电荷域电流信号放大电路及采用该放大电路的检测电路的制作方法

本发明涉及一种小信号处理电路，具体来说是一种采用电荷域信号处理技术的电流信号放大电路。

背景技术：

随着数字信号处理技术的不断发展，电子系统的数字化和集成化是必然趋势。任何电子系统中，模拟小信号的检测放大都是重要环节，随着节能环保要求的日益提高，小信号检测放大处理电路的能耗也应当进一步优化，特别在便携式终端产品中，其功耗应该最小化。

现有的小信号放大电路主要基于运算放大器，有同相输入端和反相输入端，输入端的极性和输出端是同一极性的就是同相放大器，而输入端的极性和输出端相反极性的则称为反相放大器。如图1所示为常用电压反向放大器电路，因为运放输入端电压为零，又因为同相输入端接地，由此得出反相输入端实际上也是接地的。这就意味着所有的输入电压Vi跨接在电阻器R1两端，所有输出电压Vo跨接在电阻器R2两端。因此，流入反相输入端的电流之和是Vi/R1+Vo/R2＝0即Vo＝-R2/R1*Vi。因此，电压增益是G＝-(R2/R1)，即反馈电阻器的电阻除以输入电阻器的电阻的负值。

图2所示为常用的电流检测放大电路原理图。很多控制器接受来自各种检测仪表的0～20mA或4～20mA电流，电路将此电流转换成电压后再送ADC转换成数字信号，如图，4～20mA电流流过采样100Ω电阻Ri，在Ri上会产生0.4～2V的电压差。由虚断知，运放输入端没有电流流过，输入电流从0～20mA变化，则Vi＝(0.4～2)V，Vo＝-(0.4～2)R2/R1，若图2中R2/R1＝22k/10k＝2.2，则Vo＝-(0.88～4.4)V，即是说，将4～20mA电流转换成了-0.88～-4.4V电压，此电压可以送后续处理转换电路去处理。

上述电流检测放大电路的工作完全依赖与运算放大器的负反馈来保证信号放大的速度，对于理想运放，放大电路精度取决于电阻R2/R1的比值。实际电路中，运放的增益和带宽都是有限的，这取决于运放的增益带宽积，而高增益大带宽运放电路需要大量的功耗开销，因此设计新型电流小信号放大电路代替高功耗的基于运放的小信号放大电路很有现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种不使用高增益运放的新型低功耗电流小信号放大电路。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种电荷域电流小信号放大电路，其特征是包括：第一正端电荷存储节点、 第一负端电荷存储节点、第二正端电荷存储节点和第二负端电荷存储节点、一个连接在第一和第二正端电荷存储节点之间的正端电荷传输控制开关、一个连接在第一和第二负端电荷存储节点之间的负端电荷传输控制开关、连接到第一正端电荷存储节点的正端电容、连接到第二正端电荷存储节点的正端容值可编程电容、连接到第一负端电荷存储节点的负端电容、连接到第二负端电荷存储节点的负端容值可编程电容、连接到第一正端电荷存储节点的第一正端电压传输开关、连接到第一正端电荷存储节点的第二正端电压传输开关、连接到第二正端电荷存储节点的第三正端电压传输开关和连接到第二正端电荷存储节点的第四正端电压传输开关、连接到第一负端电荷存储节点的第一负端电压传输开关、连接到第一负端电荷存储节点的第二负端电压传输开关、连接到第二负端电荷存储节点的第三负端电压传输开关和连接到第二负端电荷存储节点的第四负端电压传输开关、连接到第一正端电压传输开关和第一负端电压传输开关之间的电流检测电阻；

