CN106068539A - Sc放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于把位于输入端上的测量信号源的输入电压放大一个放大系数并用于在一个开关周期期间把放大的输入电压在输出端上来输出的一种SC放大器电路(10)，其中该开关周期包含有用于给输入电容(C_S)充电的至少一个充电间隔和用于给该输入电容(C_S)放电的至少一个放电间隔。该SC放大器电路设置有用于要放大的、由该测量信号源所提供的输入电压的一个电路输入端子(12)和一个放大器(22)，该放大器具有一个放大器输入端子(20)和一个放大器输出端子。该输入电容(C_S)与该放大器输入端子(20)相连接，并在该放电间隔中可以与该电路输入端子(12)相连接以及在该放电间隔中可以与该电路输入端子(12)相脱耦。另外该SC放大器电路(10)具有一个反馈网络(26)，其中该反馈网络连接在该放大器输出端子(24)与该放大器输入端子(20)之间，以及一个再充电源(28)，其用于提供充电电流以给该输入电容(C_S)充电，其中该再充电源(28)在该充电间隔中给该输入电容(C_S)充电，并在该放电间隔中对于该输入电容(C_S)的充电是无效的。

Description

SC放大器电路

技术领域

本发明涉及用于把位于输入端上的输入电压放大一个放大系数、并用于在开关周期期间把放大后的输入电压在输出端上输出的一种SC(开关电容)放大器电路。

背景技术

SC放大器电路原理上是公开的。其提供偏移补偿以及对1/f噪声的接近最佳的抑制，使得其尤其适于非常小幅度的输入电压，如果该输入电压应该被高分辨率地放大。在测量信号幅度极其微小的测量信号源中比如就是这种情况。这种测量信号源的一个例子是MEMS压力或加速度传感器。或者也可以出现于仅具有微小幅度的惠斯登测量桥电压信号。

SC放大器电路受开关周期控制地被运行，其中一个开关周期具有至少两个间隔，其中一个用于给输入电容充电，另一个用于给输入电容放电或再充电。并不排除该开关周期还包含有其他的间隔。

SC放大器电路从而使用了一个输入电容。在输入电容、开关频率f_s、带宽和最大可达分辨率(Effective Number Of Bits,ENOB,有效位数)之间基于热噪声的关系而基本是公开的。为了在给定带宽BW的情况下把分辨率ENOB提高ΔENOB＝1比特，必须把输入电容C_S或采样频率f_s提高到四倍：

$\mathrm{\Δ}ENOB={\log }_2\left(\sqrt{\frac{C_S\·f_S}{BW}}\right)$

在诸如反相或非反相SC放大器的电路中，采样输入电容C_S在每个时钟时都被放电，并必须由具有内阻R_SIG的该输入信号源V_SIG通过采样开关电阻R_S而再次被充电。

在图1中示出了具有标准SC放大器的采样和充电复位的采样系统的采样配置。

但是，允许获取的电荷的量受限于该信号源的内阻以及采样开关电阻：

·该采样电容必须在该输入信号源的半个时钟周期内以所期望的分辨率起振。起振不够则对应于放大故障。这导致一个最小起振时间，该最小起振时间限制该脉冲频率f_s。在没有滤波器电容C_FLT＝0的情况下得到：

其中GAB应该是放大误差的绝对比特精确度(Gain Accuracy in Bit，比特增益精度)。

·在平行于输入作为抗频混滤波器来使用滤波器电容C_FLT的情况下，由C_S和R_S组成的具有采样和复位的该采样电路如同具有R_EQ＝1/f_s*C_S等效值的负载电阻。该负载电阻由于分压器R_SIG和R_EQ而导致放大误差。由此该采样频率f_s同样受限制：

在此应注意的是，f_{s,无滤波器}是具有抗频混滤波器的该频率f_{s,有滤波器}的倍数,刚好是其2^GAB倍。

从而不能任意地增大该输入电容或开关频率，并在给定带宽BW的情况下得到了可达到的分辨率ENOB的系统限制。

诸如“Resettable Gain Circuit，可复位增益电路”或“Capacitive-Reset Gain，电容式复位增益”的电路变化对放大器的偏移进行补偿，但是该输入电容也完全地放电，因为其基于的是反相或非反相构架(见David A.Johns、Ken Martin的“Analog IntergratedCircuit Design”，John Wiley&Sons公司，431页，1997)。

