电容耦合斩波器放大器的制作方法

这涉及电容耦合斩波器放大器。

背景技术：

许多领域都需要放大器，这些放大器可以从可能高于或低于放大器电源的总线电压测量精确的电流，从纳安级到数百安。这些领域包含各种生物医学应用和电力应用。对于精确测量，重要的是所使用的放大器具有非常低的偏置电流、较低的偏移电压和非常高的共模抑制比。为此，通常使用电容耦合斩波器放大器。然而，过于简单化的电容耦合斩波器放大器具有与放大器输入缺少输入共模以及建立时可能存在的一些输出误差有关的问题。解决共模问题的方法通常会导致噪声增加、增益误差增加或共模建立时间增加。这意味着改进的设计只能用于精度非常低的环境中或以较低的频率使用。

技术实现要素：

代替了常规的电容耦合斩波器放大器中使用的两个相位，而是使用了六个相位。两个相位提供了调零相位以将反馈电容器调零并且设置输入共模值。两个相位提供了输入电荷从输入电容器到调零反馈电容器的无源转移。最后两个相位是斩波和放大相位。调零相位解决了输入共模问题，而无需偏置电阻器。无源转移相位解决了在斩波时钟的每个周期都必须对反馈电容器进行再充电时发生的建立问题。解决建立问题和固定共模使放大器的频率增加。

附图说明

图1是根据现有技术的第一简单电容耦合斩波器放大器的框图。

图2是根据现有技术的第二电容耦合斩波器放大器的框图。

图3是电容耦合斩波器放大器的第一实例的框图。

图4是示出了图3的放大器的六个相位的时序图。

图5a是在第一相位期间的图3的放大器的框图。

图5b是在第二相位期间的图3的放大器的框图。

图5c是在第三相位期间的图3的放大器的框图。

图5d是在第四相位期间的图3的放大器的框图。

图5e是在第五相位期间图的3的放大器的框图。

图5f是在第六相位期间图的3的放大器的框图。

图6a是在放大和斩波充电相位期间具有电荷补偿的第一实例的图3的放大器的框图。

图6b是在调零和无源电荷转移相位期间具有电荷补偿的第一实例的图3的放大器的框图。

图7a是在放大和斩波相位期间具有电荷补偿的第二实例的图3的放大器的框图。

图7b是在调零和无源电荷转移相位期间具有电荷补偿的第二实例的图3的放大器的框图。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的简单电容耦合斩波器放大器100。vin+和vin-信号被提供给第一斩波开关102。第一斩波开关102的输出被提供给串联电容器104a和104b。串联电容器104a连接到第一差分放大器106的正或同相输入。串联电容器104b连接到第一放大器106的负或反相输入。第一放大器106的差分反相和同相输出被提供给第二斩波开关108的第一和第二输入。第二斩波开关108的第一和输出分别被提供给第二差分放大器110的反相和同相输入。反馈电容器112连接在第二放大器110的正输出和第二放大器110的反相输入之间。反馈电容器114连接在第二放大器110的负输出和第二放大器110的同相输入之间。第二放大器110的同相输出是正输出电压voutp，而第二放大器110的反相输出是负输出电压voutn。第二放大器110的正输出信号被提供给斩波开关116的输入。第二放大器110的负输出被提供给斩波开关116的另一输入。斩波开关116的输出连接到反馈电容器118p和118n。反馈电容器118p连接到第一放大器106的反相输入，而反馈电容器118n连接到第一放大器106的同相输入。信号的这种反相为放大器100提供期望的负反馈。

这种简单的配置有几个问题。首先，没有为放大器106定义输入共模。由于串联电容器104a和104b直接连接到第一放大器106，所以没有组件为共模提供dc电平。其次，在voutp和voutn信号上提供的实际输出电压可以是随机的。平均值将是基于所定义的增益配置的期望值，但各个周期将是随机的。

图2示出了用于解决输入共模问题和输出上的随机值的示范性常规电路。放大器200类似于放大器100，并且在相似的组件上使用相似的数字。分别从第一放大器106的同相输入和反相输入提供偏置电阻器105p和105n至所设定的共模电压vcm。增加偏置电阻器105p和105n确实解决了输入共模问题，但也确实增加了噪声。如果偏置电阻较低，则会在放大器200中引起增益误差。如果偏置电阻较高，则共模将花费更长的时间来建立，从而降低了放大器200可以提供的有效频率。此外，由于反馈电容器118p和118n需要再充电，因此输出电压将在时钟的每次斩波时出现毛刺或失真，从而加剧了频率问题，因为任何采样必须在毛刺已经解决之后进行。

