一种电容式可编程放大器的制作方法

1.本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种电容式可编程放大器。


背景技术：

2.可编程放大器主要用于信号链中，模数转化器（adc）前端，起到放大信号的作用。典型的电容式增益放大器通过在两个斩波(chp)放大阶段之间交替来对输入信号进行斩波，其中第二chp阶段具有与第一chp阶段相比极性反转的放大信号。电容式增益放大电路的输出可以被输入到模数转换器(adc)电路，以进行模数转换。当来自电容式增益放大电路的输出的最终电压在adc电路获取转换用样本之前很好地稳定于正确的最终值时， 转换精度会提高。因而，对于信号的高频周期采样，期望电容式增益放大电路使其输出电压快速稳定于准确的最终值。电容式增益放大电路的最大采样率或频率受限于放大的样本值稳定于准确的最终值的速度。目前的电容式增益放大器开关太多，时序控制复杂。设计难度大，同时信号路径容易引入非线性误差。在chop周期切换时，引入了伪az相位，不利于信号的快速建立，同时还要驱动此相位的输出电压信号。
3.为此，如何简化可编程放大器的电路结构，提高信号建立速度是本领域技术人员急于解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种电容式可编程放大器，能够简化电路设计复杂度，减少主信号路径开关数目，提高信号建立速度。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种电容式可编程放大器，包括：第一差分放大电路，所述第一差分放大电路包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端和所述第二输入端分别用于输入第一信号和第二信号；第二差分放大电路，所述第二差分放大电路包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；adc采样单元，所述adc采样单元连接于所述第二差分放大电路的第一输出端和所述第二输出端；斩波开关模块，所述斩波开关模块连接于所述第一差分放大电路和所述第二差分放大电路之间，用于选择性的将所述第一差分放大电路的第一输出端或第二输出端与所述第二差分放大电路的第一输入端或第二输入端导通或者断开；输入斩波开关模块，所述输入斩波开关模块连接于所述第一差分放大电路的第一输入端和第二输入端，用于选择性将所述第一信号和/或所述第二信号输入至所述第一差分放大电路的第一输入端或第二输入端；输出斩波开关模块，所述输出斩波开关模块连接于所述输入斩波开关模块的输出端与所述adc采样单元的输入端之间，所述输出斩波开关模块与所述输入斩波开关模块、所
述斩波开关模块配合，用于实现所述adc采样单元的采样。
6.作为可选方案，所述输入斩波开关模块包括连接在所述第一差分放大电路第一输入端的第一单元和连接在所述第一差分放大电路第二输入端的第二单元；其中，所述第一单元包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端以及由4个开关构成的开关网络，所述开关网络选择性的接收所述第一信号或所述第二信号，所述第一单元的第一输出端通过第一支路连接于所述第一差分放大电路的第一输入端，所述第一单元的第二输出端通过第二支路连接于所述第一差分放大电路的第一输入端；所述第二单元包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端以及由4个开关构成的开关网络，所述开关网络选择性的接收所述第一信号或所述第二信号，所述第二单元的第一输出端通过第三支路连接于所述第一差分放大电路的第二输入端，所述第二单元的第二输出端通过第四支路连接于所述第一差分放大电路的第二输入端。
7.作为可选方案，所述可编程放大器还包括第一增益模块和第二增益模块；所述第一增益模块包括第一电容、第二电容和第三电容，所述第一电容位于所述第一支路上，所述第二电容位于所述第二支路上，所述第三电容的第一端连接于所述第一电容和所述第二电容的公共端，所述第三电容的第二端通过一开关连接于一电压信号；所述第二增益模块包括第四电容、第五电容和第六电容，所述第四电容位于所述第三支路上，所述第五电容位于所述第四支路上，所述第六电容的第一端连接于所述第四电容和所述第五电容的公共端，所述第六电容的第二端通过一开关连接于一电压信号。
