精密放大器和低噪声失调电路技术
2008-09-08
作者：张涛，陈连康
1 运算放大器的现状
运算放大器自1963年问世以来，走过了很长的发展道路，并成为所有线性系统中事实上的标准部件。几乎每个大型半导体制造商的产品线中都有运算放大器这个产品。根据不同的应用需求主要分化出通用型、低电压／低功耗型、高速型、高精度型四大类运放" title="运放">运放产品。目前放大器的性能水平已达到了如下指标，这在20世纪60年代是闻所未闻的：带宽超过1 GHz；转换速率超过5 000 V／μs；工作电流低于10μA；工作电压低至0.9 V；输入失调电压" title="失调电压">失调电压低于20 μV。
2 精密放大器
精密放大器一般指失调电压低于1 mV的运放，在使用过程中，他强调电路工作的低噪声" title="低噪声">低噪声和低失调性能。随着新型传感器技术(如导弹陀螺、MEMS微机械传感器等)的应用推广以及整机性能的提高，对该类型运算放大器的精度和带宽都提出了更高的要求。为了适应这种需求，国外IC公司已陆续推出了一些宽带产品。
新型传感器的应用对运放精度提出了更高的要求，对微传感器来说，由于其输出信号主要处在低频端，且信号幅度很小，因此CMOS工艺带来的失调和低频1／f噪声的增加，对微传感器读出电路的设计提出了巨大的挑战。为了达到上一代CMOS工艺下相同的动态范围，电路需要尽可能保持最大的输出摆幅，以及采用各种技术降低失调电压和1／f噪声。
目前，主流的实现低失调、低噪声的电路技术主要有：自稳零AZ(autozero)技术、相关双采样CDS(CorrelatedDouble Sampling)技术和斩波" title="斩波">斩波稳零CHS(Chopper Stabilization)技术。本文主要介绍AZ和CHS技术。
3.1 自稳零技术(AZ)
3.1.1 AZ基本原理
自稳零技术(AZ)的基本思想是，先将噪声和失调采样并保存，再将其从输入或输出的瞬态信号中除。当然也可以通过在输入和输出之间增加一个额外的端口来实现对噪声和失调的归零。如果噪声信号是不随时间变化信号(如DC失调)，他将被消除；如果是一缓慢变化的低频随机噪(如1／f噪声)，将被高通滤除。其原理如图1所示，假定输入参考失调电压为Vos，输入参考噪声为VN。AZ过程分为两个阶段：第一阶段，信号被隔离，AMP输入被短接，在采样脉冲的作用下，输入失调Vos和噪声VN被采样并保存，并以负反馈的形式从端口N引入，输出被控制在很小的幅度；第二阶段，信号接入，如果假定Vos和VN与采样时基本相同，那么噪声和失调将被消除。
(1)对白噪声" title="白噪声">白噪声的影响
假定运放的等效输入白噪声等效为-3 dB带宽为fc的低通特性(LF)噪声，采样频率为fs，通常fc＞＞fs，AZ的输出白噪声可以近似为：
对于闪烁噪声(1／f)PSD我们可以通过相似的分析得到，设1／f噪声的转角频率为fk。如图3所示，由于采样函数在DC处引入了零点，1／f噪声被大大削弱。同时，虽然1／f噪声是一窄带过程，但其“尾巴”在采样过程中引入了混叠。在奈奎斯特频率范围内，1／f噪声混叠分量可以近似为：
AZ在消除运放失调的同时，也大大削弱了1／f噪声，但其欠采样过程引入了白噪声和闪烁噪声的频谱混叠，使得在信号频带范围内输出白噪声成份有所增加。同时，1／f噪声的“尾巴”也将在采样过程中导致输出的混叠，加大采样频率可减轻混叠，但与此同时也带来了负面效应，包括时钟溃通(clock feed-through)和沟道电荷注入(channel charge injection)效应。
3.2 相关重采样技术(CDS)
相关重采样技术可以描述为AZ技术+S／H，他广泛地应用于采样系统和开关电容电路SC(Switched Capacitor Circuits)中。虽然CDS技术对输出信号进行采样／保持，CDS技术对AMP失调和噪声的影响与AZ技术相似。和AZ技术一样，CDS基带传输函数Ho(fTs)同样也在DC处引入一个零点来消除AMP的失调，同时大大削弱1／f噪声分量；另一方面，虽然对于n≠0时的传递函数二者有些不同，但由于宽带噪声被双采样，他们由采样引入的混叠成份是可以比拟的。
