CN116505887A - 开关电容型放大器和ad转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开关电容型放大器和AD转换器，该开关电容型放大器不需要基准电压源。开关电容型放大器具备：运算放大器，其具有输出端子以及正极性和负极性的2个输入端子；第一电容元件，其连接在电压输入端子与运算放大器的负极性的输入端子之间；第二电容元件，其连接在运算放大器的负极性的输入端子与输出端子之间；用于在第一阶段使第一电容元件积蓄与电压输入端子的电压对应的电荷的开关元件；以及用于在第二阶段使第一电容元件中积蓄的电荷向第二电容元件移动的开关元件，运算放大器具有一对差动输入晶体管和与一对差动输入晶体管分别串联连接的一对负载元件，正极性的输入端子与基准电位点连接，一对负载元件被设定为不同的电阻值。

Description

开关电容型放大器和AD转换器

技术领域

本发明涉及具有正的输入偏置电压的开关电容型放大器和具备该开关电容型放大器的AD转换器。

背景技术

在开关电容型放大器中，由于制造工艺的偏差，在构成放大器的运算放大器中必然产生输入偏置电压。因此，在图4的(A)所示的结构的开关电容型放大器中，在对运算放大器AMP赋予了负的输入偏置电压的情况下，若对运算放大器AMP的非反相输入端子IN(+)施加接地电位，则反相输入端子IN(﹣)成为负值，因此与反相输入端子IN(﹣)侧的输入电压VIN的电压值无关地，如图5的(A)所示，运算放大器的输出VOUT始终成为接地电位。

因此，存在如下技术：如图4的(B)所示，通过对运算放大器AMP的非反相输入端子IN(+)施加比运算放大器所具有的输入偏置电压大的基准电压VREF来提升动作点，从而如图5的(B)所示，使运算放大器的输出VOUT成为与输入电压VIN的电压值成比例的电压。

此外，以往，存在如下的开关电容型放大器的发明：在运算放大器的反相输入端子与基准电压之间设置电容器，仅在偏置消除时使电容器成为运算放大器的负载，从而抑制振荡现象(专利文献1)。

另外，在差动输入的开关电容型放大器中存在如下发明：除了基准电压(接地电位)之外还使用参照电压来控制参照电压与基准电压之差，由此能够消除输入电压中包含的偏置电压(专利文献2)。顺便说一下，在专利文献2的放大器中，在运算放大器的反相输入端子侧也设置了参照电压。

图4的(B)所示的结构的开关电容型放大器、专利文献1、2所记载的开关电容型放大器是与基准电压(接地电位)不同地使用参照电压的结构，因此存在为了生成参照电压而需要设置基准电压电路那样的参照电压生成电路的课题。

另外，以往，在具备运算放大器的放大器中，为了降低输入偏置电压，一般在制造工艺的最终阶段的检查工序中测定并微调与差动输入晶体管串联连接的负载电阻的电阻值(例如，参照专利文献3)。因此，存在检查工序的所需时间变长的课题。

专利文献1：日本特开平6-45875号公报

专利文献2：日本特开2004-222018号公报

专利文献3：日本特开2016-111499号公报

发明内容

本发明是着眼于上述那样的课题而作出的，其目的在于提供一种不需要基准电压电路(基准电压源)的开关电容型放大器以及具备该开关电容型放大器的AD转换器。

本发明的另一目的在于，提供一种不需要微调负载电阻的电阻值，能够缩短检查时间的开关电容型放大器以及具备该开关电容型放大器的AD转换器。

为了实现上述目的，本发明的开关电容型放大器具备：运算放大器，其具有输出端子和正极性和负极性的2个输入端子；第一电容元件，其连接在电压输入端子与所述运算放大器的负极性的输入端子之间；第二电容元件，其连接在所述运算放大器的负极性的输入端子与所述输出端子之间；用于在第一阶段使所述第一电容元件积蓄与所述电压输入端子的电压对应的电荷的开关元件；以及用于在第二阶段使所述第一电容元件中积蓄的电荷向所述第二电容元件移动的开关元件，所述运算放大器具有一对差动输入晶体管和与所述一对差动输入晶体管分别串联连接的一对负载元件，正极性的输入端子与基准电位点连接，所述一对负载元件被设定为不同的电阻值。

