CN101986559A - 一种模拟信号处理电路 - Google Patents
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Abstract
一种模拟信号处理电路，包括差分放大器，所述差分放大器包括第一输入端，第二输入端以及输出端；所述模拟信号处理电路还包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第一电容和第二电容；外部模拟信号依次通过第一开关和第二开关与所述第一输入端相连；第二输入端与地连接；第一电容的上极板连接在第一开关和第二开关之间，第一电容的下极板与地连接；第三开关串接于差分放大器的第一输入端和输出端之间；第二电容的上极板与第一输入端相连接，第二电容的下极板通过第四开关与地串联；第二电容的下极板还通过第四开关与所述输出端串联；第一开关、第三开关和第四开关在信号采集阶段导通；第二开关和第五开关在保持放大阶段导通。
Description
技术领域
本发明涉及混合信号***领域，具体为一种模拟信号处理电路。
背景技术
在混合信号***中，通常需要模拟信号处理电路采集模拟信号并进行放大，再传送给信号处理***进行后续处理；上述模拟信号处理电路通常包含一个差分放大器，因差分放大器正负输入端之间存在固有失调，即使输入信号为零输出都会有一个失调输出，这是一个很明显的缺陷；因此带输入失调电压消除的模拟信号处理电路成为首选。
现有的一种带有失调电压校正功能的模拟信号处理电路如图1所示，包含开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，补偿电容Cm(对应容值也用Cm表示，以下类同)以及一个差分输入单端输出的放大器。电压信号Vin从正输入端输入，在输出端得到输出电压Vout。
对于现有的模拟信号处理电路，通常按照两个阶段来分析其消除失调电压的过程，从失调电压的角度来说，即失调电压的采集阶段和保持消除阶段，从信号传输的角度来说，是信号的采集阶段和保持放大阶段。在一个采样周期中，首先进入信号的采集阶段时，S2、S3、S5、S7闭合导通，S1、S4、S6打开关断，此时放大器接成单位增益缓冲器的形式，等效电路如图2，补偿电容跨接在输出端和地之间，输出电压等于输入失调电压Vos并存储于补偿电容Cm上。其次进入保持放大阶段时，S2、S3、S5、S7打开，S1、S4、S6闭合，等效电路如图3，补偿电容跨接在输出端和负输入端之间，此时与Vos幅度相等，方向相反的电压出现在负输入端，此时电压信号输入，在正输入端迭加Vos后又减去负输入端的Vos，等于为Vos被消除了。以上是未考虑负输入端对地寄生电容Cp的分析结果。不幸的是，考虑Cp重新分析后发现在第一时段到第二时段的切换时，Cp电压从Vos变为Vin，电容会被充电。这会给放大器的增益带来误差，该误差以相对值Cp/(Cp+Cm)来考量。在增益精度要求很高的场合，如规定增益误差不超过0.01％，即使Cp只有几个pF，Cm也要数万pF，这在容值最多只有几个fF/um^2的CMOS工艺中将会耗费惊人的面积。这是该技术的主要不足。
现有的另一种带有失调电压校正功能的模拟信号处理电路如图4所示，电路包含开关S10、S20、S30、S40、S50、S60、S70，补偿电容Cm1，电容C1、C2以及一个差分输入单端输出的放大器。和传统自调零技术一最大的区别是，输入电压信号从放大器负输入端输入，在输出端得到输出电压Vout，形成一个反相放大器，另外补偿电容跨接在正输入端和地之间。在一个采样周期中，第一阶段，S10、S30、S50、S60闭合，S20、S40、S70打开，此时放大器也接成单位增益缓冲器的形式，等效电路如图5，C1电容和输入相连采样输入电压，补偿电容跨接在输出端和地之间，输出电压和输入失调电压Vos幅度相等、方向相反，并存储于补偿电容Cm1上。第二阶段，S10、S30、S50、S60断开，S20、S40、S70闭合，等效电路如图6，补偿电容跨接在正输入端和地之间，此时与Vos幅度相等、方向相反的电压出现在正输入端，切换瞬间的输入电压值被冻结在C1上，加载Vos后又加载一个-Vos，同样等效为Vos被消除了。纯净的输入信号通过C1，C2及差分放大器组成的电荷放大器放大并输出，闭环增益由反馈网络C1，C2决定。同样不幸的是，正输入端寄生电容在两个阶段电压从Vos变为Vin，切换瞬间会被充电，这会导致在正输入端得到的-Vos出现误差，而不是精确的-Vos，该误差以Cp1/(Cp1+Cm1)考量。在要求较高的场合，同样需要一个大的补偿电容。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：现有技术中存在的差分放大器，其输入端在工作的过程中易受寄生电容的影响，在满足高增益精度要求的同时，无法避免对芯片的面积造成浪费。
为解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案：
一种模拟信号处理电路，包括差分放大器，所述差分放大器包括第一输入端，第二输入端以及输出端；其特征在于：所述模拟信号处理电路还包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第一电容和第二电容；外部模拟信号依次通过第一开关和第二开关与所述第一输入端相连；所述第二输入端与地连接；所述第一电容的上极板连接在第一开关和第二开关之间，所述第一电容的下极板与地连接；所述第三开关串接于差分放大器的第一输入端和输出端之间；所述第二电容的上极板与第一输入端相连接，所述第二电容的下极板通过第四开关与地串联；所述第二电容的下极板还通过第四开关与所述输出端串联；其中第一开关、第三开关和第四开关在信号采集阶段导通；第二开关和第五开关在保持放大阶段导通。
与现有技术相比，本发明所提供的一种模拟信号处理电路在整个采样-保持周期中，差分放大器第二输入端始终接地，电位没有变化；第一入端电位一直为Vos，也没有变化。这样正负输入端的寄生电容并没有充放电，既不会带来增益误差，也不会损害减小失调的效果。在提高了性能的基础上并未增加芯片的面积及功耗，还由于减少了开关的使用减少了开关噪声的影响，增强了放大电路的抗干扰性。
