CN111277268B - 一种开关电容积分器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种开关电容积分器，一种开关电容积分器，包括：用于根据时钟信号对外部输入执行采样的采样电路及连接于运算放大器的反相输入端与输出端之间的积分电容；其特征在于，还包括：连接在采样电路与运算放大器的反相输入端之间的第一复位开关和与积分电容并联连接的第二复位开关；以及复位控制电路，用于控制第一复位开关和第二复位开关的通断；其中，当该开关电容积分器进入工作状态时，复位控制电路控制第一复位开关关断且第二复位开关导通达到预设时长后，控制第一复位开关导通且第二复位开关关断。本发明还公开了一种开关电容积分器的控制方法。

Description

一种开关电容积分器及其控制方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域。更具体地，涉及一种开关电容积分器及其控制方法。

背景技术

开关电容积分器在集成电路领域被广泛应用。尤其是在开关电容滤波器、采样放大电路等集成电路中广泛使用开关电容积分器作为基本模块。

典型的开关电容在集成电路中的应用如图1所示。图1(a)为同相开关电容积分器，图1(b)为反相开关电容积分器。通过时钟信号控制开关对输入信号进行采样并将采样的信号输入运算放大器完成积分，在运算放大器的正相输入端连接共模信号。在对输入信号进行采样之前的初始状态下，由于没有直流反馈，也没有交流信号送入反馈电容C2做交流反馈，此时放大器处于开环状态，表现出比较器功能，其输出静态电压为电源电压。当电路开始对输入信号采样，信号通过C1送入C2，交流反馈开始建立。此时，放大器的输出电压开始从电源电压回落至工作电压。受到开关电容电路中电容大小、开关频率，以及放大器输出电流等因素的影响，该稳定时间通常较长。

如图2所示的现有技术的开关电容器积分电路工作输出响应图可以看到，在电路开始工作后，传统开关电容积分电路的输出信号需要较长的时间才能稳定，该稳定时间包括两个阶段：①对放大器反相输入端充电，直至其静态电压达到共模电压Vcm。②然后，放大器的输出静态电压从电源电压开始回落，并逐渐稳定在共模电压Vcm。以上两个时间阶段严重影响了开关电容积分器的响应速度，导致整个系统反应较慢。

因此，需要提供一种新的开关电容积分器电路及其控制方法，能提高自身的工作响应速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的开关电容积分器电路，能提高自身的工作响应速度。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一方面提供一种开关电容积分器，包括：用于根据时钟信号对外部输入执行采样的采样电路及连接于运算放大器的反相输入端与输出端之间的积分电容；还包括：

连接在采样电路与运算放大器的反相输入端之间的第一复位开关和与积分电容并联连接的第二复位开关；以及

复位控制电路，用于控制第一复位开关和第二复位开关的通断；

其中，当该开关电容积分器进入工作状态时，复位控制电路控制第一复位开关关断且第二复位开关导通达到预设时长后，控制第一复位开关导通且第二复位开关关断。

优选地，开关电容积分器还包括：时钟电路，向采样电路提供时钟信号；以及使能电路，向时钟电路和复位控制电路提供使能信号，以控制开关电容积分器处于工作状态或非工作状态。

优选地，采样电路包括采样电容和采样开关，采样开关包括第一采样开关、第二采样开关、第三采样开关以及第四采样开关，

其中，第一采样开关的一端与采样电容的一端连接，第一采样开关的另一端连接外部输入；第二采样开关的一端与第一采样电容的另一端连接，第二采样开关的另一端连接第一复位开关；第三采样开关的一端连接第一采样开关与采样电容的公共端，第四采样开关的一端连接采样电容与第二采样开关的公共端，第三采样开关的另一端和第四采样开关的另一端接地，

其中，时钟电路向采样开关输出两个第一时钟信号和两个第二时钟信号，第一时钟信号与第二时钟信号为两项非重叠的时钟信号，以使开关电容积分器作为同相开关电容积分器或者反相开关电容积分器。

