CN106059586A - 采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采样装置，包括开关电容电路，开关电容电路中第一开关和第二开关的第一端都连接输入信号，第一开关的第二端连接第一电容的上极板，第二开关的第二端连接第二电容的下极板，第一电容的下极板与第二电容的上极板的连接节点连接电源，第三开关和第四开关的第一端连接输入共模电压，第三开关的第二端连接第一电容的上极板，第四开关的第二端连接第二电容的下极板，连接节点通过采样开关连接电源，由此可以提高采样装置的线性度。另外，本发明通过设计出多个开关电容电路组，并使每个开关电容电路组包括对应的预设数量个开关电容电路，且每个开关电容电路都与对应的电源连接，可以使采集装置的输出共模电压可调。

Description

采样装置

技术领域

本发明属于信号采样领域，具体涉及一种输出共模电压可调，且能消除采样电容电压系数引入的二阶非线性的采样装置。

背景技术

随着A/D转换器量化精度的不断提升，对其线性度的要求也越来越高，采样线性度是A/D转换器线性度的决定性因素，且大量的应用需求都要求A/D转换器有低的功耗，因此，需要高线性度、低功耗的采样装置。然而，传统的采样装置在电容采样过程中通常会产生二阶非线性(即采样得到的电荷值包括与输入电压相关的二阶项)，从而导致采样装置的线性度较低。

发明内容

本发明提供一种采样装置，以解决目前采样装置的线性度较低的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种采样装置，包括开关电容电路，所述开关电容电路包括第一开关、第二开关、第一电容和第二电容，其中所述第一开关和所述第二开关的第一端都连接输入信号，且所述第一开关的第二端连接所述第一电容的上极板，所述第二开关的第二端连接所述第二电容的下极板，所述第一电容的下极板与所述第二电容的上极板的连接节点连接电源，通过控制所述第一开关和所述第二开关导通来进行信号采样。

在一种可选的实现方式中，所述开关电容电路还包括第三开关和第四开关，所述第三开关和所述第四开关的第一端用于连接输入共模电压，所述第三开关的第二端连接所述第一电容的上极板，所述第四开关的第二端连接所述第二电容的下极板，所述连接节点通过采样开关连接所述电源。

在另一种可选的实现方式中，所述采样装置包括多个开关电容电路组，针对每个开关电容电路组，该开关电容电路组包括对应的预设数量个所述开关电容电路，且该开关电容电路组中每个开关电容电路的所述连接节点都连接对应的采样开关的非电源连接端，所述对应的采样开关的电源连接端连接对应的电源；各个所述采样开关的非电源连接端之间设置有短接开关。

在另一种可选的实现方式中，所述各个采样开关连接的对应的电源至少有两个不同。

在另一种可选的实现方式中，所述采样装置包括两个开关电容电路组，第一开关电容电路组包括第1个至第m个开关电容电路，第二开关电容电路组包括第m+1个至第N个开关电容电路，所述第一开关电容电路组的每个开关电容电路中，其所述连接节点通过采样开关S₁连接电源V_dd，所述第二开关电容电路组的每个开关电容电路中，其所述连接节点通过采样开关S_1'连接电源V_ss，所述采样开关S₁与所述采样开关S₁'的非电源连接端之间设置有短接开关S₂。

在另一种可选的实现方式中，所述电源V_dd与所述电源V_ss不同。

在另一种可选的实现方式中，通过控制所述第一开关电容电路组和第二开关电容电路组中对应开关电容电路的第一开关、第二开关以及所述采样开关S₁、所述采样开关S₁'导通，以使所述采样装置进入采样相进行电荷采样。

在另一种可选的实现方式中，通过控制所述第一开关电容电路组和第二开关电容电路组中对应开关电容电路的第一开关、第二开关以及所述采样开关S₁、所述采样开关S_1'断开，并控制所述第一开关电容电路组和第二开关电容电路组中对应开关电容电路的第三开关、第四开关以及所述短接开关S₂导通，以使所述采样装置产生输出电压，并进入比较相。

在另一种可选的实现方式中，所述采样装置进入采样相后采集得到的总电荷为Q_s＝2mC_s0(V_in-V_dd)2(N-m)C_s0(V_in-V_ss)，其中C_s0表示第一电容和第二电容的基准值，V_in表示输入电压。

在另一种可选的实现方式中，所述采样装置进入比较相后存储的总电荷为Q_c＝2NC_s0(V_CMI-V_O)，其中C_s0表示第一电容和第二电容的基准电容值，V_CMI表示输入共模电压，V_O表示输出电压；

