FBDDA放大器以及包括FBDDA放大器的设备制造技术

一种FBDDA放大器，包括：接收输入电压的第一差分输入级；接收共模电压的第二差分输入级；耦合到第一差分输入的第一电阻负反馈组；耦合到第二差分输入的第二电阻负反馈组；生成输出电压的差分输出级；并联耦合到第一电阻负反馈组的第一开关；以及并联耦合到第二电阻负反馈组的第二开关。第一开关和第二开关在电压输入假定第一值时被驱动到闭合状态中，使得所述第一输入级在线性区域中操作，并且在电压输入假定第二值时被驱动到打开状态，使得第一输入级在非线性区域操作。

FBDDA amplifier and equipment including FBDDA amplifier

【技术实现步骤摘要】
FBDDA放大器以及包括FBDDA放大器的设备本申请是申请日为2015年9月16日、申请号为201510591951.5、专利技术名称为“FBDDA放大器以及包括FBDDA放大器的设备”的专利申请的分案申请。
本公开内容涉及完全平衡的微分差分放大器(FDDA或者FBDDA)以及包括FBDDA放大器的设备。
技术介绍
已知，各种类型电路被用作用于电容式传感器的前端读取电路。特别地，使用FDDA或者FBDDA放大器(完全平衡微分差分放大器)是已知的，其在需要高输入阻抗、全差分架构以及单位化或单位增益时是更优选的。这种类型的FBDDA放大器在图1中作为示例示出，并且由附图标记1整体地表示。电容式传感器2属于例如陀螺仪、压力传感器、加速度计、麦克风等，并且检测由传感器自身的移动部分的线性或旋转移动而生成的电容的变化。FBDDA放大器1检测由于期望的物理量(例如压力、旋转、加速度等)的变换而产生的输入的变化并且在输出处生成与所述变化成比例的电压。在图1的示例中，FBDDA放大器1包括4个输入端子1a-1d以及2个输出端子1e、1f。端子1a是反相端子，端子1b是非反相端子。端子1b上存在输入信号(电压)Vin，包括由电容式传感器2生成的电压分量以及固定的电压分量VCM。通过电阻器3向端子1b施加的电压VCM是根据固定传感器2的操作点的需要而选择的用于偏置传感器2的电压(例如在被包括在电源电压VDD与例如接地参考等参考节点的电压之间的范围内来选择VCM)。电阻器3具有高的电阻值，例如100GΩ或更高。电压VCM是固定(d.c.)电压并且被进一步向FBDDA放大器的输入1c供应。以这种方式，已知FBDDA放大器1的输入通常被偏置在公共电压处。在传感器2的使用期间，变化的(即a.c.)输入信号Vin被叠加在电压VCM上。端子1a上的信号被传输到输出端子1e上。换言之，输出端子1e被反馈连接到输入端子1a。同样，端子1d上的信号被传输到输出端子1f上，使得输出端子1f被反馈连接到输入端子1d。以本身已知的方式，根据在电压跟随器配置中的FBDDA放大器的操作，在输出1e上存在信号Vin/2并且在输出1f上存在信号-(Vin/2)。图1的实施例保证信噪比(SNR)方面的良好性能但是关于当信号Vin的电平增加时的总的谐波失真(THD)存在缺陷。这是由于以下事实：运算放大器没有根据传统类型的闭环配置而连接并且其输入实际上没有连接在一起。因此，在存在高的输入信号Vin的情况下，两个差分对明显不平衡，从而引起线性的恶化。在本文的上下文中，线性是指通过晶体管获得的FBDDA放大器的差分输入对。对于小的输入信号(例如在-150mV到+150mV之间的范围内(包括端点值)的a.c.信号)，来自放大器的输出处的信号基本上是输入信号的(可能是放大的)副本。相反，对于具有高的峰值的信号(例如具有模量高于大约200mV的峰值的a.c.信号)，两个差分输入对的跨导增益开始明显不同，从而生成输出电压信号(或者差分输出信号)的谐波失真。