[发明专利]全差分开关电容积分器

说明书

本公开提供了一种全差分开关电容积分器，包括：运算放大器单元，包括用于提供预定的增益与带宽的运算放大器；开关电容单元，包括：开关电容积分单元，跨接于运算放大器输入端与输出端之间，包括MOS开关Φ2及电容C1的串联支路，电容C3并联于上述支路，并且所述MOS开关Φ2及电容C1之间还设置有MOS开关Φ1连接到参考电压Vref，以及部分正反馈电容C2连接到运算放大器相反极性的输出端上；开关电容共模反馈单元，设置于运算放大器的正输出端和负输出端之间，为六开关四电容结构；不交叠时钟产生单元，产生MOS开关的时钟信号。该全差分开关电容积分器对寄生不敏感，具有高效的面积利用率及更大时间常数。

技术领域

本公开有关一种开关电容积分器，特别涉及一种适用于要求大时间常数滤波器的生物医疗电子领域，如心电监测、脑电监测等信号采集电路的全差分开关电容积分器。

背景技术

在心电、脑电等电生理信号监测电路中，为了采集到几十微伏到几毫伏的电生理信号，前端放大器通常放大倍数在100倍左右，以降低后续电路的等效输入噪声。其分为交流耦合型和直流耦合型，为了避免电极几十到几百毫伏的直流失调使得放大器饱和，并且保证能采集到0.1Hz到0.5Hz以上的信号，交流耦合型采用大电容隔直，直流耦合型在反馈环路中加入超大时间常数积分器，从而抑制直流失调并且保证放大器的高通截止频率在0.1Hz到0.5Hz之间。近十年，由于直流耦合型引入了斩波结构，相对交流耦合型，面积更小，功耗更小，噪声更小，CMRR更高，因此其反馈环路中的积分器的研究主要针对于准确的单位增益频率或者大时间常数。开关电容电路由于时间常数精度高，良好的温度特性，易于时钟控制，在模拟滤波器中得到广泛应用。

常规的开关电容积分器电容占用面积很大，如Tim Denison等人在2007年为了达到2.5Hz的单位增益频率，积分电容达到了100pF，面积很大。其他开关电容积分器，如T-Cell结构和Split-Integrator结构，可以实现大时间常数，但面积都非常大，还有研究人员在2008年将T-Cell结构和Nagaraj积分器结合，可以在一半的面积下实现相同的时间常数，但是T-Cell结构对寄生电容敏感，会降低电路的精度。

常规的RC积分器也不能满足要求，要达到1s以上的时间常数，需要GΩ的电阻和nF的电容，这在集成电路设计中是不现实的。为此有研究提出了MOS伪电阻结构和占空比电阻结构。Jerald Y等人在2013年使用了关态的PMOS串联来实现积分电阻，阻值达到10TΩ，但实际上阻值受输出幅度、工艺和温度的影响很大，不能保证时间常数的精度。Hariprasad C等人使用了占空比电阻，通过调整积分电阻导通时间和时钟周期比值实现大电阻，实现了10GΩ以上的等效电阻，具有很好的线性度和精度，但电阻导通时间受数字电路时延的影响，最大能实现的阻值受时钟周期和电阻寄生电容影响，需要调节电路时延和时钟周期达到预期阻值。

另外还有OTA-C结构或者数字处理电路来提高积分器的时间常数，复杂度较高。

综上所述，在获取大的时间常数，设计的简易度，以及高精度的情况下，全差分开关电容积分器具有明显的优势，但是要继续增大其时间常数，只有增大电容C3或者减小电容C0和C1，增大C3会增大芯片面积，减小C0和C1会使得MOS开关的电荷注入和时钟馈通效应相对恶化，且版图中金属走线的寄生电容的影响也相对变大。

鉴于以上背景，需要对全差分开关电容积分器进行改进，从而得到高效的面积利用率，对寄生不敏感，具有更大时间常数的开关电容积分器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种全差分开关电容积分器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案