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CN111555727A - 一种高增益低噪声的开关电容可调增益放大器 - Google Patents

一种高增益低噪声的开关电容可调增益放大器 Download PDF

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CN111555727A
CN111555727A CN202010333760.XA CN202010333760A CN111555727A CN 111555727 A CN111555727 A CN 111555727A CN 202010333760 A CN202010333760 A CN 202010333760A CN 111555727 A CN111555727 A CN 111555727A
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Abstract

本发明提出一种高增益低噪声的开关电容可调增益放大器，包括外部信号源、方波发生器、开关电容积分器和具有信号放大功能的反馈电路，外部信号源、方波发生器接入开关电容积分器，开关电容积分器通过反馈电路输出，开关电容积分器包括7个由正向脉冲开启的COMS开关管、采样电容、可调反馈电容和积分电容，反馈电路包括运算放大器。本发明通过将反馈电容在时间上减少被积分的频率等效为减少了反馈电容的容值，在实现高增益的同时降低了PGA的噪声，同时电路的版图面积没有增加，降低功耗和成本，提高了电路的检测精度和效率，适用于各种传感器接口、信号调理芯片和信号链路，在汽车电子、白色家电、工业自动化和物联网中有很大的市场发展前景。

Description

一种高增益低噪声的开关电容可调增益放大器
技术领域
本发明涉及及集成电路设计领域，尤其是一种高增益低噪声的开关电容可调增益放大器。
背景技术
开关电容可调增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)在传感器信号的检测，模拟-数字信号转换(ADC)和数字-模拟(DAC)转换电路中经常用到的。但目前常用的开关电容PGA电路在实现较高增益时常用提高开关电容放大器的输入电容和反馈电容的比例，或用两级开关电容放大器级联的方法。前者在实现高增益的同时开关电容的噪声放大很多，后者无论是功耗和占用芯片面积考量上都有不足。
如图1常用的单端输出的开关电容PGA为例所示，CMOS开关的控制时钟信号为具有非交叠特征的等时长两相位方波，第一个相位的脉冲方波是采样时间，第二个相位的脉冲方波是放大或积分时间，将采样电容和可调节反馈电容的电荷通过运算放大器实现有反馈路径的积分。图中120为非交叠脉冲发生器产生开关管的栅极控制信号，φ1和φ2分别为采样和积分时段。
这样在一个周期的时间内实现了信号的采样和放大。按照开关电容的工作原理，该PGA在φ2的放大倍数为输入电容与反馈电容的比值：
Gain＝Vout(n)/Vin(n)＝C104/C108
其中n为脉冲周期数。
源自开关电容噪声是影响输出信号精度的关键指标，高放大倍数PGA在设计应尽可能降低噪声。在图1中进入运放反向输入端的开关电容噪声用电荷表达为：
Figure BDA0002465880750000011
其中K为一个常数，T为绝对温度值。
如果折算到输入开关电容104，则输入端的等效噪声电压表达为：
Figure BDA0002465880750000012
在输出端的噪声电压为：
Figure BDA0002465880750000013
在公式(3)中，增益Gain为PGA信号放大所设定的值，而通常Gain>>1,可以看出PGA的等效输出噪声在Gain为一设定值的条件下，降低噪声必须增加可调电容108的容值。但增加电容108的容值却受到严重限制，
1、增加108的容值，为保持Gain不变则一定要相应增加104的容值；同时为保持一定系统带宽过滤噪声，并防止运放111的闭环反馈系数减小影响积分精度，也必须增加积分电容102的容值。结果一定使芯片所需面积显著增加并提高成本。
2、如果108和104的容值同时增加，同时也会增加功耗，因为运放111完成积分需要的充放电电流明显增加而芯片功耗提高。
