CN112702033A

CN112702033A - 放大器

Info

Publication number: CN112702033A
Application number: CN202011109881.2A
Authority: CN
Inventors: 椎根雄寿
Original assignee: Ablic Inc
Current assignee: Ablic Inc
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2021-04-23
Also published as: US20210126588A1; JP2024055972A; JP7450362B2; US11509267B2; JP2021069000A

Abstract

放大器具备：信号极性反转电路，其调制输入信号并输出调制信号；放大电路，其由跨导放大器（OTA）构成，放大调制信号并输出电流；和采样保持电路，其具有通过放大电路输出的电流的选择性采样而被充放电的采样用电容器、和传送采样用电容器的电压的保持用电容器。

Description

放大器

技术领域

本发明关于放大微小信号的放大器。

背景技术

作为放大微小信号的放大器，以往广泛使用斩波放大器。图3是示出以往的斩波放大器的框图。

以往的斩波放大器20具备对输入信号Vin进行斩波调制的调制器21、第一级放大电路22、对放大后的信号进行斩波解调的解调器23、第二级放大电路24和低通滤波器（LPF）25。

以往的斩波放大器用调制器21对输入信号Vin以频率fc进行斩波调制，解调器23对用放大电路22放大后的信号以频率fc进行斩波解调，在用放大电路24放大该信号差后，用LPF 25去除高频成分，从而能够得到无低频（1/f）噪声的放大信号Vout（例如，参照专利文献1的图5）。

【先前技术文件】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2014-216705号公报。

发明内容

【发明要解决的课题】

但是，以往的斩波放大器在调制输入信号时，通过构成调制器21的开关（MOS晶体管）的时钟馈通将噪声与输入信号Vin相乘而传播，放大电路24的输出电压中混合有尖峰噪声。另外，关于以往的斩波放大器，为了去除放大电路22的输入误差成分，LPF 25是必要的，为了提高LPF 25的衰减效果，有必要加大电阻和电容，为此芯片尺寸会增大。

本发明为了解决如以上的课题而完成，目的在于提供能够在不增大芯片尺寸的情况下降低开关的时钟馈通导致的尖峰噪声的放大器。

【解决课题的手段】

本发明的实施方式涉及的放大器，其特征在于具备：信号极性反转电路，其调制输入信号并输出调制信号；放大电路，其由跨导放大器（OTA）构成，放大所述调制信号并输出电流；和采样保持电路，其具有通过所述放大电路输出的电流的选择性采样而被充放电的采样用电容器、和传送所述采样用电容器的电压的保持用电容器。

【本发明的效果】

根据本发明的实施方式所涉及的放大器，用跨导放大器（OTA）构成放大电路，用采样保持电路对OTA输出的电流采样并解调，从而能够在不增大芯片尺寸的情况下降低开关的时钟馈通导致的尖峰噪声。

附图说明

【图1】是示出本发明的实施方式涉及的放大器的框图。

【图2】是示出本发明的实施方式涉及的放大器的动作的时序图。

【图3】是示出以往的斩波放大器的框图。

具体实施方式

图1是示出本发明的实施方式的放大器的框图。

放大器10具备信号极性反转电路11、初级放大电路12、采样保持电路13、第二级放大电路14、输入端子IN1及IN2、输出端子OUT1及OUT2。放大器10对于输入到输入端子IN1及IN2之间的输入信号Vin进行放大，并作为输出信号Vout在输出端子OUT1及OUT2之间输出。

信号极性反转电路11具备开关111、112、113、114和第一输入端子、第二输入端子、第一输出端子、第二输出端子。放大电路12由跨导放大器（Operational Trans-conductance Amplifier或OTA）构成。采样保持电路13具备开关131、132、133、134、136、137、采样用电容器135、保持用电容器138和第一输入端子、第二输入端子、第一输出端子、第二输出端子。第二级放大电路14由完全差动放大电路构成。

