TWI571050B - 具有改良之輸入阻抗之切換式電容增益放大器 - Google Patents

Description

具有改良之輸入阻抗之切換式電容增益放大器

本發明係關於用於一切換式電容增益放大器之一電路，例如具有改良輸入阻抗之一可程式化增益放大器(PGA)。

本申請案主張在2010年12月22日提出申請且標題為「SWITCHED-CAPACITANCE PGA WITH IMPROVED INPUT IMPEDANCE」之美國臨時申請案第61/426,196號之權益，該申請案全文併入本文中。

增益放大器通常形成一切換式類比轉數位轉換器(ADC)之一輸入級。圖4展示此一增益放大器400之一實例。將一差動輸入信號VinP、VinM經由一切換式電容器網路饋送至一差動放大器440。該切換式電容器網路包括兩個電容器410a、410b，其藉助於開關402及404在差動放大器440之輸入信號路徑中切換。電容器410a之一第一端子透過開關402a及404a與非反相或反相輸入信號VinP、VinM耦合。類似地，電容器410b之第一端子經由開關402b或404b與非反相或反相輸入信號VinP、VinM耦合。開關402a及404b由時鐘信號Φ控制且開關404a及402b由反相時鐘信號#Φ控制。電容器410a及410b之第二端子分別與差動放大器440之非反相及反相輸入直接耦合。差動放大器440包括一差動輸出及在非反相及反相信號路徑中之回饋電容器430a、430b。為避免差動放大器440對其輸入處之所有信號求積分，開關450a及450b經控制以重設差動放大器440。因此圖4展示一典型的習用電路，其中為在放大器440之輸出處具有一接通相位，開關450a/b正以相位Φ切換。

在Φ係接通時(相位Φ)，重設該放大器且將電容器410a自VinM切換至VinP，同時電容器410b自VinP切換至VinM。相位#Φ與Φ之間的電容器410a上之電荷改變則係ΔQIN(410a)=CIN(VinP-VinM)。#Φ與Φ之間的電容器410b上之電荷改變則係ΔQIN(410b)=CIN(VinM-VinP)。相位#Φ與Φ之間的電容器410a、410b上所儲存之差動電荷差則係：

ΔQIN(#Φ,Φ)=ΔQIN(410a)-ΔQIN(410b)=2 CIN(VinP-VinM)。

圖5展示相關聯之切換控制信號Φ及輸出電壓OP-OM。類比放大器輸出信號OP-OM在0與2C_IN/C_FB(VinP-VinM)之間雙態切換。將電荷差ΔQ_IN與一增益1/Cfb一起傳遞至運算放大器之輸出電壓。此演算法之問題係，於此情形中，在相位Φ與#Φ兩者期間皆自輸入提取電荷而僅將電荷傳遞一次(在#Φ期間)。在一循環(Φ相位然後#Φ相位)期間平均化之差動輸入阻抗等於：Z_IN diff=1/f*所傳遞之輸出電壓/(ΔQ_IN(Φ,#Φ)-ΔQ_IN(#Φ,Φ))其中f係整個循環(Φ相位然後#Φ相位)之頻率。因此，Z_IN diff=1/(2f*C_IN)。輸入阻抗僅取決於C_IN及循環之頻率f。

此低輸入阻抗(在切換式電容型ADC(如Σ-Δ ADC)中，其係典型的)由以下事實造成：該輸入係經來回切換以對輸入信號取樣之一電容。問題在於，在低雜訊ADC中，雜訊(尤其是熱雜訊)亦與電容成反比(熱雜訊係kT/C_IN之一倍數，其中T為絕對溫度)。因此，在電容較小之情況下，輸入阻抗較佳，但雜訊較大。

因此，需要一種具有一改良輸入電容之切換式電容增益放大器。

根據各種實施例，一切換式電容增益放大器輸入電路之輸入阻抗經改良以連接至高源阻抗感測器。此改良需要藉助與標準切換式電容增益放大器解決方案相同之增益及相同之雜訊基準來實現。

改良輸入阻抗同時不使雜訊降級在ADC取捨方案中係重要的，且准許與在ADC之前端中幾乎不具有作用輸入電路之新範圍的感測器介接，並使該應用之總成本稍微降低。

根據一實施例，一增益放大器可包括：一差動放大器，其包括回饋電容器；一切換式輸入級，其具有與該差動放大器耦合之一第一輸出及第二輸出，且包括：第一電容器及第二電容器；一第一輸入，其接收一差動輸入信號之一第一信號；一第二輸入，其接收該差動輸入信號之一第二信號；第一複數個開關，其由一第一時鐘信號控制以使第一電容器之第一端子分別與該第一輸入或該第二輸入連接，及使第二電容器之第一端子分別與該第二輸入及該第一輸入連接；及第二複數個開關，其由一相移時鐘信號控制以使該第一電容器之第二端子與該差動放大器之一第一輸入或第二輸入連接及使該第二電容器之第二端子與該差動放大器之第二輸入或第一輸入連接。

