CN115276570A - 一种消除失调误差的开关电容放大电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种消除失调误差的开关电容放大电路及其控制方法，包括运算放大器和开关电容模块，电路还包括：消除失调电压模块，设置在运算放大器的同相输入端，包括若干控制开关和耦合电容，控制开关由不同时序控制信号进行控制，以消除失调误差。该控制方法包括：第一、第三、第四和第六控制开关闭合，断开第二、第五控制开关；第一、第四、第六控制开关断开，第三、第五控制开关闭合；第二控制开关闭合，其余控制开关全部处于断开状态，输入信号由采样电容通过第二控制开关送至运算放大器的反相输入端时，信号自然就叠加在交流地电压上，运算放大器的输出电压基于交流地电压。由此本发明的控制电路及方法，消除了整个电路输出电压的失调电压分量。

Description

一种消除失调误差的开关电容放大电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其是一种消除失调误差的开关电容放大电路及其控制方法。

背景技术

开关电容放大电路是一类集成电路模块，由于实际应用中，很多传感器或感应模块产生的信号是极其微弱的，这些信号不能够方便的直接做处理，所以通常这些小信号都要经过放大之后，才能进行后续的处理应用。

开关电容放大电路就是将小信号进行放大的一类电路，其作用就是将微弱的模拟输入信号进行积分放大，以便后续的处理。常规的开关电容放大电路包括开关电容模块10以及运算放大器20等，典型电路如图1所示。

简单说明一下图1的工作原理。

该电路包括开关电容模块10和运算放大器20，其中开关电容模块10包括三个模拟开关S1～S3、以及开关采样电容Cap0和放大器反馈比例调节电容Cap1，其中模拟开关S1和S3相同时序称作第一组模拟开关，采用相反时序的模拟开关S2称作第二组模拟开关。开关采样电容Cap0一端连接在模拟开关S1和模拟开关S2的连接端，另一端接AC_GND端，模拟开关S3和反馈比例调节电容Cap1均连接在运放20的反相输入端和输出端之间，该运放20的同相输入端接AC_GND端。其中，该AC_GND是一定幅值的直流电平，也就是交流地端，这里将此电压命名为Vac_gnd。

此外，为了避免稳定性问题，运算放大器20通常选用一级放大结构。图1中运算放大器20的反相输入端是电路模块的输入端口，模拟小信号就是从这里输入。

开关采样电容Cap0既有采样电容的作用也同时担负着信号放大的比例作用。

图2示意了第一、第二组模拟开关的工作时序，三个模拟开关S1～S3均为高电平联通，低电平断开，其中，A代表包括S1和S3的第一组模拟开关，B代表包括S2的第二组模拟开关，可见两组开关的工作时序正好相反。

当构成第一组的模拟开关S1和S3合通时，第二组的模拟开关S2断开，小信号从输入端AC_IN输入到开关采样电容Cap0上，同时运算放大器20的输出端和放大器的反相输入端即节点A连通，其目的是建立放大器20的工作点。

根据理想放大器的原理，放大器20必须处于自己的工作点上才能应用，这样的做法的目的就是使放大器的输出端以及节点A和同相输入端，即节点B的电平是一致的，都是交流地即同一个直流电平。

然后，第一组模拟开关S1和S3断开，第二组模拟开关S2闭合，此时我们设开关采样电容Cap0上所采集的模拟电压值为Vin，当模拟开关S2闭合，此模拟信号送至运算放大器20的反相输入端，根据运算放大器原理，此时输出电压为：

Vout＝Vin*Cap0/Cap1 (1)

故，只要调节开关采样电容Cap0和反馈比例调节电容Cap1的容值比例就可以调节输出电压的放大倍数。

如果是基于理想情况的放大器，那么输出Vout是基于交流地电压Vac_gnd上的，但现实中的放大器都存在失调电压，即Voffset，就是在第一组模拟开关S1、S3闭合，第二组模拟能开关S2断开的那个状态，放大器20的输出和节点A连通，但其值并不等于节点B的交流地电压Vac_gnd,而是会存在一个失调电压的误差，即放大器的输出和节点A的电压为交流地电压Vac_gnd+失调电压Voffset，如图3所示。

曲线2为理想放大输出正弦波，基于交流地电压Vac_gnd，曲线1为实际情况下的正弦波输出，信号基于Vac_gnd+失调电压Voffset，可以看出理想的结果和实际的输出结果存在着一个直流电压的偏差，即为失调电压Voffset。

对于某些系统而言，信号的直流分量可能并不重要。所以即便有失调电压的存在也没有关系。但是有些系统或应用是对电路输出信号的直流电压分量有要求的，必须和系统的交流地保持一致，例如一些电子量具芯片。那么这种情况下这种典型的开关电容放大电路就不适用了。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供一种消除失调误差的开关电容放大电路，通过在传统开关电容放大器的基础架构上增加了一些组件，从而实现消除电路输出电压的失调电压分量。

