（电路与系统专业论文）基于cmos工艺的高性能电流模仪表放大器的设计.pdf

摘要 摘要 电容式微硅加速度传感器在许多应用中体现出的极大优势使得对它的读出电 路的研究已成为一个重要课题。本文的主要目的是研究并采用标准c m o s 工艺实 现一种高性能的仪表放大器专用集成电路模块，该模块专用于电容式微硅传感器 的一种s o c 模式读出电路中。 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。共模抑制比是它的最重要指标。本 文研究了几种常用仪表放大器电路结构， 网络的匹配精度以达到高的共模抑制比。 发现多需通过激光调阻技术来提高电阻 由于本论文所使用的国内工艺线没有激 光调阻技术，因此本文选择了一种近年来新出现的一种新型仪表放大器电路结构， 即使用第二代电流传输器( c c i i ) 和跨阻放大器组成的电流模仪表放大器。该结 构不需要任何精确匹配的电阻就能达到高的共模抑制比，并且其带宽不受带宽增 益积的限制。 针对读出电路这一具体应用，本文先设计了电流模仪表放大器的两个子电路： 高精度的第二代电流传输器和跨阻放大器。在这两个子电路中主要进行了如下研 究： 1 研究了几种常用的电流镜的电流传输精度和动态范围，并最终选择有源输 入校准型电流镜作为电流传输器中的电流传输电路。 2 为了提高仪表放大器的电源抑制比，并得到大的开环增益，相对低的失调 等性能，电流传输器的输入级和跨阻放大器中运算放大器输入级均采用折叠共源 共栅放大器。 3 针对仪表放大器的输出摆幅的要求，在跨阻放大器的输出级采用r a i l t o r a i l 结构来实现。 仪表放大器的仿真结果表明，在没有激光调阻技术支持下，本文设计的电流 模仪表放大器的共模抑制比能够达到9 7 d b ，电源抑制比能够达到8 5 d b 。 关键词：仪表放大器，电流模，电流传输器，跨阻放大器，有源电流镜 a b s t r a c t a b s t r a c t i nm a n ya p p l i c a t i o n s ，m i c r o s i l i c o na c c e l e r a t i o ns e n s o rs h o w sm a n ya d v a n t a g e s m a k i n gi ti m p o r t a n tt oi n v e s t i g a t e di t sr e a d o u tc i r c u i t s t h i sp a p e ra i m sa ti n v e s t i g a t i n g a n dr e a l i z i n ga na s i cc e l lo fh i 曲p e r f o r m a n c 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 sp r o c e s s ，w h i c hi se m p l o y e di nt h er e a d o u tc i r c u i t so fm i c r o s i l i c o n s e n s o ra 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 l i n p u ta n da no 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 o ar e f e r e n c et e m i n a l i tm u s t a m p l i f yt h ed i f f e r e n t i a li n p u ta 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 e s i g n a l s c m r ri st h em o s ti m p o r t a n tf e a t u r eo fi n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e r t h ef a c tt h a t m o s to ft h e s et o p o l o g i e sn e e dl a s e r - t r i m m i n gt e c h n i q u et oi m p r o v et h em a t c hp r e c i s i o n t or e a c hh i g hc m r ri sf o u n da f t e ri n v e s t i g a t i n gs e v e r a li n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e r t o p o l o g i e s i nt h i sp a p e r , an e ws t y l ei n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e rt o p o l o g yw i t hc u r r e n t p r o c e s s i n gm o d eb a s e do nc c i ia n di m p e d a n c ea m p l i f i