专利名称：比率独立的开关电容放大器和其操作方法
技术领域：
本发明涉及开关电容(sc)放大器，尤其是，涉及能高速操作的比率独立的sc放大器。
背景技术：
比率独立的放大器用于双倍放大(即，以增益2进行放大)两个输入信 号之间的差值，而不考虑不匹配的电容比。例如， 一个传统的SC放大器中 的两个电容器可被设计为具有一比一的比率。然而，由于器件的公差存在误 差，实现精确的一比一的电容比是困难的。结果，传统的SC放大器不可能 输出具有精确增益的放大信号。因此，比率独立的SC放大器的方案提供能 不考虑器件公差输出具有双倍增益的放大信号的电路。比率独立的开关电容放大器可用于需要具有双倍增益的放大器的电路 中。例如，通常，循环模拟-数字转换器和/或流线模拟-数字转换器可能包含 放大器电路。循环模拟-数字转换器和/或流线模拟-数字转换器可能用到比率 独立的开关电容放大器来双倍放大输入信号之间的差值。传统的比率独立的开关电容放大器可包含运算放大器、电容器和反馈电 容器。尽管在附图中没有显示，但是，电容器连接在运算放大器的反相端， 反馈电容器连接在放大器的输出端以形成反馈回路。在第一阶段，比率独立的开关电容放大器在采样电容器上采集/加载 (charge)输入电压，并在第二阶段释放采样电容器上加载的电压(或电荷) 到反馈电容器。即，在第二阶段，储存在采样电容器上的电荷被送到反馈电 容器。然后，在第三阶段输入电压再次向采样电容器充电，并在第四阶段将 储存在采样电容器上的电荷释放到反馈电容器。按照上述的方法步骤，比率 独立的开关电容放大器可以在一个电容器中存储双倍的基于输入电压的电 荷，结果在该电容器上可具有双倍的电荷增益。比率独立的开关电容放大器可需要四个操作阶段，包括两个采样阶段以
获得双倍增益。因此，传统的方法步骤有一个缺点，即它可能不适用于需要 高速放大运算的应用。发明内容本发明的一些实施例提供了比率独立的开关电容放大器，其包括用于 采集第 一输入电压作为第 一采样电压和在第 一输入电压^f皮切断的时间间隔内使第一采样电压的电平变为双倍的第一采样电路；用于采集第二输入电压作 为第二采样电压和在第二输入电压被切断的时间间隔内使第二采样电压的电 平变为双倍的第二采样电路；用于输出双倍的第 一采样电压和双倍的第二采 样电压之间的差值的差分放大器电路。根据本发明进一步的实施例， 一种操作比率独立的开关电容放大器的方 法包括采集第一输入电压作为第一采样电压；釆集第二输入电压作为第二 采样电压；在第一输入电压被切断的时间间隔内使第一采样电压的电平变为 双倍；在第二输入电压被切断的时间间隔内使第二采样电压的电平变为双倍； 和输出第 一采样电压和第二采样电压之间的差值。本发明的另一个进一步的实施例提供了操作比率独立的开关电容放大器 的方法，其包括采集第一输入电压作为第一采样电压和第一反相电压；采 集第二输入电压作为第二采样电压和第二反相电压；在第一输入电压被切断的时间间隔内反馈第 一反相电压以使第 一采样电压的电平变为双倍；在第二 输入电压被切断的时间间隔内反馈第二反相电压以使第二采样电压的电平变 为双倍；和输出第一采样电压和第二采样电压之间的差值。
包含的附图用于对本发明更进一步的理解，与本申请合为 一体并构成了 本申请的一部分，阐明了本发明的特定实施例。在附图中图1是根据本发明的一些实施例的比率独立的开关电容放大器的电路图。图2是图1中所示的比率独立的开关电容放大器的时序图。 图3是用于描述图1中所示的比率独立的开关电容放大器的第一采样操 作的开关状态的图。图3A是图3中的电路的等效电路图。
图4是用于描述图1中所示的比率独立的开关电容放大器的第一放大操 作的开关状态的图。图4A是图4中的电路的等效电路图。图5是用于描述图1中所示的比率独立的开关电容放大器的第二采样操 作的开关状态的图。图5A是与图5中的电路的等效电路图。图6是用于描述图1中所示的比率独立的开关电容放大器的第二放大操 作的开关状态的图。图6A是与图6中的电路的等效电路图。
具体实施方式
现在参照显示了本发明的具体实施例的附图将在下文中更全面地描述本 发明的实施例。然而，可以以许多不同的方式实施本发明，并且本发明不应 该被解释为限制到这里所述的实施例。更合适地，提供这些实施例从而使本 公开彻底和完整，全面地向本领域技术人员表达本发明的范围。类似的标记 始终表示类似的元件。可以理解的是，尽管这里的术语第一、第二等可用于表述不同的元件， 但是这些元件并不受这些术语的限制。这些术语仅仅用于将一个元件与另一 个元件区别开。例如，在不背离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称 为第二元件，而，类似地，第二元件能被称为第一元件。这里使用的术语"和 /或"包括一个或多个所列关联项的任意和所有组合。