（电路与系统专业论文）低噪声专用仪表放大器的设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 近年来随着全球人口增长和人口老化速度的加快以及人们健康意识的逐步增强，医疗电 子设备的增长速度每年都超过1 0 ，而低功耗、高精度的模拟器件成为推动医疗电子发展 的关键部分。低噪声仪表放大器是微弱生物电信号提取和放大的关键模块，这使得低噪声仪 表放大器的研究成为一个重要课题。本文的主要目的是研究并采用c m o s - r 艺实现一种低 噪声的仪表放大器专用集成电路模块，该模块用于模拟前端的设计中。 仪表放大器是一种能精确放大两输入端之间的差模信号而抑制任何共模信号，并将差分 输入转换为单端输出的放大器。低噪声是仪表放大器在微弱生物电信号提取和放大中最重要 指标。本文研究了几种常用仪表放大器的电路结构，三运放结构的仪表放大器和电流模式的 仪表放大器在微弱生物电信号的提取和放大中明显没有专用低噪声仪表放大器有优势，专用 低噪声仪表放大器不仅结构简洁，不采用激光调阻即可实现比较高的的共模抑制比，而且噪 声比较低。 针对微弱信号提取和放大这一具体应用，本文设计了专用低噪声仪表放大器，在这个电 路中主要进行了如下研究： 1 研究了降低噪声的主要技术，包括斩波稳定技术和自动调零技术，并最终选择斩波 稳定技术作为电路降低噪声的主要技术，电路包括调制解调器、前端放大器、带通滤波 器、低通滤波器、振荡器和偏置电路几个模块。 2 针对斩波稳定技术中调制解调器的非理想特性引入残余失调，采用二阶带通滤波器 减小残余失调。 3 为了提高仪表放大器的输入共模范围，调制解调器和前端放大器都采用r a i l - t o r a i l 的输入方式。 电路采用t s m c0 3 5 9 mc m o s 工艺进行了仿真流片设计，测试低频等效输入相关噪声 谱密度为2 7 2n v s q r t ( h z ) ，开环增益1 0 0d b ，3d b 带宽1 0k h z ，芯片面积9 8 0i _ t m x 4 5 0p , m 。 仿真和测试结果显示基于斩波稳态技术的低噪声专用仪表放大器是一种有效的微弱生物电 信号提取和放大电路。 关键词：仪表放大器，低噪声，斩波稳定技术，轨到轨放大器 浙江大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h em e d i c a le l e c t r i c a le q u i p m e n th a sg r o w nm o r et h a n10 ，w h i c hi sc a u s e d b yt h ep o p u l a t i o ne x p l o s i o na n dt h ea g i n go fp o p u l a t i o n ，a l s ow i t ht h eb u i l d u po fh e a l t h c o n s c i o u s n e s s a n dl o wp o w e r , h i g hp e r f o r m a n c ea n a l o gd e v i c e sa r et h ek e r n e lp a r to ft h e m e d i c a le l e c t r i c a le q u i p m e n t i ti su r g e n tt or e s e a r c ht h el o wn o i s ei n s t r u m e n ta m p l i f i e r ，b e c a u s ei t i st h ei m p o r t a n tp a r to ft h ed e t e c t i o na n dm a g n i f yo fw e a kb i o e l e c t r i c i t ys i g n a l s t h i sp a p e ra i m s a ti n v e s t i g a t i n ga n dr e a l i z i n ga na s i cc e l lo fl o wn o i s ei n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e rb a s e do nt h e s t a n d a r dc m o s p r o c e s s ，w h i c hi se m p l o y e di nt h ea n a l o gf r o n t e n da sap a r to fs o c a ni n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e ri sac l o s e d - l o o pg a i nb l o c kt h a th a sad i f f e r e n t i a li n p u ta n da n o u t p u tt h a ti ss i n g l e - e n d e dw i t hr e s p e c tt