CN111740707B - 一种积分放大器电路 - Google Patents

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Abstract

一种积分放大器电路，包括单极点放大器、电压时间转换器以及积分放大器。所述单极点放大器用于将阶跃输入信号转换成斜坡信号，并将所述斜坡信号输出至电压时间转换器。所述电压时间转换器用于将所述斜坡信号转换成时间信号，并将所述时间信号输出至所述积分放大器。所述积分放大器接收所述时间信号，并根据所述时间信号设置放大转换时间。将单极点放大器产生的斜坡信号反馈给电压时间转换器，从而提取出其中的时间信息，同时利用所述时间信息来设置积分放大器的放大转换时间。由于提取的时间信息与单极点放大器的跨导增益gmS以及负载电容CLS有关系，从而抵消了积分放大器的跨导增益gmA和负载电容CLA对放大器电路增益的影响。

Description

一种积分放大器电路
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种积分放大器电路。
背景技术
现有的积分放大器通常由一个跨导放大器驱动电容负载，其增益Av为：
Figure 558203DEST_PATH_IMAGE001
（公式1）。
其中，tA放大转换时间；gmA为跨导放大器增益，CLA为负载电容。tA，gmA和CLA会随制程（Process），电压（Voltage），温度（Temperature）变化而显著变化，故该积分放大器的增益也会随制程，电压，温度变化显著漂移。
发明内容
基于上述问题，本发明实施例提供了一种积分放大电路，其增益不会随着制程、电压、温度变化而显著漂移。
一种积分放大器电路，包括单极点放大器、电压时间转换器以及积分放大器。所述单极点放大器用于将阶跃输入信号转换成斜坡信号，并将所述斜坡信号输出至电压时间转换器。所述电压时间转换器用于将所述斜坡信号转换成时间信号，并将所述时间信号输出至所述积分放大器。所述积分放大器接收所述时间信号，并根据所述时间信号设置放大转换时间。
在本发明实施例的积分放大电路中，将单极点放大器产生斜坡信号反馈给电压时间转换器，从而提取出其中的时间信息，同时利用所述时间信息来设置积分放大器的放大转换时间。由于提取的时间信息与单极点放大器的跨导增益gmS以及负载电容CLS有关系，从而抵消了积分放大器跨导增益gmA和负载电容CLA的影响。因此，本发明实施例所提供的积分放大器电路的增益不会随着制程、电压、温度变化而显著漂移。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的积分放大器电路的系统框图。
图2为本发明实施例提供的单极点放大器的电路图。
图3为图2中的单极点放大器小信号模型及其阶跃响应。
图4为本发明实施例提供的电压时间转换器的电路图。
图5为本发明实施例提供的积分放大器电路的开关时序图。
图6为本发明实施例提供的积分放大器的电路图。
图7为本发明实施例提供的积分放大器电路与传统积分放大器的增益随工艺角变化的对比图。
图8为本发明实施例提供的积分放大器电路与传统积分放大器的增益随电压变化的对比图。
图9为本发明实施例提供的积分放大器电路与传统积分放大器的增益随温度变化的对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明实施例提供了一种积分放大器电路1，包括单极点放大器10、电压时间转换器20以及积分放大器30。单极点放大器10用于将阶跃输入信号转换成斜坡信号，并将所述斜坡信号输出至电压时间转换器20。电压时间转换器20用于将所述斜坡信号转换成时间信号，并将时间信号输出至积分放大器30。积分放大器30接收所述时间信号，并将所述时间信号设置为放大转换时间。
由于单极点放大器10的阶跃响应在响应时间远小于其响应时间常数的时间内可近似为一个斜坡信号，斜坡信号的斜率包含一个和积分放大器30的增益因子相同的量。通过电压时间转换器将斜坡信号转换为时间信号，所述时间信号包含一个和积分放大器30的增益因子成倒比的量。
