CN110098810A - 一种开关电容积分器 - Google Patents

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Abstract

一种开关电容积分器，包括：动态放大器，用于放大输入信号，包括运算放大模块，两加速模块以及尾电流偏置模块，其中，运算放大模块，用于提供预定的放大增益；两加速模块，用于增加所述放大模块的工作电流以增大运算放大模块的放大速度；尾部电流偏置模块，用于为运算放大模块提供偏置电流，以确定放大模块的直流工作点；两开关电容，分别设于运算放大模块的正向输入端与反向输入端，用于向运算放大模块输入输入信号；两积分电容，分别跨接于运算放大模块的正向输入端和反向输出端以及反向输入端和正向输出端，用于实现输入信号的积分。本发明提供的开关电容积分器，可以在不损害放大器线性度的前提下，加速积分器的建立，提高其建立精度。

Description

一种开关电容积分器
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种开关电容积分器。
背景技术
开关电容积分器在模拟滤波器、模拟数字转换器中有着广泛应用，传统的基于运算放大器的开关电容积分器功耗高，动态放大器没有静态功耗，其开关工作的特点，使其适合开关电容积分器。但普通的动态放大器在放大转移相的电容负载会要求放大器消耗更多的电流，才能具有足够的跨导，以达到建立精度要求，但会损害动态放大器的共模特性，影响线性度，由此可以看出开关电容积分器的建立精度和放大器线性度之间存在矛盾。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本发明提供了一种开关电容积分器，可以在不损害放大器线性度的前提下，加速积分器的建立，提高其建立精度。
(二)技术方案
一种开关电容积分器，包括：动态放大器，用于放大输入信号，包括运算放大模块，两加速模块以及尾电流偏置模块，其中，运算放大模块，用于提供预定的放大增益；两加速模块，用于增加所述放大模块的工作电流以增大运算放大模块的放大速度；尾部电流偏置模块，用于为运算放大模块提供偏置电流，以确定运算放大模块的直流工作点；两开关电容，分别设于运算放大模块的正向输入端与反向输入端，用于向运算放大模块输入输入信号；两积分电容，分别跨接于运算放大模块的正向输入端和反向输出端以及反向输入端和正向输出端，用于实现输入信号的积分。
可选地，运算放大模块包括四个MOS场效应管，分别为M1、M2、MC1以及MC2，以及两MOS开关Φrst，其中，M1与M2相邻，M1与M2的栅极分别为反向输入端和正向输入端，所述M1与M2的漏极相连，M1与M2的源极分别与MC1与MC2的漏极连接，MC1与MC2的源极分别为正向输出端和反向输出端，并分别通过一MOS开关Φrst与参考电压VDD连接，MC1与MC2的栅极相连。
可选地，运算放大模块还包括两偏置电容，分别为电容Cb1与电容Cb2，电容Cb1与电容Cb2串联，且电容Cb1的一端与正向输出端连接，电容Cb1的另一端与MC1或MC2的栅极连接；电容Cb2的一端与反向输出端连接，电容Cb2的另一端与MC1或MC2的栅极连接。
可选地，两加速模块中每一加速模块均包括第一MOS场效应管、第二MOS场效应管以及一MOS开关Φen，第一MOS场效应管和第二MOS场效应管的栅极相连后与地连接，第一MOS场效应管和第二MOS场效应管的源极与参考电压VDD连接，第一MOS场效应管的漏极与地连接，第二MOS场效应管的漏极通过MOS开关Φen与MC1或MC2的漏极连接。
可选地，尾电流偏置模块包括一MOS开关Φen，MOS场效应管MT1和MT2以及一电阻RB1，MT1和MT2的栅极连接后与电阻RB1的一端连接，MT1和MT2的漏极与地连接，MT1的源极与所述电阻RB1的一端连接，电阻RB1的另一端与一预设电压连接，MT2的源极通过MOS开关Φen与M1与M2的漏极连接。
可选地，每一开关电容包括一电容C，MOS开关Φ1，MOS开关Φ1e，MOS开关Φ2以及MOS开关Φ2e，电容C一端与MOS开关Φ1连接，另一端通过MOS开关Φ2e与运算放大模块的正向输入端或反向输入端连接，电容C的一端还通过MOS开关Φ2与第一共模输入电压连接，电容C的另一端还通过MOS开关Φ1e与第二共模输入电压连接。