根据电荷守恒定律，整理可得：其中v_in表示输入电压V_in的交流分量，所述采样装置的输出共模电压为通过改变m值，对所述输出共模电压进行调节。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在由输入电压、输入开关和电源构成的两条路径上分别设置一个电容，并使两条路径上设置的电容的极性相反，可以使采集到的电荷值仅与输入电压的一阶项有关，而与输入电压的二阶项无关，由此可以消除传统采样装置在电容采样过程中产生的二阶非线性，从而可以提高采样装置的线性度；

2、本发明通过在输入共模电压、输入开关、采样开关和电源构成的两条路径上分别设置一个电容，并使两条路径上设置的电容的极性相反，可以使存储的电荷值仅与输出电压的一阶项有关，而与输出电压的二阶项无关，由此可以消除传统采样装置在进入比较相时产生与输出相关的二阶非线性，从而可以进一步提高采样装置的线性度；

3、本发明通过设计出多个开关电容电路组，并使每个开关电容电路组包括对应的预设数量个开关电容电路，且每个开关电容电路都与对应的电源连接，可以使采集装置的输出共模电压可调。相比于传统采样装置需要设计输出共模电压产生电路，本发明提出的采样装置中，其开关电容电路组自带产生输出共模电压的功能，因此不需设计输出共模电压产生电路。其次，传统采样装置由于需要设计输出共模电压产生电路，这将导致电路功耗增加，本发明提出的采样装置，不需要输出共模电压产生电路，大幅降低了采样电路的版图面积和功耗。另外，传统的采样装置，输出共模电压不可调，本发明提出的采样装置中，可通过调节m值来达到调节输出共模电压的目的，输出共模电压可调范围从V_ss到V_dd，达到整个电源域范围，电路通用性更强。

附图说明

图1是本发明采样装置中开关电容电路的一个实施例电路示意图；

图2是本发明采样装置中开关电容电路的另一个实施例电路示意图；

图3是本发明采样装置的一个实施例电路示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明采样装置中开关电容电路的一个实施例电路示意图。该采样装置可以包括开关电容电路，所述开关电容电路包括第一开关S₁₁、第二开关S_11'、第一电容C_S1和第二电容C_S1'，其中所述第一开关S₁₁和所述第二开关S_11'的第一端都可以用于连接输入电压V_in，且所述第一开关S₁₁的第二端连接所述第一电容C_S1的上极板，所述第二开关S_11'的第二端连接所述第二电容C_S1'的下极板，所述第一电容C_S1的下极板与所述第二电容C_S1'的上极板的连接节点连接电源V_dd，通过控制所述第一开关S₁₁和所述第二开关S_11'导通来进行信号采样。

本实施例中，第一开关S₁₁和第二开关S_11'的导通或断开可以由时钟信号Φ₁来控制。例如，当时钟信号Φ₁为高电平时，第一开关S₁₁和第二开关S_11'可以导通，当时钟信号Φ₁为低电平时，第一开关S₁₁和第二开关S_11'可以断开。其中，当第一开关S₁₁和第二开关S_11'导通时，开始对输入电压V_in进行采样，此时第一电容C_S1的下极板与第二电容C_S1'的上极板的连接节点的电压V_O+等于电源电压V_dd。

在开关电容电路中，

$\begin{array}{c}{V}_{Cs1}=V_{in}-V_{dd}\\ V_{Cs{1}^{\′}}=V_{dd}-V_{in}\end{array}---\left(1\right)$

其中V_Cs1表示第一电容C_S1的电压，V_Cs1'表示第二电容C_S1'的电压。

为了研究电容非线性的影响，电容C_s的电容值可以表示为：

C_s＝C_s0(1+α₁V+α₂V²+…)≈C_s0(1+α₁V) (2)

其中α₁为电容C_s的一阶电压系数，为α₂电容C_s的二阶电压系数，C_s0表示第一电容和第二电容的基准值，由于高阶电压系数对电容非线性的影响非常小，因而此处仅考虑一阶电压系数对电容非线性的影响。由此，第一电容的电容值C_S1和第二电容的电容值C_S1'可以表示为：

$\begin{array}{c}{C}_{s1}=C_{s0}(1+{\mathrm{\α}}_1{V}_{cs1})\\ C_{s{1}^{\′}}=C_{s0}(1+{\mathrm{\α}}_1{V}_{cs{1}^{\′}})\end{array}---\left(3\right)$

