TWI704766B - 放大電路以及多路徑巢狀米勒放大電路 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種不會增大晶片面積，且不會犧牲頻率特性，而可降低DC性的偏移電壓的放大電路以及多路徑巢狀米勒放大電路。本發明是具備斬波器開關電路、對斬波器開關電路的輸出信號進行取樣的取樣電路以及保持取樣電路所輸出的信號的保持電路而構成。

Description

放大電路以及多路徑巢狀米勒放大電路
本發明是有關於一種降低直流（Direct Current，DC）偏移（offset）電壓的放大電路，更詳細而言，本發明是有關於一種降低了伴隨基於時脈（clock）的動作而產生的高頻雜訊（noise）的放大電路以及多路徑巢狀米勒放大電路（multipath nested Miller amplification circuit）。
在習知上，作為對感測器（sensor）的輸出信號等微小信號進行處理的放大電路，已知有降低了DC偏移電壓的放大電路（例如參照專利文獻1）。 圖6是表示習知的放大電路的方塊圖。 習知的放大電路801具備輸入端子IN1及輸入端子IN2、輸出端子OUT1及輸出端子OUT2、斬波器開關（chopper switch）電路831及斬波器開關電路841、電壓電流轉換電路（VI轉換電路）832、同相反饋電路833、低通濾波器（low pass filter，LPF）電路851。
若設輸入端子IN1的電位為VIN1、輸入端子IN2的電位為VIN2、輸出端子OUT1的電位為VOUT1、輸出端子OUT2的電位為VOUT2，則輸入信號Vsi的電壓為VIN1-VIN2，輸出電壓Vo為VOUT1-VOUT2。
斬波器開關電路831將輸入至輸入端子INA及輸入端子INB的輸入信號Vsi基於時脈來進行調變，並從輸出端子OUTA及輸出端子OUTB予以輸出。VI轉換電路832對輸入至輸入端子INP及輸入端子INN的調變信號Vsi進行放大，並從輸出端子OUTP及輸出端子OUTN予以輸出。同相反饋電路833從輸入端子NA及輸入端子NB輸入VI轉換電路832的輸出信號，並將對VI轉換電路832的輸出端子OUTP及輸出端子OUTN的直流動作點進行決定的信號從端子CONT輸出至VI轉換電路832。斬波器開關電路841將從VI轉換電路832輸入至輸入端子INA及輸入端子INB的放大信號Vsi基於時脈來進行解調，並從輸出端子OUTA及輸出端子OUTB予以輸出。LPF電路851將從斬波器開關電路841輸入至輸入端子IN1及輸入端子IN2的解調信號Vsi的高頻雜訊予以去除，並從輸出端子OUT1及輸出端子OUT2輸出。
此處，若設VI轉換電路832的DC性的偏移電壓為Vni，則偏移電壓Vni經VI轉換電路832放大並經斬波器開關電路841調變。即，LPF電路851輸入信號Vsi與被調變為高頻雜訊的偏移電壓Vni。由於LPF電路851使高頻成分衰減，因此輸出電壓Vo被去除了作為高頻雜訊的偏移電壓Vni而輸出。
如上所述，習知的放大電路801可輸出抑制了偏移電壓Vni的影響的輸出電壓Vo。 現有技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2014-216705號公報 [發明所欲解決之問題]
然而，LPF電路851雖包含電阻與電容，但為了提高衰減效果，必須加大電阻與電容，因此存在晶片（chip）面積增大的問題。而且，對於LPF電路851而言，若提高衰減效果，則亦會使基於輸入信號Vsi的電壓衰減，因此存在作為放大電路的頻率區域受到限制等問題。
