CN102195579B - 一种带钳位的开关电容放大电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带钳位的开关电容放大器，包括开关电容放大器，所述开关电容放大器包括运算放大器和开关电路，所述开关电路包括：与运算放大器输入端连接的第一开关，与运算放大器输出端连接的第二开关；还包括一过压检测电路，所述过压检测电路与第一、第二开关连接，当输入电压超过第一预定电压或者低于第二预定电压时，可选择性地短接运算放大器的输入端和输出端。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关电容放大电路，尤其是一种带钳位的开关电容放大电路。
背景技术
此处的背景技术用来大体上说明本发明的公开背景。
开关电容放大电路的应用非常广泛。开关电容放大电路在信号超限时可能遇到增益错误。当开关电容放大电路中的运算放大器的输入信号超限时，需要多个时钟周期才能恢复到有效的工作状态，在这段中间过渡时间，输出信号经常报错。一些传统的开关电容放大电路对单个输入信号进行钳位，但在有效的工作区间会产生信号失真。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种在有效工作区间内功率消耗低，信号失真小的带钳位的开关电容放大器。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种带钳位的开关电容放大器，包括：开关电容放大器，所述开关电容放大器包括运算放大器和开关电路，所述开关电路包括并联在运算放大器输入端之间的第一开关；并联在运算放大器输出端之间的第二开关；过压检测电路，所述过压检测电路与第一、第二开关连接，当输入电压超过第一预定电压或者低于第二预定电压时，可选择性地短接运算放大器的输入端和输出端。
进一步作为优选的实施方式，开关电容放大器包括第一电容组和第二电容组，所述第一电容组的第一端子连接运算放大器一个输入端，所述第二电容组的第一端子连接运算放大器另一输入端。所述开关电容放大器还包括：第一开关组，可将第一电容组的第二端子选择性连接至输入电压的正极、参考电压的正极和参考电压的负极；第二开关组，可将第二电容组的第二端子连接至输入电压的负极、参考电压的正极和参考电压的负极。
进一步作为优选的实施方式，所述开关电容放大器包括第一电路，所述第一电路接收输入信号并产生用于第一、第二开关组的开关控制信号和第一编码信号。所述第一电路包括：用来接收复数个参考电压信号、及相应的输入电压信号的比较器组；生成第一、第二开关组的开关控制信号的解码器，所述解码器的第一编码信号来自比较器组的输出信号。
进一步作为优选的实施方式，所述开关电容放大器包括：
第一电容，所述第一电容的第一端子与运算放大器的一个输入端连接，第二端子与运算放大器一个输出端连接；
第二电容，其第一端子与运算放大器的另一输入端连接，第二端子与运算放大器的另一输出端连接。
所述过压检测电路包括：
第一比较器，一输入端接收第一预定过载电压值，另一输入端接收输入电压；
第二比较器，一输入端接收第二预定过载电压值，另一输入端接收输入电压；
逻辑门，接收第一、第二比较器的输出值并产生用来控制开关电路的输出信号。
进一步作为优选的实施方式，所述第一预定过载电压为正值，第二预定过载电压为负值。
进一步，一种流水线式模数转换器，包括单元组，所述单元组的第一单元包括所述的带钳位的开关电容放大器。还包括：一闪存式模数转换器，所述闪存式模数转换器与所述单元组的最后子单元连接；一数字纠错及时间校正单元，所述数字纠错及时间校正单元与单元组和闪存式模数转换器连接。所述单元组的第一单元和第二单元共用一运算放大器。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是本发明流水线式模数转换器的功能框图；
图2是本发明流水线式模数转换器单个单元的功能框图；
图3是本发明开关电容放大器的功能框图；
