一种带斩波的开关电容积分器的制作方法

本实用新型涉及一种开关电容积分器，特别涉及一种带斩波的开关电容积分器，适用于 sigma-delta调制器，属于微电子技术领域。

背景技术：

目前，sigma-delta调制器是一种非常适合高分辨率的数模转换器。通过过采样和噪声整形技术，可以实现高信噪比的有效带宽，广泛应用于高质量的数字音频、医疗电子、马达驱动器等。

采用传统的sigma-delta调制器在一个时钟周期内只能进行一次采样/积分，而sigma-delta调制器需要数以万计的数据进行统计平均，当采用的有用数据越多，经调制后还原的信号分辨率越高，随着所需数据的增多，调制器工作时间会增长。若在一个时钟周期内能实现采样两次，积分和采样的时间可以增加一倍，有利于降低运放指标，从而降低运放功耗；外部时钟也可以降低一倍，可降低时钟信号干扰。

sigma-delta调制器特有的过采样和噪声整形技术可将绝大多数的量化噪声推至有效带宽之外，带内残余的量化噪声和由电路的不完全匹配等带来的噪声仍不能忽视。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型旨在实用新型一种开关电容积分器，既能提高积分器的采样率，又能减小甚至消除内残余的量化噪声和由电路的不完全匹配等带来的噪声。

为了实现以上目的，本实用新型的技术方案如下：一种带斩波的开关电容积分器，包括采样模块和积分模块，所述采样模块包括第一斩波子电路和采样子电路，所述积分模块包括积分子电路和第二斩波子电路。

所述第一斩波子电路第一输入端连接同相输入电压信号，第二输入端连接反相输入电压信号，第一斩波子电路配合采样子电路，对同相、反相输入端的电压信号进行采样。

所述采样子电路的第一输入端、第二输入端、第三输入端和第四输入端分别与所述第一斩波子电路的第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端连接，并在第一斩波子电路的斩波时序的配合下，输出对应时刻同相、反相输出端的采样信号。

所述积分子电路的第一输入端、第二输入端、第三输入端和第四输入端分别与采样子电路的第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端连接，并在第二斩波子电路的配合下输出积分子电路的第一输出端和第二输出端的积分结果。

所述第二斩波子电路的第一输入端和第二输入端分别与所述积分子电路中的第三输出端和第四输出端连接；所述第二斩波子电路的第一输出端和第二输出端分别与所述积积分子电路的第一输出端和第二输出端连接。

进一步地，第一斩波子电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4与所述第一斩波子电路的第一输入端相互连接；所述第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8与第一斩波子电路的第二输入端相互连接；所述第一开关管Q1的控制端的控制信号与所述第五开关管 Q5的控制端的控制信号相同，它们均连接时钟脉冲信号；所述第一开关管Q1的另一端、所述第六开关管Q6的另一端与所述第一斩波子电路的第一输出端相互连接；所述第二开关管 Q2的控制端的控制信号与所述第六开关管Q6的控制端的控制信号相同，它们均连接时钟脉冲信号；所述第二开关管Q2的另一端、所述第五开关管Q5的另一端与所述第一斩波子电路的第二输出端相互连接；所述第三开关管Q3的控制端的控制信号与所述第七开关管Q7的控制端的控制信号相同，它们均连接时钟脉冲信号；所述第三开关管Q3的另一端、所述第八开关管Q8的另一端与所述第一斩波子电路的第四输出端相互连接；所述第四开关管Q4的控制端的控制信号与所述第八开关管Q8的控制端的控制信号相同，它们均连接时钟脉冲信号；所述第四开关管Q4的另一端、所述第七开关管Q7的另一端与所述第一斩波子电路的第三输出端相互连接。

进一步地，所述采样子电路包括第九开关管Q9、第十开关管Q10、第十一开关管Q11、第十二开关管Q12及第一采样电容C1、第二采样电容C2、第三采样电容C3和第四采样电容 C4，所述第九开关管Q9的一端、所述第一采样电容C1的下极板与所述第一斩波子电路的第一输出端相互连接；所述第九开关管Q9的控制端、第十二开关管Q12的控制端相同，它们均连接时钟脉冲信号；所述第九开关管Q9的另一端、采样电容C2的下极板与所述第一斩波子电路的第二输出端相互连接；所述第十开关管Q10的一端、所述采样电容C3的下极板与所述第一斩波子电路的第三输出端相互连接；所述第十开关管Q10的控制端、所述第十一开关管 Q11的控制端相同，它们均连接时钟脉冲信号；所述第十开关管Q10的另一端、采样电容C4 的下极板与所述第一斩波子电路的第四输出端相互连接；采样电容C1的上极板、所述第十一开关管Q11的一端与所述采样子电路的第一输出端相互连接；所述采样电容C2的上极板、所述第十一开关管Q11的另一端与所述采样子电路的第二输出端相互连接；所述采样电容C3的上极板、所述第十二开关管Q12的一端与所述采样子电路的第三输出端相互连接；所述采样电容C4的上极板、所述第十二开关管Q12的另一端与所述采样子电路的第四输出端相互连接。