单极点放大器10的输入阶跃信号和电压时间转换器20的阈值设置电路都是采用电容切换电位的技术，使单极点放大器10的输入阶跃信号和电压时间转换器的阈值是相同变量。因此，采用电压时间转换器20产生的时间信号设置积分放大器30的放大转换时间，积分放大器电路的增益就变为相同变量的比值，从而实现了增益随工艺，电压，温度变化稳定。
请一并结合图2，单极点放大器10包括第一对场效应管M1、M2，第二对场效应管M3、M4，第三对场效应管M5、M6，以及场效应管M7。场效应管M1和场效应管M2的漏极共同连接在一起，并连接到场效应M7的源极。场效应管M7的漏极接地，场效应管M7的栅极连接到偏置电压Vb1。场效应管M1的栅极通过开关S3连接到共模电压Vcm，场效应管M2的栅极通过开关S4连接到共模电压Vcm。电容C2的一端连接到场效应管M1的栅极，电容C2的另一端接地。电容C2的一端连接到场效应管M2的栅极，电容C2的另一端接地。电容C2和电容C2的容量相同。电容C1的一端连接到场效应管M1的栅极，电容C1的另一端通过单刀双掷开关S5选择性地连接参考电压Vref或者接地。电容C1的一端连接到场效应管M1的栅极，电容C1的另一端通过单刀双掷开关S6选择性地连接参考电压Vref或者接地。场效应管M3和场效应管M4的栅极连接到一起，并连接到偏置电压Vb2。场效应管M3的漏极连接到场效应管M1的源极，场效应管M4的漏极连接到场效应管M4的源极。场效应管M3的源极通过开关S1连接到偏置电压Vbias，场效应管M4的源极通过开关S2连接到偏置电压Vbias。场效应管M5的源极连接到场效应管M3的源极，场效应管M6的源极连接到场效应管M4的源极。场效应管M5和场效应管M6的漏极连接在一起，并连接到电源电压VDD。场效应管M5和场效应管M6的栅极也连接在一起。场效应管M5的栅极和源极也连接在一起。电容CLS的一端连接到场效应管M4的源极，电容CLS的另一端接地。场效应管M4的源极为单极点放大器10的输出端。在本发明的的一个实施例中，所述场效应管M1、M2、M3、M4、M7为P沟道耗尽型场效应管；所述场效应管M5、M6为N沟道耗尽型场效应管。根据需要，所述场效应管M1-M7也可以是其他类型的场效应管，只要其能实现单极点放大器10的基本功能即可。
图3是图2中的单极点放大器的小信号模型及其阶跃响应图。当它由阶跃输入V step 驱动时，其输出建立呈指数曲线，表达式为：
Figure 825236DEST_PATH_IMAGE002
（公式2）。
其中，τ= Ro.CLS，为极点的时间常数。将公式1作泰勒级数展开，当t远小于τ时，公式2变为：
Figure 24136DEST_PATH_IMAGE003
（公式3）。
可以看到，指数曲线的开始部分可以很好地用一个斜坡来近似，它的转换速率包含了期望的比率gms/CLS。为了使线性近似成立，单极点放大器10不应进入回转区，差分阶跃输入的幅值受限于：
Figure 630698DEST_PATH_IMAGE004
。其中Vov为输入差分对的过驱动电压。
对这个斜坡信号进行电压-时间转换，可以得到包含CLS/gmS的目标转换时间tramp，即：
Figure 624062DEST_PATH_IMAGE005
（公式4）。
其中Vramp是电压时间转换器20的阈值电压。
将公式4代入公式1，传统的积分放大器的增益表达式变成了电容比、跨导比和电压比的乘积：
Figure 378391DEST_PATH_IMAGE006
（公式5）。
在本发明的一个实施例中，为了参数匹配，单极点放大器10采用与积分放大器30相同的电路拓扑结构。
请参见图4，为本发明实施例提供的电压时间转换器20的电路图。为了排除由于制程、电压、温度的共模变化而产生的任何可能的脉冲宽度调制，采用伪差分电压时间转换器的结构。电压时间转换器20包括门电路NOR，第一阈值电压比较电路21，第二阈值电压比较电路22。在本实施例中，所述门电路为或非门。或非门NOR的输出端连接到所述积分放大器30。第一阈值电压比较电路21的输出端连接到或非门NOR的第一输入端。第二阈值电压比较电路22的输出端连接到或非门NOR的第二输入端。第一阈值电压比较电路21的输入端和所述第二阈值电压比较电路22的输入端同时连接到单极点放大器10的输出端。