图4A、4B是本发明图3中开关电容放大器取样时的功能框图及电路原理图；
图5是本发明图4A放大时的功能框图和电路原理图；
图6是本发明比较器的功能框图及电路原理图；
图7是本发明过压检测电路的功能框图和电路原理图；
图8是本发明代表实施例中余值电压与输入电压的函数关系图；
图9是本发明代表实施例中有关输入电压、MDAC和OD编码、余值电压、开关电路、输出编码的关系图表。
具体实施方式
以下描述仅为具体阐释本发明的代表性的实施方式，本发明的应用并不限于本申请所公开的方式。为了表述清晰，附图中相同部件采用同一标记。所述措辞“包括至少A、B和C中之一”表示除了包括单元A或B或C外，还可包括其他单元。本发明方法中所述的步骤可以在不改变本发明工作原理的情况下按不同顺序执行。
本发明所述的钳位电路用来改善信号越限时的及时恢复，即使越限情况经常发生。通过快速恢复信号的越限故障，可改善放大系统的性能。下面对本发明公开的带钳位的开关电容放大电路与一个流水线式模数转换器内的乘法数模转换器一起进行描述。本领域的技术人员，还可将所述开关电容放大电路应用在其他电路中。
参照图1、图2，流水线式模数转换器10包括多个子步骤12-1、12-2、12-3、……和12-N（整体称为步骤12）。步骤12的每个子步骤用来确定数字量化的位数。最后的子步骤12-N连接有闪存式模数转换器14。步骤12和闪存式模数转换器14与数字纠错及时间校正单元16连接，可校正步骤12的延迟引起的等待时间。流水线式模数转换器10将模拟输入量转换成T位的数字输出量，所述T和N都为整数，且T>N。例如，本具体实施中设T=12、N=4。
步骤12的每个子步骤包括一取样与保持单元24、闪存式模数转换单元26、数模转换单元（DAC）30、求和单元32和放大单元34。根据现有技术，所述步骤12中的取样与保持单元24、数模转换单元（DAC）30、求和单元32和放大单元34可由开关电容放大电路和乘法数模转换器实现。
在取样与保持单元24对模拟输入量Vin进行取样并保持。闪存式模数转换单元26将模拟输入量Vin量化成M位数字信号，所述M可等于T/N。例如，在本具体实施例中设M=3。闪存式模数转换单元26的输出量反馈至DAC30（解码位数可设为T位）。求和单元32将保持的模拟输入量和DAC30的模拟输出量作减法。
做减法后的剩余电压通过放大单元34放大后传递至子步骤12-2。放大单元34可有放大增益。例如，本具体实施例中，增益值可设为2。被放大后的剩余电压传递至流水线式模数转换器10下一子步骤，所述流水线式模数转换器10可对每一子步骤进行M位量化。闪存式模数转换器14对部分位LSB进行处理。例如，本具体实施例中，闪存式模数转换器14可解决4位LSB。
由于步骤12中的每个子步骤及时决定M位数字输出的数字值，同一取样值Vin的各位数字值通过位移寄存器进行时间校正，然后再反馈至数字纠错和时钟校正单元16。当步骤12中的某一子步骤处理完取样，量化编码后传递剩余电压值给下一子步骤，步骤12接下来可处理取样与保持单元24输出的下一个取样值。流水线操作可提高系统的容量。
带钳位的开关电容放大器110如图3所示。开关电容放大器110包括取样电容Cs。例如，取样电容的个数可设为2*2M。图3的实施例中，M=2,提供了8个取样电容，包括Cs1p,Cs2p,Cs3p及Cs4p,和Cs1m,Cs2m,Cs3m,及Cs4m。开关电容放大器110还包括将取样电容Cs1p,Cs2p,Cs3p及Cs4p的第一端与参考电压Vref的正极或者负极、或者输入电压Vin的正极连接的开关SW1p,SW2p,SW3p及SW4p。开关电容放大器110还包括将取样电容Cs1m,Cs2m,Cs3m,及Cs4m的第一端与参考电压Vref的正极或者负极、或者输入电压Vin的负极连接的开关SW1m,SW2m,SW3m及SW4m。