在SC放大器电路中的某一缺点是，在一个开关周期末尾以及随着下一开关周期的开始，该输入电容必须再次被充电，也即必须由测量信号源提供的电荷来充电。这给测量信号源带来负荷，这视测量信号幅度而定是不利的。

比如在WO-A-96/10827 A1中公开了一种SC放大器电路。在该文献的图1和3中应该示出了偏移补偿的SC放大器电路，其中应注意的是，对于偏移补偿必定投入一些电路技术耗费。在该电路的输出端上、而不是在其输入端上在单纯技术上保留了该偏移(V_out＝C₁/C₂xV_in+V_offset)，这在大放大系数的情况下是有利的。所保留的偏移可以在开关相位1中被测量，并在后续的处理中耗费地进行被减去。

所公开的该电路的某一缺点还可能是：为了电荷反馈可能需要另一电容C₃，其必须“适合”电容器C₁和C₂。由公差所决定的近似不可避免的误差匹配大大限制了电荷回收的“质量”(下文中还称作“Kappa”)。电容器C另外还需要空间，因为其必须具有与电容器C₁和C₂近似的尺寸。同样还显著限制了放大系数的调节能力(C₁/C₂之比)。在该文献中阐明了该缺点。因此在该文献的图7中示出了另一形式。借助另一运放可以把该电荷补偿电容保持为明显更小，并因此与放大器调节无关。虽然这种变化方案不是偏移补偿的，为此在该文献中推荐了借助其他运放的其他技术。

发明内容

本发明的任务从而是，提供以及如此来运行一种SC放大器电路，使得用于给该输入电容再充电的电荷不必从测量信号源来获取或仅需少量从其来获取。

为了解决该任务，利用本发明而推荐了一种SC放大器电路，以把位于输入端上的测量信号源输入电压放大一个放大系数，并在开关周期期间把经放大的输入电压在输出端上来输出，其中该开关周期包含有用于给输入电容充电的至少一个充电间隔和用于给该输入电容放电的至少一个放电间隔，其中该SC放大器电路设置有

–用于要放大的、由测量信号源所提供的输入电压的电路输入端子，

–放大器，其具有放大器输入端子和放大器输出端子，

–其中该输入电容与放大器输入端子相连接，并在该放电间隔中可以与该电路输入端子相连接以及在该放电间隔中可以与该电路输入端子相脱耦，

-反馈网络，其中该反馈网络连接在该放大器输出端子与该放大器输入端子之间，以及

-再充电源，其用于提供充电电流以给该输入电容充电，其中该再充电源在该充电间隔中给该输入电容充电，并在该放电间隔中关于该输入电容的充电被切换为无效的，

-其中该再充电源是再充电电容，其具有与该放大器输入端子相连接的第一端子和第二端子，该第二端子能变换地或者可以通过第三开关与该放大器输入端子相连接、或者可以通过第四开关与该放大器输出端子相连接，其中在该充电间隔中该第三开关闭合以及该第四开关断开，并在放电间隔中该第三开关断开以及该第四开关闭合。

前述的任务根据本发明还通过一种用于运行SC放大器电路的方法而得到解决，其中该SC放大器电路用于把输入端上的测量信号源的输入电压放大一个放大系数，并在开关周期期间把经放大的输入电压在输出端上来输出，其中该开关周期包含有用于给输入电容充电的至少一个充电间隔和用于给该输入电容放电的至少一个放电间隔，

-其中该输入电容在该开关周期的充电间隔中被充电，其中该电荷由该测量信号源外部并尤其在该SC放大器电路中所设置的再充电源来生成，以及

-其中该再充电源是再充电电容，其具有与该放大器输入端子相连接的第一端子和第二端子，该第二端子能变换地或者可以通过第三开关与该放大器输入端子相连接、或者可以通过第四开关与该放大器输出端子相连接，其中在该充电间隔中该第三开关闭合以及该第四开关断开，并在该放电间隔中该第三开关断开以及该第四开关闭合。