根據一進一步實施例，相移信號可係移位週期之時鐘信號。根據一進一步實施例，第一複數個開關可包括：一第一開關，其耦合於該第一輸入與第一電容器之第一端子之間；一第二開關，其耦合於該第二輸入與第一電容器之第一端子之間；一第三開關，其耦合於該第一輸入與第二電容器之第一端子之間；一第四開關，其耦合於該第二輸入與第二電容器之第一端子之間；其中該第一開關及該第三開關由時鐘信號控制且該第二開關及該第四開關由一反相時鐘信號控制。根據一進一步實施例，第二複數個開關可包括：一第五開關，其耦合於第一電容器之第二端子與差動放大器之第一輸入之間；一第六開關，其耦合於第二電容器之第二端子與差動放大器之第一輸入之間；一第七開關，其耦合於第一電容器之第二端子與差動放大器之第二輸入之間；一第八開關，其耦合於第二電容器之第二端子與差動放大器之第二輸入之間；其中該第五開關及該第八開關由相移時鐘信號控制且該第六開關及該第七開關由一反相相移信號控制。根據一進一步實施例，差動放大器可藉助於一第一回饋電容器及第二回饋電容器來對輸入信號求積分。根據一進一步實施例，增益放大器可進一步包括第一重設開關及第二重設開關，其並聯耦合至一第一回饋電容器及第二回饋電容器且由一控制信號控制。根據一進一步實施例，該控制信號可具有兩倍於時鐘信號之頻率的頻率。根據一進一步實施例，該控制信號可由與時鐘信號及移位時鐘信號耦合之一互斥或閘產生。根據一進一步實施例，增益放大器可進一步包括每一回饋環路中之至少一個可切換回饋網路，其可並聯切換至該回饋電容器以控制該增益放大器之增益。根據一進一步實施例，該可切換回饋網路可包括第一耦合開關及第二耦合開關，其連接至一另一回饋電容器且操作以使該另一電容器與一回饋電容器並聯耦合。根據一進一步實施例，該可切換回饋網路可包括一重設開關，其使該另一回饋電容器與一共模電壓耦合。根據一進一步實施例，該增益放大器可進一步包括一第三電容器及第四電容器，其中該第一複數個開關由該第一時鐘信號控制以使該第一電容器及該第三電容器之第一端子分別與該第一輸入及該第二輸入連接，同時使第二電容器及第四電容器之第一端子短路，或使該第二電容器及第四電容器之第一端子分別與該第一輸入及該第二輸入連接，同時使該第一電容器及該第三電容器之第一端子短路；且其中該第二複數個開關由該相移時鐘信號控制以使該第一電容器及該第三電容器之第二端子與該差動放大器之一第一輸入連接，同時使該第二電容器及該第四電容器之第二端子與該差動放大器之第二輸入連接或使該第一電容器及該第三電容器之第二端子與該差動放大器之一第二輸入連接，同時使該第二電容器及該第四電容器之第二端子與該差動放大器之第一輸入連接。根據一進一步實施例，該第一複數個開關可包括：一第一開關，其耦合於該第一輸入與第一電容器之第一端子之間；一第二開關，其耦合於該第二輸入與第三電容器之第一端子之間；一第三開關，其耦合於該第一及第三電容器之第一端子之間；一第四開關，其耦合於該第一輸入與第四電容器之第一端子之間；一第五開關，其耦合於該第二輸入與第二電容器之第一端子之間；一第六開關，其耦合於該第二電容器及該第四電容器之第一端子之間；其中該第一開關、該第二開關及該第六開關由該時鐘信號控制且該第三開關、該第四開關及該第五開關由一反相時鐘信號控制。根據一進一步實施例，該第二複數個開關可包括　一第七開關，其耦合於該第一電容器及該第三電容器之第二端子與該差動放大器之第一輸入之間；一第八開關，其耦合於該第二電容器及該第四電容器之第二端子與該差動放大器之第一輸入之間；一第九開關，其耦合於該第一電容器及該第三電容器之第二端子與該差動放大器之第二輸入之間；一第十開關，其耦合於該第二電容器及該第四電容器之第二端子與該差動放大器之第二輸入之間；其中該第七開關及該第十開關由該相移時鐘信號控制且該第八開關及該第九開關由一反相相移信號控制。根據一進一步實施例，該增益放大器可進一步包括：一第三輸入，其接收一共模電壓；及第三複數個開關，其操作以使該第一電容器、該第二電容器、該第三電容器及該第四電容器之第一端子個別地與該共模電壓連接。根據一進一步實施例，該共模電壓可係接地的。根據一進一步實施例，該增益放大器可進一步包括第一重設開關及第二重設開關，其並聯耦合至一第一回饋電容器及第二回饋電容器。根據一進一步實施例，該增益放大器可進一步包括每一回饋環路中之至少一個可切換回饋網路，其可並聯切換至該回饋電容器以控制該增益放大器之增益。根據一進一步實施例，該可切換回饋網路可包括第一耦合開關及第二耦合開關，其連接至一另一回饋電容器且操作以使該另一電容器與一回饋電容器並聯耦合。根據一進一步實施例，該可切換回饋網路可包括一重設開關，其使該另一回饋電容器與一共模電壓耦合。

根據另一實施例，一種用於藉助包括回饋電容器之一差動放大器來操作一增益放大器之方法可包括：相依於一時鐘信號來切換一第一電容器之一第一端子以與一第一輸入或第二輸入連接，及切換一第二電容器之一第一端子以與一第二輸入或第一輸入連接；及根據一相移時鐘信號來切換該第一電容器及該第二電容器之第二端子以連接至該差動放大器之一第一輸入或第二輸入。