oar e f e r e n c et e r m i n a l i tm u s ta m p l i f yt h ed i f f e r e n t i a l i n p u t a c c u r a t e l ya n ds u p p r e s sa n yu n w a n t e dc o m m o n m o d es i g n a l s l o wn o i s ei st h em o s t i m p o r t a n tf e a t u r eo fl o wn o i s ei n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e r t h el o wn o i s es p e c i f i ci n s t r u m e n t a t i o n a m p l i f i e rh a sh i g h e rp e r f o r m a n c et h a nt h r e eo p - a m pa n dc u r r e n ts t r u c t u r e s ，a l s oi th a sc o m p a c t s t r u c t u r ea n di se a s yt oi m p l e m e n t i nt h i sp a p e r ，al o wn o i s es p e c i f i ci n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e ri s d e s i g n e dt ou s ef o rw e a k b i o e l e c t r i c i t ys i g n a l sm a g n i f i c a t i o na n dm a i nr e s e a r c hc o n t e n ta b o u tt h ec i r c u i ta r ea sf o l l o w s ： 1 t h er e d u c t i o no fn o i s et e c h n o l o g yi sd i s c u s s e da n dc h o p p e rs t a b i l i z a t i o nt e c h n o l o g yi s c h o s e nf o rt h ec i r c u i t 2 s e c o n do r d e rb a n d - p a s sf i l t e ri su s e dt or e d u c et h er e s i d u a lo f f s e tw h i c hi sp r o d u c e db y t h en o n i d e a if e a t u r eo fm o d u l a t o r 3 r a i l - t o - r a i li n p u to fm o d u l a t o ra n dp r e a m p l i f i e ri sr e a l i z e dt om e e tt h er e q u i r e m e n to f c o m m o nm o d ei n p u tr a n g e t h ep r o p o s e di n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e rc h i pi si m p l e m e n t e db yt h e0 3 5p mc m o s p r o c e s s o ft s m cw i t hd i ea r e ao f9 8 0i _ t m x 4 5 0 岬t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h el o wn o i s ea m p l i f i e r f e a t u r e sao p e nl o o pg a i no f10 0d ba n dab a n d w i d t ho fl0k h z t h ee q u i v a l e n ti n p u tn o i s ei s a b o u t2 7 2n v s q r t ( h z ) t h es i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t ss h o wt h el o wn o i s ei n s t r u m e n t a t i o n a m p l i f i e rb a s e do nc h o p p e rs t a b i l i z a t i o ni sap o t e n ta n a l o gf r o n t e n d k e yw o r d s ：i n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e r , l o wn o i s e ，c h o p p e rs t a b i l i z a t i o nt e c h n o l o g y ，r a i l - t o - r a i l a m p l i f i e r 浙江大学硕士学位论文 绪论 随着电子技术的飞速发展，运算放大电路也得到广泛的应用。