CN107332563A - 降低开关电容输入电流的电路及开关电容的采样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种降低开关电容输入电流的电路，它包括开关电容的输入电路、放大或积分电路、非交叠方波脉冲发源和开关驱动电路，信号源首先经过采样电容的采样，再被放大或积分后输出为芯片内电压信号。它还包括充电电流隔离电路，充电电流隔离电路作用于开关电容的输入电路，使得采样电容在信号采样的前段时间隔离信号源；在信号采样的后段时间连接信号源。本发明在整个采样相位时间内，真正从信号源抽取电流的时间仅在精确采样时间段，而这个时间段的电流很小，因此在信号源阻抗Rs上造成的压降也很小，没有对信号电压产生明显的干扰。且加入一个技术指标普通的充电隔离运放代替传统的高精度低噪声运放会显著降低芯片内部功耗和占用的晶片面积。

Description

降低开关电容输入电流的电路及开关电容的采样方法
技术领域
本发明涉及传感器和其他物理信号的采集、放大、模数转换(ADC)，适用于对高灵敏度传感器，尤其是陶瓷传感器的信号采集和调理，在汽车、家电、工业自动化、机器人、物联网，以及军工领域有广泛适用性。
背景技术
如图1(a)开关电容反向积分器为例所示，目前开关电容应用于传感器信号采集和放大的基本电路是采用两相位方波控制CMOS开关，第一个相位的脉冲方波是采样时间，第二个相位的脉冲方波是放大或积分时间。这样在一个周期的时间内实现了信号的采样+积分/放大。其中：
101为信号源(传感器)，
102，103,105,和106为正向脉冲开启的CMOS开关管，
104为采样电容,107为积分电容，
108为一运算放大器，
109为非交叠脉冲发生器产生开关管的栅极控制信号。
按照开关电容的工作原理，输出电压为输入电压的反向积分，其中n为脉冲周期数
在输入信号Vin(例如传感器)的采样相位期间，从信号源抽取的输入电流：Iin＝Vin×Fs×C104,其中Fs为方波脉冲的频率。输入电流在信号源上产生的额外电压为：Iin×Rs，
为了保持采样的精度，通常采样电容104不能太小，达到uA级或更高是常见的。当输入电流在信号源阻抗(Rs)较大时，产生明显的压降，形成对真正信号电压的干扰。
目前应对开关电容采样电路的输入电流对信号源干扰的常用方法是在信号源和采样电容之间增加一个高精度前置运放，隔离输入电流使之不在信号源上产生干扰电压，如图1(b)所示。但这个前置运放带来的副作用也很明显：运放本身需要高精度，例如低噪声，低失调电压，和高线性度的设计，同时需要足够的输入电压范围。这些要求不但带来明显的功耗增加，同时成本的增加也非常显著。
发明内容
为了得到更高效更节省成本的适用于高阻抗传感器的信号采样电路，本发明提出一种不需要高精度低噪声前置运放，只对开关电容采样电路加以改进的方法。
技术方案：
首先，本发明提出了一种降低开关电容输入电流的电路，它包括：开关电容的输入电路、放大或积分电路、非交叠方波脉冲发源和开关驱动电路，信号源首先经过采样电容的采样，再被放大或积分后输出为芯片内电压信号，它还包括充电电流隔离电路，充电电流隔离电路作用于开关电容的输入电路，使得：在信号采样的前段时间隔离信号源，利用芯片内部的电源给采样电容充电；在信号采样的后段时间连接信号源，利用信号源给采样电容充电。
作为第一种具体的电路结构：所述开关电容的输入电路、放大或积分电路具体包括信号源、第一CMOS开关管、第二CMOS开关管、第三CMOS开关管和第四CMOS开关管、采样电容、积分电容和运算放大器：信号源的一端连接第一CMOS开关管的一端，信号源的另一端通过信号源阻抗接地；第一CMOS开关管的另一端一方面连接第二CMOS开关管的一端，第二CMOS开关管的另一端接地；第一CMOS开关管的另一端另一方面连接采样电容的一端；采样电容的另一端一方面连接第三COMS开关管的一端，第三COMS开关管的另一端接地；采样电容的另一端另一方面连接第四CMOS开关管的一端，第四CMOS开关管的另一端连接运算放大器的反相输入端；运算放大器的同相输入端接地，运算放大器的输出端通过积分电容连接运算放大器的反相输入端。
更优的，所述充电电流隔离电路具体包括缓冲器和第五CMOS开关管，缓冲器的同相输入端连接于信号源和第一CMOS开关管之间，缓冲器的输出端通过第五CMOS开关管连接于第一CMOS开关管和采样电容之间，缓冲器的输出端接反相输入端。