根據該方法之一進一步實施例，該相移信號係移位該時鐘信號之週期之該時鐘信號。根據該方法之一進一步實施例，該差動放大器可包括回饋電容器且經控制以對該等輸入信號求積分。根據該方法之一進一步實施例，該差動放大器可包括回饋電容器及藉助一控制信號控制以使該等回饋電容器短路之並聯重設開關。根據該方法之一進一步實施例，該控制信號可具有兩倍於時鐘信號之頻率的頻率。根據該方法之一進一步實施例，可藉由該時鐘信號及該移位時鐘信號之一互斥或來產生該控制信號。根據該方法之一進一步實施例，該方法可進一步包括使該第一電容器、該第二電容器中之至少一者之第一端子與一共模電壓連接以界定一重設狀態。根據該方法之一進一步實施例，該共模電壓可係接地的。根據該方法之一進一步實施例，該方法可進一步包括將至少一個可切換回饋網路並聯切換至該回饋電容器以控制該增益放大器之增益。根據該方法之一進一步實施例，該可切換回饋網路可包括第一耦合開關及第二耦合開關，其連接至一另一回饋電容器且操作以使該另一電容器與一回饋電容器並聯耦合。根據該方法之一進一步實施例，該方法可進一步包括使該另一回饋電容器與一共模電壓耦合以界定一重設狀態。根據該方法之一進一步實施例，第三電容器及第四電容器係提供用於取樣，且該方法可進一步包括：在該時鐘信號在一第一狀態下時切換該第一電容器及該第三電容器之第一端子以分別與該第一輸入及該第二輸入連接，同時使該第二電容器及該第四電容器之第一端子短路，及在該時鐘信號在一第二狀態下時切換該第二電容器及該第四電容器之第一端子以分別與該第二輸入及該第一輸入連接，同時使該第一電容器及該第三電容器之第一端子短路；在該相移時鐘信號在一第一狀態下時切換該第一電容器及該第四電容器之第二端子以連接至該差動放大器之第一輸入及切換該第二電容器及該第三電容器之第二端子以連接至該差動放大器之第二輸入，及在該相移時鐘信號在一第二狀態下時切換該第一電容器及該第四電容器之第二端子以連接至該差動放大器之第二輸入及切換該第二電容器及該第三電容器之第二端子以連接至該差動放大器之第一輸入。根據該方法之一進一步實施例，該第一電容器及該第三電容器之第一端子之切換可由下列各項執行：一第一開關，其耦合於該第一輸入與第一電容器之第一端子之間；及一第二開關，其耦合於該第二輸入與第三電容器之第一端子之間；該第二電容器及該第四電容器之短路係由一第三開關執行，該第三開關耦合於該第二電容器及該第四電容器之第一端子之間；該第二電容器及該第四電容器之第一端子之切換係由下列各項執行：一第四開關，其耦合於該第一輸入與第二電容器之第一端子之間；一第五開關，其耦合於該第二輸入與第四電容器之第一端子之間；及該第一電容器及該第三電容器之短路係由一第六開關執行，該第六開關耦合於該第一電容器及該第三電容器之第一端子之間。根據該方法之一進一步實施例，該第一開關、該第二開關及該第六開關可由該時鐘信號控制，且該第三開關、該第四開關及該第五開關係由一反相時鐘信號控制。根據該方法之一進一步實施例，切換該第一電容器及該第四電容器之第二端子可由下列各項執行：一第七開關，其耦合於該第一電容器及該第四電容器之第二端子與該差動放大器之第一輸入之間；及一第八開關，其耦合於該第一電容器及該第四電容器之第二端子與該差動放大器之第二輸入之間；及切換該第二電容器及該第三電容器之第二端子可由下列各項執行：一第九開關，其耦合於該第二電容器及該第三電容器之第二端子與該差動放大器之第一輸入之間；一第十開關，其耦合於該第二電容器及該第三電容器之第二端子與該差動放大器之第二輸入之間；其中該第七開關及該第九開關由該相移時鐘信號控制，且該第八開關及該第十開關由一反相相移信號控制。根據該方法之一進一步實施例，該方法可進一步包括：使該第一電容器、該第二電容器、該第三電容器及該第四電容器中之至少一者之第一端子與一共模電壓連接以界定一重設狀態。根據該方法之一進一步實施例，該共模電壓可係接地的。根據該方法之一進一步實施例，該差動放大器可包括回饋電容器及藉助一控制信號控制以使該等回饋電容器短路之並聯重設開關。根據該方法之一進一步實施例，該控制信號可具有兩倍於時鐘信號之頻率的頻率。根據該方法之一進一步實施例，可藉由該時鐘信號與該移位時鐘信號之一互斥或來產生該控制信號。根據該方法之一進一步實施例，該方法可進一步包括將至少一個可切換回饋網路並聯切換至一回饋電容器以控制該增益放大器之增益。根據該方法之一進一步實施例，該可切換回饋網路可包括第一耦合開關及第二耦合開關，其連接至另一回饋電容器且操作以使該另一電容器與一回饋電容器並聯耦合。根據該方法之一進一步實施例，該方法可進一步包括使該另一回饋電容器與一共模電壓耦合以界定一重設狀態。

根據再一實施例，一Σ-Δ類比轉數位轉換器可包括一增益放大器，該增益放大器包括：一差動放大器，其包括回饋電容器；一切換式輸入級，其具有與該差動放大器耦合之一第一輸出及第二輸出，且包括：一第一電容器、第二電容器、第三電容器及第四電容器，其中該第一電容器及該第二電容器形成其中該第一電容器及該第二電容器之第二端子連接之一第一組，且第三電容器及第四電容器形成其中該第三電容器及該第四電容器之第二端子連接之一第二組；一第一輸入，其接收一非反相輸入信號；一第二輸入，其接收一反相輸入信號；第一複數個開關，其由一第一時鐘信號控制以使該第一組電容器之第一端子分別與該第一輸入及該第二輸入連接，同時使該第二組電容器之第一端子短路，或使該第二組電容器之第一端子分別與該第一輸入及該第二輸入連接，同時使該第一組電容器之第一端子短路；及第二複數個開關，其由一移位時鐘信號控制以使該第一組電容器之第二端子與該差動放大器之一第一輸入連接，同時使該第二組電容器之第二端子與該差動放大器之第二輸入連接或使該第一組電容器之第二端子與該差動放大器之一第二輸入連接，同時使該第二組電容器之第二端子與該差動放大器之第一輸入連接。

根據各種實施例，輸入阻抗可基本上加倍或四倍，同時在一切換式電容增益放大器中保持相同輸入類雜訊。此可用於相依於輸入電容之大小而降低雜訊並保持相同輸入阻抗或保持相同雜訊並具有較大輸入阻抗。