在图3中示出了第一示范性放大器300。vin+和vin-信号被提供为输入斩波开关302的两个输入。输入斩波开关302被示出为具有一系列触点302a、302b、302c和302d，其中vin+被提供给触点302a和302b，并且vin-提供给触点302c和302d。电平转换器301连接到输入斩波开关302。电平转换器301将电平移位时钟提供给vin+和vin-的输入共模电压，这会控制开关302。输入斩波开关302的输出被提供给串联输入电容器304a和304b的输入。从触点302a或302c提供第一输出，并且从触点302b或302d提供第二输出。串联输入电容器304a和304b的输出连接到具有触点305a、305b、305c和305d的调零斩波开关305的两个输入。串联输入电容器304a输出被提供给触点305a，并且串联输入电容器304b输出被提供给触点305d。共模电压vcm被提供给触点305b和305c作为第三输入。触点305a和305b提供第一输出，而触点305c和305d提供第二输出。调零斩波开关305的第一和第二输出被提供给第一差分放大器306的同相和反相输入。第一差分放大器306的差分输出被提供给具有触点308a、308b、308c和308d的放大器输出斩波开关308的两个输入。第一输入，即第一差分放大器306的反相输出，被提供给触点308a和308b。第二输入，即第一差分放大器306的同相输出，被提供给触点308c和308d。放大器输出斩波开关308的两个输出被提供给第二差分放大器310的反相和同相输入。被提供给第二差分放大器310的反相输入的第一输出由触点308a或308c提供。被提供给第二差分放大器310的同相输入的第二输出由触点308b或308d提供。从第二差分放大器310的同相输出反相输入提供反馈电容器312。从第二差分放大器310的反相输出到同相输入提供反馈电容器314。这些负反馈电容器312、314用作米勒积分器，这有助于稳定放大器300。第二差分放大器310的同相输出是正或voutp信号，而第二差分放大器310的反相输出的输出是负或voutn信号。第二差分放大器310的同相和反相输出连接到波纹滤波器315，所述波纹滤波器315的正和负输出被提供给第一差分放大器306。波纹滤波器315有助于抵消放大器306的偏移电压。

反馈双极开关320具有分别连接到第二差分放大器310的同相和反相输出的第一和第二输入。校正双极开关322具有连接到反馈双极开关320的第一和第二输出的第一和第二输入。校正电容器324连接在校正双极开关322的第一和第二输出之间。充电双极开关326具有连接到vout和vref信号的第一和第二输入。充电双极开关326的第一和第二输出连接到校正双极开关322的输出。

输出电容器328连接在反馈双极开关320的第一和第二输出两端。反馈双极开关320的第一和第二输出分别连接到具有触点316a、316b、316c和316d的反馈斩波开关316的第一和第二输入。第一输入被提供给触点316a和316c，而第二输入被提供给触点316b和316d。反馈斩波开关316的两个输出被提供给反馈电容器318p和318n输入。第一输出由触点316a或316b提供，并且第二输出由触点316c或316d提供。反馈电容器318p和318n输出分别连接到第一差分放大器306的反相和同相输入。

共模缓冲器330接收共模或vcm信号，其输出连接到反馈电容器放电双极开关334和输入电容器双极开关332的输入。输入电容器双极开关332的第一和第二输出连接到串联输入电容器304b和304a的输出。反馈电容器放电双极开关334的第一和第二输出连接到反馈电容器318n和318p与反馈斩波开关316之间的信号。提供相位生成器336以产生在本实例中使用的六个相位。相位生成器336具有连接到电平转换器301的输出，所述电平转换器301提供输入斩波开关302的电平转换切换或模式输入。相位生成器336还具有连接到调零斩波开关305、放大器输出斩波开关308、反馈双极开关320、校正双极开关322、充电双极开关326、反馈斩波开关316、反馈电容器放电双极开关334和输入电容器双极开关332的输出。相位生成器336控制如下所述的各个开关。

图4示出了与斩波时钟有关的六个相位的时序。第1相位是调零相位，并且在斩波时钟的上升沿之前开始达时间tzero。第2相位在斩波时钟的上升沿上开始，并且是长度为tpsv_tfr的无源电荷转移相位。第3相位是放大和斩波相位，并且是斩波时钟的较高部分的大部分，即时间tchop。第4相位是类似于第1相位的调零相位，发生在斩波时钟的下降沿之前。第5相位是一个无源转移相位，发生在斩波时钟的下一沿，与第2相位类似。第6相位是放大和斩波相位，并且是斩波时钟的较低部分的大部分时间。然后，在第6相位完成之后，发生第1相位。相位生成器336包含振荡器，所述振荡器用于产生斩波时钟，例如100khz时钟。通过使用由斩波时钟驱动的两条延迟线(例如，100纳秒延迟线)，可以使用简单的组合逻辑开发用于各个相位的信号和用于控制各个开关的信号。

