电容耦合斩波器放大器制造技术

在六相位电容耦合斩波器放大器中，两个相位(第1相位、第4相位)提供了调零相位，以将反馈电容器调零并且设置输入共模值。两个相位(第2相位、第5相位)提供了输入电荷从输入电容器到调零反馈电容器的无源转移。最后两个相位(第3相位、第6相位)是斩波和放大相位。调零相位(第1相位、第4相位)解决了输入共模问题，而无需使用偏置电阻器。无源转移相位(第2相位、第5相位)解决了在斩波时钟的每个周期都必须对反馈电容器进行再充电时发生的毛刺问题。解决毛刺和充电时间问题使放大器的频率增加。

Capacitor coupled chopper amplifier

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电容耦合斩波器放大器这涉及电容耦合斩波器放大器。
技术介绍
许多领域都需要放大器，这些放大器可以从可能高于或低于放大器电源的总线电压测量精确的电流，从纳安级到数百安。这些领域包含各种生物医学应用和电力应用。对于精确测量，重要的是所使用的放大器具有非常低的偏置电流、较低的偏移电压和非常高的共模抑制比。为此，通常使用电容耦合斩波器放大器。然而，过于简单化的电容耦合斩波器放大器具有与放大器输入缺少输入共模以及建立时可能存在的一些输出误差有关的问题。解决共模问题的方法通常会导致噪声增加、增益误差增加或共模建立时间增加。这意味着改进的设计只能用于精度非常低的环境中或以较低的频率使用。
技术实现思路
代替了常规的电容耦合斩波器放大器中使用的两个相位，而是使用了六个相位。两个相位提供了调零相位以将反馈电容器调零并且设置输入共模值。两个相位提供了输入电荷从输入电容器到调零反馈电容器的无源转移。最后两个相位是斩波和放大相位。调零相位解决了输入共模问题，而无需偏置电阻器。无源转移相位解决了在斩波时钟的每个周期都必须对反馈电容器进行再充电时发生的建立问题。解决建立问题和固定共模使放大器的频率增加。附图说明图1是根据现有技术的第一简单电容耦合斩波器放大器的框图。图2是根据现有技术的第二电容耦合斩波器放大器的框图。图3是电容耦合斩波器放大器的第一实例的框图。图4是示出了图3的放大器的六个相位的时序图。图5A是在第一相位期间的图3的放大器的框图。图5B是在第二相位期间的图3的放大器的框图。图5C是在第三相位期间的图3的放大器的框图。图5D是在第四相位期间的图3的放大器的框图。图5E是在第五相位期间图的3的放大器的框图。图5F是在第六相位期间图的3的放大器的框图。图6A是在放大和斩波充电相位期间具有电荷补偿的第一实例的图3的放大器的框图。图6B是在调零和无源电荷转移相位期间具有电荷补偿的第一实例的图3的放大器的框图。图7A是在放大和斩波相位期间具有电荷补偿的第二实例的图3的放大器的框图。图7B是在调零和无源电荷转移相位期间具有电荷补偿的第二实例的图3的放大器的框图。具体实施方式图1示出了根据现有技术的简单电容耦合斩波器放大器100。Vin+和Vin-信号被提供给第一斩波开关102。第一斩波开关102的输出被提供给串联电容器104A和104B。串联电容器104A连接到第一差分放大器106的正或同相输入。串联电容器104B连接到第一放大器106的负或反相输入。第一放大器106的差分反相和同相输出被提供给第二斩波开关108的第一和第二输入。第二斩波开关108的第一和输出分别被提供给第二差分放大器110的反相和同相输入。反馈电容器112连接在第二放大器110的正输出和第二放大器110的反相输入之间。反馈电容器114连接在第二放大器110的负输出和第二放大器110的同相输入之间。第二放大器110的同相输出是正输出电压Voutp，而第二放大器110的反相输出是负输出电压Voutn。第二放大器110的正输出信号被提供给斩波开关116的输入。第二放大器110的负输出被提供给斩波开关116的另一输入。斩波开关116的输出连接到反馈电容器118P和118N。反馈电容器118P连接到第一放大器106的反相输入，而反馈电容器118N连接到第一放大器106的同相输入。信号的这种反相为放大器100提供期望的负反馈。