為改良一增益放大器之輸入阻抗，需要在傳遞相同差動輸出電壓之同時減小輸入電流。根據各種實施例，可在傳遞相同輸出電壓之同時使相位Φ之輸入頻率可被除以2。

與一習用電路相比，藉由添加電容器與運算放大器之輸入之間的開關及Φ/PA切換之減小頻率來使輸入阻抗加倍。該阻抗之加倍係由在輸入處被減少一半之切換頻率造成。

根據各種實施例，可由於現在輸入處之所有傳遞皆具有C_IN*(VinP-VinM)而非2*C_IN*(VinP-VinM)之差動電荷差而藉由在輸入側上添加2個電容及進一步之開關來使輸入阻抗進一步加倍，因此與習用電路(如圖4中所展示)相比為四倍。於此處，輸入阻抗之加倍係由於連接至輸入之電容上之所有電荷傳遞皆在習用電路之電壓一半之間的事實。

圖1展示其中輸入阻抗加倍之一增益放大器之一第一實例。而且，經由一切換式電容器網路將一差動輸入信號VinP、VinM饋送至一差動放大器140。該切換式電容器網路包括兩個電容器110a、110b，其藉助於開關102、104、120及122在差動放大器140之輸入信號路徑中切換。電容器110a之一第一端子透過開關102a及104a與非反相或反相輸入信號VinP、VinM耦合。類似地，電容器110b之第一端子經由開關102b或104b與非反相或反相輸入信號VinP、VinM耦合。開關102a及102b由時鐘信號Φ控制，且開關104a及104b由反相時鐘信號#Φ控制。電容器110a之第二端子經由開關120a及122a與差動放大器140之非反相或反相輸入耦合。開關120b及122b針對電容器110b之第二端子執行相同功能。差動放大器140包括一差動輸出及在非反相及反相信號路徑中之一回饋電容器130a、130b。開關120a、120b由相位時鐘PA控制且開關122a、122b由反相相位時鐘信號#PA控制。相位時鐘信號PA通常與時鐘信號Φ一致但移位時鐘Φ之週期之1/4。根據各種實施例，與如圖4中所展示之其中存在自C_IN至運算放大器440之輸入之一直接連接之習用結構相比，開關120及122之添加為輸入阻抗引起2倍之一增益。除此之外，此等開關120及122在運算放大器140之輸入處引起一截斷演算法，在運算放大器140之輸出被平均時引起一偏移消除。

如圖2中所展示，控制開關120及122之相位時鐘信號PA與Φ相比移位時鐘週期，以便輸出可在0與C_IN/C_FB‧2(VinP-VinM)之間雙態切換。根據各種實施例，如圖2中進一步展示，類比輸出信號OP-OM可依一P1頻率(其係Φ或PA之兩倍快)雙態切換而不必依P1頻率切換輸入。實務上，在Φ(或#Φ)中間雙態切換PA等效於再次將C_IN*(VinP-VinM)電荷取樣至輸入電容器中。然而，以此方式對VinP-VinM取樣不消耗任何電荷(假設放大器輸入上零偏移)，乃因電容器上之電壓不改變。因此，在Φ中間切換PA會自輸入源保存取樣電荷。僅自輸入處消耗傳遞電荷(等於取樣電荷)。因此，使輸入上之電流消耗除以2，引起一加倍的輸入阻抗。

在圖2中，信號Φ、PA及P1係數位邏輯切換信號，而OP-OM係由上升斜率及下降斜率指示之一類比輸出信號。如可見，在輸入阻抗加倍之同時放大器輸出OP-OM仍在0與2C_IN/C_FB(VinP-VinM)之間雙態切換。在一完全時鐘循環Φ期間之有效平均差動輸入阻抗仍係：Z_INdiff=1/(2*f*C_IN)，其中f係Φ信號之時鐘頻率，其係符合邏輯的，乃因輸入切換電路尚未改變且開關120a、120b及122a、122b之添加並不改變輸入電容器110a、110b之第二端子之電壓(假設在放大器140之輸入處不存在偏移電壓)。然而，由於在運算放大器之輸出處之信號傳遞現在以兩倍於圖4之速率(Φ時鐘信號之每次雙態切換一次)發生，因此可將信號Φ之頻率除以2以保持與圖4相同的傳遞速率。因此，與標準切換相比，此切換演算法准許輸入阻抗之一加倍，其中僅添加4個開關及必要邏輯以產生相位PA及P1。

根據進一步實施例，移除開關150a/b導致亦組合偏移消除與改良之輸入阻抗之一積分器結構。此結構亦在每次Φ雙態切換時及因此以P1頻率在每一時鐘週期對2*C_IN/C_fb*(VinP-VinM)求積分。因此，熟習此項技術者將瞭解，各種實施例並不限於可程式化增益放大器，而是任何類型之切換式電容器電路。熟習此項技術者將注意到，針對快速積分器應用，PA可與Φ同步。然而，偏移消除將僅在於一完全時鐘週期Φ期間平均化該輸出之情況下出現。

圖3展示一增益放大器之一第二實施例，其中輸入阻抗與圖4之情形相比為四倍。替代如圖1中所展示之非反相及反相輸入路徑中之一單個電容器110a、110b，針對差動增益放大器之每一輸入路徑提供兩個電容器310a、312a及310b、312b。於此實施例中，電容器310a對應於電容器110a，且電容器310b對應於電容器110b。此外，開關302a、302b、320a、320b及322a、322b對應於開關102a、102b、120a、120b及122a及122b。