仪表放大器在2 0 世纪6 0 年代后期才问世f 1 】，它源于运算放大器，且优于运算放大器。仪表放大器把关键元件集成在 放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低 失调漂移、增益设置灵活和使用方便等特点，使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号 调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。 仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件，具有差分输出 和相对参考端的单端输出。与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输出端 与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网 络。仪表放大器的2 个差分输入端施加输入信号，其增益即可由内部预置，也可由用户通过引 脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻设置。简而言之，仪表放大器 ( i n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e r ) 是一种能够精确放大两个输入端口间的电压差值( 即差分信号) ， 同时抑制掉任何同时出现在两个输入端口的电压信号( 即共模信号) 的放大器，并将差分输 入转换为单端输出。 1 1 仪表放大器的特点以及发展概括 仪表放大器的主要特点如下： 1 ) 高共模抑制比。理想仪表放大器应该放大输入端两信号的差值，任何共模分量必须 被抑制【2 1 。仪表放大器往往处于数据采集的前端，容易受到环境背景、温度变化等 外界因素的影响，被测有用信号常常远弱于无用共模信号。因此，抑制共模分量， 尽可能的放大差模分量是使用仪表放大器的唯一原因。但实践中，仪表放大器从没 有彻底抑制掉共模信号，输出端总会有残余成分。共模抑制比是用来衡量仪 表放大器的一个重要指标。使用激光调阻技术的仪表放大器能够提供将近8 0 d b 的 k c r 。 2 ) 低噪声。用来制造仪表放大器的c m o s 电路，其m o s 管自身也含有噪声，包括散弹 噪声、热噪声、闪烁噪声等。对于非常小的输入差分信号，这些噪声会恶化信号的 输出。目前，同时使用调零和斩波技术的仪表放大器【3 l 其等效输入噪声只有 5 0 n v 匿。 3 ) 低非线性。输入失调和比例系数误差都能通过外部调整来修正，但是非线性是器件 的固有的性能限制，所以它不能由外部调整来消除，低非线性误差必须由仪表放大 器生产厂家的结构设计来保证。非线性通常规定为在正满度电压与负满度电压及零 浙江大学硕士学位论文 电压条件下，厂家测量仪表放大器的误差占满度的百分数，对于一个高质量的仪表 放大器典型的非线性误差为0 0 1 ，有的甚至低于0 0 0 0 1 【4 】。 舢失调电压和失调电压漂移低。仪表放大器的失调电压和失调电压漂移必须很低。 5 1 输入偏置电流、失调电流误差低。偏置电流流过不平衡的信号源电阻时将产生一个 失调误差。如果输入信号源电阻很大( 例如交流耦合) 而且没有一个电阻性的通路与 电源地勾通，则输入共模电压将上升。直到仪表放大器处于饱和状态。通常解决该 问题的方法是用一个高阻值的电阻把每个输入端与地相联。 6 ) 增益选择方法简单。闭环增益的选择十分简便，一般通过外接电阻的选择来决定闭 环增益。 仪表放大器经过多年的发展，性能得到了很大的提高，结构也多种多样，形成了很多种 针对不同应用的仪表放大器。最初，仪表放大器主要由分离器件如运算放大器和分离电阻等 搭建而成，然而随着应用的要求越来越高，分离式仪表放大器的缺点也越来越突出，这就催 生了单片仪表放大器的诞生。单片仪表放大器提供了许多分离式仪表放大器无法提供的高性 能。随着系统越来越复杂，要求把许多以前分离的各部件集成到一块芯片上，即出现了s o c ， 这对仪表放大器的发展也产生了很大的影响。单片仪表放大器由于市场因素，必须满足许多 应用的要求，因此被设计为一种较通用的放大器。但随着s o c 的发展，要求仪表放大器成 为芯片中的一个模块，这对设计来说也要求对每一个应用都要设计一种专用仪表放大器模 块，比如有些应用要求低噪声，有些要求低功耗等等，因此这就发展成为一种全定制的放大 器，因为不可能有一款运算放大器满足所有的应用场合。 世界许多著名的半导体公司都先后推出了仪表放大器，a d i 公司首先推出了a d 6 2 x 系列 产品，奠定了其在微弱信号检测领域的领导地位，接下来又推出了a d 8 2 2 x 系列、a d 8 5 5 x 系列，它们采用了不同的电路拓扑结构。