一种基于相关双采样的伪差分结构微弱电流积分电路的制作方法

本发明设计一种cmos集成电路，具体涉及一种基于相关双采样的伪差分结构微弱电流积分电路。

背景技术：

在半导体微弱电流检测时，需要对亚pa级的电流进行检测。电路的噪声主要来自于以下两个方面。一是输入信号自身的噪声，在微弱电流信号中往往会夹带这样或者那样的噪声。同时，放大电路自身也会存在噪声，例如低频的1/f噪声。并且由于器件本身的匹配问题，放大电路还会存在着失调电压。

采用相关双采样技术(correlateddoublesampling,cds)技术来消除低频噪声和放大器的失调。相关双采样电路通过复位和积分两个阶段，对采样电容进行充放电，得到信号电平与复位电平的差值，用自归零电容(caz)存储放大器的失调和低频噪声。

但是由于电荷注入和时钟馈通效应，电源电压波动将引入输出波动。并且为了增加电路的抗干扰能力，电路还需要足够大的共模抑制比。同时，电路还需要抑制后级放大器引入的噪声。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于相关双采样的伪差分结构微弱电流积分电路，本发明首先在清零阶段，电路中的电容连接复位电平信号，对电容上的电荷进行清零；其次自归零阶段利用自归零电容存储放大器的失调和低频噪声信息；放大阶段电流通过闭合的开关一s1,开关六s6送入放大器，对信号进行放大，本发明可以有效避免电荷注入和时钟馈通效应，抗干扰能力强的微弱电流积分电路。将电荷积分器设计为伪差分结构来避免mos开关工作时存在的电荷注入和时钟馈通效应。通过引入输入共模反馈电路，来获得较好的共模抑制比和电源抑制比。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于相关双采样的伪差分结构微弱电流积分电路，包括带输入共模反馈电路的差分放大器a1、寄生等效电容cp、哑电容cdum、输入共模反馈电容一cifb1、输入共模反馈电容二cifb2、反馈电容一cf1、反馈电容二cf2、自归零电容一caz1、自归零电容二caz2、负载电容一cl1、负载电容二cl2、差分保持电容一ch1、差分保持电容二ch2、开关一s1、开关二s2、开关三s3、开关四s4、开关五s5、开关六s6、开关七s7、开关八s8、开关九s9、开关十s10，其中：

寄生等效电容cp的第一端分别接输入电流信号和开关一s1的第一端。

输入共模反馈电容一cifb1的第一端分别接开关一s1的第二端、开关二s2的第一端、反馈电容一cf1的第一端、带输入共模反馈电路差分放大器a1中的输入共模反馈电路的第一反相输入端和差分放大器的同相输入端。输入共模反馈电容一cifb1的第二端接带输入共模反馈电路的差分放大器a1中的输入共模反馈电路的输出端。

反馈电容一cf1的第二端接开关三s3的第一端、负载电容一cl1的第一端、自归零电容一caz1的第一端和带输入共模反馈电路差分放大器a1中的差分放大器的同相输出端。开关三s3的第二端接输出共模端，负载电容一cl1的第二端接地。

自归零电容一caz1的第二端接开关四s4的第一端、开关五s5的第一端。开关四s4的第二端接输出共模端和差分保持电容一ch1的第一端。开关五s5的第二端接差分保持电容一ch1的第二端和信号输出端。

哑电容cdum的第二端接开关六s6的第一端，开关六s6的第二端分别接输入共模反馈电容二cifb2的第一端、开关七s7的第一端、反馈电容二cf2的第一端、带输入共模反馈电路的差分放大器a1中的输入共模反馈电路的第二反相输入端和差分放大器的反相输入端。

输入共模反馈电容二cifb2的第二端接输入共模反馈电路的输出端，开关七s7的第二端接输入共模电平。反馈电容二cf2的第二端分别接开关八s8的第一端、带输入共模反馈电路的差分放大器a1中的差分放大器的反相输出端。

