寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容反相积分器的制作方法

文档序号:7525880阅读:270来源:国知局
专利名称:寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容反相积分器的制作方法
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反相积分器。
背景技术
开关电容积分器广泛应用于各种电子信号处理系统中,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g值受
到限制,如在0.35um工艺下可精确实现的电容值为O.lpF,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,这样就难以用 精确的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,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,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,有效减低了电路的低功耗。
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cJM ,积分 相位(|)2 ,如图l所示。传统开关电容积分器电路如图2所示。d是采样 电容,C2是积分电容,VcM是输入信号共模电压,INCM是运算放大器输 入共模电压,ViN是输入电压,VouT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(j),时,输入电压VjN被电容C!采样。在采样相位(])j 结束时,d上存储着一定的电荷。
2. 在积分相位(J)2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

进而,传统开关电容积分器的时间常数为
c2 1
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 CVC2。在0.351 11工艺下最小电#值为O.lpF,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Qj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"A Parasitic-Insensitive Area-Efficient Approach to Realizing Very Large Time Constants in Switched國Capacitor Circuits"(《IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITSANDSYSTEMS》P 1210-1216, VOL.36, NO.9, SEPTEMBER 1989)中介绍了一种改进的开关电容反相积分器,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(h时,电荷C,ViN通过运算放大器传递到积分电容C2上。
同时电容Q采样保存输出电压信号V0UT (n-l/2),为下半个周期转换做 准备。
2. 在相位(J)2时,电容Q通过运算放大器从积分电容C2上吸取电荷。同时电容C3将在上半个周期末采样保存的输出电压信号V0UT (n-1/2)与 积分电容C2重新进^f亍分配。
通过z域才莫型分析,现有技术中的改进开关电容反相积分器的传递函数
为<formula>formula see original document page 5</formula>
进而,现有技术中的改进开关电容反相积分器的时间常数为
<formula>formula see original document page 5</formula>
根据上述传递函数可得现有技术中的改进开关电容反相积分器的增益 为dC3/ C2(C2+C3)。同样在0.35urn工艺下最小电客取值为O.lpF,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,d和Cs取值都为O.lpF,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反相 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反相积 分器。
一种寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容反相积分器,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d的第一端分别接有在采样相位接通输入电压V!N的第一开关和在积分相位接通输入信号共模电压VcM的第二开关,采样电 容d的第二端分别接有在积分相位接通输入信号共才莫电压VCM的第三开 关和与运算放大器第一输入端相连接的支路,该支路由相互串联的在采样
相位接通的第四开关和在积分相位接通的第五开关构成;
设有第三电容C3,第三电容C3的第一端接入第四开关和第五开关之
间,第三电容C3的第二端分别接有在釆样相位接通输入信号共才莫电压VCM 的第六开关和在积分相位接通运算放大器第二输入端共才莫电压INCM的 第七开关;
设有第四电容C4,第四电容C4的第一端接入釆样电容d的第二端与
第四开关之间,第四电容C4的第二端接输入信号共才莫电压VCM。
输入信号共才莫电压VCM中所述的输入信号指输入电压V 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反相积
分器。该电路包括 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^和积分相位(1)2。在
电路中,额外引入两个电容C3和Q,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d) 2。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(J) 2。
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,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(J)2,进而降低了
积分器的功耗。本发明电路是一种寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关 电容反相积分器。


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((h),积分相位((h);
图2传统的开关电容积分器的电路图3现有技术中的改进开关电容反相积分器的电路图4为本发明的寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容反相积分器的
电路图。
具体实施例方式
本发明寄生效应不壽文感、低功耗的小增益开关电容反相积分器工作过 程如下
1. 在采样相位cJM时,第一开关、第四开关和第六开关接通,输入电
压VjN被采样电容Q,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(^结束时,采样电容Q,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4)2时,第二开关、第三开关、第五开关和第七开关接 通,采样电容d两端短路,其上电荷被清零。第四电容C4两端被连接到
共模电压,其上电荷也被清零。第三电容Q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d,第三电容C3和第四电容C4分配,实现了增益第一次缩小;然
后在积分相位只对第三电容C3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反相
积分器的传递函数为

^ 07 一_—^1^3__Z 2
C2(q+C3+C4)l-Z-1
进而,寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容反相积分器时间常
数为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dCV (C2 (Q+C3+Q))。同样在0.35um工艺下最小电容取值为O.lpF,电容 Qj,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,d和C3取值都为O.lpF, C2取值为2pF, Ct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d和Cs取值都为O.lpF, C2和Q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C2和C3,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。
该积分器电路在采样相位(JM时,关闭运算放大器,仅仅在积分相位(J)2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反相积分器 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 关电容反相积分器相比,增加了四个开关和一个的额外电容,电路面积有 所增加。但并没有增加运算放大器的有效负载电容,而且本发明只让电路 中运算放大器正常工作在积分相位(h,从而减少电路工作时间,降低了 电路功耗。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。
权利要求
1、一种寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容反相积分器,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);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(VIN)的第一开关和在积分相位接通输入信号共模电压(VCM)的第二开关,采样电容(C1)的第二端分别接有在积分相位接通输入信号共模电压(VCM)的第三开关和与运算放大器第一输入端相连接的支路,该支路由相互串联的在采样相位接通的第四开关和在积分相位接通的第五开关构成;设有第三电容(C3),第三电容(C3)的第一端接入第四开关和第五开关之间,第三电容(C3)的第二端分别接有在采样相位接通输入信号共模电压(VCM)的第六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)的第七开关;设有第四电容(C4),第四电容(C4)的第一端接入采样电容(C1)的第二端与第四开关之间,第四电容(C4)的第二端接输入信号共模电压(VCM)。
全文摘要
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反相积分器,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输入信号共模电压的开关,采样电容的第二端分别接有在积分相位接通输入信号共模电压的开关和与运算放大器第一输入端相连接的支路,该支路由相互串联的在采样相位接通的开关和在积分相位接通的开关构成;第三电容的第一端接入支路的两个开关之间,第三电容的第二端分别接有在采样相位接通输入信号共模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,第四电容的第一端接入采样电容的第二端,第四电容的第二端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,功耗比较低。
文档编号H03K19/00GK101534097SQ20091009767
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月16日 优先权日2009年4月16日
发明者吴晓波, 建 徐, 锋 易, 赵梦恋 申请人:浙江大学;亚德诺半导体技术(上海)有限公司
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