CN106027025A

CN106027025A - 一种消除失调电压的开关电容积分器电路

Info

Publication number: CN106027025A
Application number: CN201610450558.9A
Authority: CN
Inventors: 汪辉; 叶汇贤; 田犁; 汪宁; 章琦; 曹虎; 黄景林
Original assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Current assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2036-06-21
Also published as: CN106027025B

Abstract

本发明提供一种消除失调电压的开关电容积分器电路，包括：第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、四五开关、失调电压源以及放大器或反相器。本发明的开关电容积分器的放大器失调电压消除电路，其积分输出电压大小与放大器阈值电压无关，提高了积分器的精度。另外，该失调电压消除结构适用于反相器作为放大器的情况，可以补偿掉反相器输入偏置电压所带来积分偏差。本发明结构简单，在开关电容积分电路具有广泛的应用前景。

Description

一种消除失调电压的开关电容积分器电路

技术领域

本发明涉及一种开关电容积分器电路，特别是涉及一种消除失调电压的开关电容积分器电路。

背景技术

现代集成电路设计和信号处理过程与CMOS工艺紧密相关。然而，CMOS工艺中的电阻和电容绝对值大小会在制造过程中存在较大波动，以至于在精度要求较高的场合直接使用电阻和电容并不能满足对连续信号的处理要求。其中连续型积分器就是采用这种方法对模拟信号进行连续进行积分，优点是实时性好且不需要复杂的时序控制，如非交叠时钟。

可以明显看到，连续型积分器会由于电阻和电容存在的绝对误差而使积分精度大大降低。因此，在诸多高精度场合(如∑△ADC中的调制器)下，开关电容积分器得到了广泛的应用。它利用周期性的翻转电容形成等效电阻，实现模拟信号的离散处理，并且电容值的精确程度比电阻阻值要容易控制。另外，其精度优势也体现在积分系数与电容比值相关而与电容的绝对值无关。

尽管开关电容积分器需要更复杂的时序控制电路，但它所带来的优势远远大于这一不足。开关电容电路具有准确的频率相应、良好的电压线性度和温度特性等特点,并易于与CMOS工艺兼容。

张鹏南,杨庆江,夏洪洋在论文《双斜率积分ADC中开关电容积分器的设计[J].黑龙江科技学院学报,2011,21(5):404-407.》中介绍了一种开关电容的基本结构，如图1所示，根据时序分析我们可以得到如下结果：

Φ₁：C_sV_i+C_iV_o(n-1)

Φ₂：C_sV_off+C_iV_o(n)

Φ_{2} : V_{o} (n) = V_{o} (n - 1) + \frac{C_{s}}{C_{i}} V_{i}

其中，前两个式子是Φ1和Φ2分别为高电平时的A点储存的电荷量。根据电荷守恒定理，即令二者相等，可以得到第三个式子(积分器输出电压)。

可以看到在每一个时间周期中，输出对输入做了一次积分，而且是离散型的。传统开关电容积分器电路并没有考虑到放大器所存在的失调电压，而放大器制造过程中其最终参数并不能完全按照设计时的情况实现完全匹配，以至于输出电压并不等于输入电压乘以增益大小。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种消除失调电压的开关电容积分器电路，用于消除传统开关电容积分器中放大器失调电压对积分器的影响，提高积分器的精度。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种消除失调电压的开关电容积分器电路，包括：第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、失调电压源以及放大器，其中，所述第一开关的第一端接输入电压，第二端接第一电容及第二开关的第一端，所述第二开关的第二端接地，所述第一电容的第二端连接第三开关、第四开关及第二电容的第一端，所述第三开关的第二端接地，所述第四开关的第二端接第三电容的第一端，所述第三电容的第二端接第五开关及第四电容的第一端，所述第五开关的第二端接第二电容的第二端以及失调电压源的第一端(正端)，所述失调电压源的第二端(负端)接放大器的第一输入端(负输入端)，所述放大器的第二输入端(正输入端)接地，输出端接第四电容的第二端。

作为本发明的消除失调电压的开关电容积分器电路的一种优选方案，所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关选用为MOS开关。

