具有低输入泄漏的自动调零放大器的制造方法
【专利摘要】一种装置，包括：放大器(340)，其具有反相输入端和非反相输入端；电容器(350)，其耦合于放大器的反相输入端；输入电压输送控制电路(309)，其具有第一开关(310)和第二开关(315)，第一开关耦合于电容器，并且第二开关耦合于放大器的非反相输入端；参考电压输送控制电路(318)，其具有第三开关(333)和第四开关(335)，其中共用节点(331)耦合于第三开关和第四开关之间，第四开关耦合于放大器的非反相输入端；第五开关(370)，其耦合于放大器的输出端；泄漏控制电路(399)，其具有第六开关(395)和第七开关(397)，第六开关耦合于反相放大器输入端和第五开关之间，第七开关耦合于第六开关和电容器；以及第一电阻器，反馈电阻器(360)从放大器的输出端耦合到第一开关。
【专利说明】具有低输入泄漏的自动调零放大器
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及自动调零放大器，并且更具体地，涉及具有至偏移保持电容器的低泄漏的自动调零放大器。
【背景技术】
[0002]图1示出现有技术的自动调零放大器100。一般地，自动调零放大器常用于减小放大器的电压偏移。
[0003]在自动调零放大器100中，V输入(Vin) 105耦合于开关S2 115。开关S2 115耦合于节点119，其依次耦合于自动调零放大器(“A0”)140的非反相输入端。放大器AO 140的(Vout) 180通过节点181耦合于开关S5 170。开关S5 170通过节点151耦合到放大器AO 140的反相输入端。
[0004]节点181也耦合于电阻器Rl 160。电阻器Rl 160耦合于节点111，并且节点111耦合于开关SI 110和电阻器R2 120。开关SI 110耦合于节点117。电阻器R2 120耦合于节点121，并且从节点121耦合于地122。节点121也耦合于电压源130的负端，其中电压源130的正端耦合于节点131。节点131依次耦合于开关S3 133，并且也耦合于开关S4135。开关S3 133通过节点117耦合于开关SI 110，并且开关S4 135在节点119处耦合于开关S2 115，其依次稱合于放大器AO 140的非反相输入端。电容器AZ 150稱合于节点117和节点151之间。
[0005]自动调零放大器100可如下工作:
[0006]在阶段I期间(“Fl”)，S卩“自动调零”配置，自动调零放大器100处于“自动偏移”的配置，并且放大器AO 140的偏移量通过电容器AZ 150被积分。
[0007]在“自动调零”配置的阶段2期间(“F2”)，S卩“保持”配置，由于开关SI 110闭合，因此电容器AZ 150通过Rl 160是电连接的反馈。当开关S2 115闭合，Vin 105连接于放大器AO 140的非反相输入端。因此,放大器AO 140的反相输入端与非反相输入端之间的偏移量通过电容器AZ 150被积分。因此，相比于非偏移补偿的放大器，信号Vin以更高的精确度被放大。
[0008]然而，该自动调零放大器100存在缺点。在自动调零放大器100中，在“F2”期间，存在泄漏电流通过开关S5 170，电容器AZ 150上有泄漏电流，因此改变其电压，从而有效地改变放大器100的偏移量。当S5 170在“F2”期间断开时，其两端的电压等于Vin 105和Vout 180之间的差，并且能够相当大，导致大的泄漏电流通过开关S5 170。换言之，该放大器操作为“F2”期间的放大器；然而，由这个相当大的电压而导致的通过开关S5 170的泄漏是在自动调零时间段“F1 ”的情况之间的限制操作时间。
[0009]图2示出现有技术的采用/长保持系统。Vin 205耦合于开关SO 210。开关SO210耦合于节点212。开关SI 215也耦合于节点212。开关S2 220也耦合于节点212，作为其体二极管。开关SI 215耦合于节点217，并且节点217耦合于放大器AO 230的反相输入端。节点217也耦合于放大器AO 230的Vout 235。开关S2 220耦合于节点222。节点222耦合于电容器CO 225和放大器A0230的非反相输入端。电容器CO 225还耦合于地227。
[0010]采样/长保持系统200可如下工作:
[0011]在“F0”阶段期间，即“采样”配置，开关210和220闭合，其将电压Vin 205输送至电容器CO 225和放大器AO 230的非反相输入端。由于输出端235被短路到反相输入端217，所以放大器AO 230是单位增益放大器。
[0012]在“保持”阶段“F0非”期间，开关215关闭，而开关SO 210和S2 220断开。开关220两端的电压降等于放大器AO的电压偏移量(几毫伏)，因此确保小的泄漏通过该开关并长的保持时间。然而，这是采样/保持电路，并且不可以直接用于图1的自动调零放大器。
[0013]该采样和保持电路避免图1的晶体管泄漏问题，因为它不是自动校正电路，然而，因此它不自动校正。
[0014]因此，将图1的自动调零补偿与图2的采样和保持组合，以解决至少一些使用现有技术的顾虑，这是有利的。
【发明内容】
[0015]本发明的第一方面提供一种装置，其包括:放大器，其具有反相输入端和非反相输入端；电容器，其稱合于放大器的反相输入端；输入电压输送控制电路，其具有第一开关和第二开关，第一开关稱合于电容器，并且第二开关稱合于放大器的非反相输入端；参考电压输送控制电路，其具有第三开关和第四开关，其中一个共用节点耦合于第三开关和第四开关之间，第四开关耦合于放大器的非反相输入端；第五开关，其耦合于放大器的输出端；泄漏控制电路，其具有第六开关和第七开关，第六开关耦合于反相放大器输入端和第五开关之间，第七开关耦合于第六开关和电容器；以及第一电阻器，其从放大器的输出端耦合到第一开关。
[0016]本发明的第二方面提供一种包括具有反相输入端和非反相输入端的自动调零放大器系统的系统，该系统包括:电容器，其耦合于自动调零放大器的反相输入端；输入电压输送控制电路，其具有第一开关和第二开关，第一开关耦合于电容器，并且第二开关耦合于自动调零放大器的非反相输入端；参考电压输送控制电路，其具有第三开关和第四开关，其中一个共用节点耦合于第三开关和第四开关之间，第四开关耦合于放大器的非反相输入端；第五开关，其耦合于自动调零放大器的输出端；泄漏控制电路，其包括第六开关和第七开关，第六开关耦合于反相自动调零放大器和第五开关之间，第七开关耦合于第六开关和电容器；第一电阻器，其从自动调零放大器的输出端耦合到第一开关；第二电阻器，其从第一电阻器耦合到地；以及电压源，其耦合于地和参考电压输送控制电路之间，其中，参考电压输送控制电路的共用节点还耦合于参考电压的正输出端。
[0017]本发明的第三方面提供一种包括具有反相输入端、非反相输入端和共模电压输入端的自动调零差分放大器的系统；该系统包括:高侧自动调零电容器，其耦合于自动调零放大器的反相输入端；低侧自动调零电容器，其耦合于自动调零放大器的反相输入端；高侧输入电压输送控制电路，其具有高侧第一开关和高侧第二开关，高侧第一开关耦合于高侧电容器，并且高侧第二开关稱合于放大器的非反相输入端；低侧输入电压输送控制电路，其具有低侧第一开关和低侧第二开关，低侧第一开关耦合于低侧电容器，并且低侧第二开关率禹合于放大器的非反相输入端；闻侧参考电压输送控制电路，其具有闻侧第二开关和闻侧第四开关，其中一个共用节点耦合于高侧第三开关和高侧第四开关之间，高侧第四开关率禹合于放大器的反相输入端；低侧参考电压输送控制电路，其具有低侧第三开关和低侧第四开关，其中一个共用节点耦合于低侧第三开关和低侧第四开关之间，第四开关耦合于放大器的非反相输入端；高侧第五开关，其稱合于放大器的正输出端；低侧第五开关，其I禹合于放大器的负输出端；高侧泄漏控制电路，其具有高侧第六开关和高侧第七开关，高侧第六开关耦合于反相放大器输入端和高侧第五开关之间，高侧第七开关耦合于第六开关和高侧电容器；以及低侧泄漏控制电路，其具有低侧第六开关和低侧第七开关，低侧第六开关耦合于反相放大器输入端和低侧第五开关之间，低侧第七开关耦合于低侧第六开关和低侧电容器。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1示出现有技术的自动调零放大器100 ；
[0019]图2示出现有技术的采样和保持放大器200 ；
[0020]图3示出根据本发明的原理构造的具有低泄漏电流300的自动调零放大器；以及
[0021]图4示出根据本发明的原理构造的具有低泄漏电流400的差分自动调零放大器。
【具体实施方式】
[0022]转到图3，其示出根据本申请的原理构造的具有低泄漏电流300的自动调零放大器的一方面。