根据公式(1)和(3)，可以得出在第一电容C_S1和第二电容C_S1'上分别采集到的电荷Q(V_Cs1)、Q(V_Cs1')：

$\begin{array}{c}Q\left(V_{Cs1}\right)={\∫}_0^{V_{Cs1}}{C}_{s1}dV=C_{s0}(V_{Cs1}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs1}}^2)\\ Q\left(V_{Cs{1}^{\′}}\right)={\∫}_0^{V_{Cs{1}^{\′}}}{C}_{s{1}^{\′}}dV=C_{s0}(V_{Cs{1}^{\′}}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs{1}^{\′}}}^2)\end{array}---\left(4\right)$

至此，开关电容电路上采集到的电荷Q₁可以表示为：

$\begin{array}{c}{Q}_1=Q\left(V_{Cs1}\right)-Q\left(V_{Cs{1}^{\′}}\right)\\ =C_{s0}(V_{Cs1}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs1}}^2)-C_{s0}(V_{Cs{1}^{\′}}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs{1}^{\′}}}^2)\\ =2C_{s0}(V_{in}-V_{dd})\end{array}---\left(5\right)$

根据公式(5)可以看出，开关电容电路上采集到的电荷Q₁并不包括与输入电压相关的二阶项，因而可以避免采样装置在电容采样过程中产生二阶非线性，从而可以提高采样装置的线性度。

由上述实施例可见，本发明通过在由输入电压、开关和电源构成的两条路径上分别设置一个电容，并使两条路径上设置的电容的极性相反，可以使采集到的电容电荷值仅与输入电压的一阶项有关，而与输入电压的二阶项无关，由此可以消除传统采样装置在电容采样过程中产生的二阶非线性，从而可以提高采样装置的线性度。

参见图2，为本发明采样装置中开关电容电路的另一个实施例电路示意图。图2与图1所示开关电容电路的区别在于，还可以包括第三开关S₁₂和第四开关S_12'，所述第三开关S₁₂和所述第四开关S_12'的第一端都连接输入共模电压V_CMI，所述第三开关S₁₂的第二端连接所述第一电容C_S1的上极板，所述第四开关S_12'的第二端连接所述第二电容C_S1'的下极板，且第一电容C_S1的下极板与第二电容C_S1'的上极板的连接节点通过采样开关S₁连接电源V_dd。

本实施例中，第一开关S₁₁、第二开关S_11'和采样开关S₁的导通或断开可以由时钟信号Φ₁来控制。例如，当时钟信号Φ₁为高电平时，第一开关S₁₁、第二开关S_11'和采样开关S₁导通，当时钟信号Φ₁为低电平时，第一开关S₁₁、第二开关S_11'和采样开关S₁断开。其中，当第一开关S₁₁、第二开关S_11'和采样开关S₁导通时，开关电容电路进入采样相。第三开关S₁₂和第四开关S_12'的导通或断开可以由时钟信号Φ₂来控制。例如，当时钟信号Φ₂为高电平时，第三开关S₁₂和第四开关S_12'导通，当时钟信号Φ₂为低电平时，第三开关S₁₂和第四开关S_12'可以断开。其中，当第三开关S₁₂和第四开关S_12'导通，第一开关S₁₁、第二开关S_11'和采样开关S₁导通断开时，开关电容电路进入比较相。

其中，当图2所示开关电容电路对输入电压进行电压采样时，可以首先控制第一开关S₁₁、第二开关S_11'和采样开关S₁导通，此时开关电容电路进入采样相，其可以按照图1所示实施例相同的方式采集得到公式(5)中的电荷Q₁；然后控制第三开关S₁₂和第四开关S_12'导通，第一开关S₁₁、第二开关S_11'和采样开关S₁断开，此时开关电容电路进入比较相，其可以按照以下方式计算存储的电荷Q₁'。

当第三开关S₁₂和第四开关S_12'导通，采样开关S₁断开时，开关电容电路中，

$\begin{array}{c}{V}_{Cs1}^{\′}=V_{CMI}-V_{O+}\\ V_{Cs{1}^{\′}}^{\′}=V_{O+}-V_{CMI}\end{array}---\left(6\right)$

V_Cs1表示第一电容C_S1的电压，V_Cs1'表示第二电容C_S1'的电压，V_O+表示第一电容C_S1的下极板与第二电容C_S1'的上极板的连接节点上的电压，即输出电压。