图5a-5f示出了六个相位中的每一个的各个斩波开关和双极开关的状态。图5a示出了第1相位的操作。在第1相位中，反馈电容器318p和318n被放电，并且第一差分放大器306的输入被设置为共模电压。相位的长度在斩波时钟周期的1％到2％的范围内，越小越好。例如，对于100khz的斩波时钟，tzero和tpsv_tfr可以为100纳秒。在第1相位中，输入斩波开关302被配置成在第一模式下用于直通操作，其中触点302a和302d闭合。调零斩波开关305通过在第二模式下闭合触点305b和305c而将共模电压vcm施加到第一差分放大器306。放大器输出斩波开关308在第三模式下断开，使得第二差分放大器310不连接到第一差分放大器306。反馈双极开关320在第二模式下断开，使得第二差分放大器310的输出为未被提供给反馈路径。校正双极开关322在第一模式下闭合，而充电双极开关326在第二模式下断开，使得校正电容器324上存在的电压被加到输出电容器328电压上。反馈斩波开关316在第三模式下断开，而输入电容器双极开关332和反馈电容器放电双极开关334在第一模式下闭合。闭合输入电容器双极开关332和反馈电容器放电双极开关334将共模电压施加到串联输入电容器304a和304b以及反馈电容器318p和318n。

图5b示出了第2相位。在第2相位中，输入斩波开关302被设置为用于反相操作的第二模式，使得触点302b和302c闭合。共模电压通过调零斩波开关305保持施加到第一差分放大器306。放大器输出斩波开关308保持断开，反馈双极开关320也保持断开。校正双极开关322保持闭合，并且充电双极开关326保持断开。反馈斩波开关316被配置成在第二模式下用于反相操作，其中触点316b和316c闭合。输入电容器双极开关332和反馈电容器放电双极开关334在第二模式下断开，使得共模电压不再被施加到串联输入电容器304a和304b或反馈电容器318p和318n。在本相位中，基于串联输入电容器304a和304b在第1相位中以直通方式充电并且在第2相位中以反相方式充电，串联输入电容器304a和304b将采样电荷的两倍转移到反馈电容器318p和318n。在前一相位存储在校正电容器324和输出电容器328中的电荷对318p和318n的输入侧进行充电，使得在所述相位结束时，输出电容器328两端的电压等于voutp-voutn。本相位还占用了斩波时钟的大约1到2％。

图5c示出了第3相位，即放大和斩波相位。输入斩波开关302保持反相配置，但调零斩波开关305通过闭合触点305a和305d以将共模电压去耦并直接将同相和反相信号传递到第一差分放大器306而被重新配置为第一模式。放大器输出斩波开关308在第二模式下以反相方式被激活，使得触点308b和308c闭合。反馈双极开关320在第一模式下闭合，而校正双极开关322在第二模式下断开，并且充电双极开关326在第一模式下闭合。反馈斩波开关316被配置成在第二模式下用于反相操作，其中触点316b和316c闭合。输入电容器双极开关332和反馈电容器放电双极开关334保持断开。这是常规斩波配置，并且放大正常进行。校正电容器324由下面描述的输出放大器充电。由于已将输出电容器328上的电压设置为与voutp和voutn信号上存在的输出相匹配，因此在过渡到本斩波相位时不会出现毛刺。第3相位占用了斩波时钟周期的大约46到48％。如果斩波时钟为上述100khz，并且第1和第2相位(以及因此第4和第5相位)各自都需要100纳秒，则第3相位(和第6相位)为4.8微秒。

图5d示出了第4相位的配置，其是类似于第1相位的第二调零相位，只是输入斩波开关302处于与第1相位相反的方向。因此，输入斩波开关302被配置成在第二模式下用于反相操作，使得触点302b和302c闭合。否则，将按照第1相位的方式配置各个斩波开关和双极开关。本相位还占用了斩波时钟周期的1到2％。

图5e示出了第5相位操作，其类似于第2相位操作，只是输入斩波开关302和反馈斩波开关316处于相反位置。因此，输入斩波开关302处于第一模式直通配置，反馈斩波开关316也是如此。本相位还占用了斩波时钟周期的1到2％。