在实际应用中多为全差分结构的PGA，原理没变。但以上关于开关电容噪声的公式和遇到的问题是一样的。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种高增益低噪声的开关电容可调增益放大器，通过将反馈电容在时间上减少被积分的频率等效为减少了反馈电容的容值，在实现高增益的条件下降低开关电容电路的噪声，同时电路的版图面积没有增加，降低功耗和成本，提高了信号检测电路的检测精度和效率，适用于各种传感器接口、信号调理芯片、信号链路，在汽车电子、白色家电、工业自动化和物联网中有很大的市场发展前景。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种高增益低噪声的开关电容可调增益放大器，包括：外部信号源、具有分频功能的方波发生器、开关电容积分器和具有信号放大功能的反馈电路，外部信号源接入开关电容积分器，方波发生器用于产生分频控制时钟信号给开关电容积分器，开关电容积分器通过反馈电路输出；其中，开关电容积分器包括7个由正向脉冲开启的COMS开关管、采样电容、可调反馈电容和积分电容，反馈电路包括运算放大器，所述正向脉冲开启的COMS开关管均与方波发生器连接，包括第一COMS开关管、第二COMS开关管、第三COMS开关管、第四COMS开关管、第五COMS开关管、第六COMS开关管和第七COMS开关管；第二COMS开关管的一端接外部信号源获取输入信号，第二COMS开关管的另一端与采样电容的一端、第三COMS开关管的一端共接，第三COMS开关管的另一端接地；采样电容的另一端与第一COMS开关管的一端、第四COMS开关管的一端、可调反馈电容的一端共接，第四COMS开关管的另一端接地；第一COMS开关管的另一端连接运算放大器的反向输入端；积分电容的两端分别连接运算放大器的反向输入端和输出端，运算放大器的正向输入端接地；可调反馈电容的另一端与第五COMS开关管的一端、第七COMS开关管的一端、第六COMS开关管的一端共接，第五COMS开关管的另一端、第七COMS开关管的另一端均接地，第六COMS开关管的另一端连接运算放大器的输出端，运算放大器的输出端为总输出端输出信号；方波发生器包括依次连接的振荡器电路、相位非交叠电路和分频器，用于产生等时长双相非交叠时钟信号，其中第一相位的方波为采样时间，第二相位的方波为积分时间。
进一步的，本发明的高增益低噪声的开关电容可调增益放大器，所述方波发生器输出至采样电容的时钟信号，控制采样电容在一个时钟周期的两个时间段对输入信号进行采样和积分，其采样时间段＝积分时间段。
进一步的，本发明的高增益低噪声的开关电容可调增益放大器，方波发生器输出至可调反馈电容的时钟信号，控制可调反馈电容在一个时钟周期的两个时间段对输入信号进行采样和积分，其采样时间段为N倍分频后的采样时间段，即：每N个周期中，其中1个周期为有效采样时段，其余N-1个周期为空采样，所述N为分频系数，由分频器控制，其积分时间段与控制采样电容的积分时间段一致。
进一步的，本发明的高增益低噪声的开关电容可调增益放大器，每N个周期内，反馈电容(108)平均采样的电荷量为：(Q108)AVE＝Vout·C108/N。
一种如上述任一的高增益低噪声的开关电容可调增益放大器在信号检测、模数转换、传感器信号放大和调理的开关电容可调增益电路中的应用。
一种开关电容可调增益放大器的采样和积分时间控制方法，对开关电容可调增益放大器的可调反馈电容的采样时间段和积分时间段进行分别控制：
1)控制可调反馈电容的积分时间段的时钟信号与采样电容的积分时间段的时钟信号一致；
2)控制可调反馈电容的采样时间段的时钟信号为经过N倍分频的时钟信号，即在每N个周期中可调反馈电容的有效采样时间段为1个周期，其他N-1个周期的采样为空采样，空采样即采样的电压为0，其中N为分频系数。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明的高增益低噪声的开关电容可调增益放大器在增大放大倍数的同时没有减少可调反馈电容的真实容值而导致噪声增加，也没有增加可调反馈电容的容值、积分电容102的容值同步增加而导致芯片面积增加和运算放大器的充放电流增加，实现了获得高放大倍数的同时没有增加占用的晶片面积和功耗。
附图说明
图1是常规的单端输出开关电容PGA的电路示意图。
图2是本发明的高增益低噪声的开关电容可调增益放大器的电路示意图。
图3是本发明的高增益低噪声的开关电容可调增益放大器分频倍数为4时的控制时钟示意图。
图4是本发明的高增益低噪声的开关电容可调增益放大器的全差分构架电路示意图。
附图标记含义：101：信号源，103、105、106、107、109、110、209：正向脉冲开启的CMOS开关管，102：积分电容，104：采样电容，108：可调反馈电容，111为运算放大器，301：差模输入信号，302：共模输入信号，303-312：CMOS开关管，320、321：输入电容对，322、323：反馈电容对，324、325：积分电容对，331：全差分输出运放。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
