CN107070411A - 一种单位增益采样电路和提高采样精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单位增益采样电路和提高采样精度的方法，单位增益采样电路的放大器为单位增益放大器，包括第一、二输入端和输出端；采样子电路接收输入信号，与第一输入端以及输出端连接，采样子电路包括第一控制电路和保持电容；第一控制电路控制保持电容在采样状态和保持状态间切换，保持电容在采样状态对输入信号的电压进行跟踪模拟，在保持状态保持输入信号断开前的电压值；高精度采样实现电路一端与接地的电压源连接，另一端与第二输入端连接，当保持电容从采样状态变为保持状态后，高精度实现电路通过控制第二输入端的电压调节第一输入端的电压，调节输出端的电压偏移，将非理想元器件对输出端电压产生的影响消除，有效提高了电路采样精度。

Description

一种单位增益采样电路和提高采样精度的方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种单位增益采样电路和提高采样精度的方法。

背景技术

现有技术中，一种传统的单位增益采样电路如图1所示，按照图2中依次按照a、b、c的步骤打开或关断S1、S2和S3可以实现对输入电压的采样以及保持，具体操作如下：

如图2(a)所示打开S1、S2，关断S3，由于放大器的反馈效果，会使得X点的电压Vx也即Vout与Vcm相等；

如图2(b)所示断开S2，此时X点储存电荷为(Vcm-Vin)·CH，电容CH此时完成对输入信号Vin的采样；

如图2(c)所示断开S1，接通S3，此时由于放大器的反馈作用，使得X点电压Vx仍约为Vcm。由于电荷守恒，因此Vx-Vout要等于Vcm-Vin，也即Vout＝Vin，完成单位增益采样。

实际应用中，图2中的S2为MOS管，如图1中为NMOS管，因此不是理想的开关，在图2中a到b的切换中，S2的关断会引入沟道电荷的注入，例如，当S2为NMOS管时，注入的是电子，其电荷量绝对值为Δq，会使得X点的电荷量不是理想的(Vcm-Vin)·CH，而是(Vcm-Vin)·CH-Δq。因而最终得到的Vout为所以传统的单位增益采样电路存在采样精度低的问题。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是，提供一种单位增益采样电路和提高采样精度的方法，解决现有技术中单位增益采样电路中的采样精度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种单位增益采样电路，包括：采样子 电路，放大器、电压源和高精度采样实现电路；

放大器为单位增益放大器，包括第一输入端、第二输入端以及用于输出输出信号的输出端；采样子电路接收输入信号，并与放大器的第一输入端以及输出端连接，采样子电路包括第一控制电路和保持电容；第一控制电路用于控制保持电容在采样状态和保持状态间切换，保持电容在采样状态对输入信号的电压进行跟踪模拟，在保持状态保持输入信号断开前的电压值；高精度采样实现电路一端与接地的电压源连接，一端与放大器的第二输入端连接，当保持电容从采样状态切换为保持状态后，高精度实现电路通过控制放大器的第二输入端的电压变化调节第一输入端的电压，调节输出端的电压偏移。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种提高采样精度的方法，包括：

当单位增益采样电路的保持电容处于采样状态时，控制放大器的第一输入端的电压等于放大器第二输入端的电压；

当单位增益采样电路的保持电容从采样状态切换为保持状态后，通过高精度实现电路控制放大器的第二输入端的电压变化调节第一输入端的电压，以便调节放大器的输出端的电压偏移。

采用本发明提供的单位增益采样电路和提高采样精度的方法，在单位精度采样电路中包括采样子电路，放大器和高精度采样实现电路；放大器为单位增益放大器，包括第一输入端、第二输入端以及用于输出输出信号的输出端；采样子电路接收输入信号，并与放大器的第一输入端以及输出端连接，采样子电路包括第一控制电路和保持电容；第一控制电路用于控制保持电容的采样状态和保持状态，保持电容用于在采样状态对输入信号的电压进行跟踪模拟，在保持状态，保持输入信号断开前的瞬时电压值；高精度采样实现电路一端与接地的电压源连接，一端与放大器的第二输入端连接，当保持电容从采样状态切换为保持状态后，高精度实现电路通过控制放大器的第二输入端的电压变化调节第一输入端的电压，调节输出端的电压偏移。本发明中的高精度实现电路通过间接调节第一输入端的电压，将非理想元器件对输出端电压产生的影响消除，有效提高了电路的采样精度。

