專利名稱：積分電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種積分電路，且特別涉及一種利用電容的電荷分配理論來達到高解析度與低相位差的積分電路。
背景技術：
積分器是常見的模擬電路，主要用來進行數(shù)學中的積分運算。典型的電壓積分器是利用電阻與電容組成的分壓電路來實現(xiàn)。由于通過電容的電流與電壓的變化速度有關， 也就是相關于電壓被時間微分的結果，所以電容兩端的分壓可視為輸入電壓的積分結果， 而電阻兩端的分壓則可視為輸入電壓的微分結果。在現(xiàn)有技術中，運算放大器也常應用于積分電路或微分電路中以達到調整輸入阻抗與輸出阻抗的效果。另一種現(xiàn)有的低頻積分器是利用模數(shù)轉換器(Analog to Digital Converter, ADC)將信號轉換為數(shù)字信號，然后再進行積分，但是這樣電路積分的準確度會受限于ADC 的解析度。使用高解析度的ADC雖然可提高積分器的準確度，但是會使得電路設計成本上升。另外，現(xiàn)有技術中需要使用低通濾波器來濾除高頻以取得直流成分，然后再進行積分， 然而要濾除愈低頻的成分，需要的電容值會愈大，這會造成本上升，也會產(chǎn)生相位落差，并且會造成系統(tǒng)控制的低頻震蕩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種積分電路，其利用電容的電荷分配原理，實現(xiàn)低頻混合式的積分電路，不僅解析度高，同時也不會造成大的相位差，可達到低成本高效能的效果。本發(fā)明提出一種積分電路，包括一第一儲能元件、一第一切換單元、一第二切換單元以及一第二儲能元件。第一儲能元件耦接于一第一端與一第二端之間。第一切換單元耦接于第一端與一輸入端以及耦接于第二端與接地端，用以選擇性導通第一端與輸入端以及選擇性導通第二端與該接地端。第二切換單元耦接于第一端與第二端與一第三端，用以選擇性導通第一端與第三端以及選擇性傳導第一端的電壓至第二端。第二儲能元件耦接于第三端與接地端之間。在本發(fā)明一實施例中，其中當?shù)谝磺袚Q單元導通第一端與輸入端且導通第二端與接地端時，第二切換單元不導通第一端與第三端。在本發(fā)明一實施例中，其中當?shù)诙袚Q單元導通第一端與第三端且傳導第一端的電壓至第二端時，第一切換單元不導通第一端與輸入端且不導通第二端與接地端。在本發(fā)明一實施例中，其中第一切換單元包括一第一開關與一第二開關。第一開關耦接于該第一端與該輸入端之間，第二開關耦接于該第二端與該接地端之間。其中，第一開關與第二開關受控于一第一控制信號。在本發(fā)明一實施例中，其中第二切換單元包括一第三開關、一第一單位增益放大器與一第四開關。第三開關耦接于該第一端與該第三端之間，第一單位增益放大器的輸入耦接于該第一端。第四開關耦接于第一單位增益放大器的輸出與第二端之間。其中第三開關與第四開關受控于一第二控制信號。在本發(fā)明一實施例中，上述第一控制信號致能時，第二控制信號禁能。在本發(fā)明一實施例中，上述積分電路還包括一第五開關，耦接于第三端與接地端之間。上述第一儲能元件為一第一電容，上述第二儲能元件為一第二電容，且第一電容的電容值小于第二電容的電容值。在本發(fā)明一實施例中，上述積分電路還包括一輸出緩沖單元，耦接于第三端與一輸出端之間。該輸出緩沖單元包括一第二單位增益放大器、一第六開關、一第三單位增益放大器以及一第三電容。第二單位增益放大器的輸入耦接于第三端，第六開關的一端耦接于第二單位增益放大器的輸出。第三單位增益放大器的輸入耦接于第六開關的另一端，第三單位增益放大器的輸出耦接于輸出端。第三電容耦接于第三單位增益放大器的輸入與接地端之間。本發(fā)明的有益效果在于，綜合上述，本發(fā)明所提出的積分電路，利用電容電荷分配原理，將分時取樣的電壓壓縮并存儲于電容中，借此提高積分電路的線性度。此外，相較于現(xiàn)有的積分器，本發(fā)明的積分電路的準確度不會受限于ADC的解析度也不會有相位差過大的問題，并且可達到低成本高效能的目的。為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。


