本發(fā)明涉及一種放大有限低頻信號的斬波放大器。

背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，例如公開號2006-279377的日本專利申請公開了一種放大有限低頻檢測信號的斬波放大器。該斬波放大器包含斬波調(diào)制器、差分放大器和斬波解調(diào)器，其中斬波調(diào)制器用于通過特定控制信號調(diào)制有限低頻輸入信號并且輸出調(diào)制信號，差分放大器用于差分放大該調(diào)制信號，斬波解調(diào)器用于依照該控制信號解調(diào)經(jīng)差分放大的調(diào)制信號用于輸出。圖5示出了典型的斬波放大器的實例，并且圖6A至6F示出了圖5中的斬波放大器的多個節(jié)點處的電壓波形和頻譜。圖6A示出了柵極控制信號圖5中的斬波調(diào)制器1和斬波解調(diào)器2每一個均包含NMOS晶體管。當(dāng)高電平柵極控制信號被施加至NMOS晶體管的柵極時，NMOS晶體管導(dǎo)通，而當(dāng)?shù)碗娖叫盘柋皇┘又罭MOS晶體管的柵極時，NMOS晶體管不導(dǎo)通。圖6B示出了來自信號源的電壓(信號)S1和來自偏置源(biassource)的電壓B1。該偏置源恒定地輸出DC電壓，用來為放大器提供偏壓。圖6C示出了信號S1的頻譜，并且圖6D示出了調(diào)制器的輸出，即，由斬波調(diào)制器1通過調(diào)制圖6B中的電壓波形所獲得的信號。圖6E示出了具有頻率分量fs的信號S1被轉(zhuǎn)換為具有頻率分量fchop±fs，3fchop±fs，......的信號。在圖6F中，信號通過放大器采用增益A被放大。圖6G示出了放大器的輸出電壓的頻譜，并且從其中可以看出放大器的1/f噪聲和信號被分頻(fequency-separated)。在圖6H中放大器的輸出電壓被斬波解調(diào)器2解調(diào)。在圖6I中，信號分量的頻率被恢復(fù)為轉(zhuǎn)換之前的頻率，并且放大器的1/f噪聲被斬波解調(diào)器2轉(zhuǎn)換至接近fchop的頻帶內(nèi)。在圖6J、6K中，僅有1/f噪聲被低通濾波器(LPF)截止，并且信號S1從信號源輸出而沒有改變。即，斬波放大器操作使低頗范圍內(nèi)信號移至高頻范圍，分離了信號分量和1/f噪聲的頻帶，并且放大了信號。然而，采用該斬波放大器存在一個問題，當(dāng)斬波調(diào)制器1的Nch晶體管開關(guān)從不導(dǎo)通的狀態(tài)轉(zhuǎn)變至導(dǎo)通狀態(tài)時，由于發(fā)生時鐘饋通(clockfeedthrough)，所以剩余偏置(residualoffset)被施加至LPF的輸出OUT的電壓。這主要由信號源和偏置源的輸出電阻之間的失配(mismatch)、晶體管開關(guān)的柵極-源極電容之間的失配、或放大器的兩個輸入端子的輸入電容之間的失配所引起。在下文中，會描述一個實例。圖7是實例形式的斬波放大器的電路圖，示出了信號源S1的輸出電阻R1、偏置源B1的輸出電阻R2、調(diào)制器的四個Nch晶體管的柵極-源極電容Cgs、和放大器的+和-輸入端子的輸入電容C。為簡單起見，假定晶體管開關(guān)的柵極-源極電容Cgs是相同的，并且+輸入端子的輸入電容C也是相同的，并且僅在輸出電阻R1與R2之間發(fā)生失配，并且R1＜R2。當(dāng)調(diào)制器內(nèi)部的開關(guān)從不導(dǎo)通狀態(tài)切換至導(dǎo)通狀態(tài)時，開關(guān)的Nch晶體管的柵極電位從GND轉(zhuǎn)變至VDD，將電荷注入至電源(時鐘饋通)。