TW201234770A - Switched-capacitance gain amplifier with improved input impedance - Google Patents

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201234770 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用於一切換式電容增益放大器之一電路， 例如具有改良輸入阻抗之一可程式化增益放大器（PGA)。 本申請案主張在2010年12月22日提出申請且標題為 「SWITCHED-CAPACITANCE PGA WITH IMPROVED INPUT IMPEDANCE」之美國臨時申請案第61/426,196號 之權益，該申請案全文併入本文中。 【先前技術】 增益放大器通常形成一切換式類比轉數位轉換器（ADC) 之一輸入級。圖4展示此一增益放大器400之一實例。將一 差動輸入信號VinP、VinM經由一切換式電容器網路饋送 至一差動放大器440。該切換式電容器網路包括兩個電容 器410a、410b，其藉助於開關402及404在差動放大器440 之輸入信號路徑中切換。電容器410a之一第一端子透過開 關402a及404a與非反相或反相輸入信號VinP、VinM耦合。 類似地，電容器410b之第一端子經由開關402b或404b與非 反相或反相輸入信號VinP、VinM耦合。開關402a及404b由 時鐘信號Φ控制且開關404a及402b由反相時鐘信號#〇控 制。電容器410a及410b之第二端子分別與差動放大器440 之非反相及反相輸入直接耦合。差動放大器440包括一差 動輸出及在非反相及反相信號路徑中之回饋電容器430a、 430b。為避免差動放大器440對其輸入處之所有信號求積 分，開關450a及450b經控制以重設差動放大器440。因此 161024.doc 201234770 圖4展示一典型的習用電路，其中為在放大器440之輸出處 具有一接通相位，開關45Oa/b正以相位Φ切換。 在Φ係接通時（相位Φ)，重設該放大器且將電容器410a自 \^111^切換至^^11?，同時電容器41013自¥〗111)切換至'\^111^。 相位#Φ與Φ之間的電容器410a上之電荷改變則係 AQIN(410a)=CIN(VinP-VinM)。#Φ與 Φ之間的電容器 410b 上之電荷改變則係AQIN (410b)=CIN(VinM - VinP)。相位 #0與<1>之間的電容器410a、410b上所儲存之差動電荷差則 係·‘ △QIN(#<E>，Φ)=Δ(^ΙΝ (410a)-AQIN(410b)=2 CIN(VinP-VinM)。 圖5展示相關聯之切換控制信號Φ及輸出電壓〇P-〇M。 類比放大器輸出信號OP-OM在〇與2CIN/CFB(VinP-VinM)之 間雙態切換。將電荷差與一增益Ι/Cfb—起傳遞至運 算放大器之輸出電壓。此演算法之問題係，於此情形中， 在相位Φ與# Φ兩者期間皆自輸入提取電荷而僅將電荷傳遞 一次（在#Φ期間）。在一循環（φ相位然後相位）期間平均 化之差動輸入阻抗等於： ZIN diff=l/f*所傳遞之輸出電壓/(AQin (Φ(#Φ，Φ)) 其中f係整個循環（Φ相位然後#Φ相位）之頻率。因此’ ZlN diff=l/(2f*CIN)。輸入阻抗僅取決於c〖n及循環之頻率f。 此低輸入阻抗（在切換式電容型ADC(如Σ·Δ ADC)中’其 係典型的）由以下事實造成：該輸入係經來回切換以對輸 入信號取樣之一電容°問題在於’在低雜訊ADC中’雜訊 (尤其是熱雜訊）亦與電容成反比（熱雜訊係kT/ClN之一倍 161024.doc 201234770 數’其中τ為絕對溫度）。因此’在電容較小之情況下，輸 入阻抗較佳，但雜訊較大。 因此，需要一種具有一改良輸入電容之切換式電容增益 放大器。 【發明内容】 根據各種實施例，一切換式電容增益放大器輸入電路之 輸入阻抗經改良以連接至高源阻抗感測器。此改良需要藉 助與標準切換式電容增益放大器解決方案相同之增益及相 同之雜訊基準來實現。 改良輸入阻抗同時不使雜訊降級在ADC取捨方案中係重 要的，且准許與在ADC之前端中幾乎不具有作用輸入電路 之新範圍的感測器介接，並使該應用之總成本稍微降低。 根據一實施例，一增益放大器可包括：一差動放大器， 其包括回饋電容器；一切換式輸入級，其具有與該差動放 大器耦合之一第一輸出及第二輸出，且包括：第一電容器 及第二電容器；一第一輸入，其接收一差動輸入信號之一 第一信號，一第二輸入，其接收該差動輸入信號之一第二 k號，第一複數個開關，其由一第一時鐘信號控制以使第 一電容器之第一端子分別與該第一輸入或該第二輸入連 接’及使第一電容器之第一端子分別與該第二輸入及該第 一輸入連接；及第二複數個開關，其由一相移時鐘信號 控制以使該電容器之第二端子與該差動放大器之一第 一輸入或第二輸入連接及使該第二電容器之第二端子與該 差動放大器之第二輪入或第一輸入連接。 161024.doc • 6 · 201234770 根據一進一步實施例，相移信號可係移位1Λ週期之時鐘 仏號。根據一進一步實施例，第一複數個開關可包括一 第一開關’其耦合於該第一輸入與第一電容器之第一端子 之間；一第二開關’其耦合於該第二輸入與第一電容器之 第一端子之間；一第三開關，其耦合於該第一輪入與第二 電容器之第一端子之間；一第四開關，其耦合於該第二輸 :與第二電容器之第一端子之間；其中該第一開關及該第 二開關由時鐘信號控制且該第二開關及該第四開關由一反 相時鐘信號控制。