CN101521496B - 寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容同相积分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小增益低功耗开关电容同相积分器，包括运算放大器、积分电容和采样电容，采样电容的第一端分别接有在采样相位接通输入电压的开关和在积分相位接通运算放大器第二输入端共模电压的开关，采样电容的第二端通过在积分相位接通的开关连接运算放大器第一输入端；第四电容的第一端分别接有在采样相位接通输入电压的开关和在积分相位接通输入信号共模电压的开关，第四电容的第二端分别接有在采样相位接通采样电容的第二端的开关和在积分相位接通输入信号共模电压的开关；第三电容的第一端连接第四电容的第二端，第三电容的第二端连接输入信号共模电压。本发明积分器增益系数小且对电容寄生效应不敏感，降低了运算放大器的负载电容，降低了积分器的功耗。

Description

寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容同相积分器

技术领域

本发明涉及开关电容电路技术领域，尤其涉及一种寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容同相积分器。

背景技术

开关电容积分器广泛应用于各种电子信号处理***中，如滤波器、数据转换器和传感器网络等。在一定集成电路工艺技术条件下，电容取值受到限制，如在0.35um工艺下可精确实现的电容值大约为0.1pF，这就很大程度限制了小增益系数开关电容积分器的实现。然而在一些应用场合中，需要用到小增益的开关电容积分器，比如Sigma-Delta数据转换器反馈系数和零点优化系数等。传统开关电容积分器一般可实现大于1/20的增益系数，倘若要实现小于1/20的增益系数并且积分电容取值一定时，这样就以用精确小电容值来实现准确的小增益系数。除非，在维持积分器内采样电容取值不变的条件下，增加积分电容取值才能实现小的增益系数，但是这就带来电路面积增大的缺点。此外，为了降低开关电容积分器功耗，积分器的设计采用了相应的低功耗设计技术，如开关型运算放大器技术，这种技术只需要运算放大器在积分相位正常工作。本发明公开的开关电容积分器不但能实现小比例系数增益和大的时间常数，而且它对电容寄生效应不敏感，并且优化了积分器电路面积和适用于低功耗领域。

传统开关电容积分器电路包括：一个运算放大器、两个电容和四个开关。电路的一个工作周期包括两个非重叠时钟相位：采样相位φ₁，积分相位φ₂，如图1所示。传统开关电容积分器电路如图2所示。C₁是采样电容，C₂是积分电容，V_CM是输入信号共模电压，INCM是运算放大器输入共模电压，V_IN是输入电压，V_OUT是输出电压，Op-amp是运算放大器，T是采样时钟周期，fs是采样时钟频率。

传统开关电容积分器的工作过程如下：

1.在采样相位φ₁时，输入电压V_IN被电容C₁采样。在采样相位φ₁结束时，C₁上存储着一定的电荷。

2.在积分相位φ₂时，采样电容上的采样信号被运算放大器传递到积分电容C₂上。

通过z域模型分析，传统开关电容积分器的传递函数为：

$\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{V_{\mathrm{IN}}}=\frac{c_1}{c_2}\frac{z^{-\frac{1}{2}}}{1-z^{-1}}$

进而，传统开关电容积分器的时间常数为：

$\mathrm{\τ}=\frac{c_2}{c_1}\frac{1}{f_s}$

根据传递函数可得传统开关电容积分器的增益为两个电容的比值C₁/C₂。在0.35um工艺下最小电容取值为0.1pF，电容C₂取值为2pF，那么传统开关电容积分器的最小增益取值只能精确到1/20左右。倘若要实现增益系数为1/40以下的积分器，那只能通过增加积分电容C₂到4pF以上来实现，此时积分器采用的总电容为4.1pF以上，电路面积、功耗明显增加。然而，在某些应用场合，比如加法器、Sigma-Delta数据转换器等，积分电容C₂并不能随意增加，故传统的开关电容积分器就不能实现小的增益系数，因此正是这个缺点限制了它的应用领域。

鉴于传统开关电容积分器的缺点，现有技术中如K.NAGARAJ的“AParasitic-Insensitive Area-Efficient Approach to Realizing Very Large TimeConstants in Switched-Capacitor Circuits”(《IEEE TRANSACTIONS ONCIRCUITS AND SYSTEMS》P 1210-1216，VOL.36，NO.9，SEPTEMBER1989)中介绍了一种改进的开关电容同相积分器，它与传统的开关电容积分器相比增加了一个额外电容C₃，具体电路如图3所示。改进后的开关电容积分器的工作过程如下：