为了克服这一缺点，已知的是使用耦合到每个差分输入对(即在1a与1b之间，以及在1c与1d之间)的负反馈电阻器4，如图2中示意性地示出的。这一方式使得能够以噪声的代价来改善FBDDA放大器的输出信号的线性，即，噪声越大则负反馈电阻越大。如图3中示意性地示出的另外的已知的解决方案设想使用动态偏置电路6，使得用于偏置差分对的电流不固定而是根据输入信号Vin变化。在这种情况下，当输入信号Vin增加超过门限值时，电流被引入到差分对中。虽然这一方法在输入噪声和谐波失真方面的具有优点，然而其存在需要过多的电流消耗和d.c.操作点的显著变化的缺点。
技术实现思路
本公开内容的一个目的是提供一种完全平衡的微分差分放大器(FBDDA)以及一种包括FBDDA放大器的设备，其能够克服现有技术中的不利方面中的至少一些并且扩展其功能。根据本公开内容，提供了一种FBDDA放大器以及一种包括FBDDA放大器的设备。附图说明为了更好地理解本公开内容，现参考附图、仅通过非限制性示例的方式来描述优选实施例，在附图中：图1示出根据实施例的耦合到电容式传感器的已知类型的FBDDA放大器；图2示出根据另外的实施例的包括耦合到输入用于改善输出信号的线性的负反馈电阻器的已知类型的FBDDA放大器；图3示出根据另外的实施例的具有输入的动态偏置以改善输出信号的线性的已知类型的FBDDA放大器；图4示出根据本公开的一个实施例的FBDDA放大器；图5示出图4的FBDDA放大器的一个电路实施例；图6示出用于图5的FBDDA放大器的控制电路的第一部分；图7A和7B分别示出用于图5的FBDDA放大器的控制电路的第二部分和第三部分；图8示出特别用于处理由电容式传感器生成的信号的包括图4的FBDDA放大器的电子设备；以及图9示出包括图8的电子设备的系统。具体实施方式图4是根据本公开的一个方面的FBDDA放大器10的示意性表示。与图1的FBDDA放大器1的元件相同的图4的FBDDA放大器10的元件由相同的附图标记来表示并且不被进一步描述。FBDDA放大器10包括耦合到FBDDA10的第一输入级(即在输入端子1a与输入端子1b之间)的第一电阻负反馈组12以及并联耦合到第一电阻负反馈组12的旁路开关14。另外，FBDDA放大器10包括耦合到FBDDA放大器10的第二输入级(即在输入端子1c与输入端子1d之间)的第二电阻负反馈组16，以及并联耦合到第二电阻负反馈组16的旁路开关18。旁路开关14通过控制信号VCTRL1被驱动到打开/闭合状态，同样，旁路开关18通过控制信号VCTRL2被驱动到打开/闭合状态。根据一个实施例，电阻负反馈组12和16通过串联连接在一起的相应的电阻器来获得，并且旁路开关14和18通过相应的传感器(具体是MOSFET)来获得。在这种情况下，控制信号VCTRL1是向旁路晶体管14的栅极端子施加的电压信号，并且具有使得根据期望的操作条件来接通或关断旁路晶体管14的值。控制信号VCTRL2是向旁路晶体管18的栅极端子施加的电压信号，并且具有使得根据期望的操作条件来接通或关断旁路晶体管18的值。根据图4的实施例，电阻负反馈组12、16通过根据输入信号Vin的值并且特别地在使得FBDDA放大器10的差分输入示出非线性行为(即对于信号Vin的高的值)的Vin的值处来打开旁路开关14、18而被包括在电路中。相反，对于小的信号(低的Vin值)，通过闭合旁路开关14和18来排除电阻负反馈组12、16。根据一个实施例，可以被识别为“小信号”的输入信号Vin(a.c.信号)的值被包括在-150mV到+150mV之间(包括端点值)的范围内；以使得生成FBDDA放大器10的非线性行为的输入信号Vin的(峰)值的模量高于大约200mV。根据本公开的一个方面，当通过晶体管来实现旁路开关14、18时，FBDDA放大器10至少在两个不同的操作条件下工作。