CN1658495A - 开关电容电路中用交流电源供电的放大器 - Google Patents

开关电容电路中用交流电源供电的放大器 Download PDF

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Abstract

开关电容电路中用交流电源供电的放大器，属于开关电容电路技术领域，其特征在于：它在传统的用直流电源供电的开关电容放大器中，在放大器的输入端并联一个采样时闭合、放大时打开的开关，又在放大器的输出端串连了一个采样时打开、放大时闭合的另一个开关，同时使放大器采用与放大相位时的放大时钟信号同步且两者脉冲宽度相等的交流电源信号作为电源输入，又保持交流电源在采样相位下处于低电平节能状态时与放大相位下处于正常工作状态时各自的状态转换时间尽可能小而且两者相等。由于它在电路处于采样阶段把能耗最大的电路元件即放大器关闭，因而相对于开关电容电路中用直流电源供电的放大器具有低功耗的优势。

Description

开关电容电路中用交流电源供电的放大器
技术领域
开关电容电路中用交流电源供电的放大器直接应用的技术领域是采用开关电容电路技术的低功耗模拟电路和混和信号电路设计。所提出电路是一种用于设计低功耗模拟和混和信号电路的基本开关电容电路单元。
背景技术
随着集成电路制造工艺的进步，集成电路的规模和设计复杂性日益增大，集成电路的功耗和散热问题也越来越得到重视。特别是在目前集成电路SOC(System-On-a-Chip)设计思路下和基于可重用IP核(Reusable Intellectual Property Cores)设计风格中，越来越多的模拟电路模块与数字电路模块集成到同一个系统中，并且模拟电路模块的功耗占整个SOC系统功耗的比例不断增大(见文献Akira Matsuzawa，“Low-Voltage and Low-Power Circuit Design for MixedAnalog/Digital Systems in Portable Equipment”，IEEE Journal of Solid-State Circuits，Vol29，pp.470-480，1994.)。对于数字电路模块，降低电路的工作电源电压是很有效降低电路功耗的方法，但是这一方法对于模拟电路模块反而会使模拟电路的信噪比(SNR：Signal-to-NoiseRatio)等电路性能恶化。目前，对于降低数字电路模块和模拟电路模块的功耗，还没有一种统一的低功耗设计方法；对于模拟电路模块而言，充分利用各种模拟电路单元的工作特点，同样可以在很大程度上降低电路的功耗。
开关电容电路(SC：Switched-Capacitor Circuit)是一种广泛应用于数字/模拟转换器，模拟/数字转换器和滤波器设计的电路单元。降低开关电容电路的功耗可以极大的降低整个SOC系统的功耗。传统的设计方法着眼于同时优化开关电容电路中的运算跨导放大器(OTA：Operational Tansconductance Amplifier)的功耗和闭环的建立特性(见文献Silveira，F.andFlandre，D，“Operational Amplifier Power Optimization for a Given Total(Slewing plus Linear)Settling Time”in Proc.15th Symposium on Integrated Circuits and Systems Design，Pages.247-253Sept.9-14 2002.)。采用双采样技术可以在不影响电路建立特性的前提下把开关电容电路的采样时钟频率提高一倍(见文献Paul J.Hurst，“Double Sampling In Switched-CapacitorDelta-Sigma A/D Converters”in Proc.IEEE International Symposium on Circuits and Systems，New Orleans，LA USA，pp.902-905，May.1-3，1990.)。文献(P.S.Cusinato，F.Baschirotto，A.，“Reducing the power consumption in high-speed/spl Sigma//spl Delta/bandpass modulators”，IEEE Transactions on Circuits and Systems II：Analog and Digital Signal Processing，Vol.48，pp.952-960，2001.)根据开关电容电路工作的时钟相位，结合自适应偏置技术降低电路功耗。开关运放技术采用具有开/关两个状态的放大器取代MOSFET开关电路，非常适合低电源电压工作，进而具有较小的电路功耗(见文献A.Baschirotto and R.Castello，“A 1V CMOSfully-differential switched-opamp bandpass simga-delta modulator”in Proc.23rd EuropeanSolid-State Circuits Conference，Southampton，UK，Sept.16-18，1997.)。
