CN112398445A - 一种具有非电容容比值敏感性的乘二开关电容放大器 - Google Patents

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徐江涛
史晓琳
聂凯明
高静
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Abstract

一种具有非电容容比值敏感性的乘二开关电容放大器，主要由一个运算放大器、一组采样电容C1、一组保持电容C2和七个联动开关S1~S7组成；该放大器通过同一个电容的两次采样使得放大倍数与电容的比值无关，消除了电容失配对增益精度的影响，实现了对输入信号的精确乘二操作。应用此结构的ADC可以实现更高的信号处理精度。

Description

一种具有非电容容比值敏感性的乘二开关电容放大器
技术领域
本发明涉及开关电容放大器电路，特别涉及一种能够不依赖于电容比值关系而实现精确乘二的开关电容放大器电路及即一种具有非电容容比值敏感性的乘二开关电容放大器。
背景技术
开关电容放大器电路被广泛应用在模拟信号处理电路中，例如采样保持电路、流水线型模数转换器电路等，其通过电容的比值实现对模拟信号的固定增益放大处理。其中具有固定两倍增益放大处理功能的乘二开关电容放大器被广泛应用在流水线型模数转换器和循环式模数转换器中，其主要结构如附图1所示，主要由一个运算放大器、两个电容和若干模拟开关组成。当控制信号S1为高电平S2为低电平时，电容C1采集输入信号，当S2变为高电平S1变为低电平时，电容C1中的电荷被传输至C2，使得输出变为：
Figure 854635DEST_PATH_IMAGE001
因此，当C1的电容值是C2的两倍时，该结构实现了对输入信号乘二处理。但是，很多非理想因素都会降低所放大倍数的精度，这些因素主要有运算放大器的有限增益、运算放大器的有限带宽和电容的失配。其中运算放大器的增益和带宽问题可以通过现有的各种设计技术解决，例如：通过增益自举结构、多级运放结构都可以提升运算放大器的增益，通过采用更快的工艺或设置更大的带宽可以提升速度。但是能够解决电容失配问题的现有技术却很少，现有技术主要是通过版图的共质心匹配或增大电容面积来降低失配程度。但是，共质心版图匹配能够改善的程度有限，而且往往会增加版图布局的复杂度，进而引入更大的版图寄生，降低了电路的精度；增大电容的面积可以有效提升电容的匹配精度，但往往会牺牲较大的版图面积，而且较大的电容值也会使得开关电容电路在同等响应速度下消耗更大的功耗。现有技术中也有使用数字校准技术来校正该电容失配问题的，但是这势必增加了电路的复杂性和芯片面积。在本发明中，将提出一种精确乘的二开关电容放大器结构，旨在解决电容失配造成的增益误差。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提出一种具有非电容容比值敏感性的乘二开关电容放大器，该结构能够消除电容失配对乘二开关电容放大器增益精度的影响。
一种具有非电容容比值敏感性的乘二开关电容放大器，电路结构如图2所示，附图中的结构采用的全差分方式，需要说明的是所提出结构也可以采用单端方式实现。所提出的精确乘二开关电容放大器主要由一个运算放大器、一组采样电容C1、一组保持电容C2和七个联动开关S1~S7组成；联动开关S1连接正负输入端VinP、VinN和两个电容C1的下极板，两个电容C1的上极板分别连接到运算放大器的正负输入端；联动开关S2连接运算放大器的正输入端和负输出端以及负输入端和正输出端；联动开关S4连接两个电容C2的上极板和运算放大器的正负输入端；联动开关S7两端分别连接两个电容C2的下极板；联动开关S3连接两个电容C2下极板和运算放大器的负正输出端；联动开关S6连接两个电容C1的下极板和运算放大器的负正输出端；开关S5连接两个C1电容的下极板。
所述结构的工作控制时序如附图3所示，其中高电平代表开关闭合，低电平代表开关断开，状态P1~P4是一个完成信号采集与放大处理周期。