e ri sd e s i g n e da n dr e a l i z e d i t d o e sn o tn e e da n ym a t c h e dc o m p o n e n t st or e a c hh i g hc m r ra n di t sb a n d w i d t hi sn o t g a i n b a n d w i d t hp r o d u c tl i m i t e d i nt h i s p a p e r ah i g ha c c u r a c yc c i ia n dt r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e ra r ed e s i g n e d f i r s t l yb e c a u s et h e yh a v et h em a i ni n f l u e n c eo nt h ec u r r e n tm o d ei n s t r u m e n t a t i o n a m p l i f i e r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta b o u tt h i st w o s u b c i r c u i t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep r e c i s i o na n dd y n a m i cr a n g eo fs e v e r a lt y p i c a lc u r r e n tm i r r o r sa r ed i s c u s s e d a n da na c t i v ei n p u tr e g u l a t e d - c a s c o d eo u t l ：i u tc u r r e n tm i r r o ri sa d o p t e da st h ec u r r e n t d u p l i c a t ec i r c u i t si nc c i i 2 t h ei n p u ts t a g e so ft h ec c i ia n dt h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e ri nt r a n s i m p e d a n c e i m p l i f i e ra r er e a l i z e dw i t hf o l d e dc a s c o d ea m p l i f i e rt or e a c hh i g hc m r r ，l a r g eo p e n l o o pg a i na n dl o wo f f s e t 3 t h eo u t p u ts t a g eo ft r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e ri sr e a l i z e dw i t hr a i l t o r a i l t o p o l o g yt om e e tt h er e q u i r e m e n to fo u t p u ts w i n g o ft h 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 es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a t ，t h ec m r ro fc u r r e n t m o d ei n s t r u m e n t a t i o n a m p l i f i e rb ea b l et or e a c h9 7 d b ，a n dt h ep s r rt o8 5 d b k e y w 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 , c u r r e n tm o d e ，c c i i ，t r a n s i m p e d e n c e a m p l i f i e r , a c i t v ec u r r e n tm i r r o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：丑堑生日期：旃u 月加 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：2 p g 年毕月订日 第一章绪论 第一章绪论 “仪表放大器”，即“仪用放大器”，这个术语似乎在2 0 世纪6 0 年代后期才 问世【1 ，尽管以前这类放大器被称作“数据放大器”【2 1 0 除了被称作“仪用运算放 大器”( 因为他们的直流特性适用于精确测量应用) 的运算放大器以外，该术语通 常还表示用精确定义的增益进行差分一单端电压转换的放大器。所谓“精确定义” 的增益是总由两个电阻的比值来确定的。自从反馈条件被很好地确定以后，仪用 放大器概念上的模型实际上比运算放大器简单【3 】。 