一种固定斜率三角波信号发生与采样电路

本发明是一种固定斜率三角波信号发生与采样电路，主要应用于采样保持电路，如过采样锁相环、数模转换器等。

背景技术：

在采样电路中，被采样信号的斜率即信号的增益，对电路的性能以及设计复杂度有着重要影响。在性能方面，如在过采样锁相环电路中，需要用反馈信号采样输入信号，根据采样得到的信息对频率和相位进行相应操作。在这种电路中，输入信号通常为正弦信号，而正弦信号最大的缺点为增益会随着时间变化，这种增益的非线性会导致采样的偏差进而影响环路的噪声性能，而且为了弥补这种增益的变化，需要额外产生对应的正交增益，导致需要使用额外的电路以及消耗额外的功耗，甚至部分使用电流镜的结构还会贡献大量的噪声；在设计复杂度方面，较大的信号增益能够为后续电路提供较大的设计空间。如在上述提到的锁相环电路中，在一定的设计要求下，将受输入信号斜率影响的鉴相器的增益提高，可以为滤波器的电阻，以及压控振荡器的增益留出更大的调节空间，降低电阻面积或者降低压控振荡器的设计复杂度。因此，具有良好线性度的输入信号显得格外重要。

三角波信号提供了相对固定的斜率，因此可以克服上述缺点。传统的三角波产生电路可以用以运算放大器为核心的积分器实现，但由于运算放大器本身设计较复杂、功耗较高，且需要使用电阻电容，芯片的面积也较大，因此在低功耗应用中有较大局限性，并且由于较大的电阻电容的存在，在某些反馈系统中还会影响系统稳定性。本发明提出的三角波产生电路相比传统电路可以极大地减小电路功耗，且对环路的稳定性没有影响，因此具有广泛的应用前景。

在采样保持电路中，通常使用单个开关对信号进行采样，在采样开关导通期间，被采样信号电压的变化会通过寄生电容交流耦合到后级电路，在某些差分应用中会产生固定的电压差，影响输出结果。本发明提出的双开关采样结构可以解决上述问题，两个采样开关间断性工作，避免了信号交流耦合造成的影响，能够保证后级电路正确的输出结果。

技术实现要素：

本发明以mos管和电容代替传统的基于运算放大器的三角波发生器，由于去掉了运算放大器，减小了元器件的数目，实现了电路的简化，面积的优化以及功耗的降低。同时，在传统单管采样的基础上，增加了第二组采样开关和采样电容，避免了采样信号的交流耦合引起的输出异常。

一种固定斜率三角波信号发生与采样电路，包括用pmos管mp1、mp2做的电流镜电路；由pmos管mp3和nmos管mn1做成开关复位电路；对电荷进行积分的电容c；实现第一级采样的开关sw1与采样电容c1；实现第二级采样的开关sw2与采样电容c2；mp1与mp2的源极接到vdd，mp1漏极与栅极短接，接到输入vtri以及mp3的源极；mp2的栅极接mp3的漏极，mp2的漏极、电容c的上极板、开关sw1的一端以及开关管mn1的漏极接在一起；电容c的下极板、mn1的源极、电容c1、c2的下极板均接到地；开关sw1、电容c1的上极板、开关sw2的一端接在一起；开关sw2、电容c2的上极板接在一起，作为电路的输出端口。

控制信号ctr为方波信号，当ctr为高电平时，开关管mn1导通、mp3断开，电容c的上极板电压降到0，完成复位操作；当ctr为低电平时，开关管mp3导通、mn1断开，mp2的栅极与mp1的栅极接通，组成电流镜结构，mp2镜像mp1的电流，给电容c持续充电，由于充电电流固定，因此生成了固定斜率的三角波；与此同时，开关管sw1和sw2交替导通；当sw1导通、sw2断开，电容c1对三角波进行采样；当sw1断开、sw2导通，c2对c1上的直流信号采样，实现对交流信号的隔离。

本发明使用电压截止型的接法代替电流截止型接法，实现更大范围的固定斜率。本发明包括用采样开关sw1和采样电容c1组成的第一级采样电路；用采样开关sw2和采样电容c2组成的第二级采样电路；通过第一级采样将交流信号转换为直流，再由第二级采样对直流信号进行采样，隔断了交流信号与后级电路的联系，避免了交流耦合的影响。

