一種斬波失調(diào)穩(wěn)定儀表放大器的研究與設(shè)計(jì)

1、種斬波失調(diào)穩(wěn)定儀表放大器的研究與設(shè)計(jì)導(dǎo)讀 采用斬波失調(diào)穩(wěn)定技術(shù)設(shè)計(jì)了一種包括輔助運(yùn)放和主放大器的儀表放大器。輔助運(yùn)放采用內(nèi)置解調(diào)器結(jié) 構(gòu)，形成低噪聲和低失調(diào)電壓來(lái)調(diào)節(jié)主運(yùn)放的噪聲和失調(diào)， 使輸出極點(diǎn)成為主極點(diǎn)，無(wú)需低通濾波器。儀表放大器的帶 寬由主運(yùn)放決定。本電路采用TSMC 0.35卩m 5 V混合信號(hào)工藝設(shè)計(jì)，利用 Cadence公司Spectre進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，電路開(kāi)環(huán)增益達(dá) 87.3 dB，增益帶寬積12 MHz，共模抑制比可達(dá)117 dB。儀表放大器是把關(guān)鍵元件集成在放大器內(nèi)部，它源于運(yùn)算放大器， 但優(yōu)于運(yùn)算放大器。 其低噪聲、 低失調(diào)、 高共模抑制比、高輸入阻抗等是儀表放大器的

2、重要指標(biāo)。目前降低 1/f 噪聲和失調(diào)的方法有 :微調(diào)技術(shù)、自動(dòng)歸零技術(shù)和斬波技術(shù)。微調(diào)技術(shù)無(wú)法降低放大器的 1/f 噪聲和溫 度漂移。自動(dòng)歸零技術(shù)是一種采樣技術(shù)，通過(guò)對(duì)低頻噪聲、 失調(diào)進(jìn)行采樣，然后在運(yùn)算放大器的輸入或輸出端，把它們 從信號(hào)的瞬時(shí)值中減去，實(shí)現(xiàn)對(duì) 1/f 噪聲和失調(diào)的降低，因 為該技術(shù)對(duì)寬帶白噪聲是一種欠采樣過(guò)程，所以會(huì)造成白噪聲的混疊 1 。斬波技術(shù)采用調(diào)制和解調(diào)的方法，把1/f 噪聲 和失調(diào)調(diào)制到高頻端，再經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除，而有用信號(hào) 經(jīng)過(guò)調(diào)制后，又解調(diào)到基帶，這種技術(shù)沒(méi)有白噪聲混疊的缺點(diǎn)，但是其斬波頻率限制了其帶寬。本文設(shè)計(jì)的儀表放大器，同時(shí)應(yīng)用了斬波穩(wěn)定技術(shù) 2和自

3、動(dòng)歸零技術(shù) 3來(lái)降低 1/f 噪聲和失調(diào)電壓的影響，具有 高的共模抑制比、低失調(diào)電壓以及能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償失調(diào)電壓的 特點(diǎn)。1 斬波技術(shù)的基本原理斬波原理圖如圖 1 所示。斬波技術(shù)通過(guò)把輸入信號(hào)和方波信號(hào)調(diào)制，再經(jīng)同步解調(diào)和低通濾波后得到所需要的信 調(diào)制到高頻，然后通過(guò)低通濾波器把高頻處的失調(diào)電壓和噪 聲濾除掉。在理想情況下，斬波運(yùn)放能夠完全消除直流失調(diào) 和低頻噪聲 （主要是 1/f 噪聲）。斬波調(diào)制原理如圖 1 所示，假號(hào)，它實(shí)質(zhì)上并沒(méi)有消除失調(diào)，而是把失調(diào)電壓和低頻噪聲設(shè)Vin、Vout分別是輸入、輸出信號(hào)電壓，A為放大器的增益， Vch 是周期性方波信號(hào)， fch2 斬波失調(diào)穩(wěn)定技術(shù)斬波過(guò)程會(huì)

4、產(chǎn)生很多混頻產(chǎn)物，包括斬波頻率和輸入信號(hào)的和、差項(xiàng)。這些混頻產(chǎn)物會(huì)引起很大的失真，特別是當(dāng) 信號(hào)頻率接近斬波頻率時(shí)尤為明顯。而且低通濾波會(huì)減小可 用信號(hào)的帶寬。要想在信號(hào)帶寬不減小的情況下抑制噪聲和 失調(diào)，最好的解決辦法是使用斬波失調(diào)穩(wěn)定的運(yùn)算放大器。這種電路結(jié)構(gòu)在主通路提供信號(hào)帶寬，而輔助通路減少失 調(diào)，其電路結(jié)構(gòu)如圖 2 所示 4 ，其中輔助通路包括斬波穩(wěn)定 放大器和積分器，主通路只有 1 個(gè)放大器。Am 、假設(shè)主放大器的主、輔輸入端的失調(diào)電壓分別為Vosm（主）、Vosm, 1（輔），主、輔輸入端的增益分別為Am， 1;輔助運(yùn)放的等效失調(diào)電壓為Vosn、增益為An，整個(gè)放大器的整體失調(diào)電