进一步地，所述积分子电路包括第十三开关管Q13、第十四开关管Q14、第十五开关管 Q15、第十六开关管Q16、第十七开关管Q17、第十八开关管Q18、第十九开关管Q19、第二十开关管Q20，及积分电容C5、积分电容C6和一个运算放大器U；第二斩波子电路包括第二十一开关管Q21、第二十二开关管Q22、第二十三开关管Q23和第二十四开关管Q24；所述第十三开关管Q13的一端连接所述采样子电路的第一输出端，所述第十三开关管Q13的控制端的控制信号、所述第十四开关管Q14的控制端的控制信号均与所述第九开关管Q9的控制信号相同；所述第十三开关管Q13的另一端、所述第十六开关管Q16的一端、所述第十七开关管Q17 的一端、所述第二十开关管Q20与运算放大器U的同相输入端相互连接；所述第十四开关管 Q14的一端与所述采样子电路的第二输出端相连接；所述第十四开关管Q14的另一端、所述第十五开关管Q15的一端、所述第十八开关管Q18的一端、所述第十九开关管Q19的一端与所述运算放大器U的反相输入端相互连接；所述第十五开关管Q15的另一端与所述采样子电路的第三输出端相连接；所述第十五开关管Q15的控制端的控制信号、所述第十六开关管Q16 的控制端的控制信号与所述第十开关管Q10的控制信号相同；所述第十六开关管Q16的另一端与所述采样子电路的第四输出端相连接；所述第十七开关管Q17的另一端、所述第十八开关管Q18的另一端与积分电容C5的上极板相互连接；所述第十七开关管Q17控制端的控制信号与所述第十九开关管Q19控制端的控制信号相同，均为时钟脉冲控制信号；所述第十八开关管Q18控制端的控制信号与所述第二十开关管Q20控制端的控制信号相同，均为时钟脉冲控制信号；所述第十九开关管Q19的另一端、所述第二十开关管Q20的另一端与所述积分电容C6的上极板相互连接；所述积分电容C5的下极板、所述第二斩波子电路102的第二十二开关管Q22的一端、所述第二斩波子电路102的第二十三开关管Q23的一端与所述积分子电路的第一输出端相互连接；所述积分电容C6的下极板、所述第二斩波子电路102的第二十一开关管Q21的一端、所述第二斩波子电路的第二十四开关管Q24的一端与所述积分子电路的第二输出端相互连接；所述积分子电路的第三输出端、所述第二斩波子电路的第一输入端、所述第二十一开关管Q21的另一端、所述第二十二开关管Q22的另一端与所述运算放大器U 的反相输出端相互连接；所述第二十一开关管Q21的控制端、所述第二十三开关管Q23的控制端的控制信号相同，它们均连接时钟脉冲信号；所述积分子电路的第四输出端、所述第二斩波子电路的第二输入端、所述第二十三开关管Q23的另一端、所述第二十四开关管Q24的另一端与所述运算放大器U的同相输出端相互连接；所述第二十二开关管Q22的控制端、所述第二十四开关管Q24的控制端的控制信号相同，它们均连接时钟脉冲信号。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点及显著效果：本实用新型中的开关电容积分器正负输入端在时钟脉冲的控制下，均可对4个采样电容进行采样，使采样与积分同时交错进行，实现了在一个时钟周期内完成两次采样和两次积分，提高采样效率；本实用新型中，斩波开关的使用，一方面，配合了输入信号对各采样、积分电容的使用，同时，起到了减小甚至消除sigma-delta调制器的直流和低频噪声的作用。

附图说明

图1是本实用新型实施例中的带斩波的开关电容积分电路的电路结构图；

图2是本实用新型实施例中的带斩波的开关电容积分电路的开关时序图；

图3是本实用新型实施例中的带斩波的开关电容积分电路不同时序工作图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的实施例作进一步地详细描述。

本实施例中的一种带斩波的开关电容积分器电路，其整体电路结构如图1所示，包括采样模块和积分模块，所述采样模块包括第一斩波子电路101和采样子电路，所述积分模块包括积分子电路和第二斩波子电路102。