应当理解，本公开以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为本公开提供进一步的解释。

本发明揭示了一种消除失调误差的开关电容放大电路，包括运算放大器和开关电容模块，其特征在于，所述电路还包括：

消除失调电压模块，设置在所述运算放大器的同相输入端，包括若干控制开关和耦合电容，所述控制开关由不同时序控制信号进行控制，以消除失调误差。

比较好的是，本发明进一步提供了一种消除失调误差的开关电容放大电路，其特征在于，所述开关电容模块包括：

第一、第二、第三控制开关，开关采样电容和反馈比例调节电容；

其中，第三控制开关和反馈比例调节电容均连接在所述运算放大器的反相输入端和输出端之间，开关采样电容一端连接在第一、第二控制开关的连接端，另一端连接交流地电压。

比较好的是，本发明进一步提供了一种消除失调误差的开关电容放大电路，其特征在于，消除失调电压模块，包括第四、第五、第六控制开关；

其中，第四控制开关一端连接运算放大器的反相输入端，另一端通过耦合电容接入所述运算放大器的同相输入端；第五控制开关一端电性耦接于所述耦合电容和所述第四控制开关的连接端，另一端与交流地电压相连，第六控制开关一端连接运算放大器的同相输入端，另一端也与交流地电压相连；

其中，第一、第四、第六控制开关由第一信号控制，第五控制开关由第二信号控制，第三控制开关由第三信号控制，第二控制开关由第四信号控制，所述第一至第四信号的控制时序不同。

本发明进一步提供了一种控制方法，消除失调误差的开关电容放大电路，其特征在于，

步骤一，第一、第三、第四和第六控制开关闭合，断开第二、第五控制开关；

步骤二，第一、第四、第六控制开关断开，第三、第五控制开关闭合；

步骤三，第二控制开关闭合，其余控制开关全部处于断开状态，输入信号由采样电容通过第二控制开关送至所述运算放大器的反相输入端时，信号自然就叠加在交流地电压上，所述运算放大器的输出电压基于所述交流地电压。

比较好的是，本发明进一步提供了一种控制方法，其特征在于，所述交流地电压与固定直流电平相连。

由本发明的控制电路及方法，消除了整个电路输出电压的失调电压分量。

附图说明

现在将详细参考附图描述本公开的实施例。现在将详细参考本公开的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本公开中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本公开说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本公开。

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1是常规的开关电容放大电路组成图；

图2是图1中两组模拟开关的工作时序图；

图3是图1所示电路的理想输出和实际输出对比图；

图4为本发明的一种消除失调误差的开关电容放大电路组成图；

图5是图4中控制开关S1～S6的控制信号图；

图6是传统开关电容放大电路输入和输出信号关系图与本发明输入输出信号关系的对比图。

附图标记

10――开关电容模块

20――运算放大器

30――消除失调电压模块

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。

本发明的目的是在传统开关电容放大器的基础架构上增加了一些组件，从而实现消除电路输出电压的失调电压分量，具体请参见图4所示的本发明电路图。

该开关电容放大电路包括运算放大器20和开关电容模块10，其中的开关电路除图1中的第一组开关S1和第二组开关S2，以及开关采样电容Cap0和放大器反馈比例调节电容Cap1之外，在运算放大器20的同相输入端加入了消除失调电压模块30，下面详细介绍该电路组成。

该消除失调电压模块30包括三个控制开关S4～S6和一个耦合电容Cap2。

其中，控制开关S4一端连接运算放大器20的反相输入端，另一端通过耦合电容Cap2接入运算放大器的同相输入端。控制开关S5一端电性耦接在该耦合电容Cap2和控制开关S4的连接端，另一端与交流地电压AC_GND相连，控制开关S6一端连接运算放大器20的同相输入端，另一端也与交流地电压AC_GND相连。

图中标示的A节点位于运算放大器20的反相输入端，B节点位于其同相输入端，C节点位于开关S4、S5和耦合电容Cap2的共连接点。

其中各个控制开关S1～S6的控制信号如图5所示。

其中，控制开关S1,S4,S6由信号A控制，控制开关S5由信号B控制，控制开关S3由信号C控制，控制开关S2由信号D控制。

下面阐述一下本发明消除失调误差的开关电容放大电路具体的工作原理：

步骤一，控制开关S1、S3、S4和S6闭合，控制开关S2和S5断开。

自AC_IN端输入模拟小信号Vin被采集在采样电容Cap0上，运算放大器20输出和节点A连接，而其同相输入端节点B连接交流地端AC_GND。

这里设交流地端AC_GND接固定直流电平Vac_gnd。

此时，位于运算放大器20同相输入端的节点B的电压为Vac_gnd，运算放大器20的输出端连通节点A与节点C，其输出电压均为：

Vout＝Vac_gnd+Voffset (2)