附图说明

图1为现有技术中的单位增益采样电路的结构示意图；

图2a为现有技术中单位增益采样电路，断开S3后的结构示意图；

图2b为现有技术中单位增益采样电路，再断开S2后的结构示意图；

图2c为现有技术中单位增益采样电路，再断开S1以及闭合S3后的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的一种单位增益采样电路的结构示意图；

图4为本发明实施例一提供的一种单位增益采样电路的结构示意图；

图5为本发明实施例一提供的一种单位增益采样电路的结构示意图；

图6a为图5中的采样电路断开S3后的结构示意图；

图6b为图6a中的采样电路断开S2后的结构示意图；

图6c为图6b中的采样电路断开4后的结构示意图；

图6d为图6c中的采样电路断开S1以及闭合S3后的结构示意图；

图7为本发明实施例二提供的一种提高采样精度的方法的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

参见图3，本实施例示出一种单位增益采样电路，可以在保持电容从采样状态切换为保持状态时，对放大器的第二输入端的电压进行控制，进而调节第一输入端的电压，使得之前保持电容从采样状态切换为保持状态时，由于第一输入端被注入电子而导致的电压变化得到补偿，将第一输入端偏离的电压纠正，确保在保持状态，输出端的输出信号的电压等于输入信号的电压，使得单位增益采样电路的采样精度得到了提高。

参见图1，本实施例的单位增益放大电路包括：采样子电路31，放大器32，高精度采样实现电路33以及电压源34。

其中，放大器32为单位增益放大器，包括第一输入端321、第二输入端322 以及用于输出输出信号的输出端323；采样子电路接收输入信号，并与放大器的第一输入端以及输出端连接，采样子电路31包括第一控制电路和保持电容；第一控制电路用于控制保持电容的采样状态和保持状态，保持电容用于在采样状态对输入信号的电压进行跟踪模拟，在保持状态，保持输入信号断开前的瞬时电压值；高精度采样实现电路33一端与接地的电压源连接，一端与放大器32的第二输入端322连接，当保持电容从采样状态切换为保持状态后，高精度实现电路33通过控制放大器的第二输入端322的电压变化调节第一输入端321的电压，补偿放大器32的输出端323的电压偏移。以便放大器输出端323的电压与输入信号的电压相同。

其中，本实施例的放大器时单位增益为1的放大器可以预见，当保持电容处于采样状态时，保持电容与输入Vin的一端是连接的，才可以对输入信号的电压Vin进行跟踪模拟，当第一控制电路控制保持电容从采样状态切换为保持状态后，保持电容与输入信号断开连接，对输入信号的跟踪过程停止，保持的输入信号断开前的瞬时电压值。其中，由于采样子电路中使用的电器元件不是理想的电器元件，所以当保持电容从采样状态切换到保持状态时，第一输入端321的电压因为采样子电路31中的非理想元器件而发生变化。在本实施例中，采样子电路31的一端与放大器的输出端323连接，可以形成反馈电路，既可以保证第一输入端321与第二输入端322的电压相等。鉴于此，本实施例通过高精度实现电路33控制第二输入端322的电压，进而调整第一输入端321的电压，使得第一输入端321在保持电容从采样状态切换为保持状态时，发生的电压偏移可以得到补偿。其中，当保持电容处于采样状态时，高精度采样实现电路可以处于短路状态，即高精度采样实现电路在保持电容处于采样状态时相当于一段导线，此时第二输入端的电压与接地的电压源的电压相等。其中，第一输入端为反相输入端，第二输入端为正向输入端。

进一步的，参见图4，本实施例的采样子电路的详细结构如图4所示，其中，控制电路包括第一开关S1，第二开关S2，第三开关S3，其中，第一开关S1连接在输入信号Vin与保持电容CH之间，第二开关S2的两端分别与放大器32的第一输入端321以及输出端323连接；第三开关S3一端连接在第一开关S1 与保持电容CH之间，另一端连接在放大器的输出端323上；保持电容CH与放大器32的第一输入端321连接；高精度采样实现电路33包括储能元件331和第二控制电路332，在保持电容从采样状态切换为保持状态时，控制电路控制储能元件改变第二输入端的电压。