一种高增益低噪声的开关电容可调增益放大器，如图2所示，包括：外部信号源、具有分频功能的方波发生器、开关电容积分器和具有信号放大功能的反馈电路，外部信号源接入开关电容积分器，方波发生器用于产生分频控制时钟信号给开关电容积分器，开关电容积分器通过反馈电路输出。
其中，开关电容积分器包括7个由正向脉冲开启的COMS开关管、采样电容104、可调反馈电容108和积分电容102，反馈电路包括运算放大器111，所述正向脉冲开启的COMS开关管均与方波发生器连接，包括第一COMS开关管103、第二COMS开关管105、第三COMS开关管106、第四COMS开关管107、第五COMS开关管109、第六COMS开关管110和第七COMS开关管209；。
第二COMS开关管105的一端接外部信号源获取输入信号，第二COMS开关管105的另一端与采样电容104的一端、第三COMS开关管106的一端共接，第三COMS开关管106的另一端接地；采样电容104的另一端与第一COMS开关管103的一端、第四COMS开关管107的一端、可调反馈电容108的一端共接，第四COMS开关管107的另一端接地；第一COMS开关管103的另一端连接运算放大器111的反向输入端；积分电容102的两端分别连接运算放大器111的反向输入端和输出端，运算放大器111的正向输入端接地；可调反馈电容108的另一端与第五COMS开关管109的一端、第七COMS开关管209的一端、第六COMS开关管110的一端共接，第五COMS开关管109的另一端、第七COMS开关管209的另一端均接地，第六COMS开关管110的另一端连接运算放大器111的输出端，运算放大器的输出端为总输出端输出信号。
方波发生器包括依次连接的振荡器电路、相位非交叠电路和分频器，用于产生等时长双相非交叠时钟信号，其中第一相位的方波为采样时间，第二相位的方波为积分时间。
实施例1
一种高增益低噪声的开关电容可调增益放大器，如图2所示，包括：外部信号源、具有分频功能的方波发生器、开关电容积分器和具有信号放大功能的反馈电路，外部信号源接入开关电容积分器，方波发生器用于产生分频控制时钟信号给开关电容积分器，开关电容积分器通过反馈电路输出。
其中，开关电容积分器包括7个由正向脉冲开启的COMS开关管、采样电容104、可调反馈电容108和积分电容102，反馈电路包括运算放大器111，所述正向脉冲开启的COMS开关管均与方波发生器连接，包括第一COMS开关管103、第二COMS开关管105、第三COMS开关管106、第四COMS开关管107、第五COMS开关管109、第六COMS开关管110和第七COMS开关管209；。
第二COMS开关管105的一端接外部信号源获取输入信号，第二COMS开关管105的另一端与采样电容104的一端、第三COMS开关管106的一端共接，第三COMS开关管106的另一端接地；采样电容104的另一端与第一COMS开关管103的一端、第四COMS开关管107的一端、可调反馈电容108的一端共接，第四COMS开关管107的另一端接地；第一COMS开关管103的另一端连接运算放大器111的反向输入端；积分电容102的两端分别连接运算放大器111的反向输入端和输出端，运算放大器111的正向输入端接地；可调反馈电容108的另一端与第五COMS开关管109的一端、第七COMS开关管209的一端、第六COMS开关管110的一端共接，第五COMS开关管109的另一端、第七COMS开关管209的另一端均接地，第六COMS开关管110的另一端连接运算放大器111的输出端，运算放大器的输出端为总输出端输出信号。
方波发生器包括依次连接的振荡器电路、相位非交叠电路和分频器，用于产生等时长双相非交叠时钟信号，其中第一相位的方波为采样时间，第二相位的方波为积分时间。所述方波发生器输出至采样电容104的时钟信号，控制采样电容104在一个时钟周期的两个时间段对输入信号进行采样和积分，其采样时间段＝积分时间段。所述方波发生器输出至可调反馈电容108的时钟信号，控制可调反馈电容108在一个时钟周期的两个时间段对输入信号进行采样和积分，其采样时间段为N倍分频后的采样时间段，即：每N个周期中，其中1个周期为有效采样时段，其余N-1个周期为空采样，所述N为分频系数，由分频器控制，其积分时间段与控制采样电容104的积分时间段一致。每N个周期内，反馈电容108平均采样的电荷量为：(Q108)AVE＝Vout·C108/N。
一种高增益低噪声的开关电容可调增益放大器在信号检测、模数转换、传感器信号放大和调理的开关电容可调增益电路中的应用。
一种开关电容可调增益放大器的采样和积分时间控制方法，对开关电容可调增益放大器的可调反馈电容108的采样时间段和积分时间段进行分别控制：
1)控制可调反馈电容108的积分时间段的时钟信号与采样电容104的积分时间段的时钟信号一致；
2)控制可调反馈电容108的采样时间段的时钟信号为经过N倍分频的时钟信号，即在每N个周期中可调反馈电容108的有效采样时间段为1个周期，其他N-1个周期的采样为空采样，空采样即采样的电压为0，其中N为分频系数。