圖1為根據(jù)本發(fā)明一實施例的積分電路的功能方框圖<圖2為根據(jù)本實施例的積分電路圖。圖3為根據(jù)本實施例的波形示意圖。其中，附圖標記說明如下100、200:積分電路110:第一切換單元120:第一儲能元件130 第二切換單元140 第二儲能元件150 輸出緩沖單元310 360 波形Tl T3 第一至第三端GND 接地端TIN 輸入端TOUT 輸出端Sffl SW6 第一至第六開關Cl C3 第一至第三電容GAl GA3 第一至第三單位增益放大器CONl C0N3 第一至第三控制信號VIN 輸入信號
VOUT 輸出信號
具體實施例方式請參照圖1，圖1為根據(jù)本發(fā)明一實施例的積分電路的功能方框圖。積分電路100 包括第一切換單元110、第一儲能元件120、第二切換單元130、第二儲能元件140與輸出緩沖單元150。第一儲能元件120耦接于第一端Tl與第二端T2之間，第一切換單元110耦接于第一端Tl與輸入端TIN以及耦接于第二端T2與接地端GND，用以選擇性導通第一端Tl 與輸入端TIN以及選擇性導通第二端T2與接地端GND。第二切換單元130耦接于第一端 Tl與第二端T2與第三端T3，用以選擇性導通第一端Tl與第三端T3以及選擇性傳導第一端Tl的電壓至第二端T2。第二儲能元件140耦接于第三端T3與接地端GND之間。輸出緩沖單元150耦接于第三端T3與輸出端TOUT之間。其中，當?shù)谝磺袚Q單元110導通第一端Tl與輸入端TIN且導通第二端T2與接地端GND時，第二切換單元130不導通第一端Tl與第三端T3。當?shù)诙袚Q單元130導通第一端Tl與第三端T3且傳導第一端Tl的電壓至第二端T2時，第一切換單元110不導通第一端Tl與輸入端TIN且不導通第二端T2與接地端GND。第一切換單元110主要是用來決定取樣輸入信號VIN的取樣率，每一次導通第一端Tl與輸入端TIN以及第二端T2與接地端GND時，就是對輸入信號VIN取樣一次。輸入信號VIN的電壓會存儲在第一儲能元件120 中，然后第一切換單元110會關閉導通路徑，接著第二切換單元130會導通第三端T3與第一端Tl，并且將第一端Tl的電壓傳導到第二端T2以推升第一儲能元件120的基準電壓。 此時，第一儲能元件120中的電荷會分布于第一儲能元件120與第二儲能元件140中以推升第三端T3的電壓。借此，便可達到電壓積分的效果。此外，值得注意的是，第一切換單元110與第二切換單元130主要用來切換導通路徑，可利用多個開關或多路復用器或切換元件來實現(xiàn)，本實施例并不受限。第一儲能元件 120與第二儲能元件140可利用單個電容器或多個電容器來實現(xiàn)，本實施例并不受限。輸出緩沖單元150主要用來調整輸出阻抗，可利用緩沖電路或單位增益放大器來組成，本實施例并不受限。接下來，進一步說明本實施例的積分電路的電路實施細節(jié)，請同時參照圖1與圖 2，圖2為根據(jù)本實施例的積分電路圖。在圖2所示的積分電路200中，第一切換單元110包括第一開關SWl與第二開關SW2，第二切換單元130包括第三開關SW3與第四開關SW4與第一單位增益放大器GAl。第一儲能元件120由第一電容Cl實現(xiàn)，第二儲能元件140由第二電容C2實現(xiàn)。輸出緩沖單元150包括第二單位增益放大器GA2、第三單位增益放大器GA3、 第六開關SW6與第三電容C3。積分電路200還包括第五開關SW5，耦接于第三端T3與接地端GND之間，用以將第二電容C2中的電荷引導至接地端GND以重置積分電路200。第一電容Cl耦接于第一端Tl與第二端T2之間，第二電容C2耦接于第三端與接地端GND之間。第一開關SWl耦接于第一端Tl與輸入端TIN之間，第二開關SW2耦接于第二端T2與接地端GND之間。第三開關SW3耦接于第一端Tl與第三端T3之間，第一單位增益放大器GAl的輸入耦接于第一端Tl。第四開關SW4耦接于第一單位增益放大器GAl的輸出與第二端T2之間。第二單位增益放大器GA2耦接于第三端T3與第六開關SW6之間，第三單位增益放大器GA3耦接于第六開關SW6的另一端與輸出端TOUT之間。其中，第一至第