8.作为可选方案，所述可编程放大器还包括第一开关电路和第二开关电路；所述第一开关电路连接在所述第一电容和所述第二电容的公共端与所述第一差分放大电路的第一输出端之间；所述第二开关电路连接在所述第四电容和所述第五电容的公共端与所述第一差分放大电路的第二输出端之间。
9.作为可选方案，所述输出斩波开关模块包括第三单元和第四单元；所述第三单元包括输入端、第一输出端和第二输出端以及由两个开关构成的开关网络，所述输入端连接于所述第三电容的所述第二端；所述第三单元的第一输出端与所述第二差分放大电路的第一输出端连接，所述第三单元的第二输出端与所述第二差分放大电路的第二输出端连接；所述开关网络选择性地将所述第三单元的输入端与所述第三单元的第一输出端和第二输出端导通或断开；所述第四单元包括输入端、第一输出端和第二输出端以及由两个开关构成的开关网络，所述输入端连接于所述第六电容的所述第二端，所述第四单元的第一输出端与所述第二差分放大电路的第一输出端连接，所述第四单元的第二输出端与所述第二差分放大电路的第二输出端连接；所述开关网络选择性地将所述第四单元的输入端与所述第四单元的第一输出端和第二输出端导通或断开。
10.作为可选方案，所述斩波开关模块包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端以及由4个开关构成的开关网络，所述开关网络选择性的将所述第一差分放大电路的第一输出端或第二输出端连接于所述第二差分放大电路的第一输入端或第二输入端。
11.作为可选方案，所述可编程放大器还包括一组密勒电容器，所述一组密勒电容器被配置为连接在所述第二差分放大电路的相应输出端和相应输入端之间。
12.作为可选方案，所述adc采样单元包括：第一采样电容、第一采样开关电路、第二采样开关电路、第二采样电容、第三采样开关电路和第四采样开关电路；所述第一采样开关电路连接在所述第一采样电容与所述第二差分放大电路的第一输出端之间，用于控制所述第一采样电容与所述第二差分放大电路第一输出端的导通或断开；所述第二采样开关电路连接在所述第一采样电容与所述第二差分放大电路的第二输出端之间，用于控制所述第一采样电容与所述第二差分放大电路的第二输出端的导通或断开；所述第三采样开关电路连接在所述第二采样电容与所述第二差分放大电路的第一输出端之间，用于控制所述第二采样电容与所述第二差分放大电路第一输出端的导通或断开；所述第四采样开关电路连接在所述第二采样电容与所述第二差分放大电路的第二输出端之间，用于控制所述第二采样电容与所述第二差分放大电路的第二输出端的导通或断开。
13.作为可选方案，所述可编程放大器还包括滤波单元，所述滤波单元包括第一电阻、第二电阻、第一旁路开关支路，第二旁路开关支路以及滤波电容；所述第一电阻连接于所述第二差分放大电路第一输出端与所述第一采样开关电路和所述第三采样开关电路的公共端之间；所述第二电阻连接于所述第二差分放大电路第二输出端与所述第二采样开关电路和所述第四采样开关电路的公共端之间；所述第一旁路开关支路的一端连接于所述输出斩波开关模块的第三单元的第一输出端，另一端连接于所述adc采样单元的第一输入端；所述第二旁路开关支路的一端连接于所述输出斩波开关模块的第四单元的第二输出端，另一端连接于所述adc采样单元的第二输入端；所述滤波电容连接在所述adc采样单元的第一输入端与第二输入端之间。
14.作为可选方案，所述可编程放大器还包括滤波单元，所述滤波单元包括第一电阻、第二电阻、第一旁路开关支路、第二旁路开关支路、第一接地支路和第二接地支路；所述第一电阻连接于所述第一采样电容与所述第一接地支路之间，所述第一接地支路可选择性的与参考地连通或断开；所述第二电阻连接于所述第二采样电容与所述第二接地支路之间，所述第二接地支路可选择性的与参考地连通或断开；所述第一旁路开关支路与所述第一电阻并联；所述第二旁路开关支路与所述第二电阻并联。
15.本发明的有益效果在于：本发明能够简化电路设计复杂度，减少主信号路径开关数目，通过新的时序控制，提高了信号建立速度，同时减小非线性误差。
附图说明
16.通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