第一电容的电容值C_S1和第二电容的电容值C_S1'可以表示为：

$\begin{array}{c}{C}_{s1}^{\′}=C_{s0}(1+{\mathrm{\α}}_1{V}_{cs1}^{\′})\\ C_{s{1}^{\′}}^{\′}=C_{s0}(1+{\mathrm{\α}}_1{V}_{cs{1}^{\′}}^{\′})\end{array}---\left(7\right)$

根据公式(6)和(7)，可以得出在第一电容C_S1和第二电容C_S1'上分别存储的电荷Q(V_C'_s1)、Q(V_C'_s1')：

$\begin{array}{c}Q\left(V_{Cs1}^{\′}\right)={\∫}_0^{V_{Cs1}^{\′}}{C}_{s1}^{\′}dV=C_{s0}(V_{Cs1}^{\′}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs1}^{\′}}^2)\\ Q\left(V_{Cs{1}^{\′}}^{\′}\right)={\∫}_0^{V_{Cs{1}^{\′}}^{\′}}{C}_{s{1}^{\′}}^{\′}dV=C_{s0}(V_{Cs{1}^{\′}}^{\′}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs{1}^{\′}}^{\′}}^2)\end{array}---\left(8\right)$

至此，开关电容电路上存储的电荷Q₁'可以表示为：

$\begin{array}{c}{Q}_1^{\′}=Q\left(V_{Cs1}^{\′}\right)-Q\left(V_{Cs{1}^{\′}}^{\′}\right)\\ =C_{s0}(V_{Cs1}^{\′}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs1}^{\′}}^2)-C_{s0}(V_{Cs{1}^{\′}}^{\′}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs{1}^{\′}}^{\′}}^2)\\ =2C_{s0}(V_{CMI}-V_{O+})\end{array}---\left(9\right)$

传统的采样装置在电压采样过程中，不仅在其进入采样相后采集得到的电荷包括与输入电压相关的二阶项，而且在其进入比较相后存储的电荷也包括与输出电压相关的二阶项。根据公式(5)可以看出，开关电容电路在进入采样相后采集得到的电荷Q₁并不包括与输入电压相关的二阶项，因而可以避免采样装置在进入采样相后进行采样时产生二阶非线性。另外，根据公式(9)可以看出，开关电容电路在进入比较相后存储的电荷Q₁'并不包括与输出电压相关的二阶项，因而可以避免采样装置在进入比较相后产生与输出电压相关的二阶非线性。

根据电荷守恒原理，公式(5)与(9)相等，即：

2C_s0(V_in-V_dd)＝2C_s0(V_CMI-V_O+) (10)

整理可以得出：

V_O+＝V_CMI-V_in+V_dd (11)

至此，采集装置实现了对输入信号的电压采样。

由上述实施例可见，本发明通过在由输入电压、输入开关和电源构成的两条路径上分别设置一个电容，并使两条路径上设置的电容的极性相反，可以使采集得到的电荷值仅与输入电压的一阶项有关，而与输入电压的二阶项无关，由此可以消除传统采样装置在电压采样过程中进入采样相时产生的二阶非线性，从而可以提高采样装置的线性度。本发明通过在输入共模电压、输入开关、采样开关和电源构成的两条路径上分别设置一个电容，并使两条路径上设置的电容的极性相反，可以使存储的电容电荷值仅与输出电压的一阶项有关，而与输出电压的二阶项无关，由此可以消除传统采样装置进入比较相后产生与输出电压相关的二阶非线性，从而可以进一步提高采样装置的线性度。

在图2所示实施例中，虽然采样装置可以消除电压采样过程中产生的二阶非线性，但是采样得到的电压V_O+仍然与V_dd息息相关，其中V_dd可视为传统采样装置中的共模电压。由于V_dd不可调，因此为了满足不同输出共模电压要求，需要分别设计相应的共模电压产生电路。为此，本发明提出了一种输出共模电压可调的采样装置，该采样装置可以包括多个开关电容电路组，针对每个开关电容电路组，该开关电容电路组包括对应的预设数量个图2所示的开关电容电路，且针对该开关电容电路组中的每个开关电容电路，该开关电容电路中第一电容的下极板与第二电容的上极板的连接节点通过对应的采样开关连接对应的电源；各个所述采样开关的非电源连接端之间设置有短接开关。上述开关电容电路组中至少存在一个开关电容电路，其所包括的开关电容电路的预设数量大于1，且所述各个采样开关连接的对应的电源至少有两个不同。