简而言之，仪表放大器( i a ) 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、发展概括及方向 仪表放大器具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。 在所有的功能中，共模抑制是仪表放大器的一个最重要的功能，因为仪表放大器 常用于在大的共模环境中提取微弱差模信号的应用中。一般来说，仪表放大器的 两个输入端口的阻抗很高且匹配，典型输入阻抗值为1 0 9q 或更大；输入偏置电流 应该很低，典型为l n a 到5 0 h a 。输出阻抗很低，低频时一般只有数q 至数十q i 4 1 。 图1 - 1 仪表放大器的一种典型应用 仪表放大器的用途非常广泛，从电机控制到数据采集乃至汽车电子，从医疗 监护设备到音视频信号处理、功率控制等领域都能看到仪表放大器的身影。图1 - 1 为一个电桥前置放大器电路 ”，这是一种典型的仪表放大器应用，图中的仪表放大 器为a d i 公司的高精度单片仪表放大器a d 8 2 2 1 。图中电桥部分一般为传感器， 当传感器信号变化，会改变电桥电阻值，使电桥失衡而引起电桥的差分输出电压 变化，该差分信号直接作为仪表放大器的输入。另外，电桥的输出除了具有差分 信号外，还有一个相同的直流电压信号同时加在两条信号线上，此即是共模电压 电子科技大学硕士学位论文 输入信号，此外，如果有外界的干扰或噪声也会在两条信号线上同时产生个相 同的共模信号。作为一个最基本的功能，理想情况下，仪表放大器会抑制其他任 何的共模电压信号而只按照设定的增益放大差分信号。 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。 仪表放大器大致可以分为两类：一类主要由运算放大器加电阻构成，另一类 更多地利用内部晶体管特性。分离式设计更适合于前者，而后者更适用于集成实 现。除了上述两个大类之外，还有许多其他的方法 3 】a 使用运算放大器形成的仪表放大器可由内部集成运算放大器及内部电阻网络 构成，也可由分离运算放大器和外部电阻搭建而成为分离式仪表放大器。二者有 各自的优点和局限性。一般来说，分离仪表放大器可以根据专门的应用灵活设计， 在有些情况下能够提供单片仪表放大器很难得到的性能，如非常大的带宽。但其 缺点也很明显，如所占面积较大，由于发热点不同会使各部分温度分布不均匀， 性能的温度漂移比较大等。而单片仪表放大器提供一个完整的仪表放大器功能， 由于使用了激光调阻的方式，直流精度一般比分离式高很多。另外，单片仪表放 大器比分离式所占用的面积更小，成本更低，更易使用，而且基本所有的器件都 集成在一块芯片上，温度分布比较均匀，温度漂移相对分离电路要小得多。 从仪表放大器的定义来说，仪表放大器一个最重要的指标是共模抑制比 c m r r 。由于使用了激光调阻技术，许多新型的单片仪表放大器能够提供将近8 0 d b 的c m r r 。而使用运算放大器和电阻来搭建的分离仪表放大器，即使使用0 1 的 高精密电阻，典型的也只能达到4 8 d b i 4 1 。 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。 此外，早期的仪表放大器一般为双电源供电，以地作为基准，随着发展，越 来越多的应用要求单电源供电，近期的新仪表放大器一般都支持双电源和单电源 2 第一章绪论 两种工作模式。 在信号处理电路的设计方法层面上，模拟设计历史上被认为是电压主宰的信 号处理形式。一般进行任何模拟信号处理之前，基本上都将电流信号转换到电压 域，即为电压模的设计方法。现代化的模拟i c 从电流模处理的发展和应用中获得 极大的推进，电流模处理正迅速的取代基于电压模设计的传统方法1 3 】。因而随着对 电流模认识度的提高，也出现了越来越多的电流模仪表放大器。 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) ， 而是一个电容式加速度传感器读出电路的一个模块。 信息采集控制系统的首要部件是传感器，传感器技术、通信技术和计算机技 术已成为现代信息技术的三大支柱【5 j 。加速度传感器作为一个重要分支具有广泛的 应用，比如安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。在军事上，加速度传感器可以 用在导弹、飞机方面。总之，加速度传感器在诸多领域有着前景广阔的市场。 从上世纪6 0 年代末7 0 年代初开始，一种新型的电容式微硅加速度传感器由 于自身特点在目前得到了较为广泛的应用。其敏感部位为差分电容结构，通过差 分电容的变化来反映加速度的变化情况。具有精度高、温度效应低、可靠性和稳 定性较好等优点，而且后续接口电路可以较大程度的消除非线性，将产品的灵敏 度提高一倍，同时也使非线性因素成为高阶分量1 6 1 。同时这种传感器的结构较为简 单，制作工艺与常规微电子加工工艺兼容。因此电容式微硅加速度传感器是目前 广为关注、研究开发度极高的一种加速度传感器。 但是加速度传感器必须配以高分辨率的读出电路。随着电容式微硅加速度传 感器应用的越来越普遍，应用场合的越来越广泛，人们对与其对应的读出电路也 提出了越来越高的要求。同时，随着m e m s 技术和大规模集成电路技术的发展， 加速度传感器也逐渐向集成化、低功耗的方向发展，要求我们把微硅传感器和读 出电路集成到一片芯片上，构成片上系统( s y s t e mo nac h i p ，s o c ) 。