CN110943698A - 一种开关电容运算放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的开关电容运算放大器，设置有两个开关电容网络，该开关电容网络包括三个开关和两个电容，分别与放大器的输出端，偏置管的栅极,偏置电压相连接；另一个开关电容网络的两个电容及三个开关与前述开关电容网络相同方式对称地连接到运算放大器的另一侧。本发明通过在运放的输入端采用互补输入，增大运放的跨导从而提升整体运放的增益，且结构简洁、易于实施。

Description

一种开关电容运算放大器
技术领域
本发明属于运算放大器电路技术领域，尤其涉及一种开关电容运算放大器。
背景技术
在开关电容电路，比如流水线模数转换器(pipeline adc)、Σ-Δ调制器(sigmadelta modulator)或者开关电容滤波器(switched capacitor filter)中，常常会用到运算放大器(OPA,Operational Amplifier简称：运放)，而常用几种运算放大器OPA的结构如图1A、图1B及图1C所示，有两级米勒补偿式OPA(miller OPA)，折叠共源共栅OPA(foldedcascode OPA)，套筒式共源共栅OPA(telescopic OPA)等。
上述三种电路结构，其中折叠共源共栅或套筒式共源共栅可以与米勒补偿式运放结合使用，即将米勒式运放的第一级用折叠共源共栅或套筒式共源共栅替换，这样组成还是二级米勒补偿式运放。在同样工艺，同样功耗，同样电源电压，甚至同样输出电压幅度等条件下，总是希望设计出最好性能(比如最大增益，最大带宽等)，最优的运放。特别是对于现在超深亚微米工艺，比如40nm，28nm甚至20nm，16nm下，电源电压逐渐降低，虽然同样结构下运放的带宽会逐步增大，但增益却会逐渐降低。为了增大增益，就需要用到二级甚至三级运放，比如上面提到的第一级用折叠共源共栅或套筒式共源共栅的米勒补偿式运放。
图2A及图2B中分布示出的采用折叠共源共栅、套筒式共源共栅作为输入级的两级米勒全差分运算放大器，这两种运算放大器的增益和带宽如下式。
A＝gm1*ro1*gm2*ro2 式(1)
UBW＝gm1/CC 式(2)
式(1)为增益，式(2)为单位增益带宽。其中，gm1为运放输入级跨导，ro1为运放第一级输出电阻，gm2为运放第二级级跨导，ro2为运放第二级输出电阻，CC为运放补偿电容。
如何有效地提升放大器的增益是业界所面临的需要解决的一个问题。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供开关电容运算放大器，以有效地提升放大器的增益。
本发明的一个实施例提供的一种开关电容运算放大器，该运算放大器为两级运算放大器，在运算放大器之间设置有两个开关电容网络，该开关电容网络包括三个开关和两个电容；
在一个开关电容网络中，第一开关的一端VO接第一级放大器的输出端，第一开关另外一端连接第一电容和第二开关，第一电容的另一端接运放第二级的偏置管的栅极；第二开关的另外一端连接第二电容和第三开关，第二电容的另外一端接地，第三开关的另外一端接偏置电压VBP；
另一个开关电容网络的两个电容及三个开关与前述开关电容网络相同方式对称地连接到运算放大器的另一侧。
第一开关S4和第二开关工作在ADC中采样保持或级间电路的放大相PH1，第三开关S2工作在复位相PH2，放大相PH1和复位相PH2为两相不交叠时钟。
该开关电容放大器的增益为：
A＝gm1*ro1*(gm2+gmv)*ro2
其中，gm1为运放输入级跨导，ro1为运放第一级输出电阻，gm2为运放第二级的跨导，ro2为运放第二级输出电阻，gmp为第二级偏置MOS管的跨导。
本发明实施例还提供的另一种开关电容运算放大器，该运算放大器为单级放大器，该运算放大器的两侧分别设置有两个开关电容网络，开关电容网络包括三个开关和两个电容；
在一个开关电容网络中，第一电容与第一开关串联连接，第一电容的另一端与放大器的输入端连接；