下面以该采样装置包括两个开关电容电路组为例，参见图3所示。本实施例中，以第一开关电容电路组包括第1个至第m个图2所示的开关电容电路，第二开关电容电路组包括第m+1个至第N个图2所示的开关电容电路，第一开关电容电路组对应设置有采样开关S₁和电源V_dd，第二开关电容电路组对应设置有采样开关S_1'和电源V_ss，该第一开关电容电路组的每个开关电容电路中，其第一电容的下极板与第二电容的上极板的连接节点通过该采样开关S₁连接电源V_dd，该第二开关电容电路组的每个开关电容电路中，其第一电容的下极板与第二电容的上极板的连接节点通过采样开关S_1'连接电源V_ss，采样开关S₁与S_1'的非电源连接端之间设置有短接开关S₂，电源V_dd与电源V_ss不同。

本实施例中，在第一开关电容电路组中，以第1个开关电容电路为例，该开关电容电路可以包括输入开关S₁₁，S₁₂，S_11'，S_12'，采样电容C_S1和C_S1'；输入开关S₁₁左端接输入信号V_in，右端接采样电容C_S1的上极板；输入开关S₁₂左端接输入共模电压V_CMI，右端接采样电容C_S1的上极板；输入开关S_11'左端接输入信号V_in，右端接采样电容C_S1'的下极板；输入开关S_12'左端接输入共模电压V_CMI，右端接采样电容C_S1'的下极板；电容C_S1下极板与net+相接，电容C_S1'上极板与net+相接。以第m个开关电容电路为例，该开关电容电路可以包括输入开关S_m1，S_m2，S_m1'，S_m2'，采样电容C_Sm和C_Sm'；输入开关S_m1左端接输入信号V_in，右端接采样电容C_Sm的上极板；输入开关S_m2左端接输入共模电压V_CMI，右端接采样电容C_Sm的上极板；输入开关S_m1'左端接输入信号V_in，右端接采样电容C_Sm'的下极板；输入开关S_m2'左端接输入共模电压V_CMI，右端接采样电容C_Sm'的下极板；电容C_Sm下极板与net+相接，电容C_Sm'上极板与net+相接。

在第二开关电容电路组中，以第m+1个开关电容电路为例，所述第(m+1)个开关电容电路包括输入开关S_(m+1)1，S_(m+1)2，S_(m+1)1'，S_(m+1)2'，采样电容C_(m+1)2和C_(m+1)2'；输入开关S_(m+1)1左端接输入信号V_in，右端接采样电容C_S(m+1)的上极板；输入开关S_(m+1)2左端接输入共模电压V_CMI，右端接采样电容C_S(m+1)的上极板；输入开关S_(m+1)1'左端接输入信号V_in，右端接采样电容C_S(m+1)'的下极板；输入开关S_(m+1)2'左端接输入共模电压V_CMI，右端接采样电容C_S(m+1)'的下极板；电容C_S(m+1)下极板与net-相接，电容C_S(m+1)'上极板与net-相接。以第N个开关电容电路为例，所述第N组开关电容电路包括输入开关S_N1，S_N2，S_N1'，S_N2'，采样电容C_SN和C_SN'；输入开关S_N1左端接输入信号V_in，右端接采样电容C_SN的上极板；输入开关S_N2左端接输入共模电压V_CMI，右端接采样电容C_SN的上极板；输入开关S_N1'左端接输入信号V_in，右端接采样电容C_SN'的下极板；输入开关S_N2'左端接输入共模电压V_CMI，右端接采样电容C_SN'的下极板；电容C_SN下极板与net-相接，电容C_SN'上极板与net-相接。

当时钟信号Φ₁为高电平时，采样装置进入采样相，时钟信号Φ₁控制的开关S₁₁，S_11'，S₂₁，S_21'，…，S_N1，S_N1'，S₁，S_1'导通，此时V_O+等于V_dd，V_O-等于V_ss；

第1个开关电容电路中，

$\begin{array}{c}{V}_{Cs1}=V_{in}-V_{dd}\\ V_{Cs{1}^{\′}}=V_{dd}-V_{in}\end{array}---\left(12\right)$

采样电容值为

$\begin{array}{c}{C}_{s1}=C_{s0}(1+{\mathrm{\α}}_1{V}_{cs1})\\ C_{s{1}^{\′}}=C_{s0}(1+{\mathrm{\α}}_1{V}_{cs{1}^{\′}})\end{array}---\left(13\right)$