5、壓為 Vos，則有：3斬波失調(diào)穩(wěn)定放大器的設(shè)計(jì)和仿真3.1 輔助運(yùn)算放大器本文采用的輔助放大器如圖3（a）所示4，它是由兩級(jí)運(yùn)放和 1 個(gè)調(diào)制器、 1 個(gè)解調(diào)器組成，它有一個(gè)顯著的特征： 解調(diào)器放在兩級(jí)運(yùn)放之間，主極點(diǎn) P1 在第二級(jí)運(yùn)放上、次 極點(diǎn)在第一級(jí)運(yùn)放上。為了滿(mǎn)足放大器的相位裕度，第一級(jí) 的截止頻率要比整體的高。由于本方案是在第二級(jí)之前解調(diào)的，所以第二級(jí)運(yùn)放的運(yùn)算放大器的截止頻率 fc 可以比 fch低，從而降低了斬波運(yùn)放的功耗。而傳統(tǒng)的斬波放大器是在 輸出端進(jìn)行解調(diào)的， 所以各級(jí)放大器的 fc 要比 fch 高。另外，相位補(bǔ)償電容可以作為第一級(jí)的窄帶LPF,所以本斬波放大器不需要在

6、后面接 LPF 。當(dāng)輸入 1 mV、1 kHz 的小信號(hào)及斬波頻率為 10 kHz 時(shí)，斬波電路的開(kāi)環(huán)瞬態(tài)仿真結(jié)果如圖3(b)所示。3.2 主放大器主放大器采用差分差值放大器DDA(Differential如圖 4 所示。 DDA 電路Difference Amplifier)5 ，其采用了兩對(duì)差分對(duì)結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于 一個(gè)四輸入、 單端輸出的電路組態(tài)，有兩個(gè)跨導(dǎo)放大器和一個(gè)將電流轉(zhuǎn)電壓(17V)的放大單元。輸入信號(hào)以差分的形式輸入，通過(guò)跨導(dǎo)單元轉(zhuǎn)化成差分電 流，再將各對(duì)應(yīng)支路上的電流進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，最后通過(guò)電流 轉(zhuǎn)電壓?jiǎn)卧糯筝敵?。主放大器采用共源共柵結(jié)構(gòu)，如圖 5所示6，有 2個(gè)主i，輸入端(V+

7、 , V-)和2個(gè)輔助輸入端(Va+, Va-)。失調(diào)信號(hào) V加在輔助輸入端，在輔助放大器尾端產(chǎn)生一個(gè)微擾電流然后通過(guò)電流鏡 M13M16在主放大器產(chǎn)生+/-m i，經(jīng)共源共柵放大后產(chǎn)生失調(diào)校正V0 O M7M10共源共柵電流鏡作為負(fù)載，可以提高輸出擺幅7。3.3 整體電路的仿真結(jié)果當(dāng) Vin 的瞬態(tài)掃描電壓幅值為5卩V、頻率是1 kHz、AC 掃描幅值為 1 V 、斬波頻率為10 kHz，相位補(bǔ)償電容為0.5 pF 時(shí)，可以看出開(kāi)環(huán)增益達(dá)到87.3 dB，增益帶寬積為12.17 MHz，相位裕度在 65°以上，CMRR的值為117 dB，PSRR的值大于86 dB O仿真結(jié)果如圖6

8、所示。本文應(yīng)用斬波失調(diào)穩(wěn)定技術(shù)設(shè)計(jì)了一款適用于儀表的放大器，通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行 spectre仿真調(diào)整，能夠降低 1/f 噪聲和失調(diào)電壓的影響， 電源抑制比、 共模抑制比都很高， 而且放大器的帶寬能比斬波頻率高很多，但為了提高系統(tǒng)的 驅(qū)動(dòng)能力，還需要在后面接緩沖器。參考文獻(xiàn)1 ENZ C C ， TEMES G C. Circuit techniques for reducing the effects of op-amp imperfections: autozeroing ， correlated doub1e sampling， and chopper stabilizationJ.

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