在第一、小信号操作条件(Vin具有第一电压值)下，晶体管14和18导通，以旁路电阻负反馈组12、16。在第二操作条件下，信号Vin的值较高(Vin具有大于第一电压值的第二电压值)并且旁路晶体管14和18断开(理论上的无穷大电阻)，引起电流唯一地通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种完全平衡的微分差分放大器，包括：第一差分输入级，包括第一输入和第二输入，所述第一差分输入级被配置成在所述第一输入处接收包括交流分量和固定分量的输入电压信号，并且被配置成产生第一内部输出信号；第二差分输入级，包括第一输入和第二输入，所述第二差分输入级被配置成在所述第一输入处接收所述输入电压信号的所述固定分量，并且被配置成产生第二内部输出信号；差分输出级，耦合到所述第一差分输入级和第二差分输入级，并且被配置成基于所述第一内部输出信号和所述第二内部输出信号产生第一输出信号和第二输出信号；第一电阻负反馈电路，耦合在所述第一差分输入级的所述第一输入和所述第二输入之间；第二电阻负反馈电路，耦合在所述第二差分输入级的所述第一输入和所述第二输入之间；以及开关电路，耦合在所述第一差分输入级的所述第一输入和所述第二输入之间以及所述第二差分输入级的所述第一输入和所述第二输入之间，所述开关电路被配置成响应于所述输入电压信号达到第一阈值电压而将所述第一输入耦合到所述第一差分输入级和所述第二差分输入级中的每一个差分输入级中的所述第二输入，并且所述开关电路还被配置成响应于所述输入电压信号达到大于所述第一阈值的第二阈值而断开，以在所述第一差分输入级和第二差分输入级的所述第一输入和所述第二输入之间分别提供所述第一电阻负反馈组和所述第二电阻负反馈组。...

【技术特征摘要】
2014.11.28 IT TO2014A0009871.一种完全平衡的微分差分放大器，包括：第一差分输入级，包括第一输入和第二输入，所述第一差分输入级被配置成在所述第一输入处接收包括交流分量和固定分量的输入电压信号，并且被配置成产生第一内部输出信号；第二差分输入级，包括第一输入和第二输入，所述第二差分输入级被配置成在所述第一输入处接收所述输入电压信号的所述固定分量，并且被配置成产生第二内部输出信号；差分输出级，耦合到所述第一差分输入级和第二差分输入级，并且被配置成基于所述第一内部输出信号和所述第二内部输出信号产生第一输出信号和第二输出信号；第一电阻负反馈电路，耦合在所述第一差分输入级的所述第一输入和所述第二输入之间；第二电阻负反馈电路，耦合在所述第二差分输入级的所述第一输入和所述第二输入之间；以及开关电路，耦合在所述第一差分输入级的所述第一输入和所述第二输入之间以及所述第二差分输入级的所述第一输入和所述第二输入之间，所述开关电路被配置成响应于所述输入电压信号达到第一阈值电压而将所述第一输入耦合到所述第一差分输入级和所述第二差分输入级中的每一个差分输入级中的所述第二输入，并且所述开关电路还被配置成响应于所述输入电压信号达到大于所述第一阈值的第二阈值而断开，以在所述第一差分输入级和第二差分输入级的所述第一输入和所述第二输入之间分别提供所述第一电阻负反馈组和所述第二电阻负反馈组。2.根据权利要求1所述的完全平衡的微分差分放大器，其中所述开关电路还被配置成响应于具有第三阈值的所述输入电压，提供与所述第一差分输入级的所述第一输入和所述第二输入之间的所述第一电阻负反馈电路并联耦合的第一电阻，并且提供与在所述第二差分输入级的所述第一输入和所述第二输入之间的所述第二电阻负反馈电路并联耦合的第二电阻，所述第三阈值对应于大于所述第一阈值并且小于所述第二阈值的值。3.根据权利要求2所述的完全平衡的微分差分放大器，其中所述开关电路包括耦合在所述第一差分输入级的所述第一输入和所述第二输入之间的第一晶体管、和耦合在所述第二差分输入级的所述第一输入和所述第二输入之间的第二晶体管。