一种高分辨率可调增益的低噪声开关电容放大器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种高分辨率可调增益的低噪声开关电容放大器及其设计方法，该开关电容放大器包括信号输入电路、放大电路、反馈电路，算法调制电路和delta‑sigma编码器，所述放大电路的输入通过一对输入电容采样输入信号电压，然后再将采样的电压通过运算放大器运放积分，放大电路的反馈是通过一对反馈电容采样输出电压，然后再将采样的电压通过运算放大器运放积分，所述delta‑sigma编码器通过编码控制两对CMOS开关管的通断进而调制所述输入电容或反馈电容。本发明专利技术中PGA增益的调整由编码完成而输入电容和输出电容的容值不随增益的调节而变化，折算到输入的开关电容噪声就不会改变，相比常规PGA改变电容容值的调节方式信噪比更好控制。

【技术实现步骤摘要】
一种高分辨率可调增益的低噪声开关电容放大器及其设计方法
本专利技术属于模拟集成电路领域，涉及模拟集成电路对信号的采集、放大和模数转换(ADC)，具体是一种高分辨率可调增益的低噪声开关电容放大器，适用于对高灵敏度信号链路系统，尤其是弱信号传感器的信号采集和调理，以及自动控制系统中的精细增益调节等；并且在汽车，家电，工业自动化，机器人，物联网以及军工领域亦有广泛适用性。
技术介绍
可调增益开关电容信号放大器(programmablegainamplifier，PGA)在传感器信号的检测，模拟-数字信号转换(ADC)和数字-模拟(DAC)转换电路中经常用到的。但目前常用的开关电容PGA电路的放大倍数是由输入电容和反馈电容的比例实现。对非常细分的放大倍数调节时常用数个输入电容或反馈电容的串并联组合来完成，或用两级开关电容放大器级联的方法实现细分增益的组合。但以上方法的局限性很大，主要有：(1)受芯片内部电容尺寸的限制，多个电容的串并联组合使得电容之间的匹配误差积累增加，因此PGA增益很难得到精准的细分和分档；(2)对开关电容噪声的控制趋于复杂和困难，因为某些PGA的增益需要电容的串并组合等效于一个较小的电容值，使得开关电容噪声增加。图1为常用的全差分输出的开关电容PGA示意图，CMOS开关的控制时钟信号为具有非交叠特征的等时长两相位方波，第一个相位的脉冲方波是采样时间，第二个相位的脉冲方波是放大或积分时间，将输入电容130～133对输入差分信号101和反馈电容134～137在差分输出端所采样的电荷通过运算放大器150实现有反馈路径的积分。这样在一个周期的时间内实现了信号的采样+PGA放大。增益调节是以简单的两对输入电容和两对输出电容的不同并联组合实现的。图1电路图的说明如下：101为差分信号源，102为共模电压；103/104，107/108，和111/112为φ1时间段闭合的CMOS开关管；105/106，109/110，和113/114为φ2时间段闭合的CMOS开关管；130/131/132/133为输入信号采样电容,130与132,131与133的容值相等；134/135/136/137为反馈路径采样电容，134与136,135与137的容值相等；140/141积分电容，两者容值相等；150为全差分运算放大器；111为一运算放大器；CLK1和CLK2分别为一对反向的非交叠脉冲发生器产生的开关管的栅极控制信号，φ1和φ2分别为采样和积分时段；120/121，122/123，124/125，和126/127为输入和反馈电容组合的开关，根据增益的要求控制开关的闭合和断开。按照开关电容的工作原理该PGA在积分时段φ2结束时，输出电压的放大倍数为输入电容与反馈电容的比例，Gain＝Vout(n)/Vin(n)＝(C130+C131)/(C134+C135)，其中n为脉冲周期数，至于增益的分档，电容130/131和134/135的4种不同连接可以组成4个不同的增益。显然如果想得到更细分的增益调节能力，需要在输入和反馈路径增加更多的电容和开关。