在本发明的实施例中，所述第一阈值电压比较电路21包括第一阈值产生电路210，电容Ctot，反相器INV1~INV4和开关S15。所述反相器INV1~INV4相互串联连接。所述反相器INV4的输出端连接所述或非门NOR的第一输入端。所述反相器INV1的输入端连接到所述电容Ctot。所述电容Ctot的另一端通过所述开关S15连接到所述单极点放大器10的输出端。所述第一阈值产生电路210的输出端连接到所述电容Ctot和所述开关S15之间。
在本发明的实施例中，所述第一阈值产生电路210包括电容C3、C5，开关S7、S9、S11。所述开关S7、S11以及所述电容C3、C5的一端共同连接在一起。所述开关S7的另一端连接到偏置电压Vbias。所述电容C3的另一端通过所述开关S9选择性地连接到参考电压Vref或者接地。所述电容C5的另一端接地。所述开关S11的另一端为第一阈值产生电路210的输出端。所述所述第一阈值产生电路210用于产生第一阈值电压。在本实施例中，电容C5的容量值设置为电容Ctot和电容C3的差值Ctot-C3。
在本发明的又一个实施例中，所述第一阈值电压比较电路21还包括开关S13，所述开关S13与所述反相器INV1并联连接。所述开关S13闭合时，所述反相器INV1的输入端和输出端短接，用于将所述反相器INV1调零。
在本发明的实施例中，所述第二阈值电压比较电路22包括第二阈值产生电路220，电容Ctot，反相器INV5~INV7和开关S16。所述反相器INV5~INV7相互串联连接。所述反相器INV7的输出端连接所述或非门NOR的第二输入端。所述反相器INV5的输入端连接到所述电容Ctot。所述电容Ctot的另一端通过所述开关S16连接到所述单极点放大器10的输出端。所述第二阈值产生电路220的输出端连接到所述电容Ctot和所述开关S16之间。
在本发明的实施例中，所述第二阈值产生电路220包括电容C4、C6，开关S8、S10、S12。所述开关S8、S12以及所述电容C4、C6的一端共同连接在一起。所述开关S8的另一端连接到偏置电压Vbias。所述电容C4的另一端通过所述开关S10选择性地连接到参考电压Vref或者接地。所述电容C6的另一端接地。所述开关S12的另一端为所述第二阈值产生电路220的输出端。所述第二阈值产生电路220用于产生第二阈值电压。在本实施例中，电容C6的容量值设置为电容Ctot和电容C4的差值Ctot-C4。
在本发明的又一个实施例中，所述第二阈值电压比较电路22还包括开关S14。所述开关S14与所述反相器INV5并联连接。所述开关S14闭合时，所述反相器INV5的输入端和输出端短接，用于将所述所述反相器INV5调零。
可以理解的是，所述第一阈值电压比较电路21和所述第二阈值电压比较电路22中的反相器个数可以根据需要确定，可以为一个或者多个。所述门电路也不是只能是或非门。当所述第一阈值电压比较电路21中的反相器个数为奇数，所述第二阈值电压比较电路22中的反相器个数为偶数时，所述门电路为与非门。当所述第一阈值电压比较电路21中的反相器个数为偶数，所述第二阈值电压比较电路22中的反相器个数为奇数，所述门电路为或非门。当所述第一阈值电压比较电路21和所述第二阈值电压比较电路22中的反相器个数同为偶数或奇数时，所述门电路为异或门。
图5为本发明实施例提供的积分放大器电路的开关时序图。首先，在复位阶段，开关S1、S2闭合，通过偏置电压Vbias复位放大器的输出，电容C1和C2采样共模电压Vcm。然后S3、S4断开，接着电容C1由S5、S6切换产生一个阶跃输入，驱动输出产生斜坡信号。阶跃输入的辐值为：
Figure 115403DEST_PATH_IMAGE007
（公式6）。
当单极放大器10复位时，开关S15和开关S16断开，电压时间转换器20与单极放大器10断开。同时，开关S7、S8、S11、S12、S13、S14闭合，S9、S10接地。电压时间转换器20的反相器INV1和INV5配置为自动调零模式，电压时间转换器的所有电容采样Vbias。然后，采样开关S7、S8断开，C3和C4的下级板从地切换到参考电压Vref，在节点A和B上增加一部分Vref。等到这些节点稳定后，开关S11、开关S12断开，然后开关S13、开关S14断开。此时，电压时间转换器20的第一阈值电压比较电路21的阈值电压设置为Vthp，电压时间转换器20的第二阈值电压比较电路22的阈值电压设置为Vthn。
Figure 638788DEST_PATH_IMAGE008