4.根据权利要求3所述的完全平衡的微分差分放大器，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管被配置成分别接收第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号和所述第二控制信号中的每一个控制信号都具有第一值，以响应于输入电压信号达到所述第一阈值而导通相应的晶体管，所述第一控制信号和所述第二控制信号中的每一个控制信号都具有第二值，以响应于所述输入电压信号具有所述第二阈值而截止相应的晶体管，并且所述第一控制信号和所述第二控制信号中的每一个控制信号都具有第三值，以响应于所述输入电压信号具有所述第三阈值，在所述第一差分输入级和所述第二差分输入级的所述第一输入和所述第二输入之间提供所述第一电阻和所述第二电阻。5.根据权利要求4所述的完全平衡的微分差分放大器，还包括：第一控制电路，被配置成接收所述输入电压信号，并且被配置成响应于所述输入电压信号产生所述第一控制信号；以及第二控制电路，被配置成接收所述输入电压信号，并且被配置成响应于所述输入电压信号产生所述第二控制信号。6.根据权利要求5所述的完全平衡的微分差分放大器，其中所述第一控制电路和所述第二控制电路中的每一个控制电路都被配置成接收具有作为所述输入电压信号的函数的值的控制电流。7.根据权利要求6所述的完全平衡的微分差分放大器，其中所述第一电阻包括第一负反馈电阻器和第二负反馈电阻器，与在所述第一负反馈电阻器和所述第二负反馈电阻器的互连处定义的第一中间节点串联耦合，并且其中所述第二电阻包括第三负反馈电阻器和第四负反馈电阻器，与在所述第三负反馈电阻器和第四负反馈电阻器的互连处定义的第二中间节点串联耦合。8.根据权利要求7所述的完全平衡的微分差分放大器，其中所述第一控制电路和所述第二控制电路中的每一个控制电路都包括：控制电阻器，被耦合以在第一节点上接收所述控制电流并且具有第二节点；以及电平移位器，被耦合到所述控制电阻器的所述第二节点并且耦合到所述第一中间节点和所述第二中间节点中的一个中间节点，所述电平移位器被配置成在所述控制电阻器的所述第二节点上产生中间电压，所述中间电压基于被耦合到所述电平移位器的所述第一中间节点和所述第二中间节点中的所述一个中间节点的电压，基于所述控制电流和所述控制电阻器的所述第二节点上的所述中间电压，在所述控制电阻的所述第一节点上提供相应的所述控制电压。9.根据权利要求1所述的完全平衡的微分差分放大器，其中所述第一阈值对应于具有在约-150mV和+150mV范围内的值的所述输入电压信号的所述交流分量。10.根据权利要求9所述的完全平衡的微分差分放大器，其中所述第二阈值对应于具有模数比约200mV更大的值的所述输入电压信号的所述交流分量。11.根据权利要求1所述的完全平衡的微分差分放大器，其中所述差分输出级包括分别提供所述第一输出信号和所述第二输出信号的第一输出节点和第二输出节点，并且其中所述第一输出节点耦合到所述第一差分输入级的所述第二输入，并且所述第二输出节点耦合到所述第二差分输入级的所述第二输入。12.