TW201806314A - 切換電容輸入電路、切換電容放大器以及切換電容電壓比較器 - Google Patents

Abstract

雙重取樣型的切換電容輸入電路針對大信號單端輸入，利用更小的電路規模來實現後段電路。設為如下構成，該構成包括：第一切換電容輸入電路，其具有雙重取樣用的第一電容器；以及第二切換電容輸入電路，其與具有雙重取樣用的第二電容器的第一切換電容輸入電路反相地進行動作，第一電容器與第二電容器設為不同值，以使信號衰減的方式對第二電容器的值進行調整。

Description

切換電容輸入電路、切換電容放大器以及切換電容電壓比較器

本發明是有關於一種切換電容輸入電路，尤其是有關於針對大信號單端（single end）輸入，適合於低電源電壓動作的切換電容輸入電路以及使用有該輸入電路的切換電容放大器。

作為接受大信號單端輸入而進行動作的切換電容放大器的輸入電路，圖6所示的雙重取樣（double sample）型的切換電容輸入電路已為人所知。切換電容輸入電路的一個目的在於將單端輸入信號轉換為同相電壓固定的差動輸入信號，藉此，使對於全差動放大器的輸入變得容易。

圖6的切換電容輸入電路40包含用以交替地將輸入信號Vin、Vr予以輸入的開關、與對信號進行取樣的一組電容器Csa，以基準電壓Vr為基準，相對於所期望的基準電壓Vcm來對輸入信號Vin進行取樣。切換電容輸入電路40進行雙重取樣，即，大信號單端輸入的同相電壓依賴於輸入信號而大幅度地變動，但取樣後輸出的差動信號Vop、Von的同相電壓保持固定。

首先，輸入Vin輸入至上側的電容器Csa，Vr輸入至下側的電容器Csa，輸出Vop、Von偏向基準電壓Vcm。其次，輸出Vop、Von離開基準電壓Vcm，Vr輸入至上側的電容器Csa，Vin輸入至下側的電容器Csa。藉此，輸出Vin與Vr之間的差電壓的2倍作為輸出，輸出同相電壓成為基準電壓Vcm且保持固定。

圖7是表示習知的切換電容放大器的電路圖。習知的切換電容放大器為全差動放大器20連接於切換電容輸入電路40而成的構成，該全差動放大器20在輸入輸出之間具有反饋電容器。切換電容放大器的增益為2×Csa/Cfb，其為未使用雙重取樣方式的通常的切換電容放大器增益的2倍，此種切換電容放大器為適合於以對微小信號進行放大為目的的情況的方法。 [現有技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]美國專利第6909388號說明書 [發明所欲解決之課題]

然而，在信號輸入大且放大器的動作電源電壓小的情況下，則需要使信號衰減。為了使所述信號衰減，可使放大器的反饋電容器大於輸入電容器Csa，但在採用雙重取樣方法的情況下，由於放大至2倍，故而需要進一步增大反饋電容器。因此，存在電路規模增大的課題。而且，增大反饋電容器Cfb是指增大放大器的負載，結果亦會產生動作電流增大的問題。

本發明的雙重取樣型的切換電容輸入電路的目的在於針對大信號單端輸入，利用更小的電路規模來實現後段電路。 [解決課題之手段]

為了解決所述課題，本發明的切換電容輸入電路包括雙重取樣方式的切換電容輸入電路40、與切換電容輸入電路40反相地進行動作的雙重取樣方式的切換電容輸入電路90。切換電容輸入電路40的雙重取樣用的電容器Csa、與切換電容輸入電路90的雙重取樣用的電容器Csb設為不同值。而且，以使信號衰減的方式，即以使增益為1以下的方式，對電容器Csb的值進行調整。 [發明的效果]

根據本發明的切換電容輸入電路，在構成切換電容放大器的情況下，能夠不增大反饋電容器而實現信號衰減，因此，與習知的切換電容放大器的情況相比較，能夠減小放大器的反饋電容器。因此，切換電容放大器存在如下效果，即，電路規模減小，且放大器的負載受到抑制，消耗電力減小。

圖1為實施形態的切換電容輸入電路。 切換電容輸入電路10包括：一對輸入端子，其將輸入信號Vin與基準電壓Vr予以輸入；一對輸出端子，其將輸出電壓Vop及輸出電壓Von予以輸出；基準電壓端子，其將基準電壓Vcm施加至各輸出端子；開關，其連接於各基準電壓端子與各輸出端子之間；雙重取樣方式的切換電容輸入電路40，其連接於一對輸入端子與一對輸出端子之間；以及雙重取樣方式的切換電容輸入電路90，其連接於一對輸入端子與一對輸出端子之間。

切換電容輸入電路40的取樣用的電容器Csa、與切換電容輸入電路90的取樣用的電容器Csb設為不同的值。而且，同一記號的開關同時進行導通、斷開動作，不同記號的開關的導通、斷開為相反動作。再者，進行相反動作的一對開關不會同時導通。

