一种斩波失调稳定仪表放大器研究与设计.docx

精品文档 精品文档 精品文档 一种斩波失调稳定仪表放大器的研究与设计 [导读]采用斩波失调稳定技术设计了一种包括协助运 放和主放大器的仪表放大器。协助运放采用内置解调器构造，形成低噪声和低失调电压来调节主运放的噪声和失调，使输出极点成为主极点，无需低通滤波器。仪表放大器的带 宽由主运放决定。本电路采用TSMC0.35μm5V混淆信号工艺设计，利用Cadence企业Spectre进行仿真。结果表示，电路开环增益达87.3dB，增益带宽积12MHz，共模抑制比可达117dB。仪表放大器是把重点元件集成在放大器内部， 它源于运算放大器，但优于运算放大器。其低噪声、低失调、高共模抑制比、高输入阻抗等是仪表放大器的重要指标。 当前降低1/f噪声和失调的方法有 :微调技术、自动归零 技术和斩波技术。微调技术无法降低放大器的 1/f噪声和温 度漂移。自动归零技术是一种采样技术，经过对低频噪声、 失调进行采样，然后在运算放大器的输入或输出端，把它们 从信号的瞬时值中减去，实现对 1/f噪声和失调的降低，因 为该技术对宽带白噪声是一种欠采样过程，所以会造成白噪 声的混叠[1]。斩波技术采用调制和解调的方法，把 1/f噪声 和失调调制到高频端，再经过低通滤波器滤除，而有用信号经过调制后，又解调到基带，这种技术没有白噪声混叠的缺 点，可是其斩波频次限制了其带宽。 本文设计的仪表放大器，同时应用了斩波稳定技术[2]和自动归零技术[3]来降低1/f噪声和失调电压的影响，具有高的共模抑制比、低失调电压以及能够动向补偿失调电压的特点。 斩波技术的基来源理 斩波原理图如图 1所示。斩波技术经过把输入信号和方 波信号调制，再经同步解调解低通滤波后得到所需要的信号，它实质上并没有除去失调，而是把失调电压和低频噪腔调制到高频，然后经过低通滤波器把高频处的失调电压和噪声滤除去。在理想情况下，斩波运放能够完全除去直流失调 和低频噪声(主假如1/f噪声)。斩波调制原理如图 1所示，假 设Vin、Vout分别是输入、输出信号电压， A为放大器的增 益，Vch是周期性方波信号， fch 斩波失调稳定技术 斩波过程会产生好多混频产物，包括斩波频次和输入信号的和、差项。这些混频产物会惹起很大的失真，特别是当信号频次靠近斩波频次时尤为明显。而且低通滤波会减小可用信号的带宽。要想在信号带宽不减小的情况下抑制噪声和失调，最好的解决办法是使用斩波失调稳定的运算放大器。这种电路构造在主通路提供信号带宽，而协助通路减少失 调，其电路构造如图 2所示[4]，其中协助通路包括斩波稳定 放大器和积分器，主通路只有 1个放大器。 假定主放大器的主、辅输入端的失调电压分别为 Vosm(主)、Vosm，1(辅)，主、辅输入端的增益分别为Am、Am，1；协助运放的等效失调电压为Vosn、增益为An，整个放大器的整体失调电压为Vos，则有：3斩波失调稳定放大器的设计和仿真 3.1协助运算放大器 放和  本文采用的协助放大器如图 3(a)所示[4]，它是由两级运 1个调制器、1个解调器组成，它有一个显著的特点： 解调器放在两级运放之间，主极点  P1  在第二级运放上、次 极点在第一级运放上。为了知足放大器的相位裕度，第一级 的截止频次要比整体的高。由于本方案是在第二级之前解调 的，所以第二级运放的运算放大器的截止频次 fc能够比fch 低，进而降低了斩波运放的功耗。而传统的斩波放大器是在 输出端进行解调的，所以各级放大器的 fc要比fch高。此外， 相位补偿电容能够作为第一级的窄带 LPF，所以本斩波放大 器不需要在后边接 LPF。 当输入1mV、1kHz的小信号及斩波频次为  10kHz  时， 斩波电路的开环瞬态仿真结果如图 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 DifferenceAmplifier)[5] ，其采用了两对差分对构造，相当于 一个四输入、单端输出的电路组态， 如图4所示。DDA电路 有两个跨导放大器和一个将电流转电压 (I→V)的放大单元。 输入信号以差分的形式输入，经过跨导单元转变成差分电流，再将各对应支路上的电流进行算术运算，最后经过电流转电压单元放大输出。 主放大器采用共源共栅构造，如图 5所示[6]，有2个主 输入端(V+，V-)和2个协助输入端(Va+，Va-)。失调信号△V 加在协助输入端，在协助放大器尾端产生一个微扰电流△ i， 然后经过电流镜M13~M16共栅放大后产生失调校正△为负载，能够提高输出摆幅 3.3整体电路的仿真结果  在主放大器产生+/-m△i，经共源V0。M7~M10共源共栅电流镜作 。 当Vin的瞬态扫描电压幅值为 5μV、频次是1kHz、 AC扫描幅值为 1V、斩波频次为 10kH