电荷域电压信号放大电路及采用该放大电路的检测电路

摘要

本发明提供了一种新型电压小信号放大电路代替高功耗的基于运放的电压小信号放大电路，所述电荷域电压小信号放大电路包括：两个电荷存储节点、一个连接在两个电荷存储节点之间的电荷传输控制开关、连接到第一电荷存储节点的第一电容、连接到第二电荷存储节点的容值可编程电容、连接到第一电荷存储节点的第一电压传输开关、连接到第一电荷存储节点的第二电压传输开关、连接到第二电荷存储节点的第三电压传输开关和连接到第二电荷存储节点的第四电压传输开关。该电荷域电压小信号放大电路可以广泛应用于各类电压信号的检测和放大系统中。

权利要求

1.一种电荷域电压小信号放大电路，其特征是：包括两个电荷存储节点、一个连接在两个电荷存储节点之间的电荷传输控制开关、连接到第一电荷存储节点的第一电容、连接到第二电荷存储节点的容值可编程电容、连接到第一电荷存储节点的第一电压传输开关、连接到第一电荷存储节点的第二电压传输开关、连接到第二电荷存储节点的第三电压传输开关和连接到第二电荷存储节点的第四电压传输开关；

所述电荷域电压小信号放大电路的连接关系为：第一电容的一端连接到第一电荷存储节点，另一端连接到电荷传输控制时钟Clk；容值可编程电容的一端连接到第二电荷存储节点，另一端连接到电荷传输控制时钟Clkn；电荷传输控制开关的控制端连接到传输信号Clkt，电荷传输控制开关两端连接到第一和第二电荷存储节点；第一电压传输开关的一端连接到第一电荷存储节点，另一端连接到基准电压1，开关控制信号接Clkr；第二电压传输开关的一端连接到第一电荷存储节点，另一端连接到输入电压Vi，开关控制信号接Clks；第三电压传输开关的一端连接到第二电荷存储节点，另一端连接到基准电压2，开关控制信号接Clkr；第四电压传输开关的一端连接到第二电荷存储节点，另一端连接到输出电压Vo，开关控制信号接Clkt。

2.如权利要求1所述电荷域电压小信号放大电路，其特征是：在完成一次电压放大后，输出电压与输入电压的关系为放大系数为-C302/C305的线性关系，其中：C302和C305分别为第一电容和容值可编程电容的电容值。

3.一种使用电荷域电压小信号放大电路进行信号检测的电路，其特征包括：传感器、电荷域电压小信号放大电路、模数转换器和控制电路；所述使用电荷域电压小信号放大电路进行信号检测的电路其连接关系为：传感器的输出电压连接到电荷域电压小信号放大电路的输入电压端口，电荷域电压小信号放大电路的输出电压端口连接到模数转换器的模拟电压输入端口，模数转换器的量化码输出端连接到控制电路的数字码输入端，控制电路的第一控制信号产生端口输出时钟Clkr到电荷域电压小信号放大电路的Clkr时钟输入端口，控制电路的第二控制信号产生端口输出时钟Clks到电荷域电压小信号放大电路的Clks时钟输入端口，控制电路的第三控制信号产生端口输出时钟Clk到电荷域电压小信号放大电路的Clk时钟输入端口，控制电路的第四控制信号产生端口输出时钟Clkn到电荷域电压小信号放大电路的Clkn时钟输入端口，控制电路的第五控制信号产生端口输出时钟Clkt到电荷域电压小信号放大电路的Clkt时钟输入端口和模数转换器的数据输出控制端。