附图说明
图1为现有的一种带有失调电压校正功能的模拟信号处理电路；
图2为图1中所示电路处于信号采集阶段的等效电路图；
图3为图1中所示电路处于信号保持放大阶段的等效电路图；
图4为现有的另一种带有失调电压校正功能的模拟信号处理电路；
图5为图4中所示电路处于信号采集阶段的等效电路图；
图6为图4中所示电路处于信号保持放大阶段的等效电路图；
图7为本发明第一实施例的模拟信号处理电路图；
图8为本发明第一实施例处于信号采集阶段的等效电路图；
图9为本发明第一实施例处于信号保持放大阶段的等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例一：
如图7至9所示，为本发明提供的第一种模拟信号处理电路，包括差分放大器，所述差分放大器包括第一输入端，第二输入端以及输出端；所述模拟信号处理电路还包括：第一开关S100、第二开关S200、第三开关S300、第四开关S400、第五开关S500、第一电容C10和第二电容C20；外部模拟信号依次通过第一开关和第二开关与所述第一输入端相连；所述第二输入端与地连接；所述第一电容的上极板连接在第一开关和第二开关之间，所述第一电容的下极板与地连接；所述第三开关串接于差分放大器的第一输入端和输出端之间；所述第二电容的上极板与第一输入端相连接，所述第二电容的下极板通过第四开关与地串联；所述第二电容的下极板还通过第四开关与所述输出端串联；本实施例中的第一输入端为差分放大器的负输入端，第二输入端为差分放大器的正输入端；
在此同样按照两个阶段来分析其消除失调电压的过程，从失调电压的角度来说，即失调电压的采集阶段和保持消除阶段，从信号传输的角度来说，是信号的采集阶段和保持放大阶段。在一个采样周期中，首先进入信号的采集阶段时，第一开关S100、第三开关S300和第四开关S400在信号采集阶段导通；第二开关S200和第五开关S500关闭。此时的等效电路图如图8所示，此时外部模拟信号Vin和电容C10的上极板相连，C10中的电荷总量Q1＝C10*Vin.差分放大器接成单位增益缓冲器的形式，输入失调电压被采集后送到输出端，输出电压Vout＝Vos，并存储在电容C20上。接下来进入保持放大阶段，第一开关S100、第三开关S300和第四开关S400在信号采集阶段关闭；第二开关S200和第五开关S500在保持放大阶段导通。此时的等效电路如图9所示，电路接成电荷放大器的形式。和Vos幅度相等，方向相同的电压出现在放大器负输入端，相当于从输入端减去了一个Vos，相当于失调电压被调零了。此时电容C10连接在放大器负输入端和地之间，由于放大器的“虚短”特性，负输入端“虚地”，电容C10的上下极板电势差变为0，C10中的电荷被倒入已经跨接在负输入端和输出端之间的电容C2中，根据电荷守恒定律，Q1＝Q2即Vin*C10＝Vout*C20，从而得到***增益Vout/Vin＝C10/C20.***增益误差仅仅来源于电容的相对误差。在CMOS工艺中，该误差可以小到0.1％。
在整个采样-保持周期中，差分放大器正输入端始终接地，电位没有变化；负输入端电位一直为Vos，也没有变化。这样正负输入端的寄生电容并没有充放电，既不会带来增益误差，也不会损害减小失调的效果。在提高了性能的基础上并未增加芯片的面积及功耗，还由于减少了开关的使用减少了开关噪声的影响，增强了放大电路的抗干扰性。
在某些实施例中，第一输入端也可以为差分放大器的正输入端，第二输入端也可以为差分放大器的负输入端；其具体工作过程与实施例一类似，在此不再赘述。
Claims (3)
1.一种模拟信号处理电路，包括差分放大器，所述差分放大器包括第一输入端，第二输入端以及输出端；其特征在于：所述模拟信号处理电路还包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第一电容和第二电容；外部模拟信号依次通过第一开关和第二开关与所述第一输入端相连；所述第二输入端与地连接；所述第一电容的上极板连接在第一开关和第二开关之间，所述第一电容的下极板与地连接；所述第三开关串接于差分放大器的第一输入端和输出端之间；所述第二电容的上极板与第一输入端相连接，所述第二电容的下极板通过第四开关与地串联；所述第二电容的下极板还通过第四开关与所述输出端串联；其中第一开关、第三开关和第四开关在信号采集阶段导通；第二开关和第五开关在保持放大阶段导通。
2.根据权利要求1所述的模拟信号处理电路，其特征在于：所述第一输入端为差分放大器的正输入端，所述第二输入端为差分放大器的负输入端。
3.根据权利要求1所述的模拟信号处理电路，其特征在于：所述第一输入端为差分放大器的负输入端，所述第二输入端为差分放大器的正输入端。
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| CN108233884A (zh) * | 2017-12-12 | 2018-06-29 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 一种可调节信号且可编程的增益放大器电路及其控制方法 |
| CN109830215A (zh) * | 2019-02-20 | 2019-05-31 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种伽马校正电路、校正方法、源极驱动电路及显示面板 |
| CN116094512A (zh) * | 2023-02-01 | 2023-05-09 | 无锡宇宁智能科技有限公司 | 模拟直接加法电路及对应的电子设备 |
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2009
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