本發明是為了消除如上所述的問題而完成，提供一種不會增大晶片面積，且不會犧牲頻率特性，而可降低DC的偏移電壓的放大電路以及多路徑巢狀米勒放大電路。 [解決問題之手段]
一種放大電路，包括：斬波器開關電路，將輸入信號以正相或反相來進行調變並輸出；VI轉換電路，連接於斬波器開關電路，生成基於斬波器開關電路的輸出電壓的輸出電流；取樣電路，連接於VI轉換電路，基於VI轉換電路的輸出電流來進行取樣，並輸出基於將所取樣的電荷進行相加或相減所得的電荷的電壓；以及保持電路，連接於取樣電路，保持取樣電路所輸出的電壓。
而且，一種多路徑巢狀米勒放大電路，包括：所述的放大電路，連接於輸入端子；第一放大器，連接於放大電路的輸出端子；第二放大器，連接於輸入端子；以及第三放大器，連接於第一放大器的輸出端子與第二放大器的輸出端子。 [發明的效果]
根據本發明的放大電路，由於不需要電阻與電容大的LPF電路，因此可提供一種晶片面積不會增大，且不會犧牲頻率特性，而可降低DC偏移電壓的放大電路以及多路徑巢狀米勒放大電路。
圖1是表示本發明的實施形態的一例的放大電路的方塊圖。 本實施形態的放大電路101具備輸入端子IN1及輸入端子IN2、輸出端子OUT1及輸出端子OUT2、斬波器開關電路131、VI轉換電路132、同相反饋電路133、取樣電路134、保持電路135。Vni表示VI轉換電路132的輸入端子的偏移電壓。
斬波器開關電路131的輸入端子INA及輸入端子INB分別連接於放大電路101的輸入端子IN1及輸入端子IN2，輸出端子OUTA及輸出端子OUTB分別連接於VI轉換電路132的輸入端子INP及輸入端子INN。VI轉換電路132的輸出端子OUTP連接於同相反饋電路133的輸入端子NA與取樣電路134的輸入端子INX，輸出端子OUTN連接於同相反饋電路133的輸入端子NB與取樣電路134的輸入端子INY。同相反饋電路133的輸出端子CONT連接於VI轉換電路132的內部端子。取樣電路134的輸出端子OUTX連接於保持電路135的第1端子與放大電路101的輸出端子OUT1，輸出端子OUTY連接於保持電路135的第2端子與輸出端子OUT2。
斬波器開關電路131基於時脈來選擇正相狀態與反相狀態，所述正相狀態是輸入端子INA與輸出端子OUTA導通，且輸入端子INB與輸出端子OUTB導通，所述反相狀態是輸入端子INA與輸出端子OUTB導通，且輸入端子INB與輸出端子OUTA導通。
VI轉換電路132將電壓轉換為電流並輸出。設輸入端子INP的電位為VINP、輸入端子INN的電位為VINN、輸出端子OUTP的電位為VOUTP、輸出端子OUTN的電位為VOUTN。若輸入電壓之差（VINP-VINN）為正，則其大小越大，更大的電流從輸出端子OUTP拉出（source），且從輸出端子OUTN灌入（sink）。若輸入電壓之差（VINP-VINN）為負，則其大小越大，更大的電流從輸出端子OUTP灌入，且從輸出端子OUTN拉出。由於基於與輸出端子OUTP及輸出端子OUTN相關的阻抗（impedance）而出現輸出電壓VOUTP及輸出電壓VOUTN，因此VI轉換電路132可視為放大電路。
同相反饋電路133從輸入端子NA及輸入端子NB輸入VI轉換電路132的輸出信號，並將對VI轉換電路132的輸出端子OUTP及輸出端子OUTN的直流動作點進行決定的信號從端子CONT輸出至VI轉換電路132。
若設輸入端子INX的電位為VINX、輸入端子INY的電位為VINY、輸出端子OUTX的電位為VOUTX、輸出端子OUTY的電位為VOUTY，則取樣電路134基於從外部對輸入端子INX、輸入端子INY灌入或拉出的電流，將所取樣的電荷進行相加或相減，進而，與該動作同步地，將基於相加或相減所得的電荷的電壓（VOUTX-VOUTY）輸出至輸出端子。