4.如权利要求3所述一种使用电荷域电压小信号放大电路进行信号检测的电路，其特征是其使用方法为：首先控制电路的第一控制信号产生端口输出时钟Clkr控制电荷域电压小信号放大电路的状态进行复位；其次，控制电路的第二控制信号产生端口输出时钟Clks控制电荷域电压小信号放大电路对传感器输入电压信号进行采样；再次，控制电路的第三控制信号产生端口输出时钟Clk和第四控制信号产生端口输出时钟Clkn控制电荷域电压小信号放大电路对采样得到的电压信号进行放大得到输出电压；最后，控制电路的第五控制信号产生端口输出时钟Clkt控制电荷域电压小信号放大电路将输出电压输出给模数转换器，控制电路的第五控制信号产生端口同时还输出时钟Clkt控制模数转换器将接收到的电压进行模数转换并将转换得到的量化码输出到控制电路的数字码输入端。

说明书

电荷域电压信号放大电路及采用该放大电路的检测电路

技术领域

[0001] 本发明涉及一种小信号处理电路，具体来说是一种采用电荷域信号处理技术的小信号放大电路。

背景技术

[0002] 随着数字信号处理技术的不断发展，电子系统的数字化和集成化是必然趋势。任何电子系统中，模拟小信号的检测放大都是重要环节，随着节能环保要求的日益提高，小信号检测放大处理电路的能耗也应当进一步优化，特别在便携式终端产品中，其功耗应该最小化。

[0003] 现有的小信号放大电路主要基于运算放大器，有同相输入端和反相输入端，输入端的极性和输出端是同一极性的就是同相放大器，而输入端的极性和输出端相反极性的则称为反相放大器。如图1所示为常用电压反向放大器电路，因为运放输入端电压为零，又因为同相输入端接地，由此得出反相输入端实际上也是接地的。这就意味着所有的输入电压Vi跨接在电阻器R1两端，所有输出电压Vo跨接在电阻器R2两端。因此，流入反相输入端的电流之和是Vi/R1+Vo/R2＝0即Vo＝-R2/R1*Vi。因此，电压增益是G＝-(R2/R1)，即反馈电阻器的电阻除以输入电阻器的电阻的负值。图2所示为常用的具有更大放大倍数的电压检测放大电路原理图，采用两级图1所示电路级联而成，电压增益是G＝(R2/R1)2。

[0004] 上述电压放大检测放大电路的工作完全依赖与运算放大器的负反馈来保证信号放大的速度，对于理想运放，放大电路精度取决于电阻R2/R1的比值。实际电路中，运放的增益和带宽都是有限的，这取决于运放的增益带宽积，而高增益大带宽运放电路需要大量的功耗开销，因此设计新型电压小信号放大电路代替高功耗的基于运放的电压小信号放大电路很有现实意义。

发明内容

[0005] 本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种不使用高增益运放的新型低功耗电压小信号放大电路。

[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

[0007] 一种电荷域电压小信号放大电路，其特征是：包括两个电荷存储节点、一个连接在两个电荷存储节点之间的电荷传输控制开关、连接到第一电荷存储节点的第一电容、连接到第二电荷存储节点的容值可编程电容、连接到第一电荷存储节点的第一电压传输开关、连接到第一电荷存储节点的第二电压传输开关、连接到第二电荷存储节点的第三电压传输开关和连接到第二电荷存储节点的第四电压传输开关；

[0008] 所述电荷域电压小信号放大电路的连接关系为：第一电容的一端连接到第一电荷存储节点，另一端连接到电荷传输控制时钟Clk；容值可编程电容的一端连接到第二电荷存储节点，另一端连接到电荷传输控制时钟Clkn；电荷传输控制开关的控制端连接到传输信号Clkt，电荷传输控制开关两端连接到第一和第二电荷存储节点；第一电压传输开关的一端连接到第一电荷存储节点，另一端连接到基准电压1，开关控制信号接Clkr；第二电压传输开关的一端连接到第一电荷存储节点，另一端连接到输入电压Vi，开关控制信号接Clks；第三电压传输开关的一端连接到第二电荷存储节点，另一端连接到基准电压2，开关控制信号接Clkr；第四电压传输开关的一端连接到第二电荷存储节点，另一端连接到输出电压Vo，开关控制信号接Clkt。

