阅读说明：本技术 一种单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器 (Single-ended output low-noise fully-differential switch capacitor filter ) 是由 李恒 王磊 于 2020-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器,通过将双端转单端电路内置在全差分开关电容滤波器的环路内,所述双端转单端电路的输出端通过开关管与全差分开关电容滤波器的反馈电容对相连。本发明的结构不仅能实现传统的双端转单端输出的功能,还能实现抑制双端转单端电路的噪声和失配影响、以及slew rate带来的信号非线性。(The invention provides a single-ended output low-noise fully-differential switched capacitor filter, wherein a double-end-to-single-end circuit is arranged in a loop of the fully-differential switched capacitor filter, and the output end of the double-end-to-single-end circuit is connected with a feedback capacitor pair of the fully-differential switched capacitor filter through a switch tube. The structure of the invention can not only realize the function of traditional double-end-to-single-end output, but also inhibit the noise and mismatch influence of the double-end-to-single-end circuit and the signal nonlinearity brought by the slew rate.)

一种单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器

技术领域

本发明涉及传感器和其他物理信号的采集、放大、模数转换(ADC)，适用于高灵敏度信号链路系统，尤其是弱信号传感器的信号采集和调理，在汽车、家电、工业自动化、机器人、物联网以及军工领域有广泛适用性。

背景技术

为了从一个开关电容滤波器的双端输出信号得到一个单端信号，传统的方式如图1所示。全差分开关电容滤波器(图中示意的SCF是1阶低通滤波器，但是本文所指不仅限于此)的双端输出直接接一个双端转单端电路，以实现所需要求。

其中，119是输入信号，120是输入的直流偏置电压；

128为全差分放大器，124是差分放大器；

114，111为SCF的积分电容；

103，116为SCF的输入级采样电容；

102，112为SCF的反馈电容；

108，110为SCF的开关部件，受时序图中的131时序控制；

107，109，106，115为SCF的开关部件，受时序图中的132时序控制，为避免开关关断时电荷注入对信号的影响，132时序的下降沿要比131时序来的晚一些；

104，117为SCF的开关部件，受时序图中的133时序控制；

101，118，105，113为SCF的开关部件，受时序图中的134时序控制，为避免开关关断时电荷注入对信号的影响，134时序的下降沿要比133时序来的晚一些；

133，134时序与131，132时序互相非交叠。

121，122，126，127为双端转单端电路中的阻抗部件，虽然图中示意为电阻，但本文所指不仅限至此，例如也有可能是使用开关电容技术实现的阻抗部件；

123，125为双端转单端电路中的电容器件。

以上描述的是传统全差分开关电容滤波器双端转单端电路架构。由于其双端转单端电路与全差分开关电容滤波器电路相对独立，以直接级联的方式实现，其不可避免有以下缺陷：

1)，双端转单端电路的噪声和失调会直接对输出电压产生影响。这些噪声和失调来源包括差分放大器124，阻抗器件121、126、127等；

2)，若想弥补上述缺陷1)，势必需要增大差分放大器124的面积和功耗，以及电阻器121、127、122、126的面积，以降低它们带来的失配和噪声。与此同时，对于这些器件在晶片中的layout也需谨慎布置，以降低失配。

3)，开关电容滤波器的slew rate带来的影响，会加重最终单端输出的信号非线性。原因在于，如图5所示，slew rate会导致开关电容滤波器输出有一个跟信号相关的glitch产生，这个glitch大小随信号幅度变化，信号幅度越大，glitch对信号的影响也会越大，这会使信号非线性加剧。

本文基于以上传统结构，提出了一种创新的结构，这种新的结构在完成传统任务的同时，也解决了上述缺陷。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器，通过将双端转单端电路内置在全差分开关电容滤波器的环路内，实现抑制双端转单端电路的噪声和失配影响、以及slew rate带来的信号非线性。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器，全差分开关电容滤波器的环路内置双端转单端电路，所述双端转单端电路的输出端通过开关管与全差分开关电容滤波器的反馈电容对相连。