除圖1之情形外，亦提供一第三電容器312a，其第二端子與第一電容器310a之第二端子耦合。類似地，提供一第四電容器312b，其第二端子與電容器310b之第二端子耦合。電容器312a之第一端子經由開關304a與輸入VinM耦合，且電容器312b之第一端子經由開關304b與輸入VinP耦合。此外，提供開關306，其耦合電容器310a及310b之第一端子。為此，相對於輸入信號流將開關306配置於開關302a、302b之後。類似地，提供開關308以耦合電容器312a及312b之第一端子。此開關亦配置於開關304a、304b後面。

開關302a、302b及308由時鐘信號Φ控制，且開關304a、304b及306由反相時鐘信號#Φ控制。相位開關320a、320b及322a、322b之控制與圖1中所展示之電路一致。因此，圖2中所展示之信號亦適用於圖3。

另外，圖3展示另外的開關340a、340b及342a、342b，其可提供對所展示之各種實施例並非必不可少之額外功能。此等開關允許使電容器310a、310b及312a、312b之第一端子與一參考電位VCM(例如，接地)耦合。開關340a/b由#Φ控制。開關342a/b由Φ控制。此等開關亦可用於在電路開啟電源時將一已知電位放置於電容器之左側上以便在開始時不使此節點浮動。

圖3中亦展示分別對應於電容器130a、130b之回饋電容器330a、330b。如上文提及，開關350a、350b如圖1中之開關150a、150b起作用並為回饋電容器提供一放電路徑，此亦並非各種實施例所必不可少。此等開關亦准許在開啟電源時具有一固定電位。開關350a、350b由時鐘相位P1控制。而且，圖3展示額外回饋電容器360a、360b且關聯藉由虛線連接之開關370a、370b;372a、372b；及374a、b。多個此等電容器/開關組合可提供用於一可程式化增益放大器(PGA)之增益程式化功能。根據各種實施例，類似修改亦可適用於圖1中所展示之電路，即使此額外電路並未在圖1中展示。根據進一步實施例，移除開關350a/b導致亦組合偏移消除與改良之輸入阻抗之一積分器結構。此結構亦依P1頻率在每一時鐘週期對2*C_IN/C_fb*(VinP-VinM)求積分。因此，熟習此項技術者將瞭解，各種實施例並不限於可程式化增益放大器，而是包含諸如增益級、積分級、比較器級等諸多類型之切換式電容器電路。

藉助如圖3中所展示之結構，電容器310a及310b之第一端子分別連接至輸入VinP、VinM(在一啟用Φ期間)，或其藉助於開關306被一起短路(在一啟用#Φ期間)。類似地，電容器112a、112b之第一端子分別連接至輸入VinM、VinP(在啟用#Φ期間)或經由開關308被一起短路(在啟用Φ期間)。

310a及310b之輸入端子之間的差動電壓自相位#Φ中之0改變至相位Φ中之VinP-VinM，同時第二端子差動電壓總是零(連接至運算放大器320之輸入)。在啟用相位Φ時，相位#Φ與Φ之間的電容器310a、310b上之差動電荷改變則等於：

ΔQ_IN(310a,b)(#Φ,Φ)=C_IN*(VinP-VinM)。

312a及312b之輸入端子之間的差動電壓自相位#Φ中之VinM-VinP改變至相位Φ中之0，同時第二端子差動電壓總是零(連接至運算放大器320之輸入)。相同計算適用於電容器312a、312b：

ΔQ_IN(312a,b)(#Φ,Φ)=C_IN*(VinP-VinM)。

因此相位#Φ與Φ之間的總電荷改變等於：

ΔQ_INTotal(#Φ,Φ)=ΔQ_IN(310a,b)(#Φ,Φ)+ΔQ_IN(312a,b)(#Φ,Φ)=2*C_IN*(VinP-VinM)。

類似地，該計算適用於相位Φ與#Φ之間的改變，且該計算給出相反符號結果：

ΔQ_INTotal(Φ,#Φ)=ΔQ_IN(310a,b)(Φ,#Φ)+ΔQ_IN(312a,b)(Φ,#Φ)=2*C_IN*(VinM-VinP)。

於此處，所傳遞之總電荷等於圖1及圖4之情形。此展示輸出電壓與先前情形具有相同振幅，此係此演算法之目標。

針對輸入阻抗計算，圖3展示與圖1之情形相比之一改良。在每一相位期間，僅電容310a、310b之一半連接至輸入VinP且僅電容312a、312b之一半連接至輸入VinM。此等電容之另一半被一起短路且不消耗來自源之任何電流，乃因其並非實體連接至VinM或VinP。

則總差動輸入阻抗計算應僅計及自源消耗之電荷。在時鐘Φ之週期一半期間，在啟用Φ時，僅電容器310a、310b消耗來自輸入之電荷(因此在輸入阻抗之計算中僅儲存於此等電容器上之電荷係重要的)。類似地，在另一相位#Φ期間，僅電容器312a、312b消耗來自輸入之電荷。

Z_INdiff=2/f*所傳遞的輸出電壓/(ΔQ_IN(310a,b)(#Φ,Φ))+2/f*所傳遞的輸出電壓/(ΔQ_IN(312a,b)(Φ,#Φ))=2/(f*C_IN，其中f係相位Φ之頻率。此藉由計算而展示輸入阻抗之一加倍，同時與圖1之情形相比在運算放大器之輸出處呈現相同量之電壓。

根據各種實施例，藉助此技術，輸入阻抗可係加倍或四倍，此有效地使輸入電流減少到一半或四分之一，同時輸入電壓保持相同，具有極少額外負擔且同時保持相同信雜比效用。額外可選之重設開關340a、340b及342a、342b可經控制以將電容器連接至一共模電壓，以便在無儲存於電容器上之電荷之情況下正確地啟動。相位開關320a、320b及322a、322b之控制與圖1中所展示之電路中相同。如上文提及，開關120a/b及122 a/b或320a/b及322 a/b亦在運算放大器120/320之輸入處引起一截斷演算法，且因此在於整數數目個Φ時鐘循環期間隨時間平均化該等輸出之情況下導致一偏移消除。