更优的，信号采样的前段时间为粗略采样时间段Φ11，信号采样的后段时间为精确采样时间段Φ12，所述非交叠方波脉冲发源：
在粗略采样时间段Φ11控制第五CMOS开关管和第三CMOS开关管闭合，第一CMOS开关管、第二CMOS开关管和第四CMOS开关管断开；
在精确采样时间段Φ12控制第一CMOS开关管和第三CMOS开关管闭合，第五CMOS开关管、第二CMOS开关管和第四CMOS开关管断开；
在积分或放大相位时间段Φ2控制第五CMOS开关管、第三CMOS开关管和第一CMOS开关管断开，第二CMOS开关管和第四CMOS开关管闭合。
优选的，粗略采样时间段Φ11和精确采样时间段Φ12无缝连接，积分或放大相位时间段Φ2在精确采样时间段Φ12结束后延迟一个非交叠时间进行。
作为第二种具体的电路结构：所述开关电容的输入电路、放大或积分电路具体为一个全差分开关电容反向积分器的常用结构；充电电流隔离电路为两组，每组均包括串联连接的一个缓冲器和一个CMOS开关管；两组充电电流隔离电路对称接入所述的电路：一组接入信号源的正端与相应的采样电容之间，另一组接入信号源的负端与相应的采样电容之间。
同时，本发明提出了一种该开关电容电路的采样方法，采样过程分为粗略采样和精确采样：
首先在粗略采样时间段Φ11，信号通过充电电流隔离电路对采样电容充电到接近等于信号源的输入信号Vin，而这个充电电流隔离电路的充电电流来自与电源电压而不是信号源；
然后在精确采样时间段Φ12，采样电容经过一个开关切换到接到输入信号Vin，与传统的开关电容采样一样，由信号源直接对采样电容充电到Vin，因为在粗略采样充电时间段将采样电容充电到接近Vin，因此在接到信号源后的输入电流就很小了。
具体的，粗略采样时间段Φ11，控制第五CMOS开关管和第三CMOS开关管闭合，第一CMOS开关管、第二CMOS开关管和第四CMOS开关管断开。
具体的，精确采样时间段Φ12，控制第一CMOS开关管和第三CMOS开关管闭合，第五CMOS开关管、第二CMOS开关管和第四CMOS开关管断开。
优选的，采样电容在粗略采样完成后直接切换到信号源进入精确采样时间，使得整个采样完成后采样电容上没有运放跟随的误差。
优选的，精确采样时间段Φ12结束后延迟一个非交叠时间进行积分或放大相位时间段Φ2。
有益效果：
总的效果就是在整个采样相位时间内，真正从信号源抽取电流的时间仅在精确采样时间段，而这个时间段的电流很小，因此在信号源阻抗Rs上造成的压降也很小，没有对信号电压产生明显的干扰。加入一个技术指标很普通的充电隔离运放(缓冲器)代替传统的高精度低噪声运放会显著降低芯片内部功耗和占用的晶片面积。
附图说明
图1(a)是常规的开关电容反向积分器的电路示意图
图1(b)是常规的加高精度前置运放，隔离输入电流开关电容反向积分电路
图2是增加采样电容充电隔离运放，将采样相位时间分为粗略采样和精确采样时间段的改进电路示意图。
图3是改进后电路的采样电容电压，电流，以及输入电流在Φ11和Φ12时间段波形图
图4是改进型开关电容采样电路的扩展案例之一，全差分开关电容反向积分器
具体实施方式
请参阅图2所示，实施例1：
101为信号源(传感器)，
102为第一CMOS开关管，103为第二CMOS开关管,105为第三CMOS开关管,106为第四CMOS开关管，202为第五CMOS开关管，以上均为正向脉冲开启的CMOS开关管，
104为采样电容,107为积分电容，
201为缓冲器，是在Φ11时间内隔离采样电流的粗略运放，技术指标普通(普通的单级或两级米勒补偿的运放，对噪声没有要求，只要求在粗略采样结束时能基本对采样电容充满电荷，有10mVl量级的误差是可以接受的)
108为运算放大器，
209为非交叠方波脉冲发源，产生开关管的栅极控制信号。
信号源101的一端连接第一CMOS开关管102的一端，信号源101的另一端通过信号源阻抗RS接地；第一CMOS开关管102的另一端一方面连接第二CMOS开关管103的一端，第二CMOS开关管103的另一端接地；第一CMOS开关管102的另一端另一方面连接采样电容104的一端；采样电容104的另一端一方面连接第三COMS开关管105的一端，第三COMS开关管105的另一端接地；采样电容104的另一端另一方面连接第四CMOS开关管106的一端，第四CMOS开关管106的另一端连接运算放大器108的反相输入端；运算放大器108的同相输入端接地，运算放大器108的输出端通过积分电容107连接运算放大器108的反相输入端；充电电流隔离电路具体包括缓冲器201和第五CMOS开关管202，缓冲器201的同相输入端连接于信号源101和第一CMOS开关管102之间，缓冲器201的输出端通过第五CMOS开关管202连接于第一CMOS开关管102和采样电容104之间，缓冲器201的输出端接反相输入端。