1.在相位φ₁时，电荷C₁V_IN通过运算放大器传递到积分电容C₂上。同时电容C₃将在上个周期末采样保存的输出电压信号V_OUT(n-1)与积分电容C₂重新进行分配。

2.在相位φ₂时，电容C₁通过运算放大器从积分电容C₂上吸取电荷。同时电容C₃采样保存输出电压信号V_OUT(n)，为下个周期转换做准备。

通过z域模型分析，现有技术中的改进开关电容同相积分器的传递函数为：

$\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{V_{\mathrm{IN}}}=\frac{c_1{c}_3}{c_2(c_2+c_3)}\frac{z^{-\frac{1}{2}}}{{1-z}^{-1}}$

进而，现有技术中的改进开关电容同相积分器的时间常数为：

$\mathrm{\τ}=\frac{c_2(c_2+c_3)}{c_1{c}_3}\frac{1}{f_s}$

根据上述传递函数可得现有技术中的改进开关电容同相积分器的增益为C₁C₃/C₂(C₂+C₃)。同样在0.35um工艺下最小电容取值为0.1pF，电容C₂取值为2pF，那么该开关电容积分器的最小增益取值能精确到1/420左右。此时，C₁和C₃取值都为0.1pF，积分器采用的总电容为2.2pF。然而，在某些应用场合，为了降低积分器功耗而让运算放大器只工作在半个周期，另半个周期关闭运算放大器。但是，现有技术中的改进开关电容同相积分器需要运算放大器整个周期都正常工作的。该技术还提到T型网络的开关电容积分器，它可以实现小增益的开关电容积分器，而且只需运算放大器正常工作半个周期，但是T型网络开关电容积分器对电容寄生效应比较敏感。

发明内容

本发明公开了一种寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容同相积分器。

一种寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容同相积分器，包括：

带有第一输入端、第二输入端和输出端的运算放大器；

两端分别与运算放大器的第一输入端和输出端相连的积分电容C₂；

与运算放大器的第一输入端相连的采样电容C₁；

所述的采样电容C₁的第一端分别接有在采样相位接通输入电压V_IN的第一开关和在积分相位接通运算放大器第二输入端共模电压INCM的第二开关，采样电容C₁的第二端通过在积分相位接通的第三开关连接运算放大器第一输入端；

设有第四电容C₄，第四电容C₄的第一端分别接有在采样相位接通输入电压V_IN的第四开关和在积分相位接通输入信号共模电压V_CM的第五开关，第四电容C₄的第二端分别接有在采样相位接通采样电容C₁的第二端的第六开关和在积分相位接通输入信号共模电压V_CM的第七开关；

设有第三电容C₃，第三电容C₃的第一端连接第四电容C₄的第二端，第三电容C₃的第二端连接输入信号共模电压V_CM。

输入信号共模电压V_CM中所述的输入信号指输入电压V_IN处的输入信号。

本发明公开了一种寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容同相积分器。该小增益开关电容同相积分器电路包括：一个运算放大器Op-amp、四个电容和七个开关。电路的一个工作周期包括两个非重叠相位：采样相位φ₁和积分相位φ₂。在电路中，额外引入两个电容C₃和C₄，使得开关电容积分器能够实现小的增益系数，获得大的时间常数。

该电路功能的实现只需运算放大器正常工作在积分相位φ₂。积分器所需要的非重叠相位时钟如图1所示。

整个开关电容积分器电路如图4所示，运算放大器链接的虚线开关表示可以让运算放大器只需正常工作在积分相位φ₂。

该开关电容积分器电路相对于传统开关电容积分器的优点是：由于额外引入两个电容，使得开关电容积分器能够实现小的增益系数，并且在一定集成电路工艺技术和小增益系数条件下，该电路很好地实现了电路面积优化。同时，由于电路中没有悬空节点，该开关电容积分器对电容寄生效应不敏感。而且电路只需运算放大器正常工作在积分相位φ₂，因此积分器的功耗明显降低。本发明电路是一种寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容同相积分器。

