CMOS斬波穩(wěn)定放大器的分析與研究

1、第28卷第1期2005年3月電子器件ChineseJournalofElectronDevicesVol.28No.1Mar.2005AnalysisandResearchofCMOSChopperStabilizedAmplifiersYANGYin2tang,HEBin,ZHUZhang2ming(MicroelectronicsInstitute,XidianUniversity,Xian710071,China)Abstract:Thispaperintroducesthedifferencesofseveraloffsetcancelingtechniques.Thenmodulat

2、ionprincipalofchopperstabilizedamplifiersandtheeffectsontheirgainsofthechopperfandthephaseshiftaredetailed.Thevaluesofmodulatednoiseandoffsetareanalyzedofthechoppermodulatorsgiven.SeveraltechniquestotheAtlast,somelatestresearchfindingsandsomenewproductsaregiv2en.Alsosomeoftheflawsandadvantagesandapp

3、licationfieldsofchopperstabilizedamplifiersareKeywords:2offset;CMOSCMOS斬波穩(wěn)定放大器的分析與研究楊銀堂,賀斌,朱樟明(西安電子科技大學微電子研究所,西安710071)摘要:對幾種放大器失調(diào)消除技術(shù)的分析比較后,重點闡述了CMOS斬波穩(wěn)定放大器的調(diào)制方式,和放大器的增益與斬波頻率和相移的關(guān)系,并分析了斬波調(diào)制后的噪聲和失調(diào)電壓的理論大小以及斬波的電路實現(xiàn)方法。最后,提出了幾種減小調(diào)制后殘余失調(diào)電壓的方法,總結(jié)了斬波穩(wěn)定放大器最近的一些研究發(fā)現(xiàn)及其在一些新型產(chǎn)品中的應(yīng)用,并歸納了斬波穩(wěn)定技術(shù)的優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍。關(guān)鍵詞:斬波穩(wěn)定

4、;放大器;低噪聲;殘余失調(diào);CMOS中圖分類號:TN722文獻標識碼:A文章編號:100529490(2005)0120167205斬波穩(wěn)定(CHS:Chopperstabilization)技術(shù)是1948年由E.A.Goldberg發(fā)現(xiàn)的1。隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展,很快就應(yīng)用于芯片集成技術(shù)。CHS是一種完善運算放大器性能的調(diào)制技術(shù),主要指的是減小噪聲(主要是1/f噪聲和熱噪聲)和輸入失調(diào)電壓對運放的影響。另外還有兩種技術(shù):自調(diào)零技術(shù)(AZ:Auto-zeroing)收稿日期:2004208212基金項目:國家科技預(yù)先研究基金項目(51408010601DZ01)資助。作者簡介:楊銀堂(1

5、9622),男,研究所所長、教授、博士生導師,主要研究方向為深亞微米模擬集成電路及IP設(shè)計、VLSI技術(shù)、新型半導體器件設(shè)計,ytyang;賀斌(19792),男,碩士研究生,主要研究方向為混合信號集成電路設(shè)計,hbnameapple;朱樟明(19782),男,博士研究生,講師,主要研究方向為高速ADC/DAC設(shè)計、低壓低功耗模擬電路設(shè)計。和相關(guān)雙采樣技術(shù)(CDS:CorrelatedDoubleSampling),其中自調(diào)零技術(shù)是先對失調(diào)電壓進行采樣和保持,在從信號中減去這部分失調(diào)電壓;相關(guān)雙采樣技術(shù)是自調(diào)零技術(shù)的一個特殊例子,它能實質(zhì)性的減少低頻的1/f噪聲,但是卻會增加放大器的熱噪聲,而

6、且還會殘余下由于開關(guān)管的時鐘饋通效應(yīng)所引入的失調(diào)電壓2。斬波技術(shù)168電子器件28卷則是通過把輸入信號和開關(guān)型方波信號耦合,再經(jīng)同步解調(diào)和低通濾波后得到非線性小的信號,它并沒有實質(zhì)性的消除失調(diào),而是調(diào)制到了高頻。在理想情況下,斬波穩(wěn)定運放應(yīng)該能完全消除直流失調(diào)和低頻(主要是1/f)噪聲。調(diào)制后的輸入信號是初始信號與式(1)的乘積,圖1(a)中Vinm1(t)的頻譜顯示輸入信號被調(diào)制到斬波信號的奇次諧波頻率處,再經(jīng)放大器放大后,信號又經(jīng)m2(t)解調(diào),所得信號為:Vd(t)=AVin(t)l=11斬波技術(shù)基本原理斬波穩(wěn)定技術(shù)是用一個交流調(diào)制信號將低頻噪聲和失調(diào)電壓調(diào)制到高頻處,再經(jīng)濾波處理來消除

