利用非对称电容实现低功耗开关放大电路方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.基于对开关放大电路进行非理想特性的分析；
b.使用低增益运放；
c.使用非对称电容特性进行补偿。
优选的，还包括步骤d对非理想特性进行补偿。   如沟道电荷转移，运放的输入直流偏差以及开关电容电路前一级电路带来的直流偏差也可以进行补偿。这些因素在设计非对称电容都可以一并考虑进去。
优选的，还包括步骤e对不对称电容之间进行电容值的匹配。   如对0.55pF的输入电容和0.75pF 的反馈电容，选取0.05pF作为电容的基本单元，使用不同数目的基本单元来构造输入电容（11个基本单元）和反馈电容（15个基本单元），并在周围采用相同基本单元作为虚拟电容来达到精确匹配的目的。
优选的，所述方法由MIMCAP辅助实现电容的精确匹配。MIMCAP(金属-绝缘体-金属电容器)来辅助实现电容的精确匹配。
该发明包括的设计目标是在传统开关电容放大器基础上降低功耗和减小芯片面积。使用非对称电容放大器能帮助这两个目标同时实现。这也在设计非对称电容时一并考虑。
该发明权利包括上述使用非对称电容的方式来设计开关电容放大电路，以及设计的目的和考虑的电路非理想因素和非对称电容放大器带来其它的电路利好。
附图说明
    图1为连续时间放大器和开关电容放大器的比较。
   图2为本发明开关电容放大器的实现。
   图3 为实现非对称电容之间的版图匹配方式。
如下具体实施方式将结合附图进行说明。
具体实施方式
在下面的具体实施方式中，我们先对开关电容放大电路放大特性进行具体的推导，然后比较传统的开关电容设计方式来说明本发明所采用的方法和步骤。
如图2 所示开关电容放大电路。 此电路的工作原理如下：在第一阶段开关                                                 
Figure 508557DEST_PATH_IMAGE002
和开关  是断开的，开关电容电路的正极和负极的输入端连接到共模电压电平。正输入端和负输入端上的电量分别是
  
Figure 2013102241949100002DEST_PATH_IMAGE005
                  (1)
  
Figure DEST_PATH_IMAGE007
                 (2)
这里  
Figure DEST_PATH_IMAGE009
是运算放大器输入端的寄生电容，  
Figure DEST_PATH_IMAGE011
是共模电压电平。 
在第二阶段开关 
Figure 143117DEST_PATH_IMAGE002
是仍然断开但开关  
Figure 820217DEST_PATH_IMAGE004
接通，正输入端和负输入端上的电量分别变为
  
Figure 165748DEST_PATH_IMAGE012
  (3)
 
Figure DEST_PATH_IMAGE013
 (4)
这里  
Figure DEST_PATH_IMAGE015
 和  
Figure DEST_PATH_IMAGE017
是在第二阶段运算放大器的正输入端和负输入端的电压水平。 由于电量守恒，在第一和第二阶段，我们有
  (5)
 
Figure DEST_PATH_IMAGE021
(6)
假设运放的直流增益为 A ，然后在第二阶段
  
Figure 660314DEST_PATH_IMAGE022
 (7)
      从等式 (1)(2)(3)(4)(5)(6)(7), 
 
Figure 458506DEST_PATH_IMAGE024
(8)
在方程（8）中，第一项实现的开关电容的运算放大器的增益；既然当电路完成，所有的参数都是固定的，所以第二项是一个常数。 在传统的开关电容放大器设计方式是实现以下条件才能获得准确的开关电容电路的放大倍数（使用典型的放大倍数2为例）： （a）  
Figure 936368DEST_PATH_IMAGE026
 或者说， 
Figure 136405DEST_PATH_IMAGE028
和  
Figure 660927DEST_PATH_IMAGE030
完全对称; 这可以通过高精度的半导体工艺过程来保证实现； （b）足够高（通常> 80分贝）的运算放大器的增益设置，或 A  > 10000 （c）减少运放寄生输入电容 
Figure 680836DEST_PATH_IMAGE009
上述条件（b）和（c）目的是 为了使等式（8）中分母的第二项 
Figure 699738DEST_PATH_IMAGE032
，相对于 
Figure 754282DEST_PATH_IMAGE030
来比可以忽略不计，从而实现精确的放大倍数。
然而，高增益（通常> 80分贝）的运算放大器，或 A > 10000，要求运放设计级数增多和高偏置电流从而使得运放的功耗和面积都增大，而且带来稳定型的问题。
本发明的创新是故意忽略上述条件（a）的目标，从而放宽要求（b）和（c）的要求。这意味着我们可以使用非对称电容   和  
Figure 246443DEST_PATH_IMAGE034
，但仍满足开关电容运算放大器的放大倍数的目标增益和精度要求。
在增益为2的情况下，我们可以设计让
 
Figure 769960DEST_PATH_IMAGE036
                                                               (9)
我们不忽略分母的第二项     而是特意保留。我们通过仔细选择  
Figure 841821DEST_PATH_IMAGE033
 和 
Figure 282029DEST_PATH_IMAGE034
之间的比例，以满足方程（9），通过这种方式，我们可以构建一个中等增益运算放大器，同时采用非对称电容来抵消运算放大器增益A和运算放大器的输入寄生电容  
Figure 882775DEST_PATH_IMAGE009
的影响。
我们使用MIMCAP(金属-绝缘体-金属电容器)和版图技巧来辅助实现不对称电容之间的精确匹配。如图3所示，对0.55pF的输入电容和0.75pF 的反馈电容，选取0.05pF作为电容的基本单元，使用不同数目的基本单元来构造输入电容（11个基本单元）和反馈电容（15个基本单元），并在周围放置相同基本单元作为虚拟电容来达到精确匹配的目的。
所以该发明的关键步骤是选取一个中等增益运算放大器（~40分贝），然后根据电路仿真结果估算运放增益 A 和寄生电容  
Figure 893587DEST_PATH_IMAGE009
, 然后根据开关电容放大电路的目标放大倍数来推导出    的比率， 并使用MIMCAP(金属-绝缘体-金属电容器)和版图技巧来辅助实现不对称电容之间的精确匹配。这样对运算放大器的增益要求大大降低，减少了运算放大器的设计复杂度，提高了稳定性，而且能抵消从有限的增益和运放输入寄生电容的影；更重要的是，大大降低了运算放大器功耗，并减小了运放及整个开关电容放大器的面积，从而提高了系统性能和品质。 

Claims (4)

1.一种利用非对称电容实现低功耗开关放大电路方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.基于对开关放大电路进行非理想特性的分析；
b.使用低增益运放；
c.使用非对称电容特性进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种利用非对称电容实现低功耗开关放大电路方法，其特征在于，还包括步骤d对非理想特性进行补偿。
3.根据权利要求2所述的一种利用非对称电容实现低功耗开关放大电路方法，其特征在于，还包括步骤e对不对称电容之间进行电容值的匹配。
4.根据权利要求3所述的一种利用非对称电容实现低功耗开关放大电路方法，其特征在于，所述方法由MIMCAP辅助实现电容的精确匹配。
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