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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬電路設(shè)計領(lǐng)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(shù)：
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(diào)的高性能模擬電路，有廣泛的應(yīng)用。為了降低放大器自身的失調(diào)電壓和低頻噪聲對輸入信號的干擾，通常可以使用斬波的方法將輸入信號先調(diào)制到高頻，和放大器的低頻干擾信號在頻域上分離，輸入信號放大后再調(diào)制回低頻，與此同時低頻干擾信號卻被調(diào)制到高頻，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(diào)制到高頻的干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，然后再將濾波后的信號送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，將模擬輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)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(xiàn)起來十分困難和復(fù)雜。經(jīng)典開關(guān)電容采樣求和電路(或稱開關(guān)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(guān)在兩相時鐘￠1和￠2的控制下實現(xiàn)對輸入信號vin的積分，得到輸出信號vout，實現(xiàn)對信號的采樣求和。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種減小斬波放大器輸出紋波的電路。

另一目的在于提出具有該電路的測量裝置。又一目的在于提出一種測量放大信號的方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種減小斬波放大器輸出紋波的電路，包括開關(guān)電容采樣求和電路，所述開關(guān)電容米樣求和電路包括第一開關(guān)電容電路與求和電路，所述第一開關(guān)電容電路的輸出端連接所述求和電路的輸入端，所述開關(guān)電容采樣求和電路還包括與所述第一開關(guān)電容電路并聯(lián)且結(jié)構(gòu)相同的第二開關(guān)電容電路，所述第二開關(guān)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(guān)電容電路包括第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)、第四開關(guān)和第一電容器，所述第二開關(guān)電容電路包括第五開關(guān)、第六開關(guān)、第七開關(guān)、第八開關(guān)和第二電容器，所述第一開關(guān)的一端和所述第五開關(guān)的一端相連，所述第一開關(guān)的另一端與所述第一電容器的一端以及所述第二開關(guān)的一端相連，所述第二開關(guān)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(guān)的一端以及所述第四開關(guān)的一端相連，所述第三開關(guān)的另一端接交流地，所述第四開關(guān)的另一端與所述求和電路的輸入端相連，所述第五開關(guān)的另一端與所述第二電容器的一端以及所述第六開關(guān)的一端相連，所述第六開關(guān)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(guān)的一端以及所述第八開關(guān)的一端相連，所述第七開關(guān)的另一端接交流地，所述第八開關(guān)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(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括第一開關(guān)電容電路以及與所述第一開關(guān)電容電路并聯(lián)且結(jié)構(gòu)相同的第二開關(guān)電容電路，所述第一開關(guān)電容電路和所述第二開關(guān)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(guān)電容電路和所述第二開關(guān)電容電路的輸出端連接所述模數(shù)轉(zhuǎn)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于一個斬波周期，在第一個1/4斬波周期的時間內(nèi)，控制第一開關(guān)電容電路的開關(guān)動作，將該抽樣時刻獲得的信號和紋波存儲在第一開關(guān)電容電路的電容器上；在第三個1/4斬波周期的時間內(nèi)，控制第二開關(guān)電容電路的開關(guān)動作，將該抽樣時刻獲得的信號和紋波存儲在第二開關(guān)電容電路的電容器上；在第四個1/4斬波周期的時間內(nèi)，控制第一開關(guān)電容電路和第二開關(guān)電容電路的開關(guān)動作，將存儲在第一開關(guān)電容電路和第二開關(guān)電容電路的電容器上的電壓通過電荷轉(zhuǎn)移實現(xiàn)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于一個斬波周期，在第一個1/4斬波周期的時間內(nèi)，控制第一開關(guān)和第三開關(guān)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(nèi)，控制第五開關(guān)和第七開關(guān)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(nèi)，控制第二開關(guān)、第四開關(guān)、第六開關(guān)和第八開關(guān)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(zhuǎn)移實現(xiàn)相加。本發(fā)明的有益技術(shù)效果通過在斬波放大器后設(shè)置兩路并聯(lián)的開關(guān)電容電路，控制開關(guān)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余紋波進行一階整形(電壓求平均)，從而降低紋波幅度，削弱其對于模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度的影響。該電路不需要斬波放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的模擬低通濾波器，節(jié)約了功耗、面積，簡化了電路的設(shè)計。具體來說，包括以下幾個突出優(yōu)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(guān)電容采樣求和電路中的積分器可利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的第一級積分器實現(xiàn)，既不增加電路設(shè)計的復(fù)雜度，又不額外消耗面積和功耗。其三，本發(fā)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，且采樣求和電路對其中運放的指標(biāo)要求較低，運放容易實現(xiàn)。


