电容式放大电路及其信号产生方法与流程

1.本发明是关于集成电路领域，特别是关于一种电容式放大电路及其信号产生方法。


背景技术：

2.对于电容运算放大器而言，其时间常数跟运算放大器的带宽相关，带宽跟电流相关，在高速的运算放大器中，要建立高精度的信号，对运算放大器的带宽要求非常高，需要消耗较大的电流。
3.电容式运算放大器的输出信号为vout：
4.vout＝-vstep*cs/cf*(1-e-t/τ
)
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(1)
5.其中，vstep为电容式运算放大器采样-放大产生的阶跃信号，cs/cf为放大系数，t为容式运算放大器的建立时间，τ为电容式运算放大器的时间常数，假设cs/cf＝1，由公式(1)可得：
[0006][0007]
根据电容式运算放大器的精度n可得电容式运算放大器的建立误差：
[0008][0009]
结合公式(2)和公式(1)可得：由于传统的电容式运算放大器的vstep≈vout，即每次的输出信号vout都是从0开始建立，所以可得：t＝τ*ln(2n)。
[0010]
由上可知，若阶跃信号vstep降低至输出信号vout的千分之一或者更小(vstep≈0.001vout)，那么在建立时间确定的情况下，则τ相应增大，从而大大降低对电容式运算放大器的带宽gbw的要求。
[0011]
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

[0012]
本发明的目的在于提供一种电容式放大电路，其能够降低建立高精度的信号对带宽的要求。
[0013]
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种电容式放大电路，包括：一级放大单元、二级放大单元、采样电路、一组反馈电容以及控制单元。
[0014]
所述一级放大单元具有一组第一输入端和一组第一输出端，所述二级放大单元具有一组第二输入端和一组第二输出端，所述一级放大单元的第一输出端与二级放大单元的第二输入端相连；
[0015]
采样电路用于对输入信号进行采样并输出采样信号至一级放大单元的第一输入端；所述反馈电容的第一端与一级放大单元的第一输入端相连，所述反馈电容的第二端与一级放大单元的第一输出端以及二级放大单元的第二输出端相连；
[0016]
控制单元用于控制反馈电容的第一端与一级放大单元的第一输入端和采样电路之间的通断和/或一级放大单元的第一输出端与反馈电容的第二端之间的通断，所述控制单元还分别控制一级放大单元的第一输出端与二级放大单元的第二输入端之间的通断以及反馈电容的第二端与二级放大单元的第二输出端之间的通断。
[0017]
在本发明的一个或多个实施例中，所述控制单元包括一组第一开关，所述第一开关的第一端与反馈电容的第二端相连，所述第一开关的第二端与一级放大单元的第一输出端相连。
[0018]
在本发明的一个或多个实施例中，所述控制单元包括一组第二开关，所述第二开关的第一端与一级放大单元的第一输出端相连，所述第二开关的第二端与二级放大单元的第二输入端相连。
[0019]
在本发明的一个或多个实施例中，所述控制单元包括一组第三开关，所述第三开关的第一端与反馈电容的第二端相连，所述第三开关的第二端与二级放大单元的第二输出端相连。
[0020]
在本发明的一个或多个实施例中，所述一级放大单元包括第一运算放大器，和/或所述二级放大单元包括第二运算放大器和一组密勒电容，所述密勒电容的第一端与第二运算放大器的输入端相连形成二级放大单元的第一输入端，所述密勒电容的第二端与第二运算放大器的输出端相连形成二级放大单元的第二输出端。
[0021]
在本发明的一个或多个实施例中，所述采样电路包括一组采样电容、一组第四开关、一组第五开关和第六开关；所述采样电容的第一端通过第四开关与信号输入端相连以接收输入信号，且一组所述采样电容的第一端通过第六开关相连，所述采样电容的第二端通过第五开关与共模信号相连，所述采样电容的第二端与一级放大单元的第一输入端以及反馈电容的第一端相连。