其中，a d 6 2 0 是三运放结构，a d 8 2 3 0 是自动调零 结构，a d 8 5 5 x 采用了包括斩波稳态在内的多种结构。德州仪器也推出了i n a 3 2 x 系列产品， 高性能模拟半导体厂商i n t e r s i l 的仪表放大器产品包括e l 8 1 7 x 系列、i s l 2 8 2 7 x 系列，它 们都有很好的低功耗、低噪声特性。l i n e a rt e c h 相应产品包括l t c l1 0 0 、l t l1 6 8 等，m a x i m 公司的仪表放大器产品有m a x 4 2 0 x 系列、m a x 4 4 6 x 系列、m a x 4 1 9 x 系列等。可见仪表放 大器已是放大器家族中不可缺少的一员。 1 2 项目意义及背景 首先要说明的是，本论文所设计的仪表放大器并不是一个独立的项目，也不是设计 一个单片仪表放大器( 虽然最后也可以将其作为一个单片仪表放大器生产) ，而是微弱神经 信号读出电路的一个模块。神经信号是低频微弱信号，幅度在1 0 9 v 量级，频率集中在 2 浙江大学硕士学位论文 1 0 0 h z 1 0 k h z f 5 】，如此微弱的低频信号很容易被传统两级运算放大器的固有噪声所湮灭， 所以神经信号需要先通过神经信号检测前端提取和放大。有文献报道了神经信号放大器芯片 6 1 ，其等效输入相关噪声谱密度为6 6 n v ，s q r t ( h z ) ，但是电路带宽被限制在3 k h z ，不能够处 理神经信号中相对较高频率的信号，此外输入共模范围也需要扩展。 融合化学、生物和电子技术的医疗电子设备逐渐成为了重要的疾病预防、临床诊治、病 人监护以及个人健康护理的医疗辅助手段。d a t a b e a n s 公司于2 0 0 6 年公布的调查数据表明， 2 0 0 5 年全球医疗电子设备市场已达8 9 0 亿美元。全球人口增长以及人口老化速度的加快促 进了医院对新型医疗电子设备需求的进一步扩大。而随着经济增长，人们生活水平的提高以 及健康意识的逐步增强，也使得用于日常健康和特定疾病治疗的便携式消费类医疗设备成 为广受欢迎的大众消费品。此外，在全球趋势下，为满足快速增长的内部市场和出口需求， 中国的医疗电子设备的设计和制造产业也将得到极大的发展。 应用于医疗电子设备的半导体器件主要有模拟器件、逻辑芯片和存储器件等。半导体器 件需求增长的动力来自于临床诊治用途的医疗成像设备的更高清晰度的需求以及不断增加 的便携式消费类监护产品的需求，从而需要更高精度的模拟器件与更高性能、更低功耗的 逻辑芯片。该项目是设计一个数据采集前端的模拟器件仪表放大器。 任何医疗电子设备都依赖于对人体数据的采集，为适应新兴医疗电子设备对越来越大量 的数据进行高速采样的要求，实现更高速、高精度的模拟器件成为趋势。由于人体电流生 物电信号往往是极其微小而复杂的，因此从伴随着大量噪声的人体数据中提取有效信息往往 极具挑战性。这就要求数据采集链路上的a d c 、运算放大器等模拟器件都具有很低的噪声， 这将有效提高采集链路的s n r 特性。一般的数据采集采用1 0 b i t 或1 2 b i t 的a d c ，而领先半 导体厂商已推出了1 4 b i t 和1 6 b i t 的多通道a d c 。为与a d c 配合实现系统的精度需求，运 算放大器则要具备较大的电压摆幅、高增益等特点。半导体厂商也为需要高速数据处理的系 统上提供高速c m o s 工艺的运放，还有为提供低偏压的带j f e t 输入的运放( 见表1 1 ) 等。 表1 1 用于医疗应用的部分新型半导体器件 用于医疗应用的部分新型半导体器件 公司器件名称应用与功能描述 a d 9 2 7 l 集成了8 通道v g a 、l n a 、a a f 以及1 2 位a d c 的集成模拟前端，适用于便携式超声诊断设备应 用。 - 3 浙江大学硕士学位论文 a d i _ t c 7 0 2 2集成的s o c 数据采集系统，包含a r m 7 内核和 1 2 位a d c 和四通道d a c 。 a d i a d 9 2 x 2 a d 9 2 5 2 是其首款1 4 位高速8 通道a d c ，适用 于低功耗d , 尺寸便携式医用仪器和超声诊断设 备的应用。 a d 8 2 2 0 适用于便携式仪表设备的j f e t 输入放大器。 a d i - t m 2 4 0 x 使用了i c o u p l e r 技术的四通道隔离器，能满足医 学系统高稳定隔离电压和可靠性的要求。 a d 5 9 3 3 5 9 3 4 a d i 事先推出的集成i d c ( 阻抗数字转换器) ，能 够产生不同的激励频率并且分析产生的阻抗频 谱。 a m i ( 已被 o ne z a i r o5 9 0 0适用于数字助听器的d s p 。 s e m i c o n d u c t o r 收购) x p m s sa r m y 适用于3 d 医疗成像的a s i c 。 a c t e lp r o a s i c 3适用于便携式医疗设备的f l a s hf p g a 。 a l t e r a s t r a t i cf p g a适用于3 d 医疗成像的结构化a s i c 。 