采样电容上采集到的电荷为：

$\begin{array}{c}Q\left(V_{Cs1}\right)={\∫}_0^{V_{Cs1}}{C}_{s1}dV=C_{s0}(V_{Cs1}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs1}}^2)\\ Q\left(V_{Cs{1}^{\′}}\right)={\∫}_0^{V_{Cs{1}^{\′}}}{C}_{s{1}^{\′}}dV=C_{s0}(V_{Cs{1}^{\′}}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs{1}^{\′}}}^2)\end{array}---\left(14\right)$

因此，第1个开关电容电路采集到的电荷为：

$\begin{array}{c}{Q}_1=Q\left(V_{Cs1}\right)-Q\left(V_{Cs{1}^{\′}}\right)\\ =C_{s0}(V_{Cs1}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs1}}^2)-C_{s0}(V_{Cs{1}^{\′}}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs{1}^{\′}}}^2)\\ =2C_{s0}(V_{in}-V_{dd})\end{array}---\left(15\right)$

同理，第i(i＝1，2，…，m)个开关电容电路采集到的电荷为：

Q_i＝2C_s0(V_in-V_dd) (16)

由式(14)-(16)可知，当i＝1，2，…，m时，第i个开关电容电路中，采样电容C_Si的非线性电荷与采样电容C_Si'的非线性电荷相互抵消，因此消除了采样的非线性。

同理，第(m+1)个开关电容电路中，

$\begin{array}{c}{V}_{Cs(m+1)}=V_{in}-V_{ss}\\ V_{Cs{(m+1)}^{\′}}=V_{ss}-V_{in}\end{array}---\left(17\right)$

采样电容值为

$\begin{array}{c}{C}_{s(m+1)}=C_{s0}(1+{\mathrm{\α}}_1{V}_{cs(m+1)})\\ C_{s{(m+1)}^{\′}}=C_{s0}(1+{\mathrm{\α}}_1{V}_{cs{(m+1)}^{\′}})\end{array}---\left(18\right)$

采样电容上采集到的电荷为：

$\begin{array}{c}Q\left(V_{Cs(m+1)}\right)={\∫}_0^{V_{Cs(m+1)}}{C}_{s(m+1)}dV=C_{s0}(V_{Cs(m+1)}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs(m+1)}}^2)\\ Q\left(V_{Cs{(m+1)}^{\′}}\right)={\∫}_0^{V_{Cs{(m+1)}^{\′}}}{C}_{s{(m+1)}^{\′}}dV=C_{s0}(V_{Cs{(m+1)}^{\′}}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs{(m+1)}^{\′}}}^2)\end{array}---\left(19\right)$

因此，第(m+1)组开关电容电路采集到的总电荷为：

$\begin{array}{c}{Q}_{(m+1)}=Q\left(V_{Cs(m+1)}\right)-Q\left(V_{Cs{(m+1)}^{\′}}\right)\\ =C_{s0}(V_{Cs(m+1)}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs(m+1)}}^2)-C_{s0}(V_{Cs{(m+1)}^{\′}}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs{(m+1)}^{\′}}}^2)\\ =2C_{s0}(V_{in}-V_{ss})\end{array}---\left(20\right)$

同理，第i(i＝m+1，2，…，N)个开关电容电路采集到的电荷为：

Q_i＝2C_s0(V_in-V_ss) (21)

由式(19)-(21)可知，当i＝m+1，2，…，N时，第i个开关电容电路中，采样电容C_Si的非线性电荷与采样电容C_S1'的非线性电荷相互抵消，因此消除了采样的非线性。

采样相的总电荷为：

$\begin{array}{c}{Q}_s=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i+\underset{i=m+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i\\ ={\mathrm{mQ}}_1+(N-m)Q_{(m+1)}\\ =2{\mathrm{mC}}_{s0}(V_{in}-V_{dd})+2(N-m)C_{s0}(V_{in}-V_{ss})\end{array}---\left(22\right)$

由上式可见，采集的总电荷Q_s中仅含输入信号V_in相关的一阶项，不含输入信号V_in相关的二阶项，因此，采样过程没有产生二阶非线性。

当时钟信号Φ₂为高电平，时钟信号Φ₁为低电平时，采样装置进入比较相，时钟信号Φ₂控制的开关S₁₂，S_12'，S₂₂，S_22'，…，S_N2，S_N2'，S₂导通，时钟信号Φ₁控制的开关S₁₁，S_11'，S₂₁，S_21'，…，S_N1，S_N1'，S₁，S_1'断开，此时V_O+＝V_O-＝V_OO。