因為這個原因，信號源S1和偏置源B1的輸出電壓升高Ving一會兒，其中Ving＝Vdd(Cgs/(Cgs+C))。通過時鐘饋通被注入至電容C中的電荷朝信號源和偏置源放電。在圖8B中，示出了當(dāng)放電時信號源和偏置源的瞬態(tài)響應(yīng)(transientresponse)。由于偏置源B1的輸出電阻R2大于信號源S1的輸出電阻R1，因此對于輸出電阻R2來說會比輸出電阻R1花費更長的時間平復(fù)(settle)。這在調(diào)制器開關(guān)切換之后，在放大器的輸出波形中立即引起一個尖峰(圖8D)。如圖8E所示，該尖峰波形穿過解調(diào)器而沒有改變，并且被施加至LPF。LPF輸出的電壓是特定時刻波形的平均值，因此對應(yīng)尖峰波形的電壓變成了被添加至LPF輸出電壓的偏置。在圖8F中，被施加至放大器輸入的尖峰波形以LPF輸出電壓中的特定剩余偏置的形式出現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種可消除剩余偏置的斬波放大器。根據(jù)一個實施例，斬波放大器包含通過特定控制信號調(diào)制特定檢測信號和偏壓并且輸出斬波調(diào)制信號的斬波調(diào)制器、差分放大來自斬波調(diào)制器的斬波調(diào)制信號并且輸出差分調(diào)制信號的第一差分放大器、通過控制信號解調(diào)來自第一差分放大器的差分調(diào)制信號并且輸出解調(diào)信號的斬波解調(diào)器、從解調(diào)信號中提取檢測信號分量的第二差分放大器、和連接在第二差分放大器輸入端子處并且具有相對于解調(diào)信號彼此不同的截止頻率的多個濾波器。附圖說明參考附圖，本發(fā)明的特征、實施例和有益效果將從以下的詳細描述中變得顯而易見：圖1是根據(jù)第一實施例的斬波放大器的電路圖；圖2示出了檢測信號和偏壓；圖3A至3G示出了圖1中的斬波放大器的節(jié)點處的電壓波形和頻譜；圖4示出了根據(jù)第二實施例的高通濾波器的結(jié)構(gòu)；圖5是現(xiàn)有技術(shù)斬波放大器的結(jié)構(gòu)框圖；圖6A至6K示出了圖5中的斬波放大器的節(jié)點處的電壓波形和頻譜；圖7是現(xiàn)有技術(shù)斬波放大器的電路圖；以及圖8A至8F示出了現(xiàn)有技術(shù)斬波放大器的節(jié)點處的電壓波形。具體實施方式在下文中，將參考附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明的斬波放大器的實施例?？赡艿那闆r下，在貫穿附圖中將使用相同的參考標(biāo)記表示相同或類似的部件。第一實施例圖1示出了斬波放大器10的結(jié)構(gòu)。斬波放大器10包含斬波調(diào)制器20和差分放大器30，其中斬波調(diào)制器20用于調(diào)制來自信號源11的檢測信號和來自偏置源12的作為特定DC電壓的偏壓，差分放大器30用于差分放大從斬波調(diào)制器20輸出的電壓或斬波調(diào)制信號。斬波放大器10進一步包含斬波解調(diào)器40、第一高通濾波器50和第二高通濾波器51、第三差分放大器60以及第二差分放大器70，其中斬波解調(diào)器40用于解調(diào)來自第一差分放大器30的差分輸出電壓并且輸出解調(diào)信號，第一高通濾波器50和第二高通濾波器51用于截止來自斬波解調(diào)器40的解調(diào)信號的低頻分量并且輸出調(diào)制信號，第三差分放大器60用于差分放大來自高通濾波器50、51的調(diào)制信號，第二差分放大器70用于差分放大來自第三差分放大器60的差分調(diào)制信號。