这里使用术语的目的仅仅是为了描述特定实施例，而不是限制本发明。 这里使用的单数形式"一"，"一个"和"这个"意欲包含复数形式，除非上 下文中已经另外清楚地说明。更进一步地理解，这里采用的术语"包含"、"包 括"、"由......组成"和/或"由......构成"说明了所述的特征、整数、步骤、运算、元件和/或组件的存在，但是不排除其中存在或附加一个或多个其他的 特征、整数、步骤、运算、元件、组件和/或组。除非另有说明，这里采用的所有的术语(包括技术术语和科学术语)具 有本发明所属领域的普通技术人员公知的含义。更进一步地理解，这里采用 的术语应该被解释为在本说明书的内容中的含义与相应领域的含义一致，除 非这里特别地说明，不被解释为一个理想的或极端形式的含义。 图1是根据本发明的一些实施例的比率独立的开关电容放大器的电路图。参照图1,根据本发明的一些实施例的比率独立的开关电容放大器100 可包含差分放大器电路10、第一采样电路20、和第二采样电路30。第一采样电路20可包含第一采样部分201、第二采样部分202、和第一 反馈部分203,该第二采样电路30可包含第三采样部分301、第四采样部分 302、和第二反馈部分303。第一和第二采样部分201和202分别由输入电压 Vwp激活并与地电压GND连接。第三和第四采样部分301和302分别由输入电压VwM激活并与地电压GND连接。输入电压V證和V!NM可具有相同的幅值和不同的相位。第一采样部分201包含第一采样电容器C1A(以下，简称为采样电容器) 以及开关SA、S1A和S2B,第三采样部分301可包含第三采样电容器C1A，(以 下，筒称为采样电容器)以及开关SA，、 S1A，和S2B，。第二采样部分202可包 含第二采样电容器C1B (以下，简称为釆样电容器)以及开关SB、 S1B和 S2A,第四采样部分302可包含第四采样电容器C1B，(以下，简称为采样电 容器)以及开关SB，、 S1B，和S2A，。第一反馈部分203可包含第一反馈电容器C2(以下，简称为反馈电容器) 以及开关S1和S2，第二反馈部分303可包含第二反馈电容器C2，(以下，筒 称为反馈电容器)以及开关S1，和S2'。第一和第二采样电路20和30中的电容器C1A、 C1A，、 C1B、 C1B，、 C2 和C2，可具有同样的电容量。第一和第二采样电路20和30分别响应于输入电压V證和VwM同时操 作。因此，第一和第三采样部分201和301、第二和第四采样部分202和302、 以及第一和第二反馈部分203和303分别同时操作。由于第一和第二采样电 路20和30同时操作，开关S1、 S2、 SA、 SB、 S1A、 S1B、 S2A和S2B分别 与开关S1'、 S2'、 SA，、 SB，、 S1A，、 S1B，、 S2A，和S2B，相对应操作。具体地， 开关S1和S1'、开关S2和S2'、开关SA和SA，、开关SB和SB，、开关S1A 和S1A，、开关S1B和S1B，、开关S2A和S2A，、以及开关S2B和S2B，分别 同时操作。当第一和第三采样部分201和301分别响应于相应的输入电压V^p和 VwM被激活时，第二和第四采样部分202和302被去激活。当第一和第三采 样部分201和301分别被输入电压Vtnp和ViNM激活时，它们采样相应的输入电压V，和V^m。与此同时，在第一和第二反馈部分203和303中感应出电 荷。感应的电荷与第一和第三采样部分201和301中所充的电荷数量相等， 且具有相对于第一和第三采样部分201和301中的电荷相反的极性。相应于 各自的采样部分201和301中的电荷的电压作为第一采样电压，相应于各自 的反馈部分203和303中的电荷的电压作为第 一反相电压。然后，输入电压V證和Vwm被切断，存储在各自的第一和第二反馈部分 203和303中的电荷被分别释放到第一和第三采样部分201和301。与此同时， 不执行采样搡作的第二和第四采样部分202和302可分别释放其中存储的任 何电荷(例如，来自上一个采样操作的电荷)到地电压GND。因此，依靠第一和第二反馈部分203和303提供的电荷，相应于输入电 压Vwp和VwM的双倍数量的电荷被分别加载到第一和第三采样部分201和 301。因此使第一采样电压变为双倍。差分放大器电路IO可通过它的同相和反相输出端(+,-)输出第一和第 三釆样部分201和301的电压之间的差值。此时，来自差分放大器电路10的 电压与输入电压V，和VrNM的差值比较是双倍的。即，比率独立的开关电容 放大器100使输入电压之间的差值双倍放大并分别通过同相和反相端输出放 大信号。因此，比率独立的开关电容放大器100可具有双倍的增益。由差分 放大器电^各10的同相和反相端产生的信号Vop和Vom可具有相同的幅值和不 同的相位。