[發(fā)明專利]一種高分辨率可調(diào)增益的低噪聲開關(guān)電容放大器及其設(shè)計方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202010283642.2
• 申請日: 2020-04-13
• 公開（公告）號: CN111510082A
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王磊;古振剛
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州真感微電子科技有限公司
• 主分類號: H03F3/189
• 分類號: H03F3/189;H03F1/26
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責(zé)任公司 32218
• 代理人: 夏平

本發(fā)明公開了一種高分辨率可調(diào)增益的低噪聲開關(guān)電容放大器及其設(shè)計方法，該開關(guān)電容放大器包括信號輸入電路、放大電路、反饋電路，算法調(diào)制電路和delta?sigma編碼器，所述放大電路的輸入通過一對輸入電容采樣輸入信號電壓，然后再將采樣的電壓通過運算放大器運放積分，放大電路的反饋是通過一對反饋電容采樣輸出電壓，然后再將采樣的電壓通過運算放大器運放積分，所述delta?sigma編碼器通過編碼控制兩對CMOS開關(guān)管的通斷進而調(diào)制所述輸入電容或反饋電容。本發(fā)明中PGA增益的調(diào)整由編碼完成而輸入電容和輸出電容的容值不隨增益的調(diào)節(jié)而變化，折算到輸入的開關(guān)電容噪聲就不會改變，相比常規(guī)PGA改變電容容值的調(diào)節(jié)方式信噪比更好控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于模擬集成電路領(lǐng)域，涉及模擬集成電路對信號的采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，具體是一種高分辨率可調(diào)增益的低噪聲開關(guān)電容放大器，適用于對高靈敏度信號鏈路系統(tǒng)，尤其是弱信號傳感器的信號采集和調(diào)理，以及自動控制系統(tǒng)中的精細增益調(diào)節(jié)等；并且在汽車，家電，工業(yè)自動化，機器人，物聯(lián)網(wǎng)以及軍工領(lǐng)域亦有廣泛適用性。

背景技術(shù)

可調(diào)增益開關(guān)電容信號放大器(programmable gain amplifier，PGA)在傳感器信號的檢測，模擬-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換(ADC)和數(shù)字-模擬(DAC)轉(zhuǎn)換電路中經(jīng)常用到的。但目前常用的開關(guān)電容PGA電路的放大倍數(shù)是由輸入電容和反饋電容的比例實現(xiàn)。對非常細分的放大倍數(shù)調(diào)節(jié)時常用數(shù)個輸入電容或反饋電容的串并聯(lián)組合來完成，或用兩級開關(guān)電容放大器級聯(lián)的方法實現(xiàn)細分增益的組合。但以上方法的局限性很大，主要有：(1)受芯片內(nèi)部電容尺寸的限制，多個電容的串并聯(lián)組合使得電容之間的匹配誤差積累增加，因此PGA增益很難得到精準(zhǔn)的細分和分檔；(2)對開關(guān)電容噪聲的控制趨于復(fù)雜和困難，因為某些PGA的增益需要電容的串并組合等效于一個較小的電容值，使得開關(guān)電容噪聲增加。

圖1為常用的全差分輸出的開關(guān)電容PGA示意圖，CMOS開關(guān)的控制時鐘信號為具有非交疊特征的等時長兩相位方波，第一個相位的脈沖方波是采樣時間，第二個相位的脈沖方波是放大或積分時間，將輸入電容130～133對輸入差分信號101和反饋電容134～137在差分輸出端所采樣的電荷通過運算放大器150實現(xiàn)有反饋路徑的積分。這樣在一個周期的時間內(nèi)實現(xiàn)了信號的采樣+PGA放大。增益調(diào)節(jié)是以簡單的兩對輸入電容和兩對輸出電容的不同并聯(lián)組合實現(xiàn)的。圖1電路圖的說明如下：

101為差分信號源，102為共模電壓；

103/104，107/108，和111/112為φ1時間段閉合的CMOS開關(guān)管；

105/106，109/110，和113/114為φ2時間段閉合的CMOS開關(guān)管；

130/131/132/133為輸入信號采樣電容,130與132,131與133的容值相等；

134/135/136/137為反饋路徑采樣電容，134與136,135與137的容值相等；

140/141積分電容，兩者容值相等；

150為全差分運算放大器；

111為一運算放大器；

CLK1和CLK2分別為一對反向的非交疊脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的開關(guān)管的柵極控制信號，φ1和φ2分別為采樣和積分時段；

120/121，122/123，124/125，和126/127為輸入和反饋電容組合的開關(guān)，根據(jù)增益的要求控制開關(guān)的閉合和斷開。

按照開關(guān)電容的工作原理該PGA在積分時段φ2結(jié)束時，輸出電壓的放大倍數(shù)為輸入電容與反饋電容的比例，

Gain＝Vout(n)/Vin(n)＝(C₁₃₀+C₁₃₁)/(C₁₃₄+C₁₃₅)，其中n為脈沖周期數(shù)，