CN109714010B - 电容耦合式斩波仪表放大器以及相关联的方法 - Google Patents

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Abstract

一种电容耦合式斩波仪表放大器包括：第一斩波器；第一增益级；电容隔离级，电耦合在所述第一增益级的输入端与所述第一斩波器之间；第二增益级；第二斩波器，电耦合在所述第一增益级的输出端与所述第二增益级的输入端之间；钳位电路系统，电耦合在所述第一增益级的所述输入端与参考电压轨之间；以及控制器。所述控制器被配置用于：(a)检测第一共模电压的变化超过阈值，所述第一共模电压为所述放大器的所述输入端处的共模电压；并且(b)响应于检测到所述第一共模电压的所述变化超过所述阈值，使所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨。

Description

电容耦合式斩波仪表放大器以及相关联的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年10月26日提交的美国临时专利申请号62/577,261和2017年10月26日提交的美国临时专利申请号62/577,272的优先权。上述美国临时申请的全部内容通过引用结合在此。
背景技术
仪表放大器能够在较大共模电压存在的情况下对较小的差分电压进行放大。因此，仪表放大器经常用于有待进行放大的信号比较小并且共模电压比较大的应用中，比如用于压力感测应用、温度感测用于、以及电流感测应用中。
理想的仪表放大器以无穷大输入阻抗以及其输入端两端的零电压操作。然而，实际的仪表放大器达不到这些理想特性。例如，实际的仪表放大器将具有非零的输入偏移电压，其中，所述输入偏移电压是所述仪表放大器的输入端两端的固有电压。输入偏移电压会使仪表放大器操作降级，并且因此期望输入偏移电压尽可能地低。
一些仪表放大器应用要求电隔离，比如以便使所述放大器的电子电路系统与较大的共模输入电压隔离。这种应用的一个示例是高边电流感测应用，其中，电流感测电阻器浮置、并且所述电阻器两端的电压具有可能不适合于典型低压放大器电路系统的较大共模分量。
能够实现低输入偏移电压和电隔离的一种类型的仪表放大器是电容耦合式斩波仪表放大器(CCIA)。图1展示了常规CCIA 100，包括第一斩波器102、第二斩波器104、电容隔离级106、第一增益级108、第二增益级110、参考电阻器112和114以及控制器116。电容隔离级106电耦合在第一斩波器102与第一增益级108之间。第二斩波器104电耦合在第一增益级108与第二增益级110之间。第一参考电阻器112和第二参考电阻器114电耦合在参考电压轨118与第一增益级108的对应输入端120和122之间。第一参考电阻器112和第二参考电阻器114是必需的以在第一增益级108的输入端120和122处建立共模电压，因为电容隔离级106阻止了输入信号的直流(DC)分量至CCIA 100的传输。
控制器116生成第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2以控制第一斩波器102和第二斩波器104，使得第一斩波器102和第二斩波器104在直接信号传输与反向信号传输之间交替。第一斩波器102和第二斩波器104的这种操作使第一增益级108的输入偏移电压、以及第一增益级108的输入端120和122处的噪声移至比旨在由CCIA 100进行放大的信号的频率大的频率。因此，CCIA 100可以获得在旨在由CCIA 100进行放大的信号的频率范围内的较低输入偏移电压和较低噪声。
发明内容
在第一方面，一种电容耦合式斩波仪表放大器(CCIA)包括：(1)第一斩波器，(2)第一增益级，(3)电耦合在所述第一增益级的输入端与所述第一斩波器之间的电容隔离级，(4)第二增益级，(5)电耦合在所述第一增益级的输出端与所述第二增益级的输入端之间的第二斩波器，以及(6)电耦合在所述第一增益级的所述输入端与参考电压轨之间的钳位电路系统。
在第一方面的实施例中，所述钳位电路系统可以包括被配置用于将所述第一增益级的所述输入端电钳位到所述参考电压轨的多个切换设备。
在第一方面的另一个实施例中，所述CCIA进一步包括第一切换电路系统，所述第一切换电路系统被配置用于：当所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨时，使所述第一增益级的所述输入端与所述CCIA的输入端电隔离。
在第一方面的另一个实施例中，所述CCIA进一步包括第二切换电路系统，所述第二切换电路系统被配置用于：当所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨时，使所述第二增益级的所述输入端与所述第一增益级的所述输出端电隔离。
在第一方面的另一个实施例中，所述CCIA进一步包括电耦合至所述第一增益级的所述输出端的自动调零电路系统。
在第一方面的另一个实施例中，所述自动调零电路系统被配置用于：在所述第一增益级的所述输出端处注入电流，以补偿由所述第一斩波器和所述第二斩波器引起的输出纹波。
在第一方面的另一个实施例中，所述自动调零电路系统包括：(1)第三增益级，包括电耦合至所述第一增益级的所述输出端的输出端；(2)第一自动调零电容器和第二自动调零电容器，电耦合至所述第三增益级的输入端；以及(3)对应的第一自动调零切换设备和第二自动调零切换设备，分别电耦合在所述第一自动调零电容器和所述第二自动调零电容器与所述第一增益级的所述输出端之间。
在第一方面的另一个实施例中，所述自动调零电路系统被配置用于：当所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨时，对所述第一增益级的所述输出进行采样。
在第一方面的另一个实施例中，所述CCIA进一步包括控制器，所述控制器被配置用于：(1)使所述第一斩波器和所述第二斩波器中的每一个在第一操作状态与第二操作状态之间重复地切换；(2)在每次所述第一斩波器和所述第二斩波器在其对应第一操作状态下操作期间，使所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨至少一次；并且(3)在每次所述第一斩波器和所述第二斩波器在其对应第二操作状态下操作期间，使所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨至少一次。
在第一方面的另一个实施例中，所述控制器进一步被配置用于：(1)在每次所述第一斩波器和所述第二斩波器在其对应第一操作状态下操作期间，使所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨至少两次；并且(2)在每次所述第一斩波器和所述第二斩波器在其对应第二操作状态下操作期间，使所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨至少两次。
在第一方面的另一个实施例中，所述控制器进一步被配置用于：(1)在每次所述第一斩波器和所述第二斩波器在其对应第一操作状态下操作期间，使所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨至少三次；并且(2)在每次所述第一斩波器和所述第二斩波器在其对应第二操作状态下操作期间，使所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨至少三次。
在第一方面的另一个实施例中，所述参考电压轨具有固定的电势。
在第二方面，一种用于减少电容耦合式斩波仪表放大器(CCIA)的共模稳定时间的方法包括：(1)在每次所述CCIA的第一斩波器和第二斩波器在对应的第一操作状态下操作期间，将所述CCIA的第一增益级的输入端钳位到参考电压轨至少一次；以及(2)在每次所述CCIA的所述第一斩波器和所述第二斩波器在对应的第二操作状态下操作期间，将所述CCIA的所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨至少一次。
在第二方面的实施例中，所述方法进一步包括：在所述第一增益级的输出端处注入电流，以补偿由所述第一斩波器和所述第二斩波器引起的纹波。
在第二方面的另一个实施例中，所述方法进一步包括：当将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨时，对所述第一增益级的所述输出进行采样，以便确定要在所述第一增益级的所述输出端处注入以补偿由所述第一斩波器和所述第二斩波器引起的输出纹波的电流的幅值。
在第二方面的另一个实施例中，所述方法进一步包：当将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨时，使所述第一增益级的所述输入端与所述CCIA的输入端电隔离。
在第二方面的另一个实施例中，所述方法进一步包括：当将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨时，使所述CCIA的第二增益级的输入端与所述第一增益级的所述输出端电隔离。
在第二方面的另一个实施例中，每个钳位步骤包括：使用多个切换设备来将所述第一增益级的所述输入端电耦合至所述参考电压轨。
在第二方面的另一个实施例中，所述方法进一步包括：使所述第一斩波器和所述第二斩波器中的每一个在其对应的第一操作状态与其对应的第二操作状态之间重复地切换。
在第二方面的另一个实施例中，所述方法进一步包括：(1)在每次所述CCIA的所述第一斩波器和所述第二斩波器在对应的第一操作状态下操作期间，将所述CCIA的所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨至少两次；以及(2)在每次所述CCIA的所述第一斩波器和所述第二斩波器在对应的第二操作状态下操作期间，将所述CCIA的所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨至少两次。
在第二方面的另一个实施例中，所述方法进一步包括：(1)在每次所述CCIA的所述第一斩波器和所述第二斩波器在对应的第一操作状态下操作期间，将所述CCIA的所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨至少三次；以及(2)在每次所述CCIA的所述第一斩波器和所述第二斩波器在对应的第二操作状态下操作期间，将所述CCIA的所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨至少三次。
在第二方面的另一个实施例中，所述参考电压轨可以具有固定的电势。
在第三方面，一种电容耦合式放大器包括：(1)电容隔离级，(2)至少一个增益级，通信地耦合至所述电容隔离级，以及(3)钳位电路系统，被配置用于将所述放大器的电容隔离部分处的共模电压重复地钳位到参考电压。
在第三方面的实施例中，所述至少一个增益级包括第一增益级，并且所述钳位电路系统电耦合在所述第一增益级的输入端与参考电压轨之间。
在第三方面的另一个实施例中，所述钳位电路系统包括被配置用于将所述第一增益级的所述输入端电钳位到所述参考电压轨的多个切换设备。
在第三方面的另一个实施例中，所述放大器进一步包括斩波器，其中，所述钳位电路系统电耦合在所述斩波器的输入端与所述参考电压轨之间。
在第三方面的另一个实施例中，所述放大器进一步包括切换电路系统，所述切换电路系统被配置用于：当所述钳位电路系统将所述共模电压钳位到所述参考电压轨时，使所述至少一个增益级与所述放大器的输入端电隔离。
在第三方面的另一个实施例中，所述放大器进一步包括控制器，所述控制器被配置用于使所述钳位电路系统将所述共模电压重复地钳位到所述参考电压。
在第四方面，一种电容耦合式斩波仪表放大器(CCIA)包括：(1)第一斩波器，(2)第一增益级，(3)电容隔离级，电耦合在所述第一增益级的输入端与所述第一斩波器之间，(4)第二增益级，(5)第二斩波器，电耦合在所述第一增益级的输出端与所述第二增益级的输入端之间，(6)钳位电路系统，电耦合在所述第一增益级的所述输入端与参考电压轨之间，以及(7)控制器，所述控制器被配置用于：(i)检测第一共模电压的变化超过阈值，所述第一共模电压为所述CCIA的输入端处的共模电压；并且(ii)响应于检测到所述第一共模电压的所述变化超过所述阈值，使所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨。