这种简单的配置有几个问题。首先，没有为放大器106定义输入共模。由于串联电容器104A和104B直接连接到第一放大器106，所以没有组件为共模提供DC电平。其次，在Voutp和Voutn信号上提供的实际输出电压可以是随机的。平均值将是基于所定义的增益配置的期望值，但各个周期将是随机的。图2示出了用于解决输入共模问题和输出上的随机值的示范性常规电路。放大器200类似于放大器100，并且在相似的组件上使用相似的数字。分别从第一放大器106的同相输入和反相输入提供偏置电阻器105P和105N至所设定的共模电压Vcm。增加偏置电阻器105P和105N确实解决了输入共模问题，但也确实增加了噪声。如果偏置电阻较低，则会在放大器200中引起增益误差。如果偏置电阻较高，则共模将花费更长的时间来建立，从而降低了放大器200可以提供的有效频率。此外，由于反馈电容器118P和118N需要再充电，因此输出电压将在时钟的每次斩波时出现毛刺或失真，从而加剧了频率问题，因为任何采样必须在毛刺已经解决之后进行。在图3中示出了第一示范性放大器300。Vin+和Vin-信号被提供为输入斩波开关302的两个输入。输入斩波开关302被示出为具有一系列触点302A、302B、302C和302D，其中Vin+被提供给触点302A和302B，并且Vin-提供给触点302C和302D。电平转换器301连接到输入斩波开关302。电平转换器301将电平移位时钟提供给Vin+和Vin-的输入共模电压，这会控制开关302。输入斩波开关302的输出被提供给串联输入电容器304A和304B的输入。从触点302A或302C提供第一输出，并且从触点302B或302D提供第二输出。串联输入电容器304A和304B的输出连接到具有触点305A、305B、305C和305D的调零斩波开关305的两个输入。串联输入电容器304A输出被提供给触点305A，并且串联输入电容器304B输出被提供给触点305D。共模电压Vcm被提供给触点305B和305C作为第三输入。触点305A和305B提供第一输出，而触点305C和305D提供第二输出。调零斩波开关305的第一和第二输出被提供给第一差分放大器306的同相和反相输入。第一差分放大器306的差分输出被提供给具有触点308A、308B、308C和308D的放大器输出斩波开关308的两个输入。第一输入，即第一差分放大器306的反相输出，被提供给触点308A和308B。第二输入，即第一差分放大器306的同相输出，被提供给触点308C和308D。放大器输出斩波开关308的两个输出被提供给第二差分放大器310的反相和同相输入。被提供给第二差分放大器310的反相输入的第一输出由触点308A或308C提供。被提供给第二差分放大器310的同相输入的第二输出由触点308B或308D提供。从第二差分放大器310的同相输出反相输入提供反馈电容器312。从第二差分放大器310的反相输出到同相输入提供反馈电容器314。这些负反馈电容器312、314用作米勒积分器，这有助于稳定放大器300。第二差分放大器310的同相输出是正或Voutp信号，而第二差分放大器310的反相输出的输出是负或Voutn信号。第二差分放大器310的同相和反相输出连接到波纹滤波器315，所述波纹滤波器315的正和负输出被提供给第一差分放大器306。波纹滤波器315有助于抵消放大器306的偏移电压。反馈双极开关320具有分别连接到第二差分放大器310的同相和反相输出的第一和第二输入。校正双极开关322本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容耦合斩波器放大器，其包括：/n输入斩波开关，其用于根据模式输入在第一和第二输出之间切换第一和第二输入；/n第一和第二串联输入电容器，其耦合到所述输入斩波开关；/n调零斩波开关，其用于根据模式输入在第一和第二输出之间切换第一、第二和第三输入，所述第一和第二输入耦合到所述第一和第二串联输入电容器，并且所述第三输入用于接收共模电压；/n第一差分放大器，其耦合到所述调零斩波开关；/n放大器输出斩波开关，其耦合到所述第一差