专利名称：开关电容器放大器及其开关控制方法
技术领域：
本发明涉及放大模拟信号的开关电容器放大器和开关电容器放大器的开关控制 方法。
背景技术：
开关电容器放大器的操作原理是根据操作时钟很大地改变电路结构。因此，电荷 经常流动进入电路中的节点，或者经常连接具有不同电压的节点。此种变化对理想的操作 状态引起干扰，其中断正常的电路操作，或者对信号输出引起扭曲并且降低精确度。因此， 应消除干扰因素或者应减少干扰效应。例如，图5A是用于描述在日本未经审查的专利申请公开No. 5-243857的图7中公 布的开关电容器放大器中的问题的电路图。开关电容器放大器Xl包括输入端子IN、输出端 子OUT、普通的差分输入和单输出型运算放大器0A1、输入电容器C11、反馈电容器C12、开关 Sll至S15、以及基准电压生成器XII。基准电压生成器Xll生成基准电压VR。开关电容器 放大器Xl将输入电压Vin和基准电压VR之间的差放大到输出电压Vout。在日本未经审查的专利申请公开No. 5-243857的图7中，开关电容器放大器Xl的 基准电压VR被描述为接地。然而，如果作为输入和输出电压Vin和Vout的基准的基准电 压VR具有接地电压，交流电流信号不能够被用作输入和输出电压。因此，在实际电子电路 装置中广泛使用的单电源电路中，电源电压VDD和接地电压之间的中间电压(VDD/2)经常 被选择为基准电压VR。通过选择VDD/2作为VR，原则上能够获得作为输入和输出电压的交 流电流信号幅度的最大值。图5B是用于描述在图5A中所示的开关电容器放大器Xl中的基准电压生成器Xll 的具体示例的电路图。在图5B中，通过具有相同电阻值的两个电阻器R分压电源电压VDD 和接地电压以生成基准电压VR = VDD/2。在图5A中，为了进行一般地分析，电路被描述为 使用内电阻器r和生成基准电压VR的电压电源的等效电路。注意的是，提供旁通电容器 Cp,以防止基准电压VR的不稳定。将图5B中的示例情况应用于图5A，获得基准电压VR = VDD/2和内电阻r = R/2。现在参考图6A和图6B，将会描述如图5A中所示的开关电容器放大器Xl的操作。 例如，通过操作时钟，在离散时间将开关电容器放大器Xl的开关Sll至S15接通或者断开。 更加具体地，例如，当时钟处于H状态时，开关S11、S13以及S15被接通(采样阶段(phase) f 1)，并且例如，当时钟处于L状态时，开关S12和S14被接通(保持阶段f2)。在采样阶段 f 1和保持阶段f2处于接通的开关彼此不同。更加具体地，如果开关交替地接通使其彼此不 重叠就已经足够了，并且当时钟处于H状态或者L状态时哪一个开关被接通不重要。替选 地，还有可能的是，当时钟处于H状态时两种开关都被接通，并且通过两相时钟控制开关， 其中，每个H状态的时间彼此不重叠。还有可能的是，利用两相时钟，开关处于接通的时钟 状态处于L中。图6A示出在保持阶段f2中的开关电容器放大器Xl的连接，并且图6B示出采样
4阶段fl中的连接。在图6A和图6B中省略了开关，使得清楚地示出连接关系。如图5A和图6B中所示，在采样阶段fl中仅开关Sll、S13、以及S15被接通。在 这样的情况下，输入电压Vin被施加给输入电容器Cll的一端。此外，输出端子OUT和运算 放大器OAl的负输入端子被连接，并且反馈电容器C12被连接在节点N2和施加了基准电压 VR的节点m之间。总之，运算放大器OAl形成电压跟随器。通常，运算放大器在正输入和负输入之间具有偏置电压Vos。偏置电压Vos是由 电路构造、制造中的变化、操作温度、电源电压等等支配的独特的差分电压。