一种可调节信号且可编程的增益放大器制造技术

本发明专利技术提供了一种可调节信号且可编程的增益放大器，采用PGA电路，包括：运算放大电路、输入端、输出端、第一反馈电容、第二反馈电容、第一开关和第二开关；其中，第一反馈电容跨接在输出端和运算放大电路的反向输入端之间，第二反馈电容的一端连接运算放大器的反向输入端，另一端通过第一开关和第二开关分别连接输出端和参考电压。本发明专利技术减少了电容的使用数量，节省了面积；减少了输入电压数量，简化了电路设计，同时减小了面积、功耗和噪声；增大了PGA电路的反馈系数，减轻了运放的设计难度，同时减小了功耗；可配置成传统的只有放大功能的PGA电路，更加灵活。

Programmable gain amplifier with adjustable signal

The present invention provides an adjustable gain amplifier and programmable signal, the PGA circuit includes an operational amplifier circuit, the input end and the output end, the first and second feedback capacitor feedback capacitor, a first switch and a second switch; wherein, the first feedback capacitor connected across the output of the inverting input end and operational amplifier the reverse input circuit, the feedback capacitor connected to one end of the second operational amplifier, the other end is respectively connected with the output terminal and the reference voltage through a first switch and a second switch. The invention reduces the number of capacitors used, saving the area; reduce the number of input voltage, the circuit design is simplified, while reducing the area and power consumption and noise; increasing the feedback coefficient of PGA circuit, reducing the difficulty of the design of the amplifier and reduce power consumption; PGA circuit configured to only the traditional zoom function the more flexible.

