积分电路与用于提供输出信号的方法与流程

积分电路是δ-∑模数转换器中常用的构建模块。所述δ-∑转换器又经常用于温度传感器中。

如图5中所示的现有技术的积分器电路具有放大器a，其具有耦合在放大器的反馈回路中的电容器c，使得放大器a和电容器c形成反相积分器。第一电流i1和第二电流i2交替地提供给放大器a的输入端。放大器a提供表示第一电流i1和第二电流i1之间的电流比或电流差的积分的输出信号vout。当一个电流没有切换到放大器的输入端时，即当该电流空闲时，它被切换到提供参考电压vr的端r。寄生电容cp1、寄生电容cp2在接收第一电流i1和第二电流i2的每个输入端处形成。这些寄生电容cp1和寄生电容cp2两端的电压波动导致电荷注入放大器a，因此使实际电流比或电流差失真。然而放大器a的虚地节点处的寄生电容cpi两端的电压瞬变通常并不意味着电荷误差，寄生电容cp1和寄生电容cp2各自仅在图5右侧所示的时钟信号clk的半个时钟周期内连接到放大器a并在每个空闲阶段被充电到端子r的电压vr。因此，在每个活跃阶段，即当相应电流i1或电流i2连接到放大器a的输入端时，由相应电流的输入端处的电压v1、电压v2和端子r处的电压vr之间的差产生的相应电荷差被注入到放大器a中。该电荷被存储在相应寄生电容cp1、寄生电容cp2上，从而导致相应的误差电流。根据以下等式，其中的每个误差电流等于相应的电荷差与时钟信号clk的周期长度的比值:

δq1，2＝cp1，2*(vr-v1，2)

其中i1、2err表示第一电流i1或第二电流i2的误差电流(errorcurrent)，δq1、2分别表示存储在第一寄生电容cp1或第二寄生电容cp2中的电荷差，相应地，cp1、2表示第一寄生电容cp1或第二寄生电容cp2，vr表示参考电压vr，并且v1、2表示电压v1或电压v2。

然而，注入放大器a的误差电荷包是恒定的，输入电流i1、输入电流i2在时间上是连续的，使得对整体积分电荷的影响取决于时钟信号clk的周期。

存在两种解决上述问题的常见解决方案。一种方法是减小时钟信号clk的频率。这种方法减小了由电荷包导致的误差。但是，例如在模数转换器中，如果使用这种积分器会增加总转换时间。更长的转换时间也意味着更高的功耗。

另一种补救办法是在敏感节点(即，电流i1和电流i2的输入节点)引入级联开关方案以减小电压波动。但是，各级之间的偏移仍然会引起残余波动。此外，当在低电源电压实施方式中使用积分器时，级联开关可能没有足够的裕量。

因此，本申请的目的是克服现有技术的缺点。

该目的通过独立专利权利要求的主题来解决。实施例和改进是从属权利要求的主题。

在一个实施例中，积分电路具有第一输入端，被配置为接收第一输入信号；第二输入端，被配置为接收第二输入信号；输出端，其根据第一输入信号和第二输入信号来提供输出信号；第一放大器和第二放大器；以及电容器。第一放大器和第二放大器中的每个可切换地连接在第一输入端和第二输入端与输出端之间。电容器可切换地耦合在第一放大器或第二放大器的反馈回路中，使得第一放大器和第二放大器中的一个与电容器形成提供输出信号的反相积分器。积分电路被配置为在第一子阶段和第二子阶段中操作。在第一子阶段和第二子阶段中的每一个中，第一输入信号和第二输入信号中的一个被提供给反相积分器，第一输入信号和第二输入信号中相应的另一个被提供给第一放大器和第二放大器中相应的另一个。其中，根据对第一输入信号和第二输入信号之间差值或比率的时间连续积分来提供输出信号。

例如，在第一子阶段中，第一输入信号被提供给第一放大器，并且第二输入信号被提供给第二放大器。在这个例子中，第一放大器和电容器形成反相积分器并提供输出信号。因此，在这个例子的第一子阶段中，根据对第一输入信号的积分提供输出信号。在这个例子的第二子阶段中，第二输入信号被提供给第一放大器并且第一输入信号被提供给第二放大器。因此，根据对第二输入信号的积分提供输出信号。因此，在输入信号对输出信号没有贡献的阶段，即其空闲阶段，该输入信号被切换到不提供输出信号的放大器。由此，第一放大器和第二放大器的虚地电压匹配。在信号的空闲阶段不提供输出信号的放大器的输入端的虚地表现出与在该信号的前一个活动阶段期间形成反相积分器并提供输出信号的放大器相同的波动。

