具有低輸入泄漏的自動調零放大器的制造方法
【專利摘要】一種裝置，包括：放大器(340)，其具有反相輸入端和非反相輸入端；電容器(350)，其耦合于放大器的反相輸入端；輸入電壓輸送控制電路(309)，其具有第一開關(310)和第二開關(315)，第一開關耦合于電容器，并且第二開關耦合于放大器的非反相輸入端；參考電壓輸送控制電路(318)，其具有第三開關(333)和第四開關(335)，其中共用節點(331)耦合于第三開關和第四開關之間，第四開關耦合于放大器的非反相輸入端；第五開關(370)，其耦合于放大器的輸出端；泄漏控制電路(399)，其具有第六開關(395)和第七開關(397)，第六開關耦合于反相放大器輸入端和第五開關之間，第七開關耦合于第六開關和電容器；以及第一電阻器，反饋電阻器(360)從放大器的輸出端耦合到第一開關。
【專利說明】具有低輸入泄漏的自動調零放大器
【技術領域】
[0001]本發明一般涉及自動調零放大器，并且更具體地，涉及具有至偏移保持電容器的低泄漏的自動調零放大器。
【背景技術】
[0002]圖1示出現有技術的自動調零放大器100。一般地，自動調零放大器常用于減小放大器的電壓偏移。
[0003]在自動調零放大器100中，V輸入(Vin) 105耦合于開關S2 115。開關S2 115耦合于節點119，其依次耦合于自動調零放大器(“A0”)140的非反相輸入端。放大器AO 140的(Vout) 180通過節點181耦合于開關S5 170。開關S5 170通過節點151耦合到放大器AO 140的反相輸入端。
[0004]節點181也耦合于電阻器Rl 160。電阻器Rl 160耦合于節點111，并且節點111耦合于開關SI 110和電阻器R2 120。開關SI 110耦合于節點117。電阻器R2 120耦合于節點121，并且從節點121耦合于地122。節點121也耦合于電壓源130的負端，其中電壓源130的正端耦合于節點131。節點131依次耦合于開關S3 133，并且也耦合于開關S4135。開關S3 133通過節點117耦合于開關SI 110，并且開關S4 135在節點119處耦合于開關S2 115，其依次稱合于放大器AO 140的非反相輸入端。電容器AZ 150稱合于節點117和節點151之間。
[0005]自動調零放大器100可如下工作:
[0006]在階段I期間(“Fl”)，S卩“自動調零”配置，自動調零放大器100處于“自動偏移”的配置，并且放大器AO 140的偏移量通過電容器AZ 150被積分。
[0007]在“自動調零”配置的階段2期間(“F2”)，S卩“保持”配置，由于開關SI 110閉合，因此電容器AZ 150通過Rl 160是電連接的反饋。當開關S2 115閉合，Vin 105連接于放大器AO 140的非反相輸入端。因此,放大器AO 140的反相輸入端與非反相輸入端之間的偏移量通過電容器AZ 150被積分。因此，相比于非偏移補償的放大器，信號Vin以更高的精確度被放大。
[0008]然而，該自動調零放大器100存在缺點。在自動調零放大器100中，在“F2”期間，存在泄漏電流通過開關S5 170，電容器AZ 150上有泄漏電流，因此改變其電壓，從而有效地改變放大器100的偏移量。當S5 170在“F2”期間斷開時，其兩端的電壓等于Vin 105和Vout 180之間的差，并且能夠相當大，導致大的泄漏電流通過開關S5 170。換言之，該放大器操作為“F2”期間的放大器；然而，由這個相當大的電壓而導致的通過開關S5 170的泄漏是在自動調零時間段“F1 ”的情況之間的限制操作時間。
[0009]圖2示出現有技術的采用/長保持系統。Vin 205耦合于開關SO 210。開關SO210耦合于節點212。開關SI 215也耦合于節點212。開關S2 220也耦合于節點212，作為其體二極管。開關SI 215耦合于節點217，并且節點217耦合于放大器AO 230的反相輸入端。節點217也耦合于放大器AO 230的Vout 235。開關S2 220耦合于節點222。節點222耦合于電容器CO 225和放大器A0230的非反相輸入端。電容器CO 225還耦合于地227。
[0010]采樣/長保持系統200可如下工作:
[0011]在“F0”階段期間，即“采樣”配置，開關210和220閉合，其將電壓Vin 205輸送至電容器CO 225和放大器AO 230的非反相輸入端。由于輸出端235被短路到反相輸入端217，所以放大器AO 230是單位增益放大器。
[0012]在“保持”階段“F0非”期間，開關215關閉，而開關SO 210和S2 220斷開。開關220兩端的電壓降等于放大器AO的電壓偏移量(幾毫伏)，因此確保小的泄漏通過該開關并長的保持時間。然而，這是采樣/保持電路，并且不可以直接用于圖1的自動調零放大器。
[0013]該采樣和保持電路避免圖1的晶體管泄漏問題，因為它不是自動校正電路，然而，因此它不自動校正。
[0014]因此，將圖1的自動調零補償與圖2的采樣和保持組合，以解決至少一些使用現有技術的顧慮，這是有利的。
【發明內容】
[0015]本發明的第一方面提供一種裝置，其包括:放大器，其具有反相輸入端和非反相輸入端；電容器，其稱合于放大器的反相輸入端；輸入電壓輸送控制電路，其具有第一開關和第二開關，第一開關稱合于電容器，并且第二開關稱合于放大器的非反相輸入端；參考電壓輸送控制電路，其具有第三開關和第四開關，其中一個共用節點耦合于第三開關和第四開關之間，第四開關耦合于放大器的非反相輸入端；第五開關，其耦合于放大器的輸出端；泄漏控制電路，其具有第六開關和第七開關，第六開關耦合于反相放大器輸入端和第五開關之間，第七開關耦合于第六開關和電容器；以及第一電阻器，其從放大器的輸出端耦合到第一開關。
[0016]本發明的第二方面提供一種包括具有反相輸入端和非反相輸入端的自動調零放大器系統的系統，該系統包括:電容器，其耦合于自動調零放大器的反相輸入端；輸入電壓輸送控制電路，其具有第一開關和第二開關，第一開關耦合于電容器，并且第二開關耦合于自動調零放大器的非反相輸入端；參考電壓輸送控制電路，其具有第三開關和第四開關，其中一個共用節點耦合于第三開關和第四開關之間，第四開關耦合于放大器的非反相輸入端；第五開關，其耦合于自動調零放大器的輸出端；泄漏控制電路，其包括第六開關和第七開關，第六開關耦合于反相自動調零放大器和第五開關之間，第七開關耦合于第六開關和電容器；第一電阻器，其從自動調零放大器的輸出端耦合到第一開關；第二電阻器，其從第一電阻器耦合到地；以及電壓源，其耦合于地和參考電壓輸送控制電路之間，其中，參考電壓輸送控制電路的共用節點還耦合于參考電壓的正輸出端。
[0017]本發明的第三方面提供一種包括具有反相輸入端、非反相輸入端和共模電壓輸入端的自動調零差分放大器的系統；該系統包括:高側自動調零電容器，其耦合于自動調零放大器的反相輸入端；低側自動調零電容器，其耦合于自動調零放大器的反相輸入端；高側輸入電壓輸送控制電路，其具有高側第一開關和高側第二開關，高側第一開關耦合于高側電容器，并且高側第二開關稱合于放大器的非反相輸入端；低側輸入電壓輸送控制電路，其具有低側第一開關和低側第二開關，低側第一開關耦合于低側電容器，并且低側第二開關率禹合于放大器的非反相輸入端；聞側參考電壓輸送控制電路，其具有聞側第二開關和聞側第四開關，其中一個共用節點耦合于高側第三開關和高側第四開關之間，高側第四開關率禹合于放大器的反相輸入端；低側參考電壓輸送控制電路，其具有低側第三開關和低側第四開關，其中一個共用節點耦合于低側第三開關和低側第四開關之間，第四開關耦合于放大器的非反相輸入端；高側第五開關，其稱合于放大器的正輸出端；低側第五開關，其I禹合于放大器的負輸出端；高側泄漏控制電路，其具有高側第六開關和高側第七開關，高側第六開關耦合于反相放大器輸入端和高側第五開關之間，高側第七開關耦合于第六開關和高側電容器；以及低側泄漏控制電路，其具有低側第六開關和低側第七開關，低側第六開關耦合于反相放大器輸入端和低側第五開關之間，低側第七開關耦合于低側第六開關和低側電容器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1示出現有技術的自動調零放大器100 ；
[0019]圖2示出現有技術的采樣和保持放大器200 ；
[0020]圖3示出根據本發明的原理構造的具有低泄漏電流300的自動調零放大器；以及
[0021]圖4示出根據本發明的原理構造的具有低泄漏電流400的差分自動調零放大器。