一种具有非电容容比值敏感性的乘二开关电容放大器，通过同一个电容的两次采样使得放大倍数与电容的比值无关，消除了电容失配对增益精度的影响，实现了对输入信号的精确乘二操作。应用此结构的ADC可以实现更高的信号处理精度。
附图说明
图1是传统的乘二开关电容放大器电路结构；
图2是本发明所提出的精确乘二开关电容放大器电路结构；
图3 是本发明所提出结构的控制时序；
图4 是本发明所提出结构在不同状态下的等效电路结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合实例给出本发明实施方式的具体描述。
本发明所提出的精确乘二开关电容放大器需要经过如图3所示的四个时钟状态P1~P4完成一次信号采集与放大处理，具体工作过程描述如下：在P1状态时，开关电容放大器的等效电路结构如图4(a)所示，该状态下电容C1完成信号采集，差分正负两个支路中电容C1存储的电荷差为C1(VinP-VinN)，电容C2完成复位，C2中存储的电荷为0，同时完成了对运算放大器失调电压的存储；在P2状态时，开关电容放大器的等效电路结构如图4(b)所示，该状态下电容C1中的电荷全部传输至电容C2中，因此两个电容C2中存储的电荷差为C1(VinP-VinN)；在P3状态时，开关电容放大器的等效电路结构如图4(c)所示，此状态下电容C2中的电荷保持不变，电容C1再次完成对输入信号的采集，因此两个电容C1中存储的电荷差为C1(VinP-VinN)；在P4状态时，开关电容放大器的等效电路结构如图4(d)所示，在该状态下电容C2中的电荷被传输回电容C1中，因此此时两个C1中存储的差分电荷量为2C1(VinP-VinN)，所以所述开关电容放大器在P4状态时输出最终差分电压值为：
Figure 561428DEST_PATH_IMAGE002
从公式2可以看出，所述结构最终输出表达式中只有C1与C1的比值，而没有C1与C2的比值项，即输出值与电容C2无关，因此电容C1与C2的失配并不会影响最终乘2的精度，进而实现了精确的乘二操作。
本发明描述的精确乘二电路可工作在3.3V电源电压下，共模电压为1.65V，其中运算放大器采用单极折叠共源共栅结构，运算放大器增益为85dB。因为不需要考虑电容匹配对精度的影响，因此在选取电容大小时只考虑热噪声对精度的影响即可，选取电容C1和C2大小均为100fF，采用单位面积电容为1fF/um2的金属-绝缘层-金属电容实现这两个电容，因此电容面积均为10um×10um。工作过程中，每个状态的操作时间为100ns，经过4个状态即400ns后完成对输入模拟信号的采集和两倍放大操作。

Claims (1)

1.一种具有非电容容比值敏感性的乘二开关电容放大器，其特征在于：主要由一个运算放大器、一组采样电容C1、一组保持电容C2和七个联动开关S1~S7组成；联动开关S1连接正负输入端VinP、VinN和两个电容C1的下极板，两个电容C1的上极板分别连接到运算放大器的正负输入端；联动开关S2连接运算放大器的正输入端和负输出端以及负输入端和正输出端；联动开关S4连接两个电容C2的上极板和运算放大器的正负输入端；联动开关S7两端分别连接两个电容C2的下极板；联动开关S3连接两个电容C2下极板和运算放大器的负正输出端；联动开关S6连接两个电容C1的下极板和运算放大器的负正输出端；开关S5连接两个C1电容的下极板。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070060943A (ko) * 2005-12-09 2007-06-13 매그나칩 반도체 유한회사 스위치드 캐패시터형 이득 증폭기 및 아날로그 메모리 회로
CN103095302A (zh) * 2012-12-19 2013-05-08 天津大学 一种应用于高速高精度电路的采样保持电路
CN106656072A (zh) * 2016-12-31 2017-05-10 唯捷创芯(天津)电子技术股份有限公司 一种精确乘二开关电容放大器、芯片及通信终端

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