取样保持放大电路的制作方法

本发明是关于取样保持放大技术，尤其是关于一种取样保持放大电路。

背景技术：

在用以处理yprpb格式的图像的信号处理电路中，需要接收交流耦合的信号。为将信号正确地输入后端的电路，例如但不限于模拟至数字转换电路，使信号得以具有全幅输出(fullswing)，需要将信号进行调整。如果没有有效的调整机制，后端的电路可能会接收到正负信号其中之一受到压迫而失真的结果。

技术实现要素：

鉴于背景技术的问题，本发明的一目的在于提供一种取样保持放大电路，以改善背景技术。

本发明包含一种取样保持放大(sampleandholdamplifier；sha)电路，其一实施例包含：正端电容阵列、负端电容阵列、正端切换阵列、负端切换阵列以及差动输出电路。正端电容阵列以及负端电容阵列各包含多个位电容，位电容各具有第一端以及第二端，其中正端电容阵列的位电容的第二端相电性耦接于正输出端，负端电容阵列的位电容的第二端相电性耦接于负输出端。正端切换阵列以及负端切换阵列各配置以在取样时间中，使位电容根据第一位组合连接关系自各位电容的第一端接收极性输入电压进行相对共模输入电压的增益调整，以及各配置以在保持时间中，使位电容根据第二位组合连接关系自各位电容的第一端接收偏移量调整电压进行相对共模输入电压的偏移量调整，并于正输出端以及负输出端分别产生正输出电压以及负输出电压。差动输出电路配置以将正输出电压以及负输出电压输出为一对差动输出信号。

有关本发明的特征、实际操作与功效，兹配合附图作优选实施例详细说明如下。

附图说明

图1a示出本发明的一实施例中，一种取样保持放大电路以及模拟至数字转换电路的电路图；

图1b示出本发明的一实施例中，正端电容阵列以及正端切换阵列更详细的示意图；

图1c示出本发明的一实施例中，切换电路以及对应的位电容的放大示意图；

图2示出本发明的一实施例中，正端电容阵列以及正端切换阵列操作于取样时间的电路图；以及

图3示出本发明的一实施例中，正端电容阵列以及正端切换阵列操作于保持时间的电路图。

具体实施方式

本发明的一目的在于提供一种取样保持放大电路，有效地对输入信号相对共模输入电压进行增益以及偏移量的调整，符合后端电路的输入范围。

请参照图1a。图1a为本发明的一实施例中，一种取样保持放大(sampleandholdamplifier；sha)电路100以及模拟至数字转换电路160的电路图。

于一实施例中，取样保持放大电路100以及模拟至数字转换电路160可应用于例如，但不限于用以处理yprpb格式的图像的信号处理电路中。其中，取样保持放大电路100配置以对输入模拟信号进行增益以及偏移量的调整，以增强输入模拟信号，并相对输入模拟信号的共模(commonmode)电压准位调整，符合模拟至数字转换电路160的输入需求。

取样保持放大电路100包含正端电容阵列110、负端电容阵列120、正端切换阵列130、负端切换阵列140以及差动输出电路150。

请参照图1b。图1b为本发明的一实施例中，正端电容阵列110以及正端切换阵列130更详细的示意图。

正端电容阵列110包含多个位电容cl0至cln以及cm0至cmn以及增益调整电容cg。

位电容cl0至cln以及cm0至cmn各具有第一端以及第二端。于一实施例中，位电容cl0至cln以及cm0至cmn区分为高位位电容cm0至cmn以及低位位电容cl0至cln。其中，位电容cmn为最高位的电容，对增益以及偏移量具有最大的调整幅度。相对的，位电容cl0为最低位的电容，对增益以及偏移量具有最小的调整幅度。

于一实施例中，高位的位电容cm0至cmn的第二端相电性耦接正输出端pt，低位的位电容cl0至cln的第二端相电性耦接后，通过中间电容cb电性耦接于正输出端pt。

增益调整电容cg具有第一端以及第二端，其中增益调整电容cg的第二端电性耦接于正输出端pt。

负端电容阵列120具有与正端电容阵列110相对称的结构，唯其位电容cm0至cmn以及cl0至cln的第二端以及增益调整电容cg的第二端所电性耦接的为负输出端nt。在此不再对其细部结构进行赘述。