在以基準電壓Vr為基準對輸入信號Vin進行取樣時，上側的取樣電容器Csa、Csb相對於基準電壓Vcm，分別對Vin、Vr進行取樣，另一方面，下側的取樣電容器Csa、Csb分別對Vr、Vin進行取樣。在保持（hold）時，將輸出端連接於基準電壓Vcm的開關斷開，Vr、Vin分別輸入至上側的取樣電容器Csa、Csb，Vin、Vr分別輸入至下側的取樣電容器Csa、Csb。

輸出端的差電壓為 Vop－Von＝－2{（1－α）/（1＋α）}（Vin－Vr）…（1） α≡Csb/Csa≧0。 在Csb＝0的情況下，根據習知的切換電容輸入電路特性，增益為－2倍，但藉由以0＜α＜1的方式對Csb進行調整，即，藉由設為0＜Csb＜Csa，能夠將增益設為－2＜增益＜0，與習知電路相比較，能夠使信號衰減。

圖2是使用有切換電容輸入電路10的切換電容放大器的一例。 切換電容放大器50包括切換電容輸入電路10、全差動放大器20及連接於全差動放大器20的各輸入輸出之間的反饋電容器Cfb。

切換電容放大器50的輸出差電壓Vop及輸出差電壓Von為 Vop－Von＝2（1－α）（Csa/Cfb）（Vin－Vr）…（2） α≡Csb/Csa≧0。 在α＝0的情況下，成為無取樣電容器Csb的習知的切換電容放大器，增益Gain為 Gain＝2（Csa/Cfb）， 藉由雙重取樣而成為輸入電容器與反饋電容器之比的2倍。

對於式2而言，在0＜α＜1的情況下，0＜1－α＜1，能夠減小增益，從而能夠使信號衰減。例如，在α＝1/2的情況下，能夠使增益Gain＝Csa/Cfb，從而能夠達到習知的切換電容放大器的增益的一半。因此，在將增益設為1倍的情況下，若α＝1/2，即Csb＝Csa/2，則能夠使Cfb＝Csa。因此，在習知的放大器中，整體電容器相當於6・Csa，在本實施形態的情況下，整體電容器減小，其相當於5・Csa。在欲獲得更大的衰減的情況下，能夠進一步減小所述整體電容器。根據本實施形態，由於能夠減小切換電容放大器的反饋電容器，故而放大器的負載亦減輕，從而能夠減少消耗電力。而且，亦能夠減小必需的電容器，在減小電路規模方面存在效果。

圖3是表示切換電容放大器的其他例子的電路圖。本實施形態的切換電容放大器的目的亦在於針對接地基準的輸入信號Vin，使位準移動所期望的偏移量。本實施形態的切換電容放大器包括切換電容放大器50、與用以將偏移與切換電容放大器50相加的所期望電壓Vos的切換電容電路60。切換電容電路60包括一對取樣用的電容器Cos。

本實施形態的切換電容放大器的輸出差電壓Vop及輸出差電壓Von為 Vop－Von＝2（Csa/Cfb）{（1－α）Vin－βVos}…（3） α≡Csb/Csa＞0，β≡Cos/Csa。

例如，利用將增益設為1倍且同樣地進行偏移相加的情況進行比較。對α＝1/2的情況、與α＝0即習知情況進行比較後，對於偏移電壓取樣用電容器Cos，在α＝1/2的情況下，Cos為習知情況下的1/2，與習知情況相比較，亦能夠減小偏移取樣用電容器Cos。

圖4是表示切換電容放大器的其他例子的電路圖。本實施形態的切換電容放大器包括切換電容放大器50與切換電容電路70，該切換電容電路70包含實現了1位元（bit）的電容器型的數位/類比轉換功能的開關與電容器。切換電容電路70包括一對取樣用的電容器Cda。

本實施形態的切換電容放大器的輸出差電壓Vop及輸出差電壓Von為 Vop－Von＝2（Csa/Cfb）{（1－α）Vin－βDdaVrf}…（4） α≡Csb/Csa＞0，β≡Cda/Csa 在φda：高（High）的情況下，Dda＝1 在φda：低（Low）的情況下，Dda＝－1。 藉由設為0＜α＜1，能夠實現信號衰減，將Cda設為較習知更小的電容器。

再者，顯然藉由將圖3及圖4所示的偏移相加用的切換電容電路60、數位類比轉換功能用的切換電容電路70該兩者合併，亦能夠容易地實現合併有偏移相加與數位/類比轉換功能該兩者的切換電容放大器。

圖5是表示本實施形態的電壓比較器的電路圖。本實施形態的電壓比較器為對輸入電壓Vin與基準電壓Vrf的大小進行判定的切換電容型電壓比較器。

本實施形態的電壓比較器包括切換電容輸入電路10、輸入基準電壓Vrf/2的輸入端子、輸入基準電壓－Vrf/2的輸入端子、輸入基準電壓Vrf/2及基準電壓－Vrf/2的切換電容電路80及電壓比較放大器30，該電壓比較放大器30將輸入電壓Vin與基準電壓Vrf的合成電壓作為輸入，根據該電壓的正負而進行“0”、“1”判定。