开关电容放大器110还包括乘法数模转换器比较电路120，所述比较电路120可接受输入电压Vin，并产生一个MDAC指令信号及控制开关SW1p,SW2p,SW3p及SW4p和SW1m,SW2m,SW3m及SW4m的开关控制信号。开关电容放大器110还包括一过压检测单元130，所述过压检测单元130可接受输入电压Vin并产生一OD指令信号和控制钳位开关SWCLPin、SWCLPout的开关控制信号。
开关电容放大器110还包括一运算跨导放大器140。所述运算跨导放大器140的同相输入端连接有取样电容Cs1p,Cs2p,Cs3p及Cs4p的第二端，所述运算跨导放大器140的反相输入端连接有Cs1m,Cs2m,Cs3m,及Cs4m的第二端。反馈电容Cfp分别连接运算跨导放大器140的同相输入、输出端，反馈电容Cfn分别连接运算跨导放大器140的反相输入、输出端。输入端钳位开关SWCLPin连接运算跨导放大器140的同相、反相输入端，输出端钳位开关SWCLPout连接运算跨导放大器的同相、反相输出端。
当步骤12中出现电压过限时，可能需要几个时钟周期才能使运算跨导放大器140恢复到正常状态。在一些应用中，这会导致系统性能下降。上述的问题可能会通过对步骤12中的模数转换器的输入信号进行钳位来解决，但这种输入的钳位可能会引起功率消耗和/或信号失真的缺陷。本发明所述的钳位电路可在最小的功率消耗和无信号失真的情况下实现过压时的快速恢复。
参照图4A，开关电容放大器110处于取样阶段。MDAC比较器120的开关控制信号将取样电容Cs1p、Cs2p、Cs3p及Cs4p的第一端与输入电压Vin正极连接。MDAC比较器120的开关控制信号将取样电容的Cs1m、Cs2m、Cs3m、及Cs4m第一端与输入电压Vin负极连接。过压检测单元130生成的开关控制信号将开关SWCLPin和SWCLPout闭合，将运算跨导放大器140短接（从图4A中省略）。
在取样阶段的时钟周期内，输入信号被取样。当反馈电容Cfp、Cfn重置为0时，输入电压信号Vin被加到取样电容Cs1p、Cs2p、Cs3p及Cs4p和Cs1m、Cs2m、Cs3m及Cs4m上。同时，MDAC比较器120对取样值进行量化。过压检测单元130检测信号是否超出过压阈值。
在取样阶段期间，接下来的MDAC阶段可激活运算跨导放大器140，即运算跨导放大器140可在另一个阶段可被接入并被共用。参照图4B，当跨导运算放弃140处于反相阶段时，通过开关S1到S4在步骤12之间可激活运算放大器。为了清晰起见，图4B中省略了图4A中其他的部件。
经过对输入信号的取样之后，MDAC放置在如图5所示的放大阶段。开关电容放大器处于放大阶段。MDAC比较器120的开关控制信号将开关SW1p、SW2p、SW3p及SW4p和SW1m、SW2m、SW3m及SW4m置入量化状态，此时，取样电容Cs1p、Cs2p、Cs3p、Cs4p、Cs1m、Cs2m、Cs3m及Cs4m的第一端连接至参考电压Vref的正极或者负极。钳位开关SWCLPin和SWCLPout可依以下情况设置在接通或断开状态。
在放大阶段，电容Cs1p、Cs2p、Cs3p、Cs4p、Cs1m、Cs2m、Cs3m及Cs4m连接至量化指令配置的参考电位。如果检测到过压情况，钳位开关SWCLPin和SWCLPout接通。如果未检测到过压情况，钳位开关SWCLPin和SWCLPout保持断开，电容充电至满足运算放大器的增益，剩余电压输出为Vout，上述情况为过压检测单元和钳位电路不工作时的运算跨导放大器的正常工作状态。在其他实施例中，钳位开关SWCLPin和SWCLPout工作时还允许有其他附加的钳位开关，所述附加的钳位开关与钳位开关SWCLPin和SWCLPout平行并联。所述附加的钳位开关为低阻抗开关，在取样阶段时，附加的钳位开关闭合（作为钳位开关SWCLPin和SWCLPout的替代），其他情况时处于断开状态。附加的开关还可用来重置电容Cfp和Cfn。