分放大器，并且可根据模式输入而操作以在第一和第二输出之间切换第一和第二输入，或使所述第一和第二输入与所述第一和第二输出断开；/n第二差分放大器，其耦合到所述放大器输出斩波开关；/n反馈斩波开关，其耦合到所述第二差分放大器，并且可根据模式输入而操作以在第一和第二输出之间切换第一和第二输入，或使所述第一和第二输入与所述第一和第二输出断开；/n第一和第二反馈电容器，其耦合到所述反馈斩波开关，所述第一反馈电容器耦合到所述第二串联输入电容器，并且所述第二反馈电容器耦合到所述第一串联输入电容器；/n反馈电容器放电双极开关，其包含用于接收共模电压的输入、耦合到所述第二反馈电容器的第一输出和耦合到所述第一反馈电容器的第二输出；并且可基于模式输入而操作以将所述输入连接到所述第一和第二输出，或使所述输入与所述第一和第二输出断开；/n输入电容器双极开关，其具有用于接收共模电压的输入、耦合到所述第一串联输入电容器的第一输出和耦合到所述第二串联输入电容器的第二输出；并且可基于模式输入而操作以将所述输入连接到所述第一和第二输出，或使所述输入与所述第一和第二输出断开；和/n相位生成器，其具有多个输出并且生成六个相位，所述六个相位是第一调零相位、第一电荷转移相位、第一斩波相位、第二调零相位、第二电荷转移相位和第二斩波相位，所述多个输出耦合到所述输入斩波开关、调零斩波开关、放大器输出斩波开关、反馈斩波开关、反馈电容器放电双极开关和输入电容器双极开关的所述模式输入，所述相位生成器用于生成模式控制输出信号，以用于基于所述六个相位配置所述输入斩波开关、调零斩波开关、放大器输出斩波开关、反馈斩波开关、反馈电容器放电双极开关和输入电容器双极开关中的每一个的所述模式。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171121 US 62/589,106;20180910 US 16/126,2811.一种电容耦合斩波器放大器，其包括：
输入斩波开关，其用于根据模式输入在第一和第二输出之间切换第一和第二输入；
第一和第二串联输入电容器，其耦合到所述输入斩波开关；
调零斩波开关，其用于根据模式输入在第一和第二输出之间切换第一、第二和第三输入，所述第一和第二输入耦合到所述第一和第二串联输入电容器，并且所述第三输入用于接收共模电压；
第一差分放大器，其耦合到所述调零斩波开关；
放大器输出斩波开关，其耦合到所述第一差分放大器，并且可根据模式输入而操作以在第一和第二输出之间切换第一和第二输入，或使所述第一和第二输入与所述第一和第二输出断开；
第二差分放大器，其耦合到所述放大器输出斩波开关；
反馈斩波开关，其耦合到所述第二差分放大器，并且可根据模式输入而操作以在第一和第二输出之间切换第一和第二输入，或使所述第一和第二输入与所述第一和第二输出断开；
第一和第二反馈电容器，其耦合到所述反馈斩波开关，所述第一反馈电容器耦合到所述第二串联输入电容器，并且所述第二反馈电容器耦合到所述第一串联输入电容器；
反馈电容器放电双极开关，其包含用于接收共模电压的输入、耦合到所述第二反馈电容器的第一输出和耦合到所述第一反馈电容器的第二输出；并且可基于模式输入而操作以将所述输入连接到所述第一和第二输出，或使所述输入与所述第一和第二输出断开；
输入电容器双极开关，其具有用于接收共模电压的输入、耦合到所述第一串联输入电容器的第一输出和耦合到所述第二串联输入电容器的第二输出；并且可基于模式输入而操作以将所述输入连接到所述第一和第二输出，或使所述输入与所述第一和第二输出断开；和
相位生成器，其具有多个输出并且生成六个相位，所述六个相位是第一调零相位、第一电荷转移相位、第一斩波相位、第二调零相位、第二电荷转移相位和第二斩波相位，所述多个输出耦合到所述输入斩波开关、调零斩波开关、放大器输出斩波开关、反馈斩波开关、反馈电容器放电双极开关和输入电容器双极开关的所述模式输入，所述相位生成器用于生成模式控制输出信号，以用于基于所述六个相位配置所述输入斩波开关、调零斩波开关、放大器输出斩波开关、反馈斩波开关、反馈电容器放电双极开关和输入电容器双极开关中的每一个的所述模式。