17.图1示出了根据本发明一实施例的电容式可编程放大器的电路图。
18.图2示出了根据本发明一实施例的电容式可编程放大器的工作时序图。
19.图3至图7示出了根据本发明一实施例的电容式可编程放大器不同工作阶段的各开关网络的工作状态图。
20.图8示出了根据本发明另一实施例的电容式可编程放大器的电路图。
具体实施方式
21.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本发明的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本发明技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
22.实施例1本发明一实施例提供了一种电容式可编程放大器，参照图1，该电容式可编程放大器包括：第一差分放大电路gm1，所述第一差分放大电路gm1包括第一输入端vaip、第二输入端vain、第一输出端(图中上方的输出端)和第二输出端(图中下方的输出端)，所述第一输入端vaip和所述第二输入端vain分别用于输入第一信号vip和第二信号vin；第二差分放大电路gm2，所述第二差分放大电路gm2包括第一输入端(图中上方的输入端)、第二输入端(图中下方的输入端)、第一输出端(图中上方的输出端)和第二输出端(图中下方的输出端)；adc采样单元（图中模数转换器采样电容），所述adc采样单元连接于所述第二差分放大电路gm2的第一输出端和所述第二输出端（本实施例adc采样单元与第二差分放大电路gm2之间还设有rf1和rf2以及cf构成的滤波网络）；斩波开关模块，所述斩波开关模块连接于所述第一差分放大电路gm1和所述第二差分放大电路gm2之间，用于选择性的将所述第一差分放大电路gm1的第一输出端或第二输出端与所述第二差分放大电路gm2的第一输入端或第二输入端导通或者断开；输入斩波开关模块，所述输入斩波开关模块连接于所述第一差分放大电路gm1的第一输入端和第二输入端，用于选择性将所述第一信号vip和/或所述第二信号vin输入至所述第一差分放大电路gm1的第一输入端或第二输入端（本实施例中通过电容c
ip1
/2、c
ip2
/2输入至第一差分放大电路gm1的第一输入端，通过电容c
in1
/2、c
in2
/2输入至第一差分放大电路gm1的第二输入端）；输出斩波开关模块，所述输出斩波开关模块连接于所述输入斩波开关模块的输出端与所述adc采样单元的输入端之间，所述输出斩波开关模块与所述输入斩波开关模块、所述斩波开关模块配合，用于实现所述adc采样单元的采样。
23.斩波开关模块用于选择性的将所述第一差分放大电路的第一输出端或第二输出端与所述第二差分放大电路的第一输入端或第二输入端导通或者断开包括以下几种情况：第一差分放大电路的第一输出端连通于第二差分放大电路的第一输入端，且第一差分放大电路的第二输出端连通于第二差分放大电路的第二输入端；或者，第一差分放大电路的两
个输出端均不与第二差分放大电路的两个输入端连通；或者，第一差分放大电路的第一输出端连通于第二差分放大电路的第二输入端，且第一差分放大电路的第二输出端连通于第二差分放大电路的第一输入端。
24.输入斩波开关模块用于选择性将所述第一信号和/或所述第二信号输入至所述第一差分放大电路的第一输入端或第二输入端包括以下几种情况：第一信号和第二信号同时进入所述第一差分放大电路的所述第一输入端和所述第二输入端；或者，第一信号进入所述第一差分放大电路的第一输入端，第二信号进入所述第一差分放大电路的第二输入端；或者，第一信号进入所述第一差分放大电路的第二输入端，第二信号进入所述第一差分放大电路的第一输入端。
25.本实施例中，所述输入斩波开关模块包括连接在所述第一差分放大电路gm1第一输入端的第一单元a和连接在所述第一差分放大电路gm1第二输入端的第二单元b； 其中，所述第一单元a包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端以及由4个开关构成的开关网络，所述开关网络选择性的接收所述第一信号或所述第二信号，所述第一单元a的第一输出端通过第一支路(c
ip2
/2所在的支路)连接于所述第一差分放大电路gm1的第一输入端，所述第一单元a的第二输出端通过第二支路(c
ip1