第1个开关电容电路中，

$\begin{array}{c}{V}_{Cs1}^{\′}=V_{CMI}-V_{O+}\\ V_{Cs{1}^{\′}}^{\′}=V_{O+}-V_{CMI}\end{array}---\left(23\right)$

采样电容值为

$\begin{array}{c}{C}_{s1}^{\′}=C_{s0}(1+{\mathrm{\α}}_1{V}_{cs1}^{\′})\\ C_{s{1}^{\′}}^{\′}=C_{s0}(1+{\mathrm{\α}}_1{V}_{cs{1}^{\′}}^{\′})\end{array}---\left(24\right)$

采样电容上的电荷为：

$\begin{array}{c}Q\left(V_{Cs1}^{\′}\right)={\∫}_0^{V_{Cs1}^{\′}}{C}_{s1}^{\′}dV=C_{s0}(V_{Cs1}^{\′}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs1}^{\′}}^2)\\ Q\left(V_{Cs{1}^{\′}}^{\′}\right)={\∫}_0^{V_{Cs{1}^{\′}}^{\′}}{C}_{s{1}^{\′}}^{\′}dV=C_{s0}(V_{Cs{1}^{\′}}^{\′}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs{1}^{\′}}^{\′}}^2)\end{array}---\left(25\right)$

因此，第1个开关电容电路上的总电荷为：

$\begin{array}{c}{Q}_1=Q\left(V_{Cs1}^{\′}\right)-Q\left(V_{Cs{1}^{\′}}^{\′}\right)\\ =C_{s0}(V_{Cs1}^{\′}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs1}^{\′}}^2)-C_{s0}(V_{Cs{1}^{\′}}^{\′}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs{1}^{\′}}^{\′}}^2)\\ =2C_{s0}(V_{CMI}-V_{O+})\end{array}---\left(26\right)$

同理，第(m+1)个开关电容中，

$\begin{array}{c}{V}_{Cs(m+1)}^{\′}=V_{CMI}-V_{O-}\\ V_{Cs{(m+1)}^{\′}}^{\′}=V_{O-}-V_{CMI}\end{array}---\left(27\right)$

采样电容值为

$\begin{array}{c}{C}_{s(m+1)}^{\′}=C_{s0}(1+{\mathrm{\α}}_1{V}_{cs(m+1)}^{\′})\\ C_{s{(m+1)}^{\′}}^{\′}=C_{s0}(1+{\mathrm{\α}}_1{V}_{cs{(m+1)}^{\′}}^{\′})\end{array}---\left(28\right)$

采样电容上采集到的电荷为：

$\begin{array}{c}Q\left(V_{Cs(m+1)}^{\′}\right)={\∫}_0^{V_{Cs(m+1)}^{\′}}{C}_{s(m+1)}^{\′}dV=C_{s0}(V_{Cs(m+1)}^{\′}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs(m+1)}^{\′}}^2)\\ Q\left(V_{Cs{(m+1)}^{\′}}^{\′}\right)={\∫}_0^{V_{Cs{(m+1)}^{\′}}^{\′}}{C}_{s{(m+1)}^{\′}}^{\′}dV=C_{s0}(V_{Cs{(m+1)}^{\′}}^{\′}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs{(m+1)}^{\′}}^{\′}}^2)\end{array}---\left(29\right)$

因此，第(m+1)个开关电容电路采集到的总电荷为：

$\begin{array}{c}{Q}_{(m+1)}^{\′}=Q\left(V_{Cs(m+1)}^{\′}\right)-Q\left(V_{Cs{(m+1)}^{\′}}^{\′}\right)\\ =C_{s0}(V_{Cs(m+1)}^{\′}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs(m+1)}^{\′}}^2)-C_{s0}(V_{Cs{(m+1)}^{\′}}^{\′}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{V_{Cs{(m+1)}^{\′}}^{\′}}^2)\\ =2C_{s0}(V_{CMI}-V_{O-})\end{array}---\left(30\right)$

比较相的总电荷为：

$\begin{array}{c}{Q}_c=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i^{\′}+\underset{i=m+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i^{\′}\\ ={\mathrm{mQ}}_1+(N-m)Q_{(m+1)}\\ =2{\mathrm{mC}}_{s0}(V_{CMI}-V_{O+})+2(N-m)C_{s0}(V_{CMI}-V_{O-})\\ =2{\mathrm{NC}}_{s0}(V_{CMI}-V_{OO})\end{array}---\left(31\right)$

由电荷守恒定律

Q_s＝Q_c (32)

输入信号可表示为

V_in＝v_in+V_CMI (33)