（公式7）
Figure 6316DEST_PATH_IMAGE009
（公式8）
其中，Vosp和Vosn分别是第一阈值电压比较电路21和第二阈值电压比较电路22自动归零后的残余偏移量。
在单极点放大器10复位完成之后，开关S15和开关S16闭合，电压时间转换器20的输入端连接到单极点放大器10的输出端。紧接着开关S1和开关S2断开，单节点放大器10输出斜坡信号。一旦斜坡信号的幅值超过电压时间转换器20的第二阈值电压比较电路22的阈值电压时，电压时间转换器20的输出时钟信号ΦA将变成高电平。此时开关S17和开关S18断开，积分放大器30开始放大转换。当斜坡信号的幅值超过电压时间转换器20的第一阈值电压比较电路21的阈值电压时，时钟信号ΦA将变成低电平。此时开关S17和开关S18闭合，积分放大器30停止放大转换。Vthp和Vthn之间的电压差定义了Vramp的值。
Figure 247941DEST_PATH_IMAGE010
（公式9）
将单极点放大器10和积分放大器30的输入晶体管设置在跨导电流比相同的配置，积分放大器电路1的增益最终被导出为电容比和晶体管尺寸比的乘积。
Figure 523065DEST_PATH_IMAGE011
（公式10）
由于电容比和晶体管尺寸比在制程、电压、温度变化时都是稳定的，这个电压增益预计将保持不变。此外，电压比Vramp/Vstep抵消了参考电压Vref，这意味着不需要精确地设置Vref。
另外，由于单极点放大器10是从电压Vbias开始输出斜坡信号，并且第一阈值电压比较电路21和第二阈值电压比较电路22的阈值电压也由Vbias设置。即使Vbias随着制程、电压、时间的变化而变化，第一阈值电压比较电路21和第二阈值电压比较电路22也可以跟踪斜坡信号的起点，这表明Vbias也不需要精确设置。
图7-图9分别为本发明实施例提供的积分放大器电路与传统积分放大器的增益随工艺角，电源电压，温度变化的对比图。可以看出，本发明实施例提供的积分放大器的增益随工艺角，电源电压，温度变化相比传统积分放大器大幅改善，增益随工艺、电压、时间漂移很小。图7的试验条件为：电源电压为1.2V，温度为25℃。图8的试验条件为：工艺角为TT，温度为25℃。图9的试验条件为：工艺角为TT，电源电压为1.2V。
图6为本发明实施例提供的积分放大器30的电路图。所述积分放大器30包括第四对场效应管M9、M10，第五对场效应管M11、M12，第六对场效应管M13、M14，以及场效应管M8。场效应管M9和场效应管M10的漏极共同连接在一起，并连接到场效应M8的源极。场效应管M8的漏极接地。场效应管M8的栅极连接到偏置电压Vb1。场效应管M9的栅极连接到P侧输入电压Vip，场效应管M10的栅极连接到P侧输入电压Vin。场效应管M11和场效应管M12的栅极连接到一起。场效应管M11的漏极连接到场效应管M9的源极，场效应管M12的漏极连接到场效应管M10的源极。场效应管M11和场效应管M12的栅极连接到偏置电压Vb2。场效应管M13和场效应管M14的漏极连接到电源电压VDD。场效应管M13和场效应管M14的栅极也连接到偏置电压Vbias。场效应管M13的源极连接到场效应管M11的源极，并通过电容CLA接地。场效应管M13的源极通过开关S17连接到偏置电压Vbias，场效应管M14的源极通过开关S18连接到偏置电压Vbias。场效应管M14的源极连接到场效应管M12的源极，并通过电容CLA接地。场效应管M11的源极连接到积分放大器30的n侧电压输出端Von，场效应管M12的源极连接到积分放大器30的p侧电压输出端Vop。在本发明的的一个实施例中，所述场效应管M8、M9、M10、M11、M12为P沟道耗尽型场效应管；所述场效应管M13、M14为N沟道耗尽型场效应管。根据需要，所述场效应管M8-M14也可以是其他类型的场效应管，只要其能实现积分放大器30的基本功能即可。
需要说明的是，上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种积分放大器电路，包括单极点放大器、电压时间转换器以及积分放大器，其特征在于：
所述单极点放大器用于将阶跃输入信号转换成斜坡信号，并将所述斜坡信号输出至电压时间转换器；