/2所在的之路)连接于所述第一差分放大电路gm1的第一输入端；所述第二单元b包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端以及由4个开关构成的开关网络，所述开关网络选择性的接收所述第一信号或所述第二信号，所述第二单元b的第一输出端通过第三支路(c
in2
/2所在的支路)连接于所述第一差分放大电路gm1的第二输入端，所述第二单元b的第二输出端通过第四支路(c
in1
/2所在的之路)连接于所述第一差分放大电路gm1的第二输入端。
26.本实施例中，所述可编程放大器还包括第一增益模块和第二增益模块；所述第一增益模块包括第一电容c
ip2
/2、第二电容c
ip1
/2和第三电容c
fp
，所述第一电容c
ip2
/2位于所述第一支路上，所述第二电容c
ip1
/2位于所述第二支路上，所述第三电容c
fp
的第一端连接于所述第一电容c
ip2
/2和所述第二电容c
ip1
/2的公共端，所述第三电容c
fp
的第二端通过一开关paz连接于一电压信号v
cm
；所述第二增益模块包括第四电容c
in2
/2、第五电容c
in1
/2和第六电容c
fn
，所述第四电容c
in2
/2位于所述第三支路上，所述第五电容c
in1
/2位于所述第四支路上，所述第六电容c
fn
的第一端连接于所述第四电容c
in2
/2和所述第五电容c
in1
/2的公共端，所述第六电容c
fn
的第二端通过一开关paz连接于一电压信号v
cm
。
27.本实施例中，所述可编程放大器还包括第一开关电路和第二开关电路；所述第一开关电路连接在所述第一电容c
ip2
/2和所述第二电容c
ip1
/2的公共端与所述第一差分放大电路gm1的第一输出端之间；所述第二开关电路连接在所述第四电容c
in2
/2和所述第五电容c
in1
/2的公共端与所述第一差分放大电路gm1的第二输出端之间。
28.本实施例中，所述输出斩波开关模块包括第三单元c和第四单元d；所述第三单元c包括输入端、第一输出端(图中上方的输出端)和第二输出端(图中下方的输出端)以及由两个开关构成的开关网络，所述输入端连接于所述第三电容c
fp
的所述第二端，所述第三单元c的第一输出端与所述第二差分放大电路gm2的第一输出端连接，所述第三单元c的第二输出端与所述第二差分放大电路gm2的第二输出端连接。所述开关网络选择性地将所述第三单元c的输入端与所述第三单元c的第一输出端和第二输出端导通或断开；所述第四单元d包括输入端、第一输出端(图中上方的输出端)和第二输出端(图中下方的输出端)以及由两个
开关构成的开关网络，所述输入端连接于所述第六电容c
fn
的所述第二端，所述第四单元d的第一输出端与所述第二差分放大电路gm2的第一输出端连接，所述第四单元d的第二输出端与所述第二差分放大电路gm2的第二输出端连接。所述开关网络选择性地将所述第四单元d的输入端与所述第四单元d的第一输出端和第二输出端导通或断开。
29.本实施例中，所述斩波开关模块e包括第一输入端（图中上方的输入端）、第二输入端（图中下方的输入端）、第一输出端（图中上方的输出端）和第二输出端（图中下方的输出端）以及由4个开关构成的开关网络，所述开关网络选择性的将所述第一差分放大电路gm1的第一输出端或第二输出端连接于所述第二差分放大电路gm2的第一输入端或第二输入端。
30.本实施例中，所述可编程放大器还包括一组密勒电容器(ccn和ccp)，所述一组密勒电容器被配置为连接在所述第二差分放大电路gm2的相应输出端和相应输入端之间。ccn连接在第一输入端与第一输出端之间，ccp连接在第二输入端与第二输出端之间。
31.本实施例中，所述adc采样单元包括：第一采样电容csp、第一采样开关电路(开关ps1所在的电路)、第二采样开关电路(开关ps2所在的电路)、第二采样电容csn、第三采样开关电路(开关ps3所在的电路)和第四采样开关电路(开关ps4所在的电路)；所述第一采样开关电路连接在所述第一采样电容csp与所述第二差分放大电路gm2的第一输出端之间（本实施例中，第一采样开关电路与第二差分放大电路gm2的第一输出端之间还设有rf1和rf2以及cf构成的滤波网络），用于控制所述第一采样电容csp与所述第二差分放大电路gm2第一输出端的导通或断开；所述第二采样开关电路连接在所述第一采样电容csp与所述第二差分放大电路gm