圖1是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信號放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；圖2是經(jīng)典積分器的原理圖；圖3是本發(fā)明消除斬波殘留紋波的原理性說明；圖4是本發(fā)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(fā)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(jié)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(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)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。由于斬波信號的頻率fch遠遠高于輸出信號的頻率，因此在一個斬波周期Tch內(nèi)，輸出信號VS基本不變，而紋波信號Vch相對于輸出信號VS呈上下對稱的分布。根據(jù)這一特點，在一個斬波周期Tch內(nèi)對包含輸出信號VS和紋波信號Vch的總信號采樣兩次，采樣間隔為Tch/2，則如圖3例，第一次采樣的輸出為公式(1)，第二次采樣的輸出為公式(2)，兩次采樣求和后的輸出為公式(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，通過對兩次采樣電壓VA和VB求和，可以消除紋波，保留輸出信號。發(fā)明人注意到，在一個斬波周期Tch內(nèi)，紋波相對于輸出信號是對稱分布的，因此只要是間隔Tch/2的兩次采樣，其求和結(jié)果都滿足公式(3)，而和采樣的時刻無關(guān)。請參閱圖4，在一個實施例里，一種減小斬波放大器輸出紋波的電路，包括開關(guān)電容采樣求和電路，所述開關(guān)電容采樣求和電路包括第一開關(guān)電容電路、第二開關(guān)電容電路與求和電路，第二開關(guān)電容電路與所述第一開關(guān)電容電路并聯(lián)且結(jié)構(gòu)相同，第一開關(guān)電容電路、第二開關(guān)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(yōu)選地，所述第一開關(guān)電容電路包括第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)、第四開關(guān)(按圖中從左至右的方向)和第一電容器C11，所述第二開關(guān)電容電路包括第五開關(guān)、第六開關(guān)、第七開關(guān)、第八開關(guān)(按圖中從左至右的方向)和第二電容器C12，所述第一開關(guān)的一端和所述第五開關(guān)的一端相連，所述第一開關(guān)的另一端與所述第一電容器Cll的一端以及所述第二開關(guān)的一端相連，所述第二開關(guān)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(guān)的一端以及所述第四開關(guān)的一端相連，所述第三開關(guān)的另一端接交流地，所述第四開關(guān)的另一端與所述求和電路的輸入端相連，所述第五開關(guān)的另一端與所述第二電容器C12的一端以及所述第六開關(guān)的一端相連，所述第六開關(guān)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(guān)的一端以及所述第八開關(guān)的一端相連，所述第七開關(guān)的另一端接交流地，所述第八開關(guān)的另一端與所述求和電路的輸入端相連。第一開關(guān)電容電路及第二開關(guān)電容電路中開關(guān)、電容的具體數(shù)量和連接形式并不限于上述例子，只要是能實現(xiàn)與經(jīng)典的開關(guān)電容電路同樣的采樣功能即可。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(guān)電容電路并聯(lián)在運放op-amp的輸入端。在所述開關(guān)電容采樣求和電路的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對一個斬波周期Tch內(nèi)的信號進行兩次采樣并求和。如圖4所示，第一開關(guān)電容電路的開關(guān)所對應(yīng)的控制時鐘為￠1和小3，第二開關(guān)電容電路的開關(guān)所對應(yīng)的控制時鐘為￠2和$3，$1、$ 2、$ 3的時序關(guān)系如圖5所示。對于一個斬波周期Tch，在第一個1/4斬波周期的時間內(nèi)，I有效(圖中￠1為高電平表示有效)，使得0 I控制的開關(guān)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(nèi)，￠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(yīng)的開關(guān)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(nèi)，￠3有效(圖中￠3為高電平表示有效)，￠3控制對應(yīng)的開關(guān)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(zhuǎn)移實現(xiàn)相加，如果電容器Cl I和電容器C12相等，且根據(jù)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里，當(dāng)斬波放大器的輸出需要通過ADC轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的時候，可以將斬波放大器的輸出送入圖6所示的開關(guān)電容采樣求和電路，而圖6中的積分器恰好就可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)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(guān)電容采樣求和電路、sigma-delta ADC可以直接級聯(lián),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(guān)電容采樣求和電路級聯(lián)，而采樣求和電路中的運算放大器就是后面sigma-delta ADC中的第一級積分器，該積分器的輸出再送給ADC的 后級電路。