根据两个相等电容的匹配误差与电容面积的关系，其中ΔC为电容的误差值，W·L表示电容在芯片上占有的宽度和长度，因此为控制匹配误差需要每个电容占有面积不能太小，这样PGA增益细分档位的增加避让需要更大的电容占有面积，同时匹配误差的积累也随着电容的增多而增加从而影响增益细分的精度。开关电容的热噪声电压有效值的公式为：其中，K为一个常数，T为绝对温度值，C是电容值，(1)可以看出组合后的电容值因为增益调节的需要而变小时，则开关电容的噪声变大，使得PGA信号放大的信噪比变差。通常为了保持合理的信噪比只能增加开关电容的容值，这不但增加了芯片面积成本，而且电容充放电需要的电流增加同时也导致芯片的功耗增加。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可以高分辨率调整放大倍数的低噪声开关电容放大电路(highresolutionprogrammablegainamplifier,HRPGA)及其设计方法，在实现宽范围和精细调节放大倍数的条件下保持开关电容电路的低噪声，同时降低功耗和成本，提高了信号检测电路的检测精度和效率。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一方面，本专利技术提出了一种高分辨率可调增益的低噪声开关电容放大器，它包括开关电容的信号输入电路、放大电路和反馈电路，同时还包括算法调制电路和delta-sigma编码器，所述算法调制电路包括两对CMOS开关管，所述放大电路的输入通过一对输入电容采样输入信号电压，然后再将采样的电压通过运算放大器运放积分，放大电路的反馈是通过一对反馈电容采样输出电压，然后再将采样的电压通过运算放大器运放积分，所述delta-sigma编码器通过编码控制两对CMOS开关管的通断进而调制所述输入电容或反馈电容。作为第一种优选的电路结构方案，所述输入电容包括第一输入电容和第二输入电容，反馈电容包括第一反馈电容和第二反馈电容，两对CMOS开关管分别为第一CMOS开关管、第二CMOS开关管、第三CMOS开关管和第四CMOS开关管；所述第一输入电容的一端连接源端，另一端分别连接第一CMOS开关管和第二CMOS开关管的一端，所述第二输入电容的一端连接源端，另一端分别连接第三CMOS开关管和第四CMOS开关管的一端；所述第一CMOS开关管和第三CMOS开关管的另一端均连接第一反馈电容的一端，并且两者该端还通过连接第九CMOS开关管后接地以及通过第十五CMOS开关管连接运算放大器的反相输入端，第一反馈电容的另一端一方面通过连接第十一CMOS开关管后接地，另一方面还通过第十三CMOS开关管分别连接第一积分电容的一端以及运算放大器的同相输出端，第一积分电容的另一端连接运算放大器的反相输入端；所述第二CMOS开关管和第四CMOS开关管的另一端均连接第二反馈电容的一端，并且两者该端还通过连接第十CMOS开关管后接地以及通过第十六CMOS开关管连接运算放大器的同相输入端，第二反馈电容的另一端一方面通过连接第十二CMOS开关管后接地，另一方面还通过第十四CMOS开关管分别连接第二积分电容的一端以及运算放大器的反相输出端，第二积分电容的另一端连接运算放大器的同相输入端。作为第二种优选的电路结构方案，所述输入电容包括第一输入电容和第二输入电容，反馈电容包括第一反馈电容和第二反馈电容，两对CMOS开关管分别为第一CMOS开关管、第二CMOS开关管、第三CMOS开关管和第四CMOS开关管；所述第一输入电容的一端连接源端，另一端分别连接第一CMOS开关管和第二CMOS开关管的一端，并且该端还通过连接第九CMOS开关管后接地以及通过第十五CMOS开关管连接运算放大器的反相输入端，所述第二输入电容的一端连接源端，另一端分别连接第三CMOS开关管和第四CMOS开关管的一端，并且该端还通过连接第十CMOS开关管后接地以及通过第十六CMOS开关管连接运算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高分辨率可调增益的低噪声开关电容放大器，它包括开关电容的信号输入电路、放大电路和反馈电路，其特征在于，还包括算法调制电路和delta-sigma编码器，所述算法调制电路包括两对CMOS开关管，所述放大电路的输入通过一对输入电容采样输入信号电压，然后再将采样的电压通过运算放大器运放积分，放大电路的反馈是通过一对反馈电容采样输出电压，然后再将采样的电压通过运算放大器运放积分，所述delta-sigma编码器通过编码控制两对CMOS开关管的通断进而调制所述输入电容或反馈电容。/n