因此，第一输入端和第二输入端的电压波动大幅减少。不需要像在现有技术实施方式中那样增加电源电压或降低时钟频率。

在示例性实施例中，第二放大器与第一放大器匹配。

在改进中，第二输入信号与第一输入信号互补。其中，第一输入信号和第二输入信号各自包括电流信号。

在进一步的改进中，第一输入信号、第二输入信号和输出信号中的每一个都是单端信号。

换句话说，在积分电路中用到的信号，例如第一输入信号、第二输入信号和输出信号不是被实现为差分信号，而被实现为单端信号。

第一和第二输入信号都实现为时间连续信号。

在进一步改进中，积分电路被配置为第三子阶段和第四子阶段中操作。相对于第一子阶段和第二子阶段，在第三和第四子阶段的每一个中，第一放大器和第二放大器中的相应的另一个形成反相积分器。在第三子阶段和第四子阶段的每一个中，将第一输入信号和第二输入信号中的一个提供给反相积分器，并且，相对于前一个第三子阶段或第四子阶段，将第一输入信号和第二输入信号中相应的另一个提供给第一放大器和第二放大器中的相应的另一个。

在例子的第三子阶段中，第一输入信号被提供给第一放大器并且第二输入信号被提供给形成反相积分器并提供输出信号的第二放大器。因此，在第三子阶段中，根据第二输入信号的积分提供输出信号。在同样的例子的第四子阶段中，第一输入信号被提供给形成反相积分器的第二放大器并且第二输入信号被提供给第一放大器。在第四子阶段中，根据对第一输入信号的积分提供输出信号。

在第三子阶段和第四子阶段中，相对于在第一子阶段和第二子阶段中用于反相积分器的放大器，另一个放大器形成反相积分器。在所述的例子的第一子阶段和第二子阶段中，第一放大器形成反相积分器，在第三子阶段和第四子阶段中，第二放大器形成反相积分器。

通过放大器角色的这种交换，通常消除了由失配(例如，第一和第二放大器之间的偏移)引起的残余误差。因此，现有技术实施方式中在第一输入端和第二输入端上出现的电压波动通常被降低到接近于零。因此，电荷误差被消除。

在进一步改进中，通过相对于前一个子阶段期间的第一和第二输入端与反相积分器或第一和第二放大器中相应的另一个放大器的连接，将第一和第二输入端与反相积分器或第一和第二放大器中的相应的另一个放大器之间的连接互换来设置第一子阶段和第二子阶段之间的相互转换以及第三和第四子阶段之间的相互转换。

当积分电路从第一子阶段到第二子阶段或从第二子阶段到第一子阶段或从第三子阶段到第四子阶段或从第四子阶段到第三子阶段转换时，第一输入端和第二输入端与第一放大器和第二放大器之间的可切换连接被交换或替换。因此，如果在一个子阶段中，第一输入端与第一放大器耦合并且第二输入端与第二放大器耦合，则在下一个或随后的子阶段中第一输入端与第二放大器耦合，第二输入端与第一放大器耦合。

在改进中，积分电路被配置为在预定的测量周期内工作，该测量周期分为第一阶段和第二阶段。在测量周期的第一阶段内，重复具有第一子阶段和第二子阶段的序列。在测量周期的第二阶段内，重复具有第三子阶段和第四子阶段的序列。

根据使用积分电路的应用来预定测量周期的长度。

在进一步的改进中，通过将电容器在第一放大器或第二放大器的反馈回路中的连接在第一放大器与第二放大器之间切换或从第二放大器切换到第一放大来设置第一阶段与第二阶段之间的转换，使得相对于前一个第一阶段或第二阶段，另一个放大器和电容器形成反相积分器。

这意味着，如果在测量周期的第一阶段期间，第一放大器与电容器一起形成反相积分器，则电容器的连接切换到第二放大器使得在测量周期下一个或随后的第二阶段期间，第二放大器与电容器一起形成反相积分器。

因此，在预定测量周期内形成反相积分器的角色从第一放大器到第二放大器交换一次，或从第二放大器到第一放大器交换一次。

在改进中，电容器连接的转换使得在第一阶段中，第一放大器与电容器形成被配置为提供输出信号的反相积分器，并且在第二阶段中，第二放大器与电容器形成反相积分器，或反之亦然。