[0009] 所述电荷域电压小信号放大电路，其特征是：在完成一次电压放大后，输出电压与输入电压的关系为放大系数为-C302/C305的线性关系，其中：C302和C305分别为第一电容和容值可编程电容的电容值。

[0010] 一种使用电荷域电压小信号放大电路进行信号检测的电路，其特征是包括：传感器、电荷域电压小信号放大电路、模数转换器和控制电路；所述使用电荷域电压小信号放大电路进行信号检测的电路其连接关系为：传感器的输出电压连接到电荷域电压小信号放大电路的输入电压端口，电荷域电压小信号放大电路的输出电压端口连接到模数转换器的模拟电压输入端口，模数转换器的量化码输出端连接到控制电路的数字码输入端，控制电路的第一控制信号产生端口输出时钟Clkr到电荷域电压小信号放大电路的Clkr时钟输入端口，控制电路的第二控制信号产生端口输出时钟Clks到电荷域电压小信号放大电路的Clks时钟输入端口，控制电路的第三控制信号产生端口输出时钟Clk到电荷域电压小信号放大电路的Clk时钟输入端口，控制电路的第四控制信号产生端口输出时钟Clkn到电荷域电压小信号放大电路的Clkn时钟输入端口，控制电路的第五控制信号产生端口输出时钟Clkt到电荷域电压小信号放大电路的Clkt时钟输入端口和模数转换器的数据输出控制端。

[0011] 一种使用电荷域电压小信号放大电路进行信号检测的使用方法，其特征是：首先控制电路的第一控制信号产生端口输出时钟Clkr控制电荷域电压小信号放大电路的状态进行复位；其次，控制电路的第二控制信号产生端口输出时钟Clks控制电荷域电压小信号放大电路对传感器输入电压信号进行采样；再次，控制电路的第四和第四控制信号产生端口同时输出时钟Clk和Clkn控制电荷域电压小信号放大电路对采样得到的电压信号进行放大得到输出电压；最后，控制电路的第五控制信号产生端口输出时钟Clkt控制电荷域电压小信号放大电路将输出电压输出给模数转换器，控制电路的第五控制信号产生端口同时还输出时钟Clkt控制模数转换器将接收到的电压进行模数转换并将转换得到的量化码输出到控制电路的数字码输入端。

[0012] 本发明的优点是：所设计的小信号放大电路不使用高增益运放，具有低功耗和高速特点。

附图说明

[0013] 图1为现有电压小信号检测放大电路原理示意图。

[0014] 图2为现有级联形式的电压小信号检测放大电路原理示意图。

[0015] 图3为本发明电荷域电压小信号放大电路原理图。

[0016] 图4为本发明电荷域电压小信号放大电路工作波形图。

[0017] 图5为本发明使用电荷域电压小信号放大电路进行信号检测的电路框图。

具体实施方式

[0018] 下面将结合附图对本发明优选实施方案进行详细说明。

[0019] 图3为本发明电荷域电压小信号放大电路原理图。电荷域电压小信号放大电路包括：两个电荷存储节点Ni和No、一个连接在两个电荷存储节点之间的电荷传输控制开关301、连接到第一电荷存储节点Ni的第一电容302、连接到第二电荷存储节点No的容值可编程电容305、连接到第一电荷存储节点Ni的第一电压传输开关303、连接到第一电荷存储节点Ni的第二电压传输开关304、连接到第二电荷存储节点No的第三电压传输开关307和连接到第二电荷存储节点No的第四电压传输开关306。

[0020] 上述电路的连接关系为：第一电容的一端连接到第一电荷存储节点，另一端连接到电荷传输控制时钟Clk；容值可编程电容305的一端连接到第二电荷存储节点，另一端连接到电荷传输控制时钟Clkn；电荷传输控制开关的控制端连接到传输信号Clkt，电荷传输控制开关两端连接到第一和第二电荷存储节点Ni和No；第一电压传输开关303的一端连接到第一电荷存储节点，另一端连接到基准电压1Vr1，开关控制信号接Clkr；第二电压传输开关304的一端连接到第一电荷存储节点，另一端连接到输入电压Vi，开关控制信号接Clks；第三电压传输开关307的一端连接到第二电荷存储节点，另一端连接到基准电压2Vr2，开关控制信号接Clkr；第四电压传输开关306的一端连接到第二电荷存储节点，另一端连接到输出电压Vo，开关控制信号接Clkt。