【技术特征摘要】
1.一种高分辨率可调增益的低噪声开关电容放大器，它包括开关电容的信号输入电路、放大电路和反馈电路，其特征在于，还包括算法调制电路和delta-sigma编码器，所述算法调制电路包括两对CMOS开关管，所述放大电路的输入通过一对输入电容采样输入信号电压，然后再将采样的电压通过运算放大器运放积分，放大电路的反馈是通过一对反馈电容采样输出电压，然后再将采样的电压通过运算放大器运放积分，所述delta-sigma编码器通过编码控制两对CMOS开关管的通断进而调制所述输入电容或反馈电容。


2.根据权利要求1所述的高分辨率可调增益的低噪声开关电容放大器，其特征在于，所述输入电容包括第一输入电容(201)和第二输入电容(202)，反馈电容包括第一反馈电容(203)和第二反馈电容(204)，两对CMOS开关管分别为第一CMOS开关管(210)、第二CMOS开关管(211)、第三CMOS开关管(212)和第四CMOS开关管(213)；所述第一输入电容(201)的一端连接源端，另一端分别连接第一CMOS开关管(210)和第二CMOS开关管(211)的一端，所述第二输入电容(202)的一端连接源端，另一端分别连接第三CMOS开关管(212)和第四CMOS开关管(213)的一端；所述第一CMOS开关管(210)和第三CMOS开关管(212)的另一端均连接第一反馈电容(203)的一端，并且两者该端还通过连接第九CMOS开关管(107)后接地以及通过第十五CMOS开关管(113)连接运算放大器(150)的反相输入端，第一反馈电容(203)的另一端一方面通过连接第十一CMOS开关管(109)后接地，另一方面还通过第十三CMOS开关管(111)分别连接第一积分电容(140)的一端以及运算放大器(150)的同相输出端，第一积分电容(140)的另一端连接运算放大器(150)的反相输入端；所述第二CMOS开关管(211)和第四CMOS开关管(213)的另一端均连接第二反馈电容(204)的一端，并且两者该端还通过连接第十CMOS开关管(108)后接地以及通过第十六CMOS开关管(114)连接运算放大器(150)的同相输入端，第二反馈电容(204)的另一端一方面通过连接第十二CMOS开关管(110)后接地，另一方面还通过第十四CMOS开关管(112)分别连接第二积分电容(141)的一端以及运算放大器(150)的反相输出端，第二积分电容(141)的另一端连接运算放大器(150)的同相输入端。


3.根据权利要求1所述的高分辨率可调增益的低噪声开关电容放大器，其特征在于，所述输入电容包括第一输入电容(201)和第二输入电容(202)，反馈电容包括第一反馈电容(203)和第二反馈电容(204)，两对CMOS开关管分别为第一CMOS开关管(210)、第二CMOS开关管(211)、第三CMOS开关管(212)和第四CMOS开关管(213)；所述第一输入电容(201)的一端连接源端，另一端分别连接第一CMOS开关管(210)和第二CMOS开关管(211)的一端，并且该端还通过连接第九CMOS开关管(107)后接地以及通过第十五CMOS开关管(113)连接运算放大器(150)的反相输入端，所述第二输入电容(202)的一端连接源端，另一端分别连接第三CMOS开关管(212)和第四CMOS开关管(213)的一端，并且该端还通过连接第十CMOS开关管(108)后接地以及通过第十六CMOS开关管(114)连接运算放大器(150)的同相输入端；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，古振刚，
申请(专利权)人：苏州真感微电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32