可选地，还包括外置时钟，用于产生MOS开关Φ1、MOS开关Φ1e、MOS开关Φ2、MOS开关Φ2e、MOS开关Φrst以及MOS开关Φen的时钟信号。
可选地，外置时钟的工作频率为6.144MHz。
可选地，MOS开关Φ1e超前于MOS开关Φ1工作，其工作频率均为3.072MHz；MOS开关Φ2e超前于MOS开关Φ2工作，其工作频率均为3.072MHz。
可选地，MOS开关Φen连续工作于MOS开关Φrst之后，且MOS开关Φen和MOS开关Φrst的总工作区间与MOS开关Φ2或Φ2e的工作区间一致。
(三)有益效果
本发明提供了一种开关电容积分器，至少具有如下有益效果：
(1)本发明中采用的动态放大器，不存在大的负载电容，节省了电路的面积、复杂度并节省了无用的功率消耗；
(2)本发明中的动态放大器，将其中传统的PMOS负载改为了MOS开关，可以将放大器增益提高2倍左右，改善了积分器的精度；
(3)本发明中的动态放大器，包括加速模块，可以在保证动态放大器线性度的前提下，提高积分器的建立精度。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例的开关电容积分器的结构示意图；
图2示意性示出了本公开实施例的开关电容积分器的动态放大器的详细结构示意图；
图3示意性示出了本公开实施例的开关电容积分器的动态放大器外置时钟工作时序示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
开关电容积分器是一种常见的模拟电路模块，在模拟集成滤波器和模拟数字转换器中被广泛使用，传统的开关电容积分电路通常采用普通运算放大器作为有源放大元件，其功率开销往往很大，使用动态放大器可以减少积分器的功率消耗，但面临积分器的建立精度和放大器线性度之间的矛盾，本发明的示例性实施例中，提供了一种开关电容积分器，以解决积分器建立精度和放大器线性度之间的矛盾，具体如下。
一种开关电容积分器，参见图1，包括：动态放大器，包括运算放大模块，加速模块以及尾电流偏置模块，其中，运算放大模块，用于提供预定的增益以放大输入信号；两加速模块，用于增加放大模块的工作电流以增大运算放大模块的放大速度；尾部电流偏置模块，用于为运算放大模块提供偏置电流，以确定运算放大模块的直流工作点；两开关电容，分别设于运算放大模块的正向输入端与反向输入端，用于向运算放大模块输入输入信号；两积分电容，分别跨接于运算放大模块的正向输入端和反向输出端以及反向输入端和正向输出端，用于实现输入信号的积分。以下将对其进行详细介绍。
动态放大器，包括运算放大模块，加速模块以及尾电流偏置模块，其中，运算放大模块，用于提供预定的增益以放大输入信号；两加速模块，用于增加放大模块的工作电流以增大运算放大模块的放大速度；尾部电流偏置模块，用于为运算放大模块提供偏置电流，以确定运算放大模块的直流工作点；
具体的，参见图2，运算放大模块，包括四个MOS场效应管，分别为M1、M2、MC1以及MC2，以及两MOS开关Φrst，其中，四个MOS场效应管构成了共源共栅结构，可以在不引入额外极点的前提下，提供较大增益。与传统运算放大器相比，本发明实施例中的动态放大器不包括PMOS电流源负载，而由两个复位用MOS开关Φrst代替，用于将输出电压复位至电源电压，设置动态放大器工作的初始条件。M1与M2相邻设置，M1与M2的栅极分别为该运算放大模块的反向输入端和正向输入端，M1与M2的漏极相互连接，M1与M2的源极分别与MC1与MC2的漏极连接，MC1与MC2的源极分别为正向输出端和反向输出端，并分别通过一MOS开关Φrst与参考电压VDD连接，当MOS开关Φrst接通时，将运算放大模块的反向输出端和正向输出端复位至参考电压，MC1与MC2的栅极相互连接。
该运算放大模块还包括两偏置电容，分别为电容Cb1与电容Cb2，该两个偏置电容的电容较小，电容Cb1与电容Cb2串联，且电容Cb1的一端与正向输出端Von连接，电容Cb1的另一端与MC1或MC2的栅极连接；电容Cb2的一端与反向输出端Vop连接，电容Cb2的另一端与MC1或MC2的栅极连接。用于为MC1或MC2提供动态偏置电压，因其容值较小，不会恶化积分器的建立特性。
两加速模块，用于增加放大模块的工作电流以增大运算放大模块的放大速度；