正端切换阵列130包含多个切换电路sl0至sln以及sm0至smn。切换电路sl0至sln以及sm0至smn分别对应位电容cl0至cln以及cm0至cmn设置。

请参照图1c。图1c为本发明的一实施例中，切换电路sl0以及对应的位电容cl0的放大示意图。

切换电路sl0至sln以及sm0至smn各具有第一选择单元s1、第二选择单元s2以及第三选择单元s3。于一实施例中，各切换电路的第一选择单元s1受增益控制信号gl0至gln以及gm0至gmn控制。以切换电路sl0为例，其第一选择单元s1受增益控制信号gl0控制。第二选择单元s2受偏移量控制信号ol0至oln以及om0至omn控制。以切换电路sl0为例，其第二选择单元s2受偏移量控制信号ol0控制。第三选择单元s3受模式控制信号ckm控制。

增益选择单元sg对应增益调整电容cg设置，受模式控制信号ckm控制。

负端切换阵列140具有与正端切换阵列130相对称的结构。在此不再对其细部结构进行赘述。

第一选择单元s1、第二选择单元s2、第三选择单元s3、增益选择单元sg可交错操作在取样时间以及保持时间的操作模式下。以下将以包含10位的位电容cm0至cm4以及cl0至cl4的正端电容阵列110以及包含对应位电容的切换电路sm0至sm4以及sl0至sl4的正端切换阵列130为范例进行说明。

请参照图2。图2为本发明的一实施例中，正端电容阵列110以及正端切换阵列130操作于取样时间的电路图。

在取样时间中，第一选择单元s1配置以根据增益控制信号gl0至gln以及gm0至gmn的控制，于被选状态下接收极性输入电压或于未被选状态下接收共模输入电压vcmi。其中，对应正端切换阵列130的极性输入电压为正输入电压vip，而共模输入电压vcmi则为直流电压。

第三选择单元s3根据模式控制信号ckm使第一选择单元s1电性耦接于对应的电容(例如对应切换电路sm0至sm4以及sl0至sl4的位电容cm0至cm4以及cl0至cl4)的第一端。

增益选择单元sg根据模式控制信号ckm使增益调整电容cg接收为正输入电压vip的极性输入电压。

因此，在取样时间的操作模式下，取样保持放大电路100可根据正端切换阵列130包含的切换电路sm0至sm4以及sl0至sl4中各包含的第一选择单元s1、第三选择单元s3，设置正端电容阵列110的位电容cm0至cm4以及cl0至cl4的位组合连接关系，对正输入电压vip进行相对共模输入电压vcmi的增益调整。

举例而言，当欲进行的连接关系以位表示为(1001000100)时，切换电路sm4、sm1及sl2的第一选择单元s1将使分别对应第10、7及3位的位电容cm4、cm1及cl2成为被选状态，以接收正输入电压vip，而其他的切换电路则使其他的位电容成为未被选状态，以接收共模输入电压vcmi。

在一实施例中，当所有的位电容cm0至cm4以及cl0至cl4的连接关系以位表示均为1(例如10位的1111111111)，亦即均接收正输入电压vip时，总增益将为1。而当所有的位电容cm0至cm4以及cl0至cl4的连接关系以位表示为均为0(例如10位的0000000000)，亦即均接收共模输入电压vcmi时，总增益将为0。因此，所有从高至低的不同位组合，可达到2^m+n阶大小的增益调整量。

此外，通过增益调整电容cg的电容值的设置，可对正输入电压vip产生一倍以上的增益。因此，当所需要的总增益为一倍至两倍的范围内的数值时，增益调整电容cg的电容值可对正输入电压vip产生两倍的增益后，再由位电容cm0至cm4以及cl0至cl4的连接关系调降至所需的数值。

类似地，取样保持放大电路100可根据负端切换阵列140包含的切换电路sm0至smn以及sl0至sln中各包含的第一选择单元s1、第三选择单元s3，设置负端电容阵列120的位电容cm0至cmn以及cl0至cln的位组合连接关系，对负输入电压vin进行增益调整。在此不再赘述。

请参照图3。图3为本发明的一实施例中，正端电容阵列110以及正端切换阵列130操作于保持时间的电路图。

在保持时间中，第二选择单元s2配置以根据偏移量控制信号ol0至ol4以及om0至om4的控制，于被选状态下接收偏移量调整电压或于未被选状态下接收共模输入电压vcmi。其中，偏移量调整电压为第一调整电压vrt与第二调整电压vrb的差。

更详细地说，于一实施例中，取样保持放大电路100更包含调整选择单元170，配置以依据不同的极性选择第一调整电压vrt以及第二调整电压vrb进行输入。当欲进行相对共模输入电压vcmi的正向偏移量调整时，调整选择单元170使第二选择单元s2接收第一调整电压vrt减去第二调整电压vrb产生的正调整电压vrt-vrb作为偏移量调整电压。而当欲进行相对共模输入电压vcmi的负向偏移量调整时，调整选择单元170使第二选择单元s2接收第二调整电压vrb减去第一调整电压vrt产生的负调整电压vrb-vrt作为偏移量调整电压。

