衬底接最低电位VSS ;所述第S MOS管M3和第四MOS管 M4的衬底接最高电位V孤。换而言之，所述第一 MOS管Ml和第二MOS管M2的衬底默认接 的是最低电位VSS ;所述第S MOS管M3和第四MOS管M4的衬底默认接的是最高电位VDD。 所述最低电位VSS和最高电位VDD分别指使用某CMOS工艺作电路设计的最低电位（OV)和 最高电位（电源电位1. 8V)。本实施例中，不局限于最高电VDD具体要多大，可根据设计中用 到的最高电压和最低电压而定。
[0026] 本发明提供的低纹波开关电容共模反馈结构中，所述共模运算开关电容电路10 主要目的是获得差分反馈信号。所述低纹波开关电容共模反馈结构的工作原理如下： 当(61控制的开关闭合而(62控制的开关断开时，第二电容c2的一端的电压V+和共 模运算开关电容电路10的第一输出端输出的中间检测电压V化+(即，第二电容c2 -端和 另一端）的电荷为：
为避免混淆，公式中V+、V-、V化+、V化-中的+、-号均提为上标，W免与加减运算混淆。
[0027] 当(62控制的开关闭合而(61控制的开关断开时，第二电容c2的一端的电压V+ 和共模运算开关电容电路10的第一输出端输出的中间检测电压V化+(即，第二电容c2 - 端和另一端）的电荷为：
根据电荷守恒原理，Q巫I=Q巫2,则
同理，当d) 1控制的开关闭合而d) 2控制的开关断开时，第四电容c4的一端的电压 V-和共模运算开关电容电路10的第二输出端输出的中间检测电压V化-(即，第四电容c4 一端和另一端）的电荷为：
当(62控制的开关闭合而(61控制的开关断开时，第四电容c4的一端的电压V-和共 模运算开关电容电路10的第二输出端输出的中间检测电压V化-(即，第四电容c4 一端和 另一端）的电荷为：
根据电荷守恒原理，Q巫I=Q巫2,则
换而言之，所述共模运算开关电容电路10的第一输出端输出的中间检测电压V化+可 表示为：3?!二户+ 一;所述共模运算开关电容电路20的第二输出端输出的 中间检测电压Vf-可表示为：二取"~ -- ;其中，|^+为第二电容一端的 电压，为第四电容一端的电压，Vref为共模电平参考电压，Vb为电流源偏置电压。
[0028] 差分反馈信号V化+和V化-，分别进入第一 MOS管Ml和第二MOS管M2的漏极和 栅极。第一 MOS管Ml和第二MOS管M2导通，此时第一 MOS管Ml和第二MOS管M2可W看 成一个大阻值的等效电阻，大小大约为Ml和M2的跨导gm的倒数。运里Ml和M2的宽长比 不宜取的过小，因为跨导gm大小和MOS晶体管的宽长比成正比。具体的，所述等效电阻1/ gm和总栅电容的乘积构成一阶低通滤波器的时间常数，该时间常数应该远远大于全差分运 算放大器放大信号的最大周期，由此根据实际情况选择合适的MOS管的宽长比。目P，总的栅 衬电容和等效电阻1/gm共同构成了一简单低通滤波器。经过高频小信号滤波后，两差分共 模反馈信号与进入Ml和M2晶体管之前相比已经滤除了大部分高频部分。为了获得开关电 容共模反馈信号Vcnrfb接近直流电平的特性，我们还加入M3和M4晶体管(第S MOS管M3 和第四MOS管M4)。M3晶体管的栅端都接到M4晶体管的漏端，M4晶体管的栅端都接到M3 晶体管的漏端，而M3和M4晶体管源端最终连接到一起作为滤波电路20的输出电压Vcnrfb (共模反馈电压)。
[0029] 所述第S MOS管M3和第四MOS管M4在滤波电路20中起到了两个作用：一、通过 差分式连接的形式消除了经过第一级滤波后的小信号；二、M3和M4晶体管作为第二级低通 滤波器。
[0030] 综上所述，本发明在共模反馈输出和全差分运算放大器之间插入了两组接成二极 管形式的MOS晶体管（Ml、M2和M3、M4)实现共模输出信号的滤波，从而减少原输出共模反 馈信号的纹波。本发明旨在减少全差分运算放大器中共模反馈电路反馈信号的电压纹波， 极大减少由于时钟馈通和电容充放电造成的小信号对全差分运算放大器的影响，提高了全 差分运算放大器输出精度。此外，传统式开关电容共模反馈电路需要较大采样电容，而本发 明使用更小的采样电容实现了更小的纹波，并且减少了负载电容的大小，增加了全差分运 算放大器单位增益带宽。
[0031]本发明提供的低纹波开关电容共模反馈结构和传统的开关电容共模反馈结构仿 真对比如图3和图4所示。两种结构运用在结构和参数完全一致的全差分运算放大器中， 本实施例中理想共模输出电平为IV，传统的开关电容共模反馈结构采样电容C2分别选取 了 100巧、而本发明采样电容C2和C4选取100巧，即，所述第二电容C2和第四电容C4的电 容值为100巧，本发明与传统的开关电容共模反馈结构的采样电容采用相同的100巧，只是 为了方便比较，实际上，本发明采样电容C2和C4取100巧的效果比传统5pF的采样电容还 要好。图3中，采用本发明提供的低纹波开关电容共模反馈结构产生的仿真结果如a所示， 电压基本为直线，基本无纹波干扰。而采用传统的开关电容共模反馈结构产生的仿真结果 如b所示，电压为波浪形的曲线，纹波干扰强烈。图4为图3的局部放大图，本发明提供的低 纹波开关电容共模反馈结构的电压波动范围在627. 5697~627. 6125mV，峰峰值约为50uV(具 体为47. 83783UV)，最高值与最低值之间线段的横坐标差值ds :504. 761化3,纵坐标差值 dy :47. 83783UV，斜率S :94. 77318V/S。而采用了传统的开关电容共模反馈电路的电压波动 范围在625. 2767~631. 9163mV，峰峰值电压大于6mV(具体为6. 639515mV)，最高值与最低值 之间线段的横坐标差值ds :509. 934：3ns，纵坐标差值dy :6. 639515mV，斜率S :13. 02034kV/ S。可见该发明提供了极其精确的共模反馈输出信号，并且极大限度地减少了全差分运算放 大器的负载电容。若要提高传统的开关电容共模反馈电路输出反馈信号的精度，就必然使 用大的电容，使得全差分运算放大器频率特性变差。同时，该发明保留了传统的开关电容共 模反馈电路全部的优点。
