（微电子学与固体电子学专业论文）低失调高边电流采样电路的设计与研究.pdf

摘要 随着电子信息科学技术的发展，电流检测技术已经被广泛的应用到电源管理、 l e d 驱动等系统中。对应于不同的系统，已经发展了不同电流检测技术方式。 在电池管理芯片等应用中，任何微小的电流变化都可能对负载产生影响，因此需 要电流检测电路精确、及时得检测出电流的变化。 本论文首先介绍了应用于d c d c 系统中电流采样的几种基本原理和拓扑结 构，分析了各种电流采样方式的优缺点，并比较了高边电流采样( h i g h s i d ec u r r e n t s e n s i n g ，也称为高端或高压侧电流采样等) 和低边电流采样( l o w - s i d ec u r r e n t s e n s i n g ) 对电路的影响，选择高边电阻电流采样为本论文设计架构。由于需要采 用运放来检测电流的变化，如何减小运放的失调电压成为本文设计的重点。本文 分析了减小运算放大器失调电压的三种基本方式：斩波技术、自动调零技术和相 关双采样技术，选择自动调零技术为电流采样电路中减小失调电压的技术，为了 减小尖峰效应而对电路进行改进。接着根据设计要求和指标，完成各个子模块的 设计，并利用e d a 软件h s p i c e 软件对其进行仿真，包括基准源、运算放大器、 振荡器以及非交叠时钟产生电路，并介绍模拟开关及减小电荷注入的相关技术。 最后对整个低失调运放以及电流采样电路进行仿真验证。最终仿真结果表明，电 路可以正常工作，基本上达到了设计的指标要求。 关键字：电流采样，低失调，自动调零技术 a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , c u r r e n t - s e n s i n gt e c h n o l o g yh a sb e e n w i d e l yu s e di np o w e rm a n a g e m e n t ，l e dd r i v e rc i r c u i ta n do t h e rs y s t e m s m a n y c u r r e n t - s e n s i n gt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nd e v e l o p e df o rd i f f e r e n ts y s t e m s i np o w e r m a n a g e m e n ts u p p l i e dw i t hb a t t e r i e s ，c u r r e n t - s e n s i n gc i r c u i tp l a y sac r u c i a lr o l et o d e t e c tt h ec h a n g e so fc u r r e n ta c c u r a c yp r e c i s e l ya n dr a p i d l y t h et h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e sa n dt o p o l o g i cs t r u c t u r e s o ft h ec u r r e n t s e n s i n gc i r c u i t su s e di nt h ed c d cc o n v e r t e r s ，a n dt h e nm a k ea c o m p a r i s o nb e t w e e nd i f f e r e n tc u r r e n t - s e n s i n gt e c h n o l o g i e s b a s e do nt h ea n a l y s i s b e t w e e nh i g h - s i d ec u r r e n t - s e n s i n gc i r c u i ta n dl o w - s i d ec u r r e n t - s e n s i n gc i r c u i t ，t h e t h e s i sa d o p t st h e h i i 曲一s i d ec u r r e n t - s e n s i n gc i r c u i t 嬲t h et h e s i s s t r u c t u r e t h e e m p h a s i so ft h i st h e s i s i sh o wt or e d u c et h ea m p l i f i e r so f f s e tv o l t a g e ，b e c a u s et h e c i r c u i tn e e da m p l i f i e rt os e n s et h ec u r r e n tc h a n g e s t h r e ef u n d a m e n t a lm e t h o d s ， w h i c ha l ec h o p p e