第一斩波子电路101第一输入端连接同相输入电压信号，第一斩波子电路101第二输入端连接反相输入电压信号，配合采样子电路，对同相、反相输入端的电压信号进行采样；采样子电路的第一输入端、第二输入端、第三输入端和第四输入端分别与第一斩波子电路101 的第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端相连，并在第一斩波子电路101的斩波时序的配合下，输出对应时刻同相和反相输出端的采样信号；积分子电路的第一输入端、第二输入端、第三输入端和第四输入端分别与采样子电路的第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端相连，并在第二斩波子电路102的配合下输出积分子电路的第一输出端和第二输出端的积分结果；第二斩波子电路102的第一输入端和第二输入端分别与所述积分子电路中第三输出端和第四输出端相连，第二斩波子电路102的第一输出端和第二输出端分别与积分子电路的第一输出端和第二输出端相连。

所述的带斩波的开关电容积分器，第一斩波子电路101包括：8个开关管，第一开关管 Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、第五开关管Q₅、第六开关管Q₆、第七开关管Q₇和第八开关管Q₈。所述第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄与第一斩波子电路101的第一输入端相互连接；所述第五开关管Q₅、第六开关管Q₆、第七开关管Q₇、第八开关管Q₈与第一斩波子电路101的第二输入端相互连接；第一开关管Q₁的控制端与第五开关管Q₅的控制端相同，它们均连接时钟脉冲信号；第一开关管Q₁的另一端、第六开关管Q₆的另一端与第一斩波子电路101的第一输出端相互连接；第二开关管Q₂的控制端与第六开关管Q₆的控制端相同，它们均连接时钟脉冲信号；第二开关管Q₂的另一端、第五开关管Q₅的另一端与第一斩波子电路101的第二输出端相互连接；第三开关管Q₃的控制端与第七开关管Q₇的控制端相同，它们均连接时钟脉冲信号；第三开关管Q₃的另一端、第八开关管Q₈的另一端与第一斩波子电路101的第四输出端相互连接；第四开关管Q₄的控制端与第八开关管Q₈的控制端相同，它们均连接时钟脉冲信号；第四开关管Q₄的另一端、第七开关管的另一端与第一斩波子电路101的第三输出端相互连接。

所述的采样子电路包括第一斩波子电路101、第九开关管Q₉、第十开关管Q₁₀、第十一开关管Q₁₁、第十二开关管Q₁₂及采样电容C₁、采样电容C₂、采样电容C₃和采样电容C₄。其中，第九开关管Q₉的一端、采样电容C₁的下极板与第一斩波子电路101的第一输出端相互连接；第九开关管Q₉的控制端与第十二开关管Q₁₂的控制端相同，它们均连接时钟脉冲信号；第九开关管Q₉的另一端、采样电容C₂的下极板均与第一斩波子电路101的第二输出端相互连接；第十开关管Q₁₀的一端、采样电容C₃的下极板与第一斩波子电路101的第三输出端相互连接；第十开关管Q₁₀的控制端、第十一开关管Q₁₁的控制端相同，它们均连接时钟脉冲信号；第十开关管Q₁₀的另一端、采样电容C₄的下极板、第一斩波子电路101的第四输出端相互连接；采样电容C₁的上极板、第十一开关管Q₁₁的一端与采样子电路的第一输出端相互连接；采样电容 C₂的上极板、第十一开关管Q₁₁的另一端、采样子电路的第二输出端相互连接；采样电容C₃的上极板、第十二开关管Q₁₂的一端与采样子电路的第三输出端相互连接；采样电容C₄的上极板、第十二开关管Q₁₂的另一端与采样子电路的第四输出端相互连接。

所述的积分模块包括第二斩波子电路102、第十三开关管Q₁₃、第十四开关管Q₁₄、第十五开关管Q₁₅、第十六开关管Q₁₆、第十七开关管Q₁₇、第十八开关管Q₁₈、第十九开关管Q₁₉、第二十开关管Q₂₀，及积分电容C₅、积分电容C₆和一个运算放大器U。