因此目前的读 出电路多数都是以集成电路的形式出现的。 现在，对这些读出电路的研究已成为一个重要课题。从上世纪6 0 年代末、7 0 年代初开始，国外就已经开始微硅电容加速度传感器及其相应的读出电路的研究， 目前已经取得了很大的进展并得到了广泛的应用，一些著名的公司，如t i 、a d t 、 电子科技大学硕士学位论文 m i c r o s e n s o r s 、m e m s i c 都推出了各自的微硅电容加速度传感器产品。国内在这个 方面的研究虽然起步较晚，也取得了很大的进步，目前包括北京大学、清华大学 等学校都在进行m e m s 方面的研究。但国内还少有电容式微硅加速度的读出电路形 成产品，更没有形成一种将加速度传感器和读出电路集成到一块芯片上的产品， 这使得加速度传感器在国内很多领域尤其是在军事领域的应用受到了很大的限 制。为了解决这种国外垄断和控制的局面，相关部门提出了集成读出电路的电容 式加速度传感器的研究和设计项目。 1 3 电容式传感器读出电路原理及整体项目的介绍 电容式微硅加速度传感器的一种最常见的结构如图卜2 所示，采用质量块一弹 簧一阻尼器系统来感应加速度，它是利用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立 体结构。电容式微硅加速度传感器由三个极板组成两个相串连的差分电容，其中 外面两个极板固定，中问的极板随质量块的运动而在一定范围类移动，从而改变 两个电容的极板间距而改变两个电容的大小。传感器的电学模型如图卜3 所示。 c 。1 q 2 图卜2 加速度传感器结构示意图图1 3 加速传感器的等效模犁 设质量块处于平衡位置时，两个电容极板间距离相等，均为d ，则： e l e 2 - c o - e a d 其中，e 为极板之间介质的介电常数，爿为极板面积。 当有一定加速度时，设中间极板相对平衡位置有一个位移z ，则电容变为： g 。兰 ( 1 2 ) “一 e ：兰 ( 1 3 ) “十 由于x 与系统实时加速度具有一定线性关系，因此通过这种物理转换，加速度 这一个非电量被转换成了一个电变量。测试差分电容的变化，也就相当于测出了 加速度的变化。 4 第一章绪论 本项目采用一种称为弛张振荡器的方法来测试传感器的电容。读出电路的总体 设计框图如图卜4 所示，从图中可以知道，读出电路先将电容变化转换为频率信 号，再将频率信号转换为电压信号进行处理。 图卜4 微硅电容加速度传感器读出电路的整体框图 下面对图卜4 中各个模块的功能作简要说明： 1 ) 弛张振荡器模块 弛张振荡器，也称为电容充放电振荡器。原理如图卜5 所示，它用一个电流 源对电容充电使电容电压上升，当电容电压达到设定的阈值电压k 时，比较器会 输出一个信号来关断，】并打开厶对电容进行放电，这样电容电压丌始下降，直到 阈值电压k 时再翻转。如此周而复始，最终在输出端产生一个三角波形。 图卜5 弛张振荡器的结构框图 设，l = 一i ，则弛张振荡器的频率，为 f 。墨 。 2 c 吼一k ) 图卜6 调制后的脉冲波形示意图 ( 1 4 ) 从( 卜4 ) 式可以看出，当固定、k 、哆时，振荡器频率仅由电容c 决定。 因此两路振荡器频率会随电容的变化而由平衡点频率向两个方向变化，即差分 频率信号。 正一赤= 矗一名言 ( 1 5 ) 5 电子科技大学硕士学位论文 l z2 瓦编吨+ ，0 孝( 1 - 6 ) 其中 ：生一一为平衡点频率。 ”2 c o 眠一k ) 2 ) 脉冲宽度调制解调模块 振荡器后采用脉宽调制进行测频。脉宽调制( p w m ) 是指对脉冲的高低电平宽度 进行调制，从而得到占空比不同的脉冲序列。传统的脉冲宽度调制( p w m ) 是周期 一定而高低电平的占空比可以调制的方波信号。而本电路使脉冲的周期变化而高 电平固定，同样达到占空比的变化。经过脉冲宽度调制电路后输出波形如图卜6 所示。脉宽调制模块还包含了一个滤波电路，用来将调制信号进行解调，即可将 两路频率信号转换为电压信号k 。和，分别如下： k ，一k + ( 一屹) r 正。 ( 1 7 ) k 2 = 圪+ ( 一吒弦t ： ( 卜8 ) 其中v l 为脉冲的低电平，v h 为高电平，r 为高电平宽度。 3 ) 仪表放大器模块 本模块主要功能是实现前级电路的两路输出电压准确相减的功能 模信号，放大差分信号并转换为单端输出。这样整体电路的输出为： v o = v , 2 - k - 2 ( 一屹p ( 正：一只- ) j2 f o g , , 一k 弦言 消除掉共 ( 1 9 ) 4 ) 基准源 基准源模块为读出电路的各个模块提供精确稳定的基准电压和基准电流。 1 4 本论文的设计内容 本文主要研究并实现一种在标准c l d 0 s 工艺下能够集成于s o c 系统中并作为基 本功能单元的高性能仪表放大器模块，该放大器模块能够精确稳定的放大淹没在 较大共模电压信号中的微弱差分电压信号，并将双端输入信号转换成以基准电压 为中心变化的单端输出信号。 仪表放大器的设计中具体工艺线为无锡上华的0 6 “m 两层金属两层多晶n 阱 c m o s 工艺线，在后面的设计中，如无特殊的说明，n m o s 的衬底均连接在电路 的最低电平，即地电位，p m o s 的衬底均连接在电路的最高电平，即v d d 。 