3.3 斩波稳零技术(CHS)
3.3.1 基本原理
与AZ技术不同，CHS采用的是调制和解调技术，而不是采样技术。他对信号进行偶数次采样(两次)，而对AMP噪声和失调进行奇数次采样(一次)，噪声和失调被调制到载波的奇数次频率处，而信号被经过偶数次调制，被解调回基带，通过低通滤波，可以将信号提取而将噪声和失调抑制。
CHS的原理如图4所示，假定输入信号最高截止频率为斩波频率的一半，则不会产生信号的频谱混叠。信号将被m1(t)调制到其奇数次频率处，经过AMP放大，然后再由m2(t)解调回基带。
3.3.2 对噪声的影响
斩波调制技术对AMP噪声的影响可以通过图5来说明，这里VN(t)代表了AMP引入的所有噪声和失调，m1(t)为斩波调制的载波信号。
输出信号的PSD可以给定为：
(1)对白噪声的影响
假定AMP的截止频率fc为斩波频率的5倍，即fc=5fchop，T为斩波周期。则对于白噪声，在基带内(∣fT∣≤0.5)噪声特性可以用一白噪声的PSD来近似：
运算放大器自1963年问世以来，走过了很长的发展道路，并成为所有线性系统中事实上的标准部件。几乎每个大型半导体制造商的产品线中都有运算放大器这个产品。根据不同的应用需求主要分化出通用型、低电压／低功耗型、高速型、高精度型四大类运放" title="运放">运放产品。目前放大器的性能水平已达到了如下指标，这在20世纪60年代是闻所未闻的：带宽超过1 GHz；转换速率超过5 000 V／μs；工作电流低于10μA；工作电压低至0.9 V；输入失调电压" title="失调电压">失调电压低于20 μV。
2 精密放大器
精密放大器一般指失调电压低于1 mV的运放，在使用过程中，他强调电路工作的低噪声" title="低噪声">低噪声和低失调性能。随着新型传感器技术(如导弹陀螺、MEMS微机械传感器等)的应用推广以及整机性能的提高，对该类型运算放大器的精度和带宽都提出了更高的要求。为了适应这种需求，国外IC公司已陆续推出了一些宽带产品。
新型传感器的应用对运放精度提出了更高的要求，对微传感器来说，由于其输出信号主要处在低频端，且信号幅度很小，因此CMOS工艺带来的失调和低频1／f噪声的增加，对微传感器读出电路的设计提出了巨大的挑战。为了达到上一代CMOS工艺下相同的动态范围，电路需要尽可能保持最大的输出摆幅，以及采用各种技术降低失调电压和1／f噪声。
目前，主流的实现低失调、低噪声的电路技术主要有：自稳零AZ(autozero)技术、相关双采样CDS(CorrelatedDouble Sampling)技术和斩波" title="斩波">斩波稳零CHS(Chopper Stabilization)技术。本文主要介绍AZ和CHS技术。
3.1 自稳零技术(AZ)
3.1.1 AZ基本原理
自稳零技术(AZ)的基本思想是，先将噪声和失调采样并保存，再将其从输入或输出的瞬态信号中除。当然也可以通过在输入和输出之间增加一个额外的端口来实现对噪声和失调的归零。如果噪声信号是不随时间变化信号(如DC失调)，他将被消除；如果是一缓慢变化的低频随机噪(如1／f噪声)，将被高通滤除。其原理如图1所示，假定输入参考失调电压为Vos，输入参考噪声为VN。AZ过程分为两个阶段：第一阶段，信号被隔离，AMP输入被短接，在采样脉冲的作用下，输入失调Vos和噪声VN被采样并保存，并以负反馈的形式从端口N引入，输出被控制在很小的幅度；第二阶段，信号接入，如果假定Vos和VN与采样时基本相同，那么噪声和失调将被消除。
(1)对白噪声" title="白噪声">白噪声的影响
假定运放的等效输入白噪声等效为-3 dB带宽为fc的低通特性(LF)噪声，采样频率为fs，通常fc＞＞fs，AZ的输出白噪声可以近似为：
对于闪烁噪声(1／f)PSD我们可以通过相似的分析得到，设1／f噪声的转角频率为fk。如图3所示，由于采样函数在DC处引入了零点，1／f噪声被大大削弱。同时，虽然1／f噪声是一窄带过程，但其“尾巴”在采样过程中引入了混叠。在奈奎斯特频率范围内，1／f噪声混叠分量可以近似为：