附图说明

图1正弦信号不同位置的不同增益的示意图

图2正弦信号不同增益处对采样信号相位变化的敏感度示意图

图3三角波生成电路以及对应双开关采样电路的示意图

具体实施方式

本发明工作的基本原理是：在一个周期内，当ctr为低电平时，开关管mp3导通、mn1断开，mp1和mp2的栅极通过mp3接通，mp2镜像mp1的饱和区电流，该电流通过mp2的漏极对电容c上极板充电，使电容上的电压持续上升，对应三角波的斜坡部分。当ctr变为高电平，开关管mn1导通、mp3断开，使电容c上极板电压放电至0，对应三角波的复位部分。需要注意的是，想要充电电流保持固定，即让三角波拥有恒定的斜率，就需要保证mp2始终工作在饱和区，而当电容上极板电压上升到一定值时会让mp2工作在线性区，三角波的斜率也就不再恒定。解决上述问题可以通过调整vtri来调整充电电流，使在ctr变为高电平之前，即三角波复位之前，电容上的电压足够低，以保证mp2一直工作在饱和区。在三角波信号产生的过程中，采样开关sw1和采样开关sw2会交替导通。当采样开关sw1导通、采样开关sw2断开时，采样电容c1上的电压将跟随三角波信号逐渐上升，直到sw1断开。在sw1断开且sw2尚未接通的时间里，c1上的电压逐渐趋于稳定，最终稳定为直流电压。此时采样开关sw2导通，使采样电容c2对c1上的直流电压进行采样，对直流信号进行采样就可以避免交流耦合对后级电路的影响。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种固定斜率三角波信号发生与采样电路，包括用pmos管mp1、mp2做的电流镜电路；由pmos管mp3和nmos管mn1做成开关复位电路；对电荷进行积分的电容c；实现第一级采样的开关sw1与采样电容c1；实现第二级采样的开关sw2与采样电容c2；mp1与mp2的源极接到vdd，mp1漏极与栅极短接，接到输入vtri以及mp3的源极；mp2的栅极接mp3的漏极，mp2的漏极、电容c的上极板、开关sw1的一端以及开关管mn1的漏极接在一起；电容c的下极板、mn1的源极、电容c1、c2的下极板均接到地；开关sw1、电容c1的上极板、开关sw2的一端接在一起；开关sw2、电容c2的上极板接在一起，作为电路的输出端口。

2.根据权利要求1所述的一种固定斜率三角波信号发生与采样电路，其特征在于：控制信号ctr为方波信号，当ctr为高电平时，开关管mn1导通、mp3断开，电容c的上极板电压降到0，完成复位操作；当ctr为低电平时，开关管mp3导通、mn1断开，mp2的栅极与mp1的栅极接通，组成电流镜结构，mp2镜像mp1的电流，给电容c持续充电，由于充电电流固定，因此生成了固定斜率的三角波；与此同时，开关管sw1和sw2交替导通；当sw1导通、sw2断开，电容c1对三角波进行采样；当sw1断开、sw2导通，c2对c1上的直流信号采样，实现对交流信号的隔离。

3.根据权利要求1所述的一种固定斜率三角波信号发生与采样电路，其特征在于：使用电压截止型的接法代替电流截止型接法，实现更大范围的固定斜率。

4.根据权利要求1所述的一种固定斜率三角波信号发生与采样电路，包括用采样开关sw1和采样电容c1组成的第一级采样电路；用采样开关sw2和采样电容c2组成的第二级采样电路；通过第一级采样将交流信号转换为直流，再由第二级采样对直流信号进行采样，隔断了交流信号与后级电路的联系，避免了交流耦合的影响。

技术总结
本发明是一种固定斜率三角波信号发生与采样电路，可用于任何采样电路，如过/欠采样锁相环电路、数模转换器电路。本电路产生的三角波可代替正弦信号用于采样电路，周期内固定的斜率保证了增益的一致性，确保了采样电压的线性，为后级电路的设计提供了便利。并且在锁相环电路中，线性电路相比非线性电路具有更好的噪声性能。本发明对普通的电流型三角波发生电路做了改进，提出了电压型三角波发生电路。相对于电流型，电压型将电流截止开关换成电压截止开关，消除了开关带来的电流过冲等非理想因素。对应的双开关采样电路将采样交流信号转换为采样直流信号，有效地减少了交流信号耦合带来的负面影响，保证后级电路的正确结果。

技术研发人员：陈志杰;王川恺;万培元;马鹏宇
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2021.04.13
技术公布日：2021.07.27