進一步應注意，在所有上述說明中，僅闡述主要切換原理(時序)。因此，可藉由在開關之間使用非重疊延遲規則來進一步強化此原理。可在不背離申請專利範圍之範疇之情況下執行其他修改。熟習此項技術者將注意到，亦可透過一可程式化C_IN電容器在輸入區段中達成多個增益，或具有在輸入處並聯連接之數個輸入區段並作為所期望增益之一函數來激活或停用。然而，輸入阻抗將取決於所選增益。在需要一大增益範圍時，可程式化C_IN及C_fb值兩者。

100．．．增益放大器

102a．．．開關

102b．．．開關

104a．．．開關

104b．．．開關

110a．．．電容器

110b．．．電容器

120a．．．開關

120b．．．開關

122a．．．開關

122b．．．開關

130a．．．回饋電容器

130b．．．回饋電容器

140．．．差動放大器

150a．．．開關

150b．．．開關

300．．．增益放大器

302a．．．開關

302b．．．開關

304a．．．開關

304b．．．開關

306．．．開關

308．．．開關

310a．．．電容器

310b．．．電容器

312a．．．電容器

312b．．．電容器

320．．．運算放大器

320a．．．開關

320b．．．開關

322a．．．開關

322b．．．開關

330a．．．回饋電容器

330b．．．回饋電容器

340a．．．開關

340b．．．開關

342a．．．開關

342b．．．開關

350a．．．開關

350b．．．開關

360a．．．回饋電容器

360b．．．回饋電容器

370a．．．開關

370b．．．開關

372a．．．開關

372b．．．開關

374a．．．開關

374b．．．開關

400．．．增益放大器

402a．．．開關

402b．．．開關

404a．．．開關

404b．．．開關

410a．．．電容器

410b．．．電容器

430a．．．回饋電容器

430b．．．回饋電容器

440．．．差動放大器

450a．．．開關

450b．．．開關

OP-OM．．．類比放大器輸出信號

VinP．．．差動輸入信號

VinM．．．差動輸入信號

Φ．．．時鐘信號

#Φ．．．反相時鐘信號

圖1展示一改良之增益放大器之一第一實施例。

圖2展示與第一實施例相關聯之一切換方案。

圖3展示一改良之增益放大器之一第二實施例。

圖4展示一增益放大器之一習用實施方案。

圖5展示與圖4中所展示之習用實施方案相關聯之一切換方案。

100．．．增益放大器

102a．．．開關

102b．．．開關

104a．．．開關

104b．．．開關

110a．．．電容器

110b．．．電容器

120a．．．開關

120b．．．開關

122a．．．開關

122b．．．開關

130a．．．回饋電容器

130b．．．回饋電容器

140．．．差動放大器

150a．．．開關

150b．．．開關

OP-OM．．．類比放大器輸出信號

VinM．．．差動輸入信號

VinP．．．差動輸入信號

Φ．．．時鐘信號

Claims (37)