所述电荷域电流小信号放大电路的连接关系为：正端电容的一端连接到第一正端电荷存储节点，另一端连接到电荷传输控制时钟Clk；正端容值可编程电容的一端连接到第二正端电荷存储节点，另一端连接到电荷传输控制时钟Clkn；正端电荷传输控制开关的控制端连接到传输信号Clkt，正端电荷传输控制开关两端连接到第一和第二正端电荷存储节点；第一正端电压传输开关的一端连接到第一正端电荷存储节点，另一端连接到输入电流输入端和电流检测电阻的上端，开关控制信号接Clks；第二正端电压传输开关的一端连接到第一正端电荷存储节点，另一端连接到基准电压1，开关控制信号接Clkr；第三正端电压传输开关的一端连接到第二正端电荷存储节点，另一端连接到基准电压2，开关控制信号接Clkr；第四正端电压传输开关的一端连接到第二正端电荷存储节点，另一端连接到正端输出电压V_op，开关控制信号接Clkt；负端电容的一端连接到第一负端电荷存储节点，另一端连接到电荷传输控制时钟Clk；负端容值可编程电容的一端连接到第二负端电荷存储节点，另一端连接到电荷传输控制时钟Clkn；负端电荷传输控制开关的控制端连接到传输信号Clkt，负端电荷传输控制开关两端连接到第一和第二负端电荷存储节点；第一负端电压传输开关的一端连接到第一负端电荷存储节点，另一端连接到输入电流输出端和电流检测电阻的下端，开关控制信号接Clks；第二负端电压传输开关的一端连接到第一负端电荷存储节点，另一端连接到基准电压1，开关控制信号接Clkr；第三负端电压传输开关的一端连接到第二负端电荷存储节点，另一端连接到基准电压2，开关控制信号接Clkr；第四负端电压传输开关的一端连接到第二负端电荷存储节点，另一端连接到负端输出电压V_on，开关控制信号接Clkt。

所述电荷域电流小信号放大电路，其特征是：在完成一次电流放大后，输入电流和输出电压之间的关系如下：

V_op-V_on＝-I_in·R_in·C₃₀₃/C₃₀₉

其中：C₃₀₃和C₃₀₉分别为正端电容和正端容值可编程电容的电容值，R_in为 电流检测电阻的大小。

一种使用电荷域电流小信号放大电路进行信号检测的电路，其特征是包括：传感器、电荷域电流小信号放大电路、模数转换器和控制电路；所述使用电荷域电流小信号放大电路进行信号检测的电路其连接关系为：传感器的输出电流I_i连接到电荷域电流小信号放大电路的电流输入端口，电荷域电流小信号放大电路的正端和负端电压输出端口将电压V_op和V_on输出到模数转换器的模拟电压差分输入端口，模数转换器的量化码输出端连接到控制电路的数字码输入端，控制电路的第一控制信号产生端口输出时钟Clkr到电荷域电流小信号放大电路的Clkr时钟输入端口，控制电路的第二控制信号产生端口输出时钟Clks到电荷域电流小信号放大电路的Clks时钟输入端口，控制电路的第三控制信号产生端口输出时钟Clk到电荷域电流小信号放大电路的Clk时钟输入端口，控制电路的第四控制信号产生端口输出时钟Clkn到电荷域电流小信号放大电路的Clkn时钟输入端口，控制电路的第五控制信号产生端口输出时钟Clkt到电荷域电流小信号放大电路的Clkt时钟输入端口和模数转换器的数据输出控制端。

一种使用电荷域电压小信号放大电路进行信号检测的使用方法，其特征是：首先控制电路的第一控制信号产生端口输出时钟Clkr控制电荷域电流小信号放大电路的状态进行复位；其次，控制电路的第二控制信号产生端口输出时钟Clks控制电荷域电流小信号放大电路对传感器输入电流信号I_i进行采样；再次，控制电路的第四和第四控制信号产生端口同时输出时钟Clk和Clkn控制电荷域电流小信号放大电路对采样得到的电流信号进行放大得到输出电压V_op和V_on；最后，控制电路的第五控制信号产生端口输出时钟Clkt控制电荷域电流小信号放大电路将正端和负端输出电压V_op和V_on输出给模数转换器，控制电路的第五控制信号产生端口同时还输出时钟Clkt控制模数转换器将接收到的电压进行模数转换并将转换得到的量化码输出到控制电路的数字码输入端。

