基于相关双采样和静电保护的微弱电流积分电路及保护方法与流程

本发明涉及一种基于相关双采样和静电保护的微弱电流积分电路及保护方法，属于集成电路领域。

背景技术：

在半导体测量中，时常需要测量μa～pa级的微弱电流，电流的微弱是相对于噪声而言，微弱电流在检测过程中非常容易受到噪声和静电的干扰。噪声的来源一部分来自于外界噪声的影响，也有一部分来自于电路本身的失调、1/f噪声等低频噪声。

相关双采样电路通过复位和积分两个阶段，对采样电容进行充放电，得到信号电平与复位电平的差值，打破1/f噪声的时间相关性，但是开关电容在闭合和断开的同时又会带来电荷注入的影响，引起电容之间电荷变化，引入不必要的kt/c噪声以及失调。

输入微弱电流信号时，需要保证输入信号完整不受其他干扰，输入端一点微小的静电电流就会影响我们的输出结果，因此如何有效地实现静电保护成为我们设计的一大难点。

技术实现要素：

发明目的：针对上述检测微弱电信号时存在的问题，本发明提供一种基于相关双采样和静电保护的微弱电流积分电路及保护方法，采用静电保护电路保护内部电路，不受静电干扰，相关双采样电路将输入电流信号转换成采样电容上的电压，通过失调存储电容存储放大器的失调和低频噪声信息。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于相关双采样和静电保护的微弱电流积分电路，包括静电保护电路和相关双采样电路，静电保护电路的输出端与相关双采样电路的输入端相连，其中：

静电保护电路包括静电保护电阻resd、第一静电保护二极管dp、第二静电保护二极管dn、静电保护电容cesd，所述静电保护电阻resd的一端连接输入电流，另一端连接第一静电保护二极管dp的正极、第二静电保护二极管dn的负极、静电保护电容cesd的一端以及第一采样开关s1的输入端，所述第一静电保护二极管dp的负极连接电源电压，第二静电保护二极管dn的正极接地，静电保护电容cesd的另一端接地。

相关双采样电路包括运算放大器、电流源寄生电容cp、等效输入电容cin、反馈电容cf、负载电容cl、失调存储电容caz、采样电容ch、第一采样开关s1、第二采样开关s5、第一复位开关s2、第二复位开关s3和状态切换开关s4，等效输入电容cin的一端通过第一采样开关s1连接静电保护电路的输出端，并连接运算放大器负输入端和反馈电容cf的一端，另一端接地。反馈电容cf的一端通过第一复位开关s2后连接复位电平信号vref，其另一端连接运算放大器的输出端和负载电容cl以及失调存储电容caz的一端，并且通过第二复位开关s3连接复位电平信号vref。失调存储电容caz的另一端一方面通过状态切换开关s4连接复位电平信号vref，另一方面通过第二采样开关s5后与采样电容ch的一端相连。负载电容cl的另一端接地。采样电容ch的一端连接信号输出端，并且通过第二采样开关s5连接失调存储电容caz的一端，另一端连接复位电平信号vref；运算放大器的正输入端连接复位电平信号vref。

优选的：所述第一采样开关s1、第二采样开关s5、第一复位开关s2、第二复位开关s3和状态切换开关s4采用低漏电流开关。

一种采用基于相关双采样和静电保护的微弱电流积分电路的静电保护方法，包括三个阶段，分为清零阶段、自归零阶段以及放大阶段，各阶段方法如下：

清零阶段中，将第一复位开关s2、第二复位开关s3、状态切换开关s4闭合，第一采样开关s1、第二采样开关s5断开，将电路中的反馈电容cf、失调存储电容caz、采样电容ch连接复位电平信号vref，对反馈电容cf、失调存储电容caz、采样电容ch进行清零操作。

自归零阶段中，将状态切换开关s4闭合，第一复位开关s2、第二复位开关s3、第一采样开关s1、第二采样开关s5断开。放大器构成放大电路，放大等效输入电容cin上的电荷注入、放大器失调以及kt/c噪声，将放大结果存于失调存储电容caz中。

放大阶段中，将第一采样开关s1、第二采样开关s5闭合，第一复位开关s2、第二复位开关s3、状态切换开关s4断开，失调存储电容caz与采样电容ch连通，电流源通过闭合的第一采样开关s1送入放大器，对信号进行放大。