根據一進一步實施例，第二複數個開關 可包括：一第五開關，其耦合於第一電容器之第二端子與 差動放大器之第一輸入之間；一第六開關，其耦合於第二 電容器之第二端子與差動放大器之第一輸入之間；一第七 開關，《柄合於第一電容器《第二端子與差動放大器之第 二輸入之間；一第八開關，其耦合於第二電容器之第二端 子與差動放大器之第二輸入之間；其中該第五開關及該第 八開關由相移時鐘信號控制且該第六開關及該第七開關由 一反相相移信號控制。根據一進一步實施例，差動放大器 可藉助於-第1饋電容器及第二回饋電容器來對輸入信 號求積分。根據一進一步實施例，增益放大器可進一步包 括第一重設開關及第二重設開_，其並聯耗合至一第一回 饋電容器及第二回饋電容m控制信號控制。根據一 進一步實施例，該控制信號可具有兩倍於時鐘信號之頻率 的頻率。根據-進―步實施例，該控制信號可由與時鐘信 號及移位時鐘信號耗合之—互斥或間產生。根據一進 161024.doc 201234770 實施例，增益放大器可進一步包括每一回镇環路中之至少 一個可切換回饋網路，其可並聯切換至該回饋電容器以控 制該增益放大器之增益。根據一進一步實施例，該可切換 回饋網路可包括第一耦合開關及第二耦合開關，其連接至 一另一回饋電容器且操作以使該另一電容器與一回饋電容 器並聯耦合。根據一進一步實施例，該可切換回饋網路可 包括一重設開關，其使該另一回饋電容器與一共模電壓耦 合。根據一進一步實施例’該増益放大器可進一步包括一 第三電容器及第四電容器，其中該第一複數個開關由該第 一時鐘信號控制以使該第一電容器及該第三電容器之第一 端子分別與該第一輸入及該第二輸入連接，同時使第二電 谷器及第四電容器之第一端子短路，或使該第二電容器及 第四電容器之第一端子分別與該第一輸入及該第二輸入連 接，同時使該第一電容器及該第三電容器之第一端子短 路，且其中該第二複數個開關由該相移時鐘信號控制以, M —電容器及該第三電容器之第二端子與該差動放大 之一第-輸人連接’同時使該第二電容器及該第四電容 ::二端子與該差動放大器之第二輸入連接或使該第一 今态及該第二電容器之第二端子與該差動放大器之一第 輸連接|gj時使該第二電容器及該第四電容器之第二 子與該差動放大器之第一輸入連接。根據一進一” =第—複數個開關可包括：-第-開關，其輕合於 叙人… 之第-知子之間；-第二開關， 耗曰於該第二輸人與第三電容器之第—端子之間；一第 161024.doc 201234770 開關，其麵合於該第一及第三電容器之第一端子之間；一 第四開關’其耦合於該第一輸入與第四電容器之第一端子 之間；一第五開關，其耦合於該第二輸入與第二電容器之 第端子之間，一第六開關，其耦合於該第二電容器及該 第四電谷器之第-端子之間；其中該第-開關、該第二開 關及該第六開關由該時鐘信號控制且該第三開關、該第四 開關及該第五開關由一反相時鐘信號控制。根據一進一步 實施例’該帛二複數個開關可包括一帛七關，其麵 合於該第一電容器及該第三電容器之第二端子與該差動放 大之第輸入之間；一第八開關，其麵合於該第二電容 器及該第四電容器之第二端子與該差動放大器之第一輸入 之間’一第九開關’其耦合於該第一電容器及該第三電容 器之第二端子與該差動放大器之第二輸入之間；一第十開 關’其輕合於該第二電容器及該第四電容器之第二端子與 該差動放大器之第二輸入之間；其中該第七開關及該第十 開關由該相移時鐘信號控制且該第八開關及該第九開關由 一反相相移信號控制。根據一進一步實施例，該增益放大 器可進一步包括：一第三輸入，其接收一共模電壓；及第 二複數個開關’其操作以使該第一電容器、該第二電容 器、該第三電容器及該第四電容器之第一端子個別地與該 共模電壓連接。根據一進一步實施例，該共模電壓可係接 地的。根據一進一步實施例，該增益放大器可進一步包括 第一重設開關及第二重設開關，其並聯耦合至一第一回饋 電容器及第二回饋電容器。根據一進一步實施例，該增益 161024.doc 201234770 放大器可進一步包括每一回饋環路中之至少一個可切換回 饋網路，其可並聯切換至該回饋電容器以控制該增益放大 器之增益。根據-進-步實施例，該可切換回饋網路可包 括第-耦合開關及第二耦合開關，其連接至一另一回饋電 谷益且操作以使該另^一雷交55饱 ^ 乃冤合态與一回饋電容器並聯耦合。 根據-進-步實施例，該可切換回饋網路可包括一重設開 關，其使該另一回饋電容器與一共模電壓耦合。 又歼 根據另-實施例，一種用於藉助包括回饋電容器之一差 動放大器來操作-增益放大器之方法可包括·相依於一時 鐘信號來切換-第-電容器之—第―端子以與—第一輸入 或第二輸入連接’及切換一第二電容器之一第一端子以與 -第二輸人或第-輸人連接；及根據—相移時鐘信號來^ 換該第一電容器及該篦-雷交·奖, 裔次这弟一電谷裔之第二端子以連接至該差 動放大器之一第一輸入或第二輸入。 根據該方法之-進-步實施例，該相移信號係移位該時 鐘仏號之％週期之該時鐘信號。根據該方法之一進一步實 施例’該差動放大器可包括回饋電容器且經控制以對該等 輸入信號求積分。根據該方法之一進一步實施例，該差動 放大器可包括回饋電容器及藉助一控制信號控制以使該等 回饋電容器短路之並聯重設開關。根據該方法之一進一步 實施例，該控制信號可具有兩倍於時鐘信號之頻率的頻 率。根據該方法之一進一步實施例，可藉由該時鐘信號及 該移位時鐘信號之一互斥或來產生該控制信號。