[发明专利]基于悬浮电流源增益自举反相器的开关电容积分器

说明书

本发明涉及开关电容积分器设计领域，为提高C类反相器增益和精度，从而以C类反相器代替传统运算放大器实现低电压低功耗的开关电容积分器结构。为此，本发明采取的技术方案是，基于悬浮电流源增益自举反相器的开关电容积分器，积分器分为采样阶段和积分阶段，采样阶段电路由M1‑M10十个MOS管和采样电容Cs，积分电容CI，上下两个保持电容Cc，和一个开关S1组成，其中M1至M1、M3、M5、M7、M9为PMOS管，M2、M4、M6、M8、M10为PMOS管，采样电容C_S，积分电容C_I以及上下两个保持电容C_c都分为两极A、B。本发明主要应用于开关电容积分器的设计制造。

技术领域

本发明涉及模拟集成电路设计领域，特别涉及一种基于悬浮电流源的增益自举反相器的开关电容积分器电路。

技术背景

近年来，为了满足便携式电子产品的迫切需求以及大型电子系统的节能需要，低电压低功耗的电路设计已经成为CMOS模拟集成电路发展的主流方向。CMOS工艺尺寸和电源电压的不断减小已经能够有效地降低数字集成电路的功耗，但由于MOS管的阈值电压不可能与电源电压等成比例缩小(由于漏电等原因)，模拟集成电路的低电压低功耗设计面临巨大的挑战。开关电容积分器作为模拟集成电路中的重要模块是许多离散系统中的核心模块，例如sigma-delta ADC、累加器等。积分器的运算放大器作为其电路核心模块是其实现低电压低功耗设计的重要瓶颈，运放的非理想性更是直接限制了积分器的精度。

对于实现其中低电压运放在上世纪七八十年代提出过一种用反相器代替传统运算放大器的方法，它结构简单，而且输入管能够工作在亚阈值区,大大降低了电源电压和系统功耗，是实现新一代低电压低功耗模拟电路设计的可行性方法，被称为C类反相器。但由于中传统C类反相器相对运算放大器而言增益不高(一般在50dB以下)，并且上下两路电流并不稳定,所以性能有限，极大程度的了模拟电路尤其是积分器这种需要高精度电荷运算的模拟电路的精度。

发明内容

为克服现有技术的不足，提高C类反相器增益和精度，从而以C类反相器代替传统运算放大器实现低电压低功耗的开关电容积分器结构。为此，本发明采取的技术方案是，基于悬浮电流源增益自举反相器的开关电容积分器，积分器分为采样阶段和积分阶段，采样阶段电路由M1-M10十个MOS管和采样电容Cs，积分电容CI，上下两个保持电容Cc，和一个开关S1组成，其中M1至M1、M3、M5、M7、M9为PMOS管，M2、M4、M6、M8、M10为PMOS管，采样电容C_S，积分电容C_I以及上下两个保持电容C_c都分为两极A、B，；其中M1、M3、M5的源极一起连接供电电源VDD，M2、M4、M6源极一起连接电源地GND；M1的漏极、M3的栅极、M7的源极连接在一起；M3的漏极、M7的栅极和M6的源极连接在一起；M7的漏极、M1的栅极、上保持电容Cc的B极、开关S1的输入端、M9的源极和M10的漏极连在一起；M6的栅极接偏置Vb1；M6的源极接地；M9的栅极接偏置电压Vb3；M10的栅极接偏置电压Vb4；M5的栅极接偏置电压Vb2；M9的漏极、M10的源级、M8的漏极、M2的栅极、下保持电容Cc的B极和开关S1的输出端连在一起；M2的漏极、M4的栅极、M8的源极连接在一起；M4的漏极、M8的栅极和M5的源极连接在一起；上保持电容Cc的A极，下保持电容Cc的A极以及采样电容CS的B极连在一起接共模电平Vcm，采样电容的A极连输入端；开关S1断开；

M1-M10管构成C类反相器型放大器，Cs为采样电容，负责存储输入电压到基准电压Vcm的电压差，Cc为保持电容，存储反相器输入电压到基准电压Vcm的电压差，此时运放构成负反馈的闭环工作状态，晶体管M1、M2为输入管，由于负反馈的存在M1、M2被偏置在亚阈值区，而M3与M7，M4与M8分别构成电流电压反馈环路，M7和M8同时也被偏置在亚阈值工作状态；M1与M3与M7构成一个三层共源共栅型放大器，同时开关S1断开，在M7和M8之间加入饱和M9和M10，使其构成一个单向导通的悬浮电流源；