具体的，两加速模块分别设于MC1的漏极和参考电压VDD以及与MC2的漏极和参考电压VDD之间。每一加速模块均包括第一MOS场效应管、第二MOS场效应管以及一使能MOS开关Φen，第一MOS场效应管、第二MOS场效应管构成电流镜，其设计具有M倍增益，可节省功耗。第一MOS场效应管和第二MOS场效应管的栅极相连后与地连接，第一MOS场效应管和第二MOS场效应管的源极与参考电压VDD连接，第一MOS场效应管的漏极与地连接，其中一第二MOS场效应管的漏极通过MOS开关Φen与MC1的漏极连接，另一第二MOS场效应管的漏极通过MOS开关Φen与MC2的漏极连接。该加速模块通过提供一个额外支路，可以使得输入MOS场效应管M1和M2的工作电流增加IA，但此电流不会影响输出共模电压的建立，从而在保证动态放大器线性度的前提下，增加MOS场效应管中输入管的跨导，改善积分器的建立特性。
尾部电流偏置模块，用于为运算放大模块提供偏置电流，以确定放大模块的直流工作点；
具体的，尾电流偏置模块包括一MOS开关Φen，MOS场效应管MT1和MT2以及一偏置电阻RB1，MOS场效应管MT1和MT2构成电流镜，MT1和MT2的栅极连接后与电阻RB1的一端连接，MT1和MT2的漏极与地连接，MT1的源极与电阻RB1的一端连接，电阻RB1的另一端与一预设电压连接，MT2的源极通过一MOS开关Φen与M1与M2的漏极连接。在MOS开关Φrst闭合时，开关将正向输出端Von和反向输出端Vop复位至参考电压VDD，随后当MOS开关Φen闭合时，尾电流偏置模块被接入电路，提供下沉电流，从而该动态放大器开始工作。
本发明实施例公开的动态放大器的工作相分为共模和差模两部分，就共模而言下沉电流会将Von和反向输出端Vop的电压拉低，直到一个合适的输出共模电压上，本发明实施例中优选为VDD/2，与此同时，输入差模信号，可以通过积分电容CInp和CInn上建立差模输出电压，完成积分功能。
两开关电容，分别设于运算放大模块的正向输入端与反向输入端，用于向运算放大模块输入输入信号；
具体的，两开关电容分别为正向输入端开关电容和反向输入端开关电容，正向输入端开关电容包括一电容C，MOS开关Φ1，MOS开关Φ1e，MOS开关Φ2以及MOS开关Φ2e，电容C一端与MOS开关Φ1连接，另一端通过MOS开关Φ2e与运算放大模块的正向输入端或反向输入端连接，电容C的一端还通过MOS开关Φ2与第一共模输入电压连接，电容C的另一端还通过MOS开关Φ1e与第二共模输入电压连接；反向输入端开关电容包括一电容C，MOS开关Φ1，MOS开关Φ1e，MOS开关Φ2以及MOS开关Φ2e，电容C一端与MOS开关Φ1连接，另一端通过MOS开关Φ2与运算放大模块的正向输入端或反向输入端连接，电容C的一端还通过MOS开关Φ2与第一共模输入电压连接，电容C的另一端还通过MOS开关Φ1e与第二共模输入电压连接。
两积分电容，分别跨接于运算放大模块的正向输入端和反向输出端以及反向输入端和正向输出端，用于实现输入信号的积分。
具体的，本发明实施例中的两积分电容分别为CInp和CInn，其中，CInp跨接于反向输入端和正向输出端之间，CInn跨接于正向输入端和反向输出端之间。
该开关电容积分器还包括一外置时钟FCLK，参见图3，用于产生MOS开关Φ1、MOS开关Φ1e、MOS开关Φ2、MOS开关Φ2e、MOS开关Φrst以及MOS开关Φen的时钟信号。本发明实施例中的外置时钟FCLK的频率为6.144MHz，MOS开关Φ1e超前于MOS开关Φ1工作，其工作频率均为3.072MHz；MOS开关Φ2e超前于MOS开关Φ2工作，其工作频率均为3.072MHz，可以满足对24KHz带宽的音频信号的64倍过采样率，MOS开关Φ1与MOS开关Φ2不交叠。MOS开关Φen连续工作于MOS开关Φrst之后，且MOS开关Φen和MOS开关Φrst的总工作区间与MOS开关Φ2或Φ2e的工作区间一致，可以保证采样电容和积分电容在接通瞬间不会由于电荷共享在输出节点发生大的瞬态电压的跌落。