根据具有上述结构的开关电容型放大器，通过预先使运算放大器具有正(plus)的输入偏置电压，即使在运算放大器的非反相输入端子与接地点直接连接的状态下也能够使用，因此能够不需要基准电压电路(基准电压源)。另外，不需要微调负载电阻的电阻值，能够缩短检查工序的所需时间即检查时间。

根据本发明的开关电容型放大器，能够不需要基准电压源。另外，不需要微调负载电阻的电阻值，具有能够缩短检查时间的效果。

附图说明

图1A和图1B是表示应用了本发明的开关电容型放大器的一实施方式的电路结构图。

图2是表示构成实施方式的开关电容型放大器的运算放大器的差动输入级的电路结构例的电路图。

图3是表示实施方式的开关电容型放大器的输出电压波形的波形图。

图4的(A)是表示现有的一般的开关电容型放大器的结构例的电路结构图，图4的(B)是表示附加了基准电压电路的开关电容型放大器的电路结构图。

图5的(A)是表示使用了具有负的输入偏置电压的运算放大器的开关电容型放大器的输出电压波形的波形图，图5的(B)是表示对运算放大器的非反相输入端子施加了基准电压时的开关电容型放大器的输出电压波形的波形图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的优选实施方式进行说明。

图1A和图1B表示本发明的开关电容型放大器的一实施方式的电路图。如图1A和图1B所示，本实施方式的开关电容型放大器(以下，简称为放大器)具备：运算放大器AMP，其非反相输入端子与接地点(基准电位点)连接；第一开关元件SW1以及第一电容元件C1，其串联连接在用于输入输入信号VIN的输入端子IN与运算放大器AMP的反相输入端子(﹣)之间；以及第二开关元件SW2，其连接在第一开关元件SW1与第一电容元件C1的连接节点N1与接地点之间。

另外，本实施方式的放大器具备：第三开关元件SW3，其连接在运算放大器AMP的反相输入端子(﹣)与输出端子OUT之间；第二电容元件C2以及第四开关元件SW4，其通过与该开关元件SW3并联的方式串联连接在运算放大器AMP的反相输入端子(﹣)与输出端子OUT之间；第三电容元件C3，其连接在运算放大器AMP的反相输入端子(﹣)与接地点之间；以及第五开关元件SW5，其连接在该第三电容元件C3和上述第四开关元件SW4的连接节点N2与接地点之间。

上述开关元件中的带有偶数附图标记的开关元件SW2和SW4根据采样/保持用时钟信号φ进行接通、断开动作，带有奇数附图标记的开关元件SW1、SW3、SW5根据由反相器INV使上述时钟信号φ反相后的信号/φ，与开关元件SW2、SW4互补地进行接通、断开动作。具体而言，在采样期间(第一阶段)，如图1A所示，开关元件SW1接通，开关元件SW2断开，由此在第一电容元件C1中积蓄与输入信号VIN对应的电荷。此外，此时，通过开关元件SW3接通而将反相输入端子(﹣)与输出端子OUT连接，运算放大器AMP作为电压跟随器进行动作。

然后，在保持期间(第二阶段)，如图1B所示，构成为开关元件SW1、SW3断开，开关元件SW2、SW4接通，由此第一电容元件C1中的积蓄电荷传送到第二电容元件C2，放大器AMP输出由此对输入信号VIN进行放大后的信号VOUT。

