[发明专利]一种可调节信号且可编程的增益放大器电路及其控制方法

说明书

本发明公开了一种可调节信号且可编程的增益放大器电路及其控制方法，该电路包括运算放大器、输入端、输出端、采样电容、反馈电容、第一开关、第二开关和第三开关，其中，反馈电容的一端与采样电容连接，另一端与第二开关、第三开关的一端连接，第二开关的另一端连接输出端，第三开关的另一端连接参考电压；第一开关的一端连接采样电容，另一端连接输出端；运算放大器的反向输入端连接采样电容，正向输入端连接共模电压，另一端连接输出端。本发明可以简化电路设计，减小运算放大器设计难度，节省了由参考电压带来的功耗和面积，通过修改采样点，本发明可以消除运算放大器的失调电压，实现高精度放大功能。

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种可调节信号且可编程的增益放大器电路及其控制方法。

背景技术

可编程增益放大器电路简称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电路应用方案，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。而在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。前面所述的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’)，其中，Cs’为电容Cs对应的电容值，Cf’为电容Cf对应的电容值。