用于低电压开关电容器电路的开关型运算放大器技术制造技术

描述了一种开关电容器电路，其使用并行而且在交替的时钟周期相位（ｐｈｉ１和ｐｈｉ２）工作的两个可切换运算放大器（Ａ１、Ａ１′）。在本发明专利技术的一优选实施例中，所述的两个运算放大器可通过具有一个公用输入级和两个可切换输出对（Ｖｏｕｔ１和Ｖｏｕｔ２）的单独一个两级运算放大器来实现。可将该新颖的开关电容器电路用在任何要使用常规开关电容器电路的用途上，例如像积分器和滤波器装置。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新颖的用于低电压开关电容器电路的开关型运算放大器(switched opamp)技术，尤其是涉及一种适合在低操作电压下使用的技术。附图说明图1显示了一种常规的SC滤波器结构。该结构包括两个运算放大器和若干电容器，这些电容器通过由NMOS和PMOS晶体管所构成的开关而在φ1和φ2相位之间切换。采用标准CMOS工艺，可实现使用低至1V电源电压的高增益运算放大器并且对于电容器的运行没有限制。而且，作为地(ground)的MOS开关可运行在低于1V的VGS下。但是将MOS开关——在图1中以虚线表示该MOS开关——连接到第一运算放大器A1的输出，即会产生问题。由于运算放大器的输出的特性，MOS开关需要至少2V以便正常工作。对这一问题来说，一种更有效的解决方案是在美国专利US5745002(授予Baschirotto等人)中所描绘的开关型运算放大器(switch-opamp，SO)技术。图2显示在US 5745002中所提出的基本结构，应注意到，图1中有问题的MOS开关为图2中显示于虚线框内的开关型运算放大器和电容器所替代。该开关型运算放大器和电容器可正常工作于1V及以下，因此可克服伴随着传统SC电路的主要问题。不过US 5745002的提案有其自己的缺点。首先，原有的开关型运算放大器技术在其积分阶段之后断开运算放大器，所以其无法实现多相位开关电容器系统和开关电容器技术，例如需要运算放大器始终工作的伪N路径(pseudo-N-path)、二次采样(double-sampling)、电容分布缩减(capacitance-spread-reduction)以及相同采样校正(same-sample-correction)。此外，通常需要额外的运算放大器，以便利用该技术来实现低电压开关电容器电路。US 5745002结构的另一缺点是其运行速度受到可切换运算放大器(switchable opamp)的接通速度的限制。仅可通过采用并行处理机制来提高运行速度，但这需要加倍的硬件及功率消耗以便使速度加倍，而且需要在不同路径之间精确地控制时钟相位以便正常工作。另外，路径之间的失配(mismatch)还会使系统性能下降。在一优选实施例中，可通过具有一个公用输入级和两个可切换输出级的单独一个两级运算放大器来实现所述的两个可切换运算放大器。在这一实施例中，在任一给定时间仅有一个可切换输出处于运行状态而另一个处于非运行状态，然而在任一给定时间总有一个输出处于运行状态。同样在这一实施例中，可提供一反馈电路，以使该可切换输出对的共模电压(common-mode voltage)保持为电源电压的一半，从而用于差分结构(differential structure)。可将本专利技术施用于任何类型的可用开关电容器电路构成的电路上。本专利技术的一个特别有用的实施方案是一种可在滤波器装置中依次接入的积分器电路。应理解，这仅为一示例，本专利技术可施用于范围广泛的电路结构。当用于积分器电路时，所述两个运算放大器，或者是在其以一个公用输入级构成时的两个输出对，可设置为带有对应的信号转换装置，从而提供任何必要的转换功能。这种信号转换装置可包括反馈电容器，或反馈开关电容器网络。本专利技术的一个特别优点是根据本专利技术的开关电容器电路的其中一个运算放大器总处于运行状态，因此本专利技术可用于运算放大器的运行必须是连续的用途，例如伪N路径、二次采样、电容分布缩减以及相同采样校正技术。可将本专利技术施用于任何类型的可用开关电容器电路构成的电路上。本专利技术的一个特别有用的实施方案是一种积分器电路，其为全开关电容器系统的基本积木式组件。这一实施方案仅需要一个额外的电容器，因此其非常简单而且成本低廉。更重要的是与US 5745002中所描述的原有SO技术不同，由于实际上在两个时钟相位中均可将输出信号用于处理，本专利技术的开关电容器积分器像传统的开关电容器积分器一样工作。结果，可直接地和容易地将本专利技术应用到大多数开关电容器系统中。实际上，不使用额外的运算放大器，仅仅通过以本专利技术的开关电容器积分器替换传统的开关电容器积分器并取消所有与运算放大器输出相连的有问题开关，即可使传统的开关电容器系统运行于低电压。这表明，本专利技术所提出的开关电容器技术与所有现有的传统开关电容器系统都高度兼容。应理解，以上仅为示例而本专利技术可施用到范围宽广的需要运算放大器始终工作的电路结构上。例如，以若干开关电容器分支电路来替换前述的开关电容器电路积分器中的额外电容器，即可通过我们所提出的开关型运算放大器电路，将例如伪N路径、二次采样、电容分布缩减以及相同采样这样的多相位开关电容器技术使用在低电压下。