另外，此时的电路的放大率(增益)由电容元件C1与C2的电容比C1/C2表示。而且，对输入信号VIN进行放大后的运算放大器AMP的输出电压VOUT在保持期间(第二阶段)，由未图示的后级的电路(例如A/D转换器)进行采样。此外，传送至第二电容元件C2的电荷在下一个采样期间(第一阶段)通过开关元件SW3、SW5接通而被复位。

并且，在本实施方式的放大器中，通过即使存在制造偏差也具有正的输入偏置电压的方式构成运算放大器AMP。以下，对具有这样特性的运算放大器的具体例进行说明。

在图2中示出了运算放大器AMP的具体的电路例。图2所示的运算放大器AMP具备：栅极端子与非反相输入端子IN+连接的P沟道型的MOS晶体管(绝缘栅型场效应晶体管)M1；以及栅极端子与反相输入端子IN﹣连接的MOS晶体管M2，将晶体管M1和M2彼此的源极端子结合，作为差动输入晶体管进行动作。

另外，在差动输入晶体管M1和M2的共用源极端子与电路的电源电压端子VCC之间连接有MOS晶体管M3，在差动输入晶体管M1、M2的漏极端子与接地点之间分别连接有负载电阻R1、R2。上述晶体管M3为P沟道型，构成为通过对栅极端子施加接地电位而作为恒流源进行动作。

而且，在图2的电路中，预先设定负载电阻R1和R2的电阻值，使得即使产生了因制造偏差而设想的最大的输入偏置电压，该运算放大器也具有正的输入偏置电压。具体而言，设计为电阻R1与R2的电阻比成为9/10。在此，对将电阻R1与R2的电阻比设定为9/10的理由进行说明。

首先，本发明的发明人根据经验得知虽然因制造偏差而设想的最大的输入偏置电压根据所使用的工艺、电源电压而存在差异，但在使用一般的MOS制造工艺制造的电源电压为1.8-5V的运算放大器的情况下，所产生的输入偏置电压最大为5mV。另外，在图2所示的电路结构的运算放大器的情况下，负载电阻R1、R2的电阻值一般为数十kΩ。

另一方面，在图2中将负载电阻R1、R2分别表示为1个元件，但也可以使用将分别具有预定的电阻值的多个电阻元件(单位电阻元件)串联连接后的电阻。通过采用如此排列多个单位电阻元件来构成具有希望的电阻值的1个电阻的方法，虽然能够取得的电阻值受到限制，但是在半导体芯片上形成电路的情况下，具有元件的布局设计变得容易并且布局的自由度变高等优点。

因此，在图2所示的运算放大器AMP中，通过上述那样的设计方法由多个单位电阻元件构成负载电阻R1、R2，并且研究了即使在R1和R2为相同电阻值的情况下产生所设想的最大的输入偏移5mV，也使输入偏置电压成为正的电压的条件。结果，导出了如果将电阻R1与R2的电阻比设定为(9/10)以下，则输入偏置电压成为正电压。例如在想要将电阻比设定为9/10时，只要设定为分别将9个和10个单位电阻串联连接而构成电阻R1和R2即可。

接着，使用图3所示的波形图对具备图2所示的结构的运算放大器的图1A和图1B所示的开关电容型放大器10的动作进行说明。

在本实施方式的放大器中，如上所述，运算放大器AMP被设定为具有比预先设想的输入偏置电压的最大值大的正的输入偏置电压。因此，在使开关元件SW2、SW4成为断开状态，SW1、SW3、SW5成为接通状态的采样期间(第一阶段)，在电容元件C1中积蓄与输入电压VIN对应的电荷。

另外，通过开关元件SW3接通，运算放大器AMP作为电压跟随器进行动作，因此如图3所示，在采样期间，输出电压VOUT成为与表观上的输入偏置电压Voff(始终为正)相同的电位。在此，表观上的输入偏置电压是指通过负载电阻R1、R2的不平衡而有意图地附加的正的输入偏置电压与由于制造工艺的偏差而实际产生的输入偏置电压之差或之和的电压。在制造工艺中，若输入偏置电压向负方向偏差则成为差，若输入偏置电压向正方向偏差则成为和。