1. 一種增益放大器，其包括：一差動放大器，其包括第一及第二回饋電容器及並聯耦合至該第一及第二回饋電容器之開關，其中該等開關係由一控制信號所控制，該控制信號係在兩倍於一時鐘信號及一相移時鐘信號之頻率的頻率間雙態切換；一切換式輸入級，其具有與該差動放大器耦合之一第一輸出及第二輸出，該切換式輸入級包括：第一電容器及第二電容器，一第一輸入，其接收一差動輸入信號之一第一信號；一第二輸入，其接收該差動輸入信號之一第二信號；第一複數個開關，其由該時鐘信號控制以使該第一電容器之一第一端子分別與該第一輸入或該第二輸入連接，及使該等第二電容器之該第一端子分別與該第二輸入及該第一輸入連接；及第二複數個開關，其由該相移時鐘信號控制以使該第一電容器之第二端子與該差動放大器之一第一輸入或第二輸入連接，及使該第二電容器之第二端子與該差動放大器之該第二輸入或該第一輸入連接。
2. 如請求項1之增益放大器，其中該相移信號係移位¼週期之時鐘信號。
3. 如請求項1之增益放大器，其中該第一複數個開關包 括：一第一開關，其耦合於該第一輸入與該第一電容器之該第一端子之間；一第二開關，其耦合於該第二輸入與該第一電容器之該第一端子之間；一第三開關，其耦合於該第一輸入與該第二電容器之該第一端子之間；一第四開關，其耦合於該第二輸入與該第二電容器之該第一端子之間；其中該第一開關及該第三開關係由該時鐘信號控制且該第二開關及該第四開關係由一反相時鐘信號控制。
4. 如請求項3之增益放大器，其中該第二複數個開關包括：一第五開關，其耦合於該第一電容器之該第二端子與該差動放大器之該第一輸入之間；一第六開關，其耦合於該第二電容器之該第二端子與該差動放大器之該第一輸入之間；一第七開關，其耦合於該第一電容器之該第二端子與該差動放大器之該第二輸入之間；一第八開關，其耦合於該第二電容器之該第二端子與該差動放大器之該第二輸入之間；其中該第五開關及該第八開關係由該相移時鐘信號控制且該第六開關及該第七開關係由一反相相移信號控制。
5. 如請求項1之增益放大器，其中該差動放大器藉助於一第一回饋電容器及第二回饋電容器來對該輸入信號求積分。
6. 如請求項1之增益放大器，其中該控制信號係由與該時鐘信號及該移位時鐘信號耦合之一互斥或閘產生。
7. 如請求項1之增益放大器，其進一步包括每一回饋環路中之至少一個可切換回饋網路，其可並聯切換至該回饋電容器以控制該增益放大器之增益。
8. 如請求項7之增益放大器，其中該可切換回饋網路包括第一耦合開關及第二耦合開關，其連接至一另一回饋電容器且可操作以並聯耦合該另一電容器與一回饋電容器。
9. 如請求項8之增益放大器，其中該可切換回饋網路包括一重設開關，其耦合該另一回饋電容器與一共模電壓。
10. 如請求項8之增益放大器，其中該第一電容器及該第三電容器之該等第一端子之該切換係由下列項執行一第一開關，其耦合於該第一輸入與該第一電容器之該第一端子之間；及一第二開關，其耦合於該第二輸入與該第三電容器之該第一端子之間；該第二電容器及該第四電容器之該短路係由下列項執行一第三開關，其耦合於該第二電容器及該第四電容器之該等第一端子之間；該第二電容器及該第四電容器之該等第一端子之該切 換係由下列項執行一第四開關，其耦合於該第一輸入與該第二電容器之該第一端子之間；一第五開關，其耦合於該第二輸入與該第四電容器之該第一端子之間；且該第一電容器及該第三電容器之該短路係由下列項執行一第六開關，其耦合於該第一電容器及該第三電容器之該等第一端子之間。
11. 如請求項10之增益放大器，其中該第一、第二及第六開關係由該時鐘信號控制且該第三、第四及第五開關係由一反相時鐘信號控制。
12. 如請求項10之增益放大器，其中切換該第一電容器及該第四電容器之該等第二端子係由下列項執行一第七開關，其耦合於該第一電容器及該第四電容器之該第二端子與該差動放大器之該第一輸入之間；及一第八開關，其耦合於該第一電容器及該第四電容器之該第二端子與該差動放大器之該第二輸入之間；且該切換該第二電容器及該第三電容器之該等第二端子係由下列項執行一第九開關，其耦合於該第二電容器及該第三電容器之該第二端子與該差動放大器之該第一輸入之間；一第十開關，其耦合於該第二電容器及該第三電容器之該第二端子與該差動放大器之該第二輸入之間； 其中該第七開關及該第九開關係由該相移時鐘信號控制且該第八開關及該第十開關係由一反相相移信號控制。
13. 如請求項1之增益放大器，其進一步包括：一第三電容器及第四電容器；其中該第一複數個開關係由該第一時鐘信號控制以使該第一電容器及該第三電容器之該等第一端子分別與該第一輸入及該第二輸入連接，同時使該第二電容器及該第四電容器之該等第一端子短路，或使該第二電容器及該第四電容器之該等第一端子分別與該第一輸入及該第二輸入連接，同時使該第一電容器及該第三電容器之該等第一端子短路；且其中該第二複數個開關係由該相移時鐘信號控制以使該第一電容器及該第三電容器之該等第二端子與該差動放大器之一第一輸入連接，同時使該第二電容器及該第四電容器之該等第二端子與該差動放大器之該第二輸入連接，或使該第一電容器及該第三電容器之該等第二端子與該差動放大器之一第二輸入連接，同時使該第二電容器及該第四電容器之該等第二端子與該差動放大器之該第一輸入連接。
14. 如請求項13之增益放大器，其中該第一複數個開關包括：一第一開關，其耦合於該第一輸入與該第一電容器之該第一端子之間； 一第二開關，其耦合於該第二輸入與該第三電容器之該第一端子之間；一第三開關，其耦合於該第一電容器及該第三電容器之該等第一端子之間；一第四開關，其耦合於該第一輸入與該第四電容器之該第一端子之間；一第五開關，其耦合於該第二輸入與該第二電容器之該第一端子之間；一第六開關，其耦合於該第二電容器及該第四電容器之該等第一端子之間；其中該第一開關、該第二開關及該第六開關係由該時鐘信號控制且該第三開關、該第四開關及該第五開關係由一反相時鐘信號控制。
15. 如請求項14之增益放大器，其中該第二複數個開關包括：一第七開關，其耦合於該第一電容器及該第三電容器之該第二端子與該差動放大器之該第一輸入之間；一第八開關，其耦合於該第二電容器及該第四電容器之該第二端子與該差動放大器之該第一輸入之間；一第九開關，其耦合於該第一電容器及該第三電容器之該第二端子與該差動放大器之該第二輸入之間；一第十開關，其耦合於該第二電容器及該第四電容器之該第二端子與該差動放大器之該第二輸入之間；其中該第七開關及該第十開關係由該相移時鐘信號控 制且該第八開關及該第九開關係由一反相相移信號控制。