一种电子设备，包括：信号处理块电路装置，被配置成将电容式传感器偏置并且获取由所述电容式传感器在输出处生成的输入电压信号，所述信号处理电路装置包括：电荷泵，被配置成将所述电容式传感器偏置；完全平衡的微分差分放大器，被配置成从所述电容式传感器接收所述输入电压信号，并且生成作为所述输入电压信号的函数的输出电压信号，所述完全平衡的微分差分放大器包括：第一差分输入级电路，被配置成从所述电容式传感器接收所述输入电压信号，所述输入电压信号包括可变分量和固定分量；第二差分输入级电路，被配置成接收共模电压信号，所述输入电压信号的所述固定分量是所述共模电压信号；第一电阻负反馈组电路，被耦合到所述第一差分输入级；第二电阻负反馈组电路，被耦合到所述第二差分输入级；以及差分输出级电路，被配置成生成输出电压信号；第一开关电路，被并联地耦合到所述第一电阻负反馈组电路；第二开关电路，被并联地耦合到所述第二电阻负反馈组电路；其中所述第一开关电路和所述第二开关电路被配置成在闭合状态下操作，以基于具有第一值的所述输入电压信号而旁路所述第一电阻负反馈组电路和所述第二电阻负反馈组电路，并且所述第一开关电路和所述第二开关电路被配置成在断开状态下操作，使得所述第一电阻负反馈组电路和所述第二电阻负反馈组电路不会基于具有大于所述第一值的第二值的所述输入电压信号而被旁路；以及模拟-数字变换器，被配置成接收由所述完全平衡的微分差分放大器生成的所述输出电压信号，并且将所述输出电压信号变换成对应的输出电压数字信号。13.根据权利要求12所述的电子设备，其中所述电容式传感器包括被配置成根据所接收的声波生成电检测信号的声换能器。14.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述声换能器包括电容类型的MEMS麦克风。15.根据权利要求12所述的电子设备，其中所述电子设备包括手机、PDA、笔记本计算机、语音记录仪、具有语音记录功能的音频阅读器、用于视频游戏的操纵台、水诊器和助听设备之一。16.一种方法，包括：接收在包括所述第一差分输入和第二差分输入的第一差分输入级的第一差分输入上的输入电压信号，所述输入电压信号包括静态分量和变化分量；接收在包括所述第一差分输入和第二差分输入的第二差分输入级的第一差分输入上的共模电压信号，所述共模电压信号具有对应于所述输入电压信号的静态分量的值；跨越所述第一差分输入级的所述第一差分输入和所述第二差分输入而耦合第一电阻电路，并且跨越所述第二差分输入级的所述第一差分输入和所述第二差分输入而耦合第二电阻电路；以及基于所述输入电压信号的所述值而选择性地旁路所述第一电阻电路和所述第二电阻电路。17.根据权利要求16所述的方法，其中选择性地旁路所述第一电阻电路和所述第二电阻电路包括：分别控制与所述第一电阻电路和所述第二电阻电路并联耦合的第一晶体管和第二晶体管。18.根据权利要求17所述的方法，其中控制与所述第一电阻电路和所述第二电阻电路并联耦合的第一晶体管和第二晶体管包括：控制所述第一晶体管和所述第二晶体管，以提供与所述第一电阻电路和所述第二电阻电路并联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻具有分别近似等于所述第一电阻电路和所述第二电阻电路的电阻值的值。19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：响应于加速度和压力中的一项而产生所述输入电压信号。20.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：响应于变化的电容值产生所述输入电压信号。21.一种完全平衡的微分差分放大器，包括：第一差分输入级，包括第一输入端子和第二输入端子，所述第一差分输入级被配置成接收输入电压信号，所述输入电压信号包括跨越所述第一输入端子和所述第二输入端子的变化分量和固定分量；第二差分输入级，包括第三输入端子和第四输入端子，所述第二差分输入级被配置成接收固定共模电压信号，所述输入电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·巴拜利，S·珀尼西，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利,IT