根据本发明的SC放大器电路具有再充电源，其提供在充电间隔内用于给该输入电容充电的充电电流。由此，能够避免给该信号源的负荷。该信号源从而“看做为”高欧姆SC放大器电路输入，由此还能够高分辨率地放大具有微小幅度的输入信号。

根据本发明而采用了再充电电容，该再充电电容具有与该放大器输入端子相连接的第一端子和第二端子，该第二端子可变换地或者可以通过第三开关与该放大器输入端子相连接、或者可以通过第四开关与该放大器输出端子相连接，其中在该充电间隔中该第三开关闭合以及该第四开关断开，并在该放电间隔中该第三开关断开以及该第四开关闭合。

在本发明的有利的扩展中可以规定，该输入电容具有与该放大器输入端子相连接的第一端子和第二端子，该第二端子可变换地或者可以通过第一开关与该电路输入端子相连接、或者可以通过第二开关与地相连接，其中在该充电间隔中该第一开关闭合以及该第二开关断开，并在该放电间隔中该第一开关断开以及该第二开关闭合，以及该再充电源在该充电间隔中把充电电流馈入到该输入电容的第二端子中。

根据本发明的第一可选改进，作为再充电源采用了电流源来代替该再充电电容以及其前述的可变换的前接电路，其中该电流源与该输入电容的第二端子相连接，并在该充电间隔期间切换到激活状态以及在该放电间隔期间切换到去活状态，或者其充电电流可以在该充电间隔中输入给该输入电容的第二端子，并在放电间隔中不是导出给该输入电容的第二端子而是可以通过另一电路点导出。该电流源仅仅在该充电间隔中只要其充电电流给该输入电容馈送电荷那么就激活。该再充电源可以在该放电间隔中或者去活，而或者在放电间隔中该充电电流通过另一电路点流出，但这对于能量平衡是不利的，因为电能在没有有意义地利用的情况下被分接出。

在本发明的另一有利的扩展中可以设置一个反馈电容，该反馈电容具有与该放大器输出端子相连接的第一端子和第二端子，该第二端子可变换地或者可以通过第五开关与该放大器输入端子相连接、或者可以通过第六开关与地相连接，其中在该充电间隔中该第五开关闭合以及该第六开关断开，并在该放电间隔中该第五开关断开以及该第六开关闭合。通过构造该反馈电容，该SC放大器电路的输出或该SC放大器电路的放大器的输出在两个相位或间隔中可以被保持于相似的电位，由此该输出充分利用了微小的电压偏移，这最终对于该SC放大器电路的特性是有利的。

附图说明

本发明下面借助不同的实施例并参照附图来详细解释。其中具体：

图1示意性示出了具有标准SC放大器的采样复位的采样系统，

图2示出了作为单端变化方案的本发明的第一实施例，

图3示出了处于如下相位的图2的电路，其中φ₁为高且φ₂为低，并从而由Fi1和Fi2所控制的开关相应地处于接通和断开的状态，

图4示出了处于如下相位的图2的电路，其中φ₁为低且φ₂为高，并从而相应的开关接通和断开，

图5示出了本发明的一种全差分的电路变化，

图6和7示出了图5的电路的不同开关变换地接通和断开的状态，

图8示出了根据本发明的SC放大器电路的另一实施例，以及

图9和10示出了电路配置，其中由φ₁控制的开关接通并且由φ₂控制的开关断开，以及由φ₁控制的开关断开并且由φ₂控制的开关接通。

具体实施方式

在图1至3中示出了一种SC放大器电路10的第一实施例以及变换地地控制单个开关而得到的该SC放大器电路10的电路配置。该放大器电路10具有电路输入端子12和电路输出端子14。在该电路输入端子12上比如具有小信号测量信号源(未示出)的测量电压，其中该测量信号源提供仅具有微小幅度的测量信号。对于这种信号源关键的是，其不承受放大器电路的负荷或者仅在极小程度上来承受。该放大器电路从而应该在很大程度上是高欧姆的。

根据本发明，该SC放大器电路10以及在下文还要进行阐述的其他实施例中由此实现了在该SC放大器电路的开关周期的充电间隔中该输入电容被有效地充电，亦即不通过该测量信号源。