第三选择单元s3根据模式控制信号ckm使第二选择单元s2电性耦接于对应的电容(例如对应切换电路sm0至sm4以及sl0至sl4的位电容cm0至cm4以及cl0至cl4)的第一端。

增益选择单元sg根据模式控制信号ckm使增益调整电容cg接收共模输入电压vcmi。

因此，在保持时间的操作模式下，取样保持放大电路100可根据正端切换阵列130包含的切换电路sm0至sm4以及sl0至sl4中各包含的第二选择单元s2、第三选择单元s3，设置正端电容阵列110的位电容cm0至cm4以及cl0至cl4的位组合连接关系，对正输入电压vip进行相对共模输入电压vcmi的偏移量调整。

举例而言，当欲进行的连接关系以位表示为(0111101111)时，切换电路sm3至sm0及sl3至sl0的第一选择单元s1将使分别对应第9至6及4至1位的位电容cm3至cm0及cl3至cl0成为被选状态，以接收偏移量调整电压，而其他的切换电路则使其他的位电容成为未被选状态，以接收共模输入电压vcmi。

在一实施例中，当所有的位电容cm0至cm4以及cl0至cl4的连接关系以位表示均为1(例如10位的1111111111)，亦即均接收偏移量调整电压时，总调整量将为偏移量调整电压的数值(vrt-vrb或vrb-vrt)。而当所有的位电容cm0至cm4以及cl0至cl4的连接关系以位表示为均为0(例如10位的0000000000)，亦即均接收共模输入电压vcmi时，总调整量将为0。因此，所有从高至低的不同位组合，可达到2^m+n阶大小的偏移量调整量。

类似地，取样保持放大电路100可根据负端切换阵列140包含的切换电路sm0至smn以及sl0至sln中各包含的第二选择单元s2、第三选择单元s3，设置负端电容阵列120的位电容cm0至cmn以及cl0至cln的位组合连接关系，对负输入电压vin进行偏移量调整。在此不再赘述。

在经过取样时间的增益调整以及保持时间的偏移量调整后，正端电容阵列110以及负端电容阵列120将由各位电容的第二端相电性耦接的正输出端pt以及负输出端nt产生正输出电压vp以及负输出电压vn。

差动输出电路150配置以将正输出电压vp以及负输出电压vn输出为一对差动输出信号vop及von。

于一实施例中，差动输出电路150包含放大器180、第一耦合电容cp1、第二耦合电容cp2以及第一开关至第六开关sw1至sw6。

放大器180包含放大器输入正端(在图1a中以‘+’记号标示)、放大器输入负端(在图1a中以‘-’记号标示)、放大器输出正端(在图1a中以‘+’记号标示)以及放大器输出负端(在图1a中以‘-’记号标示)。

其中，放大器输入正端电性耦接于负输出端nt，以接收负输出电压vn。放大器输入负端电性耦接于正输出端pt，以接收正输出电压vp。放大器输出正端以及放大器输出负端配置以根据正输出电压vp以及负输出电压vn输出该对差动输出信号vop及von。

第一耦合电容cp1以及第二耦合电容cp2，各包含第一端以及第二端，第一耦合电容cp1的第一端电性耦接于放大器输入负端，第二耦合电容cp2的第一端电性耦接于放大器输入正端。

如图2所示，在取样时间中，第一开关sw1以及第二开关sw2分别配置以根据模式控制信号ckm的控制，使放大器输入正端以及放大器输入负端接收共模输入电压vcmi。

第三开关sw3以及第四开关sw4分别配置以根据模式控制信号ckm的控制，使第一耦合电容cp1以及第二耦合电容cp2的第二端接收共模输出电压vcmo。

进一步地，如图3所示，在保持时间中，第五开关sw5以及第六开关sw6分别配置以根据模式控制信号ckm的控制，使第一耦合电容cp1的第二端与放大器输出正端电性耦接以及使第二耦合电容cp2的第二端与放大器输出负端电性耦接。

于一实施例中，正端电容阵列110以及负端电容阵列120在取样时间中的位组合连接关系下具有第一等效电容值。第一耦合电容以及第二耦合电容分别具有耦合电容值。正端电容阵列110以及负端电容阵列120产生的增益为第一等效电容值相对耦合电容值的比值。

