[发明专利]完全电容性耦合的输入斩波器

说明书

技术领域

本发明涉及用于例如在运算放大器、测量放大器和模数转换器中使用的输入斩波器的领域。

背景技术

测量放大器和模数转换器经常用于进行传感器接口连接。在用于手机、膝上型电脑和电动汽车的电源管理的电流感测应用中，在电流感测电阻器上出现比供电电压高几伏特或几十伏特的数量级的大的共模电压的情况下，必须测量该感测电阻器上的数量级为毫伏的小的差模电压。为了解决这个在共模电压超过供电轨时的差模电压测量问题，经常允许输入电路的一部分（可以是电阻器电桥或电压-电流转换器）从感测电阻器汲取其共模供电电流。该输入共模供电电流常常对待测量的系统产生不期望的影响。因此，已经开发了不汲取输入共模供电电流同时却能够感测超过它们的供电轨的电压的具有电容性耦合输入斩波器的测量放大器和模数转换器。一种这样的现有技术是使用由电容性耦合差分输入跟随的输入斩波器。第二斩波器将方波整流回输入波形。

如专利号为7714757的美国专利所示，另一现有技术是使用变压器。在成本和电路板面积两方面，这个解决方案执行起来都是昂贵的，因为它无法容易地完全集成。

附图说明

图1示出了具有二极管保护的栅极和有源下拉保护的电容性耦合斩波器。

图2示出了具有锁存器保护的栅极的具有用于大的正（plus）共模输入电压能力和负（minus）共模输入电压能力的浮置阱的电容性耦合斩波器。

图3示出了使用一个锁存器来控制晶体管MN1和MN3的栅极并使用第二锁存器来控制晶体管MN2和MN4的栅极的电路。

图4示出了具有锁存器保护的栅极和有源下拉保护的电容性耦合的斩波器。

图5类似于图4，只是晶体管MN1-MN4中的每一个的体区（body）都耦合至各自的晶体管的源极，并且已经除去了第二锁存器（在输入端Vinp和Vinn上）。

图6示出了具有用于在允许较大的差模输入电压时实施保护的串联锁存器和有源下拉保护的电容性耦合斩波器。

图7示出了两个反串联（anti-series）电容性耦合的斩波器，所述斩波器同样具有浮置阱，所述浮置阱具有大的正共模输入电压能力和负共模输入电压能力以及额外的大的差分输入电压能力。

图8示出了示例性的电容性耦合的运算放大器。

图9示出了示例性的电容性耦合的测量放大器。

图10示出了示例性的电容性耦合的三角积分（sigma delta）模数转换器。

具体实施方式

图1示出了电容性耦合斩波器的第一实现形式。如其中所示，提供了四个时钟驱动器电容器C11至C22，斩波器晶体管MN1至MN4中的每一个斩波器晶体管一个电容器。每个晶体管的栅极都具有用于防范过大的负栅极电压的反向二极管Dr和用于防范过大的正漏极源极电压的正向串联的二极管链Dfx。这些过大的电压可能源于大的共模输入电压偏移。峰至峰时钟电压Clkp、Clkn必须小于反向和正向的二极管电压的总和。否则会发生在输入端子Vinp、Vinn处的大电荷注入。此外，为了连接输入端和输出端Vinp和Voutp以及Vinn和Voutn，从输出端到输入端设有二极管Do1和Do2以便在没有时钟的情况下保护晶体管MN1-MN4使其免受过大的漏极源极电压，并且共模输出电压不会跟随大的负共模输入阶跃（step）。背栅至沟道二极管（在权利要求中称为每一晶体管的漏极与体区之间的体二极管）在相同的情况下自动执行用于正共模输入阶跃的这一功能。峰至峰差模输入电压必定小于两个正向偏置二极管的压降的电压。对于更大的差模输入电压，可以使用其他的斩波器电路。

图1的具有二极管保护的栅极的电容性耦合斩波器的缺点是：峰至峰时钟电压必须大于保护二极管（二极管Dr）电压和斩波器晶体管的阈值电压Vth的总和，以便可靠地使斩波器开关导通。对于低电荷注入而言，更好的是峰至峰时钟电压仅仅需要比斩波器晶体管的阈值电压Vth大。为了这个目的，如图2所示，用锁存器（晶体管MN5、MN6、MN7和MN8）代替反向栅极电压保护二极管Dr11至Dr41和二极管Df11至Df4x的正向串联链。