[发明专利]一种利用非对称电容实现低功耗开关放大电路的方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子工程中的半导体工艺和电路设计技术，以及使用半导体工艺实现的混合信号电路系统。

背景技术

开关电容放大电路广泛应用于各种模数转换器如Pipeline ADC和Delta-Sigma ADC以及其它的混合信号电路系统如滤波器，数模转换器等。如图1，和连续时间的电阻反馈放大器（左图）相比，开关电容放大器（右图）对放大器内部运放的负载影响很小，而且没有电阻造成的热噪声，所以更易于获得精确的放大倍数（通常<1/1000精确度）。

传统的开关放大电路使用对称电容来实现电荷转移，为了保证电荷转移的精确性，通常采用的半导体工艺可以在同一芯片上生成高度对称的电容（通常<1/1000误差）。

如图2所示，为了克服运放有限增益对放大器放大倍数精度的影响，运放的增益都设计得极高（通常80--90分贝），这样使得运放的功耗巨大。通常在开关电容典型应用如Pipeline模数转换器（ADC）就需要使用10个或更多的开关电容放大器，所以这样使得模数转换器的功耗过高，对于电池驱动的 系统有极大的负面影响。

发明内容

本发明提供一种于传统的开关电路的设计方式和实现过程，基于对开关放大电路非理想特性的分析, 有目的的使用低增益的运放，并使用非对称电容特性进行补偿。

 一种利用非对称电容实现低功耗开关放大电路方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.基于对开关放大电路进行非理想特性的分析；

b.使用低增益运放；

c.使用非对称电容特性进行补偿。

优选的，还包括步骤d对非理想特性进行补偿。   如沟道电荷转移，运放的输入直流偏差以及开关电容电路前一级电路带来的直流偏差也可以进行补偿。这些因素在设计非对称电容都可以一并考虑进去。

优选的，还包括步骤e对不对称电容之间进行电容值的匹配。   如对0.55pF的输入电容和0.75pF 的反馈电容，选取0.05pF作为电容的基本单元，使用不同数目的基本单元来构造输入电容（11个基本单元）和反馈电容（15个基本单元），并在周围采用相同基本单元作为虚拟电容来达到精确匹配的目的。

优选的，所述方法由MIMCAP辅助实现电容的精确匹配。MIMCAP(金属-绝缘体-金属电容器)来辅助实现电容的精确匹配。

该发明包括的设计目标是在传统开关电容放大器基础上降低功耗和减小芯片面积。使用非对称电容放大器能帮助这两个目标同时实现。这也在设计非对称电容时一并考虑。

该发明权利包括上述使用非对称电容的方式来设计开关电容放大电路，以及设计的目的和考虑的电路非理想因素和非对称电容放大器带来其它的电路利好。

附图说明

    图1为连续时间放大器和开关电容放大器的比较。

   图2为本发明开关电容放大器的实现。

   图3 为实现非对称电容之间的版图匹配方式。

如下具体实施方式将结合附图进行说明。

具体实施方式

在下面的具体实施方式中，我们先对开关电容放大电路放大特性进行具体的推导，然后比较传统的开关电容设计方式来说明本发明所采用的方法和步骤。

如图2 所示开关电容放大电路。 此电路的工作原理如下：在第一阶段开关                                                 和开关  是断开的，开关电容电路的正极和负极的输入端连接到共模电压电平。正输入端和负输入端上的电量分别是

                    (1)

                   (2)

这里  是运算放大器输入端的寄生电容，  是共模电压电平。 

在第二阶段开关 是仍然断开但开关  接通，正输入端和负输入端上的电量分别变为

    (3)

  (4)

这里   和  是在第二阶段运算放大器的正输入端和负输入端的电压水平。 由于电量守恒，在第一和第二阶段，我们有

  (5)

 (6)

假设运放的直流增益为A，然后在第二阶段

   (7)

      从等式 (1)(2)(3)(4)(5)(6)(7), 

 (8)