[0022]
在本发明的一个或多个实施例中，所述电容式放大电路还包括一组第七开关，所述第七开关的第一端与反馈电容的第二端相连，所述第七开关的第二端与共模信号相连。
[0023]
本发明还公开了一种信号产生方法，包括：交替进行的第一阶段和第二阶段，所述第二阶段包括预充电阶段和放大阶段，其中，
[0024]
在第一阶段，通过采样电路对输入信号进行采样并输出采样信号；
[0025]
在预充电阶段，通过一级放大单元基于采样信号对反馈电容进行预充电；
[0026]
在放大阶段，通过级联的一级放大单元和二级放大单元基于反馈电容的信号保持而对采样信号进行放大。
[0027]
在本发明的一个或多个实施例中，所述通过一级放大单元基于采样信号对反馈电容进行预充电包括：通过控制单元将反馈电容的第二端与一级放大单元的第一输出端相连通、断开一级放大单元的第一输出端与二级放大单元的第二输入端之间的连接以及断开反馈电容的第二端与二级放大单元的第二输出端之间的连接。
[0028]
在本发明的一个或多个实施例中，所述通过级联的一级放大单元和二级放大单元基于反馈电容的信号保持而对采样信号进行放大包括：通过控制单元将一级放大单元的第
一输出端与二级放大单元的第二输入端相连通、断开反馈电容的第二端与一级放大单元的第一输出端之间的连接以及将反馈电容的第二端与二级放大单元的第二输出端相连通。
[0029]
与现有技术相比，根据本发明实施例的电容式放大电路及其信号产生方法，通过控制单元控制一级放大单元、反馈电容以及二级放大单元之间的通断，能够在采样电路采样结束后，在电容式放大电路进入放大态之前，先对反馈电容进行预充电，从而减少了电容式放大电路转换速率的时间，从而达到缩短电容式放大电路建立时间的目的，同时结合采样电路在采样之前，二级放大单元上已存储有电荷，从而使得即使在不同的建立时间的要求下，都能降低建立高精度信号对带宽的要求，进而能够大大降低功耗，尤其在高速运用中，能够大大降低芯片的功耗。
附图说明
[0030]
图1是根据本发明一实施例的电容式放大电路的电路原理图。
[0031]
图2是根据本发明一实施例的电容式放大电路的控制信号的时序图。
[0032]
图3是根据本发明一实施例的信号产生方法的流程图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图，对本发明的具体实施例进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。
[0034]
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
[0035]
说明书中的“耦接”或“连接”或“相连”既包含直接连接，也包含间接连接。间接连接为通过中间媒介进行的连接，如通过电传导媒介进行的连接，其可具有寄生电感或寄生电容；间接连接还可包括在实现相同或相似功能目的的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路等电路或部件的连接。另外，在本发明中，例如“第一”、“第二”之类的词语主要用于区分一个技术特征与另一个技术特征，而并不一定要求或暗示这些技术特征之间存在某种实际的关系、数量或者顺序。
[0036]
如图1所示，一种电容式放大电路，包括：采样电路10、一级放大单元20、二级放大单元30、一组反馈电容cf以及控制单元。
[0037]
其中，一级放大单元20和二级放大单元30相互级联，在本实施例中，一级放大单元20包括第一运算放大器g1，二级放大单元30包括第二运算放大器g2和一组密勒电容cc。在本实施例中，第一运算放大器g1用于提高信号增益，第二运算放大器g2采用classab结构的运算放大器以提高大摆幅信号输出结果，减少失真。在其他实施例中，第一运算放大器g1和第二运算放大器g2可以采用其他结构的运算放大器。
[0038]
第一运算放大器g1具有一组第一输入端和一组第一输出端，第二运算放大器g2具有一组第二输入端和一组第二输出端，第一运算放大器g1的第一输出端与对应的第二运算放大器g2的第二输入端相连。在本实施例中，一组的数量为两个。