负载电容二cl2的第一端和自归零电容二caz2的第一端连接。自归零电容caz2的第二端分别接开关九s9的第一端、开关十s10的第一端，开关九s9的第二端接输出共模电平和差分保持电容二ch2的第二端。开关十s10的第二端分别接电容ch2的差分保持电容二ch2和信号输出端。

优选的：输入共模反馈电路为一三输入折叠式跨导放大器。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明通过伪差分结构来避免mos开关工作时存在的电荷注入和时钟馈通效应。通过引入输入共模反馈电路，来获得较好的共模抑制比和电源抑制比。同时相关双采样电路将输入电流信号转换成差分保持电容一ch1、差分保持电容二ch2上的电压，通过自归零电容一caz1、自归零电容二caz2存储放大器失调和低频噪声信息。

附图说明

图1为本发明提出的基于相关双采样的伪差分结构微弱电流积分电路的结构示意图。

图2为本发明提出的基于相关双采样的伪差分结构微弱电流积分电路在实例中的开关切换时序图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种基于相关双采样的伪差分结构微弱电流积分电路，主要引入输入共模反馈电路的放大器a1和相关双采样电路，输入共模反馈电路的输出端与相关双采样电路的输入端相连，如图1所示，包括带输入共模反馈电路的差分放大器a1、寄生等效电容cp、哑电容cdum、相互对称的输入共模反馈电容一cifb1和输入共模反馈电容二cifb2、相互对称的反馈电容一cf1和反馈电容二cf2、相互对称的自归零电容一caz1和自归零电容二caz2、相互对称的负载电容一cl1和负载电容二cl2、相互对称的差分保持电容一ch1和差分保持电容二ch2、开关一s1、开关二s2、开关三s3、开关四s4、开关五s5、开关六s6、开关七s7、开关八s8、开关九s9、开关十s10，所述开关一s1、开关二s2、开关三s3、开关四s4、开关五s5、开关六s6、开关七s7、开关八s8、开关九s9、开关十s10结构均相同，在放大器a1中引入输入共模反馈(inputcommonmodefeedback,icmfb)，输入共模反馈电路为一三输入折叠式跨导放大器，放大器a1为全差分折叠跨导放大器，并且采用了增益自举技术和源极退化技术来提高其增益，其中：

寄生等效电容cp的第一端分别接输入电流信号lin和开关一s1的第一端。

输入共模反馈电容一cifb1的第一端分别接开关一s1的第二端、开关二s2的第一端、反馈电容一cf1的第一端、带输入共模反馈电路差分放大器a1中的输入共模反馈电路的第一反相输入端和差分放大器的同相输入端。输入共模反馈电容一cifb1的第二端接带输入共模反馈电路的差分放大器a1中的输入共模反馈电路的输出端。

反馈电容一cf1的第二端接开关三s3的第一端、负载电容一cl1的第一端、自归零电容一caz1的第一端和带输入共模反馈电路差分放大器a1中的差分放大器的同相输出端。开关三s3的第二端接输出共模端，负载电容一cl1的第二端接地。

自归零电容一caz1的第二端接开关四s4的第一端、开关五s5的第一端。开关四s4的第二端接输出共模端和差分保持电容一ch1的第一端。开关五s5的第二端接差分保持电容一ch1的第二端和信号输出端。

哑电容cdum的第二端接开关六s6的第一端，开关六s6的第二端分别接输入共模反馈电容二cifb2的第一端、开关七s7的第一端、反馈电容二cf2的第一端、带输入共模反馈电路的差分放大器a1中的输入共模反馈电路的第二反相输入端和差分放大器的反相输入端。

输入共模反馈电容二cifb2的第二端接输入共模反馈电路的输出端，开关七s7的第二端接输入共模电平。反馈电容二cf2的第二端分别接开关八s8的第一端、带输入共模反馈电路的差分放大器a1中的差分放大器的反相输出端。