rs t a b i l i z a t i o n ，a u t o - z e r o i n g ，a n dc o r r e l a t e dd o u b l es a m p l i n g ，t o r e d u c et h eo f f s e tv o l t a g eo fc u r r e n t - s e n s i n gc i r c u i th a v eb e e na n a l y z e d t h i st h e s i s c h o o s e st h ea u t o z e r o i n gt e c h n i q u ea st h et e c h n i q u et or e d u c et h eo f f s e tv o l t a g eo ft h e c u r r e n t - s e n s i n gc i r c u i t ，a n di m p r o v et h ec i r c u i tt or e d u c et h es p i k ee f f e c t a c c o r d i n g t od e s i g nr e q u i r e m e n t ，m a n ys u b m o d u l e sa l ed e s i g n e d ，a n dt h es i m u l a t i o nw o r kh a s b e e nd o n ef o rb a n d g a pr e f e r e n c e ，a m p l i f i e r , o s c i l l a t o ra n dt w op h a s en o n o v e r l a p c l o c kg e n e r a t o rb yu s i n gh s p i c e a tl a s t , t h ew h o l el o w - o f f s e ta m p l i f i e ra n dt h e c u r r e n t - s e n s i n gc i r c u i ta l et e s t e da n dv e r i f i e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， t h ep e r f o r m a n c eo f p r o p o s e dc u r r e n t - s e n s i n gc i r c u i tm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：c u r r e n t - s e n s i n g ，l o w - o f f s e t ，a u t o z e r o i n gt e c h n i q u e 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着信息技术及其产业的发展，当今社会已经进入到了一个信息化时代。信 息技术在提高企业的市场竞争力的同时，已经成为世界经济增长的新动力。从 2 0 世纪九十年代至今，伴随着个人计算机的不断普及，通信与计算机占领了世 界半导体需求的2 3 ，集成电路的发展已经影响了人们的日常生活。 模拟集成电路作为连接现实世界与数字虚拟世界的桥梁，在通信、计算机、 消费电子、甚至在汽车电子领域都有其大量应用，其以运算放大器为基础，涉及 到a d 、d a 转换器、电源、电池充电管理和保护芯片等。尽管近年来数字集成 电路发展迅猛，但电子设备与自然界的接口无论是在前端或者后端都不能缺少模 拟电路【l 】。电流检测电路作为模拟集成电路的一个基本模块也得到了应有的重视。 首先，随着便携式电子产品的快速发展，电源类管理芯片得到了更多的重视， 其中以开关型d c d c 变换器的应用最为广泛【2 j 。d c d c 变换器主要实现了直流 电源之问的电压的转换，并且其转换效率很高。然而随着用户对电源的要求越来 越高【3 】，设计出功能强大、省电和电路简单并且使用便捷，并且效率高的电源管 理芯片成为设计工程师们的新的挑战。开关电源转换器一般包括充电开关管、续 流开关管、电流检测电路、电感和电容构成的输出滤波电路【4 】。电流检测电路是 其中的一个模块，主要用于检测某些元件或者支路的上的电流，并反馈到系统中 用于保护和控制【5 】。因此电流检测电路在d c d c 转换器中有着不可替代的作用， 特别是在电流控制模式的开关转换器中，因为在此模式中为了得到高的转换效率， 需要精确的检测负载的电流并反馈，用于控制功率管的工作【引。 其次，在电池充电保护电路中，电流检测电路也有着重要的作用。目前，市 场上流行的电池有三种：锂电池、镍镉电池和镍氢电池。其中，锂电池的需求量 最大，主要是由于其无污染、无记忆性、能量密度高等优势【7 1 。然而，在锂电池 的使用过程中，特别需要对锂电池进行保护，过充和过放等都会对锂电池产生损 害。因此，每个锂电池都会有保护芯片，使得锂电池的保护芯片市场需求日益增 第一章绪论 大。