第一和第三采样部分201、 301采集完输入电压之后，第二和第四采样部 分202和302响应于相应的输入电压V證和VwM分别被激活，第一和第三采 样部分201和301 ;波去激活。分别由输入电压Vmp和Vjnm激活的第二和第四 采样部分202和302采集相应的输入电压VINP和V^m。与此同时，电荷被感 应到第一和第二反馈部分203和303。感应到第一和第二反馈部分203、 303 的电荷与加载到第二和第四采样部分202和302的电荷数量相同、极性相反。 与各自的采样部分202和302的电荷相应的电压被称为第二采样电压，与各 自的反馈部分203和303的电荷相应的电压,皮称为第二反相电压。随后，切断输入电压V證和Vinm，第一和第二反馈部分203和303中相 应的电荷分别被释放到第二和第四采样部分202和302。因此，相对于输入 电压V歸和VINM的双倍数量的电荷被分别加载到第二和第四采样部分202和 302。第二采样电压因此而被变为双倍。与此同时，被去激活的采样部分201和301可分别释放其中存储的任何电荷到地电压GND。差分放大器电路IO可通过它的同相和反相输出端(+,-)输出第二和第 四采样部分202和302的电压之间的差值。此时，差分放大器电路10的电压 与输入电压V證和VINM的差值比较是双倍的。即，比率独立的开关电容放大 器100使得输入电压之间的差值双倍放大并分别通过同相和反相输出端输出 放大的信号。因此，比率独立的开关电容放大器100可具有双倍的增益。差 分放大器电路10的同相和反相端的信号Vop和Vom可具有相同的幅值和不同 的相位。如上所述,.根据本发明的实施例的比率独立的开关电容放大器100可响 应于第一和第二输入电压并可通过第一和第三采样部分201和301以及第一 和第二反馈部分203和303执行第一采样操作和第一放大操作从而获得双倍 的增益。被去激活的采样电路202和302中储存的电荷在第一放大操作中可 被释放到地电压GND。随后，比率独立的开关电容放大器IOO响应于第一和 第二输入电压并通过第二和第四采样电路202和302以及第一和第二反馈部 分203和303执行第二采样操作和第二放大操作从而获得双倍的增益。被去 激活的采样电路201和301中储存的电荷可在第二放大操作中被释放到地电 压GND。然后比率独立的开关电容放大器IOO可重复上述的第一、第二采样 和放大操作。因此，比率独立的开关电容放大器IOO可设置为在一个采样阶段和一个 放大阶段使输入信号/电压之间的差值双倍放大。比率独立的开关电容放大器 100通过一个采样阶段和一个放大阶段来双倍放大输入电压/信号之间的差 值。这意味着根据本发明实施例的比率独立的开关电容放大器100能够仅仅 通过两个阶段(一个采样阶段和一个放大阶段)更高速地处理输入信号。以下，参照图2到6A描述根据本发明的一些实施例的比率独立的开关 电容放大器的详细操作过程。图2是图1所示的比率独立的开关电容放大器的时序图。图3是用于描 述图1中所示的比率独立的开关电容放大器的第一采样操作的开关状态的 图。图3A是图3中所示电路的等效电路图。参照图2、 3和3A更全面地描 述比率独立的开关电容放大器的第 一采样操作。设在图2所示的时间间隔A执行采样操作，比率独立的开关电容放大器10
100的开关S1、 S1A和SA是闭合的(即，接通)，而开关S2、 SB、 S1B、 S2A 和S2B是开路的(即，切断)。因此，第一采样部分201中的采样电容器C1A 的一端通过开关S1A连接到输入电压VINP，而其另一端通过开关SA连接到 差分放大器电路10的反相输入端。采样电容器C1A的另一端通过开关SA和 Sl连接到第一反馈部分203中的反馈电容器C2的一端。第一反馈部分203中的开关S1分别连接到反馈电容器C2的两端。反馈 电容器C2的一端连接到差分放大器电路10的反相输入端，而反馈电容器C2 的另一端通过开关Sl连接到差分放大器电路10的同相输出端。即反馈回路 通过反馈电容器C2形成，而节点(即，同相输入端)变为虚地点。采用这样的构造，当第一采样部分201响应于输入电压Vinp而^f皮激活时， 相应于输入电压V證的电荷Ql被加载到第一采样部分201中的采样电容器 C1A上，而第一反馈部分203中的反馈电容器C2被充有与采样电容器C1A 上的电荷的极性相反的感应电荷。第 一反馈部分203中的反馈电容器C2上的 感应电荷归因于第一采样部分201中的采样电容器C1A上的电荷Ql,使得 反馈电容器C2通过输入电压V脾被加载了与采样电容器C1A上的Ql数量 相等的电荷Q2。如果输入电压Vwp是正电压，第一采样部分201中的加载了电荷Ql的 采样电容器C1A的一端变成正的，而采样电容器C1A的另一端变成负的。 由于电容器C1A的另 一端变成负的，第二反馈电容器C2的另 一端变成正的， 即，与采样电容器C1A的另一端的极性相反。