CN111682853A - 一种电容耦合斩波放大器的交替电容网络 - Google Patents

一种电容耦合斩波放大器的交替电容网络 Download PDF

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Abstract

本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种电容耦合斩波放大器的交替电容网络。本发明通过对输入交替电容和反馈交替电容的设置，不会交替采样正负极输入和输出信号，极大地减小了对电容的充放电，从而极大地提高了输入阻抗，避免使用输入阻抗提升技术，同时减小了输出信号中由于电容充放电产生的尖峰。本发明有利于减小电路面积功耗，降低电路复杂性，并提高信号的质量。

Description

一种电容耦合斩波放大器的交替电容网络
技术领域
本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种电容耦合斩波放大器的交替电容网络。
背景技术
在许多测量情况下，感兴趣的信号幅度很小(例如生理信号的检测)，可能在几十微伏的范围内，并叠加在更大的直流共模(CM)信号上，可能在几个伏特的范围内。如何处理如此大的CM信号，同时又能准确地测量如此小的信号，对于接口电路来说是一个很大的挑战。
为了隔绝直流信号，并且提高小信号质量，一种方法是采取电容耦合斩波放大器(CCIA)，这种方式早在20世纪提出。但是电容耦合方式与斩波技术的结合同时也带来了新的问题：
其一是输入阻抗的降低，由于输入信号在Vin +和Vin -之间来回切换，输入电容将会一直被充放电，并形成电流，这将导致阻抗的大幅降低，对于一些应用是不可取的，所以这些应用一般会在CCIA电路中会加入输入阻抗提升技术(例如加入正反馈环路)，但这无疑会增加面积和功耗，以及电路的复杂性。
其二是输出信号尖峰的产生，由于反馈电容一直在对Vout +和Vout -交替采样，电容的充放电在此过程中会产生尖峰，且其尖峰大小随输出电压增大而增加，这对后续采样提出了更高要求，这在很多应用中是不希望的，因此必须被消除。
发明内容
针对CCIA电路存在的输入阻抗降低，以及信号存在较大尖峰的问题，本发明提供一种电容耦合斩波放大器的交替电容网络，该方式极大地减少了电容在斩波操作过程中的充放电，从而避免了输入阻抗降低和尖峰的产生。
本发明技术方案为：
一种电容耦合斩波放大器的交替电容网络，包括输入斩波器203，反馈斩波器204，输入交替电容201、反馈交替电容202，偏置电阻Rb和两级斩波运放206。
所述两级斩波运放206包括：第一级运放Gm1，第二级运放Gm2，输出斩波器205，米勒补偿电容Cm1和Cm2；其中第一级运放Gm1将信号放大，输出斩波器205将第一级运放Gm1放大的信号解调回低频，同时将失调与噪声调制到高频；然后将信号输出至第二级运放Gm2与米勒电容Cm1和Cm2构成的积分器，积分器将接收到的信号放大同时滤除失调与噪声。
所述输入斩波器203、反馈斩波器204以及输出斩波器205结构相同，由所需斩波频率的方波(如图1)控制，由此完成输入信号与失调及噪声在频域的分离。
上述斩波器均由第一斩波开关Sc1、第二斩波开关Sc2、第三斩波开关Sc3和第四斩波开关Sc4组成；斩波器的正输入端连接第一斩波开关Sc1左端和第三斩波开关Sc3左端，斩波器的负输入端连接第二斩波开关Sc2左端和第四斩波开关Sc4左端；斩波器的正输出端连接第一斩波开关Sc1右端和第四斩波开关Sc4右端，斩波器负输出端连接第二斩波开关Sc2右端和第三斩波开关Sc3右端。
所述偏置电阻Rb包括Rb1和Rb2，其一端接偏置电压Vref，另一端分别接输入交替电容201的输出端，两级斩波运放206的输入端和反馈交替电容202的输出端，用以提供共模电平。
所述输入交替电容201包含第一输入电容Cin1和第二输入电容Cin2，反馈交替电容202包含第一反馈电容Cfb1和第二反馈电容Cfb2。两交替电容同样由所需斩波频率的方波控制，从而实现第一输入电容Cin1，第二输入电容Cin2随斩波频率交替，保证第一输入电容Cin1，第二输入电容Cin2不会对正负输入信号交替采样，因此理想情况下也不会有较大充放电电流，输入阻抗也不会随斩波频率的增加而降低。同样反馈交替电容202保证第一反馈电容Cfb1，第二反馈电容Cfb2不会对正负输出电压交替采样，因此理想情况下也不会产生较大尖峰。
所述输入交替电容201包括：第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8、第一输入电容Cin1和第二输入电容Cin2；其中第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4由