进一步地，所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关选用为增强型NMOS开关。

作为本发明的消除失调电压的开关电容积分器电路的一种优选方案，所述第一电容、第二电容、第三电容、第四电容选用为MOS电容。

作为本发明的消除失调电压的开关电容积分器电路的一种优选方案，所述放大器选用为差分输入，单端输出的放大器。

作为本发明的消除失调电压的开关电容积分器电路的一种优选方案，根据电荷守恒定理，得到如下表达式：

Φ₁：C_sV_i+C_i1V_B(n-1)+C_cV_off

Φ₂：C_i1V_B(n)+C_cV_off

Φ_{2} : V_{B} (n) = V_{B} (n - 1) + \frac{C_{s}}{C_{i 1}} V_{i}

其中，第一、第二个表达式为Φ₁和Φ₂分别闭合时的第一电容第二端的节点A储存的电荷量，第三个表达式为根据电荷守恒定理，得到的积分器输出电压表达式，C_s为第一电容，V_i为输入电压，C_i1为第三电容，C_c为第二电容，V_off为失调电压，B点为第三电容的第二端节点，n为正整数；

在第三开关Φ₁闭合、第四开关Φ₂断开的时候B点的电荷会转移到输出，即：

C_i1[V_B(n)-V_B(n-1)]＝C_i2[V_o(n)-V_o(n-1)]

其中，C_i2为第五电容，V_o为输出电压，开关电容积分器电路的输出电压为：

Φ_{2} : V_{o} (n) = V_{o} (n - 1) + \frac{C_{s}}{C_{i 2}} V_{i}

从该表达式可以明显看到，积分器的输出电压不再包含失调电压V_off，所以失调电压对精度的影响得以消除。

本发明还提供一种消除失调电压的开关电容积分器电路，包括：第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、四五开关、失调电压源以及反相器，其中，所述第一开关的第一端接输入电压，第二端接第一电容及第二开关的第一端，所述第二开关的第二端接地，所述第一电容的第二端连接第三开关、第四开关及第二电容的第一端，所述第三开关的第二端接地，所述第四开关的第二端接第三电容的第一端，所述第三电容的第二端接第五开关及第四电容的第一端，所述第五开关的第二端接第二电容的第二端以及失调电压源的第一端，所述失调电压源的第二端接反相器的输入端，所述反相器输出端接第四电容的第二端。

如上所述，本发明的消除失调电压的开关电容积分器电路，具有以下有益效果：本发明提出了一种开关电容积分器的放大器失调电压消除电路，其积分输出电压大小与放大器阈值电压无关，提高了积分器的精度。另外，该失调电压消除结构适用于反相器作为放大器的情况，可以补偿掉反相器输入偏置电压所带来积分偏差。本发明结构简单，在开关电容积分电路具有广泛的应用前景。

附图说明

图1显示为现有技术中的开关电容积分器基本结构示意图。

图2显示为现有技术中的开关电容积分器存在失调电压的放大器的结构示意图。

图3显示为考虑失调电压时的开关电容积分器的结构示意图。

图4显示为本发明的消除失调电压的开关电容积分器电路的结构示意图。

图5显示为采用反相器用作放大器的结构示意图。

图6显示为反相器结构开关电容积分器电路的结构示意图。

图7显示为本发明的采用反相器结构的消除失调电压的开关电容积分器电路的结构示意图。

元件标号说明

C_s 第一电容

C_c 第二电容

C_i1 第三电容

C_i2 第四电容

Φ_1d 第一开关

Φ_2d 第二开关

Φ₁ 第三开关

Φ₂ 第四开关

Φ_3d 第五开关

A₁ 放大器

D₁ 反相器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

图1显示为传统的开关电容积分器电路，所示的传统开关电容积分器电路并没有考虑到放大器所存在的失调电压。放大器制造过程中其最终参数并不能完全按照设计时的情况实现完全匹配，以至于输出电压并不等于输入电压乘以增益大小。为了便于分析，一般在放大器输入端叠加一个失调电压V_off来模拟这种非理想因素，如图2所示。此时放大器的输出与输入的关系等效为：

V_o=A_v(V_i+V_off)

其中，A_v为放大器的增益系数，当考虑到放大器失调电压时，开关电容积分器的输出值也会受到失调电压的影响。图3是考虑失调电压时的开关电容积分器，此时我们可以得到如下表达式：

Φ₁：C_sV_i+C_i[V_o(n-1)-V_off]

Φ₂：C_sV_off+C_i[V_o(n)-V_off]

Φ_{2} : V_{o} (n) = V_{o} (n - 1) + \frac{C_{s}}{C_{i}} (V_{i} - V_{o f f}) .

