一种精确乘二开关电容放大器、芯片及通信终端的制作方法

本发明涉及一种开关电容放大器，尤其涉及一种精确乘二开关电容放大器，同时也涉及采用该精确乘二开关电容放大器的集成电路芯片及相应的通信终端，属于模拟集成电路技术领域。

背景技术：

开关电容放大器通过电容的比值实现对模拟信号的固定增益放大处理，被广泛应用在模拟信号处理电路中。其中，具有固定两倍增益放大功能的乘二开关电容放大器被广泛应用在流水线型ADC(模数转换器)和循环式ADC中，其主要结构如图1所示。它主要由一个运算放大器、两个电容和若干模拟开关组成。当控制信号S₁为高电平，S₂为低电平时，采样电容C1采集输入信号；当S₂变为高电平，S₁变为低电平时，采样电容C1中的电荷被传输至保持电容C2，使得输出变为：

因此，当C₁的电容值是C₂的两倍时，该结构实现了对输入信号的乘二处理。但是，很多非理想因素都会降低所放大倍数的精度。这些因素主要包括运算放大器的有限增益、运算放大器的有限带宽和电容失配。其中，运算放大器的有限增益和有限带宽问题可以通过现有的各种设计技术加以解决，例如：通过增益自举结构、多级结构都可以提升运算放大器的增益，通过采用更快的工艺可以提升速度。但是，能够解决电容失配问题的现有技术却很少。现有技术中，主要通过版图的共质心匹配或增大电容面积来降低失配程度，但不是效果微弱就是以消耗更多芯片面积和功耗为代价。另外，现有技术中也使用数字校准技术来校正该电容失配问题，但是这样势必增加了电路的复杂性。

在专利号为ZL 200710194418.0的中国发明专利中，韩国三星电子株式会社提供了一种比率独立的开关电容放大器，包括：第一采样电路，用于采集第一输入电压作为第一采样电压并在其采样之后使第一采样电压的电平变为双倍；第二采样电路，用于采集第二输入电压作为第二采样电压并在其采样之后使第二采样电压的电平变为双倍；以及差分放大器电路，用于输出双倍的第一采样电压和双倍的第二采样电压之间的差值。

技术实现要素：

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种精确乘二开关电容放大器，用于解决电容失配造成的增益误差。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种采用该精确乘二开关电容放大器的集成电路芯片及相应的通信终端。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种精确乘二开关电容放大器，包括运算放大器、两个采样电容、两个保持电容和多个联动开关；其中，

第一联动开关连接整个精确乘二开关电容放大器的正、负输入端和两个采样电容的第一极板，两个采样电容的第二极板分别连接所述运算放大器的正、负输入端；

第二联动开关分别连接两个保持电容的第一极板和共模电压输入端；

第三联动开关分别连接在所述运算放大器的正、负输入端之间以及负、正输入端之间；

第四联动开关分别连接两个保持电容的第一极板和所述运算放大器的负、正输出端；

第五联动开关分别连接两个保持电容的第二极板和所述运算放大器的正、负输入端；

第六联动开关分别连接两个采样电容的第一极板；

第七联动开关分别连接两个采样电容的第一极板和所述运算放大器的负、正输出端。

其中较优地，所述精确乘二开关电容放大器具有由四个时钟状态组成的信号采集与放大处理周期。

其中较优地，在第一时钟状态中，第一联动开关、第二联动开关、第三联动开关、第五联动开关闭合，第四联动开关、第六联动开关、第七联动开关断开。

其中较优地，在第二时钟状态中，第一联动开关、第二联动开关、第三联动开关、第七联动开关断开，第四联动开关、第五联动开关、第六联动开关闭合。

其中较优地，在第三时钟状态中，第一联动开关、第三联动开关闭合，第二联动开关、第四联动开关、第五联动开关、第六联动开关、第七联动开关断开。

其中较优地，在第四时钟状态中，第一联动开关、第三联动开关、第四联动开关、第六联动开关断开，第二联动开关、第五联动开关、第七联动开关闭合。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种集成电路芯片，其中包括有上述的精确乘二开关电容放大器。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种通信终端，其中包括有上述的精确乘二开关电容放大器。

与现有技术相比较，本发明所提供的精确乘二开关电容放大器通过对同一个电容的两次采样，使得放大倍数与电容的比值无关，从而消除了电容失配对增益精度的影响，实现了对输入信号的精确乘二操作。应用该精确乘二开关电容放大器的模数转换器，可以实现更高的信号处理精度。

附图说明

图1为现有技术中，一个典型的乘二开关电容放大器的电路原理图；

图2为本发明所提供的精确乘二开关电容放大器的电路原理图；

图3为本发明所提供的精确乘二开关电容放大器的工作控制时序图；

图4为本发明所提供的精确乘二开关电容放大器在不同状态下的等效电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