c o l d f i r em c u3 2 位c o l d f i r em c u 5 x x x 产品支持医疗设备的 飞思卡尔( f r e e s c a l e ) u s b 和以太网，适用于集成手术室应用。 f l e x i sq em c uf l e x i sq em c u 系列低功耗m c u 适用于医疗仪 器与监控应用。 i b mc e l l b e 适用于高速3 d 4 d 医疗成像的多核处理器。 凌力尔特( l i n e a r ) l t c 2 3 5 8 1 4 适用于便携式医疗仪器的1 4 位a d c 。 l t c 6 2 4 2 适用于医疗仪器的c m o s 低噪声四通道放大器。 m a x l 3 x x 数据采集系统( d a s ) 。 美信集成( m a x i m ) m a x q 2 0 0 0 低功耗1 6 位m c u 。 m a x 9 9 1 x双通道运放。 m c p 6 0 3 x 适用于便携式医疗仪器的低功耗、高精度运放。 m i c r o e h i p p i c l 8 2 4 8 位1 6 位p i c 单片机。 4 浙江大学硕士学位论文 d s p i c 3 0 3 31 6 位d s p i c 数字信号控制器。 l m p 7 7 11 7 7 0 1高精度运算放大器，适用于便携式医疗应用。 国 半( n a t i o n a l l m v 7 9 1 低噪声放大器。 s e m i c o n d u c t o r ) l m v 6 5 1 低功耗高精度运放。 瑞萨 h g 3 8 0 2 4 适用于血压计等便携式应用的m c u 。 m s p 4 3 0 m s p 4 3 0 是针对医疗领域开发的超低功耗m c u ， f g 4 6 1 x 器适用于多种便携式应用。 德州仪器( t 1 1 t m $ 3 2 0 c 6 7 2 x 适用于生物测量、高端超声波等高浮点运算领 域。 o p a 3 3 3 2 3 3 3高精度的零漂移c m o s 运放，适用于医疗仪器。 a d $ 8 5 0 x 1 6 位s a ra d c ，适用于医疗设备的数据采集。 d a c 8 5 6 适用于便携式仪器数据采集应用的1 6 位d a c 。 赛灵思( x i l i n x ) v i r t o x - 5d s p 适用于高端3 d 医疗成像应用。 s p a r t a n 3 a适用于便携式医疗成像应用。 d s p 卓联( z a r l i n k ) z l 7 0 1 0 1体内植入的r f 收发器。 5 - 浙江大学硕士学位论文 1 3 论文的工作与结构 本论文在分析了各种仪表放大器的结构的基础上，着重研究了低噪声专用仪表放大器。 该仪表放大器以低噪声为特性，采取斩波稳定结构，包括调制解调器、前端放大器、带通滤 波器、低通滤波器、振荡器和偏置电路几个模块。系统采用差分结构，降低了外界噪声对电 路的干扰，输入端实现了r a i l t o r a i l 输入，并且专用仪表放大器的带宽达到了1 0 1 d - l z ，完全 能够覆盖神经信号的带宽。芯片采用t s m c 0 3 5 p , m 混合信号工艺物理实现，仿真结果和测 试结果表明该电路实现了斩波稳定的功能，把仪表放大器的噪声降低到2 7 2 n v s q r t ( h z ) 。 本文个章节安排如下： 第一章：绪论。介绍了论文的研究对象，仪表放大器的特点及发展概括，接着叙述了项 目的意义和背景，最后给出了论文的内容和结构。 第二章：分析了仪表放大器的设计要求和各种结构，针对具体应用场合选择了低噪声仪 表放大器的结构。 第三章：讨论了噪声的构成，系统具体电路实现，介绍了斩波调制电路的基本原理，并 给出了主要模块电路的设计和实现。 第四章：系统的仿真，主要完成系统中各个模块电路和系统的仿真。 第五章：系统测试，主要测试了前端放大器。 第六章：总结与展望。主要是对本文工作的总结和对未来工作的展望。 6 - 浙江大学硕士学位论文 第二章仪表放大器的设计要求与结构选择 2 1 仪表放大器的设计要求 2 1 1 仪表放大器的工作环境 此次设计的仪表放大器模块要求工作于单电源工作状态，电源额定供电电压为+ 5 v ，电 源误差为1 0 。两路输入信号的差分电压为士1 0 p , v 士1 0 m v ，输入信号的中心电压即输入信 号的共模电压为0 一- - 5 v 。 2 1 2 仪表放大器的工艺要求 从集成电路工艺的发展趋势和项目合作的规划，在设计和实现神经信号提取放大电路 时，都采用c m o s 工艺，具体为t s m co - 3 5 岬c m o s 工艺。 2 1 3 仪表放大器的结构要求 目前国外现有仪表放大器主要采用两种结构，第一种是三运放的电压传统结构，如美国 模拟器件公司的a d 6 2 0 。为了达到高的性能，尤其是高共模抑制比( c m r r ) ，采用了激光调 阻技术以提高电阻匹配的精度，而本设计所使用的工艺没有激光调阻技术，并且采用激光调 阻技术会加大仪表放大器的生产成本；第二种是电流模式的结构，如德州仪器的i n a 3 2 6 。 