优选地，时钟电路向第一采样开关和第四采样开关分别输入第一时钟信号并向第二采样开关和第三采样开关分别输入第二时钟信号，以使开关电容积分器作为同相开关电容积分器；或者，

时钟电路向第一采样开关和第二采样开关分别输入第一时钟信号并向第三采样开关和第四采样开关分别输入第二时钟信号，以使开关电容积分器作为反相开关电容积分器。

本申请的另一方面提供了一种开关电容积分器的控制方法，方法包括：

向采样电路输出时钟信号，以使得采样电路根据时钟信号对外部输入执行采样；

向第一复位开关和第二复位开关输出控制信号，以控制第一复位开关和第二复位开关的通断，

其中，当开关电容积分器进入工作状态时，分别向第一复位开关和第二复位开关输出控制信号，以使第一复位开关关断且第二复位开关导通达到预设时长后，第一复位开关导通且第二复位开关关断。

优选地，方法还包括：通过向时钟电路和复位控制电路发送使能信号，控制开关电容积分器处于工作状态或非工作状态。

优选地，采样电路包括采样电容及采样开关，采样开关包括第一采样开关、第二采样开关、第三采样开关、第四采样开关，

该方法还包括：通过向采样电路输入两个第一时钟信号和两个第二时钟信号，使开关电容积分器作为同相开关电容积分器或者反相开关电容积分器，其中第一时钟信号与第二时钟信号互补。

优选地，当采样电路包括采样电容、第一采样开关、第二采样开关、第三采样开关、第四采样开关，且

其中，采样电路如下结构连接时：第一采样开关的一端与采样电容的一端连接，第一采样开关的另一端连接外部输入；第二采样开关的一端与采样电容的另一端连接，第二采样开关的另一端连接第一复位开关；第三采样开关的一端连接第一采样开关与采样电容的公共端，第四采样开关的一端连接采样电容与第二采样开关的公共端，第三采样开关的另一端和第四采样开关的另一端接地，

向第一采样开关和第四采样开关输入第一时钟信号并向第二采样开关和第三采样开关输入与第一时钟信号互补的第二时钟信号，使得积分器作为同相开关电容积分器；或者

向第一采样开关和第二采样开关输入第一时钟信号并向第三采样开关和第四采样开关输入与第一时钟信号互补的第二时钟信号，使得积分器作为反相开关电容积分器。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案提供一种新的开关电容积分器电路及其控制方法，能提高自身的工作响应速度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1(a)和图1(b)为现有技术的开关电容积分器的电路原理图；

图2为现有技术的开关电容积分器的工作输出响应图；

图3为根据本发明的实施例的开关电容积分器成同相开关电容积分器时的电路原理图；

图4为根据本发明的实施例的开关电容积分器成反相开关电容积分器时的电路原理图；

图5为根据本发明的开关电容积分器的控制方法的示例性信号时序图；以及

图6为根据本发明的实施例的开关电容积分器与如图1所示的现有技术开关电容积分器的输出工作响应比较。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

应理解，说明书中所述的序数词第一、第二等只是为了描述的清楚，而不是为了限制元件、部件或组件等的顺序，即，描述为第一元件、部件和组件以及第二元件、部件或组件也可以表述为第二元件、部件和组件以及第一元件、部件或组件。

参照图3和图4，图3和图4分别示出了根据本发明的开关电容积分器10(在说明书中，当不区分同相开关电容积分器和反相开关电容积分器时，统一以10表示)，其中图3为示例性同相开关电容积分器10-1、图4为示例性反相开关电容积分器10-2，在下文中当不进行区分时，开关电容积分器均以标号10表示。