第一开关连接两个MOS管的栅极；
第二开关与第三开关串联连接，第三开关的另一端连接到第一电容与第一开关；
第二电容的一端连接到第二开关与第三开关，第二电容C13的另一端接地AVSS；
另一个开关电容网络的两个电容及三个开关与前述开关电容网络相同方式对称地连接到放大器的另一侧。
该开关电容放大器的增益为：
A＝(gm+gmp)*ro
其中，gm为运放输入级跨导，ro为运放的输出电阻，gmp为偏置MOS管的跨导。
与现有的运算放大器相比，本发明提供的开关电容放大器具有以下的优点：
通过增大运放的跨导从而提升整体运放的增益；
本发明开关电容放大器的结构简洁、易于实施，只需加三个开关和两个电容即可实现，并不增加功耗；之所以具有这些优点，是由于本发明中在运放的输入采用了互补输入(即N管和P管都可以作为输入)，因此，能增加运放的跨导，从而提升整体运算放大器的增益。
为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。
附图说明
图1A、1B和1C分别是现有技术中常用运算放大器的结构示意图；
图2A及图2B分别是现有技术中两级米勒全差分运算放大器的构成图；
图3是本发明实施例中提供的一种两级差分放大器的原理示意图；
图4本发明实施例中提供的开关电容网络架构图；
图5是本发明实施例中提供的一种单级差分放大器的原理示意图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
参照图3，本发明提供的一种开关电容放大器，该放大器为两级差分放大器，在所述两级放大器之间设置有两个开关电容网络310及320，开关电容网络310包括三个开关：S2、S3、S4和两个电容：C4、C5，相互之间的连接关系如图4所示。
在一个开关电容网络310中，开关S4的一端VO接第一级放大器的输出端(VOP或VON)，开关S4另外一端A连接电容C5和开关S3，电容C5的另一端接运放第二级的偏置管的栅极；开关S3的另外一端B连接电容C4和开关S2，电容C4的另外一端接地，开关S2的另外一端接偏置电压VBP；
另一个开关电容网络320的电容C6、C7及开关S5、S6、S7与前述开关电容网络相同方式对称地连接到两级放大器的另一侧。由于两个开关电容网络的连接关系相同，在此不再赘述。
开关S4和开关S3工作在ADC中采样保持或级间电路的放大相PH1，所述第三开关S2工作在复位相PH2，放大相PH1和复位相PH2为两相不交叠时钟。
该开关电容放大器的增益为：
A＝gm1*ro1*(gm2+gmp)*ro2
其中，gm1为运放输入级跨导，ro1为运放第一级输出电阻，gm2为运放第二级级跨导，ro2为运放第二级输出电阻，gmp为第二级偏置MOS管的跨导。
本发明提供的技术方案也适用于单级运算放大器，如图5所示。图5中VBN为N管偏置电压。VIP，VIN为单级运放的输入差分端口，VBP，VBP1，VBN1均为偏置电压，VON和VOP为单级运放的差分输出端口。
本发明实施例提供一种单级开关电容运算放大器，该单级开关电容运算放大器的两侧分别设置有两个开关电容网络510、520，其中一个开关电容网络510包括三个开关(S14，S15，S16)和两个电容(C12，C13)，具体连接关系如下：
电容C12与开关S14串联连接，C12的另一端与放大器的输入端连接；开关S14连接MOS管(M13、M14)的栅极；
开关S15与开关S16串联连接，开关S16的另一端连接到电容C12与开关S14的连接线上；
电容C13的一端连接到开关S15与开关S16的连接线上，电容C13另一端接地AVSS。
另一个开关电容网络520的电容(C10，C11)及开关(S11,S12,S13)与前述开关电容网络相同方式对称地连接到该开关电容放大器的另一侧。
由于两个开关电容网络的连接关系相同，在此不再赘述。
该开关电容放大器的增益为：
A＝(gm+gmp)*ro
其中，gm为运放输入级跨导，ro为运放的输出电阻，gmp为偏置MOS管的跨导。