当运算放大器 OAl形成电压跟随器时，在开关电容器放大器Xl中正输入处的电压是VR，并且负输入处的 电压是(VR-Vos)。另一方面，如图5A和图6A中所示，在保持阶段f2中，仅开关S12和S14被接通。 在这样的情况下，基准电压VR被施加于输入电容器Cll的一端，并且反馈电容器C12被连 接在运算放大器OAl的输出和负输入之间。因为采样阶段fl和保持阶段f2的时间不重叠， 在采样阶段Π和保持阶段f2中保存反馈电容器C12和输入电容器Cll (输入电容器的电 容值还被称为C11，在下文中同样)的电荷。在这样的情况下，处于节点N2处的电荷保存等 式如下面的等式(1)中所示。{Vin- (VR-Vos)} · Cll+Vos · C12 = Vos · Cl l+{Vout-(VR-Vos)} · C12 ... (1)对等式⑴求解，获得下面的等式⑵。(Vin-VR) · Cll = (Vout-VR) · C12
Cl 1.·. .·. Vout-VR = ^· (Vin -VR) …(2)简言之，在没有受到运算放大器OAl的偏置电压Vos的影响的情况下，开关电容器 放大器Xl将输入电压Vin放大到输出电压Vout。在这里，通过电容比(C11/CU)确定放大比率。
发明内容
然而，本发明人已经发现如下问题在图5A中所示的开关电容器放大器Xl中，根 据电路操作，通过开关的翻转对基准电压VR存在显著的干扰效应。如果基准电压VR被影 响，那么输出电压Vout的精确度最终被降低。将会参考图6A和图6B描述此问题的原因。为了使分析简单，假定偏置电压Vos 理想地等于零，并且在运算放大器OAl中不存在响应的延迟时间。由于这里的目的是为了 分析开关电容器放大器Xl中的基准电压VR，所以这些近似值没有引起误差。当通过Vl和 V2分别表示运算放大器OAl的正输入端子和负输入端子处的电压时，始终满足Vl = V2。在如图6A中所示在保持阶段f2中，与时间常数r WCp-CU)相比足够长的时间已 经流逝之后，VR被给定为Vl = VR0然后，就在变成如图6B中所示的采样阶段fl之后，即 在开关电容器放大器Xl中仅开关S11、S13以及S15被关闭之后的与时间常数r*(Cp+C12) 相比足够短的时间内，VR被给定为Vl兴VR。在两种状态下，准予保存反馈电容器C12和旁 通电容器Cp的总电荷，因此建立下面的电荷保存等式(3)。C12 · (Vout-VR) +Cp · VR = C12 · (Vl-Vl)+Cp · VlC12 · (Vout-VR) +Cp · VR = Cp · Vl ... (3)
在等式(3)中，左侧示出图6A中所示的状态，并且右侧示出图6B中所示的状态。 因此，获得下面的等式G)。
Γ 2.·. -'.Vl = VR^(Vout-VR)…⑷从等式中，如果满足Cp>>C12，即使在变成图6B的采样阶段fl之后也建 立V1 =VR，并且能够忽略干扰效应。然而，如果在要被减少尺寸的LSI上实现整个开关电 容器放大器XI，则因为LSI上的电容取决于其占据的面积，所以满足Cp >> C12是不现实 的。此外，因为输出电压Vout是可变输入电压Vin的被放大的结果，则不能始终满足Vout = VR0因此，在图5A中的开关电容器放大器Xl中，根据电路操作，由开关翻转而出现的对 基准电压VR的干扰效应大。另一方面，仅仅就在变成图6B中所示的采样阶段fl之后的与时间常数 r · (Cp+C12)相比非常短的时间内，满足等式G)。因此在图6B的采样阶段fl中，在与时 间常数r · (Cp+C12)相比充分长的时间流逝之后，干扰效应将会较小。