根据本申请的开关电容积分器10包括采样电路101、积分电容C2、第一复位开关W5和第二复位开关W6、时钟电路和复位控制电路。其中，采样电路101根据时钟电路输出的时钟信号对外部输入input进行采样，积分电容C2连接在运放电路OP1的反相输入端与输出端之间，其中，运放电路OP1的正相输入端接入共模电压Vcm。第一复位开关W5串联连接在采样电路101与积分电容之间，参照图3和图4所示，即第一复位开关W5连接在采样电路101与运算放大器OP1的反向输入端之间。第二复位开关W6连接在运算放大器的反相端与输出端之间的，即第二复位开关W6与积分电容C2并联连接。复位控制电路通过向第一复位开关W5和第二复位开关W6输出复位信号控制其通断来执行控制。

具体地，开关电容积分器10的状态分为工作状态和非工作状态，当开关电容积分器10处于工作状态时，复位控制电路执行对第一复位开关W5和第二复位开关W6的控制。当开关电容积分器10处于工作状态时，复位控制电路向第一复位开关W5和第二复位开关W6输出复位控制信号Res1和Res2，使得第一复位开关W5关断且第二复位开关W6导通达到设定时长后，向第一复位开关W5和第二复位开关W6分别输出相反电平的复位控制信号Res1和Res2，使得第一复位开关W5导通且第二复位开关W6关断。在本申请中预设时长t可设置为1ms，但不限于此。可理解的是，随着芯片性能的提升，在芯片响应速度可达到的情况下，应将预设时长t设置的尽量短，只要可以使运算放大器OP1形成直流负反馈电路，使得通过反馈令输出端output的值等于运算放大器OP1正相端输入的共模电压Vcm即可。

根据本申请的示例性开关电容积分器10，还可以包括时钟电路和使能电路。在这样的情况下，通过向使能电路输入信号EN，使能电路生成输出信号Ao作为对时钟电路和复位控制电路的使能信号Ci和Bi，从而控制开关电容积分器10进入工作状态。因此，通过为开关电容积分器10设置使能电路，可以控制开关电容处于工作状态或非工作状态。当使能电路向时钟电路和复位控制电路输入该使能信号Ci和Bi后，时钟电路和复位控制电路被使能，分别生成时钟信号Φ1和Φ2以及复位控制信号Res1和Res2，对采样电路101、第一位开关W5和第二复位开关W6形成控制。

下面根据图3和图4具体说明本申请的上述结构关系。

采样电路101包括采样电容C1、第一采样开关W1、第二采样开关W2、第三采样开关W3和第四采样开关W4。

第一采样开关W1的一端连接外部输入信号Input，第一采样开关W1的另一端连接采样电容C1的一端；第二采样开关W2的一端连接采样开关C1的另一端，第二采样开关W2的另一端连接第一复位开关W5；第三采样开关W3的一端连接第一采样开关W1与采样电容C1的公共端，第三采样开关W3的另一端接地，优选地可以接交流地；第四采样开关W4的一端连接第二采样开关W2和采样开关C1的公共端，第四采样开关W4的另一端接地，优选地，可以接交流地。

时钟电路有两个输出端Co1和Co2，输出两个非重叠的时钟信号Φ1和Φ2，本领域技术人员应理解，这样可以保证两个时钟不同时为高。在同相开关电容积分器中，如图3所示，Co1输出的时钟信号Φ1输入到第一采样开关W1和第四采样电容W4，Co2输出的时钟信号Φ2输入第二采样开关W2和第三采样开关W3。而在反相开关电容积分器10-2中，Co1输出的时钟信号Φ1输入到第一采样开关W1和第二采样开关W2，Co2输出的时钟信号Φ2输入到第三采样开关W3和第四采样开关W4。

复位控制电路具有两个输出端Bo1和Bo2，Bo1输出的复位控制信号Res1控制第一复位开关W5，Bo2输出的复位控制信号Res2控制第二复位开关W6。

下面结合图5所示的根据本发明的开关电容积分器10的控制方法的示例性信号时序图，进一步描述本申请的开关电容积分器10结构原理以及控制方法。

EN、Bo1、Bo2、Co1、Co2的信号时序图如图5所示。其中，图5中的示例性信号时序图的工作阶段对应于开关电容积分器10的工作状态，工作阶段的起始包括预定时间的复位阶段。