[0023]一般地，在自动调零放大器300中，如下面将要讨论的，泄漏控制电路399的开关
S7397两端的电压是在泄漏控制电路399的耦合开关S6 395在反相阶段“F2”、“F1”中启用和停用的，从而将开关S6 395两端的电压限制为电容器AZ 350两端的电压，从而大幅度地降低开关S6 395在断开时两端的最大电压。在“F0”阶段期间大幅度地降低开关S6 395在断开时两端的最大电压，从而大幅度地减小至电容器AZ 350的泄漏电流，从而大幅度地增大H)运转时间的运转参数。
[0024]相比于现有技术的放大器100和200，自动调零放大器300，即带隙放大器，允许“F0”的时长显著增加，其从10微秒到10毫秒。
[0025]在自动调零放大器300中，Vin 305耦合于开关S2 315。开关S2 315耦合于节点319，其依次耦合于自动调零放大器340的非反相输入端。自动调零放大器380的Vout 380通过节点381耦合于开关S5 370。开关S5 370耦合于泄漏控制电路399。自动调零放大器300的各个开关可以是，例如，PMOS开关。
[0026]泄漏控制电路399包括节点358，其耦合于开关S5 370。节点358还耦合于泄漏控制电路399内的开关S7 397。开关S7 397耦合于节点317。同样在泄漏控制电路399内的开关S6 395耦合于节点356。节点317和356耦合于电容器AZ 350，其用于在H)期间对放大器300的偏移量进行积分。
[0027]节点381还耦合于反馈电阻器Rl 360。反馈电阻器Rl 360耦合于节点311，节点311耦合于输入电压输送控制电路309的开关SI 310和电阻器R2 320。开关SI 310耦合于节点317。电阻器R2 320耦合于节点321，并且从节点321耦合到地322。节点321还耦合于电压源330的负端，其中电压源330的正端耦合于参考电压控制电路318的节点331。节点331依次耦合于开关S3 333，并且还耦合于开关S4 335，同样是在参考电压控制电路318中。开关S 333耦合于节点317，并且开关S4 335耦合于节点319。
[0028]—般地，电容器AZ 350两端的电压基本上等于放大器AO的偏移量。因此,开关S6395两端的电压也基本上等于AZ的偏移量，从而减少通过开关S6 395的泄漏，并因此大幅度地增加自动调零时期之间的保持时间。偏移量可以为0-5mV。
[0029]自动调零放大器300可如下工作:
[0030]在阶段I ( “F1”)期间，自动调零放大器300处于“自动调零”的配置，并且放大器AO 340的偏移量被电容器AZ 150积分。开关S3 333和S4 335闭合，并因此分别输送参考电压330至节点317和319。放大器AO 340的偏移量被电容器AZ 350积分。开关S5 370和开关S6 395闭合，从而使输出端Vout 380的值反相为基本上单位增益的单一反馈。
[0031]在阶段2( “F2”)期间，即“低泄漏保持阶段”配置，由于开关S2 315闭合，因此电容器AZ 350与反相输入端串联连接，而由于开关S2 315闭合，因此Vin 305连接于放大器AO 340的非反相输入端。放大器AO 340的反相和非反相输入端之间的偏移量因此被电容器AZ 350积分。
[0032]另外，在自动调零放大器300中，在“F2”期间，即“低泄漏保持阶段”配置，开关S7397也闭合。由于开关S7 397在“F2”期间闭合，因此在“F2”期间，闭合的开关S7 397两端的电压与电容器AZ 350和断开的开关S6 395并行耦合，因此对断开的开关S6 395施加一个低电压上限限制。因此，在“F2”期间，一般仅几毫伏或微伏的电压被施加在开关S6 395两端，与现有技术的自动调零放大器100的开关相反，其中开关两端的差为放大器AO 140的输出端与放大器AO 140的反相输入端节点之间的差,相比于现有技术的S6 170(同样在“F2”阶段期间断开)两端的电压，从而显著降低了断开的开关S6 395两端的电压。
[0033]这样反而允许至电容器AZ 350的显著降低的泄漏电流，从而增加使用时间。有利地，限制该电路中开关S6 370在断开时的两端的电压变化以限制其泄漏电流，从而改进自动调零放大器300的功能。