与现有的运算放大器相比，本发明提供的开关电容放大器具有以下的优点：
通过增大运放的跨导从而提升整体运放的增益；
本发明开关电容放大器的结构简洁、易于实施，只需加两个开关和两个电容即可实现，并不增加功耗；之所以具有这些优点，是由于本发明中在运放的输入采用了互补输入(即N管和P管都可以作为输入)，因此，能增加运放的跨导，从而提升整体运算放大器的增益。
本领域技术人员可以明白，这里结合所公开的实施例描述的各种示例性的方法步骤和装置单元均可以电子硬件、软件或二者的结合来实现。为了清楚地示出硬件和软件之间的可交换性，以上对各种示例性的步骤和单元均以其功能性的形式进行总体上的描述。这种功能性是以硬件实现还是以软件实现依赖于特定的应用和整个系统所实现的设计约束。本领域技术人员能够针对每个特定的应用，以多种方式来实现所描述的功能性，但是这种实现的结果不应解释为背离本发明的范围。
根据所述公开的实施例，可以使得本领域技术人员能够实现或者使用本发明。对于本领域技术人员来说，这些实施例的各种修改是显而易见的，并且这里定义的总体原理也可以在不脱离本发明的范围和主旨的基础上应用于其他实施例。以上所述的实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种开关电容运算放大器，该运算放大器为两级运算放大器，其特征在于，在所述运算放大器之间设置有两个开关电容网络(310,320)，所述开关电容网络包括三个开关(S2，S3，S4)和两个电容(C4，C5)；
在一个开关电容网络中，第一开关(S4)的一端VO接第一级放大器的输出端，所述第一开关(S4)另外一端连接第一电容(C5)和第二开关(S3)，所述第一电容(C5)的另一端接运放第二级的偏置管的栅；所述第二开关(S3)的另外一端连接第二电容(C4)和第三开关(S2)，所述第二电容(C4)的另外一端接地，所述第三开关(S2)的另外一端接偏置电压VBP；
另一个开关电容网络的电容(C6，C7)及开关(S5，S6，S7)与前述开关电容网络相同方式对称地连接到所述运算放大器的另一侧。
2.如权利要求1所述的开关电容运算放大器，其特征在于，
所述第一开关(S4)和第二开关(S3)工作在ADC中采样保持或级间电路的放大相PH1，所述第三开关(S2)工作在复位相PH2，放大相PH1和复位相PH2为两相不交叠时钟。
3.如权利要求1所述的开关电容运算放大器，其特征在于，该开关电容放大器的增益为：
A＝gm1*ro1*(gm2+gmp)*ro2
其中，gm1为运放输入级跨导，ro1为运放第一级输出电阻，gm2为运放第二级的跨导，ro2为运放第二级输出电阻，gmp为第二级偏置MOS管的跨导。
4.一种开关电容运算放大器，该运算放大器为单级放大器，其特征在于，该运算放大器的两侧分别设置有两个开关电容网络(510，520)，所述开关电容网络包括三个开关(S14，S15，S16)和两个电容(C12，C13)；
在一个开关电容网络中，第一电容(C12)与第一开关(S14)串联连接，第一电容(C12)的另一端与放大器的输入端连接；
所述第一开关(S14)连接MOS管(M13、M14)的栅极；
第二开关(S15)与第三开关(S16)串联连接，所述第三开关(S16)的另一端连接到所述第一电容(C12)与所述第一开关(S14)；
第二电容(C13)的一端连接到所述第二开关(S15)与第三开关(S16)，所述第二电容(C13)的另一端接地(AVSS)；
另一个开关电容网络的电容(C10，C11)及开关(S11,S12,S13)与前述开关电容网络相同方式对称地连接到所述放大器的另一侧。
5.如权利要求1所述的开关电容运算放大器，其特征在于，该开关电容运算放大器的增益为：
A＝(gm+gmp)*ro
其中，gm为运放输入级跨导，ro为运放的输出电阻，gmp为偏置MOS管的跨导。
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