关于信号极性反转电路11，第一输入端子与输入端子IN1连接，第二输入端子与输入端子IN2连接。第一输入端子经由开关111与第一输出端子连接，并经由开关113与第二输出端子连接。第二输入端子经由开关112与第二输出端子连接，并经由开关114与第一输出端子连接。信号极性反转电路11与控制信号φ1、φ2同步地将输入到第一及第二输入端子的信号切换到第一及第二输出端子并输出。

关于放大电路12，第一输入端子与信号极性反转电路11的第一输出端子连接，第二输入端子与信号极性反转电路11的第二输出端子连接。放大电路12具有输入偏移电压，例如在第一输入端子上作为偏移电压Vos示出。

放大电路12在第一输入端子的电压与第二输入端子的电压之差为正的情况下，输入电压差越大，则越大的电流从第一输出端子流出，从第二输出端子流入。另外，放大电路12在第一输入端子的电压与第二输入端子的电压之差为负的情况下，输入电压差越大，则越大的电流从第一输出端子流入，从第二输出端子流出。在此，用OTA构成放大器12而使输出信号为电流，从而能够用电容器容易地对图2示出的各期间的输出信号进行加减运算。即，能够将以往技术的解调器替换成采样保持电路。

关于采样保持电路13，第一输入端子与放大电路12的第一输出端子连接、第二输入端子与放大电路12的第二输出端子连接。第一输入端子经由开关131与电容器135的一个端子连接，并经由开关133与电容器135的另一个端子连接。第二输入端子经由开关134与电容器135的一个端子连接，并经由开关132与电容器135的另一个端子连接。电容器135的一个端子经由开关136与电容器138的一个端子和采样保持电路13的第一输出端子连接。电容器135的另一个端子经由开关137与电容器138的另一个端子和采样保持电路13的第二输出端子连接。

采样保持电路13具有这样的功能：与控制信号φA及φB同步地将放大电路12输出的电流充电到电容器135而进行采样，从放大电路12的输出信号中去除混合的噪声成分，并与控制信号φH同步地输出。

关于放大电路14，第一输入端子与采样保持电路13的第一输出端子连接，第二输入端子与采样保持电路13的第二输出端子连接。

图2是示出本实施方式的放大器的动作的时序图。

放大器一个周期的动作由T1到T8的期间组成，各期间的长度相同(ΔT)。与控制信号φ1、φ2等频率相比较，输入信号Vin频率十分低，所以在图2中大体上成为直流电压。另外，Vcm是输入信号Vin的动作点电压。

控制信号φ1在期间T1~T2和期间T5~T6成为H电平，而在期间T3~T4和期间T7~T8成为L电平。控制信号φ2是其相反的电平。因此，信号极性反转电路11在期间T1~T2和期间T5~T6第一输入端子与第一输出端子连接、第二输入端子与第二输出端子连接，而在期间T3~T4和期间T7~T8第一输入端子与第二输出端子连接、第二输入端子与第一输出端子连接。

信号极性反转电路11如上述那样进行动作，所以其第一输出端子和第二输出端子之间的信号Va以动作点电压Vcm为中心，在期间T1~T2和期间T5~T6成为+Vin的电压值，在期间T3~T4和期间T7~T8成为-Vin的电压值。即，信号极性反转电路11是调制器，信号Va是调制信号。

如果将放大电路12的第一输入端子和第二输入端子之间的输入电压设为Vb，则输入电压Vb成为对电压Va加上直流偏移电压Vos的电压。即，在期间T1~T2和期间T5~T6成为+Vos+Vin的电压值，在期间T3~T4和期间T7~T8成为+Vos-Vin的电压值。

在此，如果设放大电路12的跨导为gm，则放大电路12输出的电流在期间T1~T2和期间T5~T6成为gm×(+Vos+Vin)，在期间T3~T4和期间T7~T8成为gm×(+Vos-Vin)。

采样保持电路13在期间T2控制信号φA为H电平，所以开关131和开关132导通，并且控制信号φB为L电平，所以开关133和开关134断开。即，第一输入端子经由开关131与电容器135的一个端子连接，第二输入端子经由开关132与电容器135的另一个端子连接。