[0039]
每个密勒电容cc的第一端和第二端对应与第二运算放大器g2的一个第二输入端和一个第二输出端相连并形成一个第二输入节点i(即二级放大单元30的第二输入端)和一
个第二输出节点o(即二级放大单元30的第二输出端)，一组密勒电容cc则对应两个第二输入节点i和两个第二输出节点o。两个反馈电容cf的第一端分别对应与第一运算放大器g1的两个第一输入端相连，两个反馈电容cf的第二端分别对应与第一运算放大器g1的两个第一输出端相连，两个反馈电容cf的第二端同时对应与第二运算放大器g2的两个第二输出端相连。
[0040]
在本实施例中，控制单元既控制第一运算放大器g1的第一输出端与对应的反馈电容cf的第二端之间的通断，又控制第一运算放大器g1的输出端与对应的第二输入节点i之间的通断，同时还控制对应的反馈电容cf的第二端与第二输出节点o之间的通断。
[0041]
如图1所示，控制单元包括一组第一开关s1、一组第二开关s2和一组第三开关s3。
[0042]
每个第一开关s1的第一端与对应的反馈电容cf的第二端相连，每个第一开关s1的第二端与第一运算放大器g1对应的第一输出端相连。
[0043]
每个第二开关s2的第一端与第一运算放大器g1对应的第一输出端以及对应的第一开关s1的第二端相连，第二开关s2的第二端与对应的第二输入节点i相连。
[0044]
每个第三开关s3的第一端与对应的反馈电容cf的第二端以及第一开关s1的第一端相连，每个第三开关s3的第二端与对应的第二输出节点o相连。
[0045]
另外，电容式放大电路还包括一组第七开关s7。每个第七开关s7的第一端与对应的反馈电容cf的第二端、第一开关s1的第一端以及第三开关s3的第一端相连，第七开关s7的第二端与共模信号vcm相连。
[0046]
在本实施例中，采样电路10用于对输入信号进行采样并输出采样信号至一级放大单元20。
[0047]
如图1所示，采样电路10包括一组采样电容cs、一组第四开关s4、一组第五开关s5和第六开关s6。
[0048]
采样电容cs的第一端通过对应的第四开关s4与信号输入端vip相连以接收输入信号，另一个采样电容cs的第一端通过对应的第四开关s4与信号输入端vin相连以接收输入信号，且一组该采样电容cs的第一端通过第六开关s6相连。一组采样电容cs的第二端均分别通过一个第五开关s3与共模信号vcm相连，两个采样电容cs的第二端且分别与第一运算放大器g1的两个第一输入端以及对应的两个反馈电容cf的第一端相连。
[0049]
如图2所示，在本实施例中，一组第四开关s4、第五开关s5和第七开关s7由第一控制信号φ1同步控制，第六开关s6由第二控制信号φ2控制，一组第一开关s1由第三控制信号φ21同步控制，一组第二开关s2和第三开关s3由第四控制信号φ22同步控制。
[0050]
如图3所示，基于上述的电容式放大电路，本实施例还公开了一种信号产生方法，包括：交替进行的第一阶段phase1和第二阶段phase2，在本实施例中，第一阶段phase1和第二阶段phase2组成一个周期，第一阶段phase1和第二阶段phase2之间具有一非交叠时间td，通过非交叠时间td保证采样电容cs的第二端的高阻节点电荷守恒，第二阶段phase2包括预充电阶段phase21和放大阶段phase22，其中，
[0051]
在第一阶段phase1，通过采样电路10对输入信号进行采样并输出采样信号。
[0052]
具体的，在第一阶段phase1时，第一控制信号φ1为高电平信号，第三控制信号φ21、第四控制信号φ22以及第二控制信号φ2均为低电平信号，第六开关s6、一组第一开关s1、一组第二开关s2和一组第五开关s3均断开，对应的，一组第四开关s4、一组第五开关s5
和一组第七开关s7均闭合，两个采样电容cs的第一端分别与信号输入端vip和信号输入端vin连通，两个采样电容cs的第二端则均与共模信号vcm连通，此时，通过一组采样电容cs对输入信号进行采样。
[0053]