其中，电流电压的检测是电池保护芯片中必不可少的基本模块之一。精准、 快速的电流检测电路，可以给控制电路提供准确的信息，从而对锂电池进行有效 的保护。 此外，在汽车电子中，检测伺服电机的电流【8 】；在l e d 的控制和保护中， 也同样需要检测流过l e d 的电流；在一些电流保护、电流检测的系统中，同样 电流检测电路也是其基本电路之一。因此电流检测电路作为模拟电路的基本模块 之一，随着集成电路的发展理应得到更多的重视。 1 2 研究意义 随着电子产品的不断发展，特别是低压和超高压应用领域的延伸，电流检测 电路必须在高压、低压都有相同的性能、效率和精度。同样也正是由于微电子工 艺的日新月异，才使得集成电路的设计有了更加多的选择，不仅可以选择纯 c m o s 工艺，同时也可以用b i c m o s ，或者用高压b c d 工艺【9 】等等。正是在这 样的背景之下，高精度的电流检测技术才有了其研究的意义。 半导体工艺在过去的几十年中根据电路的需求，对其进行了巨大的改进。模 拟集成电路最早是运用双极型工艺制造的。最早生产的有7 4 1 运算放大器、5 5 5 定时器等。然而随着集成度以及功耗的要求，m o s 集成电路逐渐成为工程师们 的选择。特别是在2 0 世纪7 0 年代初出现了多晶栅m o s 工艺解决了金属栅工艺 中不可预测的阈值电压漂移。到2 0 世纪8 0 年代中期，一种专门为数模混合集成 电路的新一代双极c m o s ( b i c m o s ) 工艺迅速发展起来了。然而，当客户需要 集成高压、高频、高功率于一块芯片时，单一的d m o s 芯片已经无法满足。1 9 8 6 年由意法半导体( s t ) 公司率先研制成功b c d 工艺，一种能够在同一芯片上制 作双极管b i p o l a r ，c m o s 和d m o s 器件。该种技术增加了保护环、分压环、沟 道终止环、场板、r e s u r f 等表面终端技术1 0 】 【1 1 1 【1 2 1 解决了客户对高压、高功率、 高密度甚至是高频集成电路的要求。工艺的改进，也使得工程师在电路设计时有 了更多得选择，集成电路也就能更加适合各个领域的应用。同样，这些工艺也保 证给了电流采样电路可以得到更多得应用。 同样客户的需求也是促进电流采样电路的发展的重要原因。传统的电阻电流 检测方式精度最高，然而当它应用于笔记本电脑或者伺服电机的控制时有了新的 2 第一章绪论 挑战。随着笔记本电脑电池电压上升到1 5 v 并且在将来有可能继续上升，流过 电池的电流在待机模式下的1 0 m a ，以及峰值电流可达到1 0 a 。减小检测电阻的 阻值，可以减小功耗，并且可以减小最大的检测电压，然而检测电路两个性能必 须重新考虑：输入失调电压和共模抑制比。例如，检测电阻为1 m q ，检测输入 电压就是在1 0 1 w 和1 0 m v 之间。因此，输入失调电压必须小于1 0 ，并且检 测电路的其他性能不能受到影响。这种情况同样也发生在汽车电子中，由于汽车 电池的电压更高，流进流出负载的电流变化范围更大，因此检测电路的失调电压 是制约汽车电子的性能的因素之一。同时，工艺、工作环境等因素也同样会影响 检测电路的性能。因此，设计师需要设计出一些电路，它们对温度、噪声等外界 因素都不敏感。 高精度的电流检测技术不仅可以在电路、工艺方面得以实现，同时其广泛的 应用也保证期研究的价值。但是，电流检测技术在高压、快速以及低失调方面还 有其难点。首先，高压与价格的矛盾，高压工艺能得到运用在高压环境中得电路， 但是高压工艺的价格却比较昂贵。其次，速度与失调的矛盾，要减小失调电压必 然导致在速度方面有所减弱。因此，设计高性能的电流检测电路具有重大的意义。 1 3 电流采样电路研究现状 电流检测电路在纵多模拟系统中都有着无可比拟的作用，所以世界范围内对 电流检测电路都有着大量的研究。比如m a x i m 公司研制的m a x 4 3 7 2 检测芯片， 可以检测较高的连续电流【1 4 1 。德州仪器( t i ) 宣布推出包括i m p e d a n c et r a c k 电 量监测计芯片组在内的多款全新电池管理芯片【i 引，这些产品在提高电池性能，同 时还为其它系统提供保护功能。这些电流检测芯片都具有宽的输入范围、低的失 调电压、并且功耗小、精度高，其良好的通用性和高精度都是业界所追求的。 目前，国外对电流采样电路的研究主要专注于精度和损耗两个方面。传统的 电流检测技术是在电流通路中，串联一个电阻，通过检测电阻两端的电压大小， 来取得流过电阻的电流的大小b 6 。一般都通过采用两个放大器来提高这种检测方 式的精度，这样就增加了功耗，b r a db r y a n t 就检测电阻取值大小发表了自己的 研究，他提出了检测电阻与功率管的导通电流的关系。随着制造工艺和相关技术 的发展，电流检测的精度得到了更大的提高。为了减小损耗，人们提出了一些无 第一章绪论 损耗检测方式，这些方式一般都是利用主电路回路中已有的电感、功率管等功率 器件进行电流检测。如1 9 9 7 年韩国的w h k 提出了最基本的s e n s e f e t 电流检 测电路【l 刀，这种电路具有高精度、低功耗等特点。