Figure BDA0002539002170000021
控制；第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8由
Figure BDA0002539002170000022
的互补时钟
Figure BDA0002539002170000023
控制。
Figure BDA0002539002170000024
为斩波频率的方波信号。
第一开关S1左端和第六开关S6左端相连，为输入交替电容201的正输入端；第五开关S5左端和第二开关S2左端相连，为输入交替电容201的负输入端；第一输入电容Cin1下极板连接第一开关S1的右端和第五开关S5的右端，其上级版连接第三开关S3的左端和第七开关S7的左端；第二输入电容Cin2下极板连接第二开关S2的右端和第六开关S6的右端，其上级版连接第四开关S4的左端和第八开关S8的左端。第三开关S3的右端和第八开关S8的右端相连，为输入交替电容201的正输出端，第四开关S4的右端和第七开关S7的右端相连，为输入交替电容201的负输出端。
所述反馈交替电容202包括：第九开关S9、第十开关S10、第十一开关S11、第十二开关S12、第十三开关S13、第十四开关S14、第十五开关S15、第十六开关S16、第一反馈电容Cfb1和第二反馈电容Cfb2；其中第九开关S9、第十开关S10、第十一开关S11、第十二开关S12由
Figure BDA0002539002170000031
控制；第十三开关S13、第十四开关S14、第十五开关S15、第十六开关S16由
Figure BDA0002539002170000034
的互补时钟
Figure BDA0002539002170000032
控制。
Figure BDA0002539002170000033
为斩波频率的方波信号。
第九开关S9左端和第十四开关S14左端相连，为反馈交替电容202的正输入端；第十三开关S13左端和第十开关S10左端相连，为反馈交替电容202的负输入端；第一反馈电容Cfb1下极板连接第九开关S9的右端和第十三开关S13的右端，其上级版连接第十一开关S11的左端和第十五开关S15的左端；第二反馈电容Cfb2下极板连接第十开关S10的右端和第十四开关S14的右端，其上级版连接第十二开关S12的左端和第十六开关S16的左端。第十一开关S11的右端和第十六开关S16的右端相连，为反馈交替电容202的正输出端，第十二开关S12的右端和第十五开关S15的右端相连，为反馈交替电容202负输出端。
本发明的通过第一输入电容Cin1和第二输入电容Cin2随斩波频率在正负信号通道之间交替，始终保持第一输入电容Cin1只采样正输入信号，第二输入电容Cin2只采样负输入信号，避免了输入第一输入电容Cin1和第二输入电容Cin2交替采样正负输入信号，极大地降低了斩波过程中电容的充放电，提高了输入阻抗，从而可以避免使用输入阻抗提升技术，带来额外的功耗面积。同理第一反馈电容Cfb1和第二反馈电容Cfb2随斩波频率交替，避免了对正负输出电压的交替采样从而避免产生较大尖峰。综上所述，本发明有利于减小电路面积功耗，降低电路复杂性，并提高信号的质量。
附图说明
图1为本发明中方波
Figure BDA0002539002170000035
和
Figure BDA0002539002170000036
时序关系。
图2为本发明的整体电路结构示意图。
图3为斩波器电路示意图。
图4为本发明实施例输入交替电容201的电路示意图。
图5为本发明实施例反馈交替电容202的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明。
如图2所示为本发明电容耦合斩波放大器的交替电容网络整体电路结构示意图，包括输入斩波器203，反馈斩波器204，输入交替电容201和反馈交替电容202，偏置电阻Rb和两级斩波运放206。
差分输入信号的正极连接输入斩波器203正输入端，差分输入信号的负极连接输入斩波器203负输入端；输入斩波器203的正输出端连接输入交替电容201的正输入端；输入交替电容201的正输出端连接偏置电阻Rb1、两级斩波运放206的负输入端和反馈交替电容202的负输出端；输入斩波器203的负输出端连接输入交替电容201的负输入端；输入交替电容201的负输出端连接偏置电阻Rb2、两级斩波运放206的正输入端和反馈交替电容202的正输出端；
两级斩波运放206差分输出的正极连接反馈斩波器204的正输入端，两级斩波运放206差分输出的负极连接反馈斩波器204的负输入端；反馈斩波器204的正输出端连接反馈交替电容202的正输入端，反馈斩波器204的负输出端连接反馈交替电容202的负输入端。
