CN109379068A - 开关电路及信号采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种开关电路及信号采集系统，开关电路包括第一子开关、第二子开关以及电压补偿电路，第一子开关的第一端作为开关电路的输入端与外部设备连接、第二端与第二子开关的第一端连接，第二子开关的第二端作为开关电路的输出端并与运放电路的反相输入端连接，运放电路的同相输入端与一电源连接，电压补偿电路连接于第一子开关与所述第二子开关之间，以在进行信号采集并将所述开关电路断开时，在电压补偿电路的作用下，使第一子开关与第二子开关之间的电压与运放电路的反相输入端的电压相同，以使通过第二子开关进入运放电路的反相输入端的漏电流被消除，进而避免因该漏电流影响运放电路输出端输出的电压从而影响信号采集结果。

Description

开关电路及信号采集系统

技术领域

本发明涉及模拟信号采样技术领域，具体而言，涉及一种开关电路及信号采集系统。

背景技术

信号采集通常是在集成电路中，通过开关实现的，通常情况下开关采用的是场效应管(MOSFET)，由于各种非理想因素，MOSFET开关断开时，开关输入端到输出端的阻抗Rs不是无穷大，因此，当开关输入和输出之间存在电压差Vdiff时，会引入一个与电压差Vdiff和开关阻抗Rs相关的开关漏电电流Ileak进入到AFE的输入端。请参阅图1，图1所示为现有的信号采集系统的电路原理图。假设开关输入端电压为Vin(t)，开关输出端即AFE异相输入端电压为Vcia(t),AFE同相输入端电压为VCOM，由于运放的虚短作用，Vcia(t)＝VCOM，即AFE异相输入端的电压不会发生改变，因此，开关漏电电流Ileak引入到AFE的异相输入端的电荷/电流通过反馈电容CF，直接影响AFE的输出电压。当输入信号为电荷或者电流时，Ileak成为一个噪声源，降低了输入模拟信号的信噪比(SNR)。在信号采集阶段，引入噪声电荷Qn的大小与采集时间T相关，引入的噪声电荷为这个噪声电荷在AFE输出端引入的噪声电压为Vn,out，且因此，有效降低因开关造成的漏电流是亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开关电路及信号采集系统，以有效缓上述问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

一种开关电路，应用于包括运放电路的信号采集系统，所述开关电路包括第一子开关、第二子开关以及电压补偿电路；

所述第一子开关的第一端作为所述开关电路的输入端与外部设备连接、第二端与所述第二子开关的第一端连接，所述第二子开关的第二端作为所述开关电路的输出端并与所述运放电路的反相输入端连接，所述运放电路的同相输入端与一电源连接，所述电压补偿电路连接于所述第一子开关与所述第二子开关之间，以在进行信号采集并将所述开关电路断开时，即将第一子开关和第二子开关断开时，在所述电压补偿电路的作用下，使所述第一子开关与第二子开关之间的电压与所述运放电路的反相输入端的电压相同，以使通过第二子开关进入所述运放电路的反相输入端的漏电流被消除。

可选的，在上述开关电路中，所述电压补偿电路包括第一电容，所述第一电容的一端连接于所述第一子开关的第二端与所述第二子开关的第一端之间、另一端接地。

可选的，在上述开关电路中，所述第一子开关和第二子开关分别为电子开关，且所述电子开关的控制端与所述信号采集系统中的控制器电连接，以在该控制器的作用下连通或断开所述第一子开关的第一端与第二端之间的连接，以及连通或断开所述第二子开关的第一端与第二端之间的连接。

可选的，在上述开关电路中，所述电子开关由单个的MOS管构成，或者由一个PMOS管和一个NMOS管并联构成，并在当所述电子开关由一个PMOS管和一个NMOS管并联构成时，该PMOS管的控制端和该NMOS管的控制端分别与所述控制器连接，且该PMOS管的控制端和该NMOS管的控制端的电平相反。

可选的，在上述开关电路中，所述运放电路包括运算放大器和第二电容，所述第二电容一端与所述运算放大器的异相输入端连接后作为所述运放电路的输入端与所述第二子开关的第二端连接，所述第二电容的另一端与所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的同相输入端作为所述运放电路的同相输入端与所述电源连接。

本发明还提供一种信号采集系统，包括运放电路以及上述的开关电路，开关电路与所述运放电路连接。

可选的，在上述信号采集系统中，所述信号采集系统还包括控制器，所述开关电路中包括的第一子开关和第二子开关分别为电子开关，所述控制器与所述第一子开关和第二子开关的控制端分别电连接。