【技术实现步骤摘要】
一种可调节信号且可编程的增益放大器
本专利技术涉及集成电路
，具体涉及一种可调节信号且可编程的增益放大器。
技术介绍
可编程增益放大器简称PGA，是一种将输入模拟电压信号放大设定倍数后输出的模拟放大器电路，其放大倍数由采样电容与反馈电容比值决定。由开关电容方式实现的PGA电路完全兼容于现在标准的CMOS工艺技术，因而广泛应用于现在的标准CMOS芯片中，用于放大模拟电压信号。图1为一个典型的PGA电路示意图，模拟电压信号经PGA电路后放大设定的倍数后，输出给模拟数字转换ADC电路，经ADC电路转换成数字信号后输出给数字信号处理模块DSP，进行一系列的数字信号处理。一个比较典型的实例为CMOS图像传感器芯片，由像元感光单元(Pixel)将接受到的光信号转换成模拟电压信号，输出至PGA，经PGA放大后至ADC转换成数字信号后输出至DSP处理输出至芯片外部，由此实现图像感应。由于PGA后续所接的ADC电路的模拟输入信号一般有幅度限制，即ADC模拟输入信号低于其输入信号幅度最低值或超出输入信号幅度最高值时，ADC电路不能正确的转换成相对应的数字码。而现在的一些芯片系统中，如CMOS图像传感器系统中，PGA的输入模拟电压信号，即像素单元pixel的输出电压信号中除包含所需的光感应信号外，还含有暗电流导致的无用的信号，该信号叠加在正常的光感应信号中，经PGA放大后输出至ADC，会占掉一部分的ADC输入信号幅度，使得ADC所能转换的正常的光感应信号范围变小了。例如ADC的输入信号幅度为1V，而暗电流导致的无用信号最大幅度为0.1V，则ADC所能转换出的正常的光感应信号最大幅度为1V-0.1V＝0.9V。这样便导致了芯片系统所能感应到的最大信号幅度变小了，相应的导致芯片系统动态范围减小。为了解决这个问题，一种做法即为在PGA处加入信号调节功能，即在PGA处将输入信号中包含的0.1V的无用信号减去，使的PGA输入为0.1V～1.1V时输出0～1V，这样ADC的输入信号范围没有被浪费在无用信号上，提升了整个系统的动态范围。由此，带信号调节功能的PGA电路有了实际的应用需求。然而，由于现在的传感器等芯片广泛应用在便携式移动设备中，因而芯片的面积与功耗成为了芯片很重要的性能指标，很大程度地影响芯片的竞争力。前面提及的PGA电路应用在这类芯片中，需要考虑其面积和功耗，特别是现在广泛采用的开关电容PGA，电容的使用会占去芯片相当可观的面积，同时也需要可观的电流以驱动所用到的电容。所以，前面提到的带信号调节功能的PGA电路被期望不要使用过多的电容以节省宝贵的面积和功耗。图2所示为一种传统的只能实现输入信号按设定倍数放大的PGA电路结构，其信号放大倍数为Cs/Cf，实际中Cs或Cf电容会做成可调电容以实现增益可变的功能，此处没有标明。该PGA电路环路的反馈系数β＝Cf/(Cs+Cf)；图2中的电路的输出端的信号的放大倍数只能由Cs/Cf比例确定，而Cs/Cf的比例在制备时时固定的，因为不能实现灵活的调节。图3为一种传统的带信号调节功能的PGA电路结构，其通过增加电容Cos和两个参考电压信号Vos1、Vos2，配合响应的开关信号时序，以实现输入信号的放大和调节，其中S1和S1B为互补信号。其工作时序如图4所示，SW、S1为高，相应开关导通，PGA处于复位状态，输出VOUT为VCM，V2点电压为Vos1，输出VIN端电压为Vin1，然后SW由高变为低，随后S1由高变为低，即S1B由低变高，V2点由Vos1变为Vos2，输出VOUT由VCM变为VCM+ΔVin+ΔVos，其中ΔVin＝(Vin2-Vin1)*Cs/Cf,ΔVos＝(Vos2-Vos1)*Cos/Cf。该PGA环路反馈系数为β＝Cf/(Cs+Cf+Cos)。图3所示电路可以实现信号放大和调节功能，但其有几个明显的缺点：1、较传统的PGA增加了一个电容Cos，增大了面积；2、新增了两个参考电压Vos1、Vos2，增加了电路的复杂度，同时也引入了Vos1、Vos2两个噪声源、面积；3、PGA环路反馈系数β＝Cf/(Cs+Cf+Cos)小于传统PGA的β＝Cf/(Cs+Cf)，反馈系数的减小导致运放的设计难度增加，功耗增加。
技术实现思路
为了克服以上问题，本专利技术旨在提供工艺中可调节信号且可编程的增益放大器。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种可调节信号且可编程的增益放大器，采用PGA电路，所述PGA电路具体包括：运算放大电路(OTA)、输入端(VIN)、输出端(VOUT)、采样电容(Cs)、第一反馈电容(Cf1)、第二反馈电容(Cf2)、总开关(SW)、第一开关(S1)、第二开关(S1B)，其中，第一反馈电容(Cf1)的一端与采样电容(Cs)连接，另一端与输出端(VOUT)连接；第二反馈电容(Cf2)的一端与采样电容(Cs)连接，另一端与第一开关(S1)的一端、第二开关(S1B)的一端相连接，第一开关(S1)的另一端连接输出端(VOUT)，第二开关(S1B)的另一端连接参考电压(Vos)；总开关(SW)的一端连接采样电容(Cs)，另一端连接输出端(VOUT)；运算放大电路(OTA)的反向输入端(VN)连接采样电容(Cs)，正向输入端连接共模电压(VCM)，另一端连接输出端(VOUT)。优选地，所述运算放大电路(OTA)采用五管运算放大器。优选地，所述五管运算放大器具体包括：第一NMOS管、第二NMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、尾电流NMOS管；第四PMOS管的源极和第三PMOS管的源极均接电源；第四PMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极相连且共同与第三PMOS管的漏极和第一NMOS管的漏极相连接；第四PMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极相连且共同连接至输出端(VOUT)；第二NMOS管的源极和第一NMOS管的源极相连接且共同连接至尾电流NMOS管的漏极；第二NMOS管的栅极接反向输入端(BN)；输入端第一NMOS管的栅极接共模电压(VCM)；尾电流NMOS管的栅极连接偏置电压(VB)，尾电流NMOS管的源极接地。优选地，所述PGA电路的反馈系数为：β＝Cf/(Cs+Cf1+Cf2)＝Cf/(Cs+Cf)，其中，β为反馈系数，Cf为第一反馈电容(Cf1)与第二反馈电容(Cf2)之和。优选地，所述第二开关(S1B)信号开始下降的时间比采样开关(SW)信号开始下降的时间晚，所述第一开关(S1)信号开始上升的时间比第二开关(S1B)开始下降的时间晚，输入端(VIN)的信号发生变化的时间比第一开关(S1)信号开始上升的时间晚，从而得到所述PGA电路的输出端(VOUT)＝VCM+ΔVin+ΔVos；ΔVin为PGA电路对输入信号放大后得到的输出项，放大倍数由采样电容(Cs)与第一反馈电容(Cf1)与第二反馈电容(Cf2)之和的比值决定，ΔVos为对输出信号的调节项，其大小由第二反馈电容(Cf2)与第一反馈电容(Cf1)、第二反馈电容(Cf2)之和的比值以及参考电压(Vos)与共模电压(VCM)的电压差值决定。优选地，所述第一开关(S1)和所述第二开关(S1B)由单向导通晶体管来实现。优选地，所述第一开关(S1)和所述第二开关(S1B)为单刀开关。本专利技术所提出的一种可调节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可调节信号且可编程的增益放大器，采用PGA电路，其特征在于，所述PGA电路具体包括：运算放大电路(OTA)、输入端(VIN)、输出端(VOUT)、采样电容(Cs)、第一反馈电容(Cf1)、第二反馈电容(Cf2)、总开关(SW)、第一开关(S1)、第二开关(S1B)，其中，第一反馈电容(Cf1)的一端与采样电容(Cs)连接，另一端与输出端(VOUT)连接；第二反馈电容(Cf2)的一端与采样电容(Cs)连接，另一端与第一开关(S1)的一端、第二开关(S1B)的一端相连接，第一开关(S1)的另一端连接输出端(VOUT)，第二开关(S1B)的另一端连接参考电压(Vos)；总开关(SW)的一端连接采样电容(Cs)，另一端连接输出端(VOUT)；运算放大电路(OTA)的反向输入端(VN)连接采样电容(Cs)，正向输入端连接共模电压(VCM)，另一端连接输出端(VOUT)。