本实施例的工作过程为：
当差分输入信号接通的前半个斩波周期
Figure BDA0002539002170000041
内，输入斩波器203中的第一斩波开关Sc1和第二斩波开关Sc2闭合；第三斩波开关Sc3和第四斩波开关Sc4断开，输入信号正极连接输入交替电容201的正极，输入信号负极连接输入交替电容201的负极；输入交替电容201中，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4闭合；第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8断开，此时第一输入电容Cin1，对输入交替电容201正输入端电压也即是差分输入信号正极进行采样，并输入两级斩波运放206正输入端，第二输入电容Cin2对输入交替电容201负输入端电压也即是差分信号负极进行采样，并输入两级斩波运放206负输入端。
在后半个斩波周期
Figure BDA0002539002170000042
期间，输入斩波器203中的第一斩波开关Sc1，第二斩波开关Sc2断开；第三波开关Sc3，第四斩波开关Sc4闭合，此时输入信号正极连接输入交替电容201的负极，此时输入信号负极连接输入交替电容201的正极，输入交替电容201中，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4断开；第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8闭合，此时第一输入电容Cin1，对输入交替电容201负输入端电压也即是差分输入信号正极进行采样，并输入两级斩波运放206负输入端，第二输入电容Cin2对输入交替电容201正输入端电压也即是差分信号负极进行采样，并输入两级斩波运放206正输入端。
因此输入斩波器203实现了输入信号与方波相乘，而输入交替电容201实现了第一输入电容Cin1只采样差分信号的正极，第二输入电容Cin2只采样输入信号的负极，避免了输入电容对差分输入信号正负极交替采样，不停充放电，从而提高了输入阻抗。
同理对于反馈交替电容202，输出斩波器205实现了输出信号与方波相乘，而输出交替电容实现了第一反馈电容Cfb1只采样差分输出电压的正极。第二反馈电容Cfb2只采样差分输出电压的负极，避免了反馈电容对差分输出信号正负极交替采样，不停充放电，形成尖峰。
虽然本发明的基于一种电容耦合斩波放大器电路内容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 (2)

1.一种电容耦合斩波放大器的交替电容网络，其特征在于：包括输入斩波器203，反馈斩波器204，输入交替电容201，反馈交替电容202，偏置电阻Rb和两级斩波运放206；
所述两级斩波运放206包括：第一级运放Gm1，第二级运放Gm2，输出斩波器205，米勒补偿电容Cm1和Cm2；其中第一级运放Gm1将信号放大，输出斩波器205将第一级运放Gm1放大的信号解调回低频，同时将失调与噪声调制到高频；然后将信号输出至第二级运放Gm2与米勒电容Cm1和Cm2构成的积分器，积分器将接收到的信号放大同时滤除失调与噪声；
所述输入斩波器203、反馈斩波器204以及输出斩波器205结构相同，由所需斩波频率的方波控制，由此完成输入信号与失调及噪声在频域的分离；斩波器由第一斩波开关Sc1、第二斩波开关Sc2、第三斩波开关Sc3和第四斩波开关Sc4组成；斩波器的正输入端连接第一斩波开关Sc1左端和第三斩波开关Sc3左端，斩波器的负输入端连接第二斩波开关Sc2左端和第四斩波开关Sc4左端；斩波器的正输出端连接第一斩波开关Sc1右端和第四斩波开关Sc4右端，斩波器负输出端连接第二斩波开关Sc2右端和第三斩波开关Sc3右端；
所述偏置电阻Rb包括Rb1和Rb2，其一端接偏置电压Vref，另一端分别接输入交替电容201的输出端，两级斩波运放206的输入端和反馈交替电容202的输出端，用以提供共模电平；
所述输入交替电容201包含第一输入电容Cin1和第二输入电容Cin2，反馈交替电容202包含第一反馈电容Cfb1和第二反馈电容Cfb2；两交替电容同样由所需斩波频率的方波控制，从而实现第一输入电容Cin1，第二输入电容Cin2随斩波频率交替，保证第一输入电容Cin1，第二输入电容Cin2不会对正负输入信号交替采样；同样反馈交替电容202保证第一反馈电容Cfb1，第二反馈电容Cfb2不会对正负输出电压交替采样；
所述输入交替电容201包括：第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8、第一输入电容Cin1和第二输入电容Cin2；其中第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4由