其中，第一、第二个表达式为Φ₁和Φ₂分别闭合时的第一电容第二端的节点A储存的电荷量，第三个表达式为根据电荷守恒定理，得到的积分器输出电压表达式，可以看到，在每个积分周期中，输出都对失调电压V_off进行了一次积分。即使当输入电压为零时，积分器输出电压仍然会持续朝着一个方向增大或者减小，其方向则是受到失调电压的正负性所决定。

由于开关电容积分器存在以上问题，最常见的解决方案就是采用全差分运算放大器来实现，这广泛存在于诸多∑△调制器中。其原因是全差分运算放大器可以通过共模反馈来补偿输入的不匹配。然而相比于单端结构，全差分结构一般需要更加复杂的电路。

在面积成为电路设计所需要重点考虑的因素这一条件下，单端输出放大器可以满足这一要求。特别是在有些极端条件下，反相器也会被用作放大器。这就要求在电路设计的过程中要尽量减小失调误差的影响。

本发明所设计的消除失调电压的开关电容积分器电路如图4所示。本发明提供一种消除失调电压的开关电容积分器电路，包括：第一电容C_s、第二电容C_c、第三电容C_i1、第四电容C_i2、第一开关Φ_1d、第二开关Φ_2d、第三开关Φ₁、第四开关Φ₂、第五开关Φ_3d、失调电压源以及放大器A₁，其中，所述第一开关Φ_1d的第一端接输入电压V_i，第二端接第一电容C_s及第二开关Φ_2d的第一端，所述第二开关Φ_2d的第二端接地，所述第一电容C_s的第二端连接第三开关Φ₁、第四开关Φ₂及第二电容C_c的第一端，所述第三开关Φ₁的第二端接地，所述第四开关Φ₂的第二端接第三电容C_i1的第一端，所述第三电容C_i1的第二端接第五开关Φ_3d及第四电容C_i2的第一端，所述第五开关Φ_3d的第二端接第二电容C_c的第二端以及失调电压源的第一端，所述失调电压源的第二端接放大器A₁的第一输入端，所述放大器A₁的第二输入端接地，输出端接第四电容C_i2的第二端。

作为示例，所述第一开关Φ_1d、第二开关Φ_2d、第三开关Φ₁、第四开关Φ₂、第五开关Φ_3d选用为MOS开关。在本实施例中，第一开关Φ_1d、第二开关Φ_2d、第三开关Φ₁、第四开关Φ₂、第五开关Φ_3d选用为增强型NMOS开关。

作为示例，所述第一电容C_s、第二电容C_c、第三电容C_i1、第四电容C_i2选用为MOS电容。

作为示例，所述放大器选用为差分输入，单端输出的放大器。

根据电荷守恒定理，得到如下表达式：

Φ₁：C_sV_i+C_i1V_B(n-1)+C_cV_off

Φ₂：C_i1V_B(n)+C_cV_off

Φ_{2} : V_{B} (n) = V_{B} (n - 1) + \frac{C_{s}}{C_{i 1}} V_{i}

C_i1[V_B(n)-V_B(n-1)]＝C_i2[V_o(n)-V_o(n-1)]

Φ_{2} : V_{o} (n) = V_{o} (n - 1) + \frac{C_{s}}{C_{i 2}} V_{i}

从该表达式可以明显看到，积分器的输出电压不再包含失调电压V_off，所以失调电压对精度的影响得以消除，达到了本发明的预期目的。

实施例2

如图5～图7所示，本实施例提供一种消除失调电压的开关电容积分器电路。

在实施例1的分析中提到有些特殊场合会用反相器作为放大器，其结构如图5所示。在数字电路中，反相器的输入和输出非0即1，其实际电压值只能是接近于电源电压或地。在这种情况下，反相器并不具有放大功能。一般情况下，反相器作为放大器需要将其输入和输出偏置电压偏置在一半电源电压附近以实现比较理想的放大效果。但正因为如此，反相器不能像普通放大器那样通过“虚地”使输入端电压为零。在图5中，反相器会通过反馈网络形成一个稳定的直流偏置状态，此时输入会存在一个偏置电压V_off，且该电压在积分器中会产生如前文所述的失调偏差效果。其中，这里的反馈网络可以是电容和电阻等组成的反馈结构。

对于图6所示的反相器结构的开关电容积分器我们仍然可以得到之前所推导出来的积分输出电压的表达式，即：

Φ_{2} : V_{o} (n) = V_{o} (n - 1) + \frac{C_{s}}{C_{i}} (V_{i} - V_{o f f})

