快速稳定的电容耦合放大器制造技术

公开了一种快速稳定电容耦合放大器。该放大器使用了嵌入至多通道混合嵌套式米勒补偿拓扑中的两个电容耦合通道。一个通道为直接高频通道，另一个通道为较慢稳定通道。这一组合得到了对斩波频率和经由斩波频率的平滑频率响应，以及快速稳定的响应。公开了各个示例性实施例，其中包括运算放大器配置和仪表放大器配置。

【技术实现步骤摘要】
快速稳定的电容耦合放大器
本专利技术涉及快速稳定(fast-settling)的放大器的领域。
技术介绍
在用于手机、笔记本电脑或电动车的电源管理的电流感测应用中，必须在电流感测电阻器上存在比放大器供电电压高的大约几伏或几十伏的共模电压的情况下，在电流感测电阻器两端测量小的差模(DM)电压(大约几毫伏)。仪表放大器(IA)常被用于传感器接口。为了解决在CM电压超出供电轨时DM电压测量的问题，常允许输入电路的一部分(例如电阻器桥或者电压-电流转换器)从该感测电阻器汲取其CM供电电流。该输入CM供电电流通常对待测量的系统具有不希望的影响。因此，已开发出具有电容耦合输入斩波器的IA，该IA在不汲取输入CM供电电流的同时能够感测超出它们的供电轨的电压。慢稳定(slow settline)的电容顆合放大器来自本专利技术的专利技术人之一的Johan Huiising 的《Operational Amplifiers,Theory and Design, Second Edition)) (2011) 一书的现有技术的电容稱合运算放大器和仪表放大器在斩波频率处不具有直的频率特性。这些放大器在输入信号中的阶梯(Step)之后，在斩波频率处具有慢稳定纹波。因此，这些放大器不适用于快速稳定的信号传输。它们的有用带宽低于该斩波频率。图1和图2中的斩波稳定放大器在输入斩波器和后面的斩波器之间具有RC低通滤波器，该RC低通滤波器用作信号传输中的陷波滤波器。这意味着不存在斩波频率处的反馈。因此，会发生斩波器纹波的未受控的上升(up-turn)。这引起阶梯之后的慢稳定的纹波成分。图3、图4和图5中的斩波放大器具有纹波降低回路。这当然意味着，在斩波器频率处的频率响应中存在陷波。那也意味着在阶梯之后的时钟频率处具有慢稳定的纹波。【附图说明】图1示出了现有技术的电容耦合的斩波稳定运算放大器。图2示出了现有技术的电容器耦合的斩波稳定仪表放大器。图3示出了现有技术的具有纹波降低回路的电容耦合的斩波放大器。图4示出了现有技术的具有纹波降低回路的电容器耦合的斩波仪表放大器。图5示出了现有技术的具有高阻抗输入的纹波降低回路的电容器耦合的电流反馈的斩波仪表放大器。图6示出了现有技术的斩波稳定运算放大器。图7示出了现有技术的斩波稳定的斩波运算放大器。图8示出了电容耦合的斩波稳定的运算放大器，其具有混合嵌套式米勒补偿和快速稳定。图9示出了电容耦合的斩波稳定的运算放大器，其具有混合嵌套式米勒补偿、快速稳定和降低的斩波纹波。图10示出了电容耦合的斩波稳定的仪表放大器，其具有混合嵌套式米勒补偿、快速稳定和降低的斩波纹波。图11示出了电容耦合的斩波稳定的斩波运算放大器，其具有混合嵌套式米勒补偿和快速稳定。图12示出了现有技术的斩波稳定的斩波运算放大器，其具有多通道混合嵌套式米勒补偿、自动调零Gm5和Gm4。图13示出了电容耦合的斩波器稳定的斩波器运算放大器，其具有混合嵌套米勒补偿拓扑、快速稳定和降低的斩波器纹波。图14示出了电容耦合的斩波器稳定的斩波仪表放大器，其具有混合嵌套米勒补偿拓扑、快速稳定和降低的斩波器纹波。图15图示了图8的实施例的简化。图16图示了图11的实施例的简化。图17图示了具有混合嵌套米勒补偿的图14的高差分输入阻抗实施例。图18图示了图14的简化实施例。图19图示了如可用于图8_11、13和14的实施例中的用于自动调零Gm5的示例性电路。【具体实施方式】本创新允许测量宽带应用中的信号，这意味着接近斩波频率或者超出斩波频率而不具有慢稳定或者不稳定的斩波纹波响应。对于快速稳定的电容稱合放大器的设计，参考《Operational Amplifiers, Theoryand Design, Second Edition)))) (Johan Hui jsing, 2011)的第 10.7 章的斩波稳定放大器(例如图6中的放大器)并且参考第10.8章的斩波稳定的斩波放大器(如图7中的)。