2的第二输出端之间（本实施例中，第二采样开关电路与第二差分放大电路gm2的第二输出端之间还设有rf1和rf2以及cf构成的滤波网络），用于控制所述第一采样电容csp与所述第二差分放大电路gm2的第二输出端的导通或断开；所述第三采样开关电路连接在所述第二采样电容csn与所述第二差分放大电路gm2的第一输出端之间（本实施例中，第三采样开关电路与第二差分放大电路gm2的第一输出端之间还设有rf1和rf2以及cf构成的滤波网络），用于控制所述第二采样电容csn与所述第二差分放大电路gm2第一输出端的导通或断开；所述第四采样开关电路连接在所述第二采样电容csn与所述第二差分放大电路gm2的第二输出端之间（本实施例中，第四采样开关电路与第二差分放大电路gm2的第二输出端之间还设有rf1和rf2以及cf构成的滤波网络），用于控制所述第二采样电容csn与所述第二差分放大电路gm2的第二输出端的导通或断开。
32.本实施例中，所述可编程放大器还包括滤波单元，所述滤波单元包括第一电阻rf1、第二电阻rf2、第一旁路开关支路（开关pq1所在的支路），第二旁路开关支路（开关pq2所在的支路）以及滤波电容cf；所述第一电阻rf1连接于所述第二差分放大电路gm2第一输出端与所述第一采样开关电路和所述第三采样开关电路的公共端之间；所述第二电阻rf2连接于所述第二差分放大电路gm2第二输出端与所述第二采样开关电路和所述第四采样开关电路的公共端之间；所述第一旁路开关支路的一端连接于所述输出斩波开关模块的第三单元c的第一输出端，另一端连接于所述adc采样单元的第一输入端；所述第二旁路开关支路的一端连接于所述输出斩波开关模块的第四单元d的第二输出端，另一端连接于所述adc采样单元的第二输入端；所述滤波电容cf连接在所述adc采样单元的第一输入端与第二输入端之间。
33.本发明的各个开关网络为多个开关支路，通过控制相应支路上开关的闭合和断开，控制开关所在支路的信号导通与断开。
34.参照图2至图7，对电路进行时序分解，描述本电路的工作过程。
35.参照图2，一个工作周期分为三个相位：az，chp1，chp2。az相位帮助放大器建立共模信号，chp1和chp2为chop的两个相位，放大信号，同时移除放大器的低频误差，如零偏电压(offset)。
36.参照图3，浅灰色为开关不导通，黑色为开关导通。消除放大器零偏电压（offset voltage）和闪烁噪声(flicker noise)，同时预充电adc采样单元。
37.参照图4，浅灰色为开关不导通，黑色为开关导通。放大相位chp1，预充电adc采样单元。
38.参照图5，浅灰色为开关不导通，黑色为开关导通。放大相位chp1，精确充电adc采样单元，adc采样单元在此相位完成采样。
39.参照图6，浅灰色为开关不导通，黑色为开关导通。放大相位chp2，chp1的反相位，预充电adc采样单元。
40.参照图7，浅灰色为开关不导通，黑色为开关导通，放大相位chp2，精确充电adc采样电容，adc在此相位完成采样。
41.本实施例能够简化电路设计复杂度，减少主信号路径开关数目，开关控制简洁，通过新的时序控制，提高了信号建立速度。
42.实施例2实施例2与实施例1的区别在于，滤波单元位于adc采样单元中，其他电路结构与实施例1相同，下面仅表述电路的不同部分，参考图8。
43.滤波单元包括第一电阻r1、第二电阻r2、第一旁路开关支路（开关pq1所在的支路）、第二旁路开关支路（开关pq2所在的支路）、第一接地支路（开关s1a所在的支路）和第二接地支路（开关s2a所在的支路）；所述第一电阻r1连接于所述第一采样电容csp与所述第一接地支路之间，所述第一接地支路可选择性的与参考地连通或断开；所述第二电阻r2连接于所述第二采样电容csn与所述第二接地支路之间，所述第二接地支路可选择性的与参考地连通或断开；所述第一旁路开关支路与所述第一电阻r1并联；所述第二旁路开关支路与所述第二电阻r2并联。
44.本实施例的预充电旁路开关（pq控制）跟信号不相关，无非线性误差。也节省了电容增益放大器的芯片面积。
45.需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
46.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。