基本的开关电容电路单元包括开关电容放大器(Switched-Capacitor Amplifier)和开关电容积分器(Switched-Capacitor Integrator)(见文献Behzad Razavi，Design of Analog CMOSIntegrated Circuits.NY：McGraw-Hill Inc.，2001.)。以下电路分析将主要对采用直流电源(DCP：Direct-Current Power)供电的开关电容放大器电路(DCPSC放大器)进行说明，如图1所示。其中电路中的MOSFET开关S1、S2和S3由双相不交叠时钟信号CK1和CK2控制，如图2所示，此双向不交叠时钟信号由电路外部周期为T的时钟信号CK经双相不交叠时钟信号产生电路产生。
DCPSC放大器直接采用传统的DCP电源供电，见图1，其工作原理可以简单的描述为：在电路采样相位(CK1)，MOSFET开关S1和S2闭合，开关S3打开，电路节点XDC和YDC电压由OTA放大器的负输入端点连接到“虚地”；在电路的放大相位(CK2)，MOSFET开关S3闭合，开关S1和S2打开，在电路采样阶段存储在电容C1上的电荷全部转移到电容C2。因此，输入信号Vin在电路的输出端被放大到原来的
Figure A20051001138100041
倍。
发明内容
本发明专利提出的采用交流电源(ACP：Alternative-Current Power)供电的开关电容电路技术，充分利用了开关电容电路工作时的特点，直接采用ACP电源给开关电容放大器(ACPSC放大器)供电，在电路结构和电路电路优化方法上区别于传统的DCPSC放大器。如图2所示，ACP电源信号与CK2信号同步，在开关电容电路处于采样相位(CK1)，OTA外部电容网络负载相对于放大相位(CK2)较小，所以ACP电源信号处于低电平节能状态(power OFF)；当电路进入放大相位，ACP电源信号相应的处于正常工作电平状态(power ON)。其中，为了保证可以取得和DCPSC放大器相同的建立特性，ACP电源处于正常工作电源的持续时间(tON)设定为与CK2时钟信号的脉冲宽度相同，以保证足够的电路建立时间(ts)；同时，ACP电源在低电平节能状态和正常工作电平状态转换时存在状态转换时间，TR和TF，在我们的分析中，假设TR＝TF。
如果直接采用ACP电源对DCPSC放大器供电，则当ACP电源处于低电平节能状态时，由于OTA电路不能正常工作，导致节点XDC的电压不能由OTA负输入引脚连接到“虚地”，造成电路工作异常。本发明提出的ACPSC放大器电路如图3(a)所示，相对与图1中的DCPSC放大器电路，为了把电容网络和采用ACP供电并处于节能状态OTA隔离开，电路增加了两个MOSFET开关SI1和SI2。在采样相位(CK1)，ACP电源信号处于低电平节能状态，开关S1和S2闭合，开关S3打开。同时开关SI1闭合，节点XAC被直接连接到电路的地线端；开关SI2打开，保证放大器的输出电压Vout不会受到处于节能状态的OTA输出端点的影响。ACPSC放大器处于采样相位的等效电路如图3(b)所示，在这个阶段存储在电容C1上的电荷为，
Figure A20051001138100042
ACPSC放大器处于放大相位(CK2)的等效电路如图3(c)所示，这与DCPSC放大器处于放大相位的等效电路相同。此时，开关SI2闭合，同时开关SI1打开，ACP电源信号处于正常工作电平状态，电路节点XAC的电压由处于正常工作状态的OTA负输入端点连接到电路的“虚地”。在此过程中，从电容C1转移到电容C2上的电荷为，
因此可以得到与DCPSC放大器相同的电压增益，
A ACPSC = C 1 C 2 - - - ( 3 )
本发明的特征在于：它含有：
开关S1，它的一端与Vin端相连，Vin端为采样或放大信号输入端；
开关S3，它的一端与上述开关S1的另一端相连，上述开关S3的另一端接地；
电容C1，它的一端与上述开关S1的另一端相连；放大器，用OTA表示，它的用XAC表示的负输入端与上述电容C1的另一端相连，正输入端接地，电源端输入ACP即交流电源信号，该信号与用CK2表示的放大时钟信号同步且两者脉宽相等；
设TR、TF分别为在采样相位下交流电源处于低电平节能状态时与在放大相位下交流电源处于正常工作状态时的状态转换时间，且TR＝TF；
开关SI2，它的一端接上述放大器的输出端，上述开关SI2的另一端是用YAC表示的放大信号输出端，Vout时输出信号；
电容C2，它的两端分别与上述放大器的负输入端以及放大信号输出端相连；
开关S2，它与上述电容C2并联；
开关SI1，它并联于上述放大器的输入端；
在采样时，开关S1、S2、SI1闭合，开关S3，SI2打开；
在采样时，开关S1、S2、SI1打开，开关S3，SI2闭合。
通过以上的电路分析，可以发现ACPSC放大器可以实现和DCPSC放大器相同的电路功能，同时由于ACPSC放大器在电路处于采样阶段把能耗最大的电路元件OTA的电源关闭，使得ACPSC放大器相对于DCPSC放大器有很大的功耗优势。如果ACP电源的状态转换时间TR足够短，那么采用ACPSC电路技术后可以取得的最大的节能效率表示为，
本发明的有益效果是：与已有DCPSC放大器电路技术比较，本发明可以在取得相同建立特性的前提下，ACPSC放大器电路功耗的降低高达40％。同时电路实现比较简单。与其他低功耗开关电容电路设计方法比较，本发明提出的ACPSC电路技术存在与数字电路低功耗设计方法相协调，形成统一的SOC低功耗电路设计方法的潜力。