保持電路135具有保持電荷的功能，出現基於被保持在保持電路135的第1端子與第2端子間的電荷與保持電路135的電容值的電壓。
對本實施形態的放大電路101的動作進行說明。若設輸入端子IN1的電位為VIN1、輸入端子IN2的電位為VIN2、輸出端子OUT1的電位為VOUT1、輸出端子OUT2的電位為VOUT2，則輸入信號Vsi的電壓為VIN1-VIN2，輸出電壓Vo為VOUT1-VOUT2。
斬波器開關電路131將輸入至放大電路101的輸入信號Vsi輸入至輸入端子INA及輸入端子INB，將輸入信號Vsi基於時脈來進行調變，並從輸出端子OUTA及輸出端子OUTB作為調變信號Vsi而輸出。VI轉換電路132對輸入至輸入端子INP及輸入端子INN的調變信號Vsi進行放大，並從輸出端子OUTP及輸出端子OUTN予以輸出。同相反饋電路133從輸入端子NA及輸入端子NB輸入VI轉換電路132的輸出信號，並將對VI轉換電路132的輸出端子OUTP及輸出端子OUTN的直流動作點進行決定的信號從端子CONT輸出至VI轉換電路132。
VI轉換電路132對取樣電路134灌入或拉出基於經放大的調變信號Vsi的電流。而且，VI轉換電路132還對取樣電路134灌入或拉出基於經放大的偏移電壓Vni的電流。取樣電路134基於時脈來進行所述電流的取樣動作。此處，為了簡化說明，假設時脈的高位準（high level）與低位準（low level）的期間相等。
此處，將取樣電路134根據基於輸入信號Vsi的電流所取樣的電荷的大小設為Qso，將取樣電路134根據基於偏移電壓Vni的電流所取樣的電荷的大小設為Qno。
取樣電路134輸入：基於經由斬波器開關電路131的輸入信號Vsi的電流及基於未經由斬波器開關電路131的偏移電壓Vni的電流。因而，取樣電路134基於時脈來對電荷（+Qso-Qno）與電荷（-Qso-Qno）進行交替取樣。
取樣電路134將取樣所得的電荷（+Qso-Qno）及（-Qso-Qno）例如藉由相減而獲得電荷（2×Qso），從而可將基於偏移電壓Vni的電荷Qno予以去除。並且，電荷（2×Qso）根據時脈而輸出至輸出端子OUTX及輸出端子OUTY。 保持電路135保持取樣電路134所輸出的電荷（2×Qso），並輸出至放大電路101的輸出端子OUT1及輸出端子OUT2。
圖2是表示取樣電路134的一例的方塊圖。 取樣電路134具備輸入端子INX及輸入端子INY、輸出端子OUTX及輸出端子OUTY、開關441～開關444、開關451～開關454、開關461～開關464、開關471～開關474、電容431～電容434。電容431與電容432、電容433與電容434構成用於進行取樣的電容對。各開關以與所顯示的數字對應的時脈受到通斷控制。
圖3是表示本實施形態的放大電路101的時脈的一例的時間圖。各開關例如在對應的時脈為高位準時控制為導通，為低位準時控制為斷開。
斬波器開關電路131基於時脈1及時脈2來對輸入信號Vsi進行斬波，並輸出至VI轉換電路132。此處，斬波器開關電路131在時脈1為高位準且時脈2為低位準時設為正相狀態，在時脈1為低位準且時脈2為高位準時設為反相狀態。
圖2的取樣電路134如下所述般，以時脈1a、時脈1b、時脈2a及時脈2b對VI轉換電路132的輸出進行取樣。 在期間[0-1T]，由於時脈1a為高位準，因此開關443與開關444導通，在電容432中對電荷（+Qso-Qno）進行取樣。
在期間[1T-2T]，由於時脈1b為高位準，因此開關453與開關454導通，在電容433中對電荷（+Qso-Qno）進行取樣。 在期間[2T-3T]，由於時脈2a為高位準，因此開關451與開關452導通，在電容434中對電荷（-Qso-Qno）進行取樣。