7、其影響。斬波放大器的基本原理如圖1(a)所示。Vin和Vout分別是輸入和輸出信號電壓,A是線性放大器的增益。m1(t)和m2(t)是周期為T=1/fchop的調(diào)制和解調(diào)信號,fchopk=1Mcos(2fkchopchopkt)(2)Mcos(2fllt)其中,k,l均為奇數(shù)信號Vd的傅立葉變換如圖(。,f)。因為噪聲和輸入失調(diào)。用SN(f)表示噪聲和輸入失調(diào)電壓的功率譜密度(PSD),那么,(VOS+VN)m2(t)的PSD為:頻率。VOS和VN噪聲。fchop/。SCS(f)=n=-M2n+1SN(f-)T=n=-(2n+1)SN(f-)T(3)可見,噪聲和失調(diào)電壓被調(diào)到了斬波頻率的奇次

8、諧波頻率處,經(jīng)過一個簡單的濾波器就能被濾除。理想情況下,斬波運放不再有失調(diào)和低頻噪聲了。假設(shè)輸入信號Vin是直流信號,放大器的帶寬無限大,沒有相位延遲,那么輸出信號VA就是幅值為AVin的一個簡單的方波,該信號被解調(diào)后是一個幅值為AVin的直流信號。在非理想情況下,放大器的帶寬有限,但至少為斬波頻率的兩倍以上。如圖2所示3,放大器的輸出信號VA(t)變成了一個正弦信號,其幅值為(4/)(AVin)。經(jīng)過解調(diào)后的輸出信號Vout變成了一個只攜有偶次分量校正的正弦信號。輸出信號必須經(jīng)過一個低通濾波器來得到想要的放大信號。經(jīng)過低通濾波后,輸出信號的直流成分幅值為(8/2)(AVin)?？梢?斬波運放

9、的直流增益下降了20%,所以要獲得一個大的直流增益,主運放的帶寬應(yīng)盡可能的大。主運放造成的相移也會造成直流增益的下降。假設(shè)運放有T/4的相移,但是輸入和輸出調(diào)制信號是同相位的,那么輸出信號會是一個被斬波的余弦信號,只有奇次諧波分量,而沒有直流分量。如果輸入和輸出調(diào)制信號也有相同的延遲,(a)(b)圖1(a)斬波運放的基本原理;(b)理想的低噪聲輸出信號的傅立葉變換周期為T,占空比為50%的方波信號,其傅立葉變換表達式為:m(t)=2k=1sin2fchopkt)cos(2=k=1Mcos(2fkchopkt)(1)(Mk=sin)2k第1期楊銀堂,賀斌等:CMOS斬波穩(wěn)定放大器的分析與研究16

10、9圖2運放的有限帶寬對直流信號放大的影響比如:圖1(a)中的t等于T/4,輸出信號就是一個校正的正弦信號。由此可知,為了獲得最大的直流增益,輸入和輸出調(diào)制器的延遲應(yīng)該與主放大器的延遲完全匹配3。3調(diào)制電路的實現(xiàn)方法輸入和輸出斬波調(diào)制器的實現(xiàn)方法如圖3所示3:,RsCin,qii=。,都會有一定數(shù)量的q3分別流向電容Cin,電荷q2流向Rs。這些電荷qi(i=1,2,3)就會造成不同開關(guān)間的不匹配。2運放的噪聲斬波技術(shù)主要是調(diào)制低頻噪聲。設(shè)圖1(a中主放大器的截止頻率為fc率4fcfchopT的五倍。f.5fchop),設(shè)S0為運放的白噪聲,式)中的SCS可以由白噪聲的PSD近似表示:SCS-w

11、hite(f) SCS-white(f=0)tanh(=S01-fcT2fcT)(4)當fcµfchop時,SCS-white可以進一步近似為:SCS-white(f) S0(f圖3斬波調(diào)制的實現(xiàn)0.5fchop,fcµfchop)(5)可見,如果主運放的截止頻率比較高,基帶的噪聲功率譜就近似為常數(shù)。斬波調(diào)制后的PSD會略小于初始運放的白噪聲PSD。對于1/f噪聲,輸入的PSD為3:SN-1/f(f)=S0f=S0fT(6)圖4(a)放大器輸入端尖峰信號;(b)與放大器帶寬相似的調(diào)制后信號的尖峰信號頻譜fk為放大器的角頻率,把式(6)代入式(3)可以看到,低頻噪聲被調(diào)制到了

