減小斬波放大器輸出紋波的電路、測量裝置及信號測量方法

2023-06-10 12:49:26 3

專利名稱：減小斬波放大器輸出紋波的電路、測量裝置及信號測量方法
技術領域：
本發明屬於模擬電路設計領域，特別是涉及一種減小斬波放大器輸出紋波的電路、測量裝置及測量放大信號的方法。
背景技術：
儀表放大器能夠放大微弱的信號，是一種工作在低頻、具有低噪聲、低失調的高性能模擬電路，有廣泛的應用。為了降低放大器自身的失調電壓和低頻噪聲對輸入信號的幹擾，通常可以使用斬波的方法將輸入信號先調製到高頻，和放大器的低頻幹擾信號在頻域上分離，輸入信號放大後再調製回低頻，與此同時低頻幹擾信號卻被調製到高頻，從而提高了放大器所能處理信號的精度。但是，在如圖1所示的典型信號測量電路中，放大器輸出端存在的被調製到高頻的幹擾信號會和低頻輸出信號疊加，形成較大幅度的紋波，這往往需要截止頻率很低的高階低通濾波器將其濾除，然後再將濾波後的信號送入模數轉換器(ADC)，將模擬輸出信號轉換為數字輸出信號。該濾波器對ADC而言起到抗混疊的作用。滿足這種要求的濾波器實現起來十分困難和複雜。經典開關電容採樣求和電路(或稱開關電容積分器)如圖2所示。其中op-amp是運算放大器，Cl和C2是電容器，4個開關在兩相時鐘￠1和￠2的控制下實現對輸入信號vin的積分，得到輸出信號vout，實現對信號的採樣求和。

發明內容
本發明的目的在於提出一種減小斬波放大器輸出紋波的電路。

另一目的在於提出具有該電路的測量裝置。又一目的在於提出一種測量放大信號的方法。為實現上述目的，本發明採用以下技術方案一種減小斬波放大器輸出紋波的電路，包括開關電容採樣求和電路，所述開關電容米樣求和電路包括第一開關電容電路與求和電路，所述第一開關電容電路的輸出端連接所述求和電路的輸入端，所述開關電容採樣求和電路還包括與所述第一開關電容電路並聯且結構相同的第二開關電容電路，所述第二開關電容電路的輸出端連接所述求和電路的輸入端。所述第一開關電容電路包括第一開關、第二開關、第三開關、第四開關和第一電容器，所述第二開關電容電路包括第五開關、第六開關、第七開關、第八開關和第二電容器，所述第一開關的一端和所述第五開關的一端相連，所述第一開關的另一端與所述第一電容器的一端以及所述第二開關的一端相連，所述第二開關的另一端接交流地，所述第一電容器的另一端與所述第三開關的一端以及所述第四開關的一端相連，所述第三開關的另一端接交流地，所述第四開關的另一端與所述求和電路的輸入端相連，所述第五開關的另一端與所述第二電容器的一端以及所述第六開關的一端相連，所述第六開關的另一端接交流地，所述第二電容器的另一端與所述第七開關的一端以及所述第八開關的一端相連，所述第七開關的另一端接交流地，所述第八開關的另一端與所述求和電路的輸入端相連。所述求和電路為積分器。一種測量裝置，包括斬波放大器和所述的減小斬波放大器輸出紋波的電路。一種測量裝置，包括斬波放大器和模數轉換器，還包括第一開關電容電路以及與所述第一開關電容電路並聯且結構相同的第二開關電容電路，所述第一開關電容電路和所述第二開關電容電路的輸入端連接所述斬波放大器的輸出端，所述第一開關電容電路和所述第二開關電容電路的輸出端連接所述模數轉換器的第一級積分器的輸入端。一種測量放大信號的方法，使用所述的減小斬波放大器輸出紋波的電路，所述方法包括以下步驟對於一個斬波周期，在第一個1/4斬波周期的時間內，控制第一開關電容電路的開關動作，將該抽樣時刻獲得的信號和紋波存儲在第一開關電容電路的電容器上；在第三個1/4斬波周期的時間內，控制第二開關電容電路的開關動作，將該抽樣時刻獲得的信號和紋波存儲在第二開關電容電路的電容器上；在第四個1/4斬波周期的時間內，控制第一開關電容電路和第二開關電容電路的開關動作，將存儲在第一開關電容電路和第二開關電容電路的電容器上的電壓通過電荷轉移實現相加。