CN108023557A - 一种开关电容共模反馈结构 - Google Patents

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Abstract

一种开关电容共模反馈结构，属于模拟集成电路技术领域。适用于全差分运算放大器，包括输出电平缩放开关电容模块和共模电平检测放大模块，输出电平缩放开关电容模块的两个输入端连接全差分运算放大器的两个输出端，将全差分运算放大器的输出电压缩放，使缩放后的电压满足共模电平检测放大模块的输入范围，其输出端连接共模电平检测放大模块的输入端，共模电平检测放大模块检测缩放后的电压，其输出端输出共模反馈电流源偏置电压反馈回全差分运算放大器的电流源偏置点，以使全差分运算放大器的输出共模电平稳定于理想的共模电平。本发明既有连续时间共模反馈结构速度较快、精度较高的优点，又有开关电容共模反馈结构输出摆幅大、线性度好的优点。

Description

一种开关电容共模反馈结构
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，特别涉及一种开关电容共模反馈结构。
背景技术
差分放大器是最重要的电路发明之一，它可以追溯到真空管时代。由于差分放大器具有很多有用的特性，所以它已经成为当代高性能模拟电路和混合信号电路的主要选择，其中带有共模反馈结构的全差分运算放大器是普遍运用的基本电路单元。
具有高输出摆幅、快速稳定和高精度的全差分运算放大器对模拟电路的设计尤为重要，而共模反馈结构直接影响到全差分运算放大器的各项性能。共模反馈结构可以分为连续时间共模反馈结构和开关电容共模反馈结构。连续时间共模反馈结构主要应用于连续时间电路中，但是在连续时间共模反馈结构中如果通过电阻检测输出共模电压会显著降低电路的差动电压增益，通过MOSFETs作为检测器件会限制全差分运放的输出线性范围。开关电容共模反馈结构在这几方面具有优势，但传统开关共模反馈结构的共模电压建立时间较慢，共模稳定电压波动较大，且因使用较多MOS开关而通过时钟馈通和电荷引入噪声，限制了全差分运算放大器的速度和精度。
传统的开关电容共模反馈结构如图1所示。在图1中，开关电容共模反馈结构包括开关S3～S8、两个电容C3和两个电容C4。开关S3～S8由两项非交叠时钟φ1和φ2控制，Vop和Von分别为全差分运算放大器双端输出电压，Vcmfb为共模反馈电流源偏置电压，Vcm是理想共模电压，Vbias为直流偏置电压。
当S3～S5闭合、S6～S8断开时，根据电荷分配原理，所有电容上存储的总电荷为：
Q1＝2C3*(Vcm-Vbias)+(Vop-Vcmfb)*C4+(Von-Vcmfb)*C4 (1)
当S3～S5断开、S6～S8闭合时，根据电荷分配原理，所有电容上存储的总电荷为：
Q2＝(Vop-Vcmfb)*(C3+C4)+(Von-Vcmfb)*(C3+C4) (2)
由电荷守恒Q1＝Q2，可得：
Vcmfb＝(Vop+Von)/2-Vcm+Vbias (3)
由式(3)可知，开关电容共模反馈首先检测输出共模电压Vop和Von，再与理想共模电压Vcm比较，最后叠加一个直流偏置电压Vbias来调节共模反馈电流源偏置电压Vcmfb。
发明内容
针对现有技术中连续时间共模反馈结构输出摆幅受限、具有阻性负载和开关电容共模反馈结构共模电压建立缓慢、开关噪声注入的缺点，本发明提出了一种开关电容共模反馈结构，结合了开关电容共模反馈结构和传统连续时间共模反馈结构，通过开关电容缩放全差分运算放大器输出的电压变换，使得缩放后的电压在后端共模检测电路的输入范围之内，可以有效地提高全差分运算放大器的输出摆幅，减小共模电压建立时间，提高稳定共模电压精度。
本发明的技术方案为：
一种开关电容共模反馈结构，适用于全差分运算放大器，包括输出电平缩放开关电容模块201和共模电平检测放大模块202，
所述输出电平缩放开关电容模块201包括第一开关S1、第二开关S2、两个第一电容C1和两个第二电容C2，所述第一电容C1的电容值小于所述第二电容C2的电容值；
两个第二电容C2串联，其串联点接电源地，两个第二电容C2的另一端作为所述输出电平缩放开关电容模块201的两个输出端并分别通过一个第一电容C1后连接所述全差分运算放大器的两个输出端，输入全差分运算放大器的双端输出电压Vop和Vop；第一开关S1和第二开关S2分别与所述两个第一电容C1并联；
所述共模电平检测放大模块202包括两个输入端和一个输出端，所述共模电平检测放大模块202的两个输入端分别连接所述输出电平缩放开关电容模块201的两个输出端，其输出端作为所述开关电容共模反馈结构的输出端，输出共模反馈电流源偏置电压Vcmfb到全差分运算放大器的电流源偏置点。
具体的，所述共模电平检测放大模块202包括一个三端输入的运算放大器，所述三端输入的运算放大器的两个正向输入端作为所述共模电平检测放大模块202的两个输入端，其负向输入端连接理想共模电平，其输出端作为所述共模电平检测放大模块202的输出端。
具体的，所述第一开关S1和第二开关S2由同一个时钟信号控制。
本发明的工作过程为：
当第一开关S1和第二开关S2闭合时，第一电容C1短路，此时要求全差分运算放大器输入为零，使得其输出的差分电平为零，此时直接由共模电平检测放大模块202检测全差分运算放大器的输出电平，并输出共模反馈电流源偏置电压Vcmfb反馈回全差分运算放大器的电流源偏置点，以使全差分运算放大器输出的共模电平稳定于理想的共模电平Vcm。