该结构不需要激光调阻技术，但是电路结构非常复杂，目前实验室的水平还不能设计如此复 杂的电路系统。 本电路主要应用于低频微弱信号的提取放大，要求输入噪声谱密度小于2 0n v s q r t ( h z ) ， 共模输入范围要求o 5 v ，即r a i l - t o r a i l 输入。因本论文所设计的仪表放大器主要针对专 门的应用，增益不需在大范围内变化，故本设计采用固定增益。这样的最大优势在于可以将 对增益精度及温漂影响较大的电阻都集成在芯片内，可以极大的改善放大器的增益精度和温 度漂移。 2 1 4 仪表放大器的技术指标要求 本次所设计的仪表放大器所要求达到的主要性能指标参数值如表2 1 所示。如果表中参 数测试条件没有说明，则为以下条件：t a = 2 5 c 、v d d = 5 v 。 - 7 浙江大学硕士学位论文 表2 1 仪表放大器的性能指标要求 性能指标条件参数值单位 增益6 0d b 增益误差 5 输入相关噪声 l k h z 丸，那么可以降低 1 5 浙江大学硕士学位论文 兰半+ 等 = 坐警监+ 等一等a“n“m 经过多次反复迭代，l 和0 2 失调渐渐增多，最终的最大值是： 曙= 竿+ 等+ 等 这里口= 。可以看出失调电压最优化时的口。和口。为 监一 口n ，2 ( 3 1 0 ) 下 ( 3 - 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 这一结构的偏移取决于输入差分级的静态电流的匹配程度，这一平衡由辅助输入的( v 舯，v a - ) 来控制。经过精密的设计最终测试结果为失调小于2 9 v 1 引。 3 2 2 斩波调制技术 斩波调制技术最早大约于5 0 年前提出，用于交流放大器实现直流精确放大增益。它们 最初的结构是基于真空管和机械继电器斩波。固态元件出现后，它们就通过模块和元件组合 实现。现在得益于集成技术发展，它们可以很容易在片上实现。 与自动调零不同的是，斩波调制技术不通过采样，而是使用调制把信号转换到l 纩噪声 很小的较高的频段，放大后重新调制回基带。图3 3 描绘了斩波放大原理【1 9 】。 1 6 - 监 一 动 “ 为 = 变 m 煳 段阶 ，_ 有 。 终 一 最 浙江大学硕士学位论文 v勰。触t 十珞 r r f r 图3 3 斩波调制原理 假设输入信号频谱限制在厶。以以内，以及放大器没有噪声和失调。信号经过周期为 t = l 卵的方波调制后，频谱被调制到了斩波频率的奇数次倍。然后经过放大，再用同样的 方波解调到原来的基带。放大器基带频率宽度有限，在音频段放大了在奇数倍斩波频率的信 号。所以最后输出信号的双边傅立叶变换也包含了高频成分，当然还有噪声和失调，但是它 们是很容易由低通滤波器滤去的。因为噪声与失调只调制了一次，它们被转移到了斩波方波 信号频率的奇次波上，所以我们得到了一个没有失调与低频噪声的理想放大器。 斩波放大器的失调受限于电荷注入和匹配，输入调制器引入的电荷注入和寄生耦合产生 毛刺。只有奇次斩波频率上的部分被调制回基带而产生失调。如果将毛刺的时间常数t 远小 于t 2 ，那么大多数能量就在斩波频率之外了。 综上所述，自调零技术是先对失调电压进行采样和保持，再从信号中减去这部分失调电 压；相关双采样技术是自调零技术的一个特殊例子，它能实质性减少低频的j 厂噪声，但是 却会增加放大器的热噪声，而且还会残余下由于开关管的时钟馈通效应所引入的失调电压； 斩波稳定技术通过把输入信号和开关型方波信号耦合，再经同步解调和低通滤波后得到非线 性小的信号，它并没有实质性的消除失调，而是调制到了高频，所以斩波稳定技术( c h s ) 不仅能够减小闪烁噪声，而且能够减小直流失调。在理想情况下，斩波稳定运放应该能完全 消除直流失调和低频( 主要是1 f ) 噪声。对于连续信号，c h s 的调制解调方法比自调零技 术和相关双采样技术能更好的减小闪烁噪声。 1 7 浙江大学硕士学位论文 3 3 低噪声仪表放大器的结构 2 2 3 节图2 2 的低噪声专用仪表放大器结构并不是没有缺陷的，最大的不足就是引入残 余失调，它主要是由调制器的非理想性造成的。因此，要提高斩波放大器的灵敏度和精度， 必须减少残余失调电压。 斩波放大技术中的残余失调主要来源于调制器的非理想冈素( 主要是时钟馈通和电荷注 入) ，图3 - 4 为调制器。调制器由m 1 m 4 组成，在互不重叠脉冲fi 和f2 的控制下，对输入 信号vi n + 和vi i 卜进行调制。在每次开关中，一定量的电荷q 注入到内部电路等效输入电容 c i n 产生一个峰值电压为v i n j = a q c i 的“尖峰”，并以时间常数f = 2 r 。x ci 。指数放电到 原始值，周期为t = l 凡。“尖峰”信号同样经过放大器的放大，到达解调器。由于解调 信号周期也是t ，这个尖峰经过解调后将出现等效直流电压值，这就是残余失调。 1 图3 4 斩波稳定结构中的调制器 用傅里叶分析得到的残余失调【2 0 】为 = 墨4 去c o s ( 丸+ 九一九) k = l 二 c i n ( 3 - 1 5 、 式中，m k 和九是解调器方波傅里叶级数中七次项的幅度和相位，x i 和丸是尖峰信号傅里 叶级数中七次项的幅度和相位，ai 和九是选频放大器传输函数| 次项的幅度和相位。