负载电容二cl2的第一端和自归零电容二caz2的第一端连接。自归零电容caz2的第二端分别接开关九s9的第一端、开关十s10的第一端，开关九s9的第二端接输出共模电平和差分保持电容二ch2的第二端。开关十s10的第二端分别接电容ch2的差分保持电容二ch2和信号输出端。

因为电容cp的大小无法准确测量，电容cp与电容dum间总是存在着失配。因此再在放大器a1中加入输入共模反馈电路。输入共模反馈电路为一三输入折叠式跨导放大器。icmfb电路的输出经过两个相等的电容cifb1，cifb2耦合回放大器a1的输入端。

同时，为了抑制后继放大器引入的噪声贡献，所以放大器a1需要足够大的增益。同时放大器a1也要有尽可能宽的输入共模范围。

下面结合开关时序设置详细说明本实施例的工作原理，如图2所示：

开关一s1、开关六s6由时钟φ1控制，开关二s2、开关七s7、开关三s3、开关八s8由时钟rst控制，开关四s4、开关九s9由时钟φ2控制，开关五s5、开关十s10由时钟φ1控制。

阶段1，清零阶段：时钟rst高电平，时钟φ1低电平，时钟φ2高电平，开关一s1、开关六s66断开，开关二s2、开关七s7、开关三s3、开关八s8、开关四s4、开关九s9闭合，输入共模反馈电容一cifb1、输入共模反馈电容二cifb2、反馈电容一cf1、反馈电容二cf2、负载电容一cl1、负载电容二cl2、自归零电容一caz1、自归零电容二caz2上的电荷清零。

阶段2，自归零阶段：时钟rst低电平，时钟φ1低电平，时钟φ2高电平，开关一s1、开关二s2、开关三s3、开关六s6、开关七s7、开关八s8断开，开关四s4、开关九s9闭合。放大器构成放大电路。放大mos开关引起的注入电荷，放大器的失调，以及kt/c噪声，将放大结果存放于自归零电容一caz1和自归零电容二caz2中。

阶段3，放大阶段：时钟φ1高电平，时钟φ2低电平。自归零电容一caz1和自归零电容二caz2的右端从模拟地断开，分别接到差分保持电容一ch1、差分保持电容二ch2，电流源通过闭合的开关一s1送入放大器进行放大。

在相关双采样技术中，信号只有在阶段3的末尾，也就是时钟φ1高电平的末尾才有效，也就是说有效输出体现为离散形式。这是不利于后续的信号读出、模数转换和数字处理的。因此，我们在相关双采样电荷积分器的后端再加上一对差分的保持电容差分保持电容一ch1、差分保持电容二ch2，将放大器的输出转换为连续的信号。

本实施例中时钟采用片外输入未知占空比方波时钟信号，包括二分频电路、四分频电路、非交叠时钟发生器以及宽度可控的脉冲发生器。

综上，本发明提出的基于相关双采样的伪差分结构微弱电流积分电路；采用伪差分结构的电荷积分器设计，来消除由于mos开关在工作时存在的电荷注入和时钟馈通效应。同时该结构还可以减少由于电源电压波动给引起的输出波动。同时在a1中引入输入共模反馈来解决cdum和cp的失配问题，抑制放大器a1输入端的共模波动和因为共模-差模变换导致的误差。采用较小的反馈电容cf1，cf2和开环增益较大的放大器a1,从而可以抑制后继放大级引入的噪声的贡献。运用相关双采样电路利用自归零电容来存储放大器失调和低频噪声信息，将微弱电流转换为采样电容ch1,ch2上的电压，将放大器a1的输出转换为连续的信号。

本发明采用相关双采样电路将输入电流信号转换成保持电容上的电压，通过自归零电容存储放大器的失调和低频噪声信息。运用伪差分结构的电路来减少mos开关工作时的电荷注入和时钟馈通效应。引入输入共模反馈电路来抑制放大器a1输入端的共模波动，减小因共模-差模变换导致的误差。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。