模拟集成电路设计系列博客——5.3.2 电容重置开关电容增益电路

5.3.2 电容重置开关电容增益电路

为了消除需要放大器输出每个时钟周期都需要摆动到接近0V，并且仍然能够取消掉放大器的失调电压，可以使用一个电容重置增益电路。这个增益电路的基本思路是通过一个之前充电到输出电压电容，将放大器的输出在复位相耦合到一个反相的输入。因此，我们会看到这个增益电路的一个性质是放大器的输出只需要在两个时钟相之间通过放大器的失调电压变化。此外，由于这个电路对于放大器输入失调电压不敏感，它也可以减少放大器1/f噪声的影响。最后，根据[Martin,1987]，对于低频输入（或者至少在两个时钟阶段中为常数的输入），其误差由于放大器的有限增益\(A\)，与\(1/A^2\)成比例（一般情况下这是\(1/A\)），这个结果使得设计者可以使用快速的单极放大器。

电容重置增益电路如下图所示：

电容\(C_1\)是一个可选的"去毛刺"电容[Matsumoto,1987]，用于在所有开关都打开的非交叠时钟时间里提供连续时间反馈。这个去毛刺技术工作的很好，并且可以被用于几乎所有在一些时间中会没有反馈连接的开关电容电路。这个电容一般会很小（大概0.5pF或者很小）。

这个增益电路可以是正相或者是反相的，取决于输入级的时钟相位。反相电路的输出是输入的无延迟版本，而正相电路会比输入信号落后半个时钟周期。

为了理解这个电容重置增益电路如何工作，考虑复位相\(\phi_2\)中的反相电路，如下图(a)所示：

我们假定电容\(C_3\)在之前的\(\phi_1\)时钟相中被充电到输出电压，此处我们看到电容\(C_1\)和\(C_2\)被充电到放大器的输入失调电压\(V_{off}\)，和上一节的可重置增益电路一样。下一个\(\phi_1\)时钟相如上图(b)所示，从中我们可以发现和上一节的电路的方式一样，输出电压独立于失调电压。此外，我们看到在\(\phi_1\)中，\(C_3\)被充电到输出电压。在分析之前，有个需要注意的有趣的事情是在从相位\(\phi_1\)到\(\phi_2\)时，\(C_1\)和\(C_2\)上的电荷发生了什么（即上图中(b)到(a)的过程）。由于\(C_1\)和\(C_2\)上的电荷相等（回忆一下\(C_2\)上的电荷是从\(C_1\)的充电中获取的），当\(C_1\)和\(C_2\)的一侧接地，他们的电荷相互抵消，并且没有电荷会进入\(C_3\)。因此，在上图(a)中的电路，\(C_3\)的电压保持与之前的输出电压相等。需要注意的时，即使两者的电荷没有精确抵消，也只会导致输出电压轻微飘离\(\phi_2\)中之前的输出电压，但不会影响\(\phi_1\)中的输出电压。

最后，这个电容重置增益电路也可以实现一个差分到单端增益电路，如下图所示：

注意所示电路中围绕虚地连接的开关相比其他开关断开的更快，来减少由于电荷注入造成的非线性。这个电路有一个开关电容电路连接到放大器的正极输入，不仅接收差分输入，并且基于一阶近似，可以取消开关的时钟馈通[Martin,1982]。