[发明专利]一种高精度开关电容型差分测量电路

说明书

本发明公开了一种高精度开关电容型差分测量电路，涉及电子电路技术领域，该高精度开关电容型差分测量电路在差分电路和差分输入端之间设置开关电容电路，开关电容电路根据第一时钟信号采样输入信号提供给差分电路或者进入自共模模式保持共模电压不变，该开关电容电路可以隔断输入信号共模电压对后级差分电路的干扰，同时保证后级差分电路中运算放大器的输入共模电压恒定不变为输入共模偏置电压且电压可配置，从而让运算放大器工作在较为合适的输入共模范围，解决了由于运算放大器输入共模变化过大而导致的超压问题，降低了对运算放大器的共模抑制比和线性度指标的要求，降低了运算放大器的设计难度，提高了该测量电路的可靠性和测量精度。

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其是一种高精度开关电容型差分测量电路。

背景技术

差分测量电路通常要求具备如下几个特点：有较高的输入阻抗，以免影响被测信号；可以容忍较大范围的输入共模，同时保证差分信号的测量精度；需要消除运算放大器自身输入offset对测量精度的影响；需要保持运算放大器的输入共模尽可能稳定。现有传统的开关电容型差分测量电路的电路结构图如图1所示，其中，ph1和ph2为非交叠(non-overlapping)时钟信号，s1a、s1b、s2a、s2b、s3a、s3b、s4a、s4b、s5a、s5b、s6a、s6b均为开关，实际通常可以使用传输门电路来实现，图1中s1a(ph2)的意思表示开关s1a由时钟信号ph2控制且在时钟信号ph2高电平期间导通、低电平期间断开，s2a(ph1)的意思表示开关s2a由时钟信号ph1控制且在时钟信号ph1高电平期间导通、低电平期间断开，其他开关的受控情况可以同理类推。C1a、C1b、C2a、C2b、C3a、C3b均为电容，实际通常可以由MIM电容或MOM电容实现。OPA1为全差分运放，Vip/Vin为输入信号，Vop/Von为输出信号，Vi_Vcm为输入共模偏置电压，Vo_Vcm为输出共模偏置电压。

在图1所示的这种电路结构中，其包括如下几种工作模式：

(1)reset/hold模式：ph1高电平且ph2低电平期间，C1a/C1b的上极板从输入信号Vip/Vin切换到输入共模偏置电压Vi_Vcm(s1a/s1b断开，s2a/s2b导通)。C3a/C3b的下极板从输入共模偏置电压Vi_Vcm切换到C2a/C2b的下极板的电压v1a/v1b(s3a/s3b导通，s4a/s4b断开)。同时，C2a/C2b的上极板从输出信号Vop/Von切换到输出共模偏置电压Vo_Vcm(s5a/s5b断开，s6a/s6b导通)。此时，全差分运放OPA1的输入offset会存储在电容C1a/C2a和C1b/C2b的下极板v1a和v1b上，这个offset电压会在后续电路正常工作的时候被抵消掉，因此，全差分运放OPA1自身的输入offset不会影响差分测量电路的精度，这也是开关电容型放大电路的优势之一。

(2)evaluation模式：ph2高电平且ph1低电平期间，C1a/C1b的上极板从输入共模偏置电压Vi_Vcm切换到输入信号Vip/Vin，此时输入信号Vip/Vin被采样(s1a/s1b导通，s2a/s2b断开)。C3a/C3b的下极板从v1a/v1b切换到输入共模偏置电压Vi_Vcm，此时C2a/C2b的下极板v1a/v1b浮空(s3a/s3b断开，s4a/s4b导通)。C2a/C2b的上极板从输出共模偏置电压Vo_Vcm切换到输出信号Vop/Von(s5a/s5b导通，s6a/s6b断开)。此时，全差分运放OPA1通过C1a/C2a，C1b/C2b组成反相放大器，最终在ph2的下降沿到来后，Vop/Von输出有效值。

(3)其他模式：ph1和ph2同时为低电平(极短的一段时间)，Vop/Von维持上一次有效输出。ph1和ph2同时为高电平，这种情况不允许出现，通过设计ph1和ph2为非交叠时钟来保证不会出现这种情况。

但上述开关电容型差分测量电路会存在如下问题：