可选的，在上述信号采集系统中，所述信号采集系统还包括多个传感器、多个开关电路以及一个所述运放电路，每个传感器分别与一个开关电路对应连接，且各所述开关电路分别与所述运放电路连接。

可选的，在上述信号采集系统中，所述信号采集系统还包括多个传感器、多个开关电路以及多个所述运放电路，每个传感器通过一个开关电路与一个所述运放电路对应连接。

可选的，在上述信号采集系统中，所述传感器包括感光器件和寄生电容，且所述感光器件和寄生电容并联后的第一端与供电器件连接，另一端与所述开关电路的输入端连接。

本发明提供的一种开关电路及信号采集系统，开关电路包括第一子开关、第二子开关以及电压补偿电路，第一子开关的第一端作为开关电路的输入端与外部设备连接、第二端与第二子开关的第一端连接，第二子开关的第二端作为开关电路的输出端并与运放电路的反相输入端连接，运放电路的同相输入端与一电源连接，电压补偿电路连接于第一子开关与所述第二子开关之间，以在进行信号采集并将所述开关电路断开时，在电压补偿电路的作用下，使第一子开关与第二子开关之间的电压与运放电路的反相输入端的电压相同，以使通过第二子开关进入运放电路的反相输入端的漏电流被消除，进而避免因该漏电流影响运放电路输出端输出的电压从而影响信号采集结果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的部分实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为现有的信号采集系统的电路原理图。

图2为本发明实施例提供的一种信号采集系统的电路原理图。

图3为本发明实施例提供的一种信号采集系统的另一电路原理图。

图4为本发明实施例提供的一种信号采集系统的另一电路原理图。

图标：10-信号采集系统；100-开关电路；110-电压补偿电路；Q1-第一子开关；Q2-第二子开关；C1-第一电容；200-运放电路；C2-第二电容；A-运算放大器；300-传感器；D-感光器件；C3-寄生电容。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的装置可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图2，本发明实施例提供的一种开关电路100，所述开关电路100应用于包括运放电路200的信号采集系统10，所述开关电路100包括第一子开关Q1、第二子开关Q2以及电压补偿电路110。

其中，所述第一子开关Q1的第一端作为所述开关电路100的输入端与外部设备连接、第二端与所述第二子开关Q2的第一端连接，所述第二子开关Q2的第二端作为所述开关电路100的输出端并与所述运放电路200的反相输入端连接，所述运放电路200的同相输入端与一电源连接，所述电压补偿电路110连接于所述第一子开关Q1与所述第二子开关Q2之间。

通过上述设置，在进行信号采集并在所述开关电路100断开时，即将第一子开关Q1和第二子开关Q2断开时，在所述电压补偿电路110的作用下，使所述第一子开关Q1与第二子开关Q2之间的电压与所述运放电路200的反相输入端的电压趋于相同，以使通过第二子开关Q2进入所述运放电路200的反相输入端的漏电流被消除，进而避免因该漏电流影响运放电路200输出端输出的电压从而影响信号采集结果。

其中，所述第一子开关Q1和第二子开关Q2可以是电子开关，也可以是普通开关。

在本实施例中，所述第一子开关Q1和第二子开关Q2分别为电子开关，且所述电子开关的控制端与所述信号采集系统10中的控制器电连接，以在该控制器的作用下连通或断开所述第一子开关Q1的第一端与第二端之间的连接，以及连通或断开所述第二子开关Q2的第一端与第二端之间的连接。

其中，所述电子开关可以是由一个或多个继电器、MOS管或三极管构成的。

在本实施例中，所述电子开关由单个的MOS管构成，或者由一个PMOS管和一个NMOS管并联构成，并在当所述电子开关由一个PMOS管和一个NMOS管并联构成时，该PMOS管的控制端和该NMOS管的控制端(栅极)分别与所述控制器连接，且该PMOS管的控制端和该NMOS管的控制端的电平相反。

其中，当由单个的MOS管构成时，该MOS管即可以是NMOS管，也可以是PMOS管，且该MOS管的控制端(栅极)与所述控制器连接。

所述运放电路200包括的电子器件可以是电容、运算放大器等，在此不作具体限定。

在本实施例中，所述运放电路200包括运算放大器A和第二电容C2，所述第二电容C2一端与所述运算放大器A的异相输入端连接后作为所述运放电路200的输入端与所述第二子开关Q2的第二端连接，所述第二电容C2的另一端与所述运算放大器A的输出端连接，所述运算放大器A的同相输入端作为所述运放电路200的同相输入端与所述电源连接。