采样步骤为：
1)在开始采样相位的粗略采样时间段Φ11，第五CMOS开关管202和第三CMOS开关管105闭合，采样电容由缓冲器201为采样电容104充电至Φ11结束。这时采样电容104上的电压基本被Vin充满。
2)采样相位的精确采样时间段Φ12，第五CMOS开关管202断开，第一CMOS开关管102和第三CMOS开关管105闭合，采样电容104被直接连接到信号源Vin。在Φ12结束时采样电容104上的电容电压VC＝Vin，在采样相位结束后完成精确采样。
3)在积分或放大相位时间Φ2，开关105,102，和202断开，103和106闭合，采样电容内的电荷被转移到积分(或放大)电容107上，完成对输入信号的积分(或放大)处理。
参见图3，信号源101与采样电容104在Φ11被缓冲器201隔离，充电电流不是从Vin抽取，是由缓冲器201提供。而在切换到Φ12瞬间，虽然采样电容104已经基本充满电荷，但由于运放的失调电压存在，因此采样电容104上的充电电压有一个突变ΔVin。在Φ12时间段存在一个很小的输入电流
ΔIin＝ΔVin×Fs×C104
在信号源阻抗RS上的压降为：ΔIin×Rs，
因为运放(缓冲器201)的失调电压很小，可以比较容易做到10mV左右，因此输入电流对信号源101的干扰电压相比于常规的开关电容采样电路大大减少。同时在采样时间完成时(Φ12结束时)，采样电容104上的电压是直接接在输入信号(信号源101)上，是精确采样，因此粗略运放的失调，噪声，和线性度等对最后的采样结果可以做到没有影响。
改进后的减少输入电流的开关电容采样电路达到了在不明显增加芯片成本和功耗的条件下，大大减少了采样输入电流。适用于有高精度，低输入电流要求的传感器或其他物理信号源的信号采样系统中。该改进电路具有应用广泛，灵活多变的特点，不但可以应用于传感器的信号采集系统中，还可以应用于高精度ADC，DAC和其他开关电容的信号处理电路中。
实施例2：图4是本发明专利也适用的一个全差分开关电容反向积分器的常用结构，它包括：信号源101、第一CMOS开关管102、第二CMOS开关管103、第三CMOS开关管105和第四CMOS开关管106、采样电容104、积分电容107，各部分连接关系如图2(实施例1)结构，此处不再赘述；它还包括：第六CMOS开关管402、第七CMOS开关管403、第八CMOS开关管405、第九CMOS开关管406、第二采样电容404、第二积分电容407，连接关系呈图2(实施例1)结构的对称设置，此处不再赘述。它还包括两组充电电流隔离电路，第一组包括串联连接的缓冲器201和第五CMOS开关管202，第二组包括串联连接的第二缓冲器401和第十CMOS开关管402。两组充电电流隔离电路对称接入所述的电路：第一组接入信号源101的正端与相应的采样电容104之间，第二组接入信号源101的负端与相应的第二采样电容404之间。各CMOS开关管的通断时序见图4所示，此处不再赘述，本实施例同样可以达到本发明的发明目的。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (10)

1.一种降低开关电容输入电流的电路，它包括：开关电容的输入电路、放大或积分电路、非交叠方波脉冲发源(209)和开关驱动电路，信号源(101)首先经过采样电容(104)的采样，再被放大或积分后输出为芯片内电压信号，其特征在于它还包括充电电流隔离电路，充电电流隔离电路作用于开关电容的输入电路，使得采样电容(104)：在信号采样的前段时间隔离信号源(101)；在信号采样的后段时间连接信号源(101)。