优选的：放大器的输出噪声为：

其中，vh(z)表示输出噪声，β为分压系数，β等于ch/(ch+caz)，ch表示采样电容，caz表示失调存储电容，vint(z)为电流在单周期内的积分，vopn(z)为放大器的等效输入电压噪声，cp表示电流源寄生电容，cf表示反馈电容，z表示将时域变化为复频域的z变换，cin表示等效输入电容，qnw,s1为开关s1断开时注入的kt/c噪声电荷，vnw,s4表示开关s4断开时注入的kt/c噪声电压，vnw,s5表示开关s5断开时注入的kt/c噪声电压，vhn(z)为放大器的输出噪声电压。

放大器的输出噪声电压：

其中，表示开关s1断开时的噪声电荷，表示开关s4断开时的噪声电压，表示开关s5断开时的噪声电压，k表示玻尔兹曼常数，t表示热力学温度，cmix表示caz前结点电路等效电容，α表示s5开关断开时在ch和caz之间分压。

根据allen方差公式，基于数据平均值计算出电流分辨率：

其中，表示电流分辨率，表示放大器输出噪声电压，π表示圆周率，δf表示频率变量，f-3表示-3db带宽，fs表示采样频率，ts表示采样时间，τ表示平滑时间。

优选的：时钟采用片外输入未知占空比方波时钟信号，包括二分频电路、四分频电路、非交叠时钟发生器以及宽度可控的脉冲发生器。第一采样开关s1、状态切换开关s4处于非交叠状态，状态切换开关s4由时钟φ2控制，包含清零阶段和自归零阶段两个阶段。第一复位开关s2和第二复位开关s3由时钟rst控制，同时闭合和断开，状态切换开关s4、第一复位开关s2和第二复位开关s3一同闭合，状态切换开关s4在自归零之后断开。第一采样开关s1和第二采样开关s5由时钟φ1控制，同时闭合和断开，在放大阶段将微弱电流转换为采样电容ch上的电压。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

1.本发明通过添加静电保护电路，消除静电干扰，保护微弱电信号完整；同时相关双采样电路将输入电流信号转换成采样电容上的电压，通过失调存储电容存储放大器失调和低频噪声信息。

2.本发明在清零阶段，电路中的电容连接复位电平信号，对所有电容进行复位；其次自归零阶段利用失调存储电容存储放大器的失调和低频噪声信息；放大阶段电流通过闭合的采样开关送入放大器，对信号进行放大。本发明采用静电保护电路保护内部电路不受静电干扰，相关双采样电路将输入电流信号转换成采样电容上的电压，通过失调存储电容存储放大器的失调和低频噪声信息，同时电路中的开关采用低漏电流开关结构，降低采样频率，从而获得更低电流分辨率，更低运放噪声。

附图说明

图1为本发明提出的基于相关双采样和静电保护的微弱电流积分电路的结构示意图。

图2为本发明提出的基于相关双采样和静电保护的微弱电流积分电路在实例中的开关切换时序图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示是本发明提出的基于相关双采样和静电保护的微弱电流积分电路，包括静电保护电路和相关双采样电路，静电保护电路的输出端与相关双采样电路的输入端相连。

静电保护电路包括静电保护电阻resd、第一静电保护二极管dp、第二静电保护二极管dn、静电保护电容cesd，静电保护电容cesd的一端接地，另一端连接静电保护二极管dp、dn和静电保护电阻resd，并且与第一采样开关s1输入端相连，连接相关双采样电路。

相关双采样电路包括运算放大器、电流源寄生电容cp、等效输入电容cin、反馈电容cf、负载电容cl、失调存储电容caz、采样电容ch、第一采样开关s1、第二采样开关s5、第一复位开关s2、第二复位开关s3和状态切换开关s4。等效输入电容cin的一端通过第一采样开关s1连接静电保护电路的输出端，并连接运算放大器负输入端和反馈电容cf的一端，另一端接地；反馈电容cf的一端通过第一复位开关s2后连接复位电平信号vref，其另一端连接运算放大器的输出端和负载电容cl以及失调存储电容caz的一端，并且通过第二复位开关s3连接复位电平信号vref；失调存储电容caz的另一端一方面通过状态切换开关s4连接复位电平信号vref，另一方面通过第二采样开关s5后与采样电容ch的一端相连；负载电容cl的另一端接地；采样电容ch的一端连接信号输出端，并且通过第二采样开关s5连接失调存储电容caz的一端，另一端连接复位电平信号vref。为最小化电流分辨率，降低运放噪声，电路中的第一采样开关s1、第二采样开关s5、第一复位开关s2、第二复位开关s3和状态切换开关s4应采用低漏电流开关。