进一步的，本发明的单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器，双端转单端电路的输出端与开关管之间设有缓冲器，所述缓冲器由电阻电容或运放组成。

进一步的，本发明的单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器，包括：信号源、方波发生器、全差分放大器、差分放大器、1对采样电容、1对反馈电容、1对积分电容、6对开关管、4个电阻和2个电容，6对开关管均与方波发生器连接；其中，信号源包括输入信号源和直流偏置电压源，输入信号源和直流偏置电压源依次相连，直流偏置电压源的另一端接地；第九开关管的一端接输入信号源获取输入信号，第九开关管的另一端与第三开关管的一端、第一采样电容的一端共接，第三开关管的另一端接地；第一采样电容的另一端与第一开关管的一端、第七开关管的一端、第一反馈电容的一端共接，第一开关管的另一端接地；第七开关管的另一端、第一积分电容的一端均连接全差分放大器的反相输入端，第一积分电容的另一端、第一电阻的一端均连接全差分放大器的同相输出端；第一电阻的另一端、第二电阻的一端、第一电容的一端均连接差分放大器的反相输入端，第二电阻的另一端、第一电容的另一端均连接差分放大器的输出端，差分放大器的输出端作为单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器的输出端；第一反馈电容的另一端与第十一开关管的一端、第五开关管的一端共接，第五开关管的另一端接地；第十一开关管的另一端、第六开关管的一端连接差分放大器的输出端；第十开关管的一端接直流偏置电压源获取输入信号，第十开关管的另一端与第四开关管的一端、第二采样电容的一端共接，第四开关管的另一端接地；第二采样电容的另一端与第二开关管的一端、第八开关管的一端、第二反馈电容的一端共接，第二开关管的另一端接地；第八开关管的另一端、第二积分电容的一端均连接全差分放大器的同相输入端，第二积分电容的另一端、第四电阻的一端均连接全差分放大器的反相输出端；第四电阻的另一端、第三电阻的一端、第二电容的一端均连接差分放大器的同相输入端，第三电阻的另一端、第二电容的另一端均接地；第二反馈电容的另一端与第十二开关管的一端、第六开关管的另一端共接，第十二开关管的另一端接地。

进一步的，本发明的单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器，包括：信号源、方波发生器、全差分放大器、差分放大器、1对采样电容、1对反馈电容、1对积分电容、6对开关管、5个电阻和3个电容，6对开关管均与方波发生器连接；其中，信号源包括输入信号源和直流偏置电压源，输入信号源和直流偏置电压源依次相连，直流偏置电压源的另一端接地；第九开关管的一端接输入信号源获取输入信号，第九开关管的另一端与第三开关管的一端、第一采样电容的一端共接，第三开关管的另一端接地；第一采样电容的另一端与第一开关管的一端、第七开关管的一端、第一反馈电容的一端共接，第一开关管的另一端接地；第七开关管的另一端、第一积分电容的一端均连接全差分放大器的反相输入端，第一积分电容的另一端、第一电阻的一端均连接全差分放大器的同相输出端；第一电阻的另一端、第二电阻的一端、第一电容的一端均连接差分放大器的反相输入端，第二电阻的另一端、第一电容的另一端均连接差分放大器的输出端，差分放大器的输出端作为单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器的输出端；第一反馈电容的另一端与第十一开关管的一端、第五开关管的一端共接，第五开关管的另一端接地；第十一开关管的另一端与第三电容的一端、第五电阻的一端、第六开关管的一端共接，第三电容的另一端接地，第五电阻的另一端连接差分放大器的输出端；第十开关管的一端接直流偏置电压源获取输入信号，第十开关管的另一端与第四开关管的一端、第二采样电容的一端共接，第四开关管的另一端接地；第二采样电容的另一端与第二开关管的一端、第八开关管的一端、第二反馈电容的一端共接，第二开关管的另一端接地；第八开关管的另一端、第二积分电容的一端均连接全差分放大器的同相输入端，第二积分电容的另一端、第四电阻的一端均连接全差分放大器的反相输出端；第四电阻的另一端、第三电阻的一端、第二电容的一端均连接差分放大器的同相输入端，第三电阻的另一端、第二电容的另一端均接地；第二反馈电容的另一端与第十二开关管的一端、第六开关管的另一端共接，第十二开关管的另一端接地。

