专利名称：寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容积分器的制作方法
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、传感器网络等。在一定集成电路工艺技术条件下，可精确实现
的最小电容受到限制，如在0.35um工艺下可精确实现的最小电容值为 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，滤波器，数据转换器等。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，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^值不变的条件下，增加积 分电^M直才能实现小的增益系数，但是这样不仅仅增加了电路面积，而 且使其增益的精确性变差。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 不但能实现小比例增益系数，而且它对电容寄生效应不敏感，同时优化了 积分器电路面积，有效降低了电路的功耗。
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cj)，，积分 相位ch ，如图1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，Vjn 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ch时，输入电压ViN被电容Q采样。在釆样相位(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
厂 c zl
进而，传统开关电容积分器的时间常数为
1了
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 d/C2。在0.35urn工艺下最小精确的电#值为0.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的积分器，那只能通过增加积分电容C2到4pF来实现， 此时积分器采用的总电容为4.1pF,电路面积明显增加。而且由于两个电 容值匹配性变差，增益的精确性变差。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C2并不能随意增加，故传统开 关电容积分器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腸Capacitor Circuits"(《IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS》P 1210-1216， VOL.36, N0.9, SEPTEMBER 1989)中介绍了一种改进的开关电容同相积分器，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(JM时，电荷dVjN通过运算放大器传递到积分电容C2上。同时电容C3将在上个周期末釆样保存的输出电压信号VOUT ( n-1)与积分
电容C2重新进行分配。
2.在相位(J)2时，电容d通过运算放大器从积分电容C2上吸取电荷。 同时电容C3采样保存输出电压信号V0UT (n)，为下个周期转换做准备。 通过z域模型分析，现有技术中的改进开关电容同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同相积分器的时间常数为:
<formula>formula see original document page 5</formula>
为dC3/ C2(C2+C3)。同样在0.35um工艺下最小电^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C3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同相 积分器需要运算放大器整个周期都正常工作的。该技术中还提到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积分器。
一种寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容积分器，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； 与运算放大器的第一输入端相连的釆样电容；所述的釆样电容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 d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的连接的支路，该支路由相互串联的在釆样相
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。
输入信号共才莫电压VCM中所述的输入信号指输入电压V!n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积分 器。该电路包括 一个运算放大器Op-amp、三个电容和七个开关。电路 的一个工作周期包括两个非重叠相位采样相位(J)i和积分相位cJ)2。在电 路中，额外引入一个第三电容C3，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(1)2。积分器所 需要的非重叠相位时钟可参见图1。
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 外引入一个电容，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，该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,因此积分
器的功耗明显降低。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(clM)，积分相位(cj)》；
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同相积分器的电路图4为本发明的寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容积分器电路图。
具体实施例方式
本发明寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容积分器工作过程如
下
1. 在采样相位(()i时，第一开关、第四开关和第六开关接通，输入电
压ViN被采样电容C,和第三电容Q组成的串联电容采样。在采样相位(J),
结束时，采样电容d和第三电容C3上都存储着一定的电荷。
2. 在积分相位(J)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两端被短路，其上电荷被清零。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C,和第三电容C3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域才莫型分析，得到寄生效应不敏感、面积优化的小增益开关 电容积分器的传递函数为
c"q+C3)1-2-1 进而，寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容积分器时间常
数为
w 乂
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
(Q(d+C3))。同样在0.35um工艺下最小电^l值为O.lpF，电容<:2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1/40左右。 此时，d和C3取值都为O.lpF，积分器采用的总电容为2.2pF。该积分 器电路在采样相位ch时，关闭运算放大器；在积分相位cf)2让其工作。 从而达到了减少运算放大器工作时间，减少电路功耗的目的。
本发明公开的寄生效应不敏感、低功耗的小增益开关电容积分器与传 统的开关电容积分器在电路上相比，增加了一个额外的小电容和三个开 关，能实现增益为1/40以上的增益。它与现有^t支术中的改进开关电容积分 器相比，增加了四个开关，电路面积两者相近，但本发明可以只让电路中 运算放大器正常工作在积分相位cj)2相位，从而达到减少电路功耗的目的。 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。
全文摘要
本发明公开了小增益开关电容积分器，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第一开关和在积分相位接通输入信号共模电压的第二开关，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第三开关和与运算放大器第一输入端的连接的支路，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；第三电容的第一端接入第四开关和第五开关之间，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的第七开关。本发明积分器增益系数小且对电容寄生效应不敏感，降低了积分器的功耗。
文档编号H03K19/00GK101534098SQ20091009767
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