在本发明另一实施例中，电路当中的开关采用低漏电流开关来降低电路中电流检测分辨率，最小化运放噪声。

下面结合开关时序设置详细说明本实施例的工作原理：

在电路工作过程中，将电路分为三个阶段：在第一步清零阶段(复位阶段)中，第一复位开关s2、第二复位开关s3、状态切换开关s4闭合，第一采样开关s1、第二采样开关s5断开，将电路中的电容连接复位电平信号vref，对电容进行清零操作。

第二个阶段自归零阶段，状态切换开关s4闭合，第一复位开关s2、第二复位开关s3、第一采样开关s1、第二采样开关s5断开。放大器构成放大电路，放大等效输入电容cin上的电荷注入、放大器失调以及kt/c噪声，将放大结果存于失调存储电容caz中。

第三阶段放大，第一采样开关s1、第二采样开关s5闭合，第一复位开关s2、第二复位开关s3、状态切换开关s4断开。失调存储电容caz的右端与采样电容ch的一端相连，电流源通过闭合的第一采样开关s1送入放大器，对信号进行放大。

静电保护电路利用二极管正向导通反向截止的特性，而当反偏电压继续增加时会发生雪崩击穿而导通，因此当外界有静电时电路中的静电保护二级管dp、dn会发生雪崩击穿而形成旁路通路保护了内部电路，为了增强esd能力添加静电保护电容cesd。

采样电容ch上的电压是由若干个分量的叠加：采样电容ch上一时刻电荷再分配；电流积分对采样电容ch充电；第一采样开关s1断开时引起的电荷注入，在s1闭合后，转移到反馈电容cf；第一采样开关s1断开时放大器的噪声对采样电容ch的影响；状态切换开关s4断开时冻结在失调存储电容caz上的噪声电荷，因电荷再分配，对采样电容ch充放电。

因此，放大器的输出噪声为：

其中β为分压系数，等于ch/(ch+caz)，vint为电流在单周期内的积分，vopn为放大器的等效输入电压噪声，qnw,s1为开关s1断开时注入的kt/c噪声电荷，vnw,s4，vnw,s5为开关s1\s4\s5断开时注入的kt/c噪声。

vhn(z)为放大器的输出噪声电压：

其中vint为电流在单周期内的积分，vopn为放大器的等效输入电压噪声，它包含1/f噪声和热噪声，还有极少量的1/fⁿ(n>2)噪声(随机游走的来源)。qnw,s1为开关s1断开时注入的kt/c噪声电荷，vnw,s4，vnw,s5为开关s1\s4\s5断开时注入的kt/c噪声。

其中cmix表示caz前结点电路等效电容，cmix＝cl+cf//cp。

其中α表示s5开关断开时在ch和caz之间分压，k表示玻尔兹曼常数，k＝1.38x10^-23j/k，t表示热力学温度。

根据allen方差公式，基于数据平均值可以计算出电流分辨率：

其中f-3表示-3db带宽，fs表示采样频率，ts表示采样时间，τ表示平滑时间。

从式(6)中可以看出，要想最小化电流分辨率，需要尽量最小化运放的电压噪声，-3db带宽，采样频率，减小寄生电容，增大平滑时间τ。采样频率越低，电流分辨率越好，但是采样频率收到开关本身的漏电的限制，因此需要设计超低漏电的开关。

本实施例中时钟采用片外输入未知占空比方波时钟信号，包括二分频电路、四分频电路、非交叠时钟发生器以及宽度可控的脉冲发生器。第一采样开关s1、状态切换开关s4处于非交叠状态，状态切换开关s4由时钟φ2控制，包含复位和自归零两个阶段。第一复位开关s2和第二复位开关s3由时钟rst控制，同时闭合和断开，状态切换开关s4与复位开关一同闭合，在自归零之后断开，第一采样开关s1和第二采样开关s5由时钟φ1控制，同时闭合和断开，在放大阶段将微弱电流转换为采样电容ch上的电压。

综上，本发明提出的基于相关双采样和静电保护的微弱电流积分电路，静电保护电路利用二极管正向导通反向截止，保护内部电路不受静电干扰；运用相关双采样电路利用失调存储电容来存储放大器失调和低频噪声信息，将微弱电流转换为采样电容上的电压。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。