在进一步改进中，第一放大器具有反相输入端，该反相输入端根据第一、第二、第三和第四子阶段可切换地连接到第一输入端或第二输入端。第一放大器还具有接收参考信号的非反相输入端。第二放大器具有反相输入端，该反相输入端根据第一、第二、第三和第四子阶段可切换地连接到第一输入端或第二输入端。第二放大器还具有接收参考信号的非反相输入端。

例如，参考信号由参考电压表示。所述参考电压的大小被确定为使得积分电路在正确的工作点工作。例如，参考电压等于积分电路电源电压的一半。

在进一步改进中，第一放大器的反馈回路在第一放大器的输出端和其反相输入端之间延伸。第二放大器的反馈回路在第二放大器的输出端和其反相输入端之间延伸。

在改进中，在相应的子阶段中不形成反相积分器的放大器被配置成形成伪放大器的单位反馈。

形成伪放大器的放大器通过将其输出端连接到其负输入端被配置为全串联反馈。这样的放大器也能够被称为电压跟随器。伪放大器也可以被称作“复制放大器”。形成反相积分器的放大器和伪放大器总是被连接到输入端中的一个。

在一个实施例中，δ-∑转换器具有如上文所描述的积分电路和与积分电路的输出端耦合的比较器电路。比较器电路被配置为根据积分电路的输出信号与阈值信号的比较来提供比较器信号。

由于第一输入端和第二输入端互补(例如，每个表示电流)，输出信号(例如，电压)在积分电路的输出端处以三角形的形式线性增加和减少。选择阈值信号，使得其大约在输出信号的最大值和最小值之间的中间。因此，每当积分电路的输出信号呈现阈值信号的值时，比较器信号就改变其值。

在示例性实施例中，如上文所述的δ-∑转换器用于温度传感器中。

例如，温度传感器被实现为电流域温度-数字转换器。其中，可以用双极技术实现的温度传感器的前端产生与绝对温度成比例的第一电流和与绝对温度互补的第二电流。这两个电流用作δ-∑转换器的积分电路的第一输入信号和第二输入信号。由积分电路提供的数字脉冲调制信号包含关于绝对温度和互补温度之间的比率的信息。所述信号经过数字后处理，最终以数字形式表示温度。

通过使用上述的积分电路，与现有技术的积分器相比，可以实现更快的切换，这减少了转换温度所需的时间。

在一个实施例中用于提供输出信号的方法具有如下步骤：

-在第一子阶段中，将第一输入信号馈送到形成反相积分器的第一放大器，将第二输入信号馈送到形成伪放大器的第二放大器，并通过对第一输入信号积分来提供输出信号，并且

-在第二子阶段中，将第一输入信号馈送到形成伪放大器的第二放大器，将第二输入信号馈送到形成反相积分器的第一放大器，并通过对第二输入信号积分来提供输出信号，

其中，伪放大器被配置为单位反馈，并且

-根据对第一输入信号和第二输入信号之间的差或比率的时间连续积分提供输出信号。

在第一子阶段和第二子阶段期间，第一放大器形成提供输出信号的反相积分器并且第二放大器形成伪放大器。因此，第一输入信号和第二输入信号从第一放大器切换到第二放大器，反之亦然。由此，误差电流的发生率大大减少。

在改进中，所述方法进一步包括如下步骤：

-在第三子阶段中，将第一输入信号馈送到形成伪放大器的第一放大器，将第二输入信号馈送到形成反相积分器的第二放大器，并通过对第二输入信号积分来提供输出信号，并且

-在第四子阶段中，将第一输入信号馈送到形成反相积分器的第二放大器，将第二输入信号馈送到形成伪放大器的第一放大器，并通过对第一输入信号积分来提供输出信号。

其中，在预定测量周期的第一阶段内重复第一子阶段和第二子阶段。在预定测量周期的第二阶段内重复第三子阶段和第四子阶段。

例如，所述方法能够在上述积分电路中实现。

下文借助示例性实施例参照附图详细解释了所提出的积分电路和相应的方法。功能相同或效果相同的部件和电路元件具有相同的附图标记。只要电路部件或组件在功能上彼此对应，在下面的每幅图中将不再重复对它们的描述。