在预充电阶段phase21，通过一级放大单元20基于采样信号对反馈电容cf进行预充电。
[0054]
在本实施例中，通过控制单元将两个反馈电容cf的第二端分别与一级放大单元20的两个第一输出端相连通，通过控制单元分别断开一级放大单元20的两个第一输出端与二级放大单元30的两个对应的第二输入端之间的连接，通过控制单元分别断开两个反馈电容cf的第二端与二级放大单元30的两个对应的第二输出端之间的连接。
[0055]
具体的，在预充电阶段phase21，第一控制信号φ1和第四控制信号φ22为低电平信号，第三控制信号φ21和第二控制信号φ2为高电平信号，对应的一组第四开关s4、一组第五开关s5和一组第七开关s7均断开，一组第二开关s2和一组第五开关s3均断开，第六开关s6闭合，一组第一开关s1闭合，两个采样电容cs的第一端，此时，反馈电容cf仅与第一运算放大器g1的第一输入端和第一输出端以及采样电容cs相连，第一运算放大器g1被接成放大状态，第一运算放大器g1基于一组采样电容cs输出的采样信号给反馈电容cf进行快速预充电。由于第一运算放大器g1的带宽大，反馈电容cf可以在较短时间内充电至预期值，从而提高电容式放大电路后续建立的速度，缩短建立的时间。
[0056]
在放大阶段phase22，通过级联的一级放大单元20和二级放大单元30基于反馈电容cf的信号保持而对采样信号进行放大。
[0057]
在本实施例中，通过控制单元将一级放大单元20的第一输出端与二级放大单元30对应的第二输入端相连通，通过控制单元断开两个反馈电容cf的第二端与一级放大单元20对应的两个第一输出端之间的连接，通过控制单元将两个反馈电容cf的第二端与二级放大单元30对应的两个第二输出端相连通。
[0058]
具体的，在放大阶段phase22时，第一控制信号φ1和第三控制信号φ21为低电平信号，第四控制信号φ22和第二控制信号φ2为高电平信号，对应的一组第四开关s4、一组第五开关s5和一组第七开关s7均断开，一组第一开关s1断开，第六开关s6、一组第二开关s2和一组第五开关s3闭合，此时反馈电容cf的第二端与二级放大单元30的第二输出节点o连通，一级放大单元20和二级放大单元30也连通，从而基于反馈电容cf的信号保持而对采样信号进行放大。
[0059]
另外，由于在第一阶段phase1之前，即在前一周期(或者初始周期)时，已对密勒电容cc进行了充分的建立，所以密勒电容cc已经保存住了存储的电荷，同时在后一周期的预充电阶段phase21对反馈电容cf预充的电荷和密勒电容cc已存储的电荷接近前一周期(或者初始周期)结束时对应的各自的电荷，所以在该后一周期的放大阶段phase22时，能够减小对反馈电容cf和密勒电容cc再次补充电荷至预期电荷的速度，从而缩短了建立时间，进而减小了电容式放大电路将信号放大到预期值的时长，降低了对电容式放大电路的带宽的要求。
[0060]
因为在前一周期(或者初始周期)，密勒电容cc已经存储有电荷，所以在后一周期的预充电阶段phase21，第二运算放大器g2可基于密勒电容cc保持单位增益输出，且密勒电容cc上的电荷为锁存状态，密勒电容cc保持的电荷通过第二运算放大器g2驱动较快速的将
后级负载电容cl拉至期望值。
[0061]
在放大阶段phase22，一级放大单元20和二级放大单元30连接成完整的电容放大器模式，从而依靠系统的环路带宽，将误差较小的信号建立到足够的精度。
[0062]
在放大阶段phase22，反馈电容cf和密勒电容cc相连，第一运算放大器g1和第二运算放大器g2相连，将差分抖动降低到几mv级，阶跃信号vstep的值越小，从而对系统的带宽要求越小，这样系统就可以降低对两级运算放大器的带宽要求，达到降低功耗的目的。
[0063]
本发明还公开了一种芯片，包括上述的电容式放大电路。
[0064]
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员在不脱离本发明范围和精神的情况下能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。