对应的失调电压消除结构如图7所示，其原理和结果与普通放大器结构的开关电容积分器保持一致。如图7所示，本实施例提供一种消除失调电压的开关电容积分器电路，包括：第一电容C_s、第二电容C_c、第三电容C_i1、第四电容C_i2、第一开关Φ_1d、第二开关Φ_2d、第三开关Φ₁、第四开关Φ₂、第五开关Φ_3d、失调电压源以及反相器，其中，所述第一开关Φ_1d的第一端接输入电压V_i，第二端接第一电容C_s及第二开关Φ_2d的第一端，所述第二开关Φ_2d的第二端接地，所述第一电容C_s的第二端连接第三开关Φ₁、第四开关Φ₂及第二电容C_c的第一端，所述第三开关Φ₁的第二端接地，所述第四开关Φ₂的第二端接第三电容C_i1的第一端，所述第三电容C_i1的第二端接第五开关Φ_3d及第四电容C_i2的第一端，所述第五开关Φ_3d的第二端接第二电容C_c的第二端以及失调电压源的第一端，所述失调电压源的第二端接反相器D₁的输入端，所述反相器D₁的输出端接第四电容C_i2的第二端。

如上所述，本发明的消除失调电压的开关电容积分器电路，具有以下有益效果：本发明提出了一种开关电容积分器的放大器失调电压消除电路，其积分输出电压大小与放大器阈值电压无关，提高了积分器的精度。另外，该失调电压消除结构适用于反相器作为放大器的情况，可以补偿掉反相器输入偏置电压所带来积分偏差。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种消除失调电压的开关电容积分器电路，其特征在于，包括：第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、失调电压源以及放大器，其中，所述第一开关的第一端接输入电压，第二端接第一电容及第二开关的第一端，所述第二开关的第二端接地，所述第一电容的第二端连接第三开关、第四开关及第二电容的第一端，所述第三开关的第二端接地，所述第四开关的第二端接第三电容的第一端，所述第三电容的第二端接第五开关及第四电容的第一端，所述第五开关的第二端接第二电容的第二端以及失调电压源的第一端，所述失调电压源的第二端接放大器的第一输入端，所述放大器的第二输入端接地，输出端接第四电容的第二端。

2.根据权利要求1所述的消除失调电压的开关电容积分器电路，其特征在于：所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关选用为MOS开关。

3.根据权利要求2所述的消除失调电压的开关电容积分器电路，其特征在于：所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关选用为增强型NMOS开关。

4.根据权利要求1所述的消除失调电压的开关电容积分器电路，其特征在于：所述第一电容、第二电容、第三电容、第四电容选用为MOS电容。

5.根据权利要求1所述的消除失调电压的开关电容积分器电路，其特征在于：所述放大器选用为差分输入，单端输出的放大器。

6.根据权利要求1所述的消除失调电压的开关电容积分器电路，其特征在于：根据电荷守恒定理，得到如下表达式：

Φ₁：C_sV_i+C_i1V_B(n-1)+C_cV_off

Φ₂：C_i1V_B(n)+C_cV_off

Φ_{2} : V_{B} (n) = V_{B} (n - 1) + \frac{C_{s}}{C_{i 1}} V_{i}

C_i1[V_B(n)-V_B(n-1)]＝C_i2[V_o(n)-V_o(n-1)]

Φ_{2} : V_{o} (n) = V_{o} (n - 1) + \frac{C_{s}}{C_{i 2}} V_{i}

7.一种消除失调电压的开关电容积分器电路，其特征在于，包括：第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、四五开关、失调电压源以及反相器，其中，所述第一开关的第一端接输入电压，第二端接第一电容及第二开关的第一端，所述第二开关的第二端接地，所述第一电容的第二端连接第三开关、第四开关及第二电容的第一端，所述第三开关的第二端接地，所述第四开关的第二端接第三电容的第一端，所述第三电容的第二端接第五开关及第四电容的第一端，所述第五开关的第二端接第二电容的第二端以及失调电压源的第一端，所述失调电压源的第二端接反相器的输入端，所述反相器输出端接第四电容的第二端。

8.根据权利要求7所述的消除失调电压的开关电容积分器电路，其特征在于：所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关选用为MOS开关。

9.根据权利要求8所述的消除失调电压的开关电容积分器电路，其特征在于：所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关选用为增强型NMOS开关。

10.根据权利要求7所述的消除失调电压的开关电容积分器电路，其特征在于：所述第一电容、第二电容、第三电容、第四电容选用为MOS电容。