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述开关电容的输入电路、放大或积分电路具体包括信号源(101)、第一CMOS开关管(102)、第二CMOS开关管(103)、第三CMOS开关管(105)和第四CMOS开关管(106)、采样电容(104)、积分电容(107)和运算放大器(108)：信号源(101)的一端连接第一CMOS开关管(102)的一端，信号源(101)的另一端通过信号源阻抗(RS)接地；第一CMOS开关管(102)的另一端一方面连接第二CMOS开关管(103)的一端，第二CMOS开关管(103)的另一端接地；第一CMOS开关管(102)的另一端另一方面连接采样电容(104)的一端；采样电容(104)的另一端一方面连接第三COMS开关管(105)的一端，第三COMS开关管(105)的另一端接地；采样电容(104)的另一端另一方面连接第四CMOS开关管(106)的一端，第四CMOS开关管(106)的另一端连接运算放大器(108)的反相输入端；运算放大器(108)的同相输入端接地，运算放大器(108)的输出端通过积分电容(107)连接运算放大器(108)的反相输入端；充电电流隔离电路具体包括缓冲器(201)和第五CMOS开关管(202)，缓冲器(201)的同相输入端连接于信号源(101)和第一CMOS开关管(102)之间，缓冲器(201)的输出端通过第五CMOS开关管(202)连接于第一CMOS开关管(102)和采样电容(104)之间，缓冲器(201)的输出端接反相输入端。
3.如权利要求2所述的电路，其特征在于信号采样的前段时间为粗略采样时间段Φ11，信号采样的后段时间为精确采样时间段Φ12，所述非交叠方波脉冲发源(209)：
在粗略采样时间段Φ11控制第五CMOS开关管(202)和第三CMOS开关管(105)闭合，第一CMOS开关管(102)、第二CMOS开关管(103)和第四CMOS开关管(106)断开；
在精确采样时间段Φ12控制第一CMOS开关管(102)和第三CMOS开关管(105)闭合，第五CMOS开关管(202)、第二CMOS开关管(103)和第四CMOS开关管(106)断开；
在积分或放大相位时间段Φ2控制第五CMOS开关管(202)、第三CMOS开关管(105)和第一CMOS开关管(102)断开，第二CMOS开关管(103)和第四CMOS开关管(106)闭合。
4.如权利要求3所述的电路，其特征在于粗略采样时间段Φ11和精确采样时间段Φ12无缝连接，积分或放大相位时间段Φ2在精确采样时间段Φ12结束后延迟一个非交叠时间进行。
5.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述开关电容的输入电路、放大或积分电路具体为一个全差分开关电容反向积分器的常用结构；充电电流隔离电路为两组，每组均包括串联连接的一个缓冲器和一个CMOS开关管；两组充电电流隔离电路对称接入所述的电路：一组接入信号源(101)的正端与相应的采样电容之间，另一组接入信号源(101)的负端与相应的采样电容之间。
6.一种开关电容的采样方法，其特征在于采样过程分为粗略采样和精确采样：
首先在粗略采样时间段Φ11，信号通过充电电流隔离电路对采样电容(104)充电到接近等于信号源(101)的输入信号Vin，而这个充电电流隔离电路的充电电流来自与电源电压而不是信号源(101)；
然后在精确采样时间段Φ12，采样电容(104)经过一个开关切换到接到输入信号Vin，由信号源(101)直接对采样电容(104)充电到Vin。
7.如权利要求6所述的采样方法，其特征在于粗略采样时间段Φ11，控制第五CMOS开关管(202)和第三CMOS开关管(105)闭合，第一CMOS开关管(102)、第二CMOS开关管(103)和第四CMOS开关管(106)断开。
8.如权利要求6所述的采样方法，其特征在于精确采样时间段Φ12，控制第一CMOS开关管(102)和第三CMOS开关管(105)闭合，第五CMOS开关管(202)、第二CMOS开关管(103)和第四CMOS开关管(106)断开。
9.如权利要求6所述的采样方法，其特征在于采样电容(104)在粗略采样完成后直接切换到信号源(101)进入精确采样时间，使得整个采样完成后采样电容(104)上没有运放跟随的误差。
10.如权利要求9所述的采样方法，其特征在于精确采样时间段Φ12结束后延迟一个非交叠时间进行积分或放大相位时间段Φ2。
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