由于第一反馈部分203中反馈 电容器C2的另一端变成正的，反馈电容器C2的一端变成负的。因此，第一 采样部分201中的采样电容器ClA上的电荷在数量上与第 一反馈部分203的 反馈电容器C2上的相等而具有相反的极性。第一和第三采样部分201和301、第二和第四采样部分202和302、第一 和第二反馈部分203和303分别同时操作。因此，在比率独立的开关电容放 大器IOO的第一采样操作中，开关Sl'、 S1A，和SA，是闭合的(即，接通)， 而开关S2'、 SB，、 S1B，、 S2A，和S2B，是开路的(即,切断)。第一采样部分301中的采样电容C1A，和第二反馈部分303的反馈电容器 C2，的、根据输入电压VINM的响应于第二采样电路30中的开关S1' 、 S2， 、 SA，、 SB，、 S1A，、 S1B，、 S2A，和S2B，的接通/切断状态的充电操作与采样电容器C1A 和反馈电容器C2的根据输入电压V證的响应于第一采样电路20中的开关Sl、 S2、 SA、 SB、 S1A、 S1B、 S2A和S2B的接通/切断状态的充电操作相似。 然而，由于输入电压VINP和具有相同的幅值和相反的极性，当输入电压Vwp是正的时，输入电压VwM是负的。如果输入电压V^M是负的，加载了电荷Q1的第三采样部分301中的采样电容器C1A，的一端变成负的，而另一端 变成正的。由于电容器C1A，的另一端是正的，第二反馈部分303中的第二反 馈电容器C2，的另一端与釆样电容器C1A，的另一端的极性相反，变成负的。 由于第二反馈部分303中的反馈电容器C2，的另一端变成负的，反馈电容器 C2，的一端变成正的。因此，第三采样部分301中的采样电容器C1A，被加载了相应于输入电 压V,丽的电荷.Ql,而第二反馈部分303中的反馈电容器C2，被加载了极性与 采样电容器C1A，上的电荷Ql相反的电荷Q2,电荷Q2在数量上与采样电容 器C1A'上的电荷Q1相等。图4是用于描述图1中所示的比率独立的开关电容放大器的第一放大操 作的开关状态的图。图4A是图4中的电路的等效电路图。参照图2、 4和4A 更全面地描述比率独立的开关电容放大器的第 一 放大操作。设在图2所示的时间间隔A执行放大操作，开关S2、 S2A和SA是闭合 的(即，接通)，而开关S1、 SB、 S1A、 S2B和S1B是开路的(即，切断)。因此，第一反馈部分203中的两个开关S2分别连接到第二反馈电容器 C2的两端。第二反馈电容器C2的一端通过开关S2与差分放大器电路10的 反相输入端连接，而第二反馈电容器C2的另一端通过开关S2与地电压GND 连接。第二反馈电容器C2的所述一端通过开关S2和SA与第一采样部分201 中的第一采样电容器C1A的另一端连接。由于第一采样电容器C1A的一端 通过开关S2A与同相输出端连接而第一采样电容器C1A的另一端通过开关 SA与差分放大器电路10的反相输入端连接，差分放大器电路10通过第一采 样电容器C1A形成了反馈回路。这时，第二采样部分202中的两个开关S2A 分别连接到采样电容器C1B的两端，而采样电容器C1B的两端分别通过开关 S2A与地电压GND连接。在第一放大操作中，第一采样部分201的第一采样电容器C1A被加载了 与第一反馈部分203的第二反馈电容器C2相比数量相等而极性相反的电荷。 设输入电压VINP是正的，第一采样部分201中的第一采样电容器C1A的一 端是正的而另一端是负的。因此，第一反馈部分203中的第二反馈电容器C2
的另一端被加载正电荷，即，与第一采样电容器C1A的另一端的电荷极性相反，而第二反馈电容器C2的一端是负的。这样，在比率独立的开关电容放大 器100的第一放大操作中，在第二反馈电容器C2的另一端的正电荷通过开关 S2被释放到地电压GND。由于在第二反馈电容器C2的另一端的正电荷通过 开关S2被释放到了地电压GND,第二反馈电容器C2的一端的负电荷通过开 关S2和SA被释放到第一采样部分201的第一采样电容器C1A上。即，第 二反馈电容器C2的一端上的负电荷通过开关S2和SA被转移到了第一采样 部分201的第一采样电容器C1A上。由于第一采样电容器C1A由第二反馈 电容器C2提供负电荷，第一采样电容器C1A上的电荷(Ql+Q2)与在比率 独立的开关电容放大器100的第一釆样操作中的第一采样电容器C1A上的电 荷Ql相比较是双倍的。第一和第三采样部分201和301、第二和第四采样部分202和302、以及 第一和第二反馈部分203和303分别同时运行。因此，在比率独立的开关电 容放大器100的第一放大操作中，第二采样电路30中的开关S2，、 S2A，和SA， 是闭合的(即,接通)，而开关S1'、 SB，、 S1A'、 S2B，和S1B，是打开的(即, 切断)。