同时，也有人为了在精度和速 度上都有高性能，在无损耗技术中，加入自动校准技术，然而带来的问题是庞大 的电路结构，造成其不能成为通用电路。而且目前大量的研究都不再关注精度问 题，过分地依赖了工艺带来的便利，然而这种便利却不是万能的，在封装，和使 用过程中都有可能引入不同的误差，造成电路性能的差异。而且这种误差，有些 是电路设计者在电路设计时所考虑不到的。 而国内对电流检测电路的研究，大部分都是对国外相对成熟的技术进行分析， 并无较大的突破。屈指可数的几篇文献中，都是对应用于d c d c 芯片中的电流 采样电路的设计，这些电流采样电路大部分采用s e n s f e t 电路，或者电感电流 采样方式。这些技术有其优势，然而其精度无法跟电阻采样方式向比拟。本文将 对电阻采样方式中如何增加其精度进行研究。 1 4 研究目标与论文体系结构 本课题的项目名称是低失调高边电流采样电路的设计与研究，课题研究 从2 0 1 0 年1 0 月至2 0 1 2 年2 月。主要完成了相关电流采样电路结构分析，设计 相关的模块电路结构，并进行仿真，分析其优缺点。其次，进行了低失调运算放 大器的研究与设计，并将此运算放大器运用到电流采样电路中。最后，使用 h s p i c e 软件对各个模块和整体电路进行仿真分析，验证其各个性能是否符合设 计要求。 依据工作进度，本文结构安排如下： 第一章为绪论，主要介绍一些电流采样电路的研究背景以及现行的电流采样 方式。 第二章对本文所采用的高边电流采样电路的工作原理、拓扑结构进行深入的 研究。 第三章介绍低失调运算放大器的基本结构，并描述了电路中的各个子模块的 设计。 第四章是对低失调运算放大器进行了整体仿真分析，并对采用了低失调运算 4 第一章绪论 放大器的高边电流采样电路进行仿真分析。 第五章对该课题的研究成果进行了简要的总结，并提出本课题的下一步研究 方向。 第二章高边电流采样电路的基本原理 第二章高边电流采样电路的基本原理 2 1 电流采样方式 鉴于电流检测电路在许多模拟应用中的都有着极其重要作用，目前，学术界、 工业界都投入了大量的精力研究各种不同的检测方式和及其相对应的检测电路。 例如在飞利浦以及仙童等公司公开的技术文档中，可以看到基于s e n s f e t 的电 流检测技术在电源转换芯片中各方面的性能比较均衡，被大量使用【1 3 】，f 1 9 1 。接下 来将对应用于d c d c 中的电流检测方式【2 0 】，【2 1 】进行介绍，如图2 1 中对流过功率 管的电流进行检测，然而实际上对于其它电路设计以及应用，高性能的电流检测 技术也是具有很大的意义。 s e n s f e t 电流检测方式i x 2 ：如图2 1 所示，这种技术将采样管与功率管的 栅极和源极分别相连，保证两管的栅源电压相同，此时采样管可以按比例镜像功 率管的电流。有时也会增加一些电路结构，保证采样管和功率管的漏极电压相同， 减小由沟道长度调制效应引入的误差。为了减小流过采样管的电流，功率管与采 样管的面积比至少取1 0 0 ：1 ，然而这样也增大了其不匹配性。 图2 1s e n s f e t 检测基本原理图 电感电流检测方式【冽：如图2 2 所示，这种方式是通过监n - 与g a 感并联的低 通滤波器中v c 两端的电压，实现电感电流的检测。根据电感值的大小，选择合 适的电阻、电容的值，由于外接电感和电容的偏差较大，很难达到电流的精确控 制。另外，由于使用的电容值较大，很难在集成电路中实现。 6 第二章高边电流采样电路的基本原理 | p a w e r m o sl 图2 2 电感电流检测原理图 电阻采样方式：这种方式通过将电阻与负载串联，检测采样电阻上的电压团】， 通过预先设定电阻值，从而检测到流过负载的电流。这种采样电路原理比较简单， 误差主要是采样电阻阻值的误差与检测电路的误差，因此设计时通常取电阻两端 的压差为l o o m v 。这种电路精度高，但是增加了采样电阻，消耗了额外的功耗。 仙童公司的r c 5 0 5 1 以及r c 5 0 5 7 r c 5 0 5 2 检测芯片就是基于这种技术。 p o 骶，m 。一 v i n 图2 3 电阻采样原理图 r l o a d r d s 检测方式：如图2 4 ，这种方式类似电阻采样方式，用处于线性区的功 率m o s 管代替了采样电阻，检测到功率管两端的电压，从而就可以得到功率管 的电流，因此是一种无损耗的检测技术。然而，功率管的i b s 是非线性削2 5 1 ，会 随着工艺以及温度的变化而变化，此方式精度不高。 v v i n 图2 4r o s 检测技术基本原理图 7 r l o a d 第二章高边电流采样电路的基本原理 表2 1 对各种电流检测技术的优缺点进行了比较： 表2 1 电流检测方式优缺点对比 电流检测方式优点缺点 s e n s f e t 检测方式损耗低、可集成面积大、镜像管的匹配问题 电感电流检测方式损耗低需要确定电感值、不可集成 电阻检测方式精度高在一些应用中增加了功耗 r d s 检测方式损耗低精度低 本文所讨论的检测方式是电阻采样方式。这种方式通过将电阻与负载串联， 检测电阻两端的电压从而得到流过负载的电流。根据检测电阻与负载的相对位置 又可分为高边电流检测与低边电流检测。 