所述电压时间转换器用于将所述斜坡信号转换成时间信号，并将所述时间信号输出至所述积分放大器；
所述积分放大器接收所述时间信号，并根据所述时间信号设置放大转换时间；
所述电压时间转换器包括伪差分电压时间转换器；
其中，所述电压时间转换器包括门电路，第一阈值电压比较电路，第二阈值电压比较电路；
所述门电路的输出端连接到所述积分放大器；
所述第一阈值电压比较电路的输出端连接到所述门电路的第一输入端；
所述第二阈值电压比较电路的输出端连接到所述门电路的第二输入端；
所述第一阈值电压比较电路的输入端和所述第二阈值电压比较电路的输入端同时连接到所述单极点放大器的输出端。
2.如权利要求1所述的积分放大器电路，其特征在于，所述单极点放大器与所述积分放大器具有相同的电路拓扑结构。
3.如权利要求1所述的积分放大器电路，其特征在于，所述第一阈值电压比较电路和所述第二阈值电压比较电路都包括一个或者多个反相器，当所述第一阈值电压比较电路中的反相器个数为奇数，所述第二阈值电压比较电路中的反相器个数为偶数时，所述门电路为与非门；当所述第一阈值电压比较电路中的反相器个数为偶数，所述第二阈值电压比较电路中的反相器个数为奇数，所述门电路为或非门；当所述第一阈值电压比较电路和所述第二阈值电压比较电路中的反相器个数同为偶数或奇数时，所述门电路为异或门。
4.如权利要求3所述的积分放大器电路，其特征在于，所述门电路为或非门，所述第一阈值电压比较电路包括第一阈值产生电路，电容Ctot，反相器INV1-INV2和开关S15，所述反相器INV1和所述反相器INV2串联连接，所述反相器INV2的输出端连接所述或非门的第一输入端，所述反相器INV1的输入端连接到所述电容Ctot一端，所述电容Ctot的另一端通过所述开关S15连接到所述单极点放大器的输出端，所述第一阈值产生电路的输出端连接到所述电容Ctot和所述开关S15之间。
5.如权利要求4所述的积分放大器电路，其特征在于，所述第一阈值产生电路包括电容C3、C5，开关S7、S9、S11，所述开关S7、S11以及所述电容C3、C5的一端共同连接在一起，所述开关S7的另一端连接到偏置电压Vbias，所述电容C3的另一端通过所述开关S9选择性地连接到参考电压Vref或者接地，所述电容C5的另一端接地，所述开关S11的另一端为第一阈值产生电路的输出端。
6.如权利要求4-5任意一项所述的积分放大器电路，其特征在于，所述第一阈值电压比较电路还包括开关S13，所述开关S13与所述反相器INV1并联连接。
7.如权利要求4-5任意一项所述的积分放大器电路，其特征在于，所述第一阈值电压比较电路还包括一个或者多个串联连接的反相器INV3-INV4，所述一个或者多个串联连接的反相器INV2-INV4连接在所述反相器INV2的输出端和所述或非门的第一输入端之间。
8.如权利要求3所述的积分放大器电路，其特征在于，所述门电路为或非门，所述第二阈值电压比较电路包括第二阈值产生电路，电容Ctot，反相器INV5和开关S16，所述反相器INV5的输出端连接所述或非门的第二输入端，所述反相器INV5的输入端连接到所述电容Ctot一端，所述电容Ctot的另一端通过所述开关S16连接到所述单极点放大器的输出端，所述第二阈值产生电路的输出端连接到所述电容Ctot和所述开关S16之间。
9.如权利要求8所述的积分放大器电路，其特征在于，所述第二阈值产生电路包括电容C4、C6，开关S8、S10、S12，所述开关S8、S12以及所述电容C4、C6的一端共同连接在一起，所述开关S8的另一端连接到偏置电压Vbias，所述电容C4的另一端通过所述开关S10选择性地连接到参考电压Vref或者接地，所述电容C6的另一端接地，所述开关S12的另一端为第二阈值产生电路的输出端。
10.如权利要求8-9任意一项所述的积分放大器电路，其特征在于，所述第二阈值电压比较电路还包括开关S14，所述开关S14与所述反相器INV5并联连接。
11.如权利要求8-9任意一项所述的积分放大器电路，其特征在于，所述第二阈值电压比较电路还包括一个或者多个串联连接的反相器INV6-INV7，所述一个或者多个串联连接的反相器INV6-INV7连接在所述反相器INV5的输出端和所述或非门的第二输入端之间。
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