当对输入信号进行取样阶段，检测到过压情况，钳位开关SWCLPin和SWCLPout闭合。使得运算跨导放大器的不同输入输出端归零。取样电容的充电电压放电以满足运算跨导放大器140的驱动电位（Vref+/-）和零电位（低阻抗时）的要求。电容Cs1p,Cs2p,Cs3p，Cs4p，Cs1m,Cs2m,Cs3m,及Cs4m的电荷量及运算跨导放大器的工作点取决于过压极性的正、负，和正极或负极的电压取样值一致。这里所述钳位电路用来进行并联反馈。
钳位开关SWCLPout强制输出值为零，由于反馈回路断开后，运算放大器140的随机漂移可使输出饱和。当运算放大器140维持在精确的工作点上，不需要从越限状态恢复，并能为下一个时钟周期提供标称的放大增益。钳位开关SWCLPin和SWCLPout很小，在常态时影响可忽略不计。
过压检测单元130可输出一个供数字纠错及时间校正单元16来适当钳制数字输出的控制信号。由于钳位开关SWCLPout可强制MDAC输出为零，流水线最后阶段的合成输出为全幅数字值。由于模拟信号的漂移，数字输出信号可能低于有效的全幅。过压检测单元130输出的ODcode用来驱动满幅的数字钳制。
参照图6，1V，12位的ADC的MDAC比较电路120的典型电路，包括比较器150-1、150-2、150-3和150-4（整体称为比较器150），用来接收输入电压Vin和参考电压。对于比较器150-1和150-2，输入电压Vin与反相输入端连接，正相输入端的输入值分别为-0.75V和-0.25V。对于比较器150-3和150-4，输入电压Vin与正输入端连接，反相输入端的输入值分别为0.25V和0.75V。比较器150的输出端连接至解码器152的输入端，所述解码器152提供两位输出154见图8和图9。
参照图7，过压检测单元130包括比较器156-1和156-2，所述比较器156-1的反相输入端连接输入电压、同相输入端连接-1.25V,所述比较器156-2的同相输入端连接输入电压、反相输入端连接+1.25V。比较器156的输出端连接有或逻辑门电路170，门电路170的输出172产生OD编码信号。
参照图8和图9，显示了额外运算。在图8中，显示了剩余电压与输入电压的关系曲线。图9,显示了输入电压范围，多位数模转换和过压编码，电容开关详情，以及剩余电压与输出编码。
可以理解为，在带钳位的步骤12为流水线式数模转换器的第一阶段，接下来的步骤12不需要带钳位电路，因为过压现象在第一阶段已被处理。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (22)
1.一种带钳位的开关电容放大器，其特征在于包括：
运算放大器；
开关电路，所述开关电路包括：并联在运算放大器输入端之间的第一开关，并联在运算放大器输出端之间的第二开关；
过压检测电路，所述过压检测电路与第一、第二开关连接，当输入电压超过第一预定过载电压或者低于第二预定过载电压时，可选择性地短接运算放大器的输入端和输出端。
2.根据权利要求1所述的一种带钳位的开关电容放大器，其特征在于：开关电容放大器包括第一电容组和第二电容组，所述第一电容组的第一端子连接运算放大器一个输入端，所述第二电容组的第一端子连接运算放大器另一输入端。
3.根据权利要求2所述的一种带钳位的开关电容放大器，其特征在于：所述开关电容放大器还包括：
第一开关组，可将第一电容组的第二端子选择性连接至输入电压的正极、参考电压的正极和参考电压的负极中的一个；
第二开关组，可将第二电容组的第二端子选择性连接至输入电压的负极、参考电压的正极和参考电压的负极中的一个。
4.根据权利要求3所述的一种带钳位的开关电容放大器，其特征在于：所述开关电容放大器包括第一电路，所述第一电路接收输入信号并产生用于第一、第二开关组的开关控制信号和第一编码信号。
5.根据权利要求4所述的一种带钳位的开关电容放大器，其特征在于：所述第一电路包括：
用来接收复数个参考电压、及输入电压的比较器组；
基于比较器组的输出信号生成用于所述第一、第二开关组的开关控制信号和所述第一编码信号的解码器。
6.根据权利要求1所述的一种带钳位的开关电容放大器，其特征在于：所述开关电容放大器包括：