附图说明
图1.采用直流电源(DCP)供电的开关电容放大器电路图；
图2.双相不交叠时钟信号CK1，CK2和ACP电源时序图：
a时钟信号CK1，
b时钟信号CK2，
c交流电源信号ACP；
图3.ACPSC放大器电路结构图：
a电路图和隔离开关SI1和SI2，
b采样相位等效电路，
c放大相位等效电路；
图4.ACPSC放大器电路瞬态输入输出波形图：
aVin和Vout波形，
b一次完整的信号转换波形；
图5.ACPSC放大器和DCPSC放大器瞬态电源电流Idd波形的比较图；
图6.不同建立精度条件下ACPSC放大器归一化建立时间
与ACP信号归一化转换时间TR/F关系图。
具体实施方式
ACPSC电路技术采用交流电源ACP供电，ACP电源与双相不交叠时钟信号CK1，CK2配合。当ACPSC电路工作在采样相位(CK1)，ACP电源进入低电平节能状态，使耗能器件OTA进入低功耗状态，达到减小能量消耗的目标；当ACPSC电路工作在信号处理相位(CK2，放大相位)，ACP电源进入正常工作电平状态，OTA开始正常工作，进行信号处理。ACP电源进行状态转换需要时间为TR。采用ACPSC电路技术设计开关电容电路，在电路结构上需要增加隔离开关。这些开关的作用是保证当电路工作在采样相位时，能够把电路节点XAC的电压确定在“虚地”，同时保证处于低功耗状态的OTA输出不影响输出电路节点YAC的电平。从而保证了ACPSC电路技术满足电荷守恒定律，可以实现和DCPSC电路技术相同的电路功能。
为了比较ACPSC电路技术相对于DCPSC电路技术的节能效果，我们采用CSMC 5-V0.6μm工艺，使用电路仿真工具HSPICE对两种电路结构进行了仿真比较分析。我们仍然主要以ACPSC放大器和DCPSC放大器为例，最后也给出了对ACPSC积分器和DCPSC积分器的功耗的仿真结果。在电路仿真中，OTA电路采用折叠共源—共栅(folded cascode)结构，输入信号Vin是峰峰值为1V，频率为20KHz的正弦信号。外部参考时钟信号是占空比为50％，频率为200KHz的方波信号，用于产生同频率的双相不交叠时钟信号CK1和CK2。ACP电源信号是频率为200KHz梯形波信号，其中状态转换时间TR为0.25μs。所有仿真电路的输出负载电容为10pF。
ACPSC放大器的瞬态仿真输出波形如图4(a)所示。图4(b)所示是ACPSC放大器一次完整的信号转换波形。从电路仿真波形可以很明显的看到，ACPSC放大器可以很好的满足开关电容电路放大器时序的要求。
图5所示为ACPSC放大器和DCPSC放大器瞬态电源电流Idd波形的比较。当ACP电源处于低电平节能状态时，ACPSC放大器的电源电流i(ACP)远小于DCPSC放大器电源电流i(DCP)。当ACP电源从低电平状态开始向高电平状态转换时，i(ACP)开始增大，并在放大相位时钟信号CK2的上升沿到来前建立到与i(DCP)相当接近的数值。保证了ACPSC放大器在满足电路建立特性的前提下具有相对于DCPSC放大器较小的功耗。
ACPSC放大器和DCPSC放大器瞬态仿真平均功耗结果如表1所示，对应的积分器电路的仿真结果同样在表1中比较。
表1  ACPSC放大器电路和DCPSC放大器电路瞬态仿真平均功耗比较
  DCPSC(mW)   ACPSC(mW) 功耗节省比例(％)
    仿真结果     12.26     7.74     36.9
在公式(4)中，我们假设TR足够小。但是TR的取值对电路的建立特性有很大的影响。因为TR越小，虽然可以节省更多的能量，但是需要更多的时间裕量保证OTA电路满足特定的建立精度要求。所以在采用ACPSC电路技术设计低功耗开关电容电路单元时，存在对电路节能效果和建立特性折中考虑的问题，如图6所示。图6中，在不同建立精度条件下所有的建立时间都是被相同条件下DCPSC放大器建立时间归一化后的结果，图示中的横坐标为ACP电源信号归一化转换时间TR/T。

Claims (1)

1.开关电容电路中用交流电源供电的放大器，其特征在于，它含有：
开关S1，它的一端与Vin端相连，Vin端为采样或放大信号输入端；
开关S3，它的一端与上述开关S1的另一端相连，上述开关S3的另一端接地；
电容C1，它的一端与上述开关S1的另一端相连；
放大器，用OTA表示，它的用XAC表示的负输入端与上述电容C1的另一端相连，正输入端接地，电源端输入ACP即交流电源信号，该信号与用CK2表示的放大时钟信号同步且两者脉宽相等；设TR、TF分别为在采样相位下交流电源处于低电平节能状态时与在放大相位下交流电源处于正常工作状态时的状态转换时间，且TR＝TF；
开关SI2，它的一端接上述放大器的输出端，上述开关SI2的另一端是用YAC表示的放大信号输出端，Vout是输出信号；
电容C2，它的两端分别与上述放大器的负输入端以及放大信号输出端相连；
开关S2，它与上述电容C2并联；
开关SI1，它并联于上述放大器的输入端；
在采样时，开关S1、S2、SI1闭合，开关S3，SI2打开；
在采样时，开关S1、S2、SI1打开，开关S3，SI2闭合。
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