CN112054794A - 一种开关电容型单端转差分电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开关电容型单端转差分电路，包括差分高电平转换电路和差分低电平转换电路，所述差分高电平转换电路用于将输入幅度为Vin的电压信号转换成幅度为Vref+Vin的电压信号输出，并在一个时钟周期内滤除输入信号中夹杂的低频噪声；所述差分低电平转换电路用于将输入幅度为Vin的电压信号转换成幅度为Vref‑Vin的信号输出，并在一个时钟周期内滤除输入信号中夹杂的低频噪声。本发明能够在转换电压的同时消除自身运算放大器的失调电压。

Description

一种开关电容型单端转差分电路
技术领域
本发明涉及一种单端转差分电路，特别是涉及一种开关电容型单端转差分电路。
背景技术
全差分电路利用电路参数对称性可以放大差分信号并抑制共模信号。差分信号通过相减，可以有效的抑制系统的偶次谐波，所以高性能的电路多采用全差分电路形式。又因为全差分电路通常具有更高的增益带宽和更大的输出摆幅，使其在AD/DA转换器，有源滤波器，采样保持电路以及接口电路等具有广泛的应用。
单端转差分电路作为接口电路，一方面要能够实现信号转换，同时因为电路的KTC噪声，失调噪声，闪烁噪声都属于低频噪声，所以在很多应用中都希望采用相关双采样的技术来滤除信号中的低频噪声。
为了适应开关电容电路的使用需求，作为接口电路的单端转差分驱动电路应该采用开关电容电路的形式，并且能够任意调节输出共模电压的电压值。
传统的单端转全差分电路多采用两个单端运放构成，如图6所示，其会消耗较大的功耗和面积，输出共模电压不可调节，不能应用于开关电容电路，同时不具有相关双采样功能。其输出电压关系为：VOUT-＝Vin-+(R1/R2)*(Vin--Vin+)；VOUT+＝Vin++(R3/R2)*(Vin+-Vin-)。显然其输出共模电压是一个定值，不可调节。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种开关电容型单端转差分电路，能够在转换电压的同时消除自身运算放大器的失调电压。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种开关电容型单端转差分电路，包括输入端、差分高电平转换电路、差分低电平转换电路、第一输出端和第二输出端，所述输入端分别与差分高电平转换电路和差分低电平转换电路的输入端相连，所述差分高电平转换电路的输出端与所述第一输出端相连，所述差分低电平转换电路与第二输出端相连，所述差分高电平转换电路用于将输入幅度为Vin的电压信号转换成幅度为Vref+Vin的电压信号输出，并在一个时钟周期内滤除输入信号中夹杂的低频噪声；所述差分低电平转换电路用于将输入幅度为Vin的电压信号转换成幅度为Vref-Vin的信号输出，并在一个时钟周期内滤除输入信号中夹杂的低频噪声。
所述差分高电平转换电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的正相输入端通过第一电容与所述输入端相连，所述第一运算放大器的正相输入端还通过第一开关与参考电压相连，所述第一运算放大器的反相输入端通过第二电容和第三开关与两倍的参考电压端相连，所述第一运算放大器的输出端通过第五开关与所述第一输出端相连，所述第一运算放大器的输出端还通过第二开关与所述第一运算放大器的反相输入端相连；所述第二开关和第三开关之间还连接有第四开关。
所述差分高电平转换电路处于复位相时，所述第一开关、第二开关和第三开关均闭合，所述第四开关和第五开关均打开。
所述差分高电平转换电路处于输出相时，所述第一开关、第二开关和第三开关均打开，所述第四开关和第五开关均闭合。
所述差分低电平转换电路包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的正相输入端接地，所述第二运算放大器的反相输入端通过第三电容和所述输入端相连，所述第二运算放大器的反相输入端还通过第四电容和第七开关接地，所述第二运算放大器的输出端通过第九开关与所述第二输出端相连，所述第二运算放大器的输出端还通过第六开关与所述第二运算放大器的反相输入端相连；所述第六开关和第七开关之间还连接有第八开关，其中，第三电容和第四电容的容值相同。
所述差分低电平转换电路处于复位输出相时，所述第六开关和第七开关均闭合，所述第八开关和第九开关均打开。