第一电容，所述第一电容的第一端子与运算放大器的一个输入端连接，第二端子与运算放大器一个输出端连接；
第二电容，其第一端子与运算放大器的另一输入端连接，第二端子与运算放大器的另一输出端连接。
7.根据权利要求1所述的一种带钳位的开关电容放大器，其特征在于：所述过压检测电路包括：
第一比较器，一输入端接收第一预定过压值，另一输入端接收输入电压；
第二比较器，一输入端接收第二预定过压值，另一输入端接收输入电压；
逻辑门，接收第一、第二比较器的输出值并产生用来控制开关电路的输出信号。
8.根据权利要求1所述的一种带钳位的开关电容放大器，其特征在于：所述第一预定过载电压为正值，第二预定过载电压为负值。
9.一种流水线式模数转换器，其特征在于：包括单元组，所述单元组的第一单元包括权利要求1所述的开关电容放大器。
10.根据权利要求9所述的一种流水线式模数转换器，其特征在于：包括：
一闪存式模数转换器，所述闪存式模数转换器与所述单元组的最后单元连接；
一数字纠错及时间校正单元，所述数字纠错及时间校正单元与单元组和闪存式模数转换器连接。
11.根据权利要求9所述的一种流水线式模数转换器，其特征在于：所述单元组的第一单元和第二单元共用一运算放大器。
12.一种带钳位的开关电容放大器，其特征在于：包括：
带有输入、输出端的运算放大器；
与运算放大器的一输入端连接的第一电容组；
与运算放大器的另一输入端连接的第二电容组；
连接运算放大器的一输入、输出端的第一电容；
连接运算放大器另一输入、输出端的第二电容；以及
钳位电路，当输入电压高于第一预定过载电压或者低于第二预定过载电压时，选择性将运算放大器的输入、输出端短接。
13.根据权利要求12所述的一种带钳位的开关电容放大器，其特征在于：所述钳位电路包括：开关电路和过压检测电路，当输入电压高于第一预定过载电压或者低于第二预定过载电压时，过压检测电路通过开关电路选择性将运算放大器的输入、输出端短接。
14.根据权利要求12所述的一种带钳位的开关电容放大器，其特征在于：所述开关电容放大器还包括：
第一开关组，可将第一电容组的端子选择性连接至输入电压的正极、参考电压的正极和参考电压的负极中的一个；
第二开关组，可将第二电容组的端子选择性连接至输入电压的负极、参考电压的正极和参考电压的负极中的一个。
15.根据权利要求12所述的一种带钳位的开关电容放大器，其特征在于：所述开关电容放大器还包括第一电路，所述第一电路接收输入信号并产生用于第一、第二开关组的开关控制信号和第一编码信号。
16.根据权利要求15所述的一种带钳位的开关电容放大器，其特征在于：所述第一电路包括：
用来接收复数个参考电压、及输入电压的比较器组；
基于比较器组的输出信号生成用于所述第一、第二开关组的开关控制信号和所述第一编码信号的解码器。
17.根据权利要求13所述的一种带钳位的开关电容放大器，其特征在于：所述过压检测电路包括：
第一比较器，一输入端接收第一预定过载电压值，另一输入端接收输入电压；
第二比较器，一输入端接收第二预定过载电压值，另一输入端接收输入电压；
逻辑门，接收第一、第二比较器的输出值并产生用来控制钳位电路的输出信号。
18.根据权利要求12所述的一种带钳位的开关电容放大器，其特征在于：所述第一预定过载电压为正值，第二预定过载电压为负值。
19.一种流水线式模数转换器，其特征在于：包括单元组，所述单元组的第一单元包括权利要求12所述的一种带钳位的开关电容放大器。
20.根据权利要求19所述的一种流水线式模数转换器，其特征在于：包括一闪存式模数转换器，所述闪存式模数转换器与所述单元组的最后单元连接。
21.权利要求20所述的流水线式模数转换器，还包括一数字纠错及时间校正单元，所述数字纠错及时间校正单元与单元组和闪存式模数转换器连接。
22.根据权利要求19所述的流水线式模数转换器，其特征在于：所述单元组的第一单元和第二单元共用一运算放大器。
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