如果放大器20保持这个直流状态的话，那么输出信号Vout就会处于上述公式(2)，即出现传统做法的直流电压偏差。

步骤二，控制开关S1、S4和S6断开，控制开关S3和S5闭合。

此时放大器的同相输入端对应节点B，与交流地电压断开，节点C与节点A断开，两节点并与AC_GND连通。

可以看出这时候节点C的电压从Vac_gnd+Voffset跳变到Vac_gnd。因为这时节点B仅与耦合电容Cap2的另一端相连接，根据跨界电容电压耦合的原理，当节点C发生电压从Vac_gnd+Voffest到Vac_gnd的一个Voffset量的跳变时，节点B也会发生一个负Voffset的跳变，此时节点B的电压由Vac_gnd跳变到Vac_gnd–Voffset，由于运算放大器20在此工作点上要保持一个固定的失调电压Voffset，即此时的运算放大器20的输出端与反相输入端的电压会和同相输入端之间的电压保持一个电压差，差值为Voffset。

步骤a，运算放大器20的反相输入端，即节点A的电压为：

Va＝Vac_gnd+Voffset (3)

此时运算放大器20的同相输入端，即节点B的电压为Vac_gnd，这样，节点A和节点B的电压差为：

Vac_gnd+Voffset-Vac_gnd＝Voffset (4)

步骤b，节点B的电压为：

Vb＝Vac_gnd-Voffset (5)

而节点A和B之间的电压差仍要维持在Voffset上，这里设节点A电压为Va,则：

Va-(Vac_gnd-Voffset)＝Voffset (6)

节点A的电压：

Va＝Vac_gnd (7)

由于在此过程中，控制开关S3仍处于闭合状态，放大器20的输出和节点A的变化保持一致，由Vac_gnd+Voffset变为：

Vout＝Vac_gnd (8)

此时放大器的直流工作点就建立在Vac_gnd上。

步骤c，控制开关S2闭合，其余开关全部处于断开状态，输入信号由采样电容cap0通过控制开关S2送至运放的输入节点A时，信号自然就叠加在Vac_gnd上，而输出的电压也是基于Vac_gnd上了。

这样一来，就消除了小信号经过放大器后由失调误差引起的直流工作点变化的问题。

图6是传统开关电容放大电路输入和输出信号关系图与本发明输入输出信号关系的对比图。

从该对比上可以看出，图6中A’为传统的开关放大电路的输入输出信号，可以看出其输出电压Vout与输入信号Vin不在同一个直流工作点上，Vin是基于Vac_gnd为直流工作点的，而Vout是基于Vac_gnd+Voffset为直流工作点的Vout和Vin之间存在一个Voffet的直电压偏差。

图6中B’则为本发明架构下的输入输出信号示意图，可以看出输入Vin和输出信号Vout都是基于Vac_gnd为直流工作点的。Vin和Vout之间没有任何直流偏差，由此通过该控制电路及方法，消除了整个电路输出电压的失调电压分量。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

虽然本申请已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申请，在没有脱离本申请精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本申请的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (5)

1.一种消除失调误差的开关电容放大电路，包括运算放大器和开关电容模块，其特征在于，所述电路还包括：

消除失调电压模块，设置在所述运算放大器的同相输入端，包括若干控制开关和耦合电容，所述控制开关由不同时序控制信号进行控制，以消除失调误差。

2.根据权利要求1所述的消除失调误差的开关电容放大电路，其特征在于，所述开关电容模块包括：

第一、第二、第三控制开关，开关采样电容和反馈比例调节电容；

其中，第三控制开关和反馈比例调节电容均连接在所述运算放大器的反相输入端和输出端之间，开关采样电容一端连接在第一、第二控制开关的连接端，另一端连接交流地电压。

3.根据权利要求2所述的消除失调误差的开关电容放大电路，其特征在于，

消除失调电压模块，包括第四、第五、第六控制开关；

其中，第四控制开关一端连接运算放大器的反相输入端，另一端通过耦合电容接入所述运算放大器的同相输入端；第五控制开关一端电性耦接于所述耦合电容和所述第四控制开关的连接端，另一端与交流地电压相连，第六控制开关一端连接运算放大器的同相输入端，另一端也与交流地电压相连；

其中，第一、第四、第六控制开关由第一信号控制，第五控制开关由第二信号控制，第三控制开关由第三信号控制，第二控制开关由第四信号控制，所述第一至第四信号的控制时序不同。

4.一种控制方法，应用权利要求3所述的消除失调误差的开关电容放大电路，其特征在于，

步骤一，第一、第三、第四和第六控制开关闭合，断开第二、第五控制开关；

步骤二，第一、第四、第六控制开关断开，第三、第五控制开关闭合；

步骤三，第二控制开关闭合，其余控制开关全部处于断开状态，输入信号由采样电容通过第二控制开关送至所述运算放大器的反相输入端时，信号自然就叠加在交流地电压上，所述运算放大器的输出电压基于所述交流地电压。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，

所述交流地电压与固定直流电平相连。

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