一種測量放大信號的方法，使用所述的減小斬波放大器輸出紋波的電路，所述方法包括以下步驟對於一個斬波周期，在第一個1/4斬波周期的時間內，控制第一開關和第三開關閉合，將該抽樣時刻獲得的信號和紋波存儲在第一電容器上；在第三個1/4斬波周期的時間內，控制第五開關和第七開關閉合，將該抽樣時刻獲得的信號和紋波存儲在第二電容器上；在第四個1/4斬波周期的時間內，控制第二開關、第四開關、第六開關和第八開關閉合，將存儲在第一電容器和第二電容器上的電壓通過電荷轉移實現相加。本發明的有益技術效果通過在斬波放大器後設置兩路並聯的開關電容電路，控制開關電容電路的時序，可以利用積分器的模擬加法功能對斬波放大器輸出信號中的殘餘紋波進行一階整形(電壓求平均)，從而降低紋波幅度，削弱其對於模數轉換器轉換精度的影響。該電路不需要斬波放大器和模數轉換器之間的模擬低通濾波器，節約了功耗、面積，簡化了電路的設計。具體來說，包括以下幾個突出優點其一，不需要使用低通濾波器，從而降低了整體電路的功耗和面積。其二，開關電容採樣求和電路中的積分器可利用模數轉換器中的第一級積分器實現，既不增加電路設計的複雜度，又不額外消耗面積和功耗。其三，本發明提出的電路其工作頻率就是斬波頻率，不需要其他的參考頻率，且採樣求和電路對其中運放的指標要求較低，運放容易實現。


圖1是傳統結構的信號放大及模數轉換電路；圖2是經典積分器的原理圖；圖3是本發明消除斬波殘留紋波的原理性說明；圖4是本發明實施例的減小斬波放大器輸出紋波的電路的原理圖；圖5是圖4中時鐘信號的工作時序圖；圖6是圖4的簡化表示；圖7是本發明實施例的測量裝置的電路原理框圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對減小斬波放大器輸出紋波的電路的實施例作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的範圍及其應用。圖3是斬波放大器輸出信號及其上疊加的紋波信號的示意圖。圖中VS表示輸出信號，三角波形狀的Vch表示在放大器輸出端殘留的紋波信號，其頻率表示為fch。由於斬波信號的頻率fch遠遠高於輸出信號的頻率，因此在一個斬波周期Tch內，輸出信號VS基本不變，而紋波信號Vch相對於輸出信號VS呈上下對稱的分布。根據這一特點，在一個斬波周期Tch內對包含輸出信號VS和紋波信號Vch的總信號採樣兩次，採樣間隔為Tch/2，則如圖3例，第一次採樣的輸出為公式(1)，第二次採樣的輸出為公式(2)，兩次採樣求和後的輸出為公式(3)。VA = VS+ A V (I)VB = VS-AV (2)VA+VB = VS+ A V+VS- A V = 2VS (3)從公式(3)可見，通過對兩次採樣電壓VA和VB求和，可以消除紋波，保留輸出信號。發明人注意到，在一個斬波周期Tch內，紋波相對於輸出信號是對稱分布的，因此只要是間隔Tch/2的兩次採樣，其求和結果都滿足公式(3)，而和採樣的時刻無關。請參閱圖4，在一個實施例裡，一種減小斬波放大器輸出紋波的電路，包括開關電容採樣求和電路，所述開關電容採樣求和電路包括第一開關電容電路、第二開關電容電路與求和電路，第二開關電容電路與所述第一開關電容電路並聯且結構相同，第一開關電容電路、第二開關電容電路的輸出端連接所述求和電路的輸入端。