[0021] 该电荷域电压小信号放大电路工作波形示意图如图4所示。控制时钟Clk和Clkn为相位相反时钟，开关控制信号Clkr、Clks和Clkt为相位不交叠时钟。在t0时刻以前，第一和第二电荷存储节点Ni和No上存储着各自独立的电荷，所有电压传输开关和电荷传输控制开关均处于关闭状态，电路处于未启动。

[0022] 当t0时刻到来时，Clkr的状态发生变化，Clkr由低电平向高电平切换，第一电压传输开关303和第三电压传输开关307导通；第一电荷存储节点Ni被第一电压传输开关复位到基准电压1Vr1；第二电荷存储节点No被第三电压传输开关复位到基准电压2Vr2。

[0023] 当t1时刻到来时，Clkr和Clks的状态发生变化，Clkr变为低电平，Clks由低电平向高电平切换；第一电压传输开关303和第三电压传输开关307关断，第二电压传输开关304导通；第一电荷存储节点Ni被第二电压传输开关连接到输入电压Vi；第二电荷存储节点No保持Vr2不变。

[0024] 当t2时刻到来时，控制时钟Clks、Clk和Clkn的状态发生变化，Clks变为低电平，Clkn由低电平向高电平切换，Clk由高电平向低电平切换，此时由于各电荷存储节点上连接的电容302和305上所存储电荷不会发生突变，第一和第二电荷存储节点Ni和No上的电压就会发生阶跃变化，第一电荷存储节点Ni上的电压被拉低，而第二电荷存储节点No上的电压被拉高，由于此时第一和第二电荷存储节点Ni和No上的电荷不存在泄放通路，第一和第二电荷存储节点Ni和No上的电压将保持不变并且存在一个明显的电压差。

[0025] 当t3时刻到来时，电荷传输控制开关的开关控制信号Clkt变为高电平，电荷传输控制开关301导通，第一和第二电荷存储节点Ni和No之间便存在一个电荷泄放通路，由于此时第一和第二电荷存储节点Ni和No上的电压存在一个明显的电压差，即VNi小于VNo，该电压差的存在会导致第一和第二电荷存储节点Ni和No之间产生感生电场，导致第一和第二电荷存储节点Ni和No上存储的电荷在感生电场的作用下发生转移，假设电荷以电子的形式运动，则电子的运动方向为由第一电荷存储节点Ni向第二电荷存储节No运动，引起第一电荷存储节点Ni的电压升高，第二电荷存储节No的电压降低，随着电荷的不断转移两电荷存储节点之间的电压差不断减小，引起第一和第二电荷存储节点Ni和No之间的感生电场逐渐减小，电荷转移速度不断降低，电压变化速率也随之降低，若电荷传输控制开关301一直导通，则该电荷传输转移过程将会一直持续，直到第一和第二电荷存储节点Ni和No之间的电压相等，感生电场为0。

[0026] 随着t4时刻的到来，Clkt变为低电平，电荷传输控制开关301关断，第一和第二电荷存储节点Ni和No之间存在电荷泄放通路被断开，第一和第二电荷存储节点Ni和No之间的电荷转移工作结束。由于不存在泄放通路，第一和第二电荷存储节点Ni和No上的电压将保持不变。电荷由第一电荷存储节点Ni向第二电荷存储节点No的传输工作完成。

[0027] 上述过程中，若电荷传输过程中没有损失，假设第一电容和容值可编程电容的电容值分别为C302和C305，则流出第一电荷存储节点Ni的电荷为Qi＝C302*ΔVi，注入第二电荷存储节点No的电荷为Qo＝C305*ΔVo，并且有Qi＝C302*ΔVi＝Qo＝C305*ΔVo。根据电荷守恒定理，t1到t4之间电荷有效传输，计算C302上传出的电荷QS。