低边电流检测方式：此方式是将电阻串联到地端，而负载是更靠近电源端。 因此，运放的输入信号共模范围是g n d 至i l 。a d 木r s 。嘟。这种检测方式优点在于检 测电平较低，电路结构简单易实现。而此方法却有几种故障状态无法检测得到， 例如：此时负载不再具有一个可靠的接地线路；当电流改变时，相对地的电路将 发生变化。而这个变动的“地”会让电源管理电路产生一些信号上的误差。因此， 为了能更精确检测电流，必须完全隔离和容纳所有流经检测电阻的电流，这是相 当困难的。而这样的缺陷有可能使负载处于比较危险的状态。 高边电流检测方式：这种方式与低边电流检测方式正好相反，将检测电阻串 联到电源端。这种方式必须处理靠近电源端的共模信号，但是却能够检测到后续 回路的任何故障并采取相应的保护措施，因此特别适用于自动控制应用领域。当 然这种检测方式有时还需要检测电压的共模电压比电源电压还要高。 2 2 低失调运算放大器的基本原理 该设计需要用运算放大器来检测电阻两侧的电压大小，需要采用低输入失调 电压来实现。接下来介绍实现低失调运放的基本原理。对于理想运算放大器来说， 当两个输入端的差分电压为0 v 时，则输出差分电压也应该为0 v 。但实际上， 8 第二章高边电流采样电路的基本原理 由于工艺偏差和采用的电路架等原因，差分输出电压不会总是为零，这个有限值 的差分输出电压一般被称为输出失调电压。通常为方便起见，使输出差分电压为 0 v 时对应的输入差分电压定义为输入失调电压v o s 。分析运算放大器时，一般 将v o s 等效成一个与运算放大器反相输入端或正相输入端串联的电压源。v o s 会 随着温度的变化而变化，这种现象称为失调电压的温度漂移。在放大器的应用中， 失调电压限制了信号的可测精度，并且对共模抑制比和电源抑制比都产生负面影 响。为了减小运算放大器的输入失调电压，在设计运算放大器电路结构时，一般 需要让电路更加对称，以减小系统失调：要求版图布局对称，减小工艺变化造成 的失调。现在也发展了一些消除失调电压的技术，诸如斩波技术 2 0 3 、相关双采样 技术2 刀和自动调零技术【2 5 】，【2 8 】，【2 9 1 等。这些技术适用于如电压放大器，a d c d a c 、 积分器和滤波器，采样保持电路，比较器等。 2 2 1 斩波技术基本原理 斩波技术( c h s ) 利用调制技术来减小运算放大器的噪声( 主要是1 f 和热 噪声) 和直流输入失调电压，其基本原理是将失调调制到高频处，然后用低通滤 波器把高频部分滤掉以实现减小失调的目的【3 0 】。斩波技术是由e a g o l d b e r g 在 1 9 4 8 年首先提出的，但当时很多产品还只是用真空管和继电器来实现【3 1 】。随 着集成电路制造技术的发展，这种技术已经可以直接集成在芯片内部。 图2 5 斩波运算放大器的基本原理图 9 第二章高边电流采样电路的基本原理 斩波技术的基本原理是用开关信号和输入信号耦合，在输出端再经过同步解 调和低通滤波后得到非线性小信号，其基本实现方式如图2 5 所示。运算放大器 椰冲喜瞽”， 。 m o = 蚝= m + 4 = o ( 2 2 ) 调制信号是初始信号与式2 1 的乘积。图2 5 中v i i i m l ( t ) 的频谱显示了信号 被移项到奇数项的调制信号。放大以后，这个调制信号被信号m 2 ( t ) 解调回来， 变为： 哪h 砌，喜瞽2 鼬痞挚2 埘，ll 图2 6 显示了傅里叶变化的输出信号，这里不包含噪声信号。 图2 6 理想无噪声傅里叶变化的输出信号 为了恢复初始信号的放大形式，解调信号需要被用一个低通滤波器滤波，其 1 0 第二章高边电流采样电路的基本原理 频率略高于输入信号带宽。 这里噪声和失调也仅仅被调制一次。假设s n ( f ) 为噪声和失调功率谱密度 ( p s d ) ，这个功率谱密度( v o s + 、) 幸m 2 ( t ) ，为： s c s ( f ) = 耋l | 2 蹦一芋) = 圭赤蹦厂一竿) ( 2 4 ) 所以噪声和失调被移到调制信号的奇数项，变为没有失调和低频噪声的理想 斩波运算放大器。 假设输入信号v i l l 是直流信号，如果运算放大器有无限的带宽并且没有延时， 则输出信号v a 为一个方波，值为a v i a ，且这个信号经过解调后仍然为直流信 号。考虑在非理想情况下，先假设运算放大器有有限的带宽，且在低于两倍于斩 波频率，有一个固定的增益a 高于这个频率时为0 ( 理想的低通) 。如图2 7 所 示，运算放大器的输出信号v a ( t ) 为正弦波，其振幅为( 4 x ) ( a v i n ) 。第二个解调 器的输出v o u t 被整流成一个正弦波，其包含偶数阶谐波频率的部分。输出必须 经过低通滤波到需要的放大信号。滤波后的直流值变为( 8 x 2 ) ( a v i n ) ，因此大概 减小了2 0 的增益。因此更大的带宽主运放的输出会有更大的直流增益。 图2 7 运算放大器有限带宽对直流信号的影响 现在考虑运算放大器的延时对直流增益的影响。例如，如果运算放大器有无 限的带宽，但是在一个相位内输入到输出会固定延时t 4 ，输出信号会被整流成 余弦波形，这里又没有直流部分只有奇数次谐波，即斩波稳零运放的整体直流增 益为0 。