如图2所示，本发明所提供的精确乘二开关电容放大器主要由一个运算放大器、一组采样电容C₁、一组保持电容C₂和七个联动开关S₁～S₇组成。它们之间的具体连接关系说明如下：联动开关S₁连接整个精确乘二开关电容放大器的正、负输入端V_inP、V_inN和两个采样电容C₁的下极板，两个采样电容C₁的上极板分别连接到运算放大器的正、负输入端；联动开关S₃分别连接在运算放大器的正输入端和负输出端之间以及负输入端和正输出端之间；联动开关S₅连接两个保持电容C₂的上极板和运算放大器的正、负输入端；联动开关S₂连接两个保持电容C₂的下极板和共模电压V_com；联动开关S₄连接两个保持电容C₂的下极板和运算放大器的负、正输出端；联动开关S₇连接两个采样电容C₁的下极板和运算放大器的负、正输出端；联动开关S₆连接两个采样电容C₁的下极板。

上述精确乘二开关电容放大器的工作控制时序如图3所示，其中高电平代表开关闭合，低电平代表开关断开，四个时钟状态P1～P4表示一个完整的信号采集与放大处理周期。它的具体工作过程说明如下：在P1状态时，联动开关S₁、S₂、S₃、S₅闭合，联动开关S₄、S₆、S₇断开，精确乘二开关电容放大器的等效电路结构如图4(a)所示。在该状态下，采样电容C₁完成信号采集，差分正负两个支路中采样电容C₁存储的电荷差为C₁(V_inP－V_inN)，保持电容C₂完成复位，C₂中存储的电荷为0；在P2状态时，联动开关S₁、S₂、S₃、S₇断开，联动开关S₄、S₅、S₆闭合，精确乘二开关电容放大器的等效电路结构如图4(b)所示。在该状态下，采样电容C₁中的电荷全部传输至保持电容C₂中，因此两个保持电容C₂中存储的电荷差为C₁(V_inP－V_inN)；在P3状态时，联动开关S₁、S₃闭合，联动开关S₂、S₄、S₅、S₆、S₇断开，精确乘二开关电容放大器的等效电路结构如图4(c)所示。在此状态下，保持电容C₂中的电荷保持不变，采样电容C₁再次完成对输入信号的采集，因此两个采样电容C₁中存储的电荷差为C₁(V_inP－V_inN)；在P4状态时，联动开关S₁、S₃、S₄、S₆断开，联动开关S₂、S₅、S₇闭合，精确乘二开关电容放大器的等效电路结构如图4(d)所示。在该状态下，保持电容C₂中的电荷被传输回采样电容C₁中，此时两个C₁中存储的差分电荷量为2C₁(V_inP－V_inN)。

因此，该精确乘二开关电容放大器在P4状态时输出的最终差分电压值为：

从公式2中可以看出，该精确乘二开关电容放大器的最终差分电压表达式中只有C₁与C₁的比值，而没有C₁与C₂的比值项，即输出值与保持电容C₂无关，因此采样电容C1与C₂的失配并不会影响最终乘2的精度。这样就实现了精确的乘二操作。

需要说明的是，上述采样电容、保持电容中的上极板和下极板仅为举例说明。由于两者功能相同，因此上极板和下极板之间可以互换，在此就不具体说明了。另外，图2所示的精确乘二开关电容放大器中采用的是全差分方式，但对于该电路结构而言，也可以采用单端方式实现。

在本发明的一个实施例中，该精确乘二开关电容放大器可以工作在1.8V电源电压下，共模电压为0.9V。其中，运算放大器采用单极折叠共源共栅结构，运算放大器的增益为85dB。因为不需要考虑电容匹配对精度的影响，因此在选取电容大小时只考虑热噪声对精度的影响即可，选取采样电容C1和保持电容C2的大小均为200fF，每个状态的操作时间为100ns，经过4个状态即400ns后完成对输入模拟信号的采集和两倍放大操作。

与现有技术相比较，本发明所提供的精确乘二开关电容放大器通过对同一个电容的两次采样，使得放大倍数与电容的比值无关，从而消除了电容失配对增益精度的影响，实现了对输入信号的精确乘二操作。应用该精确乘二开关电容放大器的模数转换器，可以实现更高的信号处理精度。

上述实施例中所示出的精确乘二开关电容放大器可以被用在芯片(例如模数转换器芯片)中。对于该模数转换器芯片中的精确乘二开关电容放大器的具体结构，在此就不再一一详述了。

另外，上述精确乘二开关电容放大器还可以被用在通信终端中，作为模拟集成电路的重要组成部分。这里所说的通信终端是指可以在移动环境中使用，支持GSM、EDGE、TD_SCDMA、TDD_LTE、FDD_LTE等多种通信制式的计算机设备，包括移动电话、笔记本电脑、平板电脑、车载电脑等。此外，本发明所提供的技术方案也适用于其他模拟集成电路应用的场合，例如通信基站等。

上面对本发明所提供的精确乘二开关电容放大器、芯片及通信终端进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。