信號源11例如是輸出檢測信號的溫度傳感器或圖像傳感器，該檢測信號是有限低頻信號。圖1中的斬波調(diào)制器20包含四個NMOS晶體管Q1至Q4、輸入端子20a、20b以及輸出端子20c、20d，其中輸入端子20a、20b分別用于來自信號源11的檢測信號和來自偏置源12的偏壓。圖6A中的柵極控制信號被施加至NMOS晶體管Q1、Q4的柵極，同時柵極控制信號被施加至NMOS晶體管Q2、Q3的柵極。NMOS晶體管Q1、Q4在其源極處連接至輸入端子20a、20b，并且在其漏極處連接至輸出端子20c、20d。NMOS晶體管Q2在其源極處連接至輸入端子20a，并且在其漏極處連接至輸出端子20d。NMOS晶體管Q3在其源極處連接至輸入端子20b，并且在其漏極處連接至輸出端子20c。如圖6A所示，柵極控制信號是具有相同頻率的脈沖電壓，并且交替變成高電平。當(dāng)柵極控制信號處于高電平時，斬波調(diào)制器20從輸出端子20c輸出信號源11的檢測信號并且從輸出端子20d輸出偏置源12的偏壓。當(dāng)柵極控制信號處于高電平時，斬波調(diào)制器20從輸出端子20c輸出偏壓并且從輸出端子20d輸出檢測信號。因此斬波調(diào)制器20從輸出端子20c、20d輸出第一斬波調(diào)制信號和第二斬波調(diào)制信號。第一差分放大器30是全差分放大器并且包含兩個輸入端子30a、30b和兩個輸出端子30c、30d。第一差分放大器30從輸出端子30c輸出第一縮減的調(diào)制電壓，該第一縮減的調(diào)制電壓通過從輸入端子30b的電壓減去輸入端子30a的電壓獲得。同樣，第一差分放大器30從輸出端子30d輸出第二縮減的調(diào)制電壓，該第二縮減的調(diào)制電壓通過從輸入端子30a的電壓減去輸入端子30b的電壓獲得。斬波解調(diào)器40包含四個NMOS晶體管Q5至Q8、輸入端子40a、40b以及輸出端子40c、40d，其中輸入端子40a、40b連接至第一差分放大器30的輸出端子30c，30d。圖1中的柵極控制信號被施加至NMOS晶體管Q5、Q8的柵極，同時柵極控制信號被施加至NMOS晶體管Q6、Q7的柵極。NMOS晶體管Q5、Q8在其源極處連接至輸入端子40a、40b，并且在其漏極處連接至輸出端子40c、40d。NMOS晶體管Q6在其源極處連接至輸入端子40a，并且在其漏極處連接至輸出端子40d。NMOS晶體管Q7在其源極處連接至輸入端子40b，并且在其漏極處連接至輸出端子40c。當(dāng)柵極控制信號處于高電平時，斬波解調(diào)器40從輸出端子40c、40d輸出第一差分放大器30的輸出端子30c、30d的輸出電壓。當(dāng)柵極控制信號處于高電平時，斬波解調(diào)器40從輸出端子40c輸出第一差分放大器30的輸出端子30d的輸出電壓或第一解調(diào)信號，并且從輸出端子40d輸出輸出端子30c的輸出電壓或第二解調(diào)信號。第一高通濾波器50的截止頻率Fc1(第一頻率)被設(shè)置為低于信號源11的檢測信號的頻率Fin。第一高通濾波器50被配置用來截止低于或等于截止頻率的頻率，并且允許高于截止頻率的頻率通過。第一高通濾波器50連接至斬波解調(diào)器40的輸出端子40d。第二高通濾波器51的截止頻率Fc2(第二頻率)被設(shè)置為高于信號源11的檢測信號的頻率Fin。第二高通濾波器51被配置用來截止低于或等于截止頻率的頻率，并且允許高于截止頻率的頻率通過。設(shè)置截止頻率Fc2使得Fc2＜＜Fchop，其中Fchop是柵極控制信號的頻率。