【具體實施方式】
[0022]轉到圖3，其示出根據本申請的原理構造的具有低泄漏電流300的自動調零放大器的一方面。
[0023]一般地，在自動調零放大器300中，如下面將要討論的，泄漏控制電路399的開關
S7397兩端的電壓是在泄漏控制電路399的耦合開關S6 395在反相階段“F2”、“F1”中啟用和停用的，從而將開關S6 395兩端的電壓限制為電容器AZ 350兩端的電壓，從而大幅度地降低開關S6 395在斷開時兩端的最大電壓。在“F0”階段期間大幅度地降低開關S6 395在斷開時兩端的最大電壓，從而大幅度地減小至電容器AZ 350的泄漏電流，從而大幅度地增大H)運轉時間的運轉參數。
[0024]相比于現有技術的放大器100和200，自動調零放大器300，即帶隙放大器，允許“F0”的時長顯著增加，其從10微秒到10毫秒。
[0025]在自動調零放大器300中，Vin 305耦合于開關S2 315。開關S2 315耦合于節點319，其依次耦合于自動調零放大器340的非反相輸入端。自動調零放大器380的Vout 380通過節點381耦合于開關S5 370。開關S5 370耦合于泄漏控制電路399。自動調零放大器300的各個開關可以是，例如，PMOS開關。
[0026]泄漏控制電路399包括節點358，其耦合于開關S5 370。節點358還耦合于泄漏控制電路399內的開關S7 397。開關S7 397耦合于節點317。同樣在泄漏控制電路399內的開關S6 395耦合于節點356。節點317和356耦合于電容器AZ 350，其用于在H)期間對放大器300的偏移量進行積分。
[0027]節點381還耦合于反饋電阻器Rl 360。反饋電阻器Rl 360耦合于節點311，節點311耦合于輸入電壓輸送控制電路309的開關SI 310和電阻器R2 320。開關SI 310耦合于節點317。電阻器R2 320耦合于節點321，并且從節點321耦合到地322。節點321還耦合于電壓源330的負端，其中電壓源330的正端耦合于參考電壓控制電路318的節點331。節點331依次耦合于開關S3 333，并且還耦合于開關S4 335，同樣是在參考電壓控制電路318中。開關S 333耦合于節點317，并且開關S4 335耦合于節點319。
[0028]—般地，電容器AZ 350兩端的電壓基本上等于放大器AO的偏移量。因此,開關S6395兩端的電壓也基本上等于AZ的偏移量，從而減少通過開關S6 395的泄漏，并因此大幅度地增加自動調零時期之間的保持時間。偏移量可以為0-5mV。
[0029]自動調零放大器300可如下工作:
[0030]在階段I ( “F1”)期間，自動調零放大器300處于“自動調零”的配置，并且放大器AO 340的偏移量被電容器AZ 150積分。開關S3 333和S4 335閉合，并因此分別輸送參考電壓330至節點317和319。放大器AO 340的偏移量被電容器AZ 350積分。開關S5 370和開關S6 395閉合，從而使輸出端Vout 380的值反相為基本上單位增益的單一反饋。
[0031]在階段2( “F2”)期間，即“低泄漏保持階段”配置，由于開關S2 315閉合，因此電容器AZ 350與反相輸入端串聯連接，而由于開關S2 315閉合，因此Vin 305連接于放大器AO 340的非反相輸入端。放大器AO 340的反相和非反相輸入端之間的偏移量因此被電容器AZ 350積分。
[0032]另外，在自動調零放大器300中，在“F2”期間，即“低泄漏保持階段”配置，開關S7397也閉合。由于開關S7 397在“F2”期間閉合，因此在“F2”期間，閉合的開關S7 397兩端的電壓與電容器AZ 350和斷開的開關S6 395并行耦合，因此對斷開的開關S6 395施加一個低電壓上限限制。因此，在“F2”期間，一般僅幾毫伏或微伏的電壓被施加在開關S6 395兩端，與現有技術的自動調零放大器100的開關相反，其中開關兩端的差為放大器AO 140的輸出端與放大器AO 140的反相輸入端節點之間的差,相比于現有技術的S6 170(同樣在“F2”階段期間斷開)兩端的電壓，從而顯著降低了斷開的開關S6 395兩端的電壓。