2.根据权利要求1所述的电容耦合斩波器放大器，其进一步包括：
反馈双极开关，其用于根据模式输入在第一和第二输出之间切换第一和第二输入，所述第一和第二输入耦合到所述第二差分放大器，所述第一和第二输出耦合到所述反馈斩波开关；
输出电容器，其耦合到所述反馈斩波开关第一和第二输入；
校正双极开关，其用于根据模式输入在第一和第二输出之间切换第一和第二输入，所述第一和第二输入耦合到所述反馈斩波；
校正电容器，其耦合到所述校正双极开关的所述第一和第二输出；和
充电双极开关，其用于根据模式输入在第一和第二输出之间切换第一和第二输入，所述第一和第二输出耦合到所述校正双极开关，所述第一和第二输入用于接收用于对所述校正电容器进行充电的电压，
其中所述相位生成器具有耦合到所述反馈双极开关、所述校正双极开关和所述充电双极开关的所述模式输入的所述多个输出，所述相位生成器进一步生成模式控制输出信号，以用于基于所述六个相位配置所述反馈双极开关、所述校正双极开关和所述充电双极开关的所述模式。


3.根据权利要求2所述的电容耦合斩波器放大器，其进一步包括：
第二级差分放大器，其耦合到所述第二差分放大器；和
第一和第二电阻器，其耦合到所述第二级差分放大器以及所述充电双极开关的所述第一和第二输入。


4.根据权利要求3所述的电容耦合斩波器放大器，其中所述第二级差分放大器的同相输出形成单端输出，并且所述第二级差分放大器的反相输出形成参考输出。


5.根据权利要求2所述的电容耦合斩波器放大器，其进一步包括：
第一和第二电阻器，其耦合到所述第二差分放大器以及所述充电双极开关的所述第一和第二输入；
第二校正电容器；和
电容器堆叠开关，其用于将所述校正电容器和所述第二校正电容器在第一模式下并联并且在第二模式下串联，
其中所述相位生成器进一步具有耦合到所述电容器堆叠开关的所述多个输出，以用于配置所述电容器堆叠开关的所述模式。


6.根据权利要求2所述的电容耦合斩波器放大器，其中所述相位生成器生成模式控制信号，以用于：
在所述第一调零相位、所述第二电荷转移相位和所述第二斩波相位期间将所述输入斩波开关置于所述第一模式，并且在所述第一电荷转移相位、所述第一斩波相位和所述第二调零相位期间将所述输入斩波开关置于所述第二模式，
在所述第一斩波相位和所述第二斩波相位期间将所述调零斩波开关置于所述第一模式，并且在所述第一调零相位、所述第一电荷转移相位、所述第二调零相位和所述第二电荷转移相位期间将所述调零斩波开关置于所述第二模式，
在所述第二斩波相位期间将所述放大器输出斩波开关置于所述第一模式，在所述第一斩波相位期间将所述放大器输出斩波开关置于所述第二模式，并且在所述第一调零相位、所述第一电荷转移相位、所述第二调零相位和所述第二电荷转移相位期间将所述放大器输出斩波开关置于所述第三模式，
在所述第二电荷转移相位和所述第二斩波相位期间将所述反馈斩波开关置于所述第一模式，在所述第一电荷转移相位和所述第一斩波相位期间将所述反馈斩波开关置于所述第二模式，并且在所述第一调零相位和所述第二调零相位期间将所述反馈斩波开关置于所述第三模式，
在所述第一调零相位和所述第二调零相位期间将所述反馈电容器放电双极开关置于所述第一模式，并且在所述第一电荷转移相位、所述第一斩波相位、所述第二电荷转移相位和所述第二斩波相位期间将所述反馈电容器放电双极开关置于所述第二模式，
在所述第一调零相位和所述第二调零相位期间将所述输入电容器双极开关置于所述第一模式，并且在所述第一电荷转移相位、所述第一斩波相位、所述第二电荷转移相位和所述第二斩波相位期间将所述输入电容器双极开关置于所述第二模式，
在所述第一斩波相位和所述第二斩波相位期间将所述反馈双极开关置于所述第一模式，并且在所述第一调零相位、所述第一电荷转移相位、所述第二调零相位和所述第二电荷转移相位期间将所述反馈双极开关置于所述第二模式，
在所述第一调零相位、所述第一电荷转移相位、所述第二调零相位和所述第二电荷转移相位期间将所述校正双极开关置于所述第一模式，并且在所述第一斩波相位和所述第二斩波相位期间将所述校正双极开关置于所述第二模式，和
在所述第一斩波相位和所述第二斩波相位期间将所述充电双极开关置于所述第一模式，并且在所述第一调零相位、所述第一电荷转移相位、所述第二调零相位和所述第二电荷转移相位期间将所述充电双极开关置于所述第二模式。