所述差分低电平转换电路处于输出相时，所述第六开关和第七开关均打开，所述第八开关和第九开关均闭合。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明电路在完成单端信号转差分信号的同时能够有效的滤除输入信号中的低频噪声，其该电路在完成单端信号转差分信号的同时能够消除自身运算放大器的失调电压。本发明的电路采用开关电容电路的形式，能够应用于离散信号处理的电路中，且电路输出的共模电压Vref可根据实际需要随时调节大小。
附图说明
图1是本发明的电路图；
图2是本发明中差分高电平转换电路处于复位相时的电路图；
图3是本发明中差分高电平转换电路处于输出相时的电路图；
图4是本发明中差分低电平转换电路处于复位相时的电路图；
图5是本发明中差分低电平转换电路处于输出相时的电路图；
图6是现有技术中单端转全差分电路的电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种开关电容型单端转差分电路，如图1所示，包括输入端、差分高电平转换电路、差分低电平转换电路、第一输出端Vo+和第二输出端Vo-，所述输入端分别与差分高电平转换电路和差分低电平转换电路的输入端相连，所述差分高电平转换电路的输出端与所述第一输出端Vo+相连，所述差分低电平转换电路与第二输出端Vo-相连，所述差分高电平转换电路用于将输入幅度为Vin的电压信号转换成幅度为Vref+Vin的电压信号输出，并可以在一个时钟周期内滤除输入信号中夹杂的低频噪声；所述差分低电平转换电路用于将输入幅度为Vin的电压信号转换成幅度为Vref-Vin的信号输出，并可以在一个时钟周期内滤除输入信号中夹杂的低频噪声。该电路还能在滤除输入信号低频噪声的同时，消除自身运算放大器的失调电压。
其中，所述差分高电平转换电路包括第一运算放大器A1，所述第一运算放大器A1的正相输入端通过第一电容C1与所述输入端相连，所述第一运算放大器A1的正相输入端还通过第一开关S0与参考电压Vref相连，所述第一运算放大器A1的反相输入端通过第二电容C2和第三开关S2与两倍的参考电压端2Vref相连，所述第一运算放大器A1的输出端通过第五开关S4与所述第一输出端Vo+相连，所述第一运算放大器A1的输出端还通过第二开关S1与所述第一运算放大器A1的反相输入端相连；所述第二开关S1和第三开关S2之间还连接有第四开关S3。
所述差分低电平转换电路包括第二运算放大器A2，所述第二运算放大器A2的正相输入端接地，所述第二运算放大器A2的反相输入端通过第三电容C3和所述输入端相连，所述第二运算放大器A2的反相输入端还通过第四电容C4和第七开关S6接地，所述第二运算放大器A2的输出端通过第九开关S8与所述第二输出端Vo-相连，所述第二运算放大器A2的输出端还通过第六开关S5与所述第二运算放大器A2的反相输入端相连；所述第六开关S5和第七开关S6之间还连接有第八开关S7。其中，第三电容C3和第四电容C4的容值相同。
如图2所示，所述差分高电平转换电路处于复位相时，差分高电平转换电路的输入端接参考电压Vref，总的输入电压为Vref+Vos1，第一开关S0、第二开关S1和第三开关S2均闭合，第四开关S3和第五开关S4均打开。假设前一级电路输入的低频噪声为Vos1，第一运算放大器A1自身的失调电压为Vos2，假设第一运算放大器A1两个输入端的电压都为Vx。此时第一电容C1和第二电容C2上的电荷分别为：(Vx+Vos2/2-Vin-Vos1)*C1和(Vx-Vos2/2-Vo+)*C2。
如图3所示，所述差分高电平转换电路处于输出相时，第一开关S0、第二开关S1和第三开关S2均打开，第四开关S3和第五开关S4均闭合。此时第一电容C1和第二电容C2上的电荷分别为：(Vx+Vos2/2-Vin-Vos1)*C1和(Vx-Vos2/2-Vo+)*C2。
根据电荷守恒定律，当第一开关S0、第二开关S1和第三开关S2断开后，第一电容C1和第二电容C2没有电荷通路，电荷守恒，所以对于第一电容C1来说：
(Vref-Vref-Vos1+Vos2/2)*C1＝(Vx+Vos2/2-Vin-Vos1)*C1
整理后得：Vx＝Vin
对于第二电容C2来说：
(Vref-Vos2/2-2Vref)*C2＝(Vx-Vos2/2-Vo+)*C2
整理后得：Vo+＝Vref+Vx