[0028] QS＝C305·(Vo-VP)＝[(Vr1-Vi)-(VS-VL)]·C302   (1)

[0029] 经整理后，可得：

[0030] QS＝-Vi·C302+QT   (2)

[0031] 其中，QT＝(VL+Vr1-VS)·C302，VL、VP和VS均为固定电压，VL为t3时刻前Ni点的电压，VP为t3时刻前No点的电压；VS为t4时刻Ni点的电压。在电路完成设计之后，忽略基准电压变化带来的扰动，QT为一个常数。由于QS＝C302*ΔVi＝C305*ΔVo，则有：

[0032]

[0033] 公式(3)中第一项为电容比例线性关系，后两项均为固定值。可以看出，电压传输完成之后，输出电压与输入电压的关系为放大系数为-C302/C305的线性关系。即输出电压变化量和输入电压变化量的比值为第一电容和容值可编程电容的容值之比值，通过设置两个电容比值即可精确控制输出电压信号对输入电压信号的放大倍数。并且电荷若以正电荷的形式进行传输，只需将电荷传输过程中电荷传输节点之间的电压差方向改变即可。

[0034] 对图3所示电路进行差动处理后，公式(2)中的QT将被消去，得到下式：

[0035] QS,diff＝-[Vin-Vip]·C302   (4)

[0036] VNon-VNop＝-[Vin-Vip]·C302/C305   (5)

[0037] 电压传输完成之后，输出电压与输入电压的关系同样为放大系数为-C302/C305的线性关系。

[0038] 本发明中所述的电荷传输控制开关可以采用发明号为201010291245.6的发明专利中所述的实施方式来实现，所述的电压传输开关可以采用通用MOS管或者BJT开关实现。

[0039] 图5为本发明使用电荷域电压小信号放大电路进行信号检测的电路框图。其电路结构包括：传感器、电荷域电压小信号放大电路、模数转换器(ADC)和控制电路。电路的连接关系为：传感器的输出电压Vi连接到电荷域电压小信号放大电路的输入电压端口，电荷域电压小信号放大电路的输出电压端口连接到模数转换器的模拟电压输入端口，模数转换器的量化码输出端连接到控制电路的数字码输入端，控制电路的第一控制信号产生端口输出时钟Clkr到电荷域电压小信号放大电路的Clkr时钟输入端口，控制电路的第二控制信号产生端口输出时钟Clks到电荷域电压小信号放大电路的Clks时钟输入端口，控制电路的第三控制信号产生端口输出时钟Clk到电荷域电压小信号放大电路的Clk时钟输入端口，控制电路的第四控制信号产生端口输出时钟Clkn到电荷域电压小信号放大电路的Clkn时钟输入端口，控制电路的第五控制信号产生端口输出时钟Clkt到电荷域电压小信号放大电路的Clkt时钟输入端口和模数转换器的数据输出控制端。

[0040] 图5所示电路的工作时序完全采用图4给出的工作波形示意图。电路的工作原理为：首先控制电路的第一控制信号产生端口输出时钟Clkr控制电荷域电压小信号放大电路的状态进行复位；其次，控制电路的第二控制信号产生端口输出时钟Clks控制电荷域电压小信号放大电路对传感器输入电压信号Vi进行采样；再次，控制电路的第三和第四控制信号产生端口同时输出时钟Clk和Clkn控制电荷域电压小信号放大电路对采样得到的电压信号Vi进行放大得到输出电压Vo；最后，控制电路的第五控制信号产生端口输出时钟Clkt控制电荷域电压小信号放大电路将输出电压Vo输出给模数转换器，控制电路的第五控制信号产生端口同时还输出时钟Clkt控制模数转换器将接收到的电压Vo进行模数转换并将转换得到的量化码输出到控制电路的数字码输入端。

[0041] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。