在該實施例中，第二開關(guān)和第四開關(guān)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(fā)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(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種減小斬波放大器輸出紋波的電路，包括開關(guān)電容采樣求和電路，所述開關(guān)電容采樣求和電路包括第一開關(guān)電容電路與求和電路，所述第一開關(guān)電容電路的輸出端連接所述求和電路的輸入端，其特征在于，所述開關(guān)電容采樣求和電路還包括與所述第一開關(guān)電容電路并聯(lián)且結(jié)構(gòu)相同的第二開關(guān)電容電路，所述第二開關(guān)電容電路的輸出端連接所述求和電路的輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的減小斬波放大器輸出紋波的電路，其特征在于，所述第一開關(guān)電容電路包括第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)、第四開關(guān)和第一電容器，所述第二開關(guān)電容電路包括第五開關(guān)、第六開關(guān)、第七開關(guān)、第八開關(guān)和第二電容器，所述第一開關(guān)的一端和所述第五開關(guān)的一端相連，所述第一開關(guān)的另一端與所述第一電容器的一端以及所述第二開關(guān)的一端相連，所述第二開關(guān)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(guān)的一端以及所述第四開關(guān)的一端相連，所述第三開關(guān)的另一端接交流地，所述第四開關(guān)的另一端與所述求和電路的輸入端相連，所述第五開關(guān)的另一端與所述第二電容器的一端以及所述第六開關(guān)的一端相連，所述第六開關(guān)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(guān)的一端以及所述第八開關(guān)的一端相連，所述第七開關(guān)的另一端接交流地，所述第八開關(guān)的另一端與所述求和電路的輸入端相連。
3.如權(quán)利要求1或2所述的減小斬波放大器輸出紋波的電路，其特征在于，所述求和電路為積分器。
4.一種測量裝置，包括斬波放大器，其特征在于，還包括如權(quán)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(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，還包括第一開關(guān)電容電路以及與所述第一開關(guān)電容電路并聯(lián)且結(jié)構(gòu)相同的第二開關(guān)電容電路，所述第一開關(guān)電容電路和所述第二開關(guān)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(guān)電容電路和所述第二開關(guān)電容電路的輸出端連接所述模數(shù)轉(zhuǎn)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，其特征在于，使用如權(quán)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 對于一個斬波周期，在第一個1/4斬波周期的時間內(nèi)，控制第一開關(guān)電容電路的開關(guān)動作，將該抽樣時刻獲得的信號和紋波存儲在第一開關(guān)電容電路的電容器上； 在第三個1/4斬波周期的時間內(nèi)，控制第二開關(guān)電容電路的開關(guān)動作，將該抽樣時刻獲得的信號和紋波存儲在第二開關(guān)電容電路的電容器上； 在第四個1/4斬波周期的時間內(nèi)，控制第一開關(guān)電容電路和第二開關(guān)電容電路的開關(guān)動作，將存儲在第一開關(guān)電容電路和第二開關(guān)電容電路的電容器上的電壓通過電荷轉(zhuǎn)移實現(xiàn)相加。
7.一種測量放大信號的方法，其特征在于，使用如權(quán)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 對于一個斬波周期，在第一個1/4斬波周期的時間內(nèi)，控制第一開關(guān)和第三開關(guān)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(nèi)，控制第五開關(guān)和第七開關(guān)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(nèi)，控制第二開關(guān)、第四開關(guān)、第六開關(guān)和第八開關(guān)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(zhuǎn)移實現(xiàn)相加。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種減小斬波放大器輸出紋波的電路，包括開關(guān)電容采樣求和電路，所述開關(guān)電容采樣求和電路包括第一開關(guān)電容電路、第二開關(guān)電容電路與求和電路，所述第二開關(guān)電容電路與所述第一開關(guān)電容電路并聯(lián)且結(jié)構(gòu)相同，所述第一開關(guān)電容電路與所述第二開關(guān)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(fā)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(jié)約了功耗、面積，簡化了電路的設(shè)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(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)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(xué)深圳研究生院