[0034]图4示出差分自动调零放大器400。自动调零放大器400与自动调零放大器300具有类似的构造和运行原理，除了自动调零放大器300是单端放大器，而自动调零放大器400是差分放大器。如图所示，负差分侧403反映出正差分侧401。正差分侧401的“F1”和“F2”阶段可类似负差分侧403进行应用。
[0035]在阶段“F1”期间，即差分自动调零放大器400的“差分自动调零”配置，电容器AZ450,451通过差分电压参考输送电路414的第三高侧开关S3 415和第三低侧开关418电连接于输入共模电压或地或参考(VCM)和放大器AO 440 out+以及放大器AO 440 out-之间。在自动调零放大器400中，输送的参考电压是共模电压。放大器AO 440的反相和非反相输入端的偏移量在电容器AZ 450、451和C2+、C2-之间积分。小的芯片区域可具有几pF值。
[0036]在“F2”阶段期间，即差分自动调零放大器400的“差分保持”配置，上侧泄漏控制电路499的断开开关S6+495两端的电压并行短路，从而限制在这些断开开关S6+495和S6-两端的电压，对于有源阶段，从而降低至电容器AZ+450和电容器AZ-451的泄漏电流。开关根据阶段被示为闭合/断开。
[0037]本申请所涉及的本领域的技术人员应当理解，在要求保护的本发明的范围之内，许多其它实施例和变体是可能的。
【权利要求】
1.一种装置，其包括: 放大器，其具有反相输入端和非反相输入端； 电容器，其耦合于所述放大器的所述反相输入端； 输入电压输送控制电路，其具有第一开关和第二开关，所述第一开关耦合于所述电容器，并且所述第二开关耦合于所述放大器的所述非反相输入端； 参考电压输送控制电路，其具有第三开关和第四开关，其中一个共用节点耦合于所述第三开关和所述第四开关之间，所述第四开关耦合于所述放大器的所述非反相输入端； 第五开关，其耦合于所述放大器的输出端； 泄漏控制电路，其具有第六开关和第七开关，所述第六开关耦合于所述反相放大器输入端和所述第五开关之间，所述第七开关耦合于所述第六开关和所述电容器；和 第一电阻器，其从所述放大器的所述输出端耦合到所述第一开关，其中所述第一电阻器是反馈电阻器。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述输入电压输送控制电路的所述共用节点还耦合于参考电压的正输出端。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第六开关是PMOS开关。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第六开关在断开时具有基本上等于所述电容器和所述第七开关的所述闭合开关电压之和的电压。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述电容器的两端的电压使得与所述第六开关断开时的所述第六开关两端的所述电压成比例的电流流入所述电容器中，其中所述电压基本上等于所述电容器的电压与所述第七开关的所述闭合开关电压总和。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括，其中所述输入电压输送控制电路的所述第一和第二开关与所述参考电压输送控制电路的所述第三和第四开关处于相反的逻辑状态，并且其中所述泄漏控制电路的所述第六开关与所述参考电压输送控制电路处于相同的逻辑状态，并且所述泄漏控制电路的所述第七开关与所述输入电压输送控制电路处于相同的逻辑状态。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括耦合于所述第一电阻器的第二电阻器，所述第二电阻器还耦合于地。
8.一种包括具有反相输入端和非反相输入端的自动调零放大器系统的系统，所述系统包括: 电容器，其耦合于所述自动调零放大器的所述反相输入端； 输入电压输送控制电路，其具有第一开关和第二开关，所述第一开关耦合于所述电容器，并且所述第二开关耦合于所述自动调零放大器的所述非反相输入端； 参考电压输送控制电路，其具有第三开关和第四开关，其中一个共用节点耦合于所述第三开关和所述第四开关之间，所述第四开关耦合于所述放大器的所述非反相输入端； 第五开关，其耦合于所述自动调零放大器的输出端； 泄漏控制电路，其包括第六开关和第七开关，所述第六开关耦合于所述反相自动调零放大器和所述第五开关之间，所述第七开关耦合于所述第六开关和所述电容器； 第一电阻器，其从所述自动调零放大器的所述输出端耦合到所述第一开关，其中所述第一电阻器是反馈电阻器； 第二电阻器，其从所述第一电阻器耦合到地；和 电压源，其耦合于所述地和所述参考电压输送控制电路之间； 其中，所述参考电压输送控制电路的共用节点还耦合于所述参考电压的正输出端。