通过第一开关S₁，输入电容C_S可以与该SC放大器电路10的电路输入端子12相耦合。该输入电容C_S具有第一端子16和第二端子18。该第二端子18通过该开关S₁与该电路输入端子12相连接。放大器22的反相输入端与该输入电容C_S的第一端子16相连接，其中给该放大器的非反相放大器输入端子20施加了电压信号V_OFS。该放大器输出端子24与该电路输出端子14相连接，并通过反馈网络26反馈至该放大器输入端子20。

在该输入电容C_S与该开关S₁之间，第二开关S₂与地相连接。再充电源28与该第二开关S₂相并联，其中该再充电源在该实施例中作为充电电流源30来构造。

在图2的SC放大器电路10中，通过φ₁和φ₂来表示该开关S₁和S₂在开关周期的不同间隔中变换地接通和断开。控制信号φ₁和φ₂由(未示出的)控制单元来生成，其中控制单元用于控制该SC放大器电路10，如此使得在该电路输入端子12上的信号被放大了一个可预先给定的放大系数，并在该电路输出端子14上放大地输出。从而该开关S₁在该充电间隔期间闭合，其中该充电电流源30在该充电间隔中为该输入电容C_S提供充电电流。在该充电间隔期间，该第二开关S₂闭合。在图3中示出了这种状态。

在该放电间隔中，这两个开关S₁和S₂的开关状态返回，如在图4中所示。

在图5至7中示出了SC放大器电路的一种全差分变型方案10’。相对应的部件用相应虚线量来表示。除此之外，该电路对应于图2至4的SC放大器电路10来工作，因此在此不再继续对该全差分变化进行阐述。

在图8至10中示出了SC放大器电路10”的最后一个实施例，也即作为单端版本的实施例。如果该SC放大器电路10”的元件对应于或等同于图2至3的SC放大器电路10的元件，那么其在图8至10中用与图2至4中相同的参考符号来表示。这本身理解为，按照图8至10的该单端版本也可以作为全差分变型方案来实施(对应于图5至7，其示出了以全差分形式的图2至4的单端变型方案)。

在图8至10的实施例中，通过再充电电容C_L在该充电间隔中进行该输入电容C_S的再充电。并且该电容C_L在该充电间隔期间与该输入电容C_S并联，这通过把该再充电电容C_L通过第三开关S₃与该电路输入端子12相连接来实现。该再充电电容C_L另外还在其另一端子上与该放大器输入端子20相连接。

该再充电电容C_L可以在它与该电路输入端子相脱耦的那个相位中、也即在该放电间隔中通过在该相位中闭合的第四开关S₄与该放大器22的放大器输出端子24相连接。从而在开关周期的不同相位中，也即比如在充电间隔中出现按照图9的状态以及在放电间隔中出现按照图10的状态。也就是说，从而再充电电容C_L的第一端子32与该放大器输入端子20相连接，而该再充电电容C_L的第二端子34通过该第三开关S₃可选地与该电路输入端子12相连接，并交替地通过该第四开关S₄与该放大输出24相连接。

除了前述的电容和开关之外，该SC放大器电路10”还具有反馈电容C_R，该反馈电容的第一端子36与该放大器输出端子24相连接，并且其端子38通过第五开关S₅并通过第六开关S₆变换地与该放大器输入端子20或与地相连接。

该SC放大器电路10”的前述第六开关的控制借助该控制信号φ₁和φ₂来进行，如在图8中所示，如此使得在充电间隔中出现按照图9的状态，并在该SC放大器电路10”的开关周期的放电间隔中出现按照图10的状态。在根据图9的充电间隔中，对在前一开关周期的放电间隔中“所使用的”电荷进行“再利用”，亦即通过把该再充电电容C_L与该输入电容C_S相并联，由此之前向C_L所偏移的电荷现在再次分配到两个电容C_S和C_L上，其那么就共同构成了该SC放大器电路的所谓输入电容。由此使得与该输入信号的电荷相适应。

在该放电间隔中，现在按照图10该再充电电容C_L“反转”，由此一部分“电荷”现在位于该输出端上。电荷现在由该输入电容C_S偏移至该再充电电容C_L，如此使得这两个电容的总电荷现在仅仅位于该再充电电容C_L中，由此得到：