一般地，当保持电容CH处于采样状态时，第三开关S3断开，第二开关S2与第一开关S1闭合，保持电容对输入信号的电压进行跟踪模拟即采样，第一输入端的电压与等于输出电压Vout。此时，由于S2所在的电路支路的反馈作用，第一输入端321的电压和第二输入端322的电压相等。当保持电容CH需要切换到保持状态时，第二开关S2以及第一开关S1断开，第三开关闭合。其中，第二开关S2为MOS管，在关闭状态时会存储一定的电荷，当第二开关S2断开时，会分别向开关两边注入等量的沟道电荷Δq，所以，对于第一输入端一侧的一点(假设是S2所在电路与第一输入端的连接点X，X的位置参见图2)而言，其电荷量不是理想的(Vcm-Vin)·CH，而是(Vcm-Vin)·CH-Δq。此时，在X点的电荷量具有另一计算式(Vcm-Vout)·CH，因而最终得到的Vout为Vout与输入信号的电压不等，由此Vout出现误差。在保持电容处于保持状态时，由于第三开关所在电路的反馈作用，第一输入端321的电压与第二输入端322的电压等同。所以调节第二输入端322的电压，即可调节第一输入端321的电压，在X点的电压不变的情况下，输出端的电压得到了调整。可以预见，只要第二输入端322的电压调节得当，可以将第二开关S2的断开注入的沟道电荷对输出端电压的误差消除。本实施例基于上述的考虑，利用高精度采样实现电路对第二输入端322的电压进行调整，间接调整了第一输入端321的电压，提高了单位增益采样电路的精度。

进一步的，参见图5，在本实施例中，储能元件331为第一电容CHs，第二 控制电路332包括与第一电容CHs并联的第四开关S4；第四开关S4一端与接地的电压源连接，一端与第二输入端322连接；当保持电容从采样状态切换为保持状态时，第四开关S4从关闭状态变为断开。此时，第四开关由于不是理想的元器件，会给第二输入端带来一定量的电荷注入，并且断开第四开关S4后。电压源到第二输入端之间存在第一电容CHs，注入的电荷和第一电容CHs会改变第二输入端322的电压，从而调整第一输入端321的电压。

进一步的，考虑到第一输入端321的电压对单位增益采样电路的采样精度的影响，当被调整后的第一输入端321的电压能完全消除第二开关S2注入第一输入端321的沟道电荷的影响时，输出电压与输入电压相等，单位增益采样电路的精度可以得到大幅的提升。鉴于此，本实施例中，优选地，第二开关与第四开关为MOS管，第二开关断开时向第一输入端注入的电荷量与保持电容之比，等于第四开关断开时向第二输入端注入的电荷量与第一电容之比。

下面结合图6a-6d，对本实施例中如何提高采样精度进行说明。本实施例中，详细的采样电路结构参见图5。在图6a-6d中，第四开关S4断开后向第二输入端注入的电荷量与第一电容之比，等于第二开关断开时向第一输入端注入的电荷量与保持电容之比。其中，X和Y点分别第一输入端321以及第二输入端322电路上的一点。其中，当S2与S4都是NMOS管时，注入的是电子。

1)如图6(a)所示打开S1、S2、S4，关断S3，使得保持电容CH对输入电压Vin进行跟踪模拟，由于S4关闭，对第一电容CHs短路，此时Y点电压等于电压源的电压，为Vcm，X点电压由于放大器的反馈作用，使得Vx约等于Vcm，由于X点的电压与输出电压相等，所以Vx等于Vout，所以此时，Vcm＝Vout；

2)如图6(b)所示断开S2，完成对Vin的采样，由于S2是非理想MOS管，会向X点注入沟道电荷，假设其注入的电荷量为Δq，则，此时X点电储存电荷量约为(Vx-Vin)·CH-Δq＝(Vcm-Vin)·CH-Δq；