这些放大器在斩波频率处具有直的频率特性并且基本不具有针对阶梯函数的慢稳定斩波纹波，这意味着它们的带宽在比斩波频率高得多的频率处是有用的。图8的双通道电容耦合放大器源自于图6的斩波稳定的放大器。它具有包括斩波频率的通过Gm2的高频通道，以及通过Gm5的低频率斩波通道。尽管为避免使附图杂乱而未示出，Gm5仍必须是针对低输出纹波被自动调零或者被斩波稳定或者被给予纹波降低回路。在图19中示出具有示例性自动调零电路的Gm5的完整图。具有CM31和CM32的混合嵌套式米勒补偿方案满足了直的频率特性的需要(关于补偿技术的进一步信息，特别是关于米勒补偿、嵌套式米勒补偿和混合嵌套式米勒补偿的进一步信息，参见《OperationalAmplifiers, Theory and Design, Second Edition)) (Johan Hui jsing, 2011)第 6.2 节)。基于相同的原因，在图9-11、图13、图14和图17的实施例中使用混合嵌套式米勒补偿。在图8的实施例中的耦合电容器C21、C22和耦合电容器C51、C52以及本文将要描述的其他实施例中的对应或等同的耦合电容器的输出侧上，共模参考Vltef通过电阻器Rb和以相反传导方向并联连接的二极管对来耦合到每个电容器对的差分输出端的每侧。如在现有技术中那样，这些二极管将在相应差分信号通道的每侧上的电压的量级限制到比电压VRef高或低一个二级管电压降，并且类似地，将共模电压摆幅限制到两个二极管电压降。这防止随后的放大器遭受在放大器输入上的共模尖峰信号(common mode spike),该共模尖峰信号来自于放大器与超出放大器供电电压范围的电压源的突然连接，以及来自于差分输入端中的仅一条线与这样的电压瞬时连接所产生的高差分电压。电阻器Rb使各自电容对的差分电压输出的共模稳定在电压VKrf。由Gm5的偏移(offset)所造成的输出纹波可以通过引入从输出端经由整个反馈到输入端的通道来降低，该通道对纹波进行整流并校正Gm5的偏移。通过在耦合电容器C2的输出端与Gm5的输入端之间插入另一个斩波器Ch3来建立这样的通道。斩波器Ch3对输入端处的反馈三角波和方波的纹波进行整流并且补偿Gm5的偏移。这在图9中示出。同样尽管在该图中未示出完整的自动调零电路，Gm5仍然必须是针对低输出纹波被自动调零(或者被斩波稳定或者被给予纹波降低回路)，如图19所示的自动调零电路那样。去掉C21和C22，电路落回到之前提及的书中的附图10.10.1上，其具有在输入电压阶梯后的慢稳定纹波。根据图9，可以如图10所示那样，通过加入两个另外的电容器对和额外的斩波器Ch4来建立电容耦合的仪表放大器。去掉前馈的电容器C21和C22、C31和C32，电路落回到该书的附图10.10.5上，其具有慢稳定纹波。信号带宽必须要小于斩波频率。图11中的双通道电容耦合放大器源自于图7中现有技术的斩波稳定放大器。它具有通过斩波放大器级Gm2的低和高(low-and-high)频率通道，以及通过Gm5的斩波频率通道。具有CM3的混合嵌套米勒补偿方案满足直的频率特性的需要。尽管未示出，Gm5仍然必须是针对低输出偏移和纹波被自动调零或者被斩波稳定或者被给予纹波降低本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种差分放大器系统，包括：第一差分放大器，其耦合到差分放大器系统输出端，所述第一差分放大器电容性耦合到差分放大器系统输入端；以及斩波信号通路，其位于所述差分放大器系统输入端和所述差分放大器系统输出端之间，所述斩波信号通路具有第一斩波器，所述第一斩波器具有耦合到所述差分放大器系统输入端的输入端以及电容性耦合到第二斩波器的输入端的输出端，所述第二斩波器的输出端通过积分器耦合到所述差分放大器系统输出端。

【技术特征摘要】