如果图2 5 中的调制器的输入和输出由相同的延时，f l o a t 等于t 4 ，输 出信号被整流成余弦波。综上得出结论，斩波运放为了得到最大的直流增益，两 个调制器的相移需要与主运放的相移精确的匹配。 斩波运放的残余失调电压大概在几十微伏的量级，主要是由调制解调器的引 入的尖峰和m o s 开关电荷注入p 1 】【3 2 1 等不理想因素导致的。一般有三种方式可以 第二章高边电流采样电路的基本原理 减小这个残余失调电压：降低斩波频率、减小输入阻抗和减小电荷注入。然而， 降低斩波频率一般不可行，因为为了消除1 f 噪声，斩波频率应该大于1 f 噪声 的频率。输入阻抗是由输入信号源决定而不是由电路设计者决定的。而电荷注入 主要是由工艺决定。综上所述，除了仔细的版图设计以外，电路设计者没法以直 接的方式消除残余失调电压。 2 2 2 自动调零技术与相关双采样基本原理 自动调零技术( a z ) 的基本思路【2 8 】，如图2 8 所示，先对运算放大器的不 理想部分( 噪声和输入失调电压) 进行采样并储存在一个或多个电容上，然后从 含有噪声和失调的运算放大器的输入端或者输出端瞬间减掉这个不理想的部分， 当然这个过程也可以在运算放大器中增加一个中间节点来实现。相较于斩波技术， 自动调零技术更容易实现，但是其对噪声的消除并没有斩波技术那么有效。自动 调零运放的工作过程一般需要至少两个相位：一个采样相位，一个信号处理相位。 在采样相位中，运算放大器的失调被采样，并存储在电容中；而在信号处理相位， 这些存储的偏差被从信号中减去，达到减小失调的目的。 ( a ) 图2 8 自动调零基本原理 自动调零技术的复杂度是由被检测信号是离散的还是连续的决定的，对于在 离散信号中的应用，例如开关电容滤波器等等，就只需要一个内部运算放大器。 其中自动调零技术中最容易的实现方式如图2 9 所示，在运算放大器的输出端对 失调进行采样，有人将这种技术称为“输出失调储存技术” 2 5 】。 1 2 第二章高边电流采样电路的基本原理 v i n = 图2 9 输出失调储存技术 在采样相位1 时，开关s l 、s 2 均接地，当稳定时储存在电容c 上的电压大 小为运算放大器的失调电压与运算放大器的增益的乘积。在信号处理相位2 时， s l 接回到信号源v i n ，信号被放大输出，此时修调后的失调电压惴( 以下称为 残余失调电压) 应该为零，然而由于m o s 开关的电荷注入效应，当s 2 由接地变 断开，产生一个误差电压q i n j c 被储存在电容c 上，因此残余失调电压为： v o 。小。= 丢半 ( 2 5 ) 从式( 2 5 ) 可看出，初始的输入失调电压得到了有效降低。然而这种技术 的主要弊端是：在失调采样相位期间运算放大器不“饱和 才有效，因此并不适 用于高增益运算放大器。 “输入存储技术”【2 5 1 或者称为闭环失调消除技术可以 有效得克服这种缺陷，如图2 1 0 所示。运放在采样相位时被接成了闭环形式， 这样可以更有效地检测失调电压。 + v i n ( a ) 失调采样相位 + v i n 图2 1 0 闭环闭环失调消除原理 如图2 1 0 ( a ) 所示，在采样相位期间，运算放大器的输入端从信号通路断开， 接成了单位增益形式，同时需要假设其正端的电平为固定电平。一般来说，运算 放大器的电压增益a 远大于1 ，因此在稳定后，电容c 上储存的电荷使电压v c 基本上等于运算放大器的失调电压v o s ： 1 3 第二章高边电流采样电路的基本原理 v c = 去v o s 兰v o s ( 2 6 ) 当然，这里也需要考虑电荷注入效应，开关s l 断开时，由m o s 开关产生的 额外误差q i n j c 也会被存储在电容c 上，这个电压会对运放的失调电压产生不利 的影响。在采样相位过后，进行失调补偿过的这个运算放大器可以被用来实现放 大作用，被再次接回信号通路，如图2 1 0 ( b ) 所示，此时运算放大器的残余失 调为： v o 。咄s = v o s v c = v o s 一皓v o s 一鹗兰等+ 警 ( 2 7 ) 由此可见，经修调后的残余输入失调电压大约等于运算放大器原来的输入失 调电压v o s 除以运算放大器的直流增益加上由电荷注入引入的失调项q i j c 。如 果使用全差分结构的运算放大器则可减小电荷注入的影响，由电荷注入引起的不 匹配误差可以被减小到a q m j c t 2 9 j 。 采用这种结构主要弊端是：在失调采样相位期间，运算放大器是不能工作的， 其输入端不能接到外部电路。当然，对于大部分应用，这不是一个主要的缺点。 为了实现连续放大，无失调运算放大器可以被“复制 ，并且使用分时( “乒乓”) 1 工作，或者可以使用连续时间前馈技术m 3 来解决这个问题。即便如此，最大的 弊端是这种结构根本就不能构成反相放大器使用。 采用连续时间自动调零技术则至少需要有两个内部运算放大器，主运算放大 器和调零运算放大器。因为在某些应用中，要求运算放大器起连续放大的作用， 而不能为了实现自动调零而在某个时刻从信号通路中断开。这种技术在自动调零 运放中增加了一个调零运算放大器，使主运放的输入端始终接在被放大的信号通 路上，起放大作用，而调零运算放大器用来消除主运放和自身的失调电压，这样 这个问题就得以解决。