本发明实施例提供的开关电容积分器为全差分结构，整个开关电容积分器的工作分为采样相和转移放大相，其中，采样相由MOS开关Φ1控制，转移放大相由MOS开关Φ2控制，电容C1和C2为采样电容，Φ1e和Φ1相比，边沿较早到来，可以减少电荷注入效应对线性度的影响，这是一种底板采样技术。采样电容C1、C2和积分电容CInp、CInn构成电容反馈网络，借助动态放大器较高的小信号电压增益，会在其输入端形成“虚短”效应，从而采样电容在采样相采集到的信号电荷会被迫转移到积分电容上，从而完成了积分功能。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明开关电容积分器有了清楚的认识。本发明实施例提供一种使用动态放大器的开关电容积分器，和传统放大器相比动态放大器的使用可以减少积分器的功率消耗。同时，本发明通过合适的时序安排，可以移除动态放大器的大负载电容，进一步减少了功耗。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开关电容积分器，包括：
动态放大器，用于放大输入信号，包括运算放大模块，两加速模块以及尾电流偏置模块，其中，运算放大模块，用于提供预定的放大增益；两加速模块，用于增加所述放大模块的工作电流以增大所述运算放大模块的放大速度；尾部电流偏置模块，用于为所述运算放大模块提供偏置电流，以确定所述运算放大模块的直流工作点；
两开关电容，分别设于所述运算放大模块的正向输入端与反向输入端，用于向所述运算放大模块输入所述输入信号；
两积分电容，分别跨接于所述运算放大模块的正向输入端和反向输出端以及反向输入端和正向输出端，用于实现所述输入信号的积分。
2.根据权利要求1所述的开关电容积分器，所述运算放大模块包括四个MOS场效应管，分别为M1、M2、MC1以及MC2，以及两MOS开关Φrst，其中，M1与M2相邻，M1与M2的栅极分别为所述反向输入端和正向输入端，所述M1与M2的漏极相连，所述M1与M2的源极分别与所述MC1与MC2的漏极连接，所述MC1与MC2的源极分别为所述正向输出端和反向输出端，并分别通过一MOS开关Φrst与参考电压VDD连接，所述MC1与MC2的栅极相连。
3.根据权利要求2所述的开关电容积分器，所述运算放大模块还包括两偏置电容，分别为电容Cb1与电容Cb2，所述电容Cb1与电容Cb2串联，且所述电容Cb1的一端与所述正向输出端连接，所述电容Cb1的另一端与所述MC1或MC2的栅极连接；所述电容Cb2的一端与所述反向输出端连接，所述电容Cb2的另一端与所述MC1或MC2的栅极连接。
4.根据权利要求2所述的开关电容积分器，所述两加速模块中每一加速模块均包括第一MOS场效应管、第二MOS场效应管以及一MOS开关Φen，所述第一MOS场效应管和第二MOS场效应管的栅极相连后与地连接，所述第一MOS场效应管和第二MOS场效应管的源极与所述参考电压VDD连接，所述第一MOS场效应管的漏极与地连接，所述第二MOS场效应管的漏极通过所述MOS开关Φen与所述MC1或MC2的漏极连接。
5.根据权利要求2所述的开关电容积分器，所述尾电流偏置模块包括一MOS开关Φen，MOS场效应管MT1和MT2以及一电阻RB1，所述MT1和MT2的栅极连接后与所述电阻RB1的一端连接，所述MT1和MT2的漏极与地连接，所述MT1的源极与所述电阻RB1的一端连接，所述电阻RB1的另一端与一预设电压连接，所述MT2的源极通过所述MOS开关Φen与所述M1与M2的漏极连接。
6.根据权利要求1所述的开关电容积分器，每一所述开关电容包括一电容C，MOS开关Φ1，MOS开关Φ1e，MOS开关Φ2以及MOS开关Φ2e，所述电容C一端与所述MOS开关Φ1连接，另一端通过所述MOS开关Φ2e与所述运算放大模块的正向输入端或反向输入端连接，所述电容C的一端还通过MOS开关Φ2与第一共模输入电压连接，所述电容C的另一端还通过MOS开关Φ1e与第二共模输入电压连接。
7.根据权利要求6所述的开关电容积分器，还包括外置时钟，用于产生所述MOS开关Φ1、MOS开关Φ1e、MOS开关Φ2、MOS开关Φ2e、MOS开关Φrst以及MOS开关Φen的时钟信号。
8.根据权利要求7所述的开关电容积分器，所述外置时钟的工作频率为6.144MHz。
9.根据权利要求7所述的开关电容积分器，所述MOS开关Φ1e超前于MOS开关Φ1工作，其工作频率均为3.072MHz；所述MOS开关Φ2e超前于MOS开关Φ2工作，其工作频率均为3.072MHz。
10.根据权利要求7或9所述的开关电容积分器，所述MOS开关Φen连续工作于MOS开关Φrst之后，且所述MOS开关Φen和MOS开关Φrst的总工作区间与所述MOS开关Φ2或Φ2e的工作区间一致。
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