根據該方 法之一進一步實施例，該方法可進一步包括使該第一電容 161024.doc •10· 201234770 器、該第二電容器中之至少一者之第一端子與一共模電壓 連接以界定一重設狀態。根據該方法之一進一步實施例， 該共模電壓可係接地的。根據該方法之一進一步實施例， 該方法可進-步包括將至少一個可切換回饋網路並聯切換 至該回饋電容器以控制該增益放大器之增益。根據該方法 之一進一步實施例，該可切換回饋網路可包括第一耦合開 關及第二搞合開關，其連接至—另__回饋電容器且操作以 使該另-電容器與-回饋電容器並聯耦合。根據該方法之 -進-步實施例，該方法可進一步包括使該另一回饋電容 器與-共模_合以界定一重設狀態，該方法之一 進-步實施例’第三電容器及第四電容器係提供用於取 樣’且該方法可進-步包括：在該時鐘信號在一第一狀態 下時切換該第-電容器及該第三電容器之第—端子以㈣ 與該第-輸人及該第二輸人連接，同時使該第二電容器及 該第四電容器ϋ子短路’及在該時鐘信號在一第二 狀態下時切換該第二電容器及該第四電容器之第一端子以 分別與該第二輸人及該第1人連接，同時使該第一電容 器及該第三電容器之第-端子短路；在該相移時鐘信號在 -第-狀態下時切換該第一電容器及該第四電容器之第二 端子以連接至該差動放大器之第—輸人及㈣該第二電: 器及該第三電容器之第二端子以連接至該差動放大器之第 二輸入’及在該相移時鐘信號在—第二狀態下時切換該第 :電容器及該第四電容器之第二端子以連接至該差動放大 益之第二輸入及切換該第二電容器及該第三電容器之第二 161024.doc -11- 201234770 端子以連接至該差動放大器之第一輸入。根據該方法之一 進一步實施例’該第一電容器及該第三電容器之第一端子 之切換可由下列各項執行：一第一開關’其耦合於該第一 輸入與第一電容器之第一端子之間；及一第二開關，其耦 合於該第二輸入與第三電容器之第一端子之間；該第二電 谷益及該第四電容器之短路係由一第三開關執行，該第三 開關耦合於該第二電容器及該第四電容器之第一端子之 間，該第二電容器及該第四電容器之第一端子之切換係由 下列各項執行：一第四開關，其耦合於該第一輸入與第二 電容器之第一端子之間；一第五開關，其耦合於該第二輸 第四電谷器之第一端子之間；及該第一電容器及該第 二電各器之短路係由一第六開關執行，該第六開關耦合於 該第—電容器及該第三電容器之第一端子之間。根據該方 法之一進一步實施例，該第一開關、該第二開關及該第六 開關可由該時鐘信號控制，且該第三開關、該第四開關及 該第五開關係由一反相時鐘信號控制。根據該方法之一進 -步實施例，切換該第一電容器及該第四電容器之第二端 :可由下列各項執行：一第七開關其耦合於該第一電容 器及該第四電容器之第二端子與該差動放大器之第一輸入 —門，及一第八開關，其耦合於該第一電容器及該第四電 :器之第一端子與該差動放大器之第二輸入之間；及切換 該第二電容n及該第三電容器之第二端子可由下列各項執 灯 第九開關，其耦合於該第二電容器及該第三電容器 第鳊子與該差動放大器之第一輪入之間；一第十開 161024.doc -12- 201234770 關，其耦合於該第二電容器及該第三電 电令态之第二端子與 該差動放大器之第二輸入之間；其中 、 τ通弟七開關及該第九 開關由該相移時鐘信號控制，且該第人開關及該第十開關 由一反相相移信號控制。根據該方法 幵 疋步實施例， 該方法可進一步包括：使該第一電容器、該第二電容器、 該第三電容器及該第四電容器中之至少—者之第一端=與 一共模電壓連接以界定一重設狀態。根據該方法之一進一 步實施例，該共模電壓可係接地的。根據該方法之一進一 步實施例，該差動放大器可包括回饋電容器及藉助一控制 信號控制以使該等回饋電容器短路之並聯重設開關。根據 該方法之一進一步實施例，該控制信號可具有兩倍於時鐘 信號之頻率的頻率。根據該方法之一進一步實施例，可藉 由該時鐘信號與該移位時鐘信號之一互斥或來產生該控制 信號。根據該方法之一進一步實施例，該方法可進一步包 括將至少一個可切換回饋網路並聯切換至一回饋電容器以 控制該增益放大器之增益。根據該方法之一進一步實施 例，該可切換回饋網路可包括第一耦合開關及第二耦合開 關，其連接至另一回饋電容器且操作以使該另一電容器與 一回饋電谷器並聯轉合。根據該方法之一進一步實施例， 該方法可進一步包括使該另一回饋電容器與一共模電壓耦 合以界定一重設狀態。 根據再一實施例，一 Σ-Δ類比轉數位轉換器可包括一增 益放大器’該增益放大器包括：一差動放大器，其包括回 饋電容器，一切換式輸入級，其具有與該差動放大器耦合 161024.doc • 13· 201234770 之一第一輸出及第二輸出，且包括：一第一電容器 '第二 電容器、第三電容器及第四電容器，其中該第一電容器及 該第二電容器形成其中該第一電容器及該第二電容器之第 二端子連接之一第一组，且第三電容器及第四電容器形成 其中該第三電容器及該第四電容器之第二端子連接之一第 二組；一第一輸入，其接收一非反相輸入信號；一第二輪 入，其接收一反相輸入信號；第一複數個開關，其由—第 一時鐘信號控制以使該第一組電容器之第一端子分別與該 第輸入及該第一輸入連接，同時使該第二组電容器之第 一端子短路，或使該第二組電容器之第一端子分別與該第 一輸入及該第二輸入連接，同時使該第一組電容器之第一 端子短路n複數個開關n移料鐘信號控制 以使該第一組電容器之第二端子與該差動放大器之一第一 輸入連接，同時使該第二組電容器之第二端子與該差動放 大器之第二輸入連接或使該第一組電容器之第二端子與該 差動放大器之一第二輸入連接，同時使該第二組電容器2 第二端子與該差動放大器之第一輸入連接。 