采用这种方法的弊端是当这两个运算放大器在实现调零过 程中会导致输出出现尖峰，解决的办法是选择合理的时序控制电路和增加“虚拟 器件。如图2 1 l 所示，这里包含了两个运算放大器：一个一直与输入信号相连 的主运放，以及一个当与输入信号断开后可以用来消除自身输入失调电压，然后 与主运放相接，用来消除主运放的输入失调电压的调零运放。 这个电路的基本工作原理就是利用失调电压已被消除的低失调调零运放来 检测主运放的失调电压，同时产生一个修正电压用于消除主运放的失调。 1 4 第二章高边电流采样电路的基本原理 在采样相位1 期间，调零运放g m 被自动调零；在o1 结束时，调零电压v c l 被储存在电容c l 上，并且在调零相位2 时一直被保持。因此，这样的调零运放 可看作是一个几乎没有失调电压的运算放大器。用它在相位2 期间检测和消 除主运放的失调电压。在相位2 期间，调零运放给电容c 2 充电至v c 2 用来消除 主运放的失调电压，并在相位l 期间继续保持在电容c 2 上。但这种技术的缺陷 是主运算放大器必须接成负反馈形式，如图2 1 1 所示。接成负反馈形式时，主 运放的正负输入端的电压几乎等于主运放的失调电压，因此这也限制了这种技术 的应用。 负反馈 图2 1 1 连续时间自动调零运放 首先，这里介绍有两个差分输入端的运算放大器，这可看成是两个独立运算 放大器的输出端接在一起的组合。其中的辅助输入端【3 习用来连接失调修正信号。 如图2 1 2 所示，假设运放的设计有两个主极点，因此，该运放的主输入至输出 的增益可以由下式表示： a ( s ) = 百瓦丽a o + v 一 图2 1 2 内部运放 1 5 ( 2 8 ) 第二章高边电流采样电路的基本原理 此处，a o 是运放的开环直流增益。d 是运放的主极点，u h 是运放的次极点， 并且比主极点大很多， a o m d 。由于辅助输入端与主输入端都和运算放大器的 第一级相连，所以一般有相同的极点，但是开环增益不同。假设辅助运放的开环 增益为a ，o 。定义主输入与辅助输入的开环增益比为： a = - a o ( 2 9 ) o 因此，辅助输入端至输出的增益为a ，( s ) = a ( s ) a 。此运放的输出电压为： v o ( s ) = ( d + v o s ) a ( s ) + v i 乞a ( s ) = v i d + v ；：d a + v o s ) a ( s ) ( 2 1 0 ) 这里d 和、矗分别表示运算放大器的主差分输入端和辅助差分输入端，v o s 表示主输入端的输入失调电压，并且忽略辅助输入端的输入失调电压。在本文的 设计中，只需要三个输入端，所以会将图2 1 2 的一个辅助输入端接到虚拟地。 接下来，详细分析连续时间自动调零运放的工作原理，见图2 1 1 所示。这 里用下标“m 和“1 1 分别表示主运放和调零运放。在采样相位中1 期间，调零 运放与检测信号断开，并且输出端接在电容c l 上，实现自动调零。这个过程与 闭环输入失调消除原理相似，此时电容c l 上的充电电压就为调零运放自动调零 所需的电压，为： u 1 = 一害乏v o s n + v c l 兰一a n v o s n + a v e ：l ( 2 1 1 ) 此处，a v c l 为电荷注入、采样噪声以及漏电流引起的电压变化。经过相位 l 后，调零运放的失调电压被减小至很小，如式2 7 所示。 在相位2 期间，调零运放的正负输入端分别与主运放的正负输入端相接， 用来检测主运放的失调电压。此时，调零运放的输出端接到了主运放的辅助正输 入端，输出修正电压来消除主运放的失调电压。这个修正电压即电容c 2 的电压 为： v c 2 = a n ( v + 一v - 一v o s n ) 一u 1 兰a n ( v + 一v - ) 一a n v o s n 一v c l ( 2 1 2 ) 而主运放的输出电压为： v o u t = a m ( v r + 一v 二一v ：s m ) + a ，m v ：2 ( 2 1 3 ) 根据，输入失调电压的定义，将式2 1 2 代入2 1 3 可得： 0 = a m ( v r + 一v ，- ) 一a m v 0 s m + a 二n 【a n ( v r + 一v | - ) 一a n v r o 。n a 二1 v ：1 】 ( 2 1 4 ) 1 6 第二章高边电流采样电路的基本原理 这样，主运放的残余失调电压为： 即： ( v + - v - ) = 坐世案卷半逝 ( 2 1 5 ) v o 。兰坐警逝+ 等 ( 2 1 6 ) 这里假设了信号从调零运放到输出的增益a n a ，m 比从主运放到输出的增益 a m 大得多。当2 相位变成l 相位时，输出电压将会有一项误差项v o u t = a ，m v c 2 ，这是由电容的电荷注入、采样噪声等非理想因素引入的。因此，主运 放的失调电压应该再减去这一误差项为： v o s 兰业学+ 等一等 ( 2 1 7 ) 从式( 2 1 7 ) 可以看出，当a m = a n = l 时，主运放的残余失调电压基本等于： 主运放和调零运放失调之和，除以调零运放的增益a n ，加上由电荷注入等非理 想引入的误差项。 