在期間[3T-4T]，由於時脈2b為高位準，因此開關441與開關442導通，在電容431中對電荷（-Qso-Qno）進行取樣。 而且，圖2的取樣電路134如下所述般，將以時脈3及時脈4所取樣的電荷相減並輸出至保持電路135。
在期間[1T-3T]，由於時脈3為高位準，因此開關461～開關464導通，電容432的電荷（+Qso-Qno）與電容431的電荷（-Qso-Qno）相減，電荷（2×Qso）被輸出至輸出端子OUTX及輸出端子OUTY。
在期間[3T-5T]，由於時脈4為高位準，因此開關471～開關474導通，電容433的電荷（+Qso-Qno）與電容434的電荷（-Qso-Qno）相減，電荷（2×Qso）被輸出至輸出端子OUTX及輸出端子OUTY。
此時，構成電容對的二個電容（例如電容432與電容431）更為理想的是電容值相等。這是為了在構成電容對的二個電容中，可使基於開關受到導通控制時的開關的阻抗與電容值的時間常數相等。
進而，若在開關461～開關464、開關471～開關474的各端子間具備PN接面元件等鉗位（clamp）元件，則保持電路135的直流動作點可穩定在與由同相反饋電路133所決定的VI轉換電路132的輸出端子OUTP、輸出端子OUTN的直流動作點接近的狀態下。藉由保持電路135的直流動作點穩定，可使對於未圖示的後段電路例如放大電路的輸入動作點穩定，因此具有可進一步實現放大電路的穩定動作等效果。
圖4是表示取樣電路134的另一例的方塊圖。 從圖2的取樣電路134中，將用於取樣的電容對設為一個，且在輸入端子INX與輸入端子INY之間設有以時脈3受到控制的開關581。 圖4的取樣電路134基本上可滿足與圖2的取樣電路134同樣的功能。
開關581在電容431及電容432未進行取樣動作時導通，藉此，可使VI轉換電路132的輸出端子OUTP、輸出端子OUTN的動作點進一步穩定化。因此，開關581的存在更為理想，但亦可沒有。
如以上所說明般，本實施形態的放大電路101具備對斬波器開關電路131的輸出信號進行取樣的取樣電路134及保持取樣電路134所輸出的信號的保持電路135，因此不需要LPF電路便可去除偏移電壓Vni的影響。因而，實現晶片面積不會增大，而且不會犧牲頻率特性，而可降低DC性的偏移電壓的放大電路。
另外，以上的說明中，設本發明的放大電路101具備斬波器開關電路131、VI轉換電路132、同相反饋電路133、取樣電路134、保持電路135的情況進行了說明，但只要是放大電路101發揮該些功能的條件，則不受本實施形態任何限定。 例如，若無特別需要，則亦可不設同相反饋電路133。
圖5是表示具備本發明的放大電路101的多路徑巢狀米勒放大電路的一例的方塊圖。 多路徑巢狀米勒放大電路具備本發明的放大電路101、輸入端子IN1及輸入端子IN2、輸出端子OUT、電容741及電容742、放大器731～放大器733。多路徑巢狀米勒放大電路一併具有：包含放大電路101與放大器731及放大器733的高增益放大路徑；以及包含放大器732及放大器733的寬頻帶放大路徑。
放大電路101是降低DC偏移電壓的放大電路，因此對於高增益放大路徑的適用是有效的。藉由將放大電路101適用於高增益路徑，從而達成抑制了DC偏移的高增益放大路徑。藉由如此般構成，從而可提供不會增大晶片面積，且不會犧牲頻率特性，而抑制了DC偏移的多路徑巢狀米勒放大電路。
1、2、3、4、1a、1b、2a、2b:時脈
101:放大電路
131、831、841:斬波器開關電路
132、832:VI轉換電路
133、833:同相反饋電路
134:取樣電路
135:保持電路
431~434、741、742:電容