在第四方面的另一个实施例中，所述CCIA进一步包括第一切换电路系统，所述第一切换电路系统被配置用于：当所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨时，使所述第一增益级的所述输入端与所述CCIA的所述输入端电隔离。
在第四方面的另一个实施例中，所述控制器进一步被配置用于：响应于检测到所述第一共模电压的转换速率的变化超过所述阈值，使所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨。
在第四方面的另一个实施例中，所述CCIA进一步包括电耦合至所述第一增益级的所述输出端的自动调零电路系统。
在第四方面的另一个实施例中，所述自动调零电路系统被配置用于：在所述第一增益级的所述输出端处注入电流，以补偿由所述第一斩波器和所述第二斩波器引起的纹波。
在第四方面的另一个实施例中，所述自动调零电路系统包括：(1)第三增益级，包括电耦合至所述第一增益级的所述输出端的输出端；(2)第一自动调零电容器和第二自动调零电容器，电耦合至所述第三增益级的输入端；以及(3)对应的第一自动调零切换设备和第二自动调零切换设备，电耦合在所述第一自动调零电容器和所述第二自动调零电容器与所述第一增益级的所述输出端之间。
在第四方面的另一个实施例中，所述控制器进一步被配置用于：当所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨时，使所述自动调零电路系统对所述第一增益级的所述输出进行采样。
在第四方面的另一个实施例中，所述钳位电路系统包括被配置用于将所述第一增益级的所述输入端电钳位到所述参考电压轨的多个切换设备。
在第四方面的另一个实施例中，所述CCIA进一步包括第二切换电路系统，所述第二切换电路系统被配置用于：当所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨时，使所述第二增益级的所述输入端与所述第一增益级的所述输出端电隔离。
在第四方面的另一个实施例中，所述CCIA进一步包括控制器，所述控制器被配置用于：使所述第一斩波器和所述第二斩波器中的每一个在对应的第一操作状态与对应的第二操作状态之间重复地切换。
在第四方面的另一个实施例中，所述参考电压轨可以处于固定电势。
在第五方面，一种用于减少电容耦合式斩波仪表放大器(CCIA)的共模稳定时间的方法包括：(1)检测第一共模电压的变化超过阈值，所述第一共模电压为所述CCIA的输入端处的共模电压；以及(2)响应于检测到所述第一共模电压的所述变化超过所述阈值，使所述CCIA的第一增益级的输入端与所述CCIA的输入端电隔离。
在第五方面的实施例中，所述方法进一步包括：响应于检测到所述第一共模电压的所述变化超过所述阈值，将所述第一增益级的所述输入端钳位到参考电压轨。
在第五方面的另一个实施例中，所述检测所述第一共模电压的所述变化超过所述阈值的步骤包括：检测所述第一共模电压的转换速率的变化超过所述阈值。
在第五方面的另一个实施例中，所述方法进一步包括：在所述第一增益级的输出端处注入电流，以补偿由所述CCIA的第一斩波器和第二斩波器引起的纹波。
在第五方面的另一个实施例中，所述方法进一步包括：当将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨时，对所述第一增益级的所述输出进行采样，以便确定要在所述第一增益级的所述输出端处注入以补偿由所述CCIA的所述第一斩波器和所述第二斩波器引起的纹波的电流的幅值。
在第五方面的另一个实施例中，所述方法进一步包括：当将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨时，使所述CCIA的第二增益级的输入端与所述第一增益级的所述输出端电隔离。
在第五方面的另一个实施例中，每个钳位步骤可以包括：使用多个切换设备来将所述第一增益级的所述输入端电耦合至所述参考电压轨。
在第五方面的另一个实施例中，所述方法进一步包括：使所述CCIA的第一斩波器和第二斩波器中的每一个在对应的第一操作状态与对应的第二操作状态之间重复地切换。
在第五方面的另一个实施例中，所述参考电压轨可以处于固定电势。
在第六方面，一种电容耦合式放大器包括：(1)电容隔离级，(2)增益级，通信地耦合至所述电容隔离级，(3)切换电路系统，被配置用于使所述增益级与所述放大器的输入端电隔离，以及(4)控制器，所述控制器被配置用于：(i)检测第一共模电压的变化超过阈值，所述第一共模电压为所述放大器的所述输入端处的共模电压；并且(ii)响应于检测到所述第一共模电压的所述变化超过所述阈值，使所述切换电路系统将所述增益级与所述放大器的所述输入端电隔离。
在第六方面的实施例中，所述放大器进一步包括电耦合在所述增益级的输入端与参考电压轨之间的钳位电路系统，其中，所述控制器进一步被配置用于：响应于检测到所述第一共模电压的所述变化超过所述阈值，使所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨。
在第六方面的另一个实施例中，所述钳位电路系统包括被配置用于将所述增益级的所述输入端电钳位到所述参考电压轨的多个切换设备。
在第六方面的另一个实施例中，所述放大器进一步包括：(1)斩波器，以及(2)电耦合在所述斩波器的输入端与参考电压轨之间的钳位电路系统，其中，所述控制器进一步被配置用于：响应于检测到所述第一共模电压的所述变化超过所述阈值，使所述钳位电路系统将所述斩波器的所述输入端钳位到所述参考电压轨。
在第六方面的另一个实施例中，所述参考电压轨具有固定的电势。
在第六方面的另一个实施例中，所述控制器进一步被配置用于：响应于检测到所述第一共模电压的转换速率的变化超过所述阈值，使所述切换电路系统将所述增益级与所述放大器的所述输入端电隔离。
附图说明
图1展示了常规的CCIA。
图2是曲线图，示出了图1的CCIA响应于输入信号的共模分量的快速变化的示例波形。
图3根据实施例展示了被配置用于将共模电压重复地钳位到参考电压的CCIA。
图4是曲线图，展示了在图3的CCIA的一个实施例中的信号。
图5是曲线图，展示了在图3的CCIA的另一个实施例中的信号。
图6是图3的CCIA的几个实施例的模拟输出电压的曲线图。
图7根据实施例展示了如图3的CCIA，但是省略了自动调零电路系统。
图8根据实施例展示了用于减少CCIA的共模稳定时间的方法。
图9根据实施例展示了被配置用于将共模电压重复地钳位到参考电压的电容耦合式线性放大器。
图10是曲线图，展示了在图9的放大器的一个实施例中的时钟信号。
图11根据实施例展示了被配置用于将共模电压重复地钳位到参考电压的斩波稳定仪表放大器。
图12展示了图11的仪表放大器的斩波稳定电路系统。
图13根据实施例展示了CCIA，所述CCIA被配置用于：(a)使增益级与放大器输入端隔离；并且(b)响应于共模电压的变化，将所述CCIA的电容隔离部分处的共模电压钳位到参考电压。
图14根据实施例展示了共模应答子系统。
图15是曲线图，展示了图13的CCIA的实施例响应于共模电压的变化的操作的一个示例。
图16是曲线图，展示了图13的CCIA的实施例的操作的另一个示例。
图17是图13的CCIA的实施例响应于共模输入电压的变化的模拟输出电压的曲线图。
图18是图13的CCIA的实施例响应于改变的共模电压和差分AC电压的模拟输出电压的曲线图。
图19根据实施例展示了如图13的CCIA，但是省略了自动调零电路系统。
图20根据实施例展示了用于减少CCIA的共模稳定时间的方法。
图21根据实施例展示了电容耦合式线性放大器，所述电容耦合式线性放大器被配置用于：(a)将所述放大器的电容隔离部分处的共模电压钳位到参考电压；并且(b)响应于共模电压的变化，使增益级与放大器输入端隔离。
图22是曲线图，展示了在图21的放大器的一个实施例中的时钟信号。
图23根据实施例展示了斩波稳定仪表放大器，所述斩波稳定仪表放大器被配置用于：(a)将所述仪表放大器的电容隔离部分处的共模电压钳位到参考电压；并且(b)响应于共模电压的变化，使增益级与放大器输入端隔离。
图24展示了图23的仪表放大器的斩波稳定电路系统。
具体实施方式
常规CCIA对其输入信号的共模分量的快速变化表现不佳。例如，图2是曲线图200，示出了CCIA 100响应于CCIA 100的输入端124和126处的共模电压的快速变化的示例波形。曲线202表示CCIA输入端124处的电压，曲线204表示CCIA输入端126处的电压，曲线206表示第一增益级输入端120处的电压，曲线208表示第一增益级输入端122处的电压，并且曲线210表示CCIA 100的输出电压V输出。
在时间t1处，在CCIA输入端124和126中的每一处的电压幅值从V1快速变化至V2，使得在CCIA 100的输入端处的共模电压的幅值从V1快速变化至V2。第一参考电阻器112和第二参考电阻器114必须具有较大的电阻值以防止过度信号损失和噪声，并且参考电压轨118因此充当相对于第一增益级输入端120和122的高阻抗电压源。因此，参考电压轨118无法在瞬时事件期间维持第一增益级输入端120和122处的共模电压，并且需要大量的时间以在瞬时事件之后建立输入端120和122处的共模电压。因此，共模输入电压在时间t1处的快速变化使得在第一增益级输入端120和122中的每一个上分别出现毛刺212和214，并且这些毛刺被第一增益级108和第二增益级110放大从而导致输入电压V输出的相应毛刺216。因此，共模输入电压在时间t1处的快速变化导致输出电压V输出的失真。
申请人已经开发了至少部分地克服常规CCIA的以上讨论的缺点中的一个或多个的新CCIA以及相关联的方法。这些新CCIA的某些实施例被配置用于将CCIA的电容隔离部分处(例如，在电容隔离级之后的增益级输入端处)的共模电压重复地钳位到参考电压轨的参考电压，从而帮助最小化瞬时事件之后的共模电压稳定时间。一些实施例被配置用于检测共模电压的变化，并且响应于所检测到的变化，(a)使增益级与放大器输入端隔离，并且(b)将CCIA的电容隔离部分处的共模电压钳位到参考电压，从而帮助最小化瞬时事件之后的共模电压稳定时间。
图3展示了CCIA 300，其为被配置用于将CCIA的电容隔离部分处的共模电压重复地钳位到参考电压轨的参考电压的新CCIA的一个实施例。CCIA 300包括第一斩波器302、第二斩波器304、第一增益级306、第二增益级308、电容隔离级310、钳位电路系统312、自动调零电路系统314、第一切换电路系统316、第二切换电路系统318、和控制器320。
第一斩波器302电耦合在(a)CCIA输入端Vi_p和Vi_n与(b)电容隔离级310之间。第一斩波器302由时钟信号Φ1和Φ2控制，并且至少包括第一操作状态和第二操作状态。当时钟信号Φ1被断言时，第一斩波器302在其第一操作状态下操作；并且当时钟信号Φ2被断言时，第一斩波器302在其第二操作状态下操作。所述第一操作状态由直接信号传输表征，即，第一斩波器302将CCIA输入端Vi_p电耦合至正输入路径322，并且第一斩波器302将CCIA输入端Vi_n电耦合至负输入路径324。所述第二操作状态由反向信号传输表征，即，第一斩波器302将CCIA输入端Vi_p电耦合至负输入路径324，并且第一斩波器302将CCIA输入端Vi_n电耦合至正输入路径322。正输入路径322馈入第一增益级306的输入端326，并且负输入路径324馈入第一增益级306的输入端328。在一些实施例中，第一斩波器302包括由时钟信号Φ1和Φ2控制以实现所述第一操作状态和所述第二操作状态的多个晶体管(未示出)。
电容隔离级310电耦合在第一斩波器302与第一增益级输入端326和328之间，使得第一增益级306与电容隔离级310通信地耦合。电容隔离级310电耦合第一斩波器302与第一增益级306之间的交流(AC)信号，同时阻止DC信号的传输。在一些实施例中，如所展示的，电容隔离级310包括第一电容器330和第二电容器332。在这些实施例中，第一电容器330与正输入路径322串联地电耦合，并且第二电容器332与负输入路径324串联地电耦合。在不脱离本文范围的情况下，电容隔离级310可以包括另外的电容器。此外，可以使用仅传输AC信号的另一个设备比如光耦合器来替代电容隔离级310。