设计这种连续时间调零运放必须注意两个运放的频率响应，保证运放在两个 相位内都是稳定的。为了保证在相位l 时稳定，只要保证主运放是稳定的，并 且调零运放的辅助输入端的单位增益是稳定的。而在相位2 时，就要保证从辅 助输入端的信号到主运放的输出端构成的反馈是稳定的。因此，设计辅助输入端 经常用与主输入端有相同的结构p 5 1 。 同时，这里还必须注意电容c l 和c 2 上的电压v c l 和v c 2 一般不相等，所以 当相位改变时，例如当相位从l 变为m 2 时，运算放大器的输出端会出现一个瞬 时的尖峰【3 5 1 。假设运放的输入端没有信号，为了补偿这个正的尖峰从而保持平均 值为零，在相位m 2 内，瞬时尖峰消失后，运放的输出电压会瞬时变为负值。另 一个潜在的问题是当运算放大器的输入信号频率等于或约等于时钟频率整数倍 时，或者出现在运放虚地的信号，这些信号在相位2 结束时，被电容c ：采样， 造成混叠现象3 5 1 。这会导致一个明显的失调，这个失调不会被这种调零运放所消 除。所以设计这种运放时，应认真考虑电容c ：的电容值来确定上面的电压。 相关双采样技术( c o r r e l a t e dd o u b l e s a m p l i n g ，c d s ) 是自动调零技术的 一个特殊例子，在典型的c d s 结构中，需要在第一次采样获得放大器的失调和噪 1 7 第二章高边电流采样电路的基本原理 声之后，并且在之后的补偿期间进行第二次采样，以此来获取放大器负输入端幅 值偏差的瞬时值乜力。因此，相关双采样结构在每个时钟周期内需要进行两次采样 操作。尽管采用相关双采样技术的输出时采样和保持过程都有两次的采样和保持， 但是由相关双采样技术引入的失调和噪声与自动调零技术非常相似。 相关双采样技术大致可以分为三种：一种是失调补偿的相关双采样技术，它 仅能消除直流失调和随机噪声；第二种是增益和失调补偿的相关双采样结构，它 不仅降低失调和噪声，还将降低有限运放增益的影响；最后一种是带有增益和失 调补偿的与测试c d s 结构，它可以预测功能整合在每一个相关双采样操作中，为 下一个时钟周期将产生的有限增益偏差提供一个初步的近似瞳7 1 。 综上所述，自动调零技术相较于传统运放有其独特的优势。首先，调零运放 会持续的检测主运放的失调电压，然后给主运放提供校正信号。这个校正信号的 频率取决于实际设计，通常取几千赫兹。m i c r o c h i pt e c h n o l o g y 公司生产的 m c p 6 v 0 1 自动调零放大器为i o k h z 。这种持续的校正可以确保比传统运放低得多 的失调电压。此外，校正失调电压还会校正其他直流参数，如电源抑制比和共模 抑制比等。 其次，自动调零运放比传统运放的温度和时间漂移都低。所有运算放大器， 无论其架构和制作的工艺技术如何，都会随着温度和时间的变化产生失调电压。 通常，对于传统运放来说，温度漂移介于几到几十uv 之间，这样的性能不适 用于高精度的应用，并且与初始失调误差不同，这种温漂无法用一次性系统校正 来消除。除了温度漂移外，随着时间的推移，运放的失调电压不是一个固定值， 这会导致其在整个应用寿命中产生严重的误差。而由于自动调零运放架构固有的 特性，它能通过持续地自校正失调电压，尽可能减小了温度和时间的漂移。 此外，自动调零运放还能消除1 f 噪声，因为该种噪声的信号变化较慢并且 出现在输入端。同时，自动调零运放的输入端一般采用m o s 管，其偏置电流也减 小了。但是，增加了一个调零运放和相应的控制电路，增加了其静态电流、版图 面积。最后，其输入信号的带宽是由主运放的带宽决定的，而不是由斩波频率决 定，这使该技术相对于斩波技术有一定的优势。 自动调零运算放大器的应用与其它运放的应用相似，通过相同的电阻配置到 1 8 第二章高边电流采样电路的基本原理 相同的直流增益，滤波器、积分器和其他的一些应用都相同。接下来介绍由自动 调零运放带来的低失调的一些应用m 1 。 在称量贵金属、珠宝和药物等贵重小物件时，经常用到便携秤。这些便携秤 用电池供电，精度要求达到1 1 0 9 甚至更高，因此这里需要对用于称重的应变计 进行高精度和低功耗的信号调理。应变计一般使用电阻测量各种外力引起的应变 量。通常将一个或多个应变计接成惠斯通电桥形式汹3 。如图2 1 3 所示，利用惠 斯通电桥来称重的一个简化电路图。施力时，应变计电阻随着应力的改变而改变， 随后通过测量电阻的变化量，可以计算出施加应力的大小。这种电路的灵敏度高， 这里我们假设满量程电压为l o m v ，将运放的差动增益定为5 0 0 ，因此放大器的满 量程输出为5 v 。由于这个应用需要用到大增益，因此放大器的失调电压非常关 键。任何造成放大器产生失调电压都会变增益放大5 0 0 倍。假设，传统运放的失 调电压可以达到2 0 0 | lv ( 室温下) ，此时可在放大器的输出端形成，l o o m v 的误 差，即为满量程的2 。而采用自动调零技术设计的运放，失调电压一般为几个 到十几pv ，假设为5pv ( 室温下) ，这样在输出端产生的最大误差为2 5 m v ，为 满量程输出的