本发明的优点是：所设计的小信号放大电路不使用高增益运放，具有低功耗和高速特点。

附图说明

图1为现有电压反向放大电路原理示意图。

图2为现有电流小信号检测放大电路原理示意图。

图3为本发明电荷域电流小信号放大电路原理图。

图4为本发明电荷域电流小信号放大电路工作波形图。

图5为本发明使用电荷域电流小信号放大电路进行信号检测的电路框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明优选实施方案进行详细说明。

图3所示为本发明电荷域电流小信号放大电路原理图。电荷域电流小信号放大电路包括：第一正端电荷存储节点Nip、第一负端电荷存储节点Nin、第二正端电荷存储节点Nop和第二负端电荷存储节点Non、一个连接在第一和第二正端电荷存储节点Nip和Nop之间的正端电荷传输控制开关301、一个连接在 第一和第二负端电荷存储节点Nin和Non之间的负端电荷传输控制开关302、连接到第一正端电荷存储节点Nip的正端电容303、连接到第二正端电荷存储节点Nop的正端容值可编程电容309、连接到第一负端电荷存储节点Nin的负端电容304、连接到第二负端电荷存储节点Non的负端容值可编程电容310、连接到第一正端电荷存储节点Nip的第一正端电压传输开关305、连接到第一正端电荷存储节点Nip的第二正端电压传输开关307、连接到第二正端电荷存储节点Nop的第三正端电压传输开关313和连接到第二正端电荷存储节点Nop的第四正端电压传输开关311、连接到第一负端电荷存储节点Nin的第一负端电压传输开关306、连接到第一负端电荷存储节点Nin的第二负端电压传输开关308、连接到第二负端电荷存储节点Non的第三负端电压传输开关314和连接到第二负端电荷存储节点Non的第四负端电压传输开关312、连接到第一正端电压传输开关305和第一负端电压传输开关306之间的电流检测电阻Rin。

上述电路的连接关系为：正端电容的一端连接到第一正端电荷存储节点，另一端连接到电荷传输控制时钟Clk；正端容值可编程电容的一端连接到第二正端电荷存储节点，另一端连接到电荷传输控制时钟Clkn；正端电荷传输控制开关的控制端连接到传输信号Clkt，正端电荷传输控制开关两端连接到第一和第二正端电荷存储节点Nip和Nop；第一正端电压传输开关的一端连接到第一正端电荷存储节点，另一端连接到输入电流输入端和电流检测电阻Rin的上端，开关控制信号接Clks；第二正端电压传输开关的一端连接到第一正端电荷存储节点，另一端连接到基准电压1，开关控制信号接Clkr；第三正端电压传输开关的一端连接到第二正端电荷存储节点，另一端连接到基准电压2，开关控制信号接Clkr；第四正端电压传输开关的一端连接到第二正端电荷存储节点，另一端连接到正端输出电压V_op，开关控制信号接Clkt；负端电容的一端连接到第一负端电荷存储节点，另一端连接到电荷传输控制时钟Clk；负端容值可编程电容的一端连接到第二负端电荷存储节点，另一端连接到电荷传输控制时钟Clkn；负端电荷传输控制开关的控制端连接到传输信号Clkt，负端电荷传输控制开关两端连接到第一和第二负端电荷存储节点Nin和Non；第一负端电压传输开关的一端连接到第一负端电荷存储节点，另一端连接到输入电流输出端和电流检测电阻Rin的下端，开关控制信号接Clks；第二负端电压传输开关的一端连接到第一负端电荷存储节点，另一端连接到基准电压1，开关控制信号接Clkr；第三负端电压传输开关的一端连接到第二负端电荷存储节点，另一端连接到基准电压2，开关控制信号接Clkr；第四负端电压传输开关的一端连接到第二负端电荷存储节点，另一端连接到负端输出电压V_on，开关控制信号接Clkt。