将Vx带入可以得到：Vo+＝Vref+Vin。
如图4所示，所述差分低电平转换电路处于复位相时，差分低电平转换电路的输入端接参考电压Vref，总的输入电压为Vref+Vos1，第六开关S5和第七开关S6均闭合，第八开关S7和第九开关S8均打开。假设前一级电路输入的低频噪声为Vos1，第二运算放大器A2自身的失调电压为Vos2，此时第三电容C3和第四电容C4上的总电荷为：(Vos1-Vref-Vos2)*C3+Vos1*C4。
如图5所示，所述差分低电平转换电路处于输出相时，第六开关S5和第七开关S6均打开，第八开关S7和第九开关S8均闭合。此时第三电容C3和第四电容C4上的总电荷为：(Vos1-Vin-Vos2)*C3+(Vos1-Vo-)*C4。
因为第六开关S5和第七开关S6打开后，第三电容C3和第四电容C4连接第二运算放大器A2输入端的极板均无电荷通路，所以电荷守恒。根据电荷守恒原理，复位相和输出相时的总电荷相等，有：
(Vos1-Vref-Vos2)*C3+Vos1*C4＝(Vos1-Vin-Vos2)*C3+(Vos1-Vo-)*C4
又因为C3＝C4，整理后得到：Vo-＝Vref-Vin。
不难发现，本发明电路在完成单端信号转差分信号的同时能够有效的滤除输入信号中的低频噪声，其该电路在完成单端信号转差分信号的同时能够消除自身运算放大器的失调电压。本发明的电路采用开关电容电路的形式，能够应用于离散信号处理的电路中，且电路输出的共模电压Vref可根据实际需要随时调节大小。

Claims (7)

1.一种开关电容型单端转差分电路，其特征在于，包括输入端、差分高电平转换电路、差分低电平转换电路、第一输出端和第二输出端，所述输入端分别与差分高电平转换电路和差分低电平转换电路的输入端相连，所述差分高电平转换电路的输出端与所述第一输出端相连，所述差分低电平转换电路与第二输出端相连，所述差分高电平转换电路用于将输入幅度为Vin的电压信号转换成幅度为Vref+Vin的电压信号输出，并在一个时钟周期内滤除输入信号中夹杂的低频噪声；所述差分低电平转换电路用于将输入幅度为Vin的电压信号转换成幅度为Vref-Vin的信号输出，并在一个时钟周期内滤除输入信号中夹杂的低频噪声。
2.根据权利要求1所述的开关电容型单端转差分电路，其特征在于，所述差分高电平转换电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的正相输入端通过第一电容与所述输入端相连，所述第一运算放大器的正相输入端还通过第一开关与参考电压相连，所述第一运算放大器的反相输入端通过第二电容和第三开关与两倍的参考电压端相连，所述第一运算放大器的输出端通过第五开关与所述第一输出端相连，所述第一运算放大器的输出端还通过第二开关与所述第一运算放大器的反相输入端相连；所述第二开关和第三开关之间还连接有第四开关。
3.根据权利要求2所述的开关电容型单端转差分电路，其特征在于，所述差分高电平转换电路处于复位相时，所述第一开关、第二开关和第三开关均闭合，所述第四开关和第五开关均打开。
4.根据权利要求2所述的开关电容型单端转差分电路，其特征在于，所述差分高电平转换电路处于输出相时，所述第一开关、第二开关和第三开关均打开，所述第四开关和第五开关均闭合。
5.根据权利要求1所述的开关电容型单端转差分电路，其特征在于，所述差分低电平转换电路包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的正相输入端接地，所述第二运算放大器的反相输入端通过第三电容和所述输入端相连，所述第二运算放大器的反相输入端还通过第四电容和第七开关接地，所述第二运算放大器的输出端通过第九开关与所述第二输出端相连，所述第二运算放大器的输出端还通过第六开关与所述第二运算放大器的反相输入端相连；所述第六开关和第七开关之间还连接有第八开关，其中，第三电容和第四电容的容值相同。
6.根据权利要求5所述的开关电容型单端转差分电路，其特征在于，所述差分低电平转换电路处于复位输出相时，所述第六开关和第七开关均闭合，所述第八开关和第九开关均打开。
7.根据权利要求5所述的开关电容型单端转差分电路，其特征在于，所述差分低电平转换电路处于输出相时，所述第六开关和第七开关均打开，所述第八开关和第九开关均闭合。
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