7.根据权利要求1所述的电容耦合斩波器放大器，其中所述相位生成器生成模式控制信号，以用于：
在所述第一调零相位、所述第二电荷转移相位和所述第二斩波相位期间将所述输入斩波开关置于所述第一模式，并且在所述第一电荷转移相位、所述第一斩波相位和所述第二调零相位期间将所述输入斩波开关置于所述第二模式，
在所述第一斩波相位和所述第二斩波相位期间将所述调零斩波开关置于所述第一模式，并且在所述第一调零相位、所述第一电荷转移相位、所述第二调零相位和所述第二电荷转移相位期间将所述调零斩波开关置于所述第二模式，
在所述第二斩波相位期间将所述放大器输出斩波开关置于所述第一模式，在所述第一斩波相位期间将所述放大器输出斩波开关置于所述第二模式，并且在所述第一调零相位、所述第一电荷转移相位、所述第二调零相位和所述第二电荷转移相位期间将所述放大器输出斩波开关置于所述第三模式，
在所述第二电荷转移相位和所述第二斩波相位期间将所述反馈斩波开关置于所述第一模式，在所述第一电荷转移相位和所述第一斩波相位期间将所述反馈斩波开关置于所述第二模式，并且在所述第一调零相位和所述第二调零相位期间将所述反馈斩波开关置于所述第三模式，
在所述第一调零相位和所述第二调零相位期间将所述反馈电容器放电双极开关置于所述第一模式，并且在所述第一电荷转移相位、所述第一斩波相位、所述第二电荷转移相位和所述第二斩波相位期间将所述反馈电容器放电双极开关置于所述第二模式，和
在所述第一调零相位和所述第二调零相位期间将所述输入电容器双极开关置于所述第一模式，并且在所述第一电荷转移相位、所述第一斩波相位、所述第二电荷转移相位和所述第二斩波相位期间将所述输入电容器双极开关置于所述第二模式。


8.一种电容耦合斩波器放大器，其包括：
输入斩波开关，其用于根据模式输入在第一和第二输出之间切换第一和第二输入；
第一和第二串联输入电容器，其耦合到所述输入斩波开关；
第一差分放大器，其耦合到第一和第二串联输入电容器；
放大器输出斩波开关，其耦合到所述第一差分放大器，并且可根据模式输入而操作以在第一和第二输出之间切换第一和第二输入，或使所述第一和第二输入与所述第一和第二输出断开；
第二差分放大器，其耦合到所述放大器输出斩波开关；
反馈斩波开关，其耦合到所述第二差分放大器，并且可根据模式输入而操作以在第一和第二输出之间切换第一和第二输入，或使所述第一和第二输入与所述第一和第二输出断开；
第一和第二反馈电容器，其耦合到所述反馈斩波开关，所述第一反馈电容器耦合到所述第一串联输入电容器，并且所述第二反馈电容器耦合到所述第二串联输入电容器；
反馈双极开关，其用于根据模式输入在第一和第二输出之间切换第一和第二输入，所述第一和第二输入耦合到所述第二差分放大器，所述第一和第二输出耦合到所述反馈斩波开关；
输出电容器，其耦合到所述反馈斩波开关第一和第二输入；
校正双极开关，其用于根据模式输入在第一和第二输出之间切换第一和第二输入，所述第一和第二输入耦合到所述反馈斩波开关；
校正电容器，其耦合到所述校正双极开关的所述第一和第二输出；
充电双极开关，其用于根据模式输入在第一和第二输出之间切换第一和第二输入，所述第一和第二输出耦合到所述校正双极开关，所述第一和第二输入用于接收用于对所述校正电容器进行充电的电压，和
相位生成器，其具有多个输出并且生成六个相位，所述六个相位是第一调零相位、第一电荷转移相位、第一斩波相位、第二调零相位、第二电荷转移相位和第二斩波相位，所述多个输出耦合到所述输入斩波开关、调零斩波开关、放大器斩波开关、反馈斩波开关、反馈双极开关、校正双极开关和充电双极开关的所述模式输入，所述相位生成器用于生成模式控制输出信号，以用于基于所述六个相位配置所述输入斩波开关、调零斩波开关、放大器斩波开关、反馈斩波开关、反馈双极开关、校正双极开关和充电双极开关中的每一个的所述模式。


9.根据权利要求8所述的电容耦合斩波器放大器，其进一步包括：
第二级差分放大器，其耦合到所述第二差分放大器；和
第一和第二电阻器，其耦合到所述第二级差分放大器以及所述充电双极开关的所述第一和第二输入。


10.根据权利要求9所述的电容耦合斩波器放大器，其中所述第二级差分放大器的同相输出形成单端输出，并且所述第二级差分放大器的反相输出形成参考输出。


11.根据权利要求8所述的电容耦合斩波器放大器，其进一步包括：
第一和第二电阻器，其耦合到所述第二差分放大器并且耦合到所述充电双极开关的所述第一和第二输入；
第二校正电容器；和
电容器堆叠开关，其用于将所述校正电容器和所述第二校正电容器在第一模式下并联并且在第二模式下串联，
其中所述相位生成器进一步具有耦合到所述电容器堆叠开关的所述多个输出，以用于配置所述电容器堆叠开关的所述模式。


12.根据权利要求8所述的电容耦合斩波器放大器，其进...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·特里福诺夫，B·P·达什，R·巴拉辛加姆，
申请(专利权)人：德州仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US