【實施方式】 根據各種實施例，輸入阻抗可基本上加倍或四倍，同時 在-切換式電容增益放大器中保持相同輸入類雜訊。此可 用於相依於輸人電容之大小而降低雜訊並保持相同輸入阻 抗或保持相同雜訊並具有較大輸入阻抗。 為改良-增益放大器之輸人阻抗’需要在傳遞相同差動 輸出電壓之同時減小輸入電流。根據各種實施例，可在傳 161024.doc 201234770 遞相同輸出電壓之同時使相位φ之輸入頻率可被除以2。 與一習用電路相比，藉由添加電容器與運算放大器之輸 入之間的開關及Φ/ΡΑ切換之減小頻率來使輸入阻抗加倍。 該阻抗之加倍係由在輸入處被減少一半之切換頻率造成。 根據各種實施例，可由於現在輸入處之所有傳遞皆具有 CiN*(VinP-VinM)而非 2*CIN*(VinP-VinM)之差動電荷差而 藉由在輸入側上添加2個電容及進一步之開關來使輸入阻 抗進一步加倍，因此與習用電路（如圖4中所展示）相比為四 倍。於此處，輸入阻抗之加倍係由於連接至輸入之電容上 之所有電荷傳遞皆在習用電路之電壓一半之間的事實。 圖1展示其中輸入阻抗加倍之一增益放大器之一第一實 例。而且，經由一切換式電容器網路將一差動輸入信號 VinP、VinM饋送至一差動放大器140。該切換式電容器網 路包括兩個電容器110a、ll〇b ’其藉助於開關1〇2、104、 120及122在差動放大器140之輸入信號路徑中切換。電容 器110a之一第一端子透過開關1〇2&及丨〇4a與非反相或反相 輸入信號VinP、VinM耦合。類似地，電容器uob之第一端 子經由開關l〇2b或104b與非反相或反相輸入信號vinP、 VinM耦合。開關i〇2a及102b由時鐘信號φ控制，且開關 l〇4a及l〇4b由反相時鐘信號#〇控制。電容器11〇3之第二端 子經由開關120a及122a與差動放大器140之非反相或反相 輸入耦合。開關120b及122b針對電容器11 〇b之第二端子執 行相同功能。差動放大器140包括一差動輸出及在非反相 及反相信號路徑中之一回饋電容器13〇a、130b。開關 161024.doc -15. 201234770 120a、120b由相位時鐘pa控制且開關122a、122b由反相相 位時鐘信號#PA控制。相位時鐘信號！>八通常與時鐘信號φ 一致但移位時鐘φ之週期之1/4。根據各種實施例，與如圖 4中所展示之其中存在自ClN至運算放大器"ο之輸入之一 直接連接之習用結構相比，開關120及122之添加為輸入阻 抗引起2倍之一增益。除此之外，此等開關12〇及122在運 算放大器140之輸入處引起一截斷演算法，在運算放大器 140之輸出被平均時引起一偏移消除。 如圖2中所展示’控制開關120及122之相位時鐘信號pa 與Φ相比移位％時鐘週期，以便輸出可在〇與 CIN/CFB_2(VinP-VinM)之間雙態切換。根據各種實施例， 如圖2中進一步展示，類比輸出信號〇p_〇M可依一 P1頻率 (其係Φ或P A之兩倍快）雙態切換而不必依p丨頻率切換輸 入。實務上，在φ(或#φ)中間雙態切換PA等效於再次將 CIN*(VinP-VinM)電荷取樣至輸入電容器中。然而，以此方 式對VinP-VinM取樣不消耗任何電荷（假設放大器輸入上零 偏移），乃因電容器上之電壓不改變。因此，在❿中間切換 PA會自輸入源保存取樣電荷。僅自輸入處消耗傳遞電荷 (等於取樣電荷）。因此，使輸入上之電流消耗除以2，引起 一加倍的輸入阻抗。 在圖2中，信號φ、PA&P1係數位邏輯切換信號，而〇p_ OM係由上升斜率及下降斜率指示之一類比輸出信號。如 可見’在輸入阻抗加倍之同時放'大器輸出〇p_〇M仍在〇與 2CIN/CFB(VinP-VinM)之間雙態切換。在一完全時鐘循環φ 161024.doc -16- 201234770 期間之有效平均差動輸入阻抗仍係：ZiNdiff=1/(2!((f*c川）， 其中f係號之時鐘頻率，其係符合邏輯的，乃因輸入切 換電路尚未改變且開g12〇a、】2〇b及i22a、122b之添加並 不改變輸入電容器U〇a、U〇b之第二端子之電壓（假設在 器140之輸入處不存在偏移電屋）。然而，由於在運算 放大器之輸出處之信號傳遞現在以兩倍於圖4之速率…時 釦k號之每次雙態切換一次）發生，因此可將信號①之頻率 除以2以保持與圖4相同的傳遞速率。因此，與標準切換相 此切換肩算法准許輸入阻抗之一加倍，其中僅添加4 個開關及必要邏輯以產生相位ΡΑ及ρ】。 根據進一步實施例，移除開關15〇a/b 除與改良之輸入阻抗之一積分器結構。此結構亦在偏每= 雙態切換時及因此以P1頻率在每一時鐘週期對 2*cIN/Cfb*(VinP_VinM)求積分。目此，熟習此項技術者將 瞭解’各種實施例並不限於可程式化增益放大器，而是任 何類型之切換式電容器電路。熟習此項技術者將注意到， 針對快速積分H應用，PA可與Φ同步。然而，偏移消除將 僅在於一完全時鐘週期_Μ平均化該輸出之情況下出 圖3展不一增益放大器之一第二實施例’其中輸入阻抗 ㈣4之情形相比為四倍β #代如圖ι中所展示之非反相及 反相輸^路徑中之—單個電容itUGa、11Gb，針對差動增 益放大器之每一輸入路徑提供兩個電容器m 3…及 mm於此實施财，電容器31Ga對應於電容器 161024.doc 201234770 110a，且電容器310b對應於電容器ii〇b。