钳位电路系统312电耦合在第一增益级输入端326和328与参考电压轨334之间。在某些实施例中，参考电压轨334具有被设置用于实现第一增益级输入端326和328处的期望共模电压的固定电势。钳位电路系统312被配置用于当时钟信号Φ3被断言时将第一增益级输入端326和328钳位到参考电压轨334，从而将第一增益级输入端326和328处的共模电压钳位到参考电压轨334的参考电压。如以下所讨论的，钳位电路系统312将第一增益级输入端326和328重复地钳位到参考电压轨334，以帮助最小化瞬时事件之后的共模电压稳定时间。在某些实施例中，如所展示的，钳位电路系统312包括分别电耦合在参考电压轨334与第一增益级输入端326和328之间的切换设备336和338。当时钟信号Φ3被断言时切换设备336和338被关闭，以分别将第一增益级输入端326和328钳位到参考电压轨334。当时钟信号Φ3被解除断言时，切换设备336和338被打开。例如，切换设备336和338中的每一个包括一个或多个晶体管。在不脱离本文范围的情况下，钳位电路系统312的配置可以改变，比如改变为包括另外的切换设备。
第一切换电路系统316被配置用于：当钳位电路系统312将第一增益级输入端326和328钳位到参考电压轨334时，即，当时钟信号Φ3被断言时，使第一增益级输入端326和328与CCIA输入端Vi_p和Vi_n电隔离。在某些实施例中，如所展示的，第一切换电路系统316包括与正输入路径322和负输入路径324串联电耦合的对应切换设备340和342。当时钟信号Φ3被解除断言时，切换设备340和342被关闭；并且当时钟信号Φ3被断言时，切换设备340和342被打开。例如，切换设备340和342中的每一个包括一个或多个晶体管。尽管第一切换电路系统316被展示为电耦合在电容隔离级310与第一增益级306之间，但是第一切换电路系统316可以替代地电耦合在第一斩波器302与电容隔离级310之间。
在具体实施例中，第一增益级306执行跨导功能，即，其响应于输入电压信号的差异而生成差分输出电流信号。然而，可以在不脱离本文范围的情况下改变第一增益级306的配置。尽管为了说明简洁，第一增益级306被展示为单个元件，但是第一增益级306可以包括多个元件。
第二斩波器304电耦合在第一增益级306的输出端344和346与第二增益级308的输入端348和350之间。第二斩波器304由时钟信号Φ1和Φ2以如第一斩波器302的方式来控制。具体地，当时钟信号Φ1被断言时，第二斩波器304在其第一操作状态下操作；并且当时钟信号Φ2被断言时，第二斩波器304在其第二操作状态下操作。所述第一操作状态由直接信号传输表征，即，第二斩波器304将第一增益级输出端344电耦合至正输出路径352，并且第二斩波器304将第一增益级输出端346电耦合至负输出路径354。所述第二操作状态由反向信号传输表征，即，第二斩波器304将第一增益级输出端344电耦合至负输出路径354，并且第二斩波器304将第一增益级输出端346电耦合至正输出路径352。正输出路径352馈入第二增益级输入端348，并且负输出路径354馈入第二增益级输入端350。在一些实施例中，第二斩波器304包括由时钟信号Φ1和Φ2控制以实现所述第一操作状态和所述第二操作状态的多个晶体管(未示出)。
第二切换电路系统318被配置用于：当钳位电路系统312将第一增益级输入端326和328钳位到参考电压轨334时，即，当时钟信号Φ3被断言时，使第二增益级输入端348和350与第一增益级输出端344和346电隔离。在某些实施例中，如所展示的，第二切换电路系统318包括与正输出路径352并且与负输出路径354串联电耦合的对应切换设备356和358。当时钟信号Φ3被解除断言时，切换设备356和358被关闭；并且当时钟信号Φ3被断言时，切换设备356和358被打开。例如，切换设备356和358中的每一个包括一个或多个晶体管。尽管第二切换电路系统318被展示为电耦合在第二斩波器304与第二增益级308之间，但是第二切换电路系统318可以替代地电耦合在第一增益级306与第二斩波器304之间。
在具体实施例中，如所展示的，第二增益级308执行跨导功能，并且CCIA 300进一步包括反馈电容器360和362。反馈电容器360电耦合在第二增益级输入端348与第二增益级308的输出端366之间。反馈电容器362电耦合在第二增益级输入端350与第二增益级308的输出端368之间。因此，第二增益级308是密勒补偿型的。然而，可以在不脱离本文范围的情况下改变第二增益级308的配置。尽管为了说明简洁，第二增益级308被展示为单个元件，但是在不脱离本文范围的情况下第二增益级308可以包括多个元件。
自动调零电路系统314电耦合至第一增益级输出端344和346。自动调零电路系统314包括第三增益级370、自动调零电容器372和374、以及自动调零切换设备376和378。自动调零电容器372和374分别经由自动调零切换设备376和378电耦合至第一增益级输出端344和346。自动调零电容器372和374还分别电耦合至第三增益级输入端380和382。第三增益级370的输出端384和386分别电耦合至第一增益级输出端344和346。自动调零切换设备376和378由时钟信号Φ3来控制，即，当时钟信号Φ3被断言时自动调零切换设备376和378被关闭，并且当时钟信号Φ3被解除断言时自动调零切换设备376和378被打开。例如，自动调零切换设备376和378中的每一个包括一个或多个晶体管。如以下所讨论的，自动调零电路系统314在第一增益级输出端344和346处注入电流，以补偿由第一斩波器302和第二斩波器304引起的输出纹波。
控制器320生成第一时钟信号Φ1、第二时钟信号Φ2和第三时钟信号Φ3。控制器320由例如模拟电气电路系统、数字电气电路系统、或模拟电气电路系统和数字电气电路系统的组合形成。例如，在一个实施例中，控制器320由处理器和接口电路系统形成，其中，所述接口电路系统将所述处理器电耦合至CCIA 300的斩波器和切换设备。在这个实施例中，所述处理器执行软件或固件形式的指令，以生成第一时钟信号Φ1、第二时钟信号Φ2和第三时钟信号Φ3。尽管控制器320被象征性地展示为单个元件，但是控制器320可以由多个元件比如多个集成电路和/或多个分立部件形成。
在某些实施例中，控制器320生成第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2，使得第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2以互补的方式被断言，即，当第二时钟信号Φ2被解除断言时第一时钟信号Φ1被断言，并且反之亦然。因此，在这些实施例中，第一斩波器302和第二斩波器304在其对应的第一操作状态与第二操作状态之间一致地重复切换。在每次第一时钟信号Φ1被断言期间，控制器320断言第三时钟信号Φ3至少一次，并且在每次第二时钟信号Φ2被断言期间，控制器320也断言第三时钟信号Φ3至少一次，使得第三时钟信号Φ3在每个斩波周期期间被断言至少一次。因此，在每次第一斩波器302和第二斩波器304在其对应第一操作状态下操作期间，钳位电路系统312将第一增益级输入端326和328钳位到参考电压轨334至少一次；并且在每次第一斩波器302和第二斩波器304在其对应第二操作状态下操作期间，钳位电路系统312将第一增益级输入端326和328钳位到参考电压轨334至少一次。
图4是曲线图400，展示了如由CCIA 300的一个实施例中的控制器320生成的第一时钟信号Φ1、第二时钟信号Φ2和第三时钟信号Φ3。曲线图400的竖直轴表示信号幅值，并且曲线图400的水平轴表示时间。在这个具体实施例中，当时钟信号处于逻辑高时其被断言。然而，在不脱离本文范围的情况下，CCIA 300可以被配置成使得第一时钟信号Φ1、第二时钟信号Φ2和第三时钟信号Φ3中的一个或多个在它们处于逻辑低时被断言。
在图4的实施例中，第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2以互补的方式被断言。因此，第一增益级306的输入偏移电压以及第一增益级输入端326和328处的噪声被移至较高的频率。另外，在每次第一时钟信号Φ1被断言期间，第三时钟信号Φ3被断言一次；并且在每次第二时钟信号Φ2被断言期间，第三时钟信号Φ3也被断言一次。因此，钳位电路系统312将CCIA 300的电容隔离部分处(即，在第一增益级输入端326和328处)的共模电压重复地钳位到参考电压轨334的参考电压，以重复地“重置”所述共模电压。因此，第一增益级输入端326和328比常规CCIA明显更不易于由于瞬时事件而产生毛刺，因为第一增益级输入端326和328处的共模电压被频繁地重置。因此，CCIA 300有利地比常规CCIA明显更不易于由于共模瞬时事件而产生毛刺。
此外，自动调零电路系统314利用钳位电路系统312来帮助最小化与第一斩波器302和第二斩波器304的操作相关联的输出纹波。具体地，当第三时钟信号Φ3被断言时,钳位电路系统312将第一增益级输入端326和328短路在一起，并且因此当第三时钟信号Φ3被断言时第一增益级输出端344和346理想地具有共同值。当第三时钟信号Φ3被断言时，即当钳位电路系统312将第一增益级输入端326和328钳位到参考电压轨334时，自动调零电路系统314通过对第一增益级输出端344和346进行采样来利用被短路在一起的第一增益级输入端326和328，以确定第一增益级输出端344和346上的与第一斩波器302和第二斩波器304的操作相关联的纹波的存在。具体地，当第三时钟信号Φ3被断言时，自动调零切换设备376和378被关闭，并且自动调零电容器372和374被充电至第一增益级输出端344和346的对应电压。第三增益级370对自动调零电容器372与374的电压差进行放大，以分别生成补偿电流Ic_p和Ic_n。在第一增益级输出端344和346处注入补偿电流Ic_p和Ic_n，以补偿与第一斩波器302和第二斩波器304的操作相关联的输出纹波。因此，自动调零电路系统314与钳位电路系统312的组合使得CCIA 300的某些实施例能够实现比常规CCIA更低的输出纹波。
增加第三时钟信号Φ3断言的频率会增加CCIA 300的AC共模抑制比(CMRR)。因此，在一些实施例中，控制器320生成第三时钟信号Φ3，使得在每次第一时钟信号Φ1被断言期间第三时钟信号Φ3被断言至少两次，并且使得在每次第二时钟信号Φ2被断言期间第三时钟信号Φ3被断言至少两次。换言之，在每个斩波周期期间第三时钟信号Φ3被断言至少两次。例如，图5是与图4曲线图相类似的曲线图500，但是展示了CCIA 300的替代性实施例的时钟信号，其中，第三时钟信号Φ3在每次第一时钟信号Φ1被断言期间被断言两次，并且在每次第二时钟信号Φ2被断言期间被断言两次。控制器320可以被修改成在每个斩波周期使第三时钟信号Φ3断言附加次数，以甚至进一步增加CCIA 300的CMRR。
图6是CCIA 300的几个实施例响应于共模输入电压的五十伏特变化的模拟输出电压V输出的曲线图600。曲线图600的竖直轴表示输出电压V输出，并且曲线图600的水平轴表示时间。曲线602与以如图4的方式生成时钟信号的CCIA 300的实施例相对应，并且曲线604与以如图5的方式生成时钟信号的CCIA 300的实施例相对应。进而，曲线606与被从CCIA 300中省略的钳位电路系统312相对应。如从图6中明显的是，在CCIA 300中包括钳位电路系统312大大地减少了响应于共模输入瞬时事件的输出电压失真，并且增加第三时钟信号Φ3断言的频率进一步减少了输出电压失真。
可以从CCIA 300中省略自动调零电路系统314以降低成本和复杂度，但同时具有增加输出纹波的缺点。例如，图7展示了如CCIA 300的CCIA 700，但是省略了自动调零电路系统314。
本文所公开的仪表放大器的一种可能应用是用于电流感测应用，比如用于感测流过例如由脉宽调制(PWM)电压或经脉冲频率调制(PFM)电压驱动的电机或螺线管等感性负载的电流。这些应用中的电流感测测量结果通常必须非常准确，以便确保对感性负载的正确控制。然而，难以在这些应用中准确地感测电流，因为电流感测放大器必须能够感测到叠加在很大的PWM或PFM共模电压(例如，在数十伏特范围内)上的很小的差分电压(例如，在毫伏范围内)。此外，如以上所讨论的，PWM或PFM共模电压可以具有高达500伏特每微秒的边缘转换速率，这可以使常规仪表放大器的输出发生失真。然而，CCIA 300的某些实施例中的钳位电路系统312使CCIA 300具有较大的CMRR，从而使得CCIA 300能够在电流感测应用中基本上抑制PWM和PFM共模电压。因此，CCIA 300的某些实施例可以使得能够在由PWM或PFM电压来驱动感性负载的应用中进行准确的电流感测。