3)如图6(c)所示断开S4，Y点储存电荷量为-Δq1，第一电容的电容为CHs，Y点电压为Vcm-Δq1/CHs＝Vcm-Δq/CH；

4)图6d为图6c中的采样电路断开S1以及闭合S3后的结构示意图；如图6，闭合S3后，由于放大器的反馈作用使得X点和Y点的电压相等，即X 点电压也为由于电荷守恒，则满足 即Vout＝Vin，由此实现高精度的单位增益采样。

在本实施例中，优选的，第四开关与第二开关的尺寸相同，第一电容与保持电容的电容相同。

可以理解的是，在上述的方案中，要求断开S2在断开S4和断开S1，闭合S3进行，而对于断开S4，可以在断开S1，闭合S3之后进行，也可以在断开S1，闭合S3之前进行，本实施例对此没有限定。

本实施例的单位增益采样子电路中包含了采样子电路，放大器和高精度采样实现电路；放大器为单位增益放大器，包括第一输入端、第二输入端以及用于输出输出信号的输出端；采样子电路接收输入信号，并与放大器的第一输入端以及输出端连接，采样子电路包括第一控制电路和保持电容；第一控制电路用于控制保持电容的采样状态和保持状态，保持电容用于在采样状态对输入信号的电压进行跟踪模拟，在保持状态，保持输入信号断开前的瞬时电压值；高精度采样实现电路一端与接地的电压源连接，一端与放大器的第二输入端连接，当保持电容从采样状态切换为保持状态后，高精度实现电路通过控制放大器的第二输入端的电压变化调节第一输入端的电压，调节输出端的电压偏移。本实施例中的高精度实现电路通过间接调节第一输入端的电压，将非理想元器件对输出端电压产生的影响消除，有效提高了电路的采样精度。

实施例二：

参见图7，本实施示出一种提高单位增益采样电路的采样方法，包括：

S701、当单位增益采样电路的保持电容处于采样状态时，控制放大器的第一输入端的电压等于放大器第二输入端的电压；

S702、当单位增益采样电路的保持电容从采样状态切换为保持状态后，通过高精度实现电路控制放大器的第二输入端的电压变化调节第一输入端的电压，以便调节放大器的输出端的电压偏移。

其中，高精度实现电路包括第二控制电路和储能元件，当单位增益采样电 路的保持电容从采样状态切换为保持状态后，通过高精度实现电路控制放大器的第二输入端的电压变化调节第一输入端的电压包括：

当单位增益采样电路的保持电容从采样状态切换为保持状态后，通过第二控制电路控制储能元件改变放大器第二输入端的电压。

进一步的，单位增益采样电路包括第一开关、第二开关、第三开关；第一开关连接在输入信号与保持电容之间，第二开关的两端分别与放大器的第一输入端以及输出端连接；第三开关一端连接在第一开关与保持电容之间，另一端连接在输出端上；保持电容与放大器的第一输入端连接；储能元件为第一电容，控制电路包括与第四开关并联的第一电容；当单位增益采样电路的保持电容从采样状态切换为保持状态后，通过第二控制电路控制储能元件改变放大器第二输入端的电压包括：

当保持电容从采样状态切换为保持状态时，通过断开第四开关，控制第一电容改变放大器的第二输入端的电压。

进一步的，第二开关与第四开关为MOS管，第二开关断开时向第一输入端注入的电荷量与保持电容之比，等于第四开关断开时向第二输入端注入的电荷量与第一电容之比。优选地，第二开关与第四开关的尺寸相同，第一电容与保持电容的电容相同。

采样本实施例的提高采样精度的方法，在单位增益采样电路中的保持电容从采样状态切换到保持状态后，可以通过高精度实现电路对放大器的第二输入端的电压进行控制，间接调节第一输入端的电压，对由于电路中的非理想元器件而偏离输入电压的输出电压进行了有效的调节，有效提高了单位增益补偿电路的采样精度。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储介质(ROM/RAM、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述 的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种单位增益采样电路，其特征在于，包括：采样子电路，放大器、电压源和高精度采样实现电路；