此外，如图5所示，当信号EN为高时，开关电容积分器10进入工作状态，当信号EN为低时，开关电容积分器10为非工作状态。本领域技术人员应理解，这仅是示例性地，以方便下文描述，本申请的技术方案也可以根据需要将信号EN设置为与图5中的实例相反，即，根据需要将其设置为信号EN为低时，开关电容积分器10进入工作状态，当信号EN为高时，开关电容积分器10为非工作状态。或者还可以根据需要将该信号EN设置某一电平的脉冲信号。

下面仍以图5为例继续说明。

初始阶段：在初始状态下，没有信号EN给入，受使能电路控制的复位控制电路和时钟电路不工作。此时，时钟电路和复位控制电路的输出均为低电平。

当信号EN为高时，开关电容积分器10处于工作状态，在该工作状态中时钟电路开始工作，并输出两项非重叠的时钟信号Φ1和Φ2，复位控制电路开始执行控制，并使得开关电容积分器10包括复位阶段，如图5所示，复位阶段可以预设为时长t。

复位阶段中：复位控制电路产生时间长度为t(预设时长)的复位控制信号Res1和Res2。本实施例中，预设时长t可设置为1ms。可理解的是，随着芯片性能的提升，在芯片响应速度可达到的情况下，应将预设时长t设置的尽量短。输出端Bo1输出低电平信号Res1，输出端Bo2产生高电平信号Res2。在该阶段，第一采样开关W1、第二采样开关W2、第三采样开关W3和第四采样开关W4在时钟信号Φ1和Φ2的控制下导通或关断，采样电容C1对外部输入信号Input进行采样。从而在复位阶段，采样电路101根据时钟信号对外部输入进行采样。但是在该阶段，受复位控制信号Res1的控制，第一复位开关W5断开，采样电容C1的采样结果没有送入运算放大器OP1的反相输入端。同时，第二复位开关W6闭合，使得运算放大器OP1反相输入端和输出端短路，运算放大器OP1形成单位增益负反馈，根据运算放大器OP1负反馈的虚短原理，运算放大器OP1输出的静态电压端被迅速置位在共模电压Vcm。

在开关电容积分器10处于工作状态时，在使能控制电路控制第一复位开关W5断开且第二复位开关W6闭合经过预设时长t后，执行控制，使复位控制信号Res1变成高电平，复位控制信号Res2变成低电平，并保持该状态，直到开关电容积分器10停止工作。在此阶段，受使能控制信号Res1和Res2的控制，第二复位开关W6关断且第一复位开关W5导通，采样电容C1采样的数据开始送入C2和运算放大器OP1进行积分处理。

由于运算放大器OP1输出端的静态电压在工作阶段的起始已经被置位在共模电压Vcm，所以不需要多余的时间来稳定。而且预设时长t可以非常短，电路的响应速度得到了提高。由图6可见，本发明的开关电容积分器的响应时间大幅度减小。因此，通过本申请的技术方案提高了开关电容积分器的响应速度。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种开关电容积分器，包括：

用于根据时钟信号对外部输入执行采样的采样电路以及连接于运算放大器的反相输入端与输出端之间的积分电容；

其特征在于，还包括：

连接在所述采样电路与所述运算放大器的反相输入端之间的第一复位开关和与所述积分电容并联连接的第二复位开关；以及

复位控制电路，用于控制所述第一复位开关和所述第二复位开关的通断；

其中，所述运算放大器的正相输入端接入共模电压，当该开关电容积分器进入工作状态时，所述复位控制电路控制所述第一复位开关关断且所述第二复位开关导通达到预设时长后，控制所述第一复位开关导通且所述第二复位开关关断。