附图说明

图1为现有技术中开关电容积分器电路工作周期示意图，图中显示了非重叠时钟相位，其中采样相位(φ₁)，积分相位(φ₂)；

图2传统的开关电容积分器的电路图；

图3现有技术中的改进开关电容同相积分器的电路图；

图4为本发明寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容同相积分器的电路图。

具体实施方式

本发明寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容同相积分器工作过程如下：

1.在采样相位φ₁时，第一开关、第四开关和第六开关接通，输入电压V_IN被采样电容C₁，第三电容C₃，和第四电容C₄组成的电容网络采样。在采样相位φ₁结束时，采样电容C₁，第三电容C₃，和第四电容C₄上都存储着一定的电荷。

2.在积分相位φ₂时，第二开关、第三开关。第五开关和第七开关接通，第三电容C₃，和第四电容C₄两端被连接到共模电压，其上电荷被清零。采样电容C₁上的电荷被运算放大器传递到积分电容C₂上。这样存在两次增益缩小的过程，首先是输入信号被采样电容C₁，第三电容C₃，和第四电容C₄分配，实现了增益第一次缩小；然后在积分相位只对采样电容C₁上的电荷传递到积分电容C₂上，实现了增益第二次缩小。

通过z域模型分析，寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容同相积分器的传递函数为：

$\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{V_{\mathrm{IN}}}=\frac{c_1{c}_2}{c_2(c_1+c_3+c_4)}\frac{z^{-\frac{1}{2}}}{1-z^{-1}}$

进而，寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容同相积分器时间常数为：

$\mathrm{\τ}=\frac{c_2(c_1+c_3+c_4)}{c_1{c}_3}\frac{1}{f_s}$

根据上述的传递函数，该小增益开关电容积分器的增益为比值C₁C₃/(C₂(C₁+C₃+C₄))。同样在0.35um工艺下最小电容取值为0.1pF，电容C₂，C₄取值为2pF，那么该开关电容积分器的最小增益取值能精确到1/140左右。此时，C₁和C₃取值都为0.1pF，C₂取值为2pF，C₄取值为0.5pF，积分器采用的总电容为2.7pF。倘若该开关电容积分器实现增益为1/440时，则C₁和C₃取值都为0.1pF，C₂和C₄取值为2p，积分器采用的总电容为4.2pF。由于运算放大器的等效负载电容主要取决于C₁和C₂，则当该积分器实现增益系数为1/440时，积分器的面积会有所增加但功耗并没有增加。而且该积分器电路在采样相位φ₁时，关闭运算放大器，仅仅在积分相位φ₂让其工作。从而达到了减少运算放大器工作时间，减少功耗的目的。

本发明公开的寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容同相积分器与传统的开关电容积分器在电路上相比，增加了两个额外的电容和三个开关，能实现增益为1/140以上的开关电容积分器。它与现有技术的改进开关电容同相积分器相比，增加了四个开关和一个的电容，电路面积有所增加。但本发明电路但并没有增加运算放大器的有效负载电容。而且电路只需运算放大器正常工作在积分相位φ₂，减小了运算放大器工作时间，从而达到减少电路功耗的目的。因此，本发明能够突破集成电路工艺的限制，特别适用于小增益系数和低功耗等领域，扩大了开关电容积分器的应用。

Claims (1)

1.一种寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容同相积分器，包括：

带有反相输入端、同相输入端和输出端的运算放大器；

两端分别与运算放大器的反相输入端和输出端相连的积分电容(C₂)；

与运算放大器的反相输入端相连的采样电容(C₁)；

其特征在于：所述的采样电容(C₁)的第一端分别接有在采样相位接通输入电压(V_IN)的第一开关和在积分相位接通运算放大器同相输入端共模电压(INCM)的第二开关，采样电容(C₁)的第二端通过在积分相位接通的第三开关连接运算放大器反相输入端；

设有第四电容(C₄)，第四电容(C₄)的第一端分别接有在采样相位接通输入电压(V_IN)的第四开关和在积分相位接通输入信号共模电压(V_CM)的第五开关，第四电容(C₄)的第二端分别接有在采样相位接通采样电容(C₁)的第二端的第六开关和在积分相位接通输入信号共模电压(V_CM)的第七开关；

设有第三电容(C₃)，第三电容(C₃)的第一端连接第四电容(C₄)的第二端，第三电容(C₃)的第二端连接输入信号共模电压(V_CM)。

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