图4所示为图3所示电路的工作时序控制波形示意图。控制时钟Clk和Clkn为相位相反时钟，开关控制信号Clkr、Clks和Clkt为相位不交叠时钟。

在t0时刻以前，所有电荷存储节点上存储着各自独立的电荷，所有电压传输开关和电荷传输控制开关均处于关闭状态，电路处于未启动。

当t0时刻到来时，Clkr的状态发生变化，Clkr由低电平向高电平切换，第一正端电压传输开关307、第三正端电压传输开关311、第一负端电压传输开关 308和第三负端电压传输开关312导通；第一正端电荷存储节点Nip被第一正端电压传输开关复位到基准电压1Vr1；第二正端电荷存储节点Nop被第三正端电压传输开关复位到基准电压2Vr2；第一负端电荷存储节点Nin被第一负端电压传输开关复位到基准电压1Vr1；第二负端电荷存储节点Non被第三负端电压传输开关复位到基准电压2Vr2。

当t1时刻到来时，Clkr和Clks的状态发生变化，Clkr变为低电平，Clks由低电平向高电平切换；第一正端电压传输开关307、第三正端电压传输开关311、第一负端电压传输开关308和第三负端电压传输开关312关断，第二正端和负端电压传输开关导通；第一正端电荷存储节点Nip被第二正端电压传输开关连接到输入电压Vip；第一负端电荷存储节点Nin被第二负端电压传输开关连接到输入电压Vin；第二正端和第二负端电荷存储节点No保持Vr2不变。

当t2时刻到来时，控制时钟Clks、Clk和Clkn的状态发生变化，Clks变为低电平，Clkn由低电平向高电平切换，Clk由高电平向低电平切换，此时由于各电荷存储节点上连接的电容上所存储电荷不会发生突变，所有电荷存储节点上的电压就会发生阶跃变化，第一正端和第一负端电荷存储节点上的电压被拉低，而第二正端和第二负端电荷存储节点上的电压被拉高，由于此时电荷存储节点上的电荷不存在泄放通路，第一正端和第二正端电荷存储节点上的电压将保持不变并且存在一个明显的电压差，第一负端和第二负端电荷存储节点上的电压将保持不变并且也存在一个明显的电压差。

当t3时刻到来时，电荷传输控制开关的开关控制信号Clkt变为高电平，电荷传输控制开关301导通，第一正端和第二正端电荷存储节点间便存在一个电荷泄放通路，第一负端和第二负端电荷存储节点间便存在一个电荷泄放通路，由于此时电荷存储节点上的电压存在一个明显的电压差，即V_Nip小于V_Nop，V_Nin小于V_Non，该电压差的存在会导致存储节点之间产生感生电场，导致电荷存储节点上存储的电荷在感生电场的作用下发生转移，假设电荷以电子的形式运动，则会引起第一正端和第一负端电荷存储节点的电压升高，第二正端和第二负端电荷存储节的电压降低，随着电荷的不断转移两电荷存储节点之间的电压差不断减小，引起电荷存储节点之间的感生电场逐渐减小，电荷转移速度不断降低，电压变化速率也随之降低，若两个电荷传输控制开关一直导通，则该电荷传输转移过程将会一直持续，直到电荷存储节点Nip和Nop以及Nin和Non之间的电压相等，感生电场为0。

随着t4时刻的到来，Clkt变为低电平，电荷传输控制开关关断，电荷存储节点之间存在电荷泄放通路被断开，电荷存储节点之间的电荷转移工作结束。由于不存在泄放通路，电荷存储节点上的电压将保持不变。电荷由第一正端和第一负端电荷存储节点向第二正端和第二负端电荷存储节点的传输工作完成。

上述过程中，若电荷传输过程中没有损失，假设正端电容和正端容值可编程电容的电容值分别为C₃₀₃和C₃₀₉，根据电荷守恒定理，t₁到t₄之间电荷有效传输，计算C₃₀₃上传出的电荷Q_S。

Q_S＝C₃₀₉·(V_op-V_P)＝[(V_r1-V_ip)-(V_S-V_L)]·C₃₀₃ (1)

