[发明专利]用于低电压开关电容器电路的开关型运算放大器技术

说明书

发明领域

本发明涉及一种新颖的用于低电压开关电容器电路的开关型运算放大器(switched opamp)技术，尤其是涉及一种适合在低操作电压下使用的技术。

发明背景

预计在未来的亚微米CMOS技术中的电源定标会要求所有的晶体管栅源电压(V_GS)都工作在0.9V以下。对于在手持式设备中延长电池寿命以及在单个芯片上实现单片式模拟及数字电路而言，低电压运行是重要的。这就产生了开发新的电路技术的需求，以便用于模拟电路的低电压运行。在这类技术当中即有开关电容器(switched capacitor，SC)电路，该电路可在CMOS技术中以低失真取得高传递函数精确度，这对于低电压运行是有吸引力的。

图1显示了一种常规的SC滤波器结构。该结构包括两个运算放大器和若干电容器，这些电容器通过由NMOS和PMOS晶体管所构成的开关而在φ1和φ2相位之间切换。采用标准CMOS工艺，可实现使用低至1V电源电压的高增益运算放大器并且对于电容器的运行没有限制。而且，作为地(ground)的MOS开关可运行在低于1V的V_GS下。但是将MOS开关——在图1中以虚线表示该MOS开关——连接到第一运算放大器A1的输出，即会产生问题。由于运算放大器的输出的特性，MOS开关需要至少2V以便正常工作。

背景技术

对这一问题已提出了若干解决方案。例如有一提议是使用低门限电压设备。但是这种设备对CMOS技术而言并非标准设备，并因此而成本高昂。况且这类设备受到严重漏电问题的困扰。另一提议是利用片上电压倍增器件(on-chip voltage multipulier device)来驱动开关。然而该提案会消耗大量功率并与未来的低电压亚微米技术不兼容。

对这一问题来说，一种更有效的解决方案是在美国专利US5745002(授予Baschirotto等人)中所描绘的开关型运算放大器(switch-opamp，SO)技术。图2显示在US 5745002中所提出的基本结构，应注意到，图1中有问题的MOS开关为图2中显示于虚线框内的开关型运算放大器和电容器所替代。该开关型运算放大器和电容器可正常工作于1V及以下，因此可克服伴随着传统SC电路的主要问题。不过US 5745002的提案有其自己的缺点。

首先，原有的开关型运算放大器技术在其积分阶段之后断开运算放大器，所以其无法实现多相位开关电容器系统和开关电容器技术，例如需要运算放大器始终工作的伪N路径(pseudo-N-path)、二次采样(double-sampling)、电容分布缩减(capacitance-spread-reduction)以及相同采样校正(same-sample-correction)。此外，通常需要额外的运算放大器，以便利用该技术来实现低电压开关电容器电路。US 5745002结构的另一缺点是其运行速度受到可切换运算放大器(switchable opamp)的接通速度的限制。

仅可通过采用并行处理机制来提高运行速度，但这需要加倍的硬件及功率消耗以便使速度加倍，而且需要在不同路径之间精确地控制时钟相位以便正常工作。另外，路径之间的失配(mismatch)还会使系统性能下降。

发明概述

根据本发明提供了一种开关型运算放大器电路，其包括两个并行而在交替的时钟相位运行的可切换运算放大器。

在一优选实施例中，可通过具有一个公用输入级和两个可切换输出级的单独一个两级运算放大器来实现所述的两个可切换运算放大器。在这一实施例中，在任一给定时间仅有一个可切换输出处于运行状态而另一个处于非运行状态，然而在任一给定时间总有一个输出处于运行状态。同样在这一实施例中，可提供一反馈电路，以使该可切换输出对的共模电压(common-mode voltage)保持为电源电压的一半，从而用于差分结构(differential structure)。

可将本发明施用于任何类型的可用开关电容器电路构成的电路上。本发明的一个特别有用的实施方案是一种可在滤波器装置中依次接入的积分器电路。应理解，这仅为一示例，本发明可施用于范围广泛的电路结构。