接下来，在使开关元件SW1、SW3、SW5成为断开状态，SW2、SW4成为接通状态的保持期间(第二阶段)，电容元件C1中积蓄的电荷向电容元件C2移动，由此输出电压VOUT变高而成为输入电压VIN的(C1/C2)倍，VOUT＝VIN×C1/C2。另外，在该保持期间时，由于开关元件SW2的接通，以接地电位基准进行电荷的移动，因此运算放大器AMP的输入偏置电压不参与。即，在输出电压VOUT中不会出现输入偏置电压Voff的影响。

如以上说明的那样，本实施方式的开关电容型放大器预先使运算放大器AMP具有正的输入偏置电压，因此不需要在制造后调整(微调)负载电阻R1、R2，能够缩短检查工序的所需时间。

另外，通过运算放大器AMP的输入偏置电压始终为正，即使在运算放大器AMP的非反相输入端子与接地点连接的状态下也能够使用，不需要图4的(B)或专利文献2中记载的开关电容型放大器所需的基准电压VREF、参考电压VREF1、VREF2，因此不需要设置基准电压电路(基准电压源)，在半导体芯片上作为半导体集成电路来形成放大器的情况下，具有能够减小芯片尺寸的优点。

以上，基于实施方式具体说明了由本发明的发明人作出的发明，但本发明并不限于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，作为构成运算放大器AMP的负载电阻R1、R2，说明了将具有单位电阻值的多个电阻元件串联连接，但也可以将具有单位电阻值的多个电阻元件并联连接来构成具有所希望的电阻值的负载电阻R1、R2。另外，也可以代替由多个单位电阻元件构成负载电阻R1、R2的情况，而形成具有预定电阻比(9/10)以下的电阻比的单独的电阻元件。

并且，在上述实施方式中，对开关电容型放大器的单独电路进行了说明，作为本实施方式的开关电容型放大器的用途，例如考虑在AD转换器中使用。而且，在该情况下，AD转换器的AD转换电路部也可以构成为开关电容型的电路。

附图标记的说明

AMP：运算放大器、SW1～SW5：开关元件、C1～C4：电容元件、M1、M2：差动输入晶体管、M3：恒流用晶体管、R1、R2：负载电阻。

Claims (5)

1.一种开关电容型放大器，其具备：

运算放大器，其具有输出端子以及正极性和负极性的2个输入端子；

第一电容元件，其连接在电压输入端子与所述运算放大器的负极性的输入端子之间；

第二电容元件，其连接在所述运算放大器的负极性的输入端子与所述输出端子之间；

用于在第一阶段使所述第一电容元件积蓄与所述电压输入端子的电压对应的电荷的开关元件；以及

用于在第二阶段使所述第一电容元件中积蓄的电荷向所述第二电容元件移动的开关元件，

其特征在于，

所述运算放大器具有一对差动输入晶体管以及与所述一对差动输入晶体管分别串联连接的一对负载元件，正极性的输入端子与基准电位点连接，

所述一对负载元件被设定为不同的电阻值。

2.根据权利要求1所述的开关电容型放大器，其特征在于，

构成为在所述运算放大器的一个输入端子不需要连接基准电压源。

3.根据权利要求1或2所述的开关电容型放大器，其特征在于，

关于所述一对负载元件，将与正极性的输入端子侧的差动输入晶体管连接的负载元件的电阻值和与负极性的输入端子侧的差动输入晶体管连接的负载元件的电阻值之比设定为9/10以下。

4.根据权利要求1或2所述的开关电容型放大器，其特征在于，

将分别具有预定的电阻值的多个单位电阻元件串联或并联连接而构成所述一对负载元件。

5.一种AD转换器，其特征在于，

具备权利要求1～4中的任意一项所述的开关电容型放大器。