V_OUT＝V_IN*(C_S+C_L)/C_L

根据本发明的该SC放大器电路概念被模拟应用于一种差分压力传感器信号的放大。该压力传感器信号典型地具有20mV的信号幅度，并应该无偏移地被数字化，亦即在带宽上具有最大可能的分辨率。该压力传感器信号在此由电阻桥来提供，由此得到了一个测量信号源内阻R_SIG，该测量信号源内阻是不能降低的。已探讨了不同的可能性，也即还采用了具有偏移补偿的时间连续的放大器。

SC放大器电路在此已强调是最合适的，因为其偏移和增益波动以及1/f噪声可以可靠地相关联，其中耗费是可控制的。已探讨了在SC放大器电路中的前述系统性限制，其中该输入电容在每个开关周期中都必须被放电，并必须通过测量信号源而被再充电。在此，已经发现，在给定带宽中的分辨率不能被提升得明显超越惯常水平。

另外还不能使用一个外部电容来作为抗频混滤波器。在有意义地确定输入电容和开关频率的参数的情况下，将得到4％的放大误差。在该放大误差中有一部分是不可校正的。希望有抗频混滤波器来防止额外的噪声并实现更长的测量信号源传导。

如果该输入负载、也即每个时钟平均提取的电荷的量被降低一个系数Kappa“κ”，那么就可以提高该乘积C_S*f的系统限制：

从而在相同分辨率的情况下(没有滤波器以及具有滤波器)该采样频率并从而该带宽被提高以下的系数Gewinn_fs：

·没有防频混滤波器电容：

·有防频混滤波器电容：

或者在相同带宽的情况下该分辨率ENOB被提高了

已证实的是，如果该压力传感器信号利用根据本发明的SC放大器电路来放大，那么就出现明显的改善，其中输入电容的电荷在开关周期结束时近似完全流回。从而平均几乎没有在SC放大器电路的输入端上并从该测量信号源来获取能量。

在晶体管等级的模拟中，所获取电荷的下降可以达到系数κ＝300。可以实现偏移补偿。比如对于根据本发明的具有电荷回收的模拟的、能够用来实现前述改善的SC放大器电路，在前文中借助图2至10已进行了阐述。

在此已证实的是，在时钟相位φ₁中以下的电荷被反馈到输入端中：

$Q_R=Q_{RD}=C_S\·V_{IN,vor}\·(1-\frac{1}{k})\≈C_S\·V_{IN,vor},$

其中V_IN,vor是先前的输入电压(针对图2至4和8至10)，其中V_IN,vor＝V_IN,vor-全差分变型方案(图5至7)的V_IN,vor。

在上述的应用中其参数如下

C_S＝16pF

R_SIG＝5kΩ

f_s＝500kHz

BW＝1kHz

ENOB＝12比特

GAB_有滤波器＝4.6比特，具有防频混滤波器

a)Gewinn__{fs,无滤波器}＝约3.1，这对应于可能3.1的采样频率提升或者约0.8比特的分辨率ENOB提升，或者

b)Gewinn__{fs,有滤波器}＝300，这对应于放大精确度GAB_有滤波器从8.2比特至12.8的提升。

从而在SC电路中尤其可以采用防频混滤波器。防频混滤波器在高频干扰(EMV)的情况下是尤其不可缺少的。

本发明的基本特点在于，通过其从前一开关周期“返回”，来恢复SC放大器电路的输入电容的电荷。在此已证实的是，在这种“电荷回收”时实际也可以进行偏移补偿。最后通过理论思考可以表明，可以规避在常规SC放大器电路中对可达到的分辨率的基本限制，由此在根据本发明的SC放大器电路中的分辨率可以被提高得超过市场上常见的水平。采用防频混滤波器同样是允许的，由此通过测量信号源更长的传导实现了更灵活的应用。

参考符号列表

10 SC放大器电路

10’ SC放大器电路

10” SC放大器电路

C_L 再充电电容

C_R 反馈电容

C_S 输入电容

12 电路输入端子

14 电路输出端子

16 输入电容的第一端子

18 输入电容的第二端子

20 非反相放大器输入端子

22 放大器

24 放大器输出端子

26 反馈网络

28 再充电源

30 充电电流源

32 再充电电容的第一端子

34 再充电电容的第二端子

36 反馈电容的第一端子

38 反馈电容的第二端子

S₁ 第一开关

S₂ 第二开关

S₃ 第三开关

S₄ 相位闭合的第四开关

S₅ 第五开关

S₆ 第六开关

φ₁ 开关的控制信号

φ₂ 开关的控制信号

Claims (4)