[0032] 可W理解的是，对本领域普通技术人员来说，可W根据本发明的技术方案及其发 明构思加W等同替换或改变，而所有运些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保 护范围。
【主权项】
1. 一种低纹波开关电容共模反馈结构，包括共模运算开关电容电路和滤波电路，其特 征在于，所述共模运算开关电容电路包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一开 关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关和第八开关；所述第一开 关的一端连接共模电平参考电压提供端，所述第一开关的另一端连接第一电容的一端、并 通过第二开关连接第二电容的一端；所述第一电容的另一端连接第四开关的一端、并通过 第三开关连接电流源偏置电压提供端，所述第二电容的另一端为共模运算开关电容电路的 第一输出端、连接第四开关的另一端和滤波电路的第一输入端；所述第五开关的一端连接 共模电平参考电压提供端，所述第五开关的另一端连接第三电容的一端、并通过第六开关 连接第四电容的一端；所述第三电容的另一端连接第八开关的一端、并通过第七开关连接 电流源偏置电压提供端，所述第四电容的另一端为共模运算开关电容电路的第二输出端、 连接第八开关的另一端和滤波电路的第二输入端； 其中，所述第一开关、第三开关、第五开关、第七开关与第二开关、第四开关、第六开关、 第八开关由两相非重叠的时钟控制，所述共模运算开关电容电路的第一输出端和第二输出 端输出的电压分别是两个相位相反的中间检测电压，所述滤波电路对所述中间检测电压进 行滤波后，输出共模反馈电压。2. 根据权利要求1所述的低纹波开关电容共模反馈结构，其特征在于，所述滤波电路 包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管；所述第一MOS管的漏极为滤波电路 的第一输入端、连接第二电容的另一端、第四开关的另一端和第一MOS管的栅极；所述第二 MOS管的漏极为滤波电路的第二输入端、连接第四电容的另一端、第八开关的另一端和第二 MOS管的栅极；所述第一MOS管的源极连接第三MOS管的漏极和第四MOS管的栅极；所述第 二MOS管的源极连接第四MOS管的漏极和第三MOS管的栅极；所述第三MOS管的源极为滤 波电路的输出端、连接第四MOS管的源极。3. 根据权利要求1所述的低纹波开关电容共模反馈结构，其特征在于，所述第一电容 和第三电容的电容值相同，所述第二电容和第四电容的电容值相同。4. 根据权利要求3所述的低纹波开关电容共模反馈结构，其特征在于，所述第一MOS管 和第二MOS管为NMOS管；所述第三MOS管和第四MOS管为PMOS管。5. 根据权利要求4所述的低纹波开关电容共模反馈结构，其特征在于，所述第二电容 的一端和第四电容的一端分别为全差分运算放大器的两个相位相反的输出端。6. 根据权利要求5所述的低纹波开关电容共模反馈结构，其特征在于， 所述共模运算开关电容电路的第一输出端输出的中间检测电压可表示为：;所述共模运算开关电容电路的第二输出端输出的中间检测电 压可表示为其中，F+为第二电容一端的电压，丨梦_为第四电容一端的电压，Vref为共模电平参考 电压，Vb为电流源偏置电压。7. 根据权利要求3所述的低纹波开关电容共模反馈结构，其特征在于，所述第二电容 和第四电容的电容值为l〇〇fF。8.根据权利要求3所述的低纹波开关电容共模反馈结构，其特征在于，所述第一MOS管 和第二MOS管的衬底接最低电位；所述第三MOS管和第四MOS管的衬底接最高电位。
【专利摘要】本发明公开了一种低纹波开关电容共模反馈结构，在共模反馈输出和全差分运算放大器之间插入了两组接成二极管形式的MOS管实现共模输出信号的滤波，从而减少原输出共模反馈信号的纹波。本发明旨在减少全差分运算放大器中共模反馈电路反馈信号的电压纹波，极大减少由于时钟馈通和电容充放电造成的小信号对全差分运算放大器的影响，提高了全差分运算放大器输出精度。此外，传统式开关电容共模反馈电路需要较大采样电容，而本发明使用更小的采样电容实现了更小的纹波，并且减少了负载电容的大小，增加了全差分运算放大器单位增益带宽。
【IPC分类】H03F1/42, H03F3/45, H03F1/30
【公开号】CN105391409
【申请号】CN201510765104
【发明人】邓小莺, 林鑫, 姜梅, 朱明程
【申请人】深圳大学
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年11月11日