图8展示了用于减少CCIA的共模稳定时间的方法800。在步骤802中，在每次CCIA的第一斩波器和第二斩波器在对应第一操作状态下操作期间，CCIA的第一增益级的输入端被钳位到参考电压轨至少一次。在步骤802的一个示例中，在每次第一斩波器302和第二斩波器304在其对应第一操作状态下操作期间，钳位电路系统312将第一增益级输入端326和328钳位到参考电压轨334至少一次。在步骤804中，在每次CCIA的第一斩波器和第二斩波器在对应第二操作状态下操作期间，CCIA的第一增益级的输入端被钳位到参考电压轨至少一次。在步骤804的一个示例中，在每次第一斩波器302和第二斩波器304在其对应第二操作状态下操作期间，钳位电路系统312将第一增益级输入端326和328钳位到参考电压轨334至少一次。
方法800可选地进一步包括步骤806，其中，在第一增益级的输出端处注入电流，以补偿由第一斩波器和第二斩波器引起的输出纹波。步骤806是例如与步骤802和804并行执行的。在步骤806的一个示例中，第三增益级370在第一增益级输出端344和346处注入补偿电流Ic_p和Ic_n，以补偿由第一斩波器302和第二斩波器304引起的输出纹波。当将第一增益级输入端326和328钳位到参考电压轨334时对第一增益级306的输出344和346进行采样，例如以便确定补偿电流Ic_p和Ic_n的幅值。
申请人已经进一步确定，将电容耦合式放大器中的共模电压重复地钳位到参考电压以帮助最小化瞬时事件之后的共模电压稳定时间的原理并不限于CCIA。相反，所述原理可以应用于许多其他电容耦合式放大器。以下参照图9至图12对将共模电压重复地钳位到参考电压的原理可以如何应用于除CCIA外的放大器的若干示例进行讨论。然而，应当理解的是，此原理并不限于本文所讨论的具体拓扑，而是可以应用于许多其他电容耦合式放大器。
图9展示了被配置用于将放大器的电容隔离部分处的共模电压重复地钳位到参考电压的电容耦合式线性放大器900。放大器900包括电容隔离级902、增益级904、切换电路系统906、钳位电路系统908、和控制器910。电容隔离级902包括第一电容器912和第二电容器914。第一电容器912电耦合在放大器输入端Vi_p与增益级904的输入端916之间，并且第二电容器914电耦合在放大器输入端Vi_n与增益级904的输入端918之间，使得增益级904通信地耦合至电容隔离级902。电容隔离级902电耦合放大器输入端Vi_p和Vi_n与增益级输入端916和918之间的AC信号，同时阻止DC信号的传输。在不脱离本文范围的情况下，电容隔离级902可以包括另外的电容器。此外，可以使用仅传输AC信号的另一个设备比如光耦合器来替代电容隔离级902。
钳位电路系统908电耦合在增益级输入端916和918与参考电压轨920之间。在某些实施例中，参考电压轨920具有被设置用于实现增益级输入端916和918处的期望共模电压的固定电势。钳位电路系统908被配置用于当时钟信号Φ被断言时将增益级输入端916和918钳位到参考电压轨920，从而将共模电压钳位到参考电压轨920的参考电压。如以下所讨论的，控制器910重复地断言时钟信号Φ，以帮助最小化瞬时事件之后的共模电压稳定时间。在某些实施例中，如所展示的，钳位电路系统908包括分别电耦合在参考电压轨920与增益级输入端916和918之间的切换设备922和924。当时钟信号Φ被断言时切换设备922和924被关闭，以分别将增益级输入端916和918钳位到参考电压轨920。当时钟信号Φ被解除断言时，切换设备922和924被打开。例如，切换设备922和924中的每一个包括一个或多个晶体管。在不脱离本文范围的情况下，钳位电路系统908的配置可以改变，比如改变为包括另外的切换设备。
切换电路系统906被配置用于：当钳位电路系统908将共模电压钳位到参考电压轨920的电压时，即，当时钟信号Φ被断言时，使增益级904与放大器输入端Vi_p和Vi_n电隔离。在某些实施例中，如所展示的，切换电路系统906包括与增益级输入端916和918串联电耦合的对应切换设备926和928。当时钟信号Φ被解除断言时，切换设备926和928被关闭；并且当时钟信号Φ被断言时，切换设备926和928被打开。例如，切换设备926和928中的每一个包括一个或多个晶体管。
增益级904可以具有基本上任何配置，只要其响应于增益级输入端916与918处的信号差异而在增益级输出端930处生成信号。例如，在一些实施例中，增益级904被配置为仪表放大器。尽管为了说明简洁，增益级904被展示为单个元件，但是增益级904可以包括多个元件。取决于增益级904的配置，增益级输出端930处的信号可以是电压信号或电流信号。在放大器900的一些实施例中，增益级输出端930处的信号是差分信号。
控制器910生成时钟信号Φ，使得时钟信号Φ被重复地断言。因此，钳位电路系统908将增益级输入端916和918重复地钳位到参考电压轨920。因此，增益级输入端916和918比常规CCIA明显更不易于由于瞬时事件而产生毛刺，因为增益级输入端916和918处的共模电压被频繁地重置成参考电压轨920的参考电压。因此，出于与以上关于CCIA 300所讨论的类似原因，放大器900有利地比常规电容耦合式差分放大器明显更不易于由于共模瞬时事件而产生毛刺。
图10是曲线图1000，展示了如由放大器900的一个实施例中的控制器910生成的时钟信号Φ。曲线图1000的竖直轴表示信号幅值，并且曲线图1000的水平轴表示时间。在这个具体实施例中，当时钟信号Φ处于逻辑高时其被断言。然而，在不脱离本文范围的情况下，放大器1000可以被配置成使得当时钟信号Φ处于逻辑低时所述时钟信号被断言。在图10的实施例中，控制器910以频率f来断言时钟信号Φ。然而，在不脱离本文范围的情况下，控制器910可以被修改成以不同的频率、或甚至以非周期性的方式来断言时钟信号Φ。放大器900的CMRR通常随着频率f的增加而增大，并且因此，可以期望将放大器910配置成使得频率f尽可能地大。
图11展示了斩波稳定仪表放大器1100，所述放大器包括第一斩波器1102、第二斩波器1104、第一增益级1106、第二增益级1108、电容隔离级1110、钳位电路系统1112、斩波稳定电路系统1114、第一切换电路系统1116、第二切换电路系统1118、和控制器1120。第一斩波器1102电耦合在(a)放大器输入端Vi_p和Vi_n与(b)电容隔离级1110之间。第一斩波器1102由时钟信号Φ1和Φ2控制，并且至少包括与图3的第一斩波器302的第一操作状态和第二操作状态相类似的第一操作状态和第二操作状态。当时钟信号Φ1被断言时，第一斩波器1102在其第一操作状态下操作；并且当时钟信号Φ2被断言时，第一斩波器1102在其第二操作状态下操作。在一些实施例中，第一斩波器1102包括由时钟信号Φ1和Φ2控制以实现所述第一操作状态和所述第二操作状态的多个晶体管(未示出)。
电容隔离级1110电耦合在第一斩波器1102与第二斩波器1104的输入端1122和1124之间。电容隔离级1110电耦合第一斩波器1102与第二斩波器1104之间的交流(AC)信号，同时阻止DC信号的传输。在一些实施例中，如所展示的，电容隔离级1110包括第一电容器1130和第二电容器1132。在这些实施例中，第一电容器1130与第二斩波器输入端1122串联电耦合，并且第二电容器1132与第二斩波器输入端1124串联电耦合。在不脱离本文范围的情况下，电容隔离级1110可以包括另外的电容器。此外，可以使用仅传输AC信号的另一个设备比如光耦合器来替代电容隔离级1110。
钳位电路系统1112电耦合在第二斩波器输入端1122和1124与参考电压轨1134之间。在某些实施例中，参考电压轨1134具有被设置用于实现第二斩波器输入端1122和1124处的期望共模电压的固定电势。钳位电路系统1112被配置用于当时钟信号Φ3被断言时，将第二斩波器输入端1122和1124钳位到参考电压轨1134。钳位电路系统1112将第二斩波器输入端1122和1124重复地钳位到参考电压轨1134，从而重复地重置仪表放大器1100中的共模电压，以帮助最小化瞬时事件之后的共模电压稳定时间。在某些实施例中，如所展示的，钳位电路系统1112包括分别电耦合在参考电压轨1134与第二斩波器输入端1122和1124之间的切换设备1136和1138。当时钟信号Φ3被断言时切换设备1136和1138被关闭，以分别将第二斩波器输入端1122和1124钳位到参考电压轨1134。当时钟信号Φ3被解除断言时，切换设备1136和1138被打开。例如，切换设备1136和1138中的每一个包括一个或多个晶体管。在不脱离本文范围的情况下，钳位电路系统1112的配置可以改变，比如改变为包括另外的切换设备。
第一切换电路系统1116被配置用于：当钳位电路系统1112将第二斩波器输入端1122和1124钳位到参考电压轨1134时，即，当时钟信号Φ3被断言时，使第二斩波器输入端1122和1124与CCIA输入端Vi_p和Vi_n电隔离。在某些实施例中，如所展示的，第一切换电路系统1116包括与第二斩波器输入端1122和1124串联电耦合的对应切换设备1140和1142。当时钟信号Φ3被解除断言时，切换设备1140和1142被关闭；并且当时钟信号Φ3被断言时，切换设备1140和1142被打开。例如，切换设备1140和1142中的每一个包括一个或多个晶体管。尽管第一切换电路系统1116被展示为电耦合在电容隔离级1110与第二斩波器1104之间，但是第一切换电路系统1116可以替代地电耦合在第一斩波器1102与电容隔离级1110之间。
第二斩波器1104电耦合在电容隔离级1110与第一增益级1106之间。第二斩波器1104由时钟信号Φ1和Φ2以如第一斩波器1102的方式来控制。具体地，当时钟信号Φ1被断言时，第二斩波器1104在其第一操作状态下操作；并且当时钟信号Φ2被断言时，第二斩波器1104在其第二操作状态下操作。在一些实施例中，第二斩波器1104包括由时钟信号Φ1和Φ2控制以实现所述第一操作状态和所述第二操作状态的多个晶体管(未示出)。
第一增益级1106经由第二斩波器1140通信地耦合至电容隔离级1110。在具体实施例中，第一增益级1106执行跨导功能，即，其响应于输入电压信号的差异而生成差分输出电流信号。然而，可以在不脱离本文范围的情况下改变第一增益级1106的配置。尽管为了说明简洁，第一增益级1106被展示为单个元件，但是第一增益级1106可以包括多个元件。
第二切换电路系统1118被配置用于：当钳位电路系统1112将第二斩波器输入端1122和1124钳位到参考电压轨1134时，即，当时钟信号Φ3被断言时，使第二增益级1108与第一增益级1106电隔离。在某些实施例中，如所展示的，第二切换电路系统1118包括与第二增益级1108的输入端1148和1150串联电耦合的对应切换设备1144和1146。当时钟信号Φ3被解除断言时，切换设备1144和1146被关闭；并且当时钟信号Φ3被断言时，切换设备1144和1146被打开。例如，切换设备1144和1146中的每一个包括一个或多个晶体管。
在具体实施例中，如所展示的，第二增益级1108执行跨导功能，并且放大器1100进一步包括反馈电容器1152和1154。反馈电容器1152电耦合在第二增益级输入端1148与第二增益级1108的输出端1156之间。反馈电容器1154电耦合在第二增益级输入端1150与第二增益级1108的输出端1158之间。因此，第二增益级1108是密勒补偿型的。然而，可以在不脱离本文范围的情况下改变第二增益级1108的配置。尽管为了说明简洁，第二增益级1108被展示为单个元件，但是在不脱离本文范围的情况下第二增益级1108可以包括多个元件。