第二高通濾波器51連接至斬波解調(diào)器40的輸出端子40d。第三差分放大器60是全差分放大器，并且包含兩個輸入端子60a、60b和兩個輸出端子60c、60d。輸入端子60a連接至第二高通濾波器51，而輸入端子60b連接至第一高通濾波器50。第三差分放大器60從輸出端子60c輸出電壓或第一解調(diào)信號，該電壓或第一解調(diào)信號通過從輸入端子60b的電壓減去輸入端子60a的電壓獲得。同樣，第三差分放大器60從輸出端子60d輸出電壓或第二解調(diào)信號，該電壓或第二解調(diào)信號通過從輸入端子60a的電壓減去輸入端子60b的電壓獲得。第二差分放大器70的輸入端子70a、70b經(jīng)電阻R1、R2連接至第三差分放大器60的輸出端子60c、60d。第二差分放大器70的輸出端子的輸出電壓Vg通過以下的方程式來表示：Vg＝(R1/R2)×(Vka-Vkb)+V1，其中Vka是輸入至輸入端子70a的電壓，并且Vkb是輸入至輸入端子70b的電壓。由于(R1/R2)＝1，因此與V1相加的(Vka-Vkb)的電壓被輸出。接下來，描述斬波放大器10的運行。假定如圖2所示，檢測電壓或檢測信號G1從信號源11輸出，并且偏壓Vb從偏置源12輸出。在信號源11與偏置源12的輸出電阻(未示出)之間發(fā)生失配，并且信號源11的輸出電阻小于偏置源12的輸出電阻。NMOS晶體管Q1至Q4的開關(guān)的柵極-源極寄生電容Cgs彼此完全匹配，并且第一差分放大器30的OPamp的+輸入端子30a和-輸入端子30b的寄生電容C也彼此完全匹配。斬波調(diào)制器20通過柵極控制信號和頻率Fchop調(diào)制檢測信號G1和偏壓Vb。NMOS晶體管Q1至Q4從不導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)變至導(dǎo)通狀態(tài)用于調(diào)制，其引起時鐘饋通。如圖3A所示，由于時鐘饋通所導(dǎo)致的尖峰波形Vsa、Vsb被附加在檢測電壓G1和偏壓Vb上。圖3A中的圖表示出了檢測電壓G1的頻率和尖峰噪聲或尖峰波形的頻譜。應(yīng)當(dāng)注意，圖3A中的波形是從圖2中虛線所環(huán)繞的部分被放大而得來。斬波調(diào)制器20通過柵極控制信號導(dǎo)通和截止NMOS晶體管Q1至Q4用于調(diào)制，因此如圖3B所示，從輸出端子20c、20d輸出調(diào)制電壓Vha、Vhb或斬波調(diào)制信號。調(diào)制電壓Vha、Vhb被分別輸入至第一差分放大器30的輸入端子30a、30b。第一差分放大器30從輸出端子30c輸出第一縮減的調(diào)制電壓或第一差分調(diào)制信號Vda，并且從輸出端子30d輸出第二縮減的調(diào)制電壓或第二差分調(diào)制信號Vdb。第一縮減的調(diào)制電壓通過從調(diào)制電壓Vhb減去調(diào)制電壓Vha獲得，并且第二縮減的調(diào)制電壓通過從調(diào)制電壓Vha減去調(diào)制電壓Vhb獲得。第一縮減的調(diào)制電壓Vda和第二縮減的調(diào)制電壓Vdb在圖3C中示出。圖3C對應(yīng)于圖6F，6G，并且Vda、Vdb包括1/f噪聲和尖峰噪聲。第一縮減的調(diào)制電壓Vda被輸入至斬波解調(diào)器40的輸入端子40a，并且第二縮減的調(diào)制電壓Vdb被輸入至輸入端子40b。斬波解調(diào)器40通過柵極控制信號導(dǎo)通和截止NMOS晶體管Q5至Q8，用來解調(diào)第一縮減的調(diào)制電壓Vda和第二縮減的調(diào)制電壓Vdb，并且如圖3D所示從輸出端子40c、40d輸出解調(diào)電壓Vfa、Vfb。