此外，開關 302a、302b、320a、320b及 322a、322b對應於開關 l〇2a、 102b' 120a、 120b及122a及122b 〇 除圖1之情形外，亦提供一第三電容器312a，其第二端 子與第一電谷Is310a之第一端子輕合。類似地，提供一第 四電容器312b ’其第二端子與電容器31〇b之第二端子耦 合。電谷l§312a之第一端子經由開關3〇4a與輸入VinM耗 合，且電容器312b之第一端子經由開關3〇4b與輸入VinP輕 合。此外，提供開關306，其耦合電容器3l〇a及3 l〇b之第 一端子。為此，相對於輸入信號流將開關3〇6配置於開關 302a、302b之後。類似地，提供開關3〇8以耦合電容器 312&及3121)之第一端子。此開關亦配置於開關3〇43、3〇415 後面。 開關302a、302b及308由時鐘信號φ控制，且開關3〇43、 3〇4b及306由反相時鐘信號#0控制。相位開關32〇a、32沘 及322a、322b之控制與圖i中所展示之電路一致。因此’ 圖2中所展示之信號亦適用於圖3。 另外，圖3展示另外的開關34〇a、34〇b及342a、342b， 其可提供對所展示之各種實施例並非必不可少之額外功 能。此等開關允許使電容器31〇a、31〇b&312a、31孔之第 端子與一參考電位VCM(例如，接地）耦合。開關 由#Φ控制。開關342_由①控制。此等開關亦可用於在電 路開啟電源時將-已知電位放置於電容器之左側上以便在 開始時不使此節點浮動。 161024.doc 201234770 圖3中亦展示分別對應於電容器13〇a、13〇b之回饋電容 器330a、330b。如上文提及，開關350a、350b如圖1中之 開關150a、150b起作用並為回饋電容器提供一放電路徑， 此亦並非各種實施例所必不可少。此等開關亦准許在開啟 電源時具有一固定電位。開關350a、350b由時鐘相位PI控 制。而且’圖3展示額外回饋電容器360a、36〇b且關聯藉 由虛線連接之開關370a ' 37〇b; 372a、372b;及374a、b。 多個此等電容器/開關組合可提供用於一可程式化增益放 大器（PGA)之增益程式化功能。根據各種實施例，類似修 改亦了適用於圖1中所展示之電路，即使此額外電路並未 在圖1中展示。根據進一步實施例，移除開關350a/b導致 亦組合偏移消除與改良之輸入阻抗之一積分器結構。此結 構亦依P1頻率在每一時鐘週期對2*CIN/Cfb*(VinP-VinM)求 積分。因此，熟習此項技術者將瞭解，各種實施例並不限 於可程式化增益放大器，而是包含諸如增益級積分級、 比較器級等諸多類型之切換式電容器電路。 藉助如圖3中所展示之結構，電容器3 l〇a及3 l〇b之第一 %子刀另j連接至輸入Vinp、VinM(在一啟用φ期間），或其 藉助於開關306被一起短路（在一啟用#φ期間）。類似地， 電容器U2a、U2b之第—端子分別連接至輸人VinM、

VinP(在啟用#φ期間）或經由開關3〇8被一起短路（在啟用❿ 期間）。 31〇a及31〇b之輸入端子之間的差動電壓自相位#φ中之〇 改變至相位Φ中之VinP_vinM ’㈣第二端子差動電壓總 161024.doc -19· 201234770 是零（連接至運算放大器320之輸入）。在啟用相位Φ時，相 位#<1>與Φ之間的電容器310a、3 10b上之差動電荷改變則等 於： △ QiN(310a，b)(#O，0)=CIN*(VinP-VinM)。 3 12a及3 12b之輸入端子之間的差動電壓自相位#φ中之 VinM-VinP改變至相位Φ中之0，同時第二端子差動電壓總 是零（連接至運算放大器320之輸入）。 相同計算適用於電容器312a、312b : △ QIN(312a，b)(#<D , 0)=CIN*(VinP-VinM)。 因此相位#0與Φ之間的總電荷改變等於： AQiNTotai (#Φ , 〇)=AQiN(310a,b)(#O , 0)+AQIN(3 12a,b) (#Φ，<D)=2*CIN*(VinP-VinM)。 類似地，該計算適用於相位〇與#φ之間的改變，且該計算 給出相反符號結果： ^QiNTotai (Φ , #〇)=AQin(3 10a,b)(〇 , #0)+AQIN(3 12a,b) (Φ，#0)=2*CIN*(VinM-VinP)。 於此處，所傳遞之總電荷等於圖1及圖4之情形。此展示 輸出電壓與先前情形具有相同振幅，此係此演算法之目 標。 針對輸入阻抗計算，圖3展示與圖1之情形相比之一改 良。在每一相位期間，僅電容3l〇a、31〇b之一半連接至輸 入VinP且僅電容312a、312b之一半連接至輸入vinM。此等 電容之另一半被一起短路且不消耗來自源之任何電流，乃 因其並非實體連接至VinM或VinP。 161024.doc 20· 201234770 則總差動輸入阻抗計算應僅計及自源消耗之電荷β在時 鐘巾之週期一半期間，在啟用φ時，僅電容器310a、31〇b 消耗來自輸入之電荷（因此在輸入阻抗之計算中僅儲存於 此等電容器上之電荷係重要的）。類似地，在另一相位 期間，僅電容器312a、312b消耗來自輸入之電荷。