其中，所述电压补偿电路110可以是由电容、外接电源和/或电阻构成，只要能够在所述第一子开关Q1和第二子开关Q2断开后，使得第一子开关Q1与第二子开关Q2之间的电压保持在与所述第一子开关Q1和第二子开关Q2未断开前的电压趋于相同即可。

请结合图3，在本实施例中，所述电压补偿电路110包括第一电容C1，所述第一电容C1的一端连接于所述第一子开关Q1的第二端与所述第二子开关Q2的第一端之间、另一端接地。

可以理解，所述电压补偿电路110也可以包括多个串联或并联的电容器件，只要能够在所述第一子开关Q1和第二子开关Q2断开时，能够使所述第一子开关Q1与第二子开关Q2之间的电压与第一子开关Q1和第二子开关Q2未断开之前趋于相同即可。

具体的，以所述开关电路100的输入电压为Vin(t)，运放电路200的同相输入端的连接的电源的电压为VCOM为例，当所述开关电路100闭合时，即所述第一子开关Q1和第二子开关Q2闭合时，模拟信号通过开关电路100的输入端进入，经过第一子开关Q1和第二子开关Q2输出至运放电路200的异相输入端，以使运放电路200进行处理后输出。根据运放电路200的虚短原理，运放电路200的同相输入端的电压Vcia(t)与异相输入端的电压VCOM近似相等，中心点O通过第二子开关Q2该运放电路200的异相输入端连接，则中心点O的电压近似为VCOM。保持第一电容C1的电容值为Cp，作为运放电路200异相输入端起到寄生作用的电容，且该第一电容C1的大小与运放电路200中的第二电容C2相比要小很多，因此对运放电路200工作状态没有影响。

当开关电路100断开时，即第一子开关Q1和第二子开关Q2断开，通过第二子开关Q2进入运放电路200的异相输入端的漏电被大大减小。具体的，当第一子开关Q1第二子开关Q2断开时，中心点O位于高阻态。开关输入端由于第一子开关Q1第二子开关Q2断开而与运放电路200的共模输入端断开，对运放电路200的异相输入端没有影响。第一子开关Q1的输入端电压为Vin(t)，第一子开关Q1输出端即中心点O的电压VA(t)在开关刚刚断开时，由于第一电容C1的保持作用，电压为VCOM，则第一子开关Q1产生的漏电电流为：中心点O的电压为：由于第一子开关Q1关断电阻Rs1很大，因此第一子开关Q1的漏电流Ileak1(t)趋近于0，ΔVA即上式中右边第二项近似为0。即VA(t)近似为VCOM；第二子开关Q2的输出端即开关的输出端的电压为运放电路200的异相输入端，根据运放电路200的虚短原理，与VCOM电压近似相等。因此，第二子开关Q2的输入端和输出端电压近似都等于VCOM，电压差很小，第二子开关Q2的开关漏电流为其中，ΔVA≈0，Vdiff2为第二子开关两端的电压差且Vdiff2≈0，则Ileak2≈0，因此通过第二子开关Q2关断电阻Rs2引入到AFE输入端的漏电电流被近似消除了，此外，通过增大第一电容C1的电容值，可以进一步降低漏电电流。

请参阅图4，在上述基础上，本发明还提供一种信号采集系统10，所述信号采集系统10包括运放电路200和上述的开关电路100，且所述开关电路100与运放电路200电连接，其具体电连接方式可以参照前文对开关电路100的描述。

需要说明的是，所述信号采集系统10中包括的开关电路100可以是一个也可以是多个，可以理解，当需要进行采集的模拟信号为多个时，对应需要的开关电路100也为多个，此外，当开关电路100为多个时，所需的运放电路200的数量可以是一个也可以是多个，可以理解，当运放电路200的数量为多个时，每个开关电路100可以与一个运放电路200连接，当运放电路200的数量为一个时，各所述开关电路100分别与一个所述运放电路200连接。

可选的，在本实施例中，所述信号采集系统10包括传感器300、多个开关电路100以及一个所述运放电路200，每个传感器300分别与一个开关电路100对应连接，且各所述开关电路100分别与所述运放电路200连接。

各开关电路100分别与所述运放电路200的连接方式具体为各开关电路100的输出端分别与所述运放电路200的异相输入端连接。

为便于采用所述信号采集系统10采集信号，在本实施例中，所述信号采集系统10还包括控制器，所述开关电路100中包括的第一子开关Q1和第二子开关Q2分别为电子开关，所述控制器与所述第一子开关Q1和第二子开关Q2的控制端分别电连接。

其中，所述传感器300可以但不限于声音传感器、温度传感器、角度传感器、压力传感器或位置传感器等，在此不作具体限定。

以所述信号采集系统10为指纹采集系统，所述传感器300还包括感光器件D和寄生电容C3为例进行说明，其中，所述感光器件D和寄生电容C3并联后的第一端与供电器件连接，另一端与所述开关电路100的输入端连接。