当第一开关S1和第二开关S2开启时，此时全差分运算放大器处于放大阶段，第一电容C1和第二电容C2将全差分运算放大器的输出电压缩放，以使缩放后的电压满足共模电平检测放大模块202的输入范围，然后共模电平检测放大模块202检测缩放后的电压，并输出共模反馈电流源偏置电压Vcmfb反馈回全差分运算放大器的电流源偏置点，以使全差分运算放大器的输出共模电平稳定于理想的共模电平Vcm。
本发明的有益效果为：与传统开关电容共模反馈相比，本发明不需要使用非交叠时钟，且减少了开关数目；噪声更低，增加了输出摆幅的同时不会增加阻性负载；本发明既有连续时间共模反馈速度较快、精度较高的优点，又有开关电容共模反馈输出摆幅大线性度好的优点；本发明提出的开关电容共模反馈结构可以使得全差分运算放大器实现快速的建立时间、高输出摆幅以及输出高精度共模电压，且在每一个周期共模电压都可以完全建立，建立时间不受限制。
附图说明
图1为传统开关电容共模反馈结构示意图。
图2为本发明提出的一种开关电容共模反馈结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式进行描述。
如图2所示为本发明提出的一种开关电容共模反馈结构示意图，包括输出电平缩放开关电容模块201和共模电平检测放大模块202，输出电平缩放开关电容模块201的输入端连接全差分运算放大器的双端输出电压Vop和Vop，将全差分运算放大器的输出电压缩放，以使缩放后的电压满足共模电平检测放大模块202的输入范围，从而增大全差分运算放大器的输出摆幅，其输出端连接共模电平检测放大模块的输入端，共模电平检测放大模块检测缩放后的电压，其输出端输出共模反馈电流源偏置电压Vcmfb反馈回全差分运算放大器的电流源偏置点，以使全差分运算放大器的输出共模电平稳定于理想的共模电平Vcm。
输出电平缩放开关电容模块201中第一开关S1和第二开关S2具有相同的时序，一些实施例中第一开关S1和第二开关S2由同一时钟控制；为了达到缩放的目的，第一电容C1的电容值需要小于第二电容C2的电容值。
本实施例中共模电平检测放大模块202为连续时间共模反馈结构的一个三端输入的运算放大器，三端输入的运算放大器的两个正向输入端作为共模电平检测放大模块202的两个输入端，其负向输入端连接理想共模电平Vcm，其输出端作为共模电平检测放大模块202的输出端输出共模反馈电流源偏置电压Vcmfb。
本实施例的工作过程为：
在工作过程中的某一时刻，第一开关S1和第二开关S2闭合，第一电容C1被短路，此时将全差分运算放大器的输入端短路，使共模电平检测放大模块202的运算放大器直接检测全差分运算放大器的输出电平，并输出共模反馈电流偏置电压Vcmfb到全差分运算放大器的电流源偏执的，稳定全差分运算放大器输出的共模电压至理想的共模电压Vcm。
在下一个时刻，第一开关S1和第二开关S2都断开，此时进入放大模式，全差分运算放大器输出的电压变化通过第一电容C1和第二电容C2按一定比例缩放后，由共模电平检测放大模块202检测，并反馈共模反馈电流偏置电压Vcmfb至全差分运算放大器的电流源偏置点，稳定输出共模电压。
本发明中的第一开关S1和第二开关S2具有相同的时序，可采用同一时钟控制，与传统的开关电容共模反馈结构相比，不需要使用非交叠时钟；且只有两个开关，与传统开关电容共模反馈结构相比减少了4个开关，降低了开关电荷注入、时钟馈通，消除了初始电荷的影响；引入更低噪声，且在每一个周期共模电压都可以完全建立，建立时间不受限制；同时本发明的输出摆幅增加，也不会增加阻性负载。
综上所述，本发明提出的开关电容共模反馈结构可以使得全差分运算放大器实现快速的建立时间、高输出摆幅以及输出高精度共模电压，本发明既有连续时间共模反馈速度较快、精度较高的优点，又有开关电容共模反馈输出摆幅大线性度好的优点。
虽然本发明提出的一种开关电容共模反馈结构已经以实例的形式公开如上，然而并非用以限定本发明，如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种开关电容共模反馈结构，适用于全差分运算放大器，其特征在于，包括输出电平缩放开关电容模块(201)和共模电平检测放大模块(202)，
所述输出电平缩放开关电容模块(201)包括第一开关(S1)、第二开关(S2)、两个第一电容(C1)和两个第二电容(C2)，所述第一电容(C1)的电容值小于所述第二电容(C2)的电容值；
两个第二电容(C2)串联，其串联点接电源地，两个第二电容(C2)的另一端作为所述输出电平缩放开关电容模块(201)的两个输出端并分别通过一个第一电容(C1)后连接所述全差分运算放大器的两个输出端；第一开关(S1)和第二开关(S2)分别与所述两个第一电容(C1)并联；
所述共模电平检测放大模块(202)包括两个输入端和一个输出端，所述共模电平检测放大模块(202)的两个输入端分别连接所述输出电平缩放开关电容模块(201)的两个输出端，其输出端作为所述开关电容共模反馈结构的输出端。
2.根据权利要求1所述的开关电容共模反馈结构，其特征在于，所述共模电平检测放大模块(202)包括一个三端输入的运算放大器，所述三端输入的运算放大器的两个正向输入端作为所述共模电平检测放大模块(202)的两个输入端，其负向输入端连接理想共模电平，其输出端作为所述共模电平检测放大模块(202)的输出端。
3.根据权利要求1所述的开关电容共模反馈结构，其特征在于，所述第一开关(S1)和第二开关(S2)由同一个时钟信号控制。
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