【技术特征摘要】
1.一种可调节信号且可编程的增益放大器，采用PGA电路，其特征在于，所述PGA电路具体包括：运算放大电路(OTA)、输入端(VIN)、输出端(VOUT)、采样电容(Cs)、第一反馈电容(Cf1)、第二反馈电容(Cf2)、总开关(SW)、第一开关(S1)、第二开关(S1B)，其中，第一反馈电容(Cf1)的一端与采样电容(Cs)连接，另一端与输出端(VOUT)连接；第二反馈电容(Cf2)的一端与采样电容(Cs)连接，另一端与第一开关(S1)的一端、第二开关(S1B)的一端相连接，第一开关(S1)的另一端连接输出端(VOUT)，第二开关(S1B)的另一端连接参考电压(Vos)；总开关(SW)的一端连接采样电容(Cs)，另一端连接输出端(VOUT)；运算放大电路(OTA)的反向输入端(VN)连接采样电容(Cs)，正向输入端连接共模电压(VCM)，另一端连接输出端(VOUT)。2.根据权利要求1所述的增益放大器，其特征在于，所述运算放大电路(OTA)采用五管运算放大器。3.根据权利要求2所述的增益放大器，其特征在于，所述五管运算放大器具体包括：第一NMOS管、第二NMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、尾电流NMOS管；第四PMOS管的源极和第三PMOS管的源极均接电源；第四PMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极相连且共同与第三PMOS管的漏极和第一NMOS管的漏极相连接；第四PMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极相连且共同连接至输出端(VOUT)；第二NMOS管的源极和第一NMOS管的源...

【专利技术属性】
技术研发人员：何学红，皮常明，段杰斌，
申请(专利权)人：上海集成电路研发中心有限公司，成都微光集电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31