16. 如請求項13之增益放大器，其進一步包括一第三輸入，其接收一共模電壓，及第三複數個開關，其可操作以使該第一電容器、該第二電容器、該第三電容器及該第四電容器之該等第一端子個別地與該共模電壓連接。
17. 如請求項13之增益放大器，其中該共模電壓係接地的。
18. 如請求項1之增益放大器，其進一步包括第一重設開關及第二重設開關，其並聯耦合至一第一回饋電容器及第二回饋電容器。
19. 如請求項18之增益放大器，其進一步包括每一回饋環路中之至少一個可切換回饋網路，其可並聯切換至該回饋電容器以控制該增益放大器之增益。
20. 如請求項19之增益放大器，其中該可切換回饋網路包括第一耦合開關及第二耦合開關，其連接至一另一回饋電容器且可操作以並聯耦合該另一電容器與一回饋電容器。
21. 如請求項20之增益放大器，其中該可切換回饋網路包括一重設開關，其耦合該另一回饋電容器與一共模電壓。
22. 一種用於藉助包括回饋電容器之一差動放大器來操作一增益放大器之方法，其包括：相依於一時鐘信號來切換一第一電容器之一第一端子以與一第一輸入或第二輸入連接及切換一第二電容器之一第一端子以與一第二輸入或第一輸入連接； 根據一相移時鐘信號來切換該第一電容器及該第二電容器之該等第二端子以連接至該差動放大器之一第一輸入或第二輸入，其中該相移信號係移位該時鐘信號之¼週期之時鐘信號，其中該差動放大器包括回饋電容器且經控制以對該等輸入信號求積分；及將至少一個可切換回饋網路並聯切換至該回饋電容器以控制該增益放大器之增益，其中該可切換回饋網路包括第一耦合開關及第二耦合開關，其連接至一另一回饋電容器且可操作以並聯耦合該另一電容器與一回饋電容器。
23. 如請求項22之方法，其中耦合該另一回饋電容器與一共模電壓以界定一重設狀態。
24. 如請求項22之方法，其進一步包括使該第一電容器、該第二電容器中之至少一者之該等第一端子與一共模電壓連接以界定一重設狀態。
25. 如請求項24之方法，其中該共模電壓係接地的。
26. 一種用於藉助包括回饋電容器之一差動放大器來操作一增益放大器之方法，其包括：相依於一時鐘信號來切換一第一電容器之一第一端子以與一第一輸入或第二輸入連接及切換一第二電容器之一第一端子以與一第二輸入或第一輸入連接；及根據一相移時鐘信號來切換該第一電容器及該第二電容器之該等第二端子以連接至該差動放大器之一第一輸入或第二輸入，其中該相移信號係移位該時鐘信號之¼ 週期之時鐘信號，其中該差動放大器包括回饋電容器及藉助一控制信號控制以使該等回饋電容器短路之並聯重設開關且其中該控制信號具有兩倍於該時鐘信號之頻率的頻率。
27. 如請求項26之方法，其中藉由該時鐘信號與該移位時鐘信號之一互斥或來產生該控制信號。
28. 一種用於藉助包括回饋電容器之一差動放大器來操作一增益放大器之方法，其包括：相依於一時鐘信號來切換一第一電容器之一第一端子以與一第一輸入或第二輸入連接及切換一第二電容器之一第一端子以與一第二輸入或第一輸入連接；及根據一相移時鐘信號來切換該第一電容器及該第二電容器之該等第二端子以連接至該差動放大器之一第一輸入或第二輸入，其中該相移信號係移位該時鐘信號之¼週期之時鐘信號，其中提供第三電容器及第四電容器用於取樣，該方法進一步包括：在該時鐘信號在一第一狀態下時切換該第一電容器及該第三電容器之第一端子以分別與該第一輸入及該第二輸入連接，同時使該第二電容器及該第四電容器之第一端子短路，及在該時鐘信號在一第二狀態下時切換該第二電容器及該第四電容器之第一端子以分別與該第二輸入及該第一輸入連接，同時使該第一電容器及該第三電容器之第一端子短路；在該相移時鐘信號在一第一狀態下時切換該第一電容 器及該第四電容器之該第二端子以連接至該差動放大器之該第一輸入且切換該第二電容器及該第三電容器之該第二端子以連接至該差動放大器之該第二輸入，及在該相移時鐘信號在一第二狀態下時切換該第一電容器及該第四電容器之該第二端子以連接至該差動放大器之該第二輸入且切換該第二電容器及該第三電容器之該第二端子以連接至該差動放大器之該第一輸入。
29. 如請求項28之方法，其進一步包括使該第一電容器、該第二電容器、該第三電容器及該第四電容器中之至少一者之該等第一端子與一共模電壓連接以界定一重設狀態。
30. 如請求項29之方法，其中該共模電壓係接地的。
31. 如請求項28之方法，其中該差動放大器包括回饋電容器及藉助一控制信號控制以使該等回饋電容器短路之並聯重設開關。
32. 如請求項31之方法，其中該控制信號具有兩倍於該時鐘信號之頻率的頻率。
33. 如請求項32之方法，其中藉由該時鐘信號與該移位時鐘信號之一互斥或來產生該控制信號。
34. 如請求項28之方法，其進一步包括將至少一個可切換回饋網路並聯切換至一回饋電容器以控制該增益放大器之增益。
35. 如請求項34之方法，其中該可切換回饋網路包括第一耦合開關及第二耦合開關，其連接至一另一回饋電容器且 可操作以並聯耦合該另一電容器與一回饋電容器。
36. 如請求項35之方法，其進一步包括耦合該另一回饋電容器與一共模電壓以界定一重設狀態。
37. 一種Σ-△類比轉數位(analog-to-digital)轉換器，其包括一增益放大器，其包括：一差動放大器，其包括回饋電容器；一切換式輸入級，其具有與該差動放大器耦合之一第一輸出及第二輸出，該切換式輸入級包括：一第一電容器、第二電容器、第三電容器及第四電容器，其中該第一電容器及該第二電容器形成其中該第一電容器及該第二電容器之第二端子連接之一第一組，且第三電容器及第四電容器形成其中該第三電容器及該第四電容器之第二端子連接之一第二組；一第一輸入，其接收一非反相輸入信號；一第二輸入，其接收一反相輸入信號；第一複數個開關，其由一第一時鐘信號控制以使該第一組之該等電容器之該等第一端子分別與該第一輸入及該第二輸入連接，同時使該第二組之該等電容器之該等第一端子短路，或使該第二組之該等電容器之該等第一端子分別與該第一輸入及該第二輸入連接，同時使該第一組之該等電容器之該等第一端子短路；及第二複數個開關，其由一相移時鐘信號控制以使 該第一組之該等電容器之該等第二端子與該差動放大器之一第一輸入連接，同時使該第二組之該等電容器之該等第二端子與該差動放大器之該第二輸入連接，或使該第一組之該等電容器之該等第二端子與該差動放大器之一第二輸入連接，同時使該第二組之該等電容器之該等第二端子與該差動放大器之該第一輸入連接。