然而，r的值必须非常大，例如通常与IMO—样大，以减少在电路中消耗的电流。即 使当(Cp+C12)的值仅仅是IpF时，时间常数r*(Cp+C12)也有1 μ s长。现在，为了避免时 间常数的影响，图6B中所示的采样阶段fl处的电路需要被保持是时间常数r · (Cp+C12) 的数倍的时间，以等待电路中的瞬态响应的收敛。这意味着开关电容器放大器Xl不能以大 约IOOkHz或者更大的开关速度进行工作。因此，因为电路的操作速度没有达到当前所需要 的速度，所以适用的应用范围受到极大的限制。因此，等待电路中的瞬态响应的收敛的所述 方法对于避免对基准电压VR的干扰效应而言不是有效的。本发明的第一示例性方面是开关电容器放大器，其包括运算放大器；基准信号 生成器，该基准信号生成器生成被提供给运算放大器的基准信号；第一输入电容器，该第一 输入电容器被连接至运算放大器的第一输入端子；第一输入开关，该第一输入开关将第一 输入信号馈送到第一输入电容器；第一反馈电容器，该第一反馈电容器将来自于运算放大 器的第一输出端子的输出信号馈送到第一输入端子；第一反馈开关，该第一反馈开关被提 供在第一输出端子和第一反馈电容器之间；以及第一重置开关，该第一重置开关对被保存 在第一反馈电容器中的电荷进行重置。本发明的实施例的第二示例性方面是开关电容器放大器的开关控制方法，该开关 电容器放大器包括运算放大器；基准信号生成器，该基准信号生成器生成被提供给运算 放大器的基准信号；输入电容器，该输入电容器被连接至运算放大器的输入端子；输入开 关，该输入开关将输入信号馈送到输入电容器；反馈电容器，该反馈电容器将从运算放大器 的输出端子输出的输出信号馈送到输入端子；反馈开关，该反馈开关被提供在输出端子和 反馈电容器之间；以及重置开关，该重置开关对被保存在反馈电容器中的电荷进行重置，该 方法包括重复下述操作利用输入开关处于接通和重置开关与反馈开关处于断开对输入信 号进行采样；在采样之后，利用反馈开关处于接通与重置开关和输入开关处于断开对输入 信号进行保持；在保持之后，利用重置开关处于接通与反馈开关和输入开关处于断开对被 保存在反馈电容器中的电荷进行重置；以及在重置之后返回到采样。通过具有重置被保存在反馈电容器中的电荷的重置开关，根据开关操作的基准信号的影响能够被减少到几乎为零，从而能够提供高速度和高精确度的开关电容器放大器。根据本发明，能够提供具有高速度和高精确度的开关电容器放大器。
结合附图，从某些示例性实施例的以下描述中，以上和其它示例性方面、优点和特 征将更加明显，其中图1是根据第一示例性实施例的开关电容器放大器的电路图；图2A是用于描述根据第一示例性实施例的开关电容器放大器的电路操作的电路 图；图2B是用于描述根据第一示例性实施例的开关电容器放大器的电路操作的电路 图；图2C是用于描述根据第一示例性实施例的开关电容器放大器的电路操作的电路 图；图3是根据第二示例性实施例的开关电容器放大器的电路图；图4A是用于描述根据第二示例性实施例的开关电容器放大器的电路操作的电路 图；图4B是用于描述根据第二示例性实施例的开关电容器放大器的电路操作的电路 图；图4C是用于描述根据第二示例性实施例的开关电容器放大器的电路操作的电路 图；图5A是用于描述问题的开关电容器放大器的电路图；图5B是示出在图5A中所示的开关电容器放大器中的基准电压生成器的具体示例 的电路图；图6A是用于描述图5A中所示的开关电容器放大器的电路操作的电路图；以及图6B是用于描述图5A中所示的开关电容器放大器的电路操作的电路图。