9.根据权利要求8所述的系统，还包括，其中所述第三、第四、第五和第六开关同时处于闭合状态，并且所述第一、第二和第七开关在那个同时处于断开状态。
10.根据权利要求8所述的系统，还包括，其中所述第三、第四、第五和第六开关同时断开，并且所述第一、第二和第七开关在那个同时处于断开状态。
11.根据权利要求8所述的自动调零放大器，其中所述第六开关是PMOS开关。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述第六开关在断开时具有基本上等于所述第七开关的所述闭合开关电压的电压。
13.根据权利要求13所述的系统，其中所述电容器两端的电压使得与所述第六开关断开时的所述第六开关两端的电压成比例的电流流入所述电容器中，其中那个电压基本上等于所述电容器的电压与所述第七开关的所述闭合开关电压总和。
14.根据权利要求8所述的系统，其中所述放大器是单端放大器。
15.一种包括具有反相输入端、非反相输入端和共模电压输入端的自动调零差分放大器的系统；所述系统包括: 高侧自动调零电容器，其耦合于所述自动调零放大器的所述反相输入端； 低侧自动调零电容器，其耦合于所述自动调零放大器的所述反相输入端； 高侧输入电压输送控制电路，其具有高侧第一开关和高侧第二开关，所述高侧第一开关耦合于所述高侧电容器，并且所述高侧第二开关耦合于所述放大器的所述非反相输入端; 低侧输入电压输送控制电路，其具有低侧第一开关和低侧第二开关，所述低侧第一开关耦合于所述低侧电容器，并且所述低侧第二开关耦合于所述放大器的所述非反相输入端; 高侧参考电压输送控制电路，其具有高侧第三开关和高侧第四开关，其中一个共用节点耦合于所述高侧第三开关和所述高侧第四开关之间，并且所述高侧第四开关耦合于所述放大器的所述反相输入端； 低侧参考电压输送控制电路，其具有低侧第三开关和低侧第四开关，其中一个共用节点耦合于所述低侧第三开关和所述低侧第四开关之间，并且所述第四开关耦合于所述放大器的所述非反相输入端； 高侧第五开关，其耦合于所述放大器的正输出端； 低侧第五开关，其耦合于所述放大器的负输出端； 高侧泄漏控制电路，其具有高侧第六开关和高侧第七开关，所述高侧第六开关耦合于所述反相放大器输入端和所述高侧第五开关之间，所述高侧第七开关耦合于所述第六开关和所述高侧电容器；和 低侧泄漏控制电路，其具有低侧第六开关和低侧第七开关，所述低侧第六开关耦合于所述反相放大器输入端和所述低侧第五开关之间，所述低侧第七开关耦合于所述低侧第六开关和所述低侧电容器。
16.根据权利要求15所述的系统，还包括，其中第二高侧电容器从所述放大器的所述高侧输出端耦合到所述第一高侧开关。
17.根据权利要求15所述的系统，其中所述高侧第六开关和所述低侧第六开关均为PMOS开关。
18.根据权利要求15所述的系统，还包括: 高侧第三电容器，其耦合于所述高侧第一开关和高侧输入电压之间；和 低侧第三电容器，其稱合于所述低侧第一开关和低侧输入电压之间。
19.根据权利要求15所述的系统，还包括，其中所述高侧第六开关在断开时具有基本上等于所述高侧第七开关的所述闭合开关电压的电压。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述电容器两端的电压使得与所述第六开关断开时的所述第六开关两端的电压成比例的电流流入所述电容器中，电压基本上等于所述第七开关的所述闭合开关电压。
【文档编号】H03F3/45GK104170251SQ201380014201
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年3月14日 优先权日:2012年3月14日
【发明者】V·V·伊娃诺夫, B·P·路舒晨, K·卡德沃 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司