AZ在消除运放失调的同时，也大大削弱了1／f噪声，但其欠采样过程引入了白噪声和闪烁噪声的频谱混叠，使得在信号频带范围内输出白噪声成份有所增加。同时，1／f噪声的“尾巴”也将在采样过程中导致输出的混叠，加大采样频率可减轻混叠，但与此同时也带来了负面效应，包括时钟溃通(clock feed-through)和沟道电荷注入(channel charge injection)效应。
3.2 相关重采样技术(CDS)
相关重采样技术可以描述为AZ技术+S／H，他广泛地应用于采样系统和开关电容电路SC(Switched Capacitor Circuits)中。虽然CDS技术对输出信号进行采样／保持，CDS技术对AMP失调和噪声的影响与AZ技术相似。和AZ技术一样，CDS基带传输函数Ho(fTs)同样也在DC处引入一个零点来消除AMP的失调，同时大大削弱1／f噪声分量；另一方面，虽然对于n≠0时的传递函数二者有些不同，但由于宽带噪声被双采样，他们由采样引入的混叠成份是可以比拟的。
3.3 斩波稳零技术(CHS)
3.3.1 基本原理
与AZ技术不同，CHS采用的是调制和解调技术，而不是采样技术。他对信号进行偶数次采样(两次)，而对AMP噪声和失调进行奇数次采样(一次)，噪声和失调被调制到载波的奇数次频率处，而信号被经过偶数次调制，被解调回基带，通过低通滤波，可以将信号提取而将噪声和失调抑制。
CHS的原理如图4所示，假定输入信号最高截止频率为斩波频率的一半，则不会产生信号的频谱混叠。信号将被m1(t)调制到其奇数次频率处，经过AMP放大，然后再由m2(t)解调回基带。
3.3.2 对噪声的影响
斩波调制技术对AMP噪声的影响可以通过图5来说明，这里VN(t)代表了AMP引入的所有噪声和失调，m1(t)为斩波调制的载波信号。
输出信号的PSD可以给定为：
(1)对白噪声的影响
假定AMP的截止频率fc为斩波频率的5倍，即fc=5fchop，T为斩波周期。则对于白噪声，在基带内(∣fT∣≤0.5)噪声特性可以用一白噪声的PSD来近似：
图6的结果显示了式(4)给定的输出白噪声PSD对输入白噪声PSD归一化的结果，不难看出，输出PSD总是要比输入小。对于较小的∣fcT∣，输出PSD相对于输入被大大削弱，当∣fcT∣>6时，输出PSD逼近输入的90％。
(2)对1／f噪声的影响
CHS的斩波调制技术对AMP1／f噪声的影响，也可以通过相似的分析得到，假定fc》fchop，图7给出了斩波输出1／f噪声PSD结果，1／f噪声的极点位置远离了基带，被搬移到了斩波频率的奇数次谐波处。在基带内1／f噪声的PSD可以近似为一白噪声分量：
3.3.3 存在的缺陷
虽然斩波技术(CHS)对降低AMP噪声和失调是十分有效的，但也存在一些缺陷。最大的不足是输出仍会存在一定的残余失调，如果调制解调器是由MOS开关构成，则非理想特性主要包括时钟溃通、电荷注入。通常的解决办法是用CMOS开关来取代MOS开关，让相反的电荷量由两个沟道相互注入，以减小单沟道MOS开关的非线性效应。但是PMOS器件和NMOS器件的沟道电荷很难完全匹配，该方法不只能减少放大器的残余失调，但不能完全消除。
4 精密运放未来的发展空间
在未来的几十年内，应汽车、智能系统、生产线上的性能监视子系统的需要，具有低失调、低噪声特性的精密放大器将更为广泛应用于传感器监视，为精密运放的发展注入新的活力的同时，也给设计师和芯片制造商提出了更高的要求。更低的噪声、更小的失调，更小的温度系数和更高的性价比，将成为下一代精密运放设计的焦点。电路构架、制造工艺和封装技术的不断发展和微调技术的不断创新，将为下一代精密运放的发展提供可靠的支撑，高精度运放将在工业自动化、医疗器材、量测仪器、汽车电子、甚至军事国防等不同领域扮演日趋重要的角色。
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