图12展示了斩波稳定电路系统1114，所述斩波稳定电路系统包括第三斩波器1202、第四斩波器1204、第三增益级1206、第四增益级1208、第五增益级1210、反馈电容器1214和1216、反馈电容器1218和1220、以及电阻器1222和1224。电阻器1222和1224共同形成第二增益级1108的输出端两端的分压器，并且第三斩波器1202电耦合在电阻器1222与第二电容隔离级1212之间。第三斩波器1202由时钟信号Φ1和Φ2以如第一斩波器1102的方式来控制。具体地，当时钟信号Φ1被断言时，第三斩波器1202在其第一操作状态下操作；并且当时钟信号Φ2被断言时，第三斩波器1202在其第二操作状态下操作。在一些实施例中，第三斩波器1202包括由时钟信号Φ1和Φ2控制以实现所述第一操作状态和所述第二操作状态的多个晶体管(未示出)。
第二电容隔离级1212电耦合在第三斩波器1202与第三增益级1206的输入端1226和1228之间。电容隔离级1212电耦合第三斩波器1202与第三增益级1206之间的交流(AC)信号，同时阻止DC信号的传输。在一些实施例中，如所展示的，电容隔离级1212包括第三电容器1230和第四电容器1232。在这些实施例中，第三电容器1230与第三增益级输入端1226串联电耦合，并且第四电容器1232与第三增益级输入端1228串联电耦合。在不脱离本文范围的情况下，电容隔离级1212可以包括另外的电容器。此外，可以使用仅传输AC信号的另一个设备比如光耦合器来替代电容隔离级1212。
第三增益级1206通信地耦合在第二电容隔离级1212与第四斩波器1204之间。在具体实施例中，第三增益级1206执行跨导功能，即，其响应于输入电压信号的差异而生成差分输出电流信号。然而，可以在不脱离本文范围的情况下改变第三增益级1206的配置。尽管为了说明简洁，第三增益级1206被展示为单个元件，但是第三增益级1206可以包括多个元件。
第四斩波器1204电耦合在第三增益级1206与第四增益级1208之间。第四斩波器1204由时钟信号Φ1和Φ2以如第一斩波器1102的方式来控制。具体地，当时钟信号Φ1被断言时，第四斩波器1204在其第一操作状态下操作；并且当时钟信号Φ2被断言时，第四斩波器1204在其第二操作状态下操作。在一些实施例中，第四斩波器1204包括由时钟信号Φ1和Φ2控制以实现所述第一操作状态和所述第二操作状态的多个晶体管(未示出)。
第四增益级1208电耦合在第四斩波器1204与第五增益级1210之间。在具体实施例中，第四增益级1208执行跨导功能。反馈电容器1214和1216电耦合在第四增益级1208的对应输入端与输出端之间。可以在不脱离本文范围的情况下改变第四增益级1208的配置。尽管为了说明简洁，第四增益级1208被展示为单个元件，但是在不脱离本文范围的情况下第四增益级1208可以包括多个元件。反馈电容器1218和1220电耦合在第二增益级1108的对应输出端与第四增益级1208的对应输入端之间。
第五增益级1210电耦合在第四增益级1208与第二增益级输入端1148和1150之间。在具体实施例中，第五增益级1210执行跨导功能，但是可以在不脱离本文范围的情况下改变第五增益级1210的配置。尽管为了说明简洁，第五增益级1210被展示为单个元件，但是在不脱离本文范围的情况下第五增益级1210可以包括多个元件。
控制器1120(图11)生成第一时钟信号Φ1、第二时钟信号Φ2和第三时钟信号Φ3。控制器1120由例如模拟电气电路系统、数字电气电路系统、或模拟电气电路系统和数字电气电路系统的组合形成。尽管控制器1120被象征性地展示为单个元件，但是控制器1120可以由多个元件比如多个集成电路和/或多个分立部件形成。
在某些实施例中，控制器1120生成第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2，使得第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2以互补的方式被断言，即，当第二时钟信号Φ2被解除断言时第一时钟信号Φ1被断言，并且反之亦然。因此，在这些实施例中，第一斩波器1102、第二斩波器1104、第三斩波器1202和第四斩波器1204在其对应的第一操作状态与第二操作状态之间一致地重复切换。第一增益级1106形成高频、低增益第一路径的一部分，并且第三增益级1206形成低偏移、低频且低增益第二路径的一部分。斩波稳定电路系统1114将第一增益级1106的输入偏移电压校正至所述第二路径具有比所述第一路径更高增益的程度。
在每次第一时钟信号Φ1被断言期间，控制器1120断言第三时钟信号Φ3至少一次，并且在每次第二时钟信号Φ2被断言期间，控制器1120也断言第三时钟信号Φ3至少一次，使得第三时钟信号Φ3在每个斩波周期期间被断言至少一次。因此，在每次第一斩波器1102、第二斩波器1104、第三斩波器1202和第四斩波器1204在其对应第一操作状态下操作期间，钳位电路系统1112将第二斩波器输入端1122和1124钳位到参考电压轨1134至少一次；并且在每次第一斩波器1102、第二斩波器1104、第三斩波器1202和第四斩波器1204在其对应第二操作状态下操作期间，钳位电路系统1112将第二斩波器输入端1122和1124钳位到参考电压轨1134至少一次。因此，钳位电路系统1112将第二斩波器输入端1122和1124处的共模电压重复地钳位到参考电压轨1134的参考电压，从而重复地“重置”所述共模电压。因此，放大器1100有利地比不具有钳位电路系统1112的常规放大器明显更不易于由于共模瞬时事件而产生毛刺。
图13展示了新CCIA的一个实施例CCIA 1300，所述CCIA 1300被配置用于：(a)使增益级与放大器输入端隔离；并且(b)响应于检测到的共模电压的变化，将所述CCIA的电容隔离部分处的共模电压钳位到参考电压。CCIA 1300包括第一斩波器1302、第二斩波器1304、第一增益级1306、第二增益级1308、电容隔离级1310、钳位电路系统1312、自动调零电路系统1314、第一切换电路系统1316、第二切换电路系统1318、和控制器1320。
第一斩波器1302电耦合在(a)CCIA输入端Vi_p和Vi_n与(b)电容隔离级1310之间。第一斩波器1302由时钟信号Φ1和Φ2控制，并且至少包括第一操作状态和第二操作状态。当时钟信号Φ1被断言时，第一斩波器1302在其第一操作状态下操作；并且当时钟信号Φ2被断言时，第一斩波器1302在其第二操作状态下操作。所述第一操作状态由直接信号传输表征，即，第一斩波器1302将CCIA输入端Vi_p电耦合至正输入路径1322，并且第一斩波器1302将CCIA输入端Vi_n电耦合至负输入路径1324。所述第二操作状态由反向信号传输表征，即，第一斩波器1302将CCIA输入端Vi_p电耦合至负输入路径1324，并且第一斩波器1302将CCIA输入端Vi_n电耦合至正输入路径1322。正输入路径1322馈入第一增益级1306的输入端1326，并且负输入路径1324馈入第一增益级1306的输入端1328。在一些实施例中，第一斩波器1302包括由时钟信号Φ1和Φ2控制以实现所述第一操作状态和所述第二操作状态的多个晶体管(未示出)。
电容隔离级1310电耦合在第一斩波器1302与第一增益级输入端1326和1328之间，使得第一增益级1306与电容隔离级1310通信地耦合。电容隔离级1310电耦合第一斩波器1302与第一增益级1306之间的交流(AC)信号，同时阻止DC信号的传输。在一些实施例中，如所展示的，电容隔离级1310包括第一电容器1330和第二电容器1332。在这些实施例中，第一电容器1330与正输入路径1322串联地电耦合，并且第二电容器1332与负输入路径1324串联地电耦合。在不脱离本文范围的情况下，电容隔离级1310可以包括另外的电容器。此外，可以使用仅传输AC信号的另一个设备比如光耦合器来替代电容隔离级1310。
钳位电路系统1312电耦合在第一增益级输入端1326和1328与参考电压轨1334之间。在某些实施例中，参考电压轨1334具有被设置用于实现第一增益级输入端1326和1328处的期望共模电压的固定电势。钳位电路系统1312被配置用于当时钟信号Φ3被断言时将第一增益级输入端1326和1328钳位到参考电压轨1334，从而将第一增益级输入端1326和1328处的共模电压钳位到参考电压轨1334的参考电压。如以下所讨论的，响应于CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的变化，时钟信号Φ3被断言，以帮助最小化瞬时事件之后的共模电压稳定时间。在某些实施例中，如所展示的，钳位电路系统1312包括分别电耦合在参考电压轨1334与第一增益级输入端1326和1328之间的切换设备1336和1338。当时钟信号Φ3被断言时切换设备1336和1338被关闭，以分别将第一增益级输入端1326和1328钳位到参考电压轨1334。当时钟信号Φ3被解除断言时，切换设备1336和1338被打开。例如，切换设备1336和1338中的每一个包括一个或多个晶体管。在不脱离本文范围的情况下，钳位电路系统1312的配置可以改变，比如改变为包括另外的切换设备。
第一切换电路系统1316被配置用于：当钳位电路系统1312将第一增益级输入端1326和1328钳位到参考电压轨1334时，即，当时钟信号Φ3被断言时，使第一增益级输入端1326和1328与CCIA输入端Vi_p和Vi_n电隔离。在某些实施例中，如所展示的，第一切换电路系统1316包括与正输入路径1322和负输入路径1324串联电耦合的对应切换设备1340和1342。当时钟信号Φ3被解除断言时，切换设备1340和1342被关闭；并且当时钟信号Φ3被断言时，切换设备1340和1342被打开。例如，切换设备1340和1342中的每一个包括一个或多个晶体管。尽管第一切换电路系统1316被展示为电耦合在电容隔离级1310与第一增益级1306之间，但是第一切换电路系统1316可以替代地电耦合在第一斩波器1302与电容隔离级1310之间。
第一增益级1306经由第一切换电路系统1316通信地耦合至电容隔离级1310。在具体实施例中，第一增益级1306执行跨导功能，即，其响应于输入电压信号的差异而生成差分输出电流信号。然而，可以在不脱离本文范围的情况下改变第一增益级1306的配置。尽管为了说明简洁，第一增益级1306被展示为单个元件，但是第一增益级1306可以包括多个部件。
第二斩波器1304电耦合在第一增益级1306的输出端1344和1346与第二增益级1308的输入端1348和1350之间。第二斩波器1304由时钟信号Φ1和Φ2以如第一斩波器1302的方式来控制。具体地，当时钟信号Φ1被断言时，第二斩波器1304在其第一操作状态下操作；并且当时钟信号Φ2被断言时，第二斩波器1304在其第二操作状态下操作。所述第一操作状态由直接信号传输表征，即，第二斩波器1304将第一增益级输出端1344电耦合至正输出路径1352，并且第二斩波器1304将第一增益级输出端1346电耦合至负输出路径1354。所述第二操作状态由反向信号传输表征，即，第二斩波器1304将第一增益级输出端1344电耦合至负输出路径1354，并且第二斩波器1304将第一增益级输出端1346电耦合至正输出路径1352。正输出路径1352馈入第二增益级输入端1348，并且负输出路径1354馈入第二增益级输入端1350。在一些实施例中，第二斩波器1304包括由时钟信号Φ1和Φ2控制以实现所述第一操作状态和所述第二操作状态的多个晶体管(未示出)。
第二切换电路系统1318被配置用于：当钳位电路系统1312将第一增益级输入端1326和1328钳位到参考电压轨1334时，即，当时钟信号Φ3被断言时，使第二增益级输入端1348和1350与第一增益级输出端1344和1346电隔离。在某些实施例中，如所展示的，第二切换电路系统1318包括与正输出路径1352并且与负输出路径1354串联电耦合的对应切换设备1356和1358。当时钟信号Φ3被解除断言时，切换设备1356和1358被关闭；并且当时钟信号Φ3被断言时，切换设备1356和1358被打开。例如，切换设备1356和1358中的每一个包括一个或多个晶体管。尽管第二切换电路系统1318被展示为电耦合在第二斩波器1304与第二增益级1308之间，但是第二切换电路系统1318可以替代地电耦合在第一增益级1306与第二斩波器1304之间。