尽管相位相反，但根据第二采样电路30中的开关Sl'、 S2，、 SA，、 SB，、 S1A，、 S1B，、 S2A，和S2B，的接通/切断的状态由第二反馈部分303中的反馈电 容器C2，释放的电荷被加载到第三采样部分301中的采样电容器C1A，上的这 样的操作相似于根据第一采样电路20中的开关Sl、 S2、 SA、 SB、 S1A、 S1B、 S2A和S2B的接通/切断的状态由第一反馈部分203中的反馈电容器C2释放 的电荷被加载到第 一 采样部分2 01中的采样电容器C1A上的操作。因此，由于第三采样部分301中的采样电容器C1A，被加载了由第二反馈 部分303中的反馈电容器C2，释放的电荷Q2，，第二采样部分301中的采样电 容器C1A，上的电荷(Ql，+Q2，)与在比率独立的开关电容放大器100的第一 采样操作中的第二采样部分301中的采样电容器C1A，上的电荷Ql，相比是双 倍的。结果，比率独立的开关电容放大器100的第一放大操作中的采样电容器 C1A和C1A，上的电荷数量与比率独立的开关电容放大器100的第一采样操作 中的釆样电容器C1A和C1A，上的电荷数量相比是双倍的。在比率独立的开关电容放大器IOO的第一放大操作中，差分放大器电路10的反相输入端和同相输出端通过第一采样部分201中的采样电容器C1A形 成了一个反馈回路，而同相输入端和反相输出端通过第三采样部分301中的 采样电容器C1A，形成了一个反馈回路。因此，差分放大器电路10分别输出 采样电容器C1A和C1A，的电压差值到同相和反相输出端。这时，来自差分 放大器电路10的电压与输入电压V脾和V!丽之间的差值相比是双倍的。即， 比率独立的开关电容放大器100双倍放大了输入电压VINP和VINM之间的差值 并分别通过同相和反相输出端输出放大信号。因此，比率独立的开关电容放 大器IOO具有双倍的增益。来自同相输出端的信号Vop与来自反相输出端的 信号Vqm相比具有相同的幅值和相反的相位。比率独立的开关电容放大器100通过在图2所示的时间间隔A中的一个 采样操作和一个放大操作双倍放大了输入电压/信号之间的差值。为了双倍放大输入电压/信号之间的差值，放大器100采用了 一个采样操作和一个放大操 作。这意味着由于通过两个阶段获得双倍增益，在某些实施例中与传统的开 关电容放大器相比以更高的速度处理输入信号是可能的。第一放大操作之后，比率独立的开关电容放大器IOO重复上述采样和放 大操作。然而，由于采样电容器C1A和C1A，在第一放大操作完成之后被加 载了电荷，在再次使用采样电容器C1A和C1A，执行采样和放大操作之前， 采样电容器C1A和C1A，中的电荷可以-波释放。因此，在时间间隔A中的第一放大操作中，比率独立的开关电容放大器 100通过开关S2A将第二采样部分202中的采样电容器C1B上的电荷释放到 地电压GND,并通过开关S2A，将第四采样部分302中的采样电容器C1B，上 的电荷释放到地电压GND。然后，在放大器IOO的第二采样操作中，可以使 用在放大器100的第一放大操作中放电的釆样电容器C1B和C1B，。下面将 更全面地进行描述。图5是一个用于描述图1中所示的比率独立的开关电容放大器的第二采 样操作的开关状态的图。图5A是图5中的电路的等效电路图。参照图2、 5 和5A更全面地描迷比率独立的开关电容放大器的第二采样操作。设在图2所示的时间间隔BA中执行第二采样操作，比率独立的开关电 容放大器100的开关Sl、 S1B和SB是闭合的(即，接通)而开关S2、 SA、 S1A、 S2A和S2B是开路的(即，切断)。因此，第二采样部分202中的第一 采样电容器C1B的一端通过开关S1B与输入电压ViNP连接，而它的另一端
通过开关SB与差分放大器电路10的反相输入端连接。采样电容器C1B的另 一端通过开关SB和SI也与第一反馈部分203中的第二反馈电容器C2的一 端连接。第一反馈部分203中的开关S1分别连接到第二反馈电容器C2的两 端。第二反馈电容器C2的一端通过开关Sl连接到差分放大器电路10的同 相输出端，而第二反馈电容器C2的另一端通过开关S1连接到差分放大器电 路10的反相输入端。即，通过第二反馈电容器C2形成了一个反馈回路，节 点(即，同相输入端)是虚地点。采用这种构造，当第二采样部分202响应 于输入电压Vwp被激活，相应于输入电压Vwp的电荷Ql被加载到第二采样 部分202中的第一采样电容器C1B上，而第一反馈部分203中的第二反馈电 容器C2被加载一个感应电荷，这个感应电荷具有与第一采样电容器C1B上 的电荷Q1相反的极性。第一反馈部分203中的第二反馈电容器C2上的感应 电荷归因于第一采样电容器C1B上的电荷Ql,从而第二反馈电容器C2通过 输入电压V證被加载了与第一采样电容器C1B上加载的电荷Ql数量相等的 电荷Q2。