[0033]這樣反而允許至電容器AZ 350的顯著降低的泄漏電流，從而增加使用時間。有利地，限制該電路中開關S6 370在斷開時的兩端的電壓變化以限制其泄漏電流，從而改進自動調零放大器300的功能。
[0034]圖4示出差分自動調零放大器400。自動調零放大器400與自動調零放大器300具有類似的構造和運行原理，除了自動調零放大器300是單端放大器，而自動調零放大器400是差分放大器。如圖所示，負差分側403反映出正差分側401。正差分側401的“F1”和“F2”階段可類似負差分側403進行應用。
[0035]在階段“F1”期間，即差分自動調零放大器400的“差分自動調零”配置，電容器AZ450,451通過差分電壓參考輸送電路414的第三高側開關S3 415和第三低側開關418電連接于輸入共模電壓或地或參考(VCM)和放大器AO 440 out+以及放大器AO 440 out-之間。在自動調零放大器400中，輸送的參考電壓是共模電壓。放大器AO 440的反相和非反相輸入端的偏移量在電容器AZ 450、451和C2+、C2-之間積分。小的芯片區域可具有幾pF值。
[0036]在“F2”階段期間，即差分自動調零放大器400的“差分保持”配置，上側泄漏控制電路499的斷開開關S6+495兩端的電壓并行短路，從而限制在這些斷開開關S6+495和S6-兩端的電壓，對于有源階段，從而降低至電容器AZ+450和電容器AZ-451的泄漏電流。開關根據階段被示為閉合/斷開。
[0037]本申請所涉及的本領域的技術人員應當理解，在要求保護的本發明的范圍之內，許多其它實施例和變體是可能的。
【權利要求】
1.一種裝置，其包括: 放大器，其具有反相輸入端和非反相輸入端； 電容器，其耦合于所述放大器的所述反相輸入端； 輸入電壓輸送控制電路，其具有第一開關和第二開關，所述第一開關耦合于所述電容器，并且所述第二開關耦合于所述放大器的所述非反相輸入端； 參考電壓輸送控制電路，其具有第三開關和第四開關，其中一個共用節點耦合于所述第三開關和所述第四開關之間，所述第四開關耦合于所述放大器的所述非反相輸入端； 第五開關，其耦合于所述放大器的輸出端； 泄漏控制電路，其具有第六開關和第七開關，所述第六開關耦合于所述反相放大器輸入端和所述第五開關之間，所述第七開關耦合于所述第六開關和所述電容器；和 第一電阻器，其從所述放大器的所述輸出端耦合到所述第一開關，其中所述第一電阻器是反饋電阻器。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述輸入電壓輸送控制電路的所述共用節點還耦合于參考電壓的正輸出端。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中所述第六開關是PMOS開關。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中所述第六開關在斷開時具有基本上等于所述電容器和所述第七開關的所述閉合開關電壓之和的電壓。
5.根據權利要求4所述的裝置，其中所述電容器的兩端的電壓使得與所述第六開關斷開時的所述第六開關兩端的所述電壓成比例的電流流入所述電容器中，其中所述電壓基本上等于所述電容器的電壓與所述第七開關的所述閉合開關電壓總和。
6.根據權利要求1所述的裝置，還包括，其中所述輸入電壓輸送控制電路的所述第一和第二開關與所述參考電壓輸送控制電路的所述第三和第四開關處于相反的邏輯狀態，并且其中所述泄漏控制電路的所述第六開關與所述參考電壓輸送控制電路處于相同的邏輯狀態，并且所述泄漏控制電路的所述第七開關與所述輸入電壓輸送控制電路處于相同的邏輯狀態。
7.根據權利要求1所述的裝置，還包括耦合于所述第一電阻器的第二電阻器，所述第二電阻器還耦合于地。
8.一種包括具有反相輸入端和非反相輸入端的自動調零放大器系統的系統，所述系統包括: 電容器，其耦合于所述自動調零放大器的所述反相輸入端； 輸入電壓輸送控制電路，其具有第一開關和第二開關，所述第一開關耦合于所述電容器，并且所述第二開關耦合于所述自動調零放大器的所述非反相輸入端； 參考電壓輸送控制電路，其具有第三開關和第四開關，其中一個共用節點耦合于所述第三開關和所述第四開關之間，所述第四開關耦合于所述放大器的所述非反相輸入端； 第五開關，其耦合于所述自動調零放大器的輸出端； 泄漏控制電路，其包括第六開關和第七開關，所述第六開關耦合于所述反相自動調零放大器和所述第五開關之間，所述第七開關耦合于所述第六開關和所述電容器； 第一電阻器，其從所述自動調零放大器的所述輸出端耦合到所述第一開關，其中所述第一電阻器是反饋電阻器； 第二電阻器，其從所述第一電阻器耦合到地；和 電壓源，其耦合于所述地和所述參考電壓輸送控制電路之間； 其中，所述參考電壓輸送控制電路的共用節點還耦合于所述參考電壓的正輸出端。