12、高頻,且只在斬波頻率的奇次諧波頻率處有分量,使得1/f噪聲從基帶消失。仿真結(jié)果顯示被斬波調(diào)制的基帶1/f噪聲PSD可以近似寫成3:SCS-1/f(f) 0.8525S0fkT(7)它會在主放大器的輸入端產(chǎn)生尖峰信號,導致殘余失調(diào)電壓。時域的典型尖峰信號如圖4(a)所示。表示尖峰信號的時常數(shù),T是斬波的周期。由于只是斬波頻率的奇次諧波才會產(chǎn)生殘余失調(diào),所以尖峰信號只有奇次諧波分量。一般而言,時常數(shù)都遠小于T/2,所以尖峰信號的能量主要集中在比斬波頻率高的頻率處。主放大器輸入端調(diào)制后的信號和尖峰信號的頻譜如圖4(b)所示。輸入失調(diào)電壓可以用下式計算3:典型運放的基帶輸入殘余噪聲為式(5)與式(7)

13、的和,即:SCS(f) S0(1+0.8525fkT)(f0.5fchop,fcµfchop)(8)實驗證明3:斬波頻率最好是放大器的角頻率fk。此時,白噪聲PSD最多增加6dB。170電子器件28卷VOSTVspike(9)當放大器的帶寬遠大于斬波頻率fchop時,直流增益就可以接近最大增益A。但是,這樣會使得幾乎所有的尖峰信號都會殘留下來,導致很大的輸出失調(diào)電壓。因此,最好選取放大器的帶寬為斬波頻率的兩倍。此時,直流增益為(8/2)A=0.81A,只下降了19%,但是失調(diào)電壓卻大幅度減小,此時的失調(diào)為3:2(10)VOS VspikeT法的缺點就是最大的時鐘頻率受到限制。4)嵌套

14、式斬波技術(shù)基本原理如圖7所示。在傳統(tǒng)斬波技術(shù)的基礎(chǔ)上,再加一個頻率比較低的斬波信號,濾除尖峰信號引入的殘余失調(diào),比一組斬波時減小了fchophigh/fchoplow倍,但這種方法會限制輸入信號的頻率在fchoplow,但對于一般的數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)已經(jīng)足夠。4殘余失調(diào)消除技術(shù)調(diào)電壓。簡單的5,圖7圖8多級失調(diào)消除技術(shù)圖5基本MOS開關(guān)示意圖圖9全平衡電路的寄生電容效應(yīng)消除Ch:開關(guān)漏端的總電容(保持電容),Cp:開關(guān)5)多級重疊開關(guān)多個單級放大器級聯(lián)在一源端的寄生電容。1)全差分結(jié)構(gòu)一個全差分結(jié)構(gòu)的例子如圖6所示。如果讓Cp=Ch,電壓就呈共模特性,電荷起可以實現(xiàn)更高的增益和速度,采樣電路如圖8所

15、示。開關(guān)S1,S2,SN依次開啟,有效的失調(diào)電壓只由最后一級中從開關(guān)SN注入到電容CN的電荷決定。前面N-1級開關(guān)造成的失調(diào)電壓被抵消掉了。最后的等效輸入失調(diào)電壓為:VOS=的注入被看作一種共模干擾3。它無法完全消除誤差,但能降低非線性成分。A1A2ANCN(11)其中,qinj就是注入電荷,這種失調(diào)電壓顯然比單級低增益放大器的失調(diào)小很多。5斬波穩(wěn)定技術(shù)的應(yīng)用及研究進展圖6全差分結(jié)構(gòu)2)互補開關(guān)基本原理是讓相反的電荷量由兩個溝道相互注入,然而NMOS器件和PMOS器件的溝道電荷很難完全匹配,兩個互補時鐘間的相位抖動能減小電荷失配。3)大電容一個更好的辦法就是讓Cp比Ch大很多,并且使用時鐘跳變