图5f示出了第6相位，即第二放大和斩波相位。这与第3相位类似，只是所有斩波开关在第一直通模式下都处于与第3相位相反的方向。本相位占用了斩波时钟周期的46到48％。

放大器300因此不需要如图2中所示的偏置电阻器105p和105n，因为共模偏置通过直接将共模电压驱动到第一差分放大器306来设置。voutp和voutn信号中不会出现毛刺，因为在切换到放大和斩波第三和第六相位时，输出电容器328被充电到适当的值。

波纹滤波器315用于消除可能由于未使用前馈级而出现的偏移波纹。

在调零第一和第四相位期间，反馈电容器318p和318n被完全放电。在无源电荷转移第二和第五相位中，反馈电容器318p和318n被无源充电到最终输出值。为了使适当的电荷出现在反馈电容器318p和318n上，校正电容器324被充电到更高的电压并保持正确的电荷量。以下公式适用：

其中vcharge是对ccor充电的电压，而voutstage1是放大器的最终输出电压。

在图6a中，提供了第一示范性电路600以示出校正电容器324的充电。固定增益第二级差分放大器602耦合到由放大器300提供的voutp和voutn信号。第二级差分放大器602的输出是来自同相输出的vout信号和来自反相输出的vref信号。电阻器604从vout信号连接到充电双极开关326的第一输入，以提供用于对校正电容器324进行充电的vout信号。电阻器606连接到vref信号和充电双极开关326的第二输入，以向校正电容器324提供另一信号。电阻器604和606减少充电期间的输出上的毛刺。如图6a中所示，在充电相位中，在第三和第六相位中，充电双极开关326闭合，而校正双极开关322断开。这允许由第二级差分放大器602提供的输出被施加在校正电容器324上。

然后，图6b示出了在第一、第二、第四和第五相位期间的操作。在这些相位中，充电双极开关326断开并且校正双极开关322闭合，使得被提供给校正电容器324的来自第二级差分放大器602的先前输出电压被增加到输出电容器328并且被如上所述使用。

图7a是第二示范性第二电路700，其用于向校正电容器324提供适当的电荷以用于校正电容器反馈。第二校正电容器702与校正电容器324并联提供。双极双掷电容器堆叠开关703包含臂703a和703d，所述臂703a和703d连接到校正电容器324的输出。与臂703a相关的触点703c连接到校正双极开关322的第一输入。与臂703a相关的触点703b连接到第二校正电容器702的一个输入。与臂703d相关的触点703f连接到触点703b。与臂703d相关的触点703e连接到校正双极开关322的第二输入。当刀片703a处于第一位置且接触触点703b并且刀片703d接触触点703e时，校正电容器324和第二校正电容器702并联。当臂703a接触触点703c并且臂703d接触触点703f时，校正电容器324和第二校正电容器702串联。从vout信号(其为voutp信号)和vref信号(其为voutn信号)提供电阻器704和706至充电双极开关326的第一和第二输入。在所示出的充电相位(即第三和第六相位)中，充电双极开关326闭合，双极双投电容器堆叠开关703具有接触触点703b的臂703a和接触触点703e的臂703d，并且校正双极开关322断开，使得在校正电容器324和第二电容器702两端提供电压vout-vref。在补偿操作期间，如图7b中所示，其在第一、第二、第四和第五相位中完成。在本操作期间，充电双极开关326断开，双极双掷开关703具有接触触点703c的臂703a和接触触点703f的臂703d，并且校正双极开关322闭合，使得校正电容器324和第二电容器702堆叠以在补偿相位期间提供更高的电压。

通过使用六个相位(这会导致调零相位和补偿相位的增加)，放大器保持线性模式，这减少了误差，并且在必要时定义了输入共模。通过使用校正电容器和输出电容器，去除了输出上的毛刺，因为在开始斩波和放大相位时，反馈电容器已经处于适当的电平。

因此，代替了常规的电容耦合斩波器放大器中使用的两个相位，而是使用了六个相位。两个相位提供了调零相位以将反馈电容器调零并且设置输入共模值。两个相位提供了输入电荷从输入电容器到调零反馈电容器的无源转移。最后两个相位是斩波和放大相位。调零相位解决了输入共模问题，而无需偏置电阻器。无源转移相位解决了在斩波时钟的每个周期都必须对反馈电容器进行再充电时发生的毛刺问题。解决毛刺和充电时间问题使放大器的频率增加。

实际上，已经构建了电容耦合斩波器放大器，其最大偏移电压为10μv，输入偏置电流为100pa，并且带宽超过40khz。

上述实例可以彼此组合使用。

在所描述的实施例中可以进行修改，并且其它实施例也可能在权利要求的范围内。