具体实施例方式将会参考附图详细地描述应用了本发明的具体示例性实施例。然而，应注意的是， 本发明不限于下面讨论的示例性实施例。为了清楚起见，适当地部分简化附图和描述。(第一示例性实施例)图1是根据本发明的第一示例性实施例的开关电容器放大器的电路图。开关电 容器放大器Xioo包括输入端子IN、输出端子OUT、普通的差分输入和单输出型运算放大器 0A1、输入电容器C11、反馈电容器C12、开关Sll至S15和S21、以及基准电压生成器XII。基 准电压生成器Xll生成基准电压VR。开关电容器放大器XlOO将输入电压Vin和基准电压 VR之间的差放大到输出电压Vout。如图1中所示，运算放大器OAl在电源(电源电压VDD)到地的范围内进行操作。 输入电容器Cll的一端被连接至运算放大器OAl的负输入端子。输入电容器Cll的另一端 被连接至输入端子IN，通过开关S15向所述输入端子IN施加输入电压Vin。在采样阶段f 1 中，开关S15被接通。总之，由输入电容器Cll通过开关S15采样的输入电压Vin被施加于运算放大器OAl的负输入端子。另一方面，运算放大器OAl的正输入端子被连接至节点m处的基准电压生成器 XII。总之，由基准电压生成器Xll生成的基准电压VR被持续地施加于运算放大器OAl的 正输入端子。此外，开关S14被提供在运算放大器OAl的正输入端子和连接开关S15和输 入电容器Cll的节点之间。在保持阶段f2中，开关S14被接通。现在，如图1中所示，为了一般地分析，基准电压生成器Xll被描述为使用内电阻 器r和生成基准电压VR的电压源的等效电路。在图1中，提供旁路电容器Cp，以防止基准 电压VR的不稳定。此外，可以采用图5B中所示的电路构造，来作为基准电压生成器Xll的 具体示例。运算放大器OAl的输出端子通过开关S12被连接至反馈电容器C12的第一端。在 保持阶段f2中，开关S12被接通。反馈电容器C12的第二端被连接至节点N2处的运算放 大器OAl的负输入端子。总之，通过开关S12，由反馈电容器C12耦合输出电压Vout，并且 将其反馈到运算放大器OAl的负输入端子。此外，运算放大器OAl的输出端子通过开关Sll被连接至被布置在反馈电容器C12 的第二端与运算放大器OAl的负输入端子之间的节点(节点N2)。此外，反馈电容器C12的 第一端通过开关S13被连接至被布置在开关S14与运算放大器OAl的正输入端子之间的节 点(节点附)。在采样阶段fl中，开关Sll和S13被接通。在根据第一示例性实施例的开关电容器放大器XlOO中，提供开关S21，以短接反 馈电容器C12的两端。在被设置在保持阶段f2和采样阶段fl之间的重置阶段f3中，开关 S21被接通。因此，对基准电压VR的干扰效应能够被减少大约为零。现在参考图1和图2A至图2C，将会描述开关电容器放大器XlOO的操作。图2A至 图2C是用于描述根据第一示例性实施例的开关电容器放大器XlOO的电路操作的电路图。 图2A示出保持阶段f2中的开关的连接，图2B示出在重置阶段f3中的开关的连接，并且图 2C示出在采样阶段f 1中的开关的连接。在图2A至图2C中，与图6A和图6B相类似地省略 开关，从而清楚地示出连接关系。如图1中所示，在保持阶段f2中，仅开关S12和S14被接通。图2A示出此状态。 在这样的情况下，基准电压VR被施加于输入电容器Cll的一端，并且反馈电容器C12被连 接在输出端子OUT和运算放大器OAl的负输入端子之间。注意的是，图2A具有与图6A相 同的连接。在重置阶段f3中，如图1中所示，仅开关S21被接通。图2B示出此状态。在这样 的情况下，反馈电容器C12的两端被短接。因此，在反馈电容器C12中保存的电荷变成零并