ZiNdiff=2/f* 所傳遞的輸出電壓 /(△Qwp j 〇a，b)(#〇,〇))+2/f* 所傳遞的輸出電壓，其中f 係相位Φ之頻率。 此藉由§十算而展示輸入阻抗之一加倍，同時與圖1之情形 相比在運算放大器之輸出處呈現相同量之電壓。 根據各種實施例，藉助此技術，輸入阻抗可係加倍或四 倍，此有效地使輸入電流減少到一半或四分之一，同時輸 入電壓保持相1¾，具有極少額外負擔且同時保持相同信雜 比效用。額外可選之重設開關340a、340b及342a' 34孔可 經控制以將電容器連接至-共模電壓，以便在無儲存於電 容器上之電荷之情況下正確地啟動。相位開關32Ga、遍 及322a、322b之控制與圖1中所展示之電路中相同。如上 文提及，開關120a/b及122 a/b或320a/b及322 a/b亦在運算 放大器120/320之輸入處引起一截斷演算法，且因此在於 整數數目個Φ時鐘循環期間隨時間平均化該等輸出之情況 下導致一偏移消除。 / 進-步應注意，在所有上述說明中，僅闡述主要切換原 理(時序因此’可藉由在開關之間使用非重疊延遲規則 來進-步強化此原理。可在^背離中請專利範圍之範嘴之 I61024.doc •21· £ 201234770 情況下執行其他修改。熟習此項技術者將注意到，亦可透 過一可程式化cIN電容器在輸入區段中達成多個增益，或 具有在輸入處並聯連接之數個輸入區段並作為所期望增益 之函數來激活或停用。然而，輸入阻抗將取決於所選增 益。在需要一大增益範圍時，可程式化C1N及Cfb值兩者。 【圖式簡單說明】 圖1展示一改良之增益放大器之一第一實施例。 圖2展示與第一實施例相關聯之一切換方案。 圖3展示一改良之增益放大器之一第二實施例。 圖4展示一增益放大器之一習用實施方案。 圖5展示與圖4中所展示之習用實施方案相關聯之一切換 方案。 【主要元件符號說明】 100 增益放大器 102a 開關 102b 開關 104a 開關 104b 開關 110a 電容器 110b 電容器 120a 開關 120b 開關 122a 開關 122b 開關 161024.doc . 22 - 201234770 130a 回饋電容器 130b 回饋電容器 140 差動放大器 150a 開關 150b 開關 • 300 增益放大器 302a 開關 302b 開關 304a 開關 304b 開關 306 開關 308 開關 310a 電容器 310b 電容器 312a 電容器 312b 電容器 320 運算放大器 320a 開關 320b 開關 ' 322a 開關 322b 開關 330a 回饋電容器 330b 回饋電容器 340a 開關

S 161024.doc •23- 201234770 340b 開關 342a 開關 342b 開關 350a 開關 350b 開關 360a 回饋電容器 360b 回饋電容器 370a 開關 370b 開關 372a 開關 372b 開關 374a 開關 374b 開關 400 增益放大器 402a 開關 402b 開關 404a 開關 404b 開關 410a 電容器 410b 電容器 430a 回饋電容器 430b 回饋電容器 440 差動放大器 450a 開關 161024.doc •24 201234770 450b OP-OM VinP VinM Φ #Φ 開關 類比放大器輸出信號 差動輸入信號 差動輸入信號 時鐘信號 反相時鐘信號 161024.doc -25-

Claims (1)

1. 201234770 七、申請專利範圍： ι· 一種增益放大器，其包括： 一差動放大器’其包括回饋電容器； 一切換式輸入級’其具有與該差動放大器耦合之一第 一輸出及第二輸出’該切換式輸入級包括： . 第一電容器及第二電容器， 一第一輸入，其接收一差動輸入信號之一第一信 號； 一第二輸入，其接收該差動輸入信號之一第二信 號； 第一複數個開關’其由一第一時鐘信號控制以使該 第—電容器之第一端子分別與該第一輸入或該第二輸 入連接，及使該等第二電容器之第一端子分別與該第 二輸入及該第一輸入連接；及 第二複數個開關，其由一相移時鐘信號控制以使該 第電谷器之第二端子與該差動放大器之一第一輸入 或第二輸入連接，及使該第二電容器之第二端子與該 差動放大器之該第二輸入或該第一輸入連接。 2. 如明求項1之增益放大器，其中該相移信號係移位1/4週期 、 之時鐘信號。 3. 如請求们之增益放大器，其t該第一複數個開關包 括： 一第一開關，其耦合於該第一輸入與該第一電容器之 該第一端子之間； 161024.doc 201234770 -第二開關’其輕合於該第二輸入 該第一端子之間； 電合态之 :第=關，其輕合於該第一輪入與該第二電容器之 孩第一端子之間； 一第四開關，其耦合於該第二輸 該第-端子之間; 輸入與該第二電容器之 ::該第一開關及該第三開關係由該時鐘信號控制且 開關及該第四開關係由-反相時鐘信號控制。 4.如請求項3之增益放大器，其中該第二複數個開關包 括： -第五開關’其耦合於該第一電容器之該第二端子與 該差動放大器之該第一輸入之間； 一第六開關，其耦合於該第二電容器之該第二端子與 該差動放大器之該第一輸入之間； 、 一第七開關，其耦合於該第一電容器之該第二端子與 該差動放大器之該第二輸入之間； 一第八開關，其耦合於該第二電容器之該第二端子與 該差動放大器之該第二輸入之間； 其中該第五開關及該第八開關係由該相移時鐘信號控 制且該第六開關及該第七開關係由一反相相移信號控 制。 5·如請求項1之增益放大器，其中該差動放大器藉助於一 第一回饋電容器及第二回饋電容器來對該輸入信號求積 分。