2.如权利要求1所述的开关电容积分器，其特征在于，还包括：

时钟电路，向所述采样电路提供时钟信号；以及

使能电路，向所述时钟电路和所述复位控制电路提供使能信号，以控制所述开关电容积分器处于所述工作状态或非工作状态。

3.如权利要求2所述的开关电容积分器，其特征在于，所述采样电路包括采样电容和采样开关，所述采样开关包括第一采样开关、第二采样开关、第三采样开关以及第四采样开关，

其中，所述第一采样开关的一端与所述采样电容的一端连接，所述第一采样开关的另一端连接所述外部输入；所述第二采样开关的一端与所述采样电容的另一端连接，所述第二采样开关的另一端连接所述第一复位开关；所述第三采样开关的一端连接所述第一采样开关与所述采样电容的公共端，所述第四采样开关的一端连接所述采样电容与所述第二采样开关的公共端，所述第三采样开关的另一端和所述第四采样开关的另一端接地，

其中，所述时钟电路向所述采样开关输出两个第一时钟信号和两个第二时钟信号，所述第一时钟信号与所述第二时钟信号为两项非重叠的时钟信号，以使所述开关电容积分器作为同相开关电容积分器或者反相开关电容积分器。

4.如权利要求3所述的开关电容积分器，其特征在于，

所述时钟电路向所述第一采样开关和所述第四采样开关分别输入第一时钟信号并向所述第二采样开关和所述第三采样开关分别输入第二时钟信号，以使所述开关电容积分器作为同相开关电容积分器；或者，

所述时钟电路向所述第一采样开关和所述第二采样开关分别输入第一时钟信号并向所述第三采样开关和所述第四采样开关分别输入第二时钟信号，以使所述开关电容积分器作为反相开关电容积分器。

5.一种权利要求1-4中任一项所述的开关电容积分器的控制方法，其特征在于，

向所述采样电路输出时钟信号，以使得所述采样电路根据所述时钟信号对外部输入执行采样；

向所述第一复位开关和所述第二复位开关输出控制信号，以控制所述第一复位开关和所述第二复位开关的通断，

其中，当所述开关电容积分器进入工作状态时，分别向所述第一复位开关和所述第二复位开关输出控制信号，以使所述第一复位开关关断且所述第二复位开关导通达到预设时长后，所述第一复位开关导通且所述第二复位开关关断。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述开关电容积分器还包括向所述采样电路提供时钟信号的时钟电路，所述方法还包括：

通过向所述时钟电路和所述复位控制电路发送使能信号，控制所述开关电容积分器处于所述工作状态或非工作状态。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，采样电路包括采样电容及采样开关，所述采样开关包括第一采样开关、第二采样开关、第三采样开关、第四采样开关，

该方法还包括：通过向所述采样电路输入两个第一时钟信号和两个第二时钟信号，使所述开关电容积分器作为同相开关电容积分器或者反相开关电容积分器，其中所述第一时钟信号与所述第二时钟信号为两项非重叠的时钟信号。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，当所述采样电路包括采样电容、第一采样开关、第二采样开关、第三采样开关、第四采样开关，且

其中，所述采样电路如下结构连接时：所述第一采样开关的一端与所述采样电容的一端连接，所述第一采样开关的另一端连接所述外部输入；所述第二采样开关的一端与所述采样电容的另一端连接，所述第二采样开关的另一端连接所述第一复位开关；所述第三采样开关的一端连接所述第一采样开关与所述采样电容的公共端，所述第四采样开关的一端连接所述采样电容与所述第二采样开关的公共端，所述第三采样开关的另一端和所述第四采样开关的另一端接地，

向所述第一采样开关和所述第四采样开关输入第一时钟信号并向所述第二采样开关和所述第三采样开关输入与所述第一时钟信号非重叠的第二时钟信号，使得所述积分器作为同相开关电容积分器；或者

向所述第一采样开关和所述第二采样开关输入第一时钟信号并向所述第三采样开关和所述第四采样开关输入与所述第一时钟信号互补的第二时钟信号，使得所述积分器作为反相开关电容积分器。