并且，正端电容阵列110以及负端电容阵列120在保持时间中的位组合连接关系下具有第二等效电容值。第一耦合电容以及第二耦合电容分别具有耦合电容值。正端电容阵列110以及负端电容阵列120产生的偏移量为第二等效电容值相对耦合电容值的比值。

更详细地说，差动输出信号vop及von的差vop-von可表示为：

vop-von＝(vip-vin)×ga±(vrt-vrb)×off(式1)

其中，ga以及off分别为增益及偏移量，并可进一步表示为：

ga＝(cgmsb+(cglsb)/(ctlsb+cb))/cf(式2)

off＝(comsb+(colsb)/(ctlsb+cb))/cf(式3)

其中，cgmsb以及comsb增益调整电容以及高位的位电容分别在一位组合连接关系下的总电容值：

cgmsb＝cg+cmn×gmn+cmn-1×gmn-1+…cm0×gm0(式4)

comsb＝cg+cmn×omn+cmn-1×omn-1+…cm0×om0(式5)

cglsb以及colsb为低位的位电容分别在一位组合连接关系下的总电容值：

cglsb＝cln×gln+cln-1×gln-1+…cl0×gl0(式6)

colsb＝cln×oln+cln-1×oln-1+…cl0×ol0(式7)

gmn、gmn-1、…gm0以及gln、gln-1、…gl0分别为各位电容的单位位增益。当位电容被选择以调整增益时为1，当位电容未被选择以调整增益时为0。omn、omn-1、…om0以及oln、oln-1、…ol0分别为各位电容的单位位偏移量。当位电容被选择以调整偏移量时为1，当位电容未被选择以调整偏移量时为0。

ctlsb为所有低位电容的电容值总和：

ctlsb＝cln+cln-1+…cl0(式8)

cb为中间电容cb的电容值。cf为第一耦合电容cp1以及第二耦合电容cp2分别具有的电容值。

当cb的数值为c、cln为2^lnc、cmn为2^mcc、cf为2^ln+1c且cg/cf为gc，且将mn、mn-1、…m0至ln、ln-1、…l0映射为k、k-1、…0时，(式2)及(式3)可化简为：

ga＝gc+gk/2¹+gk-1/2²+gk-2/2³+…g0/2^k+1(式9)

off＝ok/2¹+ok-1/2²+ok-2/2³+…o0/2^k+1(式10)

因此，在将增益ga以及偏移量off代回(式1)后，将成为：

vop-von＝(vip-vin)×(gc+gk/2¹+gk-1/2²+gk-2/2³+…g0/2^k+1)±(vrt-vrb)×(ok/2¹+ok-1/2²+ok-2/2³+…o0/2^k+1)(式11)

于一实施例中，取样保持放大电路100更包含控制电路190，配置以判断该对差动输出信号vop及von相对模拟至数字转换电路160的电压输入范围ran间的差距，以根据差距产生增益控制信号gl0至gln、gm0至gmn以及偏移量控制信号ol0至oln以及om0至omn，通过反馈的机制进行调整。

需注意的是，上述的实施方式仅为一范例。于其他实施例中，本领域的普通技术人员当可在不违背本发明的精神下进行更动。

综合上述，本发明的取样保持放大电路可有效地对输入信号相对共模输入电压进行增益以及偏移量的调整，符合后端电路的输入范围。

虽然本发明的实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本发明，本技术领域普通技术人员可依据本发明的明示或隐含的内容对本发明的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求的专利保护范畴，换言之，本发明的专利保护范围须视本说明书的权利要求所界定者为准。

【符号说明】

100：取样保持放大电路

110：正端电容阵列

120：负端电容阵列

130：正端切换阵列

140：负端切换阵列

150：差动输出电路

160：模拟至数字转换电路

170：调整选择单元

180：放大器

190：控制电路

cb：中间电容

cg：增益调整电容

ckm：模式控制信号

cl0至cln、cm0至cmn：位电容

cp1：第一耦合电容

cp2：第二耦合电容

gl0至gln、gm0至gmn：增益控制信号

nt：负输出端

ol0至oln、om0至omn：偏移量控制信号

pt：正输出端

ran：电压输入范围

s1：第一选择单元

s2：第二选择单元

s3：第三选择单元

sl0至sln、sm0至smn：切换电路

sw1至sw6：第一开关至第六开关

vcmi：共模输入电压

vcmo：共模输出电压

vin：负输入电压

vip：正输入电压

vn：负输出电压

vop、von：差动输出信号

vp：正输出电压

vrb：第二调整电压

vrt：第一调整电压。