经整理后，可得：

Q_S＝-V_ip·C₃₀₃+Q_T (2)

其中，Q_T＝(V_L+V_r1-V_S)·C₃₀₃，V_L、V_P和V_S均为固定电压，V_L为t3时刻前Nip点的电压，V_P为t3时刻前Nop点的电压；V_S为t4时刻Nip点的电压。在电路完成设计之后，忽略基准电压变化带来的扰动，Q_T为一个常数。对公式(2)进行差分处理后，由于电路结构为差分结构，正端电容和负端电容的容值大小相等，正端和负端容值可编程电容的电容值也相等，Q_T将被消去，得到下式：

Q_S,diff＝-[V_in-V_ip]·C₃₀₃ (3)

V_on-V_op＝-[V_in-V_ip]·C₃₀₃/C₃₀₉ (4)

电压传输完成之后，输出电压与输入电压的关系同样为放大系数为-C₃₀₃/C₃₀₉的线性关系。

假设输入电流为I_in，输入电流流过电流检测电阻Rin会在Rin的上端电压V_ip和下端电压V_in之间得到一个差分压降V_id＝I_in*R_in＝V_ip-V_in，V_ip和V_in电压分别经正端和负端电荷域电压小信号放大电路进行放大处理，得到差分输出电压为V_op-V_on的电压信号。由于电路结构为差分结构，因此正端电容和负端电容的容值大小相等，正端和负端容值可编程电容的电容值也相等，电流检测电阻的大小为R_in，根据公式(5)，我们可以得到输入电流和输出电压之间的关系如下：

V_op-V_on＝-I_in·R_in·C₃₀₃/C₃₀₉ (5)

本发明中所述的电荷传输控制开关可以采用发明号为201010291245.6的发明专利中所述的实施方式来实现，所述的电压传输开关可以采用通用MOS管或者BJT开关实现。

图5为本发明使用电荷域电流小信号放大电路进行信号检测的电路框图。其电路结构包括：传感器、电荷域电流小信号放大电路、模数转换器(ADC)和控制电路。电路的连接关系为：传感器的输出电流I_i连接到电荷域电流小信号放大电路的电流输入端口，电荷域电流小信号放大电路的正端和负端电压输出端口将电压Vop和Von输出到模数转换器的模拟电压差分输入端口，模数转换器的量化码输出端连接到控制电路的数字码输入端，控制电路的第一控制信号产生端口输出时钟Clkr到电荷域电流小信号放大电路的Clkr时钟输入端口，控制电路的第二控制信号产生端口输出时钟Clks到电荷域电流小信号放大电路的Clks时钟输入端口，控制电路的第三控制信号产生端口输出时钟Clk到电荷域电流小信号放大电路的Clk时钟输入端口，控制电路的第四控制信号产生端口输出时钟Clkn到电荷域电流小信号放大电路的Clkn时钟输入端口，控制电路的第五控制信号产生端口输出时钟Clkt到电荷域电流小信号放大电路的Clkt时钟输入端口和模数转换器的数据输出控制端。

图5所示电路的工作时序完全和图4所示电路相同。电路的工作原理为：首先控制电路的第一控制信号产生端口输出时钟Clkr控制电荷域电流小信号 放大电路的状态进行复位；其次，控制电路的第二控制信号产生端口输出时钟Clks控制电荷域电流小信号放大电路对传感器输入电流信号I_i进行采样；再次，控制电路的第三和第四控制信号产生端口同时输出时钟Clk和Clkn控制电荷域电流小信号放大电路对采样得到的电流信号进行放大得到输出电压V_op和V_on；最后，控制电路的第五控制信号产生端口输出时钟Clkt控制电荷域电流小信号放大电路将正端和负端输出电压V_op和V_on输出给模数转换器，控制电路的第五控制信号产生端口同时还输出时钟Clkt控制模数转换器将接收到的电压进行模数转换并将转换得到的量化码输出到控制电路的数字码输入端。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。