電壓比較放大器30的輸入差電壓ΔVin為 ΔVin＝{2（1－α）Vin＋βVrf}/（1＋α＋β）…（5） α≡Csb/Csa，β≡Crf/Csa。

式5根據分子的正負來判定電壓的大小。 習知的切換電容輸入電路40對輸入信號Vin與基準電壓Vrf的大小進行比較後，Crf＝2＊Csa。另一方面，根據切換電容輸入電路10，例如若Csb＝Csa/2，則α＝1/2，能夠使Crf＝Csa。 藉此，藉由設為0＜α＜1，能夠使信號衰減，從而能夠減小電容器Crf。

根據以上所述的實施形態的切換電容輸入電路，在切換電容輸入電路的後段電路或附屬電路中，能夠減小使大信號的輸入信號衰減所需的電容器。因此，能夠減小切換電容輸入電路的後段電路或附屬電路的電路規模。而且，亦能夠減小切換電容輸入電路後段的放大器的負載，在減少消耗電力方面存在效果。

再者，說明了切換電容輸入電路10的一對輸入端子將輸入信號Vin與基準電壓Vr予以輸入，但基準電壓Vr亦可為輸入信號。即，切換電容輸入電路10的一對輸入端子亦可將第一輸入信號Vin1與第二輸入信號Vin2予以輸入。 而且，說明了切換電容輸入電路10的一對輸出端子將基準電壓Vcm予以輸入，但亦可分別將全差動放大器的輸出端子的信號予以輸入。

10、40、90‧‧‧切換電容輸入電路
20‧‧‧全差動放大器
30‧‧‧電壓比較放大器
50‧‧‧切換電容放大器
60、70、80‧‧‧切換電容電路
Cda‧‧‧電容器
Cfb‧‧‧反饋電容器
Cos‧‧‧電容器
Crf‧‧‧電容器
Csa‧‧‧電容器
Csb‧‧‧電容器
Vcm‧‧‧基準電壓
Vin‧‧‧輸入信號
Von‧‧‧輸出電壓
Vop‧‧‧輸出電壓
Vos‧‧‧所期望電壓
Vr‧‧‧輸入信號
Vrf‧‧‧基準電壓
Vrf/2‧‧‧基準電壓
-Vrf‧‧‧基準電壓
-Vrf/2‧‧‧基準電壓

圖1是表示本發明的切換電容輸入電路的電路圖。 圖2是表示使用本發明的切換電容輸入電路的切換電容放大器的電路圖。 圖3是表示使用本發明的切換電容輸入電路的切換電容放大器的其他例子的電路圖。 圖4是表示使用本發明的切換電容輸入電路的切換電容放大器的其他例子的電路圖。 圖5是表示使用本發明的切換電容輸入電路的電壓比較器的電路圖。 圖6是表示習知的切換電容輸入電路的電路圖。 圖7是表示使用習知的切換電容輸入電路的切換電容放大器的電路圖。

10、40、90‧‧‧切換電容輸入電路

Csa‧‧‧電容器

Csb‧‧‧電容器

Vcm‧‧‧基準電壓

Vin‧‧‧輸入信號

Von‧‧‧輸出電壓

Vop‧‧‧輸出電壓

Vr‧‧‧輸入信號

Claims (4)

1. 一種切換電容輸入電路，其特徵在於包括： 第一輸入端子，其輸入第一輸入信號； 第二輸入端子，其輸入第二輸入信號； 第一輸出端子，其輸出第一輸出信號； 第二輸出端子，其輸出第二輸出信號； 雙重取樣方式的第一切換電容輸入電路，其連接於所述第一輸入端子及所述第二輸入端子與所述第一輸出端子及所述第二輸出端子之間； 雙重取樣方式的第二切換電容輸入電路，其連接於所述第一輸入端子及所述第二輸入端子與所述第一輸出端子及所述第二輸出端子之間； 第一基準電壓端子，其將第一基準電壓施加至所述第一輸出端子； 第一開關，其連接於所述第一基準電壓端子與所述第一輸出端子之間； 第二基準電壓端子，其將第二基準電壓施加至所述第二輸出端子；以及 第二開關，其連接於所述第二基準電壓端子與所述第二輸出端子之間， 所述第二切換電容輸入電路的取樣用的電容器的容量小於所述第一切換電容輸入電路的取樣用的電容器。
2. 一種切換電容放大器，其特徵在於包括： 如申請專利範圍第1項所述的切換電容輸入電路； 全差動放大器，其將所述切換電容輸入電路的所述第一輸出端子及所述第二輸出端子連接於一對輸入端子；以及， 第一反饋電容器及第二反饋電容器，其分別連接於所述全差動放大器的一對輸出端子與所述一對輸入端子之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述的切換電容放大器，其中 所述切換電容放大器包括切換電容電路，該切換電容電路分別連接於所述全差動放大器的所述一對輸入端子，將偏移信號相加及相減。
4. 一種切換電容電壓比較器，其特徵在於包括： 如申請專利範圍第1項所述的切換電容輸入電路； 電壓比較放大器，其將所述切換電容輸入電路的所述第一輸出端子及所述第二輸出端子連接於一對輸入端子；以及 切換電容電路，其連接於所述電壓比較放大器的一對輸入端子，且施加第三基準電壓。