1.一种差分放大器系统，包括: 第一差分放大器，其耦合到差分放大器系统输出端，所述第一差分放大器电容性耦合到差分放大器系统输入端；以及 斩波信号通路，其位于所述差分放大器系统输入端和所述差分放大器系统输出端之间，所述斩波信号通路具有第一斩波器，所述第一斩波器具有耦合到所述差分放大器系统输入端的输入端以及电容性I禹合到第二斩波器的输入端的输出端，所述第二斩波器的输出端通过积分器耦合到所述差分放大器系统输出端。2.如权利要求1所述的差分放大器系统，还包括第三斩波器，所述第三斩波器耦合在所述第一差分放大器的差分输入端和所述第二斩波器的输入端之间。3.如权利要求1所述的差分放大器系统，其中，所述第一差分放大器的差分输入端的每侧以及所述第二斩波器的差分输入端的每侧经由电阻器耦合到各自的参考电压，并且经由并联耦合的二极管对耦合到所述各自的参考电压，所述二极管对以相反传导方向相连接以限制所述各自的参考电压与各自的所述差分输入端的各自侧之间的电压差的量级。4.如权利要求1所述的差分放大器系统，其中，用于所述第一斩波器的时钟信号电容性耦合到所述第一斩波器。5.如权利要求1所述的差分放大器系统，还包括差分放大器系统反馈输入端，所述差分放大器系统反馈输入端电容性耦合到所述第一差分放大器的所述差分输入端，所述差分放大器系统反馈输入端还耦合到第三斩波器的输入端，所述第三斩波器具有电容性耦合到所述第二斩波器的所述差分输入端的输出端。6.如权利要求5所述的差分放大器系统，其中，所述第一斩波器和所述第三斩波器具有电容性耦合到各自斩波器的时钟输入端。7.如权利要求5所述的差分放大器系统，还包括分压器，所述分压器耦合在所述放大器系统输出端与所述系统反馈输入端之间。8.一种差分放大器系统，包括: 第一斩波器，其具有稱合到差分放大器系统输入端的输入端； 第一差分放大器，其具有电容性耦合到所述第一斩波器的输出端的输入端； 第二斩波器，其具有耦合到所述第一差分放大器的输出端的输入端； 所述第二斩波器的输出端，其耦合到差分放大器系统输出端； 第三斩波器，其具有电容性耦合到所述差分放大器系统输入端的输入端； 所述第三斩波器的输出端，其作为输入端耦合到积分器；以及 所述积分器的输出端，其耦合到所述第二斩波器的所述输入端。9.如权利要求8所述的差分放大器系统，其中，所述第一差分放大器的差分输入端的每侧以及所述第二斩波器的差分输入端的每侧经由电阻器耦合到各自的参考电压，并且经由并联耦合的二极管对耦合到所述各自的参考电压，所述二极管对以相反的传导方向相连接以限制所述各自的参考电压与各自的所述差分输入端的各自侧之间的电压差的量级。10.如权利要求8所述的差分放大器系统，其中，所述积分器是被耦合作为积分器的差分放大器，并且所述积分器还包括用于将被耦合作为积分器的所述差分放大器自动调零的自动调零电路。11.如权利要求8所述的差分放大器系统，其中，所述第一斩波器具有电容性耦合到所述第一斩波器的时钟信号。12.如权利要求8所述的差分放大器系统，还包括第四斩波器，所述第四斩波器耦合在所述第一差分放大器的所述差分输入端和所述第三斩波器的所述差分输入端之间。13.如权利要求12所述的差分放大器系统，还包括差分放大器系统反馈输入端，所述差分放大器系统反馈输入端电容性耦合到所述第三斩波器的所述差分输入端，所述差分放大器系统反馈输入端还与第五斩波器耦合，所述第五斩波器的输出端与所述第一差分放大器的所述差分输入端电容性耦合。14.如权利要求13所述的差分放大器系统，还包括分压器，所述分压器耦合在所述差分放大器系统的所述差分输出端和所述放大器系统反馈输入端之间。15.如权利要求8所述的差分放大器系统，还包括差分放大器系统反馈输入端，所述差分放大器系统反馈输入端电容性耦合到所述第三斩波器的所述差分输入端，所述差分放大器系统反馈输入端还与第四斩波器的输入端耦合，所述第四斩波器的输出端与所述第一差分放大器的所述差分输入端电容性耦合。16.如权利要求15所述的差分放大器系统，其中，所述第一斩波器和所述第四斩波器具有电容性耦合的时钟输入端。17.如权利要求15所述的差分放大器系统，还包括分压器，所述分压器耦合在所述差分放大器...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·H·赫伊吉森，范钦雯，K·A·A·马金瓦，傅代红，邬峻，周丽霞，
申请(专利权)人：马克西姆综合产品公司，
类型：发明
国别省市：美国;US