从 ( 3 1 5 ) 式可以看出，斩波放大器要减少残余失调，需要处理残余失调的幅度和相位响应两 方面。从参考文献 2 0 1 得知，使用二阶带通滤波器，可以有效减少残余失调。直观来说，当 带通滤波器的中心频率等于斩波频率厂c h o p 时，被调制的数据信号和尖峰信号的一次谐波被 选择性放大，尖峰信号的其他高次谐波则被衰减掉。而且，二阶带通滤波器的调制和解调时 钟都不需要相移( 即同一个方波脉冲) ，抑制了不同时钟产生的寄生效应。 带通滤波器的传输函数为 彬卜薄 p 1 6 ) 式中，a 。为基本增益，qn n n n 子，f 。为带通滤波器的中心频率。代入( 3 1 5 ) 式，并考虑 至螈和厂c h 叩的匹配误差e 的存在，而且尖峰的基次谐波在总残余失调中占支配地位，以及尖 1 8 浙江大学硕士学位论文 峰的带宽通常比带通滤波器的带宽大得多( 1 2 胛f o q ) ，可以近似算出带通滤波器的 残余失调电压为： ：42 兰丁_ r 以q死1 。 1 + ( 2 缈) 2 ( 3 - 1 7 ) 其中，g = ( l h o p l ) a 。因为尖峰信号的周期丁f 。( 3 - 1 7 ) 式表明，加入二阶带通 滤波器，可以使残余失调电压降低导( 2 盯丁+ 2 q e ) ( 1 + ( 2 q 6 ) 2 ) 倍( 值小于1 ) 。斩波低 7 t ? i 噪声专用仪表放大器最终电路框图如图3 5 所示。 图3 5 斩波低噪声专用仪表放大电路原理框图 包括调制解调器、r a i l t o r a i l 前端放大器、带通滤波器和低通滤波器以及匹配振荡器。 调制解调器、放大器和低通滤波器构成c h s 基本结构，带通滤波器减小残余失调。 3 4 低噪声仪表放大器具体电路设计 3 4 1 调制解调器 图3 - 6 调制器电路连接图 如图3 6 所示，四个开关构成调制器，通过两个外部时钟信号控制。如放大器和滤波器 不产生延迟，则同样的时钟信号可以同时驱动调制器和解调器。 - 1 9 浙江大学硕士学位论文 开关管可以由单个n m o s 管制成，源漏端事实上由两端的电压决定，电压高的一端为 漏端，电压低的一端为源端。当s 电压很大而比较小时，即工作在深线型区是，开关 管的导通电阻为 l三 2 8 i d & d s5 k w ( v o s - v t - - v d s ) 当圪s 型 阳 图4 - 8 r a i l - t o r a i l 前端放大器瞬态仿真 4 4 带通滤波器和低通滤波器仿真 带通滤波器的中心频率为l o o k h z ，增益2 0 d b ，仿真结果见图4 - 9 。 4 7 一时h)=寸协a，越翱袒虹棼水罂集 浙江大学硕士学位论文 屯 猫 靼 频率h z 图4 - 9 带通滤波器仿真结果 由于所处理的信号的带宽最大为1 0 k h z ，所以低通滤波器的3 d b 带宽设为1 0 k h z ，图4 1 0 是其仿真结果，增益2 0 d b ，带宽1 0 k h z 。 兽 辋 靶 频率h z 图4 1 0 低通滤波器仿真结果 4 5 振荡器和控制信号仿真 振荡器振荡频率在1 0 0 k h z ，在电路上电时需要及时起振。电路起振的过程仿真如图 4 1 l ，振荡频率在1 0 0 k h z ，峰峰值为0 3 5 v ，中心电压2 6 3 v 。 4 8 浙江大学硕士学位论文 图4 _ l l 振荡器起振过程 振荡器稳幅由a g c 控制，a g c 的输出调节g i n 2 使电路稳定，a g c 的控制输出信号 如图4 1 2 。 筻 巡 罂 w z。二 图4 1 2a g c 幅度调节控制信号 由振荡波形产生的方波和控制信号如图4 1 3 所示。 4 9 - 浙江大学硕士学位论文 鼍 巡 孥 方波波形 1 0 01 0 91 1 7 控制信号1 1 0 01 0 71 1 51 2 1 3 01 3 71 51 5 31 6 0 控制信号2 1 0 01 0 71 1 s1 2 il j 01 3 71 4 51 5 j1 6 0 图4 1 3 方波信号和两个控制信号仿真结果 控制信号之间的高电平间有一个死区时间，仿真结果显示，死区时间大约有2 0 n s 。 图4 1 4 两路控制信号间的延时 调制器与解调器间的控制信号也有一段延时，延时为1 5 n s ，如图4 1 5 。 图4 - 1 5 调制器与解调器间控制信号的延时 5 0 浙江大学硕士学位论文 4 6 偏置仿真 偏置的主要特性是保持对温度和电源无关。 2 6 v 基准电压、1 0 u a 基准电流、i u a 基准电流的温度特性如图4 1 6 、图4 1 7 、图4 1 8 。 图4 1 6 基准电压的温度特性 温度c 图4 1 71 0 u a 基准电流的温度特性 5 1 浙江大学硕士学位论文 罩 避 脚 温度妃 图4 1 8l u a 电流基准温度特性 电源加a c 信号，v m f 的输出信号如图4 1 9 可见，在低频时，电压偏置有较好的电源 抑制能力。 勺 耀 翔 频率h z 图4 1 9 电压基准的电源抑制特性 图4 2 0 为1 0 u a 基准电流、l u a 基准电流的电源抑制能力，电源加l v 的a c 小信号， 仿真结果表明，基准电流有好的电源抑制能力，低频时，电流波动为几十n a 。 