具体的，当所述传感器300包括感光器件D和寄生电容C3时，在一定时间内，传感器300根据外部光照的强弱产生电荷信号Qs。如图4中的第一个传感器300工作时，将有效信号Qs1传输到运放电路200进行处理并输出，此时其他传感器300的信号Qs(n)保持在各自的寄生电容C3的电压上，其他开关闭合，对运放电路200没有影响。本发明中开关电路100中的漏电流被消除，因此，即使当传感器300的数量很大时，因开关漏电引起的信噪比降低也被消除了。

本发明提供的一种开关电路100及信号采集系统10，开关电路100包括第一子开关Q1、第二子开关Q2以及电压补偿电路110，第一子开关Q1的第一端作为开关电路100的输入端与外部设备连接、第二端与第二子开关Q2的第一端连接，第二子开关Q2的第二端作为开关电路100的输出端并与运放电路200的反相输入端连接，运放电路200的同相输入端与一电源连接，电压补偿电路110连接于第一子开关Q1与所述第二子开关Q2之间，以在进行信号采集并将所述开关电路100断开时，在电压补偿电路110的作用下，使第一子开关Q1与第二子开关Q2之间的电压与运放电路200的反相输入端的电压相同，以使通过第二子开关Q2进入运放电路200的反相输入端的漏电流被消除，进而避免因该漏电流影响运放电路200输出端输出的电压从而影响信号采集结果。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种开关电路，应用于包括运放电路的信号采集系统，其特征在于，所述开关电路包括第一子开关、第二子开关以及电压补偿电路；

所述第一子开关的第一端作为所述开关电路的输入端与外部设备连接、第二端与所述第二子开关的第一端连接，所述第二子开关的第二端作为所述开关电路的输出端并与所述运放电路的反相输入端连接，所述运放电路的同相输入端与一电源连接，所述电压补偿电路连接于所述第一子开关与所述第二子开关之间，以在进行信号采集并将所述开关电路断开时，即将第一子开关和第二子开关断开时，在所述电压补偿电路的作用下，使所述第一子开关与第二子开关之间的电压与所述运放电路的反相输入端的电压相同，以使通过第二子开关进入所述运放电路的反相输入端的漏电流被消除。

2.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，所述电压补偿电路包括第一电容，所述第一电容的一端连接于所述第一子开关的第二端与所述第二子开关的第一端之间、另一端接地。

3.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，所述第一子开关和第二子开关分别为电子开关，且所述电子开关的控制端与所述信号采集系统中的控制器电连接，以在该控制器的作用下连通或断开所述第一子开关的第一端与第二端之间的连接，以及连通或断开所述第二子开关的第一端与第二端之间的连接。

4.根据权利要求3所述的开关电路，其特征在于，所述电子开关由单个的MOS管构成，或者由一个PMOS管和一个NMOS管并联构成，并在当所述电子开关由一个PMOS管和一个NMOS管并联构成时，该PMOS管的控制端和该NMOS管的控制端分别与所述控制器连接，且该PMOS管的控制端和该NMOS管的控制端的电平相反。

5.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，所述运放电路包括运算放大器和第二电容，所述第二电容一端与所述运算放大器的异相输入端连接后作为所述运放电路的输入端与所述第二子开关的第二端连接，所述第二电容的另一端与所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的同相输入端作为所述运放电路的同相输入端与所述电源连接。

6.一种信号采集系统，其特征在于，包括运放电路以及权利要求1-5任意一项所述的开关电路，开关电路与所述运放电路连接。

7.根据权利要求6所述的信号采集系统，其特征在于，所述信号采集系统还包括控制器，所述开关电路中包括的第一子开关和第二子开关分别为电子开关，所述控制器与所述第一子开关和第二子开关的控制端分别电连接。

8.根据权利要求6所述的信号采集系统，其特征在于，所述信号采集系统还包括多个传感器、多个开关电路以及一个所述运放电路，每个传感器分别与一个开关电路对应连接，且各所述开关电路分别与所述运放电路连接。

9.根据权利要求6所述的信号采集系统，其特征在于，所述信号采集系统还包括多个传感器、多个开关电路以及多个所述运放电路，每个传感器通过一个开关电路与一个所述运放电路对应连接。

10.根据权利要求8或9所述的信号采集系统，其特征在于，所述传感器包括感光器件和寄生电容，且所述感光器件和寄生电容并联后的第一端与供电器件连接，另一端与所述开关电路的输入端连接。