9.根據權利要求8所述的系統，還包括，其中所述第三、第四、第五和第六開關同時處于閉合狀態，并且所述第一、第二和第七開關在那個同時處于斷開狀態。
10.根據權利要求8所述的系統，還包括，其中所述第三、第四、第五和第六開關同時斷開，并且所述第一、第二和第七開關在那個同時處于斷開狀態。
11.根據權利要求8所述的自動調零放大器，其中所述第六開關是PMOS開關。
12.根據權利要求8所述的系統，其中所述第六開關在斷開時具有基本上等于所述第七開關的所述閉合開關電壓的電壓。
13.根據權利要求13所述的系統，其中所述電容器兩端的電壓使得與所述第六開關斷開時的所述第六開關兩端的電壓成比例的電流流入所述電容器中，其中那個電壓基本上等于所述電容器的電壓與所述第七開關的所述閉合開關電壓總和。
14.根據權利要求8所述的系統，其中所述放大器是單端放大器。
15.一種包括具有反相輸入端、非反相輸入端和共模電壓輸入端的自動調零差分放大器的系統；所述系統包括: 高側自動調零電容器，其耦合于所述自動調零放大器的所述反相輸入端； 低側自動調零電容器，其耦合于所述自動調零放大器的所述反相輸入端； 高側輸入電壓輸送控制電路，其具有高側第一開關和高側第二開關，所述高側第一開關耦合于所述高側電容器，并且所述高側第二開關耦合于所述放大器的所述非反相輸入端; 低側輸入電壓輸送控制電路，其具有低側第一開關和低側第二開關，所述低側第一開關耦合于所述低側電容器，并且所述低側第二開關耦合于所述放大器的所述非反相輸入端; 高側參考電壓輸送控制電路，其具有高側第三開關和高側第四開關，其中一個共用節點耦合于所述高側第三開關和所述高側第四開關之間，并且所述高側第四開關耦合于所述放大器的所述反相輸入端； 低側參考電壓輸送控制電路，其具有低側第三開關和低側第四開關，其中一個共用節點耦合于所述低側第三開關和所述低側第四開關之間，并且所述第四開關耦合于所述放大器的所述非反相輸入端； 高側第五開關，其耦合于所述放大器的正輸出端； 低側第五開關，其耦合于所述放大器的負輸出端； 高側泄漏控制電路，其具有高側第六開關和高側第七開關，所述高側第六開關耦合于所述反相放大器輸入端和所述高側第五開關之間，所述高側第七開關耦合于所述第六開關和所述高側電容器；和 低側泄漏控制電路，其具有低側第六開關和低側第七開關，所述低側第六開關耦合于所述反相放大器輸入端和所述低側第五開關之間，所述低側第七開關耦合于所述低側第六開關和所述低側電容器。
16.根據權利要求15所述的系統，還包括，其中第二高側電容器從所述放大器的所述高側輸出端耦合到所述第一高側開關。
17.根據權利要求15所述的系統，其中所述高側第六開關和所述低側第六開關均為PMOS開關。
18.根據權利要求15所述的系統，還包括: 高側第三電容器，其耦合于所述高側第一開關和高側輸入電壓之間；和 低側第三電容器，其稱合于所述低側第一開關和低側輸入電壓之間。
19.根據權利要求15所述的系統，還包括，其中所述高側第六開關在斷開時具有基本上等于所述高側第七開關的所述閉合開關電壓的電壓。
20.根據權利要求19所述的系統，其中所述電容器兩端的電壓使得與所述第六開關斷開時的所述第六開關兩端的電壓成比例的電流流入所述電容器中，電壓基本上等于所述第七開關的所述閉合開關電壓。
【文檔編號】H03F3/45GK104170251SQ201380014201
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年3月14日 優先權日:2012年3月14日
【發明者】V·V·伊娃諾夫, B·P·路舒晨, K·卡德沃 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司