在具体实施例中，如所展示的，第二增益级1308执行跨导功能，并且CCIA1300进一步包括反馈电容器1360和1362。反馈电容器1360电耦合在第二增益级输入端1348与第二增益级1308的输出端1366之间。反馈电容器1362电耦合在第二增益级输入端1350与第二增益级1308的输出端1368之间。因此，第二增益级1308是密勒补偿型的。然而，可以在不脱离本文范围的情况下改变第二增益级1308的配置。尽管为了说明简洁，第二增益级1308被展示为单个元件，但是在不脱离本文范围的情况下第二增益级1308可以包括多个部件。
自动调零电路系统1314电耦合至第一增益级输出端1344和1346。自动调零电路系统1314包括第三增益级1370、自动调零电容器1372和1374、以及自动调零切换设备1376和1378。自动调零电容器1372和1374分别经由自动调零切换设备1376和1378电耦合至第一增益级输出端1344和1346。自动调零电容器1372和1374还分别电耦合至第三增益级输入端1380和1382。第三增益级1370的输出端1384和1386分别电耦合至第一增益级输出端1344和1346。自动调零切换设备1376和1378由时钟信号Φ3来控制，即，当时钟信号Φ3被断言时自动调零切换设备1376和1378被关闭，并且当时钟信号Φ3被解除断言时自动调零切换设备1376和1378被打开。例如，自动调零切换设备1376和1378中的每一个包括一个或多个晶体管。如以下所讨论的，自动调零电路系统1314在第一增益级输出端1344和1346处注入电流，以补偿由第一斩波器1302和第二斩波器1304引起的输出纹波。
控制器1320包括定时子系统1388和共模应答子系统1390。如以下所讨论的，定时子系统1388被配置用于生成第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2，并且共模应答子系统1390被配置用于生成第三时钟信号Φ3。控制器1320由例如模拟电气电路系统、数字电气电路系统、或模拟电气电路系统和数字电气电路系统的组合形成。例如，在一个实施例中，控制器1320由处理器和接口电路系统形成，其中，所述接口电路系统将所述处理器电耦合至CCIA 1300的斩波器和切换设备。在这个实施例中，所述处理器执行软件或固件形式的指令，以生成第一时钟信号Φ1、第二时钟信号Φ2和第三时钟信号Φ3。尽管控制器1320被象征性地展示为单个元件，但是控制器1320可以由多个元件比如多个集成电路和/或多个分立部件形成。此外，尽管定时子系统1388和共模应答子系统1390被展示为单独的元件，但是这两个子系统可以共享共同的部件或甚至是共同子系统的一部分。
在某些实施例中，定时子系统1388生成第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2，使得第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2以互补的方式被断言，即，当第二时钟信号Φ2被解除断言时第一时钟信号Φ1被断言，并且反之亦然。因此，在这些实施例中，第一斩波器1302和第二斩波器1304在其对应的第一操作状态与第二操作状态之间一致地重复切换。
共模应答子系统1390被配置用于响应于CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的变化来断言第三时钟信号Φ3。在某些实施例中，共模应答子系统1390响应于CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的变化率超过预定阈值，或者换言之，响应于CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的转换速率超过预定阈值来断言第三时钟信号Φ3。在某些实施例中，共模应答子系统1390使第三时钟信号Φ3断言至少持续与CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的转换速率超过预定阈值一样长的时间；而在一些其他实施例中，在检测到共模电压的转换速率超过预定阈值之后，共模应答子系统1390使第三时钟信号Φ3断言持续预定时间的持续时间。所述预定时间持续时间被选定为例如大于在预期操作条件下的共模电压变化的预期持续时间。替代地或另外地，在一些实施例中，共模应答子系统1390响应于CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压幅值的变化超过预定阈值来断言第三时钟信号Φ3。
图14展示了共模应答子系统1400，所述子系统是共模应答子系统1390的一个可能实施例。共模应答子系统1400包括转换检测器1402和比较电路系统1404。检测器1402生成表示CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的变化率的转换信号1406。比较电路系统1404将转换信号1406与预定阈值1408进行比较，并且比较电路系统1404响应于转换信号1406超过预定阈值1408来断言第三时钟信号Φ3。在一些实施例中，比较电路系统1404实施滞后以防止第三时钟信号Φ3在断言状态与解除断言状态之间振荡。
图15是曲线图1500，展示了CCIA 1300的实施例响应于共模电压的变化的操作的一个示例。图15包括表示CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的曲线1502，以及表示第一时钟信号Φ1、第二时钟信号Φ2和第三时钟信号Φ3的对应曲线。曲线图1500的竖直轴表示信号幅值，并且曲线图1500的水平轴表示时间。在这个具体实施例中，当时钟信号处于逻辑高时其被断言。然而，在不脱离本文范围的情况下，CCIA 1300可以被配置成使得第一时钟信号Φ1、第二时钟信号Φ2和第三时钟信号Φ3中的一个或多个在它们处于逻辑低时被断言。
在图15的示例中，定时子系统1388生成第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2并且使得它们以互补的方式被断言。因此，第一增益级1306的输入偏移电压以及第一增益级输入端1326和1328处的噪声被移至较高的频率。在时间t1处，CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的幅值以较高的转换速率改变ΔV1，并且共模应答子系统1390检测到共模电压的这个变化并且响应于此来断言第三时钟信号Φ3。在时间t2处，CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的幅值以较高的转换速率改变ΔV2，并且共模应答子系统1390检测到共模电压幅值的这个变化并且响应于此来断言第三时钟信号Φ3。
因此，当第三时钟信号Φ3被断言时，第一切换电路系统1316使第一增益级1306与CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的变化隔离，从而防止共模电压的变化到达第一增益级1306。因此，第一增益级输入端1326和1328比常规CCIA明显更不易于由于瞬时事件而产生毛刺。此外，钳位电路系统1312响应于CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的变化来将第一增益级输入端1326和1328钳位到参考电压轨1334的参考电压，从而将共模电压“重置”成参考电压轨1334的参考电压。因此，CCIA 1300有利地比常规CCIA明显更不易于由于共模瞬时事件而产生毛刺。
此外，在一些实施例中，在每个斩波周期期间，共模应答子系统1390断言第三时钟信号Φ3至少一次，而不管共模电压的变化如何。例如，图16是曲线图1600，展示了CCIA1300的实施例的操作的另一个示例。在这个实施例中，共模应答子系统1390被配置用于在每个斩波周期期间断言第三时钟信号Φ3至少一次，并且响应于CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的转换速率和/或幅值的变化超过预定阈值来断言第三时钟信号Φ3。对第三时钟信号Φ3的这种重复断言增加了CCIA 1300的AC共模抑制比(CMRR)。
图17是CCIA 1300的实施例响应于共模输入电压的五十伏特变化的模拟输出电压的曲线图1700。曲线图1700的竖直轴表示电压幅值，并且曲线图1700的水平轴表示时间。曲线1702表示CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压，并且曲线1704表示CCIA 1300的输出电压V输出。进而，曲线1706表示从CCIA 1300中省略了钳位电路系统1312的输出电压V输出。如从图17中明显的是，在CCIA 1300中包括钳位电路系统1312大大地减少了响应于共模输入瞬时事件的输出电压失真。
此外，申请人已经确定，响应于CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的变化来断言第三时钟信号Φ3不会阻碍对CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的差分AC信号的放大。例如，图18是CCIA 1300的实施例响应于(a)共模输入电压的重复变化，以及(b)CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的差分AC电压的模拟电压的曲线图1800。曲线1802表示CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压，并且曲线1804表示CCIA输出电压V输出。从时间t1开始，CCIA输入端Vi_p和Vi_n处也存在相对低频的AC差分信号(未示出)。如从曲线1804中明显的是，CCIA 1300抑制共模信号，但是CCIA 1300对差分信号进行放大。
此外，自动调零电路系统1314利用钳位电路系统1312来帮助最小化与第一斩波器1302和第二斩波器1304的操作相关联的输出纹波。具体地，当第三时钟信号Φ3被断言时,钳位电路系统1312将第一增益级输入端1326和1328短路在一起，并且因此当第三时钟信号Φ3被断言时第一增益级输出端1344和1346理想地具有共同值。当第三时钟信号Φ3被断言时，即当钳位电路系统1312将第一增益级输入端1326和1328钳位到参考电压轨1334时，自动调零电路系统1314通过对第一增益级输出端1344和1346进行采样来利用被短路在一起的第一增益级输入端1326和1328，以确定与第一斩波器1302和第二斩波器1304的操作相关联的纹波的存在。具体地，当第三时钟信号Φ3被断言时，自动调零切换设备1376和1378被关闭，并且自动调零电容器1372和1374被充电至第一增益级输出端1344和1346处的对应电压。第三增益级1370对自动调零电容器1372与1374之间的电压差进行放大，以生成补偿电流Ic_p和Ic_n。在第一增益级输出端1344和1346处注入补偿电流Ic_p和Ic_n，以补偿与第一斩波器1302和第二斩波器1304的操作相关联的输出纹波。因此，自动调零电路系统1314与钳位电路系统1312的组合使得CCIA 1300的某些实施例能够实现比常规CCIA更低的输出纹波。
可以从CCIA 1300中省略自动调零电路系统1314以降低成本和复杂度，但同时具有增加输出纹波的缺点。例如，图19展示了如CCIA 1300的CCIA 1900，但是省略了自动调零电路系统1314。
如以上所讨论的，本文所公开的仪表放大器的一种可能应用是用于电流感测应用，比如用于感测流过例如由PWM电压或PFM电压驱动的电机或螺线管等感性负载的电流。这些应用中的电流感测测量结果通常必须非常准确，以便确保对感性负载的正确控制。CCIA 1300的某些实施例中的钳位电路系统1312使CCIA 1300具有较大的CMRR，从而使得CCIA 1300能够在电流感测应用中基本上抑制PWM和PFM共模电压。因此，CCIA 1300的某些实施例可以使得能够在由PWM或PFM电压来驱动感性负载的应用中进行准确的电流感测。