另外，控制信号φH为L电平，所以开关136和开关137断开。即，电容器138与电容器135断开。

因此，电容器135以放大电路12输出的电流(gm×(+Vos+Vin))在时间ΔT期间充电。如果设电容器135的电容为Cs，则T2结束的时刻的电容器135的电压VCst2由式（1）表示。

【数学式1】

（1）

之后，在期间T3，采样保持电路13以放大电路12输出的电流(gm×(+Vos-Vin))在时间ΔT期间对电容器135充电。因此，T3结束的时刻的电容器135的电压VCst3由式（2）表示。

【数学式2】

（2）

如从式（2）可知那样，在期间T2~T3，电容器135通过加上基于使极性反转的期间的输入电压Vin的电流，被充电为基于从输入信号Vin分离的偏移电压Vos的电压。

在期间T4，控制信号φA和φB均成为L电平，所以开关131~开关134全部断开，并且电容器135保持式（2）的电压。

在T5的开始，控制信号φB成为H电平，所以开关133和开关134导通。即，电容器135与期间T3相反，与放大电路12的输出端子连接。

在期间T5到T6，控制信号φ1成为H电平，控制信号φ2成为L电平，所以放大电路12输出电流(gm×(+Vos+Vin))。而且，开关133和开关134导通，所以电容器135以电流(gm×(+Vos+Vin))在时间2ΔT期间放电。

因此，T6结束的时刻的电容器135的电压VCst6由式（3）表示。

【数学式3】

（3）

如式（3）所示那样，采样保持电路13通过期间T2到期间T6的动作，实现了：从放大电路12的输出信号中去除噪声成分，并使用采样进行对电容器135的充放电，仅提取输入信号Vin的放大信号成分。

在期间T7，控制信号φA和φB均成为L电平，所以开关131~开关134全部断开，并且电容器135保持式（3）的电压。

在T8的开始，控制信号φH成为H电平，所以开关136和开关137导通。即，电容器135的电压传送到电容器138，并经由放大电路14作为输出信号Vout输出到放大器的输出端子OUT1及OUT2。

在T8的结束，控制信号φH成为L电平，所以开关136和开关137断开，一系列动作结束。而且，重复这些动作，从而本实施方式的放大器放大输入信号Vin并输出低噪声的输出信号Vout。

如以上说明那样，本实施方式的放大器具备由OTA构成的初级放大电路12和采样保持电路13，所以构成信号极性反转电路11的开关（MOS晶体管）的时钟馈通导致的尖峰噪声不会传播到后级的放大电路14。因此，在放大电路14之后不需要LPF，所以芯片尺寸不会增大。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限于上述实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变更这一点无须赘述。

例如，可以适当设计放大电路12或放大电路14的输入端子和输出端子的极性。另外，例如，就放大电路14而言，如果不是必要的话也可以省略。

【标号说明】

11　信号极性反转电路

12　初级放大电路（OTA）

13　采样保持电路

14　第二级放大电路

Claims

1.一种放大器，其特征在于具备：

信号极性反转电路，其调制输入信号并输出调制信号；

放大电路，其由跨导放大器构成，放大所述调制信号并输出电流；和

采样保持电路，其具有通过所述放大电路输出的电流的选择性采样而被充放电的采样用电容器、和传送所述采样用电容器的电压的保持用电容器。

2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于：

所述放大器以第一期间到第八期间为一个周期而进行动作，

所述信号极性反转电路在第一、第二、第五、第六期间不使所述输入信号反转，在第三、第四、第七、第八期间使所述输入信号反转而作为所述调制信号输出，

所述采样保持电路在所述第二、第三、第五、第六期间将所述调制信号通过采样充放电到所述采样用电容器，在所述第八期间将所述采样用电容器的电压传送到所述保持用电容器。

3.如权利要求2所述的放大器，其特征在于：

所述信号极性反转电路根据第一控制信号和第二控制信号调制所述输入信号，

所述采样保持电路，根据第三控制信号和第四控制信号将所述放大电路输出的电流通过采样选择性地充放电到所述采样用电容器，并根据第五控制信号将所述采样用电容器的电压传送到保持用电容器。