5 2 - 浙江大学硕士学位论文 4 7 系统整体仿真 频率h z 图4 2 0 电流基准的电源抑制特性 整个低噪声仪表放大器实现了神经信号的检测放大，图4 2 1 是幅度为l p v ，频率5 k h z 的微 弱信号被前端放大的仿真波形。 涮鞋黼始稚嗍删嘲黼绺锵蝴舷酬 孥喜囊麴亚翮瓣瓣翮丽丽翮圜 孓 5 卜一 艺器夏重要至z 受羽 时间m s 图4 2 l 低噪声专用仪表放大器功能仿真 其中y o 是输入信号，y l 是调制后的信号，y 2 是调制后的放大信号，y 3 是带通滤波器后 的信号，y 4 是解调后的信号，y 5 是低通滤波后的输出信号。 输入噪声的p n o i s e 仿真结果如图4 2 2 所示，1 0 h z 的噪声功率谱密度为1 3 2n v s q r t ( h z ) ，与 r a i l t o r a i l 运放的高频噪声接近，表明调制解调器将r a i l - t o r a i l 放大级的高频热噪声折叠到了 斩波稳定电路( c h s ) 的低频部分，从而验证了该斩波稳定系统功能完全正确。小于文纠2 8 2 9 】 的输入相关噪声4 7 n v s q r t ( h z ) 和15 n v s q r t ( h z ) 。 5 3 浙江大学硕士学位论文 频率( h z ) 图4 2 2 低噪声专用仪表放大器的输入噪声仿真 5 4 - 一时h)芑口au巡船勉忸凿水票辑 浙江大学硕士学位论文 第五章低噪声专用仪表放大器的测试 该低噪声专用仪表放大器采用t s m c o 3 5 9 m 工艺进行了流片，测试过程中发现振荡器 模块不能够正常起振，所以主要测试了低噪声专用仪表放大器的核心模块一前端放大器。 5 1 版图设计 采用t s m c o 3 5 岬工艺p d k 设计了低噪声专用仪表放大器的版图，芯片面积9 8 0g m x 4 5 0 g m 。版图设计的过程中充分考虑了噪声干扰和对称的问题，保证寄生参数尽可能小得影响 测试结果。最后通过了d r c 和l v s 检查，版图照片见图5 1 。 图5 1 低噪声专用仪表放大器版图照片 5 2 前端放大器的测试 前端放大器是低噪声专用仪表放大器的核心模块，起噪声性能决定了整个仪表放大器的 噪声性能，所以我们着重对前端放大器进行t n 试。测试主要包括直流测试、交流测试、噪 声测试三个部分。测试的电路板照片如图5 2 所示。 5 5 浙江大学硕士学位论文 5 2 1 直流测试 图5 - 2 测试的电路板照片 由于前端放大器是一个跨导放大器，所以我们测试的过程中加入了两个b u f f e r 以改进起 输出阻抗。测试电路图如图5 3 所示。 r 1 - - 1 0 0 k d c = x y l r o b e y 2 r 1 = l o o k 图5 3 直流测试电路 改变直流电源d c 的值，采用a g i l e n t 的d i g i t a lm u l t i m e t e r 测量y 1 和y 2 电压值，测量结果 如表5 一l 。 - 5 6 浙江大学硕士学位论文 表5 - 1 直流测试结果 x y i ( v )y 2 ( v ) 2 5 0 72 5 1 02 4 8 5 1 5 0 02 5 0 82 4 8 7 02 5 0 32 4 9 0 1 4 9 82 4 9 92 4 9 3 2 5 0 62 4 9 72 4 9 6 3 5 0 32 4 9 52 4 9 8 5 o o o2 4 9 22 5 0 1 6 5 0 52 4 8 82 5 0 4 7 5 0 32 4 8 62 5 0 6 从表中可以看出，前端放大器在输入共模电压从o 5 v 的范围内输出共模电平都维持在 2 5 v 左右。 仿真结果如图5 4 所示，可见误差是很小的。 2 5 0 2 5 0 7 z 5 0 2 5 0 6 2 5 0 z 5 0 5 2 5 0 2 5 0 4 v v 一5 02 502 55 07 51 0 0 输入共模电压v 图5 - 4 直流仿真结果 5 7 出删逖嗽丑集 浙江大学硕士学位论文 5 2 2 交流测试 前端放大器的交流特性采用a g i l e n t4 3 9 5 an e t w o r k s p e c t r u ma n a l y z e r 进行测量，测试 电路如图5 5 所示。 r i = i o o k 勋 图5 5 交流测试电路 l k h z 时的测试结果如图5 - 6 所示，1 0 0 k h z 时的测试结果如图5 7 所示。 c h lb ri o gm r g 1 0d b r e fad b 3 4 2 l ld b 写 遄 馨 巡 掣 罂 1k h z r , r j 孙： ! 一! 、 5 0 。r e f0 1 7 2 4 3 1 ：州i ! c 异l 审每 f ： ； 一 频率h z s e l e c t l e t t e r s p r c e b 日c k 5 p r c e e r r s e t i t l e d o n e s t o rd e v