[發(fā)明專利]一種減少開關(guān)電容采樣噪聲的技術(shù)

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• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號: CN109150189A
• 公開（公告）日: 2019-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李高林
• 申請（專利權(quán)）人: 上海卓弘微系統(tǒng)科技有限公司
• 主分類號: H03M3/00
• 分類號: H03M3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種新型基于開關(guān)電容的采樣技術(shù)，與傳統(tǒng)的采樣技術(shù)相比，該發(fā)明通過額外增加一個(gè)采樣階段的電容，大幅度降低采樣過程中由于開關(guān)電阻引入的熱噪聲，該熱噪聲往往是電路精度的瓶頸，另一方面，該額外引入的采樣電容并不會(huì)對開關(guān)電容的積分階段產(chǎn)生影響。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，尤其涉及基于開關(guān)電容的采樣技術(shù)。

背景技術(shù)

開關(guān)電容技術(shù)是電路技術(shù)中應(yīng)用非常多，廣泛應(yīng)用于高精度模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器，電荷泵，濾波器等，特別對于高精度模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器，往往采用Delta-sigma結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)的核心在于開關(guān)電容積分器，其精度也受限于開關(guān)電容采樣噪聲。

如圖1所示，傳統(tǒng)的開關(guān)電容積分器結(jié)構(gòu)。該電路工作分為兩個(gè)階段，采樣階段和積分階段。在采樣階段，如圖2所示。開關(guān)S1和S3閉合，輸入信號對電容C1進(jìn)行充電。采樣結(jié)束時(shí)，電容C1上的電量為V_in/C1，由于開關(guān)在閉合時(shí)可等效為電阻，假設(shè)其阻值為R，則其熱噪聲功率譜密度為4kTR，其中k為波爾茲曼常數(shù)，T為溫度，R為電阻值。由該電阻和電容構(gòu)成的系統(tǒng)函數(shù)為，因此輸出端的等效噪聲均方值為：

很容易發(fā)現(xiàn)，其等效噪聲均方值與開關(guān)的導(dǎo)通電阻無關(guān)，而與電容的大小乘反比，即電容越大，等效噪聲越小。

在積分階段，如圖3所示，理想情況下。如果運(yùn)放增益無限高，帶寬無限大，也沒有失調(diào)，則存儲(chǔ)在采樣電容C1上的電荷全部轉(zhuǎn)入到積分電容C2上，

積分器輸出電壓將增加，即整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)了不斷將輸入信號按比例累加到輸出，即可認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)了積分。同時(shí)，在運(yùn)放增益足夠大，帶寬足夠高的情況下，采樣噪聲是電路精度的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

如圖4所示，該電路引入了一個(gè)額外的電容用于降低采樣噪聲。在采樣階段，S1，S3，S5閉合，S2，S4斷開。如圖5所示，額外引入的電容C3與原采樣電容并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)同樣的功能。這樣減少了噪聲帶寬，進(jìn)而減少等效噪聲。減少的程度直接取決于引入電容C3的大小，在采樣結(jié)束時(shí)，電容C1上存儲(chǔ)的電量為V_in/C1，即并不會(huì)受電容C3的影響。在積分階段，S1，S3，S5斷開，S2，S4閉合。此時(shí)，C3與電路脫離，并不會(huì)對電路造成影響。同時(shí)，C1上的電荷將轉(zhuǎn)移至電容C2，積分器輸出的電壓增加為，與額外引入的電容C3無關(guān)。同時(shí)，由于C3在積分階段已經(jīng)斷開，所以不會(huì)加重運(yùn)算放大器的驅(qū)動(dòng)負(fù)擔(dān)，既不會(huì)對其帶寬等構(gòu)成影響。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)的開關(guān)電容積分器的示意圖；

圖2為傳統(tǒng)的開關(guān)電容積分器采樣示意圖；

圖3為傳統(tǒng)的開關(guān)電容積分器的積分示意圖；

圖4為本發(fā)明的開關(guān)電容積分器的示意圖；

圖5為本發(fā)明所采用的開關(guān)電容積分器的采樣示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖4所示，該電路中引入了一個(gè)額外的電容用于降低采樣噪聲。在采樣階段，S1，S3，S5閉合，S2，S4斷開。如圖5所示，額外引入的電容C3與原采樣電容并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)同樣的功能。這樣，等效噪聲大小變?yōu)椋?/p>

這樣通過引入額外的電容C3，等效噪聲將減少。減少的程度直接取決于引入電容C3的大小，若C3大小與C1相同，則等效噪聲大小將減半。在采樣結(jié)束時(shí)，電容C1上存儲(chǔ)的電量為V_in/C1，即并不會(huì)受電容C3的影響。

在積分階段，S1，S3，S5斷開，S2，S4閉合。此時(shí)，C3與電路脫離，并不會(huì)對電路造成影響。同時(shí)，C1 上的電荷將轉(zhuǎn)移至電容C2，積分器輸出的電壓增加為，與額外引入的電容C3無關(guān)。同時(shí)，由于C3在積分階段已經(jīng)斷開，所以不會(huì)加重運(yùn)算放大器的驅(qū)動(dòng)負(fù)擔(dān)，既不會(huì)對其帶寬等構(gòu)成影響。

因此該技術(shù)在有效地降低了噪聲的同時(shí)，并沒有給運(yùn)放的設(shè)計(jì)提出額外要求。不會(huì)給后繼電路帶來額外負(fù)擔(dān)。