如果输入电压V^p是正电压，加载了电荷Q1的第二采样部分202中的 第一采样电容器C1B的一端变成正的，而第一采样电容器C1B的另一端变成 负的。由于采样电容器C1B的另一端变成负的，第一反馈部分203中的第二 反馈电容器C2的另一端变成正的，即，与采样电容器C1B的另一端相反。 由于第二反^t电容器C2的另一端变成正的，第二反^t电容器C2的一端变成 负的。因此，第二采样部分202中的第一采样电容器C1B上的电荷与第一反 馈部分203中的反馈电容器C2上的电荷在数量上相等，而具有相反的极性。第一和第三采样部分201和301、第二和第四采样部分202和302、以及 第一和第二反馈部分203和303分别同时运行。因此，在比率独立的开关电 容放大器100的第二采样操作中，开关Sl，、 S1B，和SB，是闭合的(即，接通)， 而开关S2'、 SA，、 S1A，、 S2A，和S2B，是开路的(即，切断)。在第二采样电路30中的开关Sl'、 S2，、 SA，、 SB，、 S1A，、 S1B，、 S2A， 和S2B，的接通/切断状态下与输入电压VjNM相关的、第四采样部分302中的 采样电容器C1B，的和第二反馈部分303中的反馈电容器C2，的充电操作与响 应于第一釆样电路20中的开关Sl、 S2、 SA、 SB、 S1A、 S1B、 S2A和S2B 的接通/切断的、与输入电压V^p相关的第二采样部分202中的采样电容器 C1B的和第二反馈部分203中的反馈电容器C2的充电操作相似。然而，由
于输入电压V脾和VNM具有相同的幅值和相反的极性，当输入电压Vwp是 正的时，输入电压V!画是负的。如果输入电压V!而是负的，加载了电荷Q1的第四采样部分302中的采样电容器ClA，的一端变成负的，而它的另 一端变 成正的。由于采样电容器C1A，的另一端变成正的，第二反馈部分303中的第 二反馈电容器C2，的另一端与采样电容器C1A，的另一端相反，变成负的。由 于第二反馈部分303中的反馈电容器C2，的另一端变成负的，反馈电容器C2' 的一端变成正的。因此，第四采样部分302中的采样电容器C1B^皮加载了相应于输入电压 VINM的电荷Ql，，而第二反馈部分303中的反馈电容器C2，被加载了极性与采 样电容器C1B，相反而数量与采样电容器C1B，中电荷相等的电荷Q2'。图6是用于描述图1中所示的比率独立的开关电容放大器的第二放大操 作的开关状态的图。图6A是图6中的电路的等效电路图。参照图2、 6和6A 更全面地描述比率独立的开关电容放大器的第二放大操作。当在图2所示的时间间隔B执行第二放大操作时，开关S2、 S2B和SB 是闭合的(即，接通)，而开关S1、 SA、 S1A、 S2A和S1B是开路的(即， 切断)。因此，第一反馈部分203中的两个开关S2分别与第二反馈电容器C2的 两端连接。第二反馈电容器C2的一端通过开关S2与差分放大器电路10的 反相输入端连接，而第二反馈电容器C2的另一端通过开关S2与地电压GND 连接。第二反馈电容器C2的一端通过开关S2和SB与第二采样部分202中 的采样电容器C1B的另一端连接。由于第二采样部分202中的采样电容器 C1B的一端通过开关S2B连接到同相输出端而采样电容器C1B的另一端通过 开关SB连接到差分放大器电路10的反相输入端，差分放大器电路10通过 采样电容器C1B形成了一个反馈回路。这时，第一采样部分201的两个开关 S2B分别连接到采样电容器C1A的两端，而电容器C1A的两端分别通过开 关S2B与地电压GND连接。在比率独立的开关电容放大器100的第二采样操作中，第二采样部分202 中的第 一采样电容器C1B被加载了与第 一反馈部分203中的第二反馈电容器 C2相比数量相等而极性相反的电荷。如果输入电压V證是正的，第一采样电 容器C1B的一端是正的而它的另一端是负的。因此，第一反馈部分203中的 第二反馈电容器C2的另一端与第一采样电容器C1B的另一端相反，是正的，
而第二反馈电容器C2的一端是负的。这样，在比率独立的开关电容放大器100的第二放大搡作中，第一反馈部分203中的第二反馈电容器C2的另 一端上的正电荷通过开关S2被释放到 地电压GND。由于第二反馈电容器C2的另一端上的正电荷通过开关S2被释 放到了地电压GND,第二反馈电容器C2的一端的负电荷通过开关S2和SB 被释放到第二采样部分202中的第二采样电容器C1B上。即，第二反馈电容 器C2的一端的负电荷通过开关S2和SB被转移到了第二采样部分202的第 一采样电容器C1B上。由于第二采样部分202中的第一采样电容器C1B #皮提 供了第二反馈电容器C2上的负电荷，第一采样电容器C1B上的电荷(Ql+Q2 ) 与在比率独立的开关电容放大器100的第二采样操作中的第一采样电容器 C1B上的电荷Ql相比是双倍的。