精密放大器和低噪聲失調(diào)電路技術(shù)

1 運(yùn)算放大器的現(xiàn)狀

運(yùn)算放大器自1963年問(wèn)世以來(lái)，走過(guò)了很長(zhǎng)的發(fā)展道路，并成為所有線性系統(tǒng)中事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)部件。幾乎每個(gè)大型半導(dǎo)體制造商的產(chǎn)品線中都有運(yùn)算放大器這個(gè)產(chǎn)品。根據(jù)不同的應(yīng)用需求主要分化出通用型、低電壓／低功耗型、高速型、高精度型四大類(lèi)運(yùn)放產(chǎn)品。目前放大器的性能水平已達(dá)到了如下指標(biāo)，這在20世紀(jì)60年代是聞所未聞的：帶寬超過(guò)1 GHz；轉(zhuǎn)換速率超過(guò)5 000 V／μs；工作電流低于10μA；工作電壓低至0.9 V；輸入失調(diào)電壓低于20 μV。

2 精密放大器

精密放大器一般指失調(diào)電壓低于1 mV的運(yùn)放，在使用過(guò)程中，他強(qiáng)調(diào)電路工作的低噪聲和低失調(diào)性能。隨著新型傳感器技術(shù)(如導(dǎo)彈陀螺、MEMS微機(jī)械傳感器等)的應(yīng)用推廣以及整機(jī)性能的提高，對(duì)該類(lèi)型運(yùn)算放大器的精度和帶寬都提出了更高的要求。為了適應(yīng)這種需求，國(guó)外IC公司已陸續(xù)推出了一些寬帶產(chǎn)品。

3 低噪聲失調(diào)電路技術(shù)

新型傳感器的應(yīng)用對(duì)運(yùn)放精度提出了更高的要求，對(duì)微傳感器來(lái)說(shuō)，由于其輸出信號(hào)主要處在低頻端，且信號(hào)幅度很小，因此CMOS工藝帶來(lái)的失調(diào)和低頻1／f噪聲的增加，對(duì)微傳感器讀出電路的設(shè)計(jì)提出了巨大的挑戰(zhàn)。為了達(dá)到上一代CMOS工藝下相同的動(dòng)態(tài)范圍，電路需要盡可能保持最大的輸出擺幅，以及采用各種技術(shù)降低失調(diào)電壓和1／f噪聲。

目前，主流的實(shí)現(xiàn)低失調(diào)、低噪聲的電路技術(shù)主要有：自穩(wěn)零AZ(autozero)技術(shù)、相關(guān)雙采樣CDS(CorrelatedDouble Sampling)技術(shù)和斬波穩(wěn)零CHS(Chopper Stabilization)技術(shù)。本文主要介紹AZ和CHS技術(shù)。

3.1 自穩(wěn)零技術(shù)(AZ)

3.1.1 AZ基本原理

自穩(wěn)零技術(shù)(AZ)的基本思想是，先將噪聲和失調(diào)采樣并保存，再將其從輸入或輸出的瞬態(tài)信號(hào)中除。當(dāng)然也可以通過(guò)在輸入和輸出之間增加一個(gè)額外的端口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲和失調(diào)的歸零。如果噪聲信號(hào)是不隨時(shí)間變化信號(hào)(如DC失調(diào))，他將被消除；如果是一緩慢變化的低頻隨機(jī)噪(如1／f噪聲)，將被高通濾除。其原理如圖1所示，假定輸入?yún)⒖际д{(diào)電壓為Vos，輸入?yún)⒖荚肼暈閂N。AZ過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一階段，信號(hào)被隔離，AMP輸入被短接，在采樣脈沖的作用下，輸入失調(diào)Vos和噪聲VN被采樣并保存，并以負(fù)反饋的形式從端口N引入，輸出被控制在很小的幅度；第二階段，信號(hào)接入，如果假定Vos和VN與采樣時(shí)基本相同，那么噪聲和失調(diào)將被消除。

3.1.2 AZ對(duì)噪聲的影響

(1)對(duì)白噪聲的影響

假定運(yùn)放的等效輸入白噪聲等效為-3 dB帶寬為fc的低通特性(LF)噪聲，采樣頻率為fs，通常fc＞＞fs，AZ的輸出白噪聲可以近似為：

當(dāng)fcTs=5時(shí)，白噪聲在AZ過(guò)程前后的PSD可以清楚地從圖2中看出，在奈奎斯特頻率范圍內(nèi)(∣fTs∣≤0.5)折疊分量占主導(dǎo)地位。

(2)對(duì)1／f噪聲的影響

對(duì)于閃爍噪聲(1／f)PSD我們可以通過(guò)相似的分析得到，設(shè)1／f噪聲的轉(zhuǎn)角頻率為fk。如圖3所示，由于采樣函數(shù)在DC處引入了零點(diǎn)，1／f噪聲被大大削弱。同時(shí)，雖然1／f噪聲是一窄帶過(guò)程，但其“尾巴”在采樣過(guò)程中引入了混疊。在奈奎斯特頻率范圍內(nèi)，1／f噪聲混疊分量可以近似為：

3.1.3 存在的缺陷

AZ在消除運(yùn)放失調(diào)的同時(shí)，也大大削弱了1／f噪聲，但其欠采樣過(guò)程引入了白噪聲和閃爍噪聲的頻譜混疊，使得在信號(hào)頻帶范圍內(nèi)輸出白噪聲成份有所增加。同時(shí)，1／f噪聲的“尾巴”也將在采樣過(guò)程中導(dǎo)致輸出的混疊，加大采樣頻率可減輕混疊，但與此同時(shí)也帶來(lái)了負(fù)面效應(yīng)，包括時(shí)鐘潰通(clock feed-through)和溝道電荷注入(channel charge injection)效應(yīng)。