且将要被重置。在采样阶段fl中，如图1中所示，仅开关Sll、S13、以及S15被接通。图2C示出 此状态。在这样的情况下，输入电压Vin被施加于输入电容器Cll的一端。此外，输出端子 OUT和运算放大器OAl的负输入端子在节点N2被短接，并且反馈电容器C12被连接在节点 N2和具有被施加的基准电压VR的节点m之间。总之，运算放大器OAl形成电压跟随器。 注意的是，图2C具有与图6B相同的连接。如图6A和图6B中所示，在开关电容器放大器Xl中，采样阶段fl和保持阶段f2 如H、f2、fl、f2……被交替地切换，电路与其一致地工作。另一方面，在根据第一示例性实施例的开关电容器放大器XlOO中，作为新阶段的重置阶段f3被添加在保持阶段f2与采样 阶段fl之间。总之，在根据第一示例性实施例的开关电容器放大器XlOO中，采样阶段Π、保持 阶段f2以及重置阶段f3以彼此不重叠的方式，按照H、f2、f3、fl、f2、f3……的顺序重复， 电路与其一致地工作。在保持阶段f2中，仅开关S12和S14被接通。与保持阶段f2进行 比较，在重置阶段f3中，在开关S12被断开之后开关S21被接通。开关S14可以保持接通， 或者可以被切换到断开。在采样阶段Π开始之前开关S21需要保持为断开。同样，在根据第一示例性实施例的开关电容器放大器XlOO中，为输入和输出电压 Vin和Vout建立等式( 。因此，在没有受到运算放大器OAl的偏置电压Vos的影响的情 况下，输入电压Vin被放大到输出电压Vout。在这里，通过电容比(C11/C12)确定放大比 率。此外，而且在根据第一示例性实施例的开关电容器放大器XlOO中，建立等式(3) 的电荷保存等式。在第一示例性实施例中，在采样阶段π之前提供重置阶段f3。因此，给 定等式(3)的左侧中的一项，C12 · (Vout-VR) = 0。通过将它应用于等式(3)，将会获得下 一个等式(5)。Vl = VR- (5)因此，从等式(5)中可以理解，由于根据电路操作的开关的翻转，对作为输入和输 出电压Vin和Vout的基准的基准电压VR不存在干扰效应。对阶段(采样阶段f 1、保持阶段f2、重置阶段进行略述，以获得电路操作的概 述，在所述阶段中，对于开关电容器放大器XlOO的电路图，各个开关应为如图1中所示地接 通。为了更加精确地进行操作，例如，优选地如表1中所示更加明确地控制所有的开关Sll 至S15，以及S21。在表1中，“ON”表达相应的开关被接通。另一方面，“_”表示相应的开关 被断开。操作时间按照tl、t2、t3、t4、……、t9、tlO的顺序流逝。然后，在操作时间til 时状态返回到与tl相同的状态。简言之，tl至tlO的一个周期被重复。表 1
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权利要求
1.一种开关电容器放大器，包括 运算放大器；基准信号生成器，所述基准信号生成器生成被提供给所述运算放大器的基准信号； 第一输入电容器，所述第一输入电容器被连接至所述运算放大器的第一输入端子； 第一输入开关，所述第一输入开关将第一输入信号馈送到所述第一输入电容器； 第一反馈电容器，所述第一反馈电容器将来自于所述运算放大器的第一输出端子的输 出信号馈送到所述第一输入端子；第一反馈开关，所述第一反馈开关被提供在所述第一输出端子和所述第一反馈电容器 之间；以及第一重置开关，所述第一重置开关对被保存在所述第一反馈电容器中的电荷进行重置。