图20展示了用于减少CCIA的共模稳定时间的方法2000。在步骤2002中，检测到第一共模电压的变化超过阈值，其中，所述第一共模电压为所述CCIA的输入端处的共模电压。在步骤2002的一个示例中，共模应答子系统1390检测到CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的转换速率的变化超过阈值。在步骤2004中，响应于检测到第一共模电压的变化超过阈值，将CCIA的第一增益级的输入端与CCIA输入端电隔离。在步骤2004的一个示例中，响应于CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的转换速率超过阈值，第一切换电路系统1316使第一增益级输入端1326和1328与CCIA输入端Vi_p和Vi_n电隔离。在步骤2006中，响应于检测到第一共模电压的变化超过阈值，CCIA的第一增益级的输入端被钳位到参考电压。在步骤2006的一个示例中，响应于检测到CCIA输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的转换速率的变化超过阈值，钳位电路系统1312将第一增益级输入端1326和1328钳位到参考电压轨1334的参考电压。
方法2000可选地进一步包括步骤2008，其中，在第一增益级的输出端处注入电流，以补偿由第一斩波器和第二斩波器引起的输出纹波。步骤2008是例如与步骤2002、2004和2006并行执行的。在步骤2008的一个示例中，第三增益级1370在第一增益级输出端1344和1346处注入补偿电流Ic_p和Ic_n，以补偿由第一斩波器1302和第二斩波器1304引起的输出纹波。当将第一增益级输入端1326和1328钳位到参考电压轨1334时对第一增益级1306的输出1344和1346进行采样，例如以便确定补偿电流Ic_p和Ic_n的幅值。
申请人已经进一步确定，检测共模电压的变化，并且响应于所检测到的变化，(a)使增益级与放大器输入端隔离，并且(b)将CCIA的电容隔离部分处的共模电压钳位到参考电压的原理并不限于CCIA。相反，这些原理可以应用于许多其他电容耦合式放大器。以下参照图21至图24对所述原理可以如何应用于除CCIA外的放大器的若干示例进行讨论。然而，应当理解的是，所述原理并不限于本文所讨论的具体拓扑，而是可以应用于许多其他电容耦合式放大器。
例如，图21展示了电容耦合式线性放大器2100，所述放大器被配置用于检测放大器输入端处的共模电压的变化，并且响应于所检测到的变化，(a)使增益级与放大器输入端隔离，并且(b)将放大器的电容隔离部分处的共模电压钳位到参考电压，从而帮助最小化瞬时事件之后的共模电压稳定时间。放大器2100包括电容隔离级2102、增益级2104、切换电路系统2106、钳位电路系统2108、和控制器2110。
电容隔离级2102包括第一电容器2112和第二电容器2114。第一电容器2112电耦合在放大器输入端Vi_p与增益级2104的输入端2116之间，并且第二电容器2114电耦合在放大器输入端Vi_n与增益级2104的输入端2118之间。电容隔离级2102电耦合放大器输入端Vi_p和Vi_n与增益级输入端2116和2118之间的AC信号，同时阻止DC信号的传输。在不脱离本文范围的情况下，电容隔离级2102可以包括另外的电容器。此外，可以使用仅传输AC信号的另一个设备比如光耦合器来替代电容隔离级2102。
钳位电路系统2108电耦合在增益级输入端2116和2118与参考电压轨2120之间。在某些实施例中，参考电压轨2120具有被设置用于实现增益级输入端2116和2118处的期望共模电压的固定电势。钳位电路系统2108被配置用于当时钟信号Φ被断言时，将增益级输入端2116和2118钳位到参考电压轨2120。如以下所讨论的，响应于放大器输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的变化，控制器2110断言时钟信号Φ，以帮助最小化瞬时事件之后的共模电压稳定时间。在某些实施例中，如所展示的，钳位电路系统2108包括分别电耦合在参考电压轨2120与增益级输入端2116和2118之间的切换设备2122和2124。当时钟信号Φ被断言时切换设备2122和2124被关闭，以分别将增益级输入端2116和2118钳位到参考电压轨2120。当时钟信号Φ被解除断言时，切换设备2122和2124被打开。例如，切换设备2122和2124中的每一个包括一个或多个晶体管。在不脱离本文范围的情况下，钳位电路系统2108的配置可以改变，比如改变为包括另外的切换设备。
切换电路系统2106被配置用于：当响应于检测到放大器输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的变化而使时钟信号Φ断言时，使增益级输入端2116和2118与放大器输入端Vi_p和Vi_n电隔离。在某些实施例中，如所展示的，切换电路系统2106包括与第一电容器2112和第二电容器2114串联电耦合的对应切换设备2126和2128。当时钟信号Φ被解除断言时，切换设备2126和2128被关闭；并且当时钟信号Φ被断言时，切换设备2126和2128被打开。例如，切换设备2126和2128中的每一个包括一个或多个晶体管。
增益级2104可以具有基本上任何配置，只要其响应于增益级输入端2116与2118之间的信号差异而在增益级输出端2130处生成信号。例如，在一些实施例中，增益级2104被配置为仪表放大器。尽管为了说明简洁，增益级2104被展示为单个元件，但是增益级2104可以包括多个元件。取决于增益级2104的配置，增益级输出端2130处的信号可以是电压信号或电流信号。在放大器2100的一些实施例中，增益级输出端2130处的信号是差分信号。
控制器2110生成时钟信号Φ，并且控制器2110被配置用于响应于放大器输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的转换速率和/或幅值的变化来断言时钟信号Φ。在某些实施例中，控制器2110检测放大器输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的转换速率或幅值的变化超过预定第一阈值，并且响应于检测到共模电压的变化超过第一阈值，控制器2110断言时钟信号Φ。在具体实施例中，控制器2110包括与图14的共模应答子系统的电路系统相类似的电路系统。在一些实施例中，控制器2110断言时钟信号Φ，直到增益级输入端2116和2118处的共模电压的变化下降到低于第二阈值，其中，所述第一阈值可选地大于所述第二阈值以实现滞后。在一些其他实施例中，在检测到共模电压的变化之后，控制器2110断言时钟信号Φ持续预定时间的持续时间。
图22是曲线图2200，展示了如由放大器2100的一个实施例中的控制器2110生成的时钟信号Φ。曲线图2200的竖直轴表示信号幅值，并且曲线图2200的水平轴表示时间。曲线图2200包括表示放大器输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的曲线2202以及表示时钟信号Φ的曲线。在这个具体实施例中，当时钟信号Φ处于逻辑高时其被断言。然而，在不脱离本文范围的情况下，放大器2100可以被配置成使得当时钟信号Φ处于逻辑低时所述时钟信号被断言。放大器输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的幅值在时间t1和t2处以较高的转换速率发生改变，导致控制器2110响应于此而断言时钟信号Φ。
图23展示了斩波稳定仪表放大器2300，所述放大器包括第一斩波器2302、第二斩波器2304、第一增益级2306、第二增益级2308、电容隔离级2310、钳位电路系统2312、斩波稳定电路系统2314、第一切换电路系统2316、第二切换电路系统2318、和控制器2320。第一斩波器2302电耦合在(a)放大器输入端Vi_p和Vi_n与(b)电容隔离级2310之间。第一斩波器2302由时钟信号Φ1和Φ2控制，并且至少包括与图13的第一斩波器1302的第一操作状态和第二操作状态相类似的第一操作状态和第二操作状态。当时钟信号Φ1被断言时，第一斩波器2302在其第一操作状态下操作；并且当时钟信号Φ2被断言时，第一斩波器2302在其第二操作状态下操作。在一些实施例中，第一斩波器2302包括由时钟信号Φ1和Φ2控制以实现所述第一操作状态和所述第二操作状态的多个晶体管(未示出)。
电容隔离级2310电耦合在第一斩波器2302与第二斩波器2304的输入端2322和2324之间。电容隔离级2310电耦合第一斩波器2302与第二斩波器2304之间的交流(AC)信号，同时阻止DC信号的传输。在一些实施例中，如所展示的，电容隔离级2310包括第一电容器2330和第二电容器2332。在这些实施例中，第一电容器2330与第二斩波器输入端2322串联电耦合，并且第二电容器2332与第二斩波器输入端2324串联电耦合。在不脱离本文范围的情况下，电容隔离级2310可以包括另外的电容器。此外，可以使用仅传输AC信号的另一个设备比如光耦合器来替代电容隔离级2310。
钳位电路系统2312电耦合在第二斩波器输入端2322和2324与参考电压轨2334之间。在某些实施例中，参考电压轨2334具有被设置用于实现第二斩波器输入端2322和2324处的期望共模电压的固定电势。钳位电路系统2312被配置用于当时钟信号Φ3被断言时将第二斩波器输入端2322和2324钳位到参考电压轨2334，从而将第二斩波器输入端2322和2324处的共模电压钳位到参考电压轨2334的参考电压。响应于放大器输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的变化，钳位电路系统2312将第二斩波器输入端2322和2324重复地钳位到参考电压轨2334，从而重复地重置仪表放大器2300中的共模电压，以帮助最小化瞬时事件之后的共模电压稳定时间。在某些实施例中，如所展示的，钳位电路系统2312包括分别电耦合在参考电压轨2334与第二斩波器输入端2322和2324之间的切换设备2336和2338。当时钟信号Φ3被断言时切换设备2336和2338被关闭，以分别将第二斩波器输入端2322和2324钳位到参考电压轨2334。当时钟信号Φ3被解除断言时，切换设备2336和2338被打开。例如，切换设备2336和2338中的每一个包括一个或多个晶体管。在不脱离本文范围的情况下，钳位电路系统2312的配置可以改变，比如改变为包括另外的切换设备。
第一切换电路系统2316被配置用于：当时钟信号Φ3被断言时，即，响应于所检测到的放大器输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的变化，使第二斩波器输入端2322和2324与放大器输入端Vi_p和Vi_n电隔离。在某些实施例中，如所展示的，第一切换电路系统2316包括与第二斩波器输入端2322和2324串联电耦合的对应切换设备2340和2342。当时钟信号Φ3被解除断言时，切换设备2340和2342被关闭；并且当时钟信号Φ3被断言时，切换设备2340和2342被打开。例如，切换设备2340和2342中的每一个包括一个或多个晶体管。尽管第一切换电路系统2316被展示为电耦合在电容隔离级2310与第二斩波器2304之间，但是第一切换电路系统2316可以替代地电耦合在第一斩波器2302与电容隔离级2310之间。
第二斩波器2304电耦合在电容隔离级2310与第一增益级2306之间。第二斩波器2304由时钟信号Φ1和Φ2以如第一斩波器2302的方式来控制。具体地，当时钟信号Φ1被断言时，第二斩波器2304在其第一操作状态下操作；并且当时钟信号Φ2被断言时，第二斩波器2304在其第二操作状态下操作。在一些实施例中，第二斩波器2304包括由时钟信号Φ1和Φ2控制以实现所述第一操作状态和所述第二操作状态的多个晶体管(未示出)。
第一增益级2306经由第二斩波器2304通信地耦合至电容隔离级2310。在具体实施例中，第一增益级2306执行跨导功能，即，其响应于输入电压信号的差异而生成差分输出电流信号。然而，可以在不脱离本文范围的情况下改变第一增益级2306的配置。尽管为了说明简洁，第一增益级2306被展示为单个元件，但是第一增益级2306可以包括多个元件。
第二切换电路系统2318被配置用于当时钟信号Φ3被断言时使第二增益级2308与第一增益级2306电隔离。在某些实施例中，如所展示的，第二切换电路系统2318包括与第二增益级2308的输入端2348和2350串联电耦合的对应切换设备2344和2346。当时钟信号Φ3被解除断言时，切换设备2344和2346被关闭；并且当时钟信号Φ3被断言时，切换设备2344和2346被打开。例如，切换设备2344和2346中的每一个包括一个或多个晶体管。