如图3所示，220和221为方波发生器产生的控制CMOS开关管的控制信号，其中，φ1和φ2分别为采样时间段和积分时间段，222和223分别是第六CMOS开关管110和第七CMOS开关管209的经过分频器处理后的控制信号，在本实施例中分频系数N＝4，224为分频倍数N＝4时Vout的输出电压波形。
1)在第一个周期的采样时间段φ1，第二COMS开关管105、第四COMS开关管107和第六COMS开关管110闭合，其他开关管断开。采样电容104和可调反馈电容108分别被Vin和Vout充电至Vin·C104和Vout·C108。
2)在第一个周期的积分时间段φ2，第三COMS开关管106、第一COMS开关管103和第五COMS开关管109闭合，其他开关管断开。采样电容104和可调反馈电容108中的电荷被驱赶到积分电容102中，此时，输出电压的变化量为：
ΔVout＝(Vin·C104-Vout·C108)/C102
3)在随后的连续3个周期(即第二个周期至第四个周期)中，如图3中222、223所示，第六COMS开关管110一直保持断开，第七COMS开关管209则在采样时间段闭合，实现可调反馈电容108的采样为零或称作“空采样”。则在4个周期后，输出电压的变化量为：
ΔVout＝(Vin·4·C104-Vout·C108)/C102 (4)
从公式(4)中可以看出当分频倍数为4时，等效于可调反馈电容108为采样电容104的四分之一，从输出电压的平均值看等效于放大倍数为4倍，如图3的224。
从每个被开关的电容看(采样电容104和可调反馈电容108)，在每个时钟周期的时间段，电容的两个极板都接有开关在动作，且电容容值在改进前后没有变化。因此公式(1)-(3)所定义的开关电容噪声仍然适用，即在实现了放大倍数变为4倍的同时没有增加源自开关电容积分器的输出噪声。
在应用中分配倍数不限于4，可设计为其他合适的整数。需要注意的是，当分频倍数增加后，相当于积分时间常数增加并减少了带宽。
实施例2
如图4所示，是一个全差分结构的开关电容可调增益放大器，其原理与单端输出的PGA电路一样，但因其对称的构架而更有实用的价值。
全差分结构的开关电容可调增益放大器包括外部信号源、具有分频功能的方波发生器、开关电容积分器和全差分输出运算放大器331，外部信号源接入开关电容积分器，方波发生器用于产生分频控制时钟信号给开关电容积分器，开关电容积分器通过全差分输出运算放大器输出；
其中，外部信号源包括差模输入信号源301和共模输入信号源302，差模输入信号源301和共模输入信号源302依次相连，共模输入信号源302的另一端接地，开关电容积分器包括7对由正向脉冲开启的COMS开关管对、输入电容对320和321、反馈电容对322和323、积分电容对324和325，所述正向脉冲开启的COMS开关管对均与方波发生器连接，分别为303和304、305和306、307和308、309和310、311和312、313和314、315和316；
COMS开关管303的一端接差模输入信号源301获取输入信号，COMS开关管303的另一端与输入电容320的一端、COMS开关管305的一端共接，COMS开关管305的另一端接地；输入电容320的另一端与COMS开关管309的一端、COMS开关管307的一端、反馈电容322的一端共接，307的另一端接地；COMS开关管309的另一端、积分电容324的一端均连接全差分输出运算放大器331的反向输入端；积分电容324的另一端连接全差分输出运算放大器331的正向输出端；反馈电容322的另一端与COMS开关管311的一端、COMS开关管313的一端、COMS开关管315的一端共接，COMS开关管311的另一端、COMS开关管313的另一端均接地，COMS开关管315的另一端连接全差分输出运算放大器331的正向输出端，全差分输出运算放大器331的正向输出端为总正向输出端输出信号。
COMS开关管304的一端接共模输入信号源302获取输入信号，COMS开关管304的另一端与输入电容321的一端、COMS开关管306的一端共接，COMS开关管306的另一端接地；输入电容321的另一端与COMS开关管310的一端、COMS开关管308的一端、反馈电容323的一端共接，308的另一端接地；COMS开关管310的另一端、积分电容325的一端均连接全差分输出运算放大器331的正向输入端；积分电容325的另一端连接全差分输出运算放大器331的反向输出端；反馈电容323的另一端与COMS开关管312的一端、COMS开关管314的一端、COMS开关管316的一端共接，COMS开关管312的另一端、COMS开关管314的另一端均接地，COMS开关管316的另一端连接全差分输出运算放大器331的反向输出端，全差分输出运算放大器331的反向输出端为总反向输出端输出信号。