441~444、451~454、461~464、471~474、581:開關
731、732、733:放大器
801:習知的放大電路
851:LPF電路
CONT:端子
IN1、IN2、INA、INB、INP、INN、INX、INY、NA、NB:輸入端子
OUT、OUT1、OUT2、OUTA、OUTB、OUTP、OUTN、OUTX、OUTY:輸出端子
Vni:偏移電壓
Vo‧‧‧輸出電壓Vsi‧‧‧調變信號+Qso-Qno、-Qso-Qno‧‧‧電荷
圖1是表示本實施形態的一例的放大電路的方塊圖。 圖2是表示本實施形態的放大電路中的取樣電路的一例的方塊圖。 圖3是表示本實施形態的放大電路中的時脈的一例的時間圖。 圖4是表示本實施形態的放大電路中的取樣電路的另一例的方塊圖。 圖5是表示具備本實施形態的放大電路的多路徑巢狀米勒放大電路的一例的方塊圖。 圖6是表示習知的放大電路的方塊圖。
101‧‧‧放大電路
131‧‧‧斬波器開關電路
132‧‧‧VI轉換電路
133‧‧‧同相反饋電路
134‧‧‧取樣電路
135‧‧‧保持電路
CONT‧‧‧端子
IN1、IN2、INA、INB、INP、INN、INX、INY、NA、NB‧‧‧輸入端子
OUT1、OUT2、OUTA、OUTB、OUTP、OUTN、OUTX、OUTY‧‧‧ 輸出端子
Vni‧‧‧偏移電壓
Vo‧‧‧輸出電壓
Vsi‧‧‧調變信號

Claims (6)

  1. 一種放大電路，對輸入信號進行放大，所述放大電路的特徵在於包括： 斬波器開關電路，將所述輸入信號以正相或反相來進行調變並輸出； 電壓電流轉換電路，連接於所述斬波器開關電路，生成基於所述斬波器開關電路的輸出電壓的輸出電流； 取樣電路，連接於所述電壓電流轉換電路，基於所述電壓電流轉換電路的所述輸出電流來進行取樣，並輸出基於將所取樣的電荷進行相加或相減所得的電荷的電壓；以及 保持電路，連接於所述取樣電路，保持所述取樣電路所輸出的電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的放大電路，其中 所述取樣電路包括電容對， 基於所述電容對並聯連接的情況，進行將所述取樣的電荷相加或相減的動作， 與所述動作同步地，將所述電容對連接於所述保持電路，藉此輸出基於所述相加或相減所得的電荷的電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的放大電路，其中 所述電容對包含： 第一電容，當所述斬波器開關電路以正相的關係輸出所述輸入信號時，對基於所述電壓電流轉換電路的所述輸出電流的電荷進行取樣；以及 第二電容，當所述斬波器開關電路以反相的關係輸出所述輸入信號時，對基於所述電壓電流轉換電路的所述輸出電流的電荷進行取樣。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的放大電路，其中 在所述取樣電路的輸入端子與所述電容對之間以及所述電容對與所述取樣電路的輸出端子之間，分別具備開關， 在所述開關的端子間具備鉗位元件。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的放大電路，其中 所述鉗位元件包含PN接面。
  6. 一種多路徑巢狀米勒放大電路，其特徵在於包括： 申請專利範圍第1項至第3項及第5項中任一項所述的放大電路，連接於輸入端子； 第一放大器，連接於所述放大電路的輸出端子； 第二放大器，連接於所述輸入端子；以及 第三放大器，連接於所述第一放大器的輸出端子與所述第二放大器的輸出端子。
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