Figure FDA0002539002160000011
控制；第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8由
Figure FDA0002539002160000012
的互补时钟
Figure FDA0002539002160000013
控制；
Figure FDA0002539002160000014
为斩波频率的方波信号；
第一开关S1左端和第六开关S6左端相连，为输入交替电容201的正输入端；第五开关S5左端和第二开关S2左端相连，为输入交替电容201的负输入端；第一输入电容Cin1下极板连接第一开关S1的右端和第五开关S5的右端，其上级版连接第三开关S3的左端和第七开关S7的左端；第二输入电容Cin2下极板连接第二开关S2的右端和第六开关S6的右端，其上级版连接第四开关S4的左端和第八开关S8的左端；第三开关S3的右端和第八开关S8的右端相连，为输入交替电容201的正输出端，第四开关S4的右端和第七开关S7的右端相连，为输入交替电容201的负输出端。
所述反馈交替电容202包括：第九开关S9、第十开关S10、第十一开关S11、第十二开关S12、第十三开关S13、第十四开关S14、第十五开关S15、第十六开关S16、第一反馈电容Cfb1和第二反馈电容Cfb2；其中第九开关S9、第十开关S10、第十一开关S11、第十二开关S12由
Figure FDA0002539002160000021
控制；第十三开关S13、第十四开关S14、第十五开关S15、第十六开关S16由
Figure FDA0002539002160000022
的互补时钟
Figure FDA0002539002160000023
控制；
Figure FDA0002539002160000024
为斩波频率的方波信号。
第九开关S9左端和第十四开关S14左端相连，为反馈交替电容202的正输入端；第十三开关S13左端和第十开关S10左端相连，为反馈交替电容202的负输入端；第一反馈电容Cfb1下极板连接第九开关S9的右端和第十三开关S13的右端，其上级版连接第十一开关S11的左端和第十五开关S15的左端；第二反馈电容Cfb2下极板连接第十开关S10的右端和第十四开关S14的右端，其上级版连接第十二开关S12的左端和第十六开关S16的左端；第十一开关S11的右端和第十六开关S16的右端相连，为反馈交替电容202的正输出端，第十二开关S12的右端和第十五开关S15的右端相连，为反馈交替电容202负输出端。
2.如权利要求1所述电容耦合斩波放大器的交替电容网络，其特征在于：
其工作流程具体如下：
当差分输入信号接通的前半个斩波周期
Figure FDA0002539002160000025
内，输入斩波器203中的第一斩波开关Sc1和第二斩波开关Sc2闭合；第三斩波开关Sc3和第四斩波开关Sc4断开，输入信号正极连接输入交替电容201的正极，输入信号负极连接输入交替电容201的负极；输入交替电容201中，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4闭合；第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8断开，此时第一输入电容Cin1，对输入交替电容201正输入端电压也即是差分输入信号正极进行采样，并输入两级斩波运放206正输入端，第二输入电容Cin2对输入交替电容201负输入端电压也即是差分信号负极进行采样，并输入两级斩波运放206负输入端；
在后半个斩波周期
Figure FDA0002539002160000026
期间，输入斩波器203中的第一斩波开关Sc1，第二斩波开关Sc2断开；第三波开关Sc3，第四斩波开关Sc4闭合，此时输入信号正极连接输入交替电容201的负极，此时输入信号负极连接输入交替电容201的正极，输入交替电容201中，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4断开；第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8闭合，此时第一输入电容Cin1，对输入交替电容201负输入端电压也即是差分输入信号正极进行采样，并输入两级斩波运放206负输入端，第二输入电容Cin2对输入交替电容201正输入端电压也即是差分信号负极进行采样，并输入两级斩波运放206正输入端。
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