如圖4所示，優選地，所述第一開關電容電路包括第一開關、第二開關、第三開關、第四開關(按圖中從左至右的方向)和第一電容器C11，所述第二開關電容電路包括第五開關、第六開關、第七開關、第八開關(按圖中從左至右的方向)和第二電容器C12，所述第一開關的一端和所述第五開關的一端相連，所述第一開關的另一端與所述第一電容器Cll的一端以及所述第二開關的一端相連，所述第二開關的另一端接交流地，所述第一電容器Cll的另一端與所述第三開關的一端以及所述第四開關的一端相連，所述第三開關的另一端接交流地，所述第四開關的另一端與所述求和電路的輸入端相連，所述第五開關的另一端與所述第二電容器C12的一端以及所述第六開關的一端相連，所述第六開關的另一端接交流地，所述第二電容器C12的另一端與所述第七開關的一端以及所述第八開關的一端相連，所述第七開關的另一端接交流地，所述第八開關的另一端與所述求和電路的輸入端相連。第一開關電容電路及第二開關電容電路中開關、電容的具體數量和連接形式並不限於上述例子，只要是能實現與經典的開關電容電路同樣的採樣功能即可。如圖4所示，所述求和電路可以是積分器。典型地，該積分器可包括一個運放op-amp和一個電容器C2。兩條相同的開關電容電路並聯在運放op-amp的輸入端。在所述開關電容採樣求和電路的基礎上，實現對一個斬波周期Tch內的信號進行兩次採樣並求和。如圖4所示，第一開關電容電路的開關所對應的控制時鐘為￠1和小3，第二開關電容電路的開關所對應的控制時鐘為￠2和$3，$1、$ 2、$ 3的時序關係如圖5所示。對於一個斬波周期Tch，在第一個1/4斬波周期的時間內，I有效(圖中￠1為高電平表示有效)，使得0 I控制的開關閉合，從而將該抽樣時刻獲得的信號和紋波V(Ctl)存儲在電容Cll上；在第三個1/4斬波周期的時間內，￠2有效(圖中￠2為高電平表示有效)，且小I和0 2恰好間隔Tch/2，2控制對應的開關閉合，從而將該抽樣時刻獲得的信號和紋波V(ct2)存儲在電容器C12上；在第四個1/4斬波周期的時間內，￠3有效(圖中￠3為高電平表示有效)，￠3控制對應的開關閉合，這時存儲在電容器Cll上的電壓V(C^l)和存儲在電容器C12上的電壓V ( 0 2)通過電荷轉移實現相加，如果電容器Cl I和電容器C12相等，且根據上文中的原理分析，則￥((^1)+￥((^2)的輸出信號中只保留了低頻的有用信號，而消除了高頻的紋波信號。圖4中的電路使用了一個積分器，圖4可以簡化為圖6來表示。在測量裝置的一個實施例裡，當斬波放大器的輸出需要通過ADC轉變為數位訊號的時候，可以將斬波放大器的輸出送入圖6所示的開關電容採樣求和電路，而圖6中的積分器恰好就可以使用模數轉換器例如sigma-delta ADC中固有的第一級積分器。這樣斬波放大器、開關電容採樣求和電路、sigma-delta ADC可以直接級聯,斬波放大器和ADC之間不需要低通濾波器。圖7是測量裝置的一個實施例的電路原理框圖。斬波放大器和開關電容採樣求和電路級聯，而採樣求和電路中的運算放大器就是後面sigma-delta ADC中的第一級積分器，該積分器的輸出再送給ADC的 後級電路。在該實施例中，第二開關和第四開關的另一端接ADC的反饋信號Vref (也是交流地)。由上述說明可知，本發明實施例的電路不需要低通濾波器，具有面積小、功耗低的特點。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種減小斬波放大器輸出紋波的電路，包括開關電容採樣求和電路，所述開關電容採樣求和電路包括第一開關電容電路與求和電路，所述第一開關電容電路的輸出端連接所述求和電路的輸入端，其特徵在於，所述開關電容採樣求和電路還包括與所述第一開關電容電路並聯且結構相同的第二開關電容電路，所述第二開關電容電路的輸出端連接所述求和電路的輸入端。