   161024.doc 201234770 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 如凊求項1之增益放大器，其進一步包括第一重設開關 及第一重設開關，其並聯耦合至一第一回饋電容器及第 回饋電容器並由一控制信號控制。 如明求項6之增益放大器，其中該控制信號具有兩倍於 該時鐘信號之頻率的頻率。 如明求項7之增益放大器，其中該控制信號係由與該時 鐘信號及該移位時鐘信號耦合之-互斥或閘產生。 如明求項6之增益放大器，其進一步包括每一回饋環路 中之至少一個可切換回饋網路，其可並聯切換至該回饋 電谷器以控制該增益放大器之增益。 如β求項9之增益放大器，其中該可切換回饋網路包括 第耦合開關及第二耦合開關，其連接至一另一回饋電 谷器且可操作以並聯耦合該另一電容器與一回饋電容 器。 如哨求項10之增益放大器，纟中該可切換回饋網路包括 一重设開關，其耦合該另一回饋電容器與一共模電壓。 如請求項1之增益放大器，其進一步包括： 一第二電容器及第四電容器； 該第複數個開關係由該第一時鐘信號控制以使 該第-電容H及該第三電容器之該等第1子分別與該 第一輸入及該第二輸入連接，同時使該第二電容器及該 第四電容器之該等第—端子短路，或使該第二電容器及 該第四電容器之該等第一端子分別與該第—輸入及該第 二輸入連#’同時使該第-電容器及該第三電容器之該 S 16I024.doc 201234770 等第一端子短路；且 :令該第二複數個開關係由該相移時鐘信號控制以使 妨士。。 电今盗（这等第二端子與該差動 一第一輸入連接，同時使該第二電容器及該第 :電容器之該等第二端子與該差動放大器之該第二輸入 ::，或使該第一電容器及該第三電容器之該等第二端 差動放大器之-第：輸人連接，料使該第二電 ^及該第四電容器之該等第二端子與該差動放大器之 S亥第一輸入連接。 13 =請求項12之增益放大器，其中該第一複數個開關包 輸入與該第一電容器之 入與該第三電容器之 一第一開關’其耦合於該第一 該第一端子之間； 第二開關’其輕合於該第二 該第一端子之間； 第三開關’其耦合於該第一電容器及該第 之該等第一端子之間； 一第四開關，其耦合於該第一輪入與該第 該第一端子之間； 三電容器 四電容器 之 一第五開關，其耦合於該第 該第一端子之間； 一第六開關，其耦合於該第二電容 之該等第一端子之間； 輸入與該第二電容器之 器及該第四電容 器 其中該第一開關、該第二開關及該第六開關係由該時 161024.doc -4- S 201234770 鐘信號控制且該第三開關、該第四開關及該第五開關係 由一反相時鐘信號控制。 14.如請求項13之增益放大器，其中該第二複數個開關包 括： 一第七開關，其耦合於該第一電容器及該第三電容器 之該第二端子與該差動放大器之該第一輸入之間； 一第八開關，其耦合於該第二電容器及該第四電容器 之該第二端子與該差動放大器之該第一輸入之間； 一第九開關’其耦合於該第一電容器及該第三電容器 之該第二端子與該差動放大器之該第二輸入之間； 一第十開關’其耦合於該第二電容器及該第四電容器 之該第二端子與該差動放大器之該第二輸入之間； 其中該第七開關及該第十開關係由該相移時鐘信號控 制且該第八開關及該第九開關係由一反相相移信號控 制。 15.如吻求項12之增益放大器，其進一步包括一第三輸入， 其接收一共模電壓，及第三複數個開關，其可操作以使 該第-電容器、該第二電容器、該第三電容器及該第四 電谷益之該等第一端子個別地與該共模電壓連接。 如月求項12之增i放大器’其中該共模電壓係接地的。 17·如請求们之增益放大器，其進一步包括第—重設開關 及第二重設開關，其並聯耗合至一第一回饋電容器及第 二回饋電容器。 18.如請求項17之增益放大器 其進一步包括每一回饋環路 161024.doc 201234770 中之至少一個可切換回饋網路，其可並聯切換至該回饋 電容器以控制該增益放大器之增益。 19.如請求項18之增益放大器，其中該可切換回饋網路包括 第一耦合開關及第二耦合開關，其連接至一另一回饋電 谷器且可操作以並聯耗合該另一電容器與一回饋電容 器。 20_如喷求項19之增益放大器，其中該可切換回饋網路包括 一重設開關，其耦合該另一回饋電容器與一共模電壓。 21. —種用於藉助包括回饋電容器之一差動放大器來操作一 增益放大器之方法，其包括： 相依於一時鐘信號來切換一第一電容器之一第—端子 以與一第一輸入或第二輸入連接及切換一第二電容器之 一第一端子以與一第二輸入或第一輸入連接；及 根據一相移時鐘信號來切換該第一電容器及該第二電 容器之該等第二端子以連接至該差動放大器之一第一輸 入或第二輸入。 ’ 22. 如請求項21之方法，其中該相移信號係移位該時鐘信號 之％週期之該時鐘信號。 23·如凊求項21之方法，其中該差動放大器包括回饋電容器 且經控制以對該等輸入信號求積分。 24. 如請求項21之方法’其中該差動放大器包括回饋電容器 及藉助一控制信號控制以使該等回饋電容器短路之並聯 重設開關。 25. 如凊求項24之方法，其中該控制信號具有兩倍於該時鐘 161024.doc -6- S 201234770 信號之頻率的頻率。 >月求項25之方法，其中藉由該時鐘信號與該移位時鐘 佗號之一互斥或來產生該控制信號。 月求項21之方法，其進一步包括使該第一電容器該 第二電容器中之至少一者之該等第一端子與—共模電壓 連接以界定一重設狀態。 28. 如凊求項27之方法，其中該共模電壓係接地的。 29. 如請求項23之方法’其進一步包括將至少一個可切換回 饋網路並聯切換至該回饋電容器㈣制該增益放大器之 增益。 3 0.