5三單位增益放大器GAl GA3以負反饋的運算放大器實現(xiàn)，但本實施例并不受限于此。此外，值得注意的是，上述元件之間的耦接關系包括直接或間接或兩者并行的電性連接，只要可以達到所需的電信號傳遞功能即可，本實施例并不受限。 第一開關SWl與第二開關SW2受控于第一控制信號CONl，而第三開關SW3與第四開關SW4受控于第二控制信號C0N2。當?shù)谝豢刂菩盘朿om致能時，第一開關SWl與第二開關SW2導通，反之則不導通。當?shù)诙刂菩盘朇0N2致能時，第三開關SW3與第四開關SW4導通，反之則不導通。第一控制信號CONl與第二控制信號C0N2的波形請參考圖3，圖3為根據(jù)本實施例的波形示意圖。請同時參照圖2與圖3，在進行積分運算時，第一控制信號CONl 是用來控制取樣的頻率，每一次的致能(如波形310)都會在其致能期間中將輸入信號VIN 的電壓存儲至第一電容Cl中。在第一控制信號com致能時，第二控制信號C0N2會禁能。 在第一控制信號CONl禁能后，第二控制信號C0N2會隨之致能(如波形340)，讓第一電容 Cl中的電荷可以分配至第二電容C2中以將輸入信號VIN的電壓壓縮存儲至第二電容C2。在第二控制信號C0N2致能時，第三開關SW3與第四開關SW4會導通，所以第三端 T3的電壓會傳導至第二端T2以推升第一電容Cl的直流準位，讓第一電容Cl兩端的電壓差可以加載在原先的第三端T3的直流準位(電壓)之上。然后利用電容的電荷分配原理，讓第二電容C2得到對應的電壓上升值，借此達到積分的效果。上述第二電容C2的電壓上升值可視為輸入信號VIN的壓縮值，其比例相關于第一電容Cl與第二電容C2的電容值。假設第一電容Cl的電容值以Cl表示，第二電容C2的電容值以C2表示，這樣在第一控制信號 com致能后，第一電容Cl中所存儲的電荷可表示如公式(1)，而在第二控制信號C0N2致能后，第二電容C2的電壓上升值如公式O)。Q = ClXVl = C2XV1'---------公式(1)
ClVV=-XVl---------------公式(2)其中，上述公式中的Vl表示輸入信號VIN在被提取時的電壓值，VI’表示分配后在第三端T3所造成的電壓上升值。也就是說，在第二控制信號C0N2致能后，在第三端T3 的電壓值會因為電荷分配而上升，其上升的電壓差值為VI’。由上述公式可知，VI’會與Vl 有一定的比例關系，其比例與電容值Cl與C2相關。因此，通過控制第一控制信號CONl的時序可以達到分時取樣輸入信號VIN的效果，而控制第二控制信號C0N2的時序則會將電荷重新分配至第二電容C2，讓第三端T3的電壓得到對應的上升值以達到積分的效果。另一方面，若輸入信號VIN為負值，則Vl為負值，這會使得第二電容C2兩端的電壓差下降，同樣也是會有積分的結果。在經(jīng)由上述實施例的說明后，本技術領域技術人員應可推知其實施方式，在此不加贅述。此外，本實施例中的第一電容Cl的電容值會小于第二電容C2的電容值，例如 100C1 = C2，這樣才能避免第二電容C2在積分過程中產(chǎn)生過高的電壓而超過電路的正常工作區(qū)間，但本實施例并不受限于上述比例關系。此外，第五開關SW5可用來重置積分電路200，當?shù)谌刂菩盘朇0N3致能時(請參照圖3的波形360)，第二電容C2中的電荷會被引導至接地端GND以重置積分電路200。所以在進行積分運算前，第三控制信號C0N3會先致能以將第三端T3的電壓歸零。在輸出緩沖單元150中，第二單位增益放大器GA2會將第三端T3的電壓傳導至第三電容C3中，第六開關SW6則是用來維持第三電容C3中所存儲的電荷，避免漏電流發(fā)生。 第三單位增益放大器GA3則是將積分結果輸出至輸出端TOUT以產(chǎn)生輸出信號V0UT。輸出信號VOUT會與輸入信號VIN的積分結果成一比例關系，其比例關系與第一電容Cl與第二電容C2的電容值相關。