其中，第二斩波子电路102：包括第二十一开关管Q₂₁、第二十二开关管Q₂₂、第二十三开关管Q₂₃和第二十四开关管Q₂₄。

所述第十三开关管Q₁₃的一端与采样子电路的第一输出端连接；第十三开关管Q₁₃的控制端的控制信号、第十四开关管Q₁₄的控制端的控制信号与第九开关管Q₉的控制信号相同；第十三开关管Q₁₃的另一端、第十六开关管Q₁₆的一端、第十七开关管Q₁₇的一端、第二十开关管Q₂₀与运算放大器U的同相输入端相互连接；第十四开关管Q₁₄的一端与采样子电路的第二输出端相连接；第十四开关管Q₁₄的另一端、第十五开关管Q₁₅的一端、第十八开关管Q₁₈的一端、第十九开关管Q₁₉的一端与运算放大器U的反相输入端相互连接；第十五开关管Q₁₅的另一端与采样子电路的第三输出端相连接；第十五开关管Q₁₅的控制端的控制信号、第十六开关管Q₁₆的控制端的控制信号与第十开关管Q₁₀的控制信号相同；第十六开关管Q₁₆的另一端与采样子电路的第四输出端相连接；第十七开关管Q₁₇的另一端、第十八开关管Q₁₈的另一端与积分电容C₅的上极板相互连接；第十七开关管Q₁₇控制端的控制信号与第十九开关管Q₁₉控制端的控制信号相同，均为时钟脉冲控制信号；第十八开关管Q₁₈控制端的控制信号与第二十开关管Q₂₀控制端的控制信号相同，均为时钟脉冲控制信号；第十九开关管Q₁₉的另一端、第二十开关管 Q₂₀的另一端与积分电容C₆的上极板相互连接；积分电容C₅的下极板、第二斩波子电路102的第二十二开关管Q₂₂的一端、第二斩波子电路102的第二十三开关管Q₂₃的一端与积分子电路的第一输出端相互连接；积分电容C₆的下极板、第二斩波子电路102的第二十一开关管Q₂₁的一端、第二斩波子电路102的第二十四开关管Q₂₄的一端与积分子电路的第二输出端相互连接；积分子电路的第三输出端、第二斩波子电路的第一输入端、第二十一开关管Q₂₁的另一端、第二十二开关管Q₂₂的另一端与运算放大器U的反相输出端相互连接；第二十一开关管Q₂₁的控制端、第二十三开关管Q₂₃的控制端的控制信号相同，它们均连接时钟脉冲信号；积分子电路的第四输出端、第二斩波子电路的第二输入端、第二十三开关管Q₂₃的另一端、第二十四开关管Q₂₄的另一端与运算放大器U的同相输出端相连接；第二十二开关管Q₂₂的控制端、第二十四开关管Q₂₄的控制端的控制信号相同，它们均连接时钟脉冲信号。

在本实施例中，各开关管的时序脉冲如图2所示。

图1中，开关管对应的脉冲时序：Φ₁、Φ₂，Φ₃、Φ₄，Φ₅、Φ₆及S₁.Φ₇、S₂.Φ₇和S₁.Φ₈、 S₂.Φ₈两两为非交叠时钟，其中，S₁.Φ₇表示S₁所代表的时钟脉冲信号和Φ₇所代表的时钟脉冲信号进行与运算，S₂.Φ₇和S₁.Φ₈、S₂.Φ₈可依次类推，并且由S₁或是S₂是否工作可分为两组不同的状态：当S₁工作，且Φ₄处于常通状态时，开关S₁.Φ₇或是S₁.Φ₈工作，在忽略延时的情况下，S₁.Φ₇或是S₁.Φ₈的开关时序分别相当于Φ₂和Φ₁；当Φ₁工作时，Vip与Vin 分别对C₄、C₃的下极板进行采样，积分电容C₅、C₆分别与采样电容C₂、C₁进行电荷重分配。而当Φ₂工作时，Vip与Vin分别连接采样电容C₁、C₂的下极板，积分电容C₅、C₆分别与采样电容C₃、C₄进行电荷重分配。具体工作过程如图3中的(a)所示。

此时，当Φ₁工作时，

V_Out+与V_Out-均是以T为周期变化的，故可以得到：

此时，第一积分器反相输出端和同相输出端的传递函数分别如式表示：

其中，上标o(Φ₁)表示奇相位，上标e(Φ₂)表示偶相位。

当Φ₂工作过程与Φ₁的工作过程类似，最终反相输出端和同相输出端的传递函数分别如式所示。

因此，当S₁工作时，在一个时钟周期内，随着Φ₁和Φ₂的开关切换，可实现两次采样和积分。

当S₂工作，且Φ₃为常通开关时，S₂.Φ₇与S₂.Φ₈的开关时序分别相当于Φ₂和Φ₁，其工作过程如图3(b)所示。Φ₂导通时，In+与In-分别对C₂、C₁的下极板进行采样，C₅、C₆分别与采样电容C₄、C₃进行电荷重分配；Φ₁导通时，In+与In-分别对C₃、C₄的下极板进行采样， C₅、C₆分别与采样电容C₁、C₂进行电荷重分配，其工作过程与S₁工作时类似。

另外，图3(c)和图3(d)分别表示S₁.Φ₇关闭后的下一时刻S₂.Φ₈导通，且Φ₄导通的工作过程图和S₂.Φ₇关闭后的下一时刻，S₁.Φ₈导通，且Φ₃导通的工作过程图。由图3所示的电路工作状态图可以看出，当时钟脉冲信号发生转变时，积分器的正负输入端可对本实用新型的4个采样开关进行采样，且工作于任意一种状态，采样与积分均可同时交错进行。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上实施例仅为本实用新型的一种优选实施例，但并非本实用新型的所有电路设置方式的全部，一切在本实用新型精神实质范围以内所做的等同变换，都将在本实用新型保护范围以内。