2.根据权利要求1所述的开关电容器放大器，其中，所述开关电容器放大器通过以阶 段彼此不重叠的方式对所述阶段进行重复来操作，所述阶段按照下述顺序进行重复采样阶段，在所述采样阶段中所述第一输入开关被接通，并且所述第一反馈开关和所 述第一重置开关被断开，保持阶段，在所述保持阶段中所述第一反馈开关被接通，并且所述第一输入开关和所 述第一重置开关被断开，以及重置阶段，在所述重置阶段中所述第一重置开关被接通，并且所述第一输入开关和所 述第一反馈开关被断开。
3.根据权利要求1所述的开关电容器放大器，其中，所述基准信号生成器包括旁通电 容器，所述旁通电容器减小所述基准信号的变化。
4.根据权利要求1所述的开关电容器放大器，其中，所述基准信号是电源电势和接地 电势之间的中间电势。
5.根据权利要求1所述的开关电容器放大器，其中，所述第一重置开关被接通，从而短 接所述第一反馈电容器的两端。
6.根据权利要求1所述的开关电容器放大器，其中，所述运算放大器的第二输入端子 被提供有所述基准信号。
7.根据权利要求1所述的开关电容器放大器，其中 所述运算放大器是差分输入和差分输出型，并且 所述开关电容器放大器进一步包括第二输入电容器，所述第二输入电容器被连接至所述运算放大器的第二输入端子； 第二输入开关，所述第二输入开关将第二输入信号馈送到所述第二输入电容器； 第二反馈电容器，所述第二反馈电容器将来自于所述运算放大器的第二输出端子的输 出信号馈送到所述第二输入端子；第二反馈开关，所述第二反馈开关被提供在所述第二输出端子和所述第二反馈电容器 之间；以及第二重置开关，所述第二重置开关对被保存在所述第二反馈电容器中的电荷进行重置。
8.根据权利要求7所述的开关电容器放大器，其中所述第一反馈电容器的一端通过所述第一重置开关处于接通而被连接至电源，并且 所述第二反馈电容器的一端通过所述第二重置开关处于接通而被连接至地。
9. 一种开关电容器放大器的开关控制方法，所述开关电容器放大器包括 运算放大器；基准信号生成器，所述基准信号生成器生成被提供给所述运算放大器的基准信号； 输入电容器，所述输入电容器被连接至所述运算放大器的输入端子； 输入开关，所述输入开关将输入信号馈送到所述输入电容器； 反馈电容器，所述反馈电容器将从所述运算放大器的输出端子输出的输出信号馈送到 所述输入端子；反馈开关，所述反馈开关被提供在所述输出端子和所述反馈电容器之间；以及 重置开关，所述重置开关对被保存在所述反馈电容器中的电荷进行重置，所述方法包 括重复下述操作利用所述输入开关处于接通以及所述反馈开关和所述重置开关处于断开对所述输入 信号进行采样；在所述采样之后，利用所述反馈开关处于接通以及所述输入开关和所述重置开关处于 断开对所述输入信号进行保持；在所述保持之后，利用所述重置开关处于接通以及所述输入开关和所述反馈开关处于 断开对被保存在所述反馈电容器中的电荷进行重置；以及 在所述重置之后返回到所述采样。
全文摘要
本发明提供了一种开关电容器放大器及其开关控制方法。开关电容器放大器包括运算放大器；基准信号生成器，该基准信号生成器生成被提供给运算放大器的基准信号；第一输入电容器，该第一输入电容器被连接至运算放大器的第一输入端子；第一输入开关，该第一输入开关将第一输入信号馈送到第一输入电容器；第一反馈电容器，该第一反馈电容器将来自于运算放大器的第一输出端子的输出信号馈送到第一输入端子；第一反馈开关，该第一反馈开关被提供在第一输出端子和第一反馈电容器之间；以及第一重置开关，该第一重置开关对被保存在第一反馈电容器中的电荷进行重置。
文档编号G11C27/02GK102082554SQ200910246400
公开日2011年6月1日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者汤浅太刀男, 荣磊 申请人:瑞萨电子株式会社