CMOS开关管303、304、307和308的开关控制信号为图3中的220，CMOS开关管305、306、309、310、311和312的开关控制信号为图3中的221，CMOS开关管315和316的开关控制信号为图3中的222，CMOS开关管313和314的开关控制信号为图3中的223。
上述两个实施例中的开关电容PGA在提高放大倍数的同时没有增加源自开关电容的输出噪声，也没有增加芯片面积和功耗。相比于常规的PGA电路显著提高了输出信号的信噪比，适用于低频弱信号特点的传感器或其他物理信号源的信号采样系统。该改进电路具有应用广泛，灵活多变的特点，不但可以应用于传感器的信号采集系统中，还可以应用于高精度ADC、DAC和其他开关电容的信号处理电路中。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高增益低噪声的开关电容可调增益放大器，其特征在于，包括：外部信号源、具有分频功能的方波发生器、开关电容积分器和具有信号放大功能的反馈电路，外部信号源接入开关电容积分器，方波发生器用于产生分频控制时钟信号给开关电容积分器，开关电容积分器通过反馈电路输出；
其中，开关电容积分器包括7个由正向脉冲开启的COMS开关管、采样电容(104)、可调反馈电容(108)和积分电容(102)，反馈电路包括运算放大器(111)，所述正向脉冲开启的COMS开关管均与方波发生器连接，包括第一COMS开关管(103)、第二COMS开关管(105)、第三COMS开关管(106)、第四COMS开关管(107)、第五COMS开关管(109)、第六COMS开关管(110)和第七COMS开关管(209)；
第二COMS开关管(105)的一端接外部信号源获取输入信号，第二COMS开关管(105)的另一端与采样电容(104)的一端、第三COMS开关管(106)的一端共接，第三COMS开关管(106)的另一端接地；采样电容(104)的另一端与第一COMS开关管(103)的一端、第四COMS开关管(107)的一端、可调反馈电容(108)的一端共接，第四COMS开关管(107)的另一端接地；第一COMS开关管(103)的另一端连接运算放大器(111)的反向输入端；积分电容(102)的两端分别连接运算放大器(111)的反向输入端和输出端，运算放大器(111)的正向输入端接地；可调反馈电容(108)的另一端与第五COMS开关管(109)的一端、第七COMS开关管(209)的一端、第六COMS开关管(110)的一端共接，第五COMS开关管(109)的另一端、第七COMS开关管(209)的另一端均接地，第六COMS开关管(110)的另一端连接运算放大器(111)的输出端，运算放大器的输出端为总输出端输出信号；
方波发生器包括依次连接的振荡器电路、相位非交叠电路和分频器，用于产生等时长双相非交叠时钟信号，其中第一相位的方波为采样时间，第二相位的方波为积分时间。
2.根据权利要求1所述的高增益低噪声的开关电容可调增益放大器，其特征在于，所述方波发生器输出至采样电容(104)的时钟信号，控制采样电容(104)在一个时钟周期的两个时间段对输入信号进行采样和积分，其采样时间段＝积分时间段。
3.根据权利要求1所述的高增益低噪声的开关电容可调增益放大器，其特征在于，方波发生器输出至可调反馈电容(108)的时钟信号，控制可调反馈电容(108)在一个时钟周期的两个时间段对输入信号进行采样和积分，其采样时间段为N倍分频后的采样时间段，即：每N个周期中，其中1个周期为有效采样时段，其余N-1个周期为空采样，所述N为分频系数，由分频器控制，其积分时间段与控制采样电容(104)的积分时间段一致。
4.根据权利要求3所述的高增益低噪声的开关电容可调增益放大器，其特征在于，每N个周期内，反馈电容(108)平均采样的电荷量为：(Q108)AVE＝Vout·C108/N。
5.一种如权利要求1-4任一所述的高增益低噪声的开关电容可调增益放大器在信号检测、模数转换、传感器信号放大和调理的开关电容可调增益电路中的应用。
6.一种开关电容可调增益放大器的采样和积分时间控制方法，其特征在于，对开关电容可调增益放大器的可调反馈电容(108)的采样时间段和积分时间段进行分别控制：
1)控制可调反馈电容(108)的积分时间段的时钟信号与采样电容(104)的积分时间段的时钟信号一致；
2)控制可调反馈电容(108)的采样时间段的时钟信号为经过N倍分频的时钟信号，即在每N个周期中可调反馈电容(108)的有效采样时间段为1个周期，其他N-1个周期的采样为空采样，空采样即采样的电压为0，其中N为分频系数。
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