1.一种用于把位于输入端上的测量信号源输入电压放大一个放大系数并用于在开关周期期间把经放大的输入电压在输出端上来输出的SC放大器电路(10)，其中该开关周期包含有用于给输入电容(C_S)充电的至少一个充电间隔和用于给该输入电容(C_S)放电的至少一个放电间隔，其中该SC放大器电路(10)设置有:

–要放大的、由该测量信号源所提供的输入电压的电路输入端子(12)，

–放大器(22)，其具有放大器输入端子(20)和放大器输出端子，

–其中该输入电容(C_S)与该放大器输入端子(20)相连接，并在该放电间隔中能够与该电路输入端子(12)相连接以及在该放电间隔中能够与该电路输入端子(12)相脱耦，

-反馈网络(26)，其中该反馈网络连接在该放大器输出端子(24)与该放大器输入端子(20)之间，以及

-再充电源(28)，其用于提供充电电流以给该输入电容(C_S)充电，其中该再充电源(28)在该充电间隔中给该输入电容(C_S)充电，并在该放电间隔中关于该输入电容(C_S)的充电被切换为无效的，

-其中该再充电源(28)是再充电电容(C_L)，其具有与该放大器输入端子(20)相连接的第一端子(32)以及具有第二端子(34)，该第二端子变换地或者能通过第三开关(S₃)与该放大器输入端子(20)相连接、或者能通过第四开关(S₄)与该放大器输出端子(24)相连接，其中在该充电间隔中该第三开关(S₃)闭合以及该第四开关(S₄)断开，并在该放电间隔中该第三开关(S₃)断开以及该第四开关(S₄)闭合。

2.根据权利要求1所述的SC放大器电路(10)，其特征在于反馈电容(C_R)，该反馈电容具有与该放大器输出端子(24)相连接的第一端子(36)以及具有第二端子(38)，该第二端子变换地或者能通过第五开关(S₅)与该放大器输入端子(20)相连接、或者能通过第六开关(S₆)与地相连接，其中在该充电间隔中该第五开关(S₅)闭合以及该第六开关(S₆)断开，并在该放电间隔中该第五开关(S₅)断开以及该第六开关(S₆)闭合。

3.根据权利要求1或2所述的SC放大器电路(10)，其特征在于，该输入电容(C_S)具有与该放大器输入端子(20)相连接的第一端子(16)以及具有第二端子(18)，该第二端子变换地或者能通过第一开关(S₁)与该电路输入端子相连接、或者能通过第二开关(S₂)与地相连接，其中在该充电间隔中该第一开关闭合以及该第二开关断开，并在该放电间隔中该第一开关断开以及该第二开关闭合，以及该再充电源(28)在该充电间隔中把充电电流馈入到该输入电容(C_S)的第二端子中。

4.一种用于运行SC放大器电路(10)的方法，以把在输入端上的测量信号源输入电压放大一个放大系数，并在开关周期期间把经放大的输入电压在输出端上来输出，其中该开关周期包含有用于给输入电容(C_S)充电的至少一个充电间隔和用于给该输入电容(C_S)放电的至少一个放电间隔，

其特征在于，

-该输入电容(C_S)在该开关周期的充电间隔中被电荷充电，其中所述电荷由测量信号源外部的并尤其在该SC放大器电路(10)中所设置的再充电源(28)来生成，以及

-该再充电源(28)是再充电电容(C_L)，其具有与该放大器输入端子(20)相连接的第一端子(32)以及具有第二端子(34)，该第二端子变换地或者能通过第三开关(S₃)与该放大器输入端子(20)相连接、或者能通过第四开关(S₄)与该放大器输出端子(24)相连接，其中在该充电间隔中该第三开关(S₃)闭合以及该第四开关(S₄)断开，并在该放电间隔中该第三开关(S₃)断开以及该第四开关(S₄)闭合。