如研求項29之方法，其中該可切換回饋網路包括第一耦 合開關及第二耦合開關，其連接至一另一回饋電容器且 可操作以並聯耦合該另一電容器與一回饋電容器。 3 1,如晴求項30之方法，其中耦合該另一回饋電容器與一共 模電壓以界定一重設狀態。 32·如請求項21之方法，其中提供第三電容器及第四電容器 用於取樣，該方法進一步包括： 在該時鐘信號在一第一狀態下時切換該第一電容器及 該第三電容器之第一端子以分別與該第一輸入及該第二 輸入連接’同時使該第二電容器及該第四電容器之第— 端子短路’及在該時鐘信號在一第二狀態下時切換該第 二電容器及該第四電容器之第一端子以分別與該第二輸 入及該第一輸入連接，同時使該第一電容器及該第三電 容器之第一端子短路； 161024.doc 201234770 在該相移時鐘信號在一第一狀態下時切換該第一電容 器及該第四電容器之該第二端子以連接至該差動放大器 之該第一輸入且切換該第二電容器及該第三電容器之該 第一端子以連接至該差動放大器之該第二輸入，及在該 相移時鐘信號在一第二狀態下時切換該第一電容器及該 第四電容器之該第二端子以連接至該差動放大器之該第 一輸入且切換該第二電容器及該第三電容器之該第二端 子以連接至該差動放大器之該第一輸入。 33如奢求項32之方法，其中該第一電容器及該第三電容器 之該等第一端子之該切換係由下列項執行 第開關，其相合於該第一輸入與該 該第一端子之間；及 电合器之 :第關’其相合於該第二輸入與該第三 該第一端子之間； 〜 該第一電容器及該第雷 X弟四電奋k之該短路係由 一第三開關，其耦人 昇耦σ於該第二電容器及該 之該等第一端子之間； /弟四電谷器 該第二電容器及該第四電容器 換係由下列項執行 端子之該切 .一第四開關，其耦合於該第一 該第一端子之間； j 、〜第二電容器之 -第五開關’其耦合於該第二 該第一端子之間； 興该第四電容器之 且該第一電容器》兮楚一戒 該第二電容器之該短路係由下列項 161024.doc 201234770 執行 第、開關’其耦合於該第一電容器及該 之該等第一端子之間。 m益 34·Γ:=3之方法’其中該第一開關、該第二開關及該 該時鐘信號控制且該第三開關、該第四開 '"第五開關係由-反相時鐘信號控制。 35·=求項33之方法，其中切換該第—電容器及該第四電 谷器之該等第二端子係由下列項執行 第七開關’其耦合於該第一電容器及該第四電容器 之：第二端子與該差動放大器之該第-輸入之間；及° 第八開關’其耦合於該第—電容器及該第四電容器 之該第二端子與該差動放大器之該第二輪入之間； 且該切換該第二電容器及該第三電容器之該等第二端 子係由下列項執行 第九開關’其耦合於該第二電容器及該第三電容器 之該第二端子與該差動放大器之該第—輸入之間； 第十開關，其耦合於該第二電容器及該第三電容器 之=第二端子與該差動放大器之該第二輸入之間； 八中該第七開關及該第九開關係由該相移時鐘信號控 制且該第八開關及該第十開關係由一反相相移信號控 制。 36.如峭求項32之方法’其進一步包括使該第一電容器該 第二電容器、該第三電容器及該第四電容器中之至少一 者之該等第一端子與一共模電壓連接以界定一重設狀 161024.doc 201234770 態。 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 如π求項36之方法，其中該共模電壓係接地的。 如請求項32之方法，其中該差動放大器包括回饋電容器 及藉助一控制信號控制以使該等回饋電容器短路之並料 重設開關。 如請求項38之方法’其中該控制信號具有兩倍於該時鐘 信號之頻率的頻率。 如凊求項39之方法，其中藉由該時鐘信號與該移位時鐘 信號之一互斥或來產生該控制信號。 如凊求項32之方法，其進一步包括將至少一個可切換回 饋網路並聯切換至一回饋電容器以控制該增益放大器之 增益。 如凊求項41之方法’其中該可切換回饋網路包括第一耦 合開關及第二鶴合開關，其連接至一另一回饋電容器且 可操作以並聯輕合該另一電容器與一回饋電容器。 如請求項42之方法，其中耦合該另一回饋電容器與一共 模電壓以界定一重設狀態。 一種Σ-Δ類比轉數轉換器，其包括 一增益放大器，其包括： 一差動放大器，其包括回饋電容器； 一切換式輸入級’其具有與該差動放大器耦合之一 第一輸出及第二輸出，該切換式輸入級包括： 一第一電容器、第二電容器、第三電容器及第四 電容器，其中該第一電容器及該第二電容器形成其 161024.doc •10· 201234770 中該第一電容器及該第二電容器之第二端子連接之 一第一組，且第三電容器及第四電容器形成其中該 第三電容器及該第四電容器之第二端子連接之一第 一第一輸入，其接收一非反相輸入信號； 一第一輸入，其接收一反相輸入信號； 第一複數個開關，其由一第一時鐘信號控制以使 該第一組之該等電容器之該等第一端子分別與該第 一輸入及該第二輸入連接，同時使該第二組之該等 電容器之該等第一端子短路，或使該第二組之該等 電容器之該等第-端子分別與該第—輪人及該第二 輸入連接，同時使該第一組之該等電容器之該等第 一端子短路；及 第二複數個開關，其由 該第一組之該等電容器之 大器之一第一輸入連接， 谷器之該等第二端子與該 連接’或使該第一組之該 與該差動放大器之—第二 組之該等電容器之該等第 該第一輸入連接。 一相移時鐘信號控制以使 該等第二端子與該差動放 同時使該第二組之該等電 差動放大器之該第二輸入 等電容器之該等第二端子 輸入連接，同時使該第二 一端子與該差動放大器之 161024.doc £