在具体实施例中，如所展示的，第二增益级2308执行跨导功能，并且仪表放大器2300进一步包括反馈电容器2352和2354。反馈电容器2352电耦合在第二增益级输入端2348与第二增益级2308的输出端2356之间。反馈电容器2354电耦合在第二增益级输入端2350与第二增益级2308的输出端2358之间。因此，第二增益级2308是密勒补偿型的。然而，可以在不脱离本文范围的情况下改变第二增益级2308的配置。尽管为了说明简洁，第二增益级2308被展示为单个元件，但是在不脱离本文范围的情况下第二增益级2308可以包括多个元件。
图24展示了斩波稳定电路系统2314，所述斩波稳定电路系统包括第三斩波器2402、第四斩波器2404、第三增益级2406、第四增益级2408、第五增益级2410、反馈电容器2414和2416、反馈电容器2418和2420、以及电阻器2422和2424。电阻器2422和2424共同形成第二增益级2308的输出端两端的分压器，并且第三斩波器2402电耦合在电阻器2422与第二电容隔离级2412之间。第三斩波器2402由时钟信号Φ1和Φ2以如第一斩波器2302的方式来控制。具体地，当时钟信号Φ1被断言时，第三斩波器2402在其第一操作状态下操作；并且当时钟信号Φ2被断言时，第三斩波器2402在其第二操作状态下操作。在一些实施例中，第三斩波器2402包括由时钟信号Φ1和Φ2控制以实现所述第一操作状态和所述第二操作状态的多个晶体管(未示出)。
第二电容隔离级2412电耦合在第三斩波器2402与第三增益级2406的输入端2426和2428之间。电容隔离级2412电耦合第三斩波器2402与第三增益级2406之间的交流(AC)信号，同时阻止DC信号的传输。在一些实施例中，如所展示的，电容隔离级2412包括第三电容器2430和第四电容器2432。在这些实施例中，第三电容器2430与第三增益级输入端2426串联电耦合，并且第四电容器2432与第三增益级输入端2428串联电耦合。在不脱离本文范围的情况下，电容隔离级2412可以包括另外的电容器。此外，可以使用仅传输AC信号的另一个设备比如光耦合器来替代电容隔离级2412。
第三增益级2406通信地耦合在第二电容隔离级2412与第四斩波器2404之间。在具体实施例中，第三增益级2406执行跨导功能，即，其响应于输入电压信号的差异而生成差分输出电流信号。然而，可以在不脱离本文范围的情况下改变第三增益级2406的配置。尽管为了说明简洁，第三增益级2406被展示为单个元件，但是第三增益级2406可以包括多个元件。
第四斩波器2404电耦合在第三增益级2406与第四增益级2408之间。第四斩波器2404由时钟信号Φ1和Φ2以如第一斩波器2302的方式来控制。具体地，当时钟信号Φ1被断言时，第四斩波器2404在其第一操作状态下操作；并且当时钟信号Φ2被断言时，第四斩波器2404在其第二操作状态下操作。在一些实施例中，第四斩波器2404包括由时钟信号Φ1和Φ2控制以实现所述第一操作状态和所述第二操作状态的多个晶体管(未示出)。
第四增益级2408电耦合在第四斩波器2404与第五增益级2410之间。在具体实施例中，第四增益级2408执行跨导功能。反馈电容器2414和2416电耦合在第四增益级2408的对应输入端与输出端之间。可以在不脱离本文范围的情况下改变第四增益级2408的配置。尽管为了说明简洁，第四增益级2408被展示为单个元件，但是在不脱离本文范围的情况下第四增益级2408可以包括多个元件。反馈电容器2418和2420电耦合在第二增益级2308的对应输出端与第四增益级2408的对应输入端之间。
第五增益级2410电耦合在第四增益级2408与第二增益级输入端2348和2350之间。在具体实施例中，第五增益级2410执行跨导功能，但是可以在不脱离本文范围的情况下改变第五增益级2410的配置。尽管为了说明简洁，第五增益级2410被展示为单个元件，但是在不脱离本文范围的情况下第五增益级2410可以包括多个元件。
控制器2320(图23)生成第一时钟信号Φ1、第二时钟信号Φ2和第三时钟信号Φ3。控制器2320由例如模拟电气电路系统、数字电气电路系统、或模拟电气电路系统和数字电气电路系统的组合形成。尽管控制器2320被象征性地展示为单个元件，但是控制器2320可以由多个元件比如多个集成电路和/或多个分立部件形成。
在某些实施例中，控制器2320生成第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2，使得第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2以互补的方式被断言，即，当第二时钟信号Φ2被解除断言时第一时钟信号Φ1被断言，并且反之亦然。因此，在这些实施例中，第一斩波器2302、第二斩波器2304、第三斩波器2402和第四斩波器2404在其对应的第一操作状态与第二操作状态之间一致地重复切换。第一增益级2306形成高频、低增益第一路径的一部分，并且第三增益级2406形成低偏移、低频且低增益第二路径的一部分。斩波稳定电路系统2314将第一增益级2306的输入偏移电压校正至所述第二路径具有比所述第一路径更高增益的程度。
控制器2320至少响应于放大器输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的转换速率和/或幅值的变化来断言第三时钟信号Φ3。在某些实施例中，控制器2320检测放大器输入端Vi_p和Vi_n处的共模电压的转换速率或幅值的变化超过预定第一阈值，并且响应于检测到共模电压的变化超过第一阈值，控制器2320断言时钟信号Φ3。在具体实施例中，控制器2320包括与图14的共模应答子系统的电路系统相类似的电路系统。
在不脱离本文范围的情况下，可以对上述放大器和方法进行改变。例如，可以使用结合钳位电路系统312而工作的替代性自动调零电路系统来替代自动调零电路系统314。因此，应当注意，包含在以上说明书中并且在附图中示出的内容应当被解释为说明性的而不是限制性的意义。以下权利要求旨在涵盖本文中所描述的一般特征和特定特征，以及本方法和系统范围的所有陈述在语言上可以被说成落在其间。

Claims (20)

1.一种电容耦合式斩波仪表放大器(CCIA)，包括：
第一斩波器；
第一增益级；
电容隔离级，电耦合在所述第一增益级的输入端与所述第一斩波器之间；
第二增益级；
第二斩波器，电耦合在所述第一增益级的输出端与所述第二增益级的输入端之间；
钳位电路系统，电耦合在所述第一增益级的所述输入端与参考电压轨之间，所述钳位电路系统被配置用于响应于控制信号的断言而将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨；以及
控制器，所述控制器被配置用于：
检测第一共模电压的变化超过阈值，所述第一共模电压为所述电容耦合式斩波仪表放大器的输入端处的共模电压，并且
响应于检测到所述第一共模电压的所述变化超过所述阈值，断言所述控制信号以使所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨。
2.如权利要求1所述的电容耦合式斩波仪表放大器，进一步包括第一切换电路系统，所述第一切换电路系统被配置用于：当所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨时，使所述第一增益级的所述输入端与所述电容耦合式斩波仪表放大器的所述输入端电隔离。
3.如权利要求1所述的电容耦合式斩波仪表放大器，其中，所述控制器进一步被配置用于：响应于检测到所述第一共模电压的转换速率的变化超过所述阈值而断言所述控制信号。
4.如权利要求1所述的电容耦合式斩波仪表放大器，进一步包括自动调零电路系统，所述自动调零电路系统电耦合至所述第一增益级的所述输出端。
5.如权利要求4所述的电容耦合式斩波仪表放大器，其中，所述自动调零电路系统被配置用于：在所述第一增益级的所述输出端处注入电流，以补偿由所述第一斩波器和所述第二斩波器引起的纹波。
6.如权利要求4所述的电容耦合式斩波仪表放大器，其中，所述自动调零电路系统包括：
第三增益级，包括电耦合至所述第一增益级的所述输出端的输出端；
第一自动调零电容器和第二自动调零电容器，电耦合至所述第三增益级的输入端；以及
对应的第一自动调零切换设备和第二自动调零切换设备，电耦合在所述第一自动调零电容器和所述第二自动调零电容器与所述第一增益级的所述输出端之间。
7.如权利要求4所述的电容耦合式斩波仪表放大器，其中，所述控制器进一步被配置用于：当所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨时，使所述自动调零电路系统对所述第一增益级的所述输出进行采样。
8.如权利要求1所述的电容耦合式斩波仪表放大器，其中，所述钳位电路系统包括被配置用于响应于所述控制信号的断言而将所述第一增益级的所述输入端电钳位到所述参考电压轨的多个切换设备。
9.如权利要求1所述的电容耦合式斩波仪表放大器，进一步包括第二切换电路系统，所述第二切换电路系统被配置用于：当所述钳位电路系统将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨时，使所述第二增益级的所述输入端与所述第一增益级的所述输出端电隔离。
10.如权利要求1所述的电容耦合式斩波仪表放大器，其中，所述控制器进一步被配置用于使所述第一斩波器和所述第二斩波器中的每一个在对应的第一操作状态与对应的第二操作状态之间重复地切换。
11.如权利要求1所述的电容耦合式斩波仪表放大器，所述参考电压轨处于固定电势。
12.一种用于减少电容耦合式斩波仪表放大器(CCIA)的共模稳定时间的方法，所述方法包括：
检测第一共模电压的变化超过阈值，所述第一共模电压为所述电容耦合式斩波仪表放大器的输入端处的共模电压；
响应于检测到所述第一共模电压的所述变化超过所述阈值，断言控制信号；以及
响应于所述控制信号的断言而使所述电容耦合式斩波仪表放大器的第一增益级的输入端与所述电容耦合式斩波仪表放大器的输入端电隔离。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括：响应于检测到所述第一共模电压的所述变化超过所述阈值，将所述第一增益级的所述输入端钳位到参考电压轨。
14.如权利要求12所述的方法，其中，检测所述第一共模电压的所述变化超过所述阈值的所述步骤包括：检测所述第一共模电压的转换速率的变化超过所述阈值。
15.如权利要求12所述的方法，进一步包括：在所述第一增益级的输出端处注入电流，以补偿由所述电容耦合式斩波仪表放大器的第一斩波器和第二斩波器引起的纹波。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括：当将所述第一增益级的所述输入端钳位到参考电压轨时，对所述第一增益级的所述输出进行采样，以便确定要在所述第一增益级的所述输出端处注入以补偿由所述电容耦合式斩波仪表放大器的所述第一斩波器和所述第二斩波器引起的纹波的电流的幅值。
17.如权利要求13所述的方法，进一步包括：当将所述第一增益级的所述输入端钳位到所述参考电压轨时，使所述电容耦合式斩波仪表放大器的第二增益级的输入端与所述第一增益级的输出端电隔离。
18.如权利要求13所述的方法，其中，所述钳位步骤包括：响应于所述控制信号的断言而使用多个切换设备来将所述第一增益级的所述输入端电耦合至所述参考电压轨。
19.如权利要求12所述的方法，进一步包括：使所述电容耦合式斩波仪表放大器的第一斩波器和第二斩波器中的每一个在对应的第一操作状态与对应的第二操作状态之间重复地切换。
20.一种电容耦合式放大器，包括：
电容隔离级；
增益级，通信地耦合至所述电容隔离级；
切换电路系统，被配置用于使所述增益级与所述放大器的输入端电隔离；以及
控制器，所述控制器被配置用于：
检测第一共模电压的变化超过阈值，所述第一共模电压为所述放大器的所述输入端处的共模电压，并且
响应于检测到所述第一共模电压的所述变化超过所述阈值，断言控制信号以使所述切换电路系统将所述增益级与所述放大器的所述输入端电隔离。
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