在經(jīng)由上述實施例的說明后，本技術領域技術人員應可推知其計算方式，在此不加贅述。綜上所述，本發(fā)明利用電容的電荷分配原理來實現(xiàn)低頻積分電路，此積分電路可將分時取樣的電壓壓縮存儲以達到線性積分器的效果。此外，本發(fā)明不需使用ADC來達到積分效果，可有效降低電路成本，并且達到更準確的積分結果。雖然本發(fā)明的較佳實施例已揭示如上，然本發(fā)明并不受限于上述實施例，任何所屬技術領域技術人員，在不脫離本發(fā)明所揭示的范圍內(nèi)，當可作些許的更動與調整，因此本發(fā)明的保護范圍應當以權利要求所界定者為準。
權利要求
1.一種積分電路，其特征在于該積分電路包括一第一儲能元件，耦接于一第一端與一第二端之間；一第一切換單元，耦接于該第一端與一輸入端以及耦接于該第二端與一接地端，用以選擇性導通該第一端與該輸入端以及選擇性導通該第二端與該接地端；一第二切換單元，耦接于該第一端與該第二端與一第三端，用以選擇性導通該第一端與該第三端以及選擇性傳導該第三端的電壓至該第二端；以及一第二儲能元件，耦接于該第三端與該接地端之間。
2.如權利要求1所述的積分電路，其特征在于當該第一切換單元導通該第一端與該輸入端且導通該第二端與該接地端時，該第二切換單元不導通該第一端與該第三端。
3.如權利要求1所述的積分電路，其特征在于當該第二切換單元導通該第一端與該第三端且傳導該第三端的電壓至該第二端時，該第一切換單元不導通該第一端與該輸入端且不導通該第二端與該接地端。
4.如權利要求1所述的積分電路，其特征在于該第一切換單元包括 一第一開關，耦接于該第一端與該輸入端之間；以及一第二開關，耦接于該第二端與該接地端之間。
5.如權利要求1所述的積分電路，其特征在于該第二切換單元包括 一第三開關，耦接于該第一端與該第三端之間；一第一單位增益放大器，該第一單位增益放大器的輸入耦接于該第一端；以及一第四開關，耦接于該第一單位增益放大器的輸出與該第二端之間。
6.如權利要求4所述的積分電路，其特征在于該第二切換單元包括 一第三開關，耦接于該第一端與該第三端之間；一第一單位增益放大器，該第一單位增益放大器的輸入耦接于該第一端；以及一第四開關，耦接于該第一單位增益放大器的輸出與該第二端之間； 其中，該第一開關與該第二開關受控于一第一控制信號，該第三開關與該第四開關受控于一第二控制信號。
7.如權利要求6所述的積分電路，其特征在于當該第一控制信號致能時，該第二控制信號禁能。
8.如權利要求1所述的積分電路，其特征在于該積分電路還包括一第五開關，耦接于該第三端與該接地端之間。
9.如權利要求1所述的積分電路，其特征在于該第一儲能元件為一第一電容，該第二儲能元件為一第二電容，且該第一電容的電容值小于該第二電容的電容值。
10.如權利要求1所述的積分電路，其特征在該積分電路于還包括 一輸出緩沖單元，耦接于該第三端與一輸出端之間，該輸出緩沖單元包括 一第二單位增益放大器，該第二單位增益放大器的輸入耦接于該第三端； 一第六開關，該第六開關的一端耦接于該第二單位增益放大器的輸出；一第三單位增益放大器，該第三單位增益放大器的輸入耦接于該第六開關的另一端， 該第三單位增益放大器的輸出耦接于該輸出端；以及一第三電容，耦接于該第三單位增益放大器的輸入與該接地端之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種積分電路，利用一第一電容與一第一切換單元來分時取樣輸入信號，然后利用具有較大電容值的一第二電容來與第一電容進行電荷分配以存儲取樣的電壓。在進行電荷分配的同時，積分電路會將原先存儲于第二電容上的電壓傳導至第一電容原先耦接于接地端的一端以提高第一電容的電壓電平，讓第二電容可以得到對應的電壓上升值。借此，積分電路可以得到更高的準確度與線性度。
文檔編號H03K19/00GK102386907SQ201010269770
公開日2012年3月21日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權日2010年8月31日
發(fā)明者劉東榮 申請人:朋程科技股份有限公司