进一步的，本发明的单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器，第一开关管、第二开关管由第一时序控制，第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管由第二时序控制，且第二时序的下降沿比第一时序的下降沿来得晚一些；第七开关管、第八开关管由第三时序控制，第九开关管、第四开关管、第十一开关管、第十二开关管由第四时序控制，且第四时序的下降沿比第三时序的下降沿来得晚一些；第一时序、第二时序、第三时序、第四时序互相非交叠。

进一步的，本发明的单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器，反馈电容对的容值大小为原来的一半。

进一步的，本发明的单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器，采样电容对的容值为原来的两倍。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明通过在双端转单端电路的输出端口添加电阻器件和电容器件，消除时钟切换带来的故障。

2、本发明通过将反馈电容对的容值大小改小至原来的1/2或者采样电容对容值增大一倍，实现保持直流增益不变。

附图说明

图1是传统的全差分开关电容滤波器双端转单端的示意图。

图2是本发明的单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器示意图。

图3是传统结构与本发明结构的简化框图，图A是传统结构的简化框图，图B是本发明结构的简化框图。

图4是传统结构与本发明结构的效果对比图，图A是传统结构的效果图，图B是本发明结构的效果图。

图5是传统结构中slew rate对信号带来的影响。

图6是slew rate对传统结构与本发明结构的频谱对比图，图A是全差分开关电容滤波器输出频谱图，图B是传统结构的输出信号频谱图，图C是本发明结构的输出信号频谱图。

附图标号含义：101：第九开关管，102：第一反馈电容，103：第一采样电容，104：第七开关管，105：第十一开关管，106：第五开关管，107：第三开关管，108：第一开关管，109：第四开关管，110：第二开关管，111：第二积分电容，112：第二反馈电容，113：第十二开关管，114：第一积分电容，115：第六开关管，116：第二采样电容，117：第八开关管，118：第十开关管，119：输入信号源，120：直流偏置电压源，121：第一电阻，122：第二电阻，123：第一电容，124：差分放大器，125：第二电容，126：第三电阻，127：第四电阻，128：全差分放大器，129：第五电阻，130：第三电容。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

一种单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器，全差分开关电容滤波器的环路内置双端转单端电路，所述双端转单端电路的输出端通过开关管与全差分开关电容滤波器的反馈电容对相连，双端转单端电路的输出端与开关管之间设有缓冲器，所述缓冲器由电阻电容或运放组成。

本发明在不影响正常功能的前提下，利用开关电容滤波器的环路增益特性，来消除如图1的传统结构中双端转单端电路所带来的噪声、失配等影响。详细方式如下：

1)断开105、113开关器件与全差分运放128输出端Vop、Von的连接关系，断开115与地的连接关系。

2)在双端转单端电路的输出端Vout处添加129电阻和130电容器件，电阻129的一端与输出Vout相连，另一端与电容130一端相连，为便于后续描述，129与130相连的这根线取名为Vfb，电容130的另一端接地。129、130的主要目的在于隔开开关器件切换瞬间对输出Vout的直接影响。他们取值大小可以根据实际情况而定。

3)步骤1)中，105与Vop断开的那一端转而与Vfb相连，115与地断开的那一端也转而与Vfb相连。113与Von断开的那一端转而与地相连。

4)为保证整个电路结构的信号增益不变，反馈电容102、112容值大小需改小至原来的1/2，或者增大输入电容103、116的容值大小至原来的2倍。之所以要这么修改的原因在于，电路的反馈部分已经从原来的全差分输出端Vop、Von断开切换到现在的单端输出Vout处，如果102、112，或者103、116的容值大小不做出改变，等效的反馈量直接增大到原来的2倍，这等效于信号增益衰减了1倍。至于是要减小反馈电容102、112，还是增大输入电容103、116，这要取决于实际电路对噪声性能和速度的折中选择。