16、比較慢的時鐘信號。這樣,大部分的溝道電荷就能夠流到電容比較大的一端,幾乎沒有電荷流到輸出端的Ch。這種方從上世紀70年代起,斬波技術(shù)就被用于減小比較器中MOS放大器失調(diào)電壓影響5。一般而言,斬波運放是低噪聲連續(xù)時間放大器,用來放大直流或者頻率很低的信號。主要用于生物醫(yī)學和光電子等精密儀器中,其失調(diào)和噪聲通常要達到毫伏級,甚至微伏級,帶寬僅為幾百赫茲,功耗要在幾十微瓦以下3。一個很典型的應(yīng)用是用來測加速度和壓力的電容傳感器。斬波穩(wěn)定技術(shù)的應(yīng)用減小了失調(diào)、1/f噪聲和開關(guān)電荷注入的影響,同時獲得了高第1期楊銀堂,賀斌等:CMOS斬波穩(wěn)定放大器的分析與研究171分辨率和低漂移6。圖象傳感器中的邊緣探

17、測器也可以用斬波穩(wěn)定技術(shù),利用CDS讀出技術(shù),能建立一個性能很好的二維光敏二極管陣列以實現(xiàn)讀出電路的高頻段的高分辨率圖象傳感雙向邊緣檢測7。目前,傳統(tǒng)的斬波穩(wěn)定技術(shù)以用在連續(xù)時間和開關(guān)電容濾波技術(shù)8。CHS的概念已滲透到線性動態(tài)以及某些非線性電路應(yīng)用中9。開關(guān)電容技術(shù)受寄生電容的影響比較大,消除寄生電容效應(yīng)的一種解決辦法如圖9所示9?，F(xiàn)在也有用跟蹤保持技術(shù)(T/H:track-and-hold)來代替斬波穩(wěn)定調(diào)制。它的優(yōu)點就是能調(diào),降低低頻輸入噪聲,。0.2倍。然而,由于;當占空比取最大的允許值,放大器的帶寬達到最小值時,這種影響會減小10。近年來,許多公司都推出了利用CHS技術(shù)的新產(chǎn)品,Al

18、legroMicrosystems公司的雙斬波穩(wěn)定、雙極Hall效應(yīng)靈敏開關(guān)A3425LK就是一例,它的溫度特性很好,也非?？箟?。利用CHS的動態(tài)失調(diào)消除技術(shù)使得它的高溫性能非常好,減小了多種原因引起的殘余失調(diào)電壓11。Intersil公司的新產(chǎn)品ICL7650也是一款很不錯的新產(chǎn)品,據(jù)稱帶來了“無毛刺斬波穩(wěn)定放大器的新時代”。全時放大器用來消除任何輸出毛刺;輸入開關(guān)毛刺是通過輸入開關(guān)的面積和電荷平衡技術(shù)來消除;斬波技術(shù)則通過輸入端和主放大器并聯(lián)的零位放大器來實現(xiàn)12。12耗、便攜式、低噪聲、低失調(diào)電壓和失調(diào)漂移的高性能電子器件,比如溫度傳感器芯片等的設(shè)計。每年都有很多應(yīng)用斬波技術(shù)的新產(chǎn)品出現(xiàn)

19、。斬波技術(shù)的應(yīng)用將會擴展到很多本文還未提及的領(lǐng)域。參考文獻:1JimWilliams,ApplicationConsiderationandCircuitsforaNewChopper-StabilizedOpAmpTechnologyon2linepublications,March1985,:http:/www.-com/?pub_type=16V,I,SansenWMicropowerSCbuildingblockforintegratedlowlev2elprocessingJ.IEEEJ.Solid-StateCircuits1985;SC-20:837-844.3EnzCCandT

20、emesGC.Circuittechniquesforreducingtheeffectsofop-ampimperfections:autozeroing,correlateddoublesampling,andchopperstabilizationJ.ProceedingsoftheIEEE,1996,84(11):1584-1614.4NilssonJWandRiedelSA,ElectricCircuitsM.1996,fifthedition,AddisonWesley.5HadidiKh,TsoVSandTemesGC,Fastsuccessive-ap2proximationA

21、/DconvertersC.In:IEEE1990CustomIn2tegratedCircuitsConference,pp.6.1.1-MarlowBK,GreagerDC,kempRandMooreMB,High2lysensitivecapacitancemeasurementforsensorsJ.Elec2tronicsLetters,1993,29(21):1844-1845.7KuoJB,ChouTL,andWongEJ.BiCMOSedgedetectorwithcorrelated-double-samplingreadoutcircuitforpat2ternrecognitionneuralnetworkJ.ElectronicsLetter,1991,27(14):1248-1250.8HsiehK-C,GrayPR,SenderowiczD,andMesser2schmittDG,Alow-noisechopper-stabilizeddifferentialswitched-capacitorf