图1示出了所提出的积分电路的实施例；

图2示出了所提出的积分电路的示例性时序图；

图3a示出了所提出的积分电路在第一子阶段期间的实施例；

图3b示出了所提出的积分电路在第二子阶段期间的实施例；

图3c示出了所提出的积分电路在第三子阶段期间的实施例；

图3d示出了所提出的积分电路在第四子阶段期间的实施例；

图4示出了将根据所提出的原理的δ-∑转换器用于温度传感器中。

图1示出了所提出的积分电路的实施例。积分电路具有第一输入端in1和第二输入端in2、第一放大器a1、第二放大器a2、电容器c和输出端out。第一输入端in1被配置为接收第一输入信号i1，该第一输入信号i1包括例如第一输入电流。第二输入端in2被配置为接收第二输入信号i2，该第二输入信号i2包括例如第二输入电流。第一放大器a1可切换地连接在第一、第二输出端in1、in2与输出端out之间。第二放大器a2可切换地连接在第一、第二输出端in1、in2和输出端out之间。具体地，第一输入端in1通过第一开关s1可切换地连接到第一放大器a1的反相输入端。第一输入端in1还通过第二开关s2可切换地连接到第二放大器a2的反相输入端。第二输入端in2通过第三开关s3可切换地连接到第一放大器a1的反相输入端。第二输入端in2还通过第四开关s4耦合到第二放大器a2的反相输入端。

电容器c通过第一斩波开关cs1和第二斩波开关cs2可切换地耦合在第一放大器a1或第二放大器a2的反馈回路中。第一放大器a1和第二放大器a2中的通过斩波开关cs1和斩波开关cs2将电容器c切换到其反馈回路中的放大器形成反相积分器。第一放大器a1和第二放大器a2中的相应的另一个放大器被配置成单位反馈，其输出端通过斩波开关cs1、斩波开关cs2连接到其反相输入，从而形成伪放大器或复制放大器。第一放大器a1和第二放大器a2中的形成反相积分器的放大器的输出通过第二斩波开关cs2切换到积分电路输出端out，以提供输出信号out。第一斩波开关cs1和第二斩波开关cs2由第二时钟信号clk2同时控制。

斩波开关也称作置换开关，其实施方式是本领域技术人员已知的。

第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3和第四开关s4由第一时钟信号clk1和反相第一时钟信号控制。具体地，第二开关s2和第三开关s3由第一时钟信号clk1控制，而第一开关s1和第四开关s4由反相第一时钟信号控制。

第一放大器a1和第二放大器a2的非反相输入端都接收参考信号vref。

图1还示出了在输入端in1、in2处形成的寄生电容。例如，第一寄生电容cp1相对于参考电位端10在第一输入端in1处形成。相似地，第二寄生电容cp2相对于参考电位端10在第二输入端in2处形成。下文将参考图2和图3a至图3d描述积分电路的操作。

图2示出了所提出的积分电路的示例性时序图。参照时间t来描述第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2。积分电路的测量周期由两个阶段组成，即第一阶段p1和第二阶段p2。第一阶段p1和第二阶段p2由第二时钟信号clk2确定。第一阶段p1还具有由第一时钟信号clk1确定的多个第一子阶段sp1和第二子阶段sp2。第二阶段p2具有也由第一时钟信号clk1确定的多个第三子阶段sp3和第四子阶段sp4。

图3a示出了所提供的积分电路在第一子阶段期间的实施例。在图2所示的第一子阶段sp1期间，第一放大器a1被配置为反相积分器int，而第二放大器a2形成伪放大器。在第一时钟信号clk1的控制下，第二开关s2和第三开关s3闭合，而第一开关s1和第四开关s4打开。因此，第二输入信号i2被提供到反相积分器int，并且第一输入信号i1被提供到伪放大器a2。输出信号vout被提供作为对第二输入信号in1的积分。第一电压v1落于第一输入端in1。第二电压v2落于第二输入端in2。

图3b示出了所提供的积分电路在第二子阶段期间的实施例。第一放大器a1继续与电容器c形成反相积分器int。在第一时钟信号clk1的控制下，第一开关s1和第四开关s4闭合，第二开关s2和第三开关s3打开。因此，第一输入信号i1提供到反相积分器int。第二输入信号i2提供到伪放大器a2。根据第一输入信号i1的积分来提供输出信号vout。