所述放大器为单位增益放大器，包括第一输入端、第二输入端以及用于输出输出信号的输出端；所述采样子电路接收输入信号，并与所述放大器的第一输入端以及输出端连接，所述采样子电路包括第一控制电路和保持电容；所述第一控制电路用于控制所述保持电容在采样状态和保持状态间切换，所述保持电容在采样状态对所述输入信号的电压进行跟踪模拟，在保持状态保持所述输入信号断开前的电压值；所述高精度采样实现电路一端与接地的电压源连接，一端与所述放大器的第二输入端连接，当所述保持电容从所述采样状态切换为所述保持状态后，所述高精度实现电路通过控制所述放大器的第二输入端的电压变化调节所述第一输入端的电压，调节所述输出端的电压偏移。

2.如权利要求1所述的单位增益采样电路，其特征在于，所述第一控制电路包括第一开关、第二开关、第三开关；

所述第一开关连接在输入信号与所述保持电容之间，所述第二开关的两端分别与所述放大器的第一输入端以及输出端连接；所述第三开关一端连接在所述第一开关与所述保持电容之间，另一端连接在所述输出端上；所述保持电容与所述放大器的第一输入端连接；所述高精度采样实现电路包括储能元件和第二控制电路，在所述保持电容从采样状态变为保持状态时，所述第二控制电路控制所述储能元件改变所述第二输入端的电压。

3.如权利要求2所述的单位增益采样电路，其特征在于，所述储能元件为第一电容，所述第二控制电路包括与所述第一电容并联的第四开关；所述第四开关一端与接地的电压源连接，一端与所述第二输入端连接；当所述保持电容从采样状态变为保持状态时，所述第四开关从关闭状态变为断开。

4.如权利要求3所述的单位采样增益电路，其特征在于，所述第二开关与所述第四开关为MOS管，所述第二开关断开时向所述第一输入端注入的电荷量与所述保持电容之比，等于所述第四开关断开时向所述第二输入端注入的电荷量与所述第一电容之比。

5.如权利要求4所述的单位增益采样电路，其特征在于，所述第二开关与所述第四开关的尺寸相同，所述第一电容与所述保持电容的电容相同。

6.如权利要求1-5任一项所述的单位增益采样电路，其特征在于，所述第一输入端为反相输入端，所述第二输入端为同相输入端。

7.一种提高采样精度的方法，其特征在于，包括:

当单位增益采样电路的保持电容处于采样状态时，控制放大器的第一输入端的电压等于所述放大器第二输入端的电压；

当所述单位增益采样电路的保持电容从采样状态切换为保持状态后，通过高精度实现电路控制所述放大器的第二输入端的电压变化调节所述第一输入端的电压，以便调节所述放大器的输出端的电压偏移。

8.如权利要求7所述的提高采样精度的方法，其特征在于，所述高精度实现电路包括第二控制电路和储能元件，所述当所述单位增益采样电路的保持电容从采样状态切换为保持状态后，通过高精度实现电路控制所述放大器的第二输入端的电压变化调节所述第一输入端的电压包括：

当所述单位增益采样电路的保持电容从采样状态变为保持状态后，通过所述第二控制电路控制所述储能元件改变所述放大器第二输入端的电压。

9.如权利要求8所述的提高采样精度的方法，其特征在于，所述单位增益采样电路包括第一开关、第二开关、第三开关；所述第一开关连接在输入信号与所述保持电容之间，所述第二开关的两端分别与所述放大器的第一输入端以及输出端连接；所述第三开关一端连接在所述第一开关与所述保持电容之间，另一端连接在所述输出端上；所述保持电容与所述放大器的第一输入端连接；所述储能元件为第一电容，所述控制电路包括与所述第四开关并联的第一电容；所述当所述单位增益采样电路的保持电容从采样状态变为保持状态后，通过所述第二控制电路控制所述储能元件改变所述放大器第二输入端的电压包括：

当所述保持电容从采样状态变为保持状态时，通过断开所述第四开关，控制所述第一电容改变所述所述放大器的第二输入端的电压。

10.如权利要求9所述的提高采样精度的方法，其特征在于，所述第二开关与所述第四开关为MOS管，所述第二开关断开时向所述第一输入端注入的电荷量与所述保持电容之比，等于所述第四开关断开时向所述第二输入端注入的电荷量与所述第一电容之比。