如此一来，只需要做上述少量改动，其余部分均可保持不变，包括时序部分也可不变，如图3所示为传统结构与本发明结构的简化框图对比。即可完成本发明的目的：降低传统结构(如图1)中双端转单端电路的噪声、失配等对电路性能的影响；降低slewrate带来的非线性影响。

因为只是修改了连接关系，以及添加了少量器件129、130。本发明并不会对晶片面积和功耗造成负担，相反地，因为本发明降低了双端转单端电路的噪声、失配等影响，也就是说在相同性能指标下，本发明降低了对双端转单端电路的设计面积和功耗要求，从而可以进一步降低晶片的面积和功耗。

该改进电路具有应用广泛，灵活多变的特点，不但可以应用于传感器的信号采集系统中，还可以应用于高精度ADC，DAC和其他开关电容的信号处理电路中。

就双端转单端电路的噪声和失配影响而言，实际的效果对比可以从图4中看出，对传统结构和改进后的结构分别做3组对比试验：a，双端转单端电路的运放124无失调，电阻121、127无失配；b，双端转单端电路的运放124有失调200mV，电阻121、127无失配；c，双端转单端电路的运放124有失调200mV，电阻121、127有25％的失配。从结果上可以明显看出，传统结构对运放124的失调和电阻121、127的失配很敏感，输出结果变化很剧烈；而改进后的结构，在相同的对比条件下，输出结果对运放124的失调和电阻121、127的失配不敏感，无明显变化。

从以上对比实验结果上可以看出，本发明改进后的结构能够明显改善传统结构的缺陷。

而对于slew rate带来的信号非线性，也将会被环路所抑制。如图6所示，图中显示了传统和改进后的两种结构输出信号频谱对比。可以明显看出，改进后的结构，会将随信号幅度改变的失调电压抑制掉。

实施例1

一种单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器，包括：信号源、方波发生器、全差分放大器128、差分放大器124、1对采样电容、1对反馈电容、1对积分电容、6对开关管、4个电阻和2个电容，6对开关管均与方波发生器连接。其中，信号源包括输入信号源119和直流偏置电压源120，输入信号源119和直流偏置电压源120依次相连，直流偏置电压源120的另一端接地。

第九开关管101的一端接输入信号源119获取输入信号，第九开关管101的另一端与第三开关管107的一端、第一采样电容103的一端共接，第三开关管107的另一端接地。第一采样电容103的另一端与第一开关管108的一端、第七开关管104的一端、第一反馈电容102的一端共接，第一开关管108的另一端接地。第七开关管104的另一端、第一积分电容114的一端均连接全差分放大器128的反相输入端，第一积分电容114的另一端、第一电阻121的一端均连接全差分放大器128的同相输出端。第一电阻121的另一端、第二电阻122的一端、第一电容123的一端均连接差分放大器124的反相输入端，第二电阻122的另一端、第一电容123的另一端均连接差分放大器124的输出端，差分放大器124的输出端作为单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器的输出端。

第一反馈电容102的另一端与第十一开关管105的一端、第五开关管106的一端共接，第五开关管106的另一端接地。第十一开关管105的另一端、第六开关管115的一端连接差分放大器124的输出端。

第十开关管118的一端接直流偏置电压源120获取输入信号，第十开关管118的另一端与第四开关管109的一端、第二采样电容116的一端共接，第四开关管109的另一端接地。第二采样电容116的另一端与第二开关管110的一端、第八开关管117的一端、第二反馈电容112的一端共接，第二开关管110的另一端接地。第八开关管117的另一端、第二积分电容111的一端均连接全差分放大器128的同相输入端，第二积分电容111的另一端、第四电阻127的一端均连接全差分放大器128的反相输出端。第四电阻127的另一端、第三电阻126的一端、第二电容125的一端均连接差分放大器124的同相输入端，第三电阻126的另一端、第二电容125的另一端均接地。