能够看到，根据所提出的原理，其输入信号当前未被积分的输入端被切换到伪放大器，而不是像在本申请的开头部分中描述的现有技术实施方式中那样，将输入端in1、in2中当前未被用于积分的(即，空闲的)端切换到参考电位端。由于第一放大器a1和第二放大器a2之间的匹配以及因此相匹配的虚地电压，在输入端in1、in2处的电压波动大幅减少。不需要增加电源电压，也不需要降低第一时钟信号clk1的频率。例如，所提出的积分电路能够以大约1mhz的时钟频率操作。

其中，输入节点处的电压波动表示当从第一子阶段sp1切换到第二子阶段sp2时出现在该节点处的电压差，反之亦然。

图3c示出了所提出的积分电路在第三子阶段sp3期间的实施例。根据图2，在第二时钟信号clk2的控制下，积分电路在第二阶段p2中操作并且反相积分器和伪放大器的使用图1的斩波开关cs1、斩波开关cs2的角色在第一放大器a1和第二放大器a2之间互换。因此，在第三子阶段sp3期间，第二放大器a2与电容器c一起形成反相积分器int并提供输出信号vout。第一放大器a1形成配置为单位反馈的伪放大器。在第一时钟信号clk1的控制下操作开关，使得第一输入信号i1被提供到伪放大器a1，并且第二输入信号i2被提供到反相积分器int。输出信号vout被提供为第二输入信号i2的积分。其中，代表反相第二时钟信号clk2。

图3d示出了所提出的积分电路在第四子阶段的实施例。在如图2所示的第四子阶段sp4中，第二放大器a2继续形成反相积分器int。在第一时钟信号clk1的控制下，第一输入信号in1被提供到反相积分器int，并且第二输入信号i2被提供到伪放大器a1。根据对第一输入信号i1的积分来提供输出信号vout。

可以看出，在从第三子阶段sp3切换到第四子阶段sp4期间，第一放大器a1和第二放大器a2的输入信号被互换。因此，图1的寄生电容cp1、寄生电容cp2两端的电压波动大幅减少。此外，在积分电路的操作中，当从第一阶段p1切换到第二阶段p2时，通过将反相积分器int和伪放大器的角色在第一放大器a1和第二放大器a2之间互换，由运算放大器的失配和偏移的电位差引起的残余波动进一步减小。该残余误差一般被消除。

图4示出了在温度传感器中使用根据所提出的原理的δ-∑转换器。δ-∑转换器conv具有根据上文描述的原理的积分电路ic和与积分电路ic的输出端耦合的比较器电路cmp。比较器电路cmp将积分电路ic的输出信号vout与阈值信号vth比较，并由此提供比较器信号sc。

比较器信号sc被提供给计数器部件ctr，该计数器部件ctr提供比较器信号sc的过零点的数量。在进一步的滤波之后，提供温度信号stmp。

如本领域技术人员所知的，当δ-∑转换器conv用于温度传感器时，使用双极前端fe来提供第一信号i1和第二信号i2。

双极前端fe具有绝对温度正比(ptat)传感器，该传感器以第一输入电流形式提供第一输入信号i1。双极前端还具有绝对温度互补(ctat)传感器，该传感器以第二输入电流形式提供第二输入信号i2。δ-∑转换器conv内的积分电路ic以比较器信号sc的形式提供表示第一输入信号i1与第二输入信号i2之比的数字脉冲调制信号。在通过计数器ctr进行数字后处理之后，以温度信号stmp数字化地表示测量的温度。

应当理解，除非另做说明，否则关于任何一个实施例描述的任何特征可以单独使用，或者与所述的其他特征结合使用，还可以与任何其他实施的一个或更多个特征或者与任何其他实施例的任何组合来组合使用。此外，在不脱离所述权利要求中限定的载波信号发生电路和方法的范围的情况下，也可以使用上文未描述的等同物和变形。

附图标记列表

10参考电位端

in1、in2、out输入/输出端

i1、i2、vout、vref、vth信号

v1、v2、vr电压

a1、a2、a放大器

s1、s2、s3、s4开关

cs1、cs2开关

int反相积分器

c电容器

clk1、clk2,时钟信号

cp1、cp2、cpi寄生电容

sp1、sp2、sp3、sp4子阶段

p1、p2阶段

ic积分电路

convδ-∑转换器

sc、stmp信号

ctr计数器

cmp比较器

inv反相器

fe前端