其中，v_in为V_in的交流分量，V_CMI为输入共模电压，由(22)，(31)-(33)可得

$V_O=-v_{in}+\[\frac{m}{N}(V_{dd}-V_{ss})+V_{ss}\]---\left(34\right)$

可见输出信号的直流分量，即输出共模电压为

$V_{CMO\_T}=\frac{m}{N}(V_{dd}-V_{ss})+V_{ss}---\left(35\right)$

由公式(35)可见，当m＝0时，输出共模电压为V_ss，当m＝N时，输出共模电压为V_dd，可见，输出共模电压可调范围达到了整个电源域，通过改变m值，可以得到灵活的输出共模电压。

由上述实施例可见，本发明通过设计出多个开关电容电路组，并使每个开关电容电路组包括对应的预设数量个开关电容电路，且每个开关电容电路都与对应的电源连接，可以使采集装置的输出共模电压可调。相比于传统采样装置需要设计输出共模电压产生电路，本发明提出的采样装置中，其开关电容电路组自带产生输出共模电压的功能，因此不需设计输出共模电压产生电路。其次，传统采样装置由于需要设计输出共模电压产生电路，这将导致电路功耗增加，本发明提出的采样装置，不需要输出共模电压产生电路，大幅降低了采样电路的版图面积和功耗。另外，传统的采样装置，输出共模电压不可调，本发明提出的采样装置中，可通过调节m值来达到调节输出共模电压的目的，输出共模电压可调范围从V_ss到V_dd，达到整个电源域范围，电路通用性更强。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种采样装置，其特征在于，包括开关电容电路，所述开关电容电路包括第一开关、第二开关、第一电容和第二电容，其中所述第一开关和所述第二开关的第一端都连接输入信号，且所述第一开关的第二端连接所述第一电容的上极板，所述第二开关的第二端连接所述第二电容的下极板，所述第一电容的下极板与所述第二电容的上极板的连接节点连接电源，通过控制所述第一开关和所述第二开关导通来进行信号采样。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关电容电路还包括第三开关和第四开关，所述第三开关和所述第四开关的第一端用于连接输入共模电压，所述第三开关的第二端连接所述第一电容的上极板，所述第四开关的第二端连接所述第二电容的下极板，所述连接节点通过采样开关连接所述电源。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述采样装置包括多个开关电容电路组，针对每个开关电容电路组，该开关电容电路组包括对应的预设数量个所述开关电容电路，且该开关电容电路组中每个开关电容电路的所述连接节点都连接对应的采样开关的非电源连接端，所述对应的采样开关的电源连接端连接对应的电源；各个所述采样开关的非电源连接端之间设置有短接开关。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述各个采样开关连接的对应的电源至少有两个不同。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述采样装置包括两个开关电容电路组，第一开关电容电路组包括第1个至第m个开关电容电路，第二开关电容电路组包括第m+1个至第N个开关电容电路，所述第一开关电容电路组的每个开关电容电路中，其所述连接节点通过采样开关S₁连接电源V_dd，所述第二开关电容电路组的每个开关电容电路中，其所述连接节点通过采样开关S₁'连接电源V_ss，所述采样开关S₁与所述采样开关S_1'的非电源连接端之间设置有短接开关S₂。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电源V_dd与所述电源V_ss不同。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，通过控制所述第一开关电容电路组和第二开关电容电路组中对应开关电容电路的第一开关、第二开关以及所述采样开关S₁、所述采样开关S_1'导通，以使所述采样装置进入采样相进行电荷采样。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，通过控制所述第一开关电容电路组和第二开关电容电路组中对应开关电容电路的第一开关、第二开关以及所述采样开关S₁、所述采样开关S₁'断开，并控制所述第一开关电容电路组和第二开关电容电路组中对应开关电容电路的第三开关、第四开关以及所述短接开关S₂导通，以使所述采样装置产生输出电压，并进入比较相。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述采样装置进入采样相后采集得到的总电荷为Q_s＝2mC_s0(V_in-V_dd)+2(N-m)C_s0(V_in-V_ss)，其中C_s0表示第一电容和第二电容的基准值，V_in表示输入电压。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述采样装置进入比较相后存储的总电荷为Q_c＝2NC_s0(V_CMI-V_O)，其中C_s0表示第一电容和第二电容的基准电容值，V_CMI表示输入共模电压，V_O表示输出电压；

根据电荷守恒定律，整理可得：其中v_in表示输入电压V_in的交流分量，所述采样装置的输出共模电压为通过改变m值，对所述输出共模电压进行调节。