3.2 相關(guān)重采樣技術(shù)(CDS)

相關(guān)重采樣技術(shù)可以描述為AZ技術(shù)+S／H，他廣泛地應(yīng)用于采樣系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)電容電路SC(Switched Capacitor Circuits)中。雖然CDS技術(shù)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采樣／保持，CDS技術(shù)對(duì)AMP失調(diào)和噪聲的影響與AZ技術(shù)相似。和AZ技術(shù)一樣，CDS基帶傳輸函數(shù)Ho(fTs)同樣也在DC處引入一個(gè)零點(diǎn)來(lái)消除AMP的失調(diào)，同時(shí)大大削弱1／f噪聲分量；另一方面，雖然對(duì)于n≠0時(shí)的傳遞函數(shù)二者有些不同，但由于寬帶噪聲被雙采樣，他們由采樣引入的混疊成份是可以比擬的。

3.3 斬波穩(wěn)零技術(shù)(CHS)

3.3.1 基本原理

與AZ技術(shù)不同，CHS采用的是調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，而不是采樣技術(shù)。他對(duì)信號(hào)進(jìn)行偶數(shù)次采樣(兩次)，而對(duì)AMP噪聲和失調(diào)進(jìn)行奇數(shù)次采樣(一次)，噪聲和失調(diào)被調(diào)制到載波的奇數(shù)次頻率處，而信號(hào)被經(jīng)過(guò)偶數(shù)次調(diào)制，被解調(diào)回基帶，通過(guò)低通濾波，可以將信號(hào)提取而將噪聲和失調(diào)抑制。

CHS的原理如圖4所示，假定輸入信號(hào)最高截止頻率為斬波頻率的一半，則不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的頻譜混疊。信號(hào)將被m1(t)調(diào)制到其奇數(shù)次頻率處，經(jīng)過(guò)AMP放大，然后再由m2(t)解調(diào)回基帶。

3.3.2 對(duì)噪聲的影響

斬波調(diào)制技術(shù)對(duì)AMP噪聲的影響可以通過(guò)圖5來(lái)說(shuō)明，這里VN(t)代表了AMP引入的所有噪聲和失調(diào)，m1(t)為斬波調(diào)制的載波信號(hào)。

輸出信號(hào)的PSD可以給定為：

經(jīng)過(guò)斬波調(diào)制，噪聲被搬移至斬波頻率的奇數(shù)次諧波處。

(1)對(duì)白噪聲的影響

假定AMP的截止頻率fc為斬波頻率的5倍，即fc=5fchop，T為斬波周期。則對(duì)于白噪聲，在基帶內(nèi)(∣fT∣≤0.5)噪聲特性可以用一白噪聲的PSD來(lái)近似：

圖6的結(jié)果顯示了式(4)給定的輸出白噪聲PSD對(duì)輸入白噪聲PSD歸一化的結(jié)果，不難看出，輸出PSD總是要比輸入小。對(duì)于較小的∣fcT∣，輸出PSD相對(duì)于輸入被大大削弱，當(dāng)∣fcT∣>6時(shí)，輸出PSD逼近輸入的90％。

(2)對(duì)1／f噪聲的影響

CHS的斬波調(diào)制技術(shù)對(duì)AMP1／f噪聲的影響，也可以通過(guò)相似的分析得到，假定fc》fchop，圖7給出了斬波輸出1／f噪聲PSD結(jié)果，1／f噪聲的極點(diǎn)位置遠(yuǎn)離了基帶，被搬移到了斬波頻率的奇數(shù)次諧波處。在基帶內(nèi)1／f噪聲的PSD可以近似為一白噪聲分量：

3.3.3 存在的缺陷

雖然斬波技術(shù)(CHS)對(duì)降低AMP噪聲和失調(diào)是十分有效的，但也存在一些缺陷。最大的不足是輸出仍會(huì)存在一定的殘余失調(diào)，如果調(diào)制解調(diào)器是由MOS開(kāi)關(guān)構(gòu)成，則非理想特性主要包括時(shí)鐘潰通、電荷注入。通常的解決辦法是用CMOS開(kāi)關(guān)來(lái)取代MOS開(kāi)關(guān)，讓相反的電荷量由兩個(gè)溝道相互注入，以減小單溝道MOS開(kāi)關(guān)的非線性效應(yīng)。但是PMOS器件和NMOS器件的溝道電荷很難完全匹配，該方法不只能減少放大器的殘余失調(diào)，但不能完全消除。

4 精密運(yùn)放未來(lái)的發(fā)展空間

在未來(lái)的幾十年內(nèi)，應(yīng)汽車(chē)、智能系統(tǒng)、生產(chǎn)線上的性能監(jiān)視子系統(tǒng)的需要，具有低失調(diào)、低噪聲特性的精密放大器將更為廣泛應(yīng)用于傳感器監(jiān)視，為精密運(yùn)放的發(fā)展注入新的活力的同時(shí)，也給設(shè)計(jì)師和芯片制造商提出了更高的要求。更低的噪聲、更小的失調(diào)，更小的溫度系數(shù)和更高的性價(jià)比，將成為下一代精密運(yùn)放設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)。電路構(gòu)架、制造工藝和封裝技術(shù)的不斷發(fā)展和微調(diào)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，將為下一代精密運(yùn)放的發(fā)展提供可靠的支撐，高精度運(yùn)放將在工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療器材、量測(cè)儀器、汽車(chē)電子、甚至軍事國(guó)防等不同領(lǐng)域扮演日趨重要的角色。