第一和第三采样部分201和301、第二和第四采样部分202和302、以及 第一和第二反馈部分203和303分别同时运行。因此，在比率独立的开关电 容放大器IOO的第二放大操作中，开关S2，、 S2A，和SA，是闭合的(即，接通)， 而开关S1'、 SB，、 S1A，、 S2B，和S1B，是开路的(即，切断)。尽管相位相反，其中根据第二采样电路30中的开关Sl，、 S2'、 SA，、 SB，、 S1A，、 S1B，、 S2A'和S2B，的接通/切断的状态由第二反馈部分303中的反馈电 容器C2，释放的电荷Q2，被加载到第四采样部分302中的采样电容器C1B，上 的这样的操作，与其中根据第一采样电路20中的开关Sl、 S2、 SA、 SB、 S1A、 S1B、 S2A和S2B的接通/切断的状态由第一反馈部分203中的反馈电容器C2 释放的电荷Q2被加载到第二采样部分202中的采样电容器C1B上的搡作相 似。因此，由于第四采样部分302中的采样电容器C1B，被加载了由第二反馈 部分303中的反馈电容器C2，释放的电荷Q2',采样电容器C1B，上的电荷 (Ql，+Q2，)与在比率独立的开关电容放大器100的第二采样操作中的采样电 容器C1B，上的电荷Ql，相比是双倍的。在比率独立的开关电容放大器100的第二放大操作中的采样电容器C1B 和C1B，上的电荷的数量与比率独立的开关电容放大器IOO的第二采样操作中 的采样电容器C1B和C1B，上的电荷的数量相比是双倍的。在比率独立的开关电容放大器IOO的第二放大操作中，差分放大器电路 10的反相输入端和同相输出端通过第二采样部分202中的采样电容器C1B形 成了一个反馈回路，而同相输入端和反相输出端通过第四采样部分302中的 采样电容器C1B，形成了一个反馈回路。因此，差分放大器电路10分别输出 采样电容器C1B和C1B，的电压差值到同相和反相输出端。这时，来自差分 放大器电路10的电压与输入电压V，和VINM之间的差值相比是双倍的。即， 比率独立的开关电容放大器100双倍放大了输入电压Vinp和Vinm之间的差值 并分别通过同相和反相输出端输出放大信号。因此，比率独立的开关电容放 大器100具有双倍的增益。来自同相输出端的信号Vop与来自反相输出端的信号VoM具有相同的幅值和相反的相位。在第二放大操作中，比率独立的开关电容放大器100通过开关S2B将储 存在第一采样部分201中的采样电容器C1A上的电荷释放到地电压GND并 通过开关S2A，将储存在第三采样部分301中的采样电容器C1A，上的电荷释放 到地电压GND。因此，比率独立的开关电容放大器100通过在图2所示的时间间隔B中 的一个采样操作和一个放大操作双倍放大了输入电压/信号之间的差值。为了 双倍放大了输入电压/信号之间的差值，放大器100采用了一个采样操作和一 个放大操作。这意味着由于通过两个阶段获得双倍的增益，因此高速地处理 输入信号可能的。结果，比率独立的开关电容放大器100通过采用采样电容器C1A和C1A， 和反馈电容器C2和C2，的采样和放大操作获得了双倍的增益。当使用采样电 容器C1A和C1A，和反馈电容器C2和C2，进行放大操作时，比率独立的开关 电容放大器100将采样电容器C12B和C12B，上的电荷释放到地电压GND。 在下一个阶段，比率独立的开关电容放大器100通过使用放电的采样电容器 C12B和C12B，和反馈电容器C2和C2，执行采样和放大操作获得双倍的增益。 当使用采样电容器C12B和C12B，和反馈电容器C2和C2，执行放大操作时， 比率独立的开关电容放大器100将采样电容器C1A和C1A，上的电荷释放到 地电压GND。随后，如图2所示，比率独立的开关电容放大器100在时间间 隔A和B中重复采样和放大操作。在附图和说明书中，尽管使用了特殊的术语，但是已经披露了本发明的 典型的实施例，它们仅仅用于普通的和描述性的意义而非限制性的目的，本 发明的范围将在下面的权利要求中阐明。
权利要求
1.一种比率独立的开关电容放大器，包括第一采样电路，用于采集第一输入电压作为第一采样电压并在其采样之后使第一采样电压的电平变为双倍；第二采样电路，用于采集第二输入电压作为第二采样电压并在其采样之后使第二采样电压的电平变为双倍；以及差分放大器电路，用于输出双倍的第一采样电压和双倍的第二采样电压之间的差值。
2. 根据权利要求1所述的比率独立的开关电容放大器，其中第二输入 电压与第一输入电压具有相同的幅值和相反的相位，其中第一和第二采样电 路设置为同时执行采样操作。
3. 根据权利要求1所述的比率独立的开关电容放大器，其中第一采样 电路包括第一采样部分，用于采集第一输入电压；第二采样部分，用于在第一采样部分去激活的时间间隔里采集第一输入 电压；禾口第一反馈部分，用于在第一和第二采样部分两者的任何一个的采样操作 中产生与第 一采样电压具有相同幅值和相反相位的第 一反相电压，其中第 一反馈部分设置为在第 一输入电压的切断时间间隔内提供第一 反相电压给第一和第二采样部分中的一个。