第二反馈电容112的另一端与第十二开关管113的一端、第六开关管115的另一端共接，第十二开关管113的另一端接地。

同时，第一开关管108、第二开关管110由第一时序131控制，第三开关管107、第四开关管109、第五开关管106、第六开关管115由第二时序132控制，且第二时序132的下降沿比第一时序131的下降沿晚一些。第七开关管104、第八开关管117由第三时序133控制，第九开关管101、第十开关管118、第十一开关管105、第十二开关管113由第四时序134控制，且第四时序134的下降沿比第三时序133的下降得晚一些。第一时序131、第二时序132、第三时序133、第四时序134互相非交叠。反馈电容对的容值大小为原来的一半。采样电容对的容值为原来的两倍。

实施例2

一种单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器，如图2所示，包括：信号源、方波发生器、全差分放大器128、差分放大器124、1对采样电容、1对反馈电容、1对积分电容、6对开关管、5个电阻和3个电容，6对开关管均与方波发生器连接。其中，信号源包括输入信号源119和直流偏置电压源120，输入信号源119和直流偏置电压源120依次相连，直流偏置电压源120的另一端接地。

第九开关管101的一端接输入信号源119获取输入信号，第九开关管101的另一端与第三开关管107的一端、第一采样电容103的一端共接，第三开关管107的另一端接地。第一采样电容103的另一端与第一开关管108的一端、第七开关管104的一端、第一反馈电容102的一端共接，第一开关管108的另一端接地。第七开关管104的另一端、第一积分电容114的一端均连接全差分放大器128的反相输入端，第一积分电容114的另一端、第一电阻121的一端均连接全差分放大器128的同相输出端。第一电阻121的另一端、第二电阻122的一端、第一电容123的一端均连接差分放大器124的反相输入端，第二电阻122的另一端、第一电容123的另一端均连接差分放大器124的输出端，差分放大器124的输出端作为单端输出的低噪声全差分开关电容滤波器的输出端。

第一反馈电容102的另一端与第十一开关管105的一端、第五开关管106的一端共接，第五开关管106的另一端接地。第十一开关管105的另一端与第三电容130的一端、第五电阻129的一端、第六开关管115的一端共接，第三电容130的另一端接地，第五电阻129的另一端连接差分放大器124的输出端。

第十开关管118的一端接直流偏置电压源120获取输入信号，第十开关管118的另一端与第四开关管109的一端、第二采样电容116的一端共接，第四开关管109的另一端接地。第二采样电容116的另一端与第二开关管110的一端、第八开关管117的一端、第二反馈电容112的一端共接，第二开关管110的另一端接地。第八开关管117的另一端、第二积分电容111的一端均连接全差分放大器128的同相输入端，第二积分电容111的另一端、第四电阻127的一端均连接全差分放大器128的反相输出端。第四电阻127的另一端、第三电阻126的一端、第二电容125的一端均连接差分放大器124的同相输入端，第三电阻126的另一端、第二电容125的另一端均接地。

第二反馈电容112的另一端与第十二开关管113的一端、第六开关管115的另一端共接，第十二开关管113的另一端接地。

同时，第一开关管108、第二开关管110由第一时序131控制，第三开关管107、第四开关管109、第五开关管106、第六开关管115由第二时序132控制，且第二时序132的下降沿比第一时序131的下降沿晚一些。第七开关管104、第八开关管117由第三时序133控制，第九开关管101、第十开关管118、第十一开关管105、第十二开关管113由第四时序134控制，且第四时序134的下降沿比第三时序133的下降沿晚一些。第一时序131、第二时序132、第三时序133、第四时序134互相非交叠。反馈电容对的容值大小为原来的一半。采样电容对的容值为原来的两倍。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。