2.如權利要求1所述的減小斬波放大器輸出紋波的電路，其特徵在於，所述第一開關電容電路包括第一開關、第二開關、第三開關、第四開關和第一電容器，所述第二開關電容電路包括第五開關、第六開關、第七開關、第八開關和第二電容器，所述第一開關的一端和所述第五開關的一端相連，所述第一開關的另一端與所述第一電容器的一端以及所述第二開關的一端相連，所述第二開關的另一端接交流地，所述第一電容器的另一端與所述第三開關的一端以及所述第四開關的一端相連，所述第三開關的另一端接交流地，所述第四開關的另一端與所述求和電路的輸入端相連，所述第五開關的另一端與所述第二電容器的一端以及所述第六開關的一端相連，所述第六開關的另一端接交流地，所述第二電容器的另一端與所述第七開關的一端以及所述第八開關的一端相連，所述第七開關的另一端接交流地，所述第八開關的另一端與所述求和電路的輸入端相連。
3.如權利要求1或2所述的減小斬波放大器輸出紋波的電路，其特徵在於，所述求和電路為積分器。
4.一種測量裝置，包括斬波放大器，其特徵在於，還包括如權利要求1-3任一項所述的減小斬波放大器輸出紋波的電路。
5.一種測量裝置，包括斬波放大器和模數轉換器，其特徵在於，還包括第一開關電容電路以及與所述第一開關電容電路並聯且結構相同的第二開關電容電路，所述第一開關電容電路和所述第二開關電容電路的輸入端連接所述斬波放大器的輸出端，所述第一開關電容電路和所述第二開關電容電路的輸出端連接所述模數轉換器的第一級積分器的輸入端。
6.一種測量放大信號的方法，其特徵在於，使用如權利要求1所述的減小斬波放大器輸出紋波的電路，所述方法包括以下步驟 對於一個斬波周期，在第一個1/4斬波周期的時間內，控制第一開關電容電路的開關動作，將該抽樣時刻獲得的信號和紋波存儲在第一開關電容電路的電容器上； 在第三個1/4斬波周期的時間內，控制第二開關電容電路的開關動作，將該抽樣時刻獲得的信號和紋波存儲在第二開關電容電路的電容器上； 在第四個1/4斬波周期的時間內，控制第一開關電容電路和第二開關電容電路的開關動作，將存儲在第一開關電容電路和第二開關電容電路的電容器上的電壓通過電荷轉移實現相加。
7.一種測量放大信號的方法，其特徵在於，使用如權利要求2或3所述的減小斬波放大器輸出紋波的電路，所述方法包括以下步驟 對於一個斬波周期，在第一個1/4斬波周期的時間內，控制第一開關和第三開關閉合，將該抽樣時刻獲得的信號和紋波存儲在第一電容器上； 在第三個1/4斬波周期的時間內，控制第五開關和第七開關閉合，將該抽樣時刻獲得的信號和紋波存儲在第二電容器上； 在第四個1/4斬波周期的時間內，控制第二開關、第四開關、第六開關和第八開關閉合，將存儲在第一電容器和第二電容器上的電壓通過電荷轉移實現相加。
全文摘要
本發明公開了一種減小斬波放大器輸出紋波的電路，包括開關電容採樣求和電路，所述開關電容採樣求和電路包括第一開關電容電路、第二開關電容電路與求和電路，所述第二開關電容電路與所述第一開關電容電路並聯且結構相同，所述第一開關電容電路與所述第二開關電容電路的輸出端連接所述求和電路的輸入端。在此還公開了一種測量裝置以及測量放大信號的方法，使用所述的減小斬波放大器輸出紋波的電路。本發明能降低斬波放大器輸出紋波幅度，且不需要使用模擬低通濾波器，節約了功耗、面積，簡化了電路的設計。
文檔編號H03F1/02GK103066930SQ201210562798
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者姜琿, 王自強, 張春, 麥宋平, 陳虹, 姜漢鈞, 王志華 申請人:清華大學深圳研究生院