4. 根据权利要求3所述的比率独立的开关电容放大器，其中第一采样 部分设置为响应于第 一反馈部分提供的第 一反相电压使第 一采样电压的电 平变为双倍。
5. 根据权利要求3所述的比率独立的开关电容放大器，其中第二采样 部分设置为响应于第 一反馈部分提供的第 一反相电压使第 一采样电压的电 平变为^M咅。
6. 根据权利要求3所述的比率独立的开关电容放大器，其中第二采样 部分设置为当第 一采样部分由第 一反馈部分提供第 一反相电压时将其中储 存的电荷释放到地电压。
7. 根据权利要求3所述的比率独立的开关电容放大器，其中第一采样 部分设置为当第二采样部分由第 一反馈部分提供第 一反相电压时将其中储 存的电荷释放到地电压。
8. 根据权利要求3所述的比率独立的开关电容放大器，其中第一和第 二采样部分设置为顺序激活。
9. 根据权利要求1所述的比率独立的开关电容放大器，其中第二釆样电^各包^舌第三采样部分，用于采集第二输入电压；第四采样部分，用于在第三采样部分去激活的时间间隔里采集第二输入 电压；和第二反馈部分，用于在第三和第四采样部分两者的任何一个的采样操作 中产生与第二采样电压具有相同幅值和相反相位的第二反相电压，其中第二反馈部分设置为在第二输入电压的切断时间间隔内提供第二 反相电压给第三和第四采样部分中的一个。
10. 根据权利要求9所述的比率独立的开关电容放大器，其中第三采样 部分设置为响应于第二反馈部分提供的第二反相电压使第二采样电压的电 平变为^U咅。
11. 根据权利要求9所述的比率独立的开关电容放大器，其中第四采样 部分设置为响应于第二反馈部分提供的第二反相电压使第二采样电压的电 平变为双倍。
12. 根据权利要求9所述的比率独立的开关电容放大器，其中第四采样 部分设置为当第三采样部分由第二反馈部分提供第二反相电压时将其中储 存的电荷释放到地电压。
13. 根据权利要求9所述的比率独立的开关电容放大器，其中第三采样 部分设置为当第四采样部分由第二反馈部分提供第二反相电压时将其中储 存的电荷释放到地电压。
14. 根据权利要求9所述的比率独立的开关电容放大器，其中第三和第 四采样部分设置为顺序激活。
15. —种操作比率独立的开关电容放大器的方法，包括采集第一输入电压作为第一采样电压； 采集第二输入电压作为第二采样电压；在第一输入电压被切断的时间间隔内使第一采样电压的电平变为双倍； 在第二输入电压被切断的时间间隔内使第二采样电压的电平变为双倍；和输出第一采样电压和第二采样电压之间的差值。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中第二输入电压与第一输入电压 具有相同的幅值和相反的相位。
17. 根据权利要求15所述的方法，其中采集第一输入电压和采集第二 输入电压同时执行，并同时使第一采样电压的电平和第二采样电压的电平变 为双倍。
18. 根据权利要求15所述的方法，进一步包括产生与第一输入电压具 有相同幅值和相反相位的第一反相电压。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中使第一采样电压的电平变为双 倍包括反馈第 一反相电压以使第 一采样电压的电平变为双倍。
20. 根据权利要求15所述的方法，其中采集第一输入电压包括顺序地 激活第一和第二采样部分。
21. 根据权利要求20所述的方法，其中将储存在第一和第二采样部分 中被去激活的一个中的电荷释放到地电压。
22. 根据权利要求15所述的方法，其中采集第二输入电压包括采集与 第二输入电压具有相同幅值和相反相位的第二反相电压。
23. 根据权利要求15所述的方法，其中使第二采样的电平变为双倍包 括反馈第二反相电压以使第二采样电压的电平变为双倍。
24. 根据权利要求15所述的方法，其中采集第二输入电压包括顺序地 激活第三和第四采样部分。
25. 根据权利要求24所述的方法，其中将第三和第四采样部分中被去 激活的 一个中的电荷释放到地电压。
全文摘要
一种比率独立的开关电容放大器包括用于采集第一输入电压作为第一采样电压和在第一输入电压被切断的时间间隔内使第一采样电压的电平变为双倍的第一采样电路；用于采集第二输入电压作为第二采样电压和在第二输入电压被切断的时间间隔内使第二采样电压的电平变为双倍的第二采样电路；以及用于输出第一采样电压和第二采样电压之间的差值的差分放大器电路。
文档编号H03F3/45GK101166016SQ200710194418
公开日2008年4月23日 申请日期2007年10月22日 优先权日2006年10月20日
发明者咸锡宪, 李廷桓, 林承贤, 韩囝熙 申请人:三星电子株式会社