一种斩波失调稳定仪表放大器的研究与设计

2010-09-24 16:12:05来源: 电子技术应用

    仪表放大器是把关键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。

    目前降低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,通过对低频噪声、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,但是其斩波频率限制了其带宽。

    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态补偿失调电压的特点。

1 斩波技术的基本原理

    斩波原理图如图1所示。斩波技术通过把输入信号和方波信号调制,再经同步解调和低通滤波后得到所需要的信号,它实质上并没有消除失调,而是把失调电压和低频噪声调制到高频,然后通过低通滤波器把高频处的失调电压和噪声滤除掉。在理想情况下,斩波运放能够完全消除直流失调和低频噪声(主要是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 

2 斩波失调稳定技术

    斩波过程会产生很多混频产物,包括斩波频率和输入信号的和、差项。这些混频产物会引起很大的失真,特别是当信号频率接近斩波频率时尤为明显。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。这种电路结构在主通路提供信号带宽,而辅助通路减少失调,其电路结构如图2所示[4],其中辅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。

    假设主放大器的主、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;辅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 辅助运算放大器

    本文采用的辅助放大器如图3(a)所示[4],它是由两级运放和1个调制器、1个解调器组成,它有一个显著的特征: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。为了满足放大器的相位裕度,第一级的截止频率要比整体的高。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率fc可以比fch低,从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。另外,相位补偿电容可以作为第一级的窄带LPF,所以本斩波放大器不需要在后面接LPF。

    当输入1 mV、1 kHz的小信号及斩波频率为10 kHz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 Difference Amplifier)[5],其采用了两对差分对结构,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,通过跨导单元转化成差分电流,再将各对应支路上的电流进行算术运算,最后通过电流转电压单元放大输出。

    主放大器采用共源共结构,如图5所示[6],有2个主输入端(V+,V-)和2个辅助输入端(Va+,Va-)。失调信号△V加在辅助输入端,在辅助放大器尾端产生一个微扰电流△i,然后通过电流镜M13~M16在主放大器产生+/-m△i,经共源共栅放大后产生失调校正△V0。M7~M10共源共栅电流镜作为负载,可以提高输出摆幅[7]。

3.3 整体电路的仿真结果

    当Vin的瞬态扫描电压幅值为5 μV、频率是1 kHz、AC扫描幅值为1 V、斩波频率为10 kHz,相位补偿电容为0.5 pF时,可以看出开环增益达到87.3 dB,增益带宽积为12.17 MHz,相位裕度在65°以上,CMRR的值为117 dB,PSRR的值大于86 dB。仿真结果如图6所示。

    本文应用斩波失调稳定技术设计了一款适用于仪表的放大器,通过对所设计电路进行spectre仿真调整,能够降低1/f噪声和失调电压的影响,电源抑制比、共模抑制比都很高,而且放大器的带宽能比斩波频率高很多,但为了提高系统的驱动能力,还需要在后面接缓冲器。

关键字:仪表放大器  斩波失调  仿真

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/0924/article_2560.html
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