解調(diào)電壓Vfb或第二解調(diào)信號相當(dāng)于解調(diào)電壓或第一解調(diào)信號Vfa的翻轉(zhuǎn)。解調(diào)電壓Vfa、Vfb包括頻帶Fin中的檢測信號G1、通過解調(diào)1/f噪聲所轉(zhuǎn)換的頻率Fchop周圍頻帶中的噪聲、以及DC分量、Fchop、3Fchop...的波長段中的尖峰波形。解調(diào)電壓Vfb被輸入至第一高通濾波器50和第二高通濾波器51。第一高通濾波器50截止頻率Fc1或更小的頻率，所述截止頻率Fc1或更小的頻率低于檢測信號的頻率Fin，并且輸出解調(diào)電壓或信號Vfc，所述解調(diào)電壓或信號Vfc包含具有頻率Fin的檢測信號G1、頻率Fchop周圍頻帶內(nèi)的噪聲、和DC分量、Fchop、3Fchop...的波長段中的尖峰波形。與此同時，第二高通濾波器51截止頻率Fc2或更小的頻率，所述頻率Fc2或更小的頻率高于頻率Fin，并且輸出不包含檢測信號分量G1的解調(diào)電壓或信號Vfd。解調(diào)電壓Vfd包括Fchop周圍頻率的噪聲和DC分量、Fchop、3Fchop...的波長段中的尖峰波形。解調(diào)電壓Vfc、Vfd被分別輸入至輸入端子60b、60a。如圖3F所示，第三差分放大器60從輸出端子60c輸出第一差分電壓Vka，并且從輸出端子60d輸出第二差分電壓Vkb。第一差分電壓Vka通過從解調(diào)電壓Vfc中減去解調(diào)電壓Vfd獲得，并且第二差分電壓Vkb通過從解調(diào)電壓Vfd中減去解調(diào)電壓Vfc獲得。因此，它們僅包括檢測信號分量G1，消除了Fchop周圍的噪聲和DC分量、Fchop、3Fchop...的波長段內(nèi)的尖峰波形。第一差分電壓Vka和第二差分電壓Vkb從第三差分放大器60的輸出端子60c、60d被輸入至第二差分放大器70的輸入端子70a、70b。第二差分放大器70輸出信號電壓Vg，該信號電壓Vg通過從輸入至輸入端子70a的第一差分電壓Vka中減去輸入至輸入端子70b的第二差分電壓Vkb獲得。因此，尖峰噪聲和1/F噪聲被消除，信號電壓Vg免于剩余偏置。第二實施例參考圖4來描述第一高通濾波器和第二高通濾波器的另一個實例。第一高通濾波器包含電容C1和MOS晶體管Tr1，第二高通濾波器包含電容C2和MOS晶體管Tr2。由于檢測信號G1的低頻帶，所以第一高通濾波器的截止頻率需要被設(shè)置為低值。例如，考慮具有1Hz的截止頻率的第一序列高通濾波器的電容和電阻，當(dāng)電容被設(shè)置為1pF時，高通濾波器需要160GΩ的電阻。通常，在半導(dǎo)體襯底上由多晶硅元件所構(gòu)成的160GΩ的電阻需要巨大的面積。鑒于此，為實現(xiàn)具有較小的面積和低截止頻率的高通濾波器，通過將MOS晶體管Tr1的柵極-源極電壓Vgs設(shè)置為閾值電壓或更小可形成非常大電阻的元件。這是因為電壓Vgs越小，MOS晶體管Tr1能夠等效施加的電阻越大。應(yīng)當(dāng)注意，在上面的實施例中，第三差分放大器60可以省略。盡管用示例性的實施例來對本發(fā)明進行了描述，但其并不限于此。應(yīng)當(dāng)理解，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離由以下的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的情況下可在描述的實施例中做出變形或改變。