请注意，所有这些多相位开关电容器技术都需要运算放大器始终运行，因此其无法通过原有的开关型运算放大器技术来实现。此外，还可对本专利技术加以变动，从而令多个可切换运算放大器并行地然而在不同的不交叠时钟相位进行工作，使得某些先进的开关电容器系统实现复杂的多相位运行。附图简略说明现以示例方式，结合附图来说明本专利技术的若干实施例，附图中图1为常规的开关电容器滤波器的电路示意图，图2为一电路示意图，说明原有技术的开关型运算放大器电路的结构，图3为一电路示意图，说明本专利技术的基本原理，图4为一电路示意图，显示在全差分反相无延时(fully-differentialinverting non-delay)SC积分器形式下的本专利技术实施例，图5为一电路示意图，显示在两个可切换输出对(two-output-pair)运算放大器形式下的本专利技术实施例，图6为与图5所示实施例一起使用的动态共模反馈电路的电路示意图，图7显示在开关型运算放大器RAM型伪2路径积分器(RAM-typepsedo-2-path filter)形式下的本专利技术实施例，图8显示在开关型运算放大器SC伪2路径滤波器(pseudo-2-pathfilter)形式下的本专利技术实施例，图9a～图9c显示图8滤波器的经测量得到的瞬态响应及频谱，图10显示图8滤波器的实测频率响应，图11a～图11b显示图8滤波器的失真结果，图12显示在单一的0.9V电源下，图8滤波器的瞬态响应，图13显示图12滤波器的频率响应。优选实施方案详述图3显示采用与第一运算放大器A1并行但在时钟相位φ1和φ2间交替工作的额外可切换运算放大器A1′的本专利技术基本原理。图4显示一全差分反相无延时SC积分器，其使用了本专利技术提出的用于低电压开关电容器用途的开关型运算放大器技术。利用括号中所示的时钟相位即可简单地得到一非反相无延时SC积分器。值得注意的是，虽然所显示的是差分结构，其单端形式也是可行的。φ1，2和φ1p，2p分别是用于NMOS和PMOS开关的互补时钟相位。采用并结合开关电容器CDC和CDC′而设置了动态电平移位器(dynamiclevel shifter)，该开关电容器CDC和CDC′的电容值分别为输入电容器CIN和CIN′的一半。这样，两个可切换运算放大器的共模输入电压即在接地端发生偏移，而其输出则在无输入信号的稳态下由于使用了共模反馈电路而向轨迹(rail)中间偏移。这两个可切换运算放大器在两个互补不交叠时钟相位中交替接通和断开。现考虑图4中的反相无延时SC积分器结构。在φ1中，运算放大器A1接通，来自CI本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关型运算放大器电路，其包括并行而且在交替的时钟周期相位工作的两个可切换运算放大器。

【技术特征摘要】
US 2000-1-28 09/493,2641.一种开关型运算放大器电路，其包括并行而且在交替的时钟周期相位工作的两个可切换运算放大器。2.一种如权利要求1所述的电路，其中所述的两个运算放大器通过包括一个公用输入级和两个可切换输出对的运算放大器来实现。3.一种如权利要求2所述的电路，其中在任一给定时刻，所述输出对中的第一个运行，而第二个输出对不运行。4.一种如权利要求2所述的电路，其中所述电路为差分电路，而且使用反馈电路来使所述可切换输出对的共模电压保持为电源电压的一半。5.一种如权利要求1所述的电路，其中所述电路为积分器电路。6.一种积分器电路，其包括一开关型运算放大器电路，所述运算放大器电路包括并行而且在交替的时钟周期相位工作的两个可切换运算放大器。7.一种如权利要求6所述的电路，其中所述的两个运算放大器通过包括一个公用输入级和两个可切换输出对的运算放大器来实现。8.一种如权利要求7所述的电路，其中在任一给定时刻，所述输出对中的第一个运行，而第二个输出对不运行。9.一种如权利要求7所述的电路，其中所述电路为差分电路，而且使用反馈电路来使所述可切换输出对的共模电压保持为电源电压的一半。10.一种如权利要求6所述的电路，其中每个所述运算放大器或每个所述输出对均设置为带有对应的信号转换装置。11.一种如权利要求10所述的电路，其中所述信号转换装置包括反馈电容器。12.一种如权利要求10所述的电路，其中所述信号转换装置包括反馈开关电容器网络。13.一种电子滤波器装置，其包括至少一个积分器电路，其中所述积分器电路包括一开关型运算放大器电路，该运算放大器电路包括并行而且在交替的时钟周期相位工作的两个可切换运算放大器。14.一种如权利要求13所述的滤波器装置，其中所述的两个运算放大器通过包括一个公用输入级和两个可切换输出对的运算放大器来实现。15.一种如权利要求14所述的滤波器装置，其中在任一给定时刻，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：SL张，HC梁，
申请(专利权)人：香港科技大学，
类型：发明
国别省市：HK[中国|香港]