6 第二章仪表放大器的设计要求与结构选择 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，电源额定电压为 + 5 v ，电源误差为1 0 。两路输入信号的差分电压为l m v 一1v ，电压变化范围 为3 个数量级，输入信号的中心电压即输入信号的共模电压为2 5 + 0 3 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整体项目的规划，在设计和实现加速度传感器读 出电路及其各个系统模块时，都采用c m o s 工艺。具体工艺线为无锡上华的 c s m c 0 6 u m 两层金属两层多晶的工艺线。 2 1 3 仪表放大器的结构要求 由于国外的现有仪表放大器为了达到高的性能，尤其是高共模抑制比 ( c m r r ) ，都采用了激光调阻技术以提高电阻匹配的精度。本设计所使用的工艺 线没有激光调阻技术，因此采用常规的成熟仪表放大器结构，无法达到性能的要 求，须采用新的电路结构来满足应用的要求。同时由于输入信号较大，这提高了 相应的输出摆幅，因此仪表放大器的输出必须采用r a i - t o - r a i l 输出结构。偏置 电源电路在放大电路中起着重要的作用，本论文中专门设计了一个受温度和电源 影响都很小的偏置电路来为整个电路提供偏置。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。 7 电子科技大学硕士学位论文 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 、r l = 1 0 k q 。 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 6d b 增益误差 5。 增益温漂一4 0 8 5 3 0 p p 一3 d b 带宽 1 0 0k h z 输入共模范围 1 5 - 3 6 v 输出电压摆幅 o 5 4 5v 共模抑制比 f = 1 0 0 h z 8 0d b 电源抑制比 f 4 0 0 h z 8 0d b 失调电压温漂 一4 0 8 5 2 0 p p m * c 2 2 仪表放大器的几种经典电路结构分析及选择 经过几十年的探索，仪表放大器有许多不同的拓扑结构，使得对于仪用放大 器进行更深层次分析的尝试陷入困惑之中。尽管这一论点有点夸张，但事实上没 有一种仪用放大器的拓扑结构具有广泛的成功【3 】。因此下面仅对三种比较常用的电 路拓扑结构进行比较。其中第一、二种采取电压模结构形式，是分离仪表放大器 和目前市场上单片仪表放大器的主要结构，如a d i 公司较早期的a d 6 2 0 、6 2 1 ， 以及近期的a d 8 2 2 1 、8 2 2 5 等都采用这两种结构中的一种实现的。第三种结构是 近年发展较大的一种新型结构，采用电流模形式。这三种结构如果采用c m o s 工 艺，一般输入阻抗极高而且平衡，因此允许信号源可以有不平衡的输出阻抗。 2 2 1 经典的二运放仪表放大器 经典- - i g _ 放仪表放大器电路结构如图2 1 f 4 】。图中v i n + 和v 胂是放大器的差分 高阻抗输入，v r e f 为基准电压或偏置电压的输入，v o l 为运放a 1 的输出，v o t r r 为a 2 的输出，也是整个仪表放大器的输出。 第二章仪表放大器的设计要求与结构选择 二运放仪表放大器相对三运放结构有个明显的优势是只需两个运算放大器， 因此节约了成本和功耗。然而，二运放仪表放大器的不对称拓扑结构也引入了 些缺点，最值得关注的是较低的交流共模抑制比。严重限制了这种结构的应用。 一 矗 苎p 幽2 1 经典_ 二逛放仪表放人器拓扑结构 图2 一l 中当r i = r 4 和r 2 ：r 3 时，电路的传输函数为 v o w 。( 1 + r 4 1 r 3 ) ( v m + 一k 一) ( 2 一1 ) 从上式可以看出，二运放仪表放大器不能实现单位增益。 二运放仪表放大器的输入共模范围受编程增益的影响。尤其是低增益( 小于2 ) 的时候。当只输入共模信号时候，a 1 的输出公式为： 。= p 0 + ( p z ，一p ： ) ( r 2 r 1 ) ( 2 - 2 ) 现在讨论增益为1 1 的情况( 设r l = l k q ，r 2 = 1 0 k q ，r 3 - - - 1 0 k q ，r 4 = l k q ) ， 则a 1 的闭环增益为1 1 ，因此共模电压会被放大，所以输入共模范围受a l 输出摆 动幅度的严格限制，尤其在单电源的应用中【4 j o 此结构的共模抑制比受多方面因素的影响，如所用运放本身的c m r r 、电阻 匹配、带宽等。运放本身的c m r r 一般很大，且对仪表放大器的影响也相对较小， 因此以下主要通过讨论电阻和带宽的影响来讨论仪表放大器的共模抑制比。 双运放的直流共模输入电压引起的输出电压由下式给出 。= ( 一篙) 。， 则电路的c m r r 的表达式为 f、 一枷她l 。一g 型a i n q r i r 3 ， 所以，二运放仪表放大器的c m r r 随差模增益的增加而增加。另外，在上述 电阻网络中，由于存在误差，实际电阻值不可能完全等于标称值，即存在失配。 9 电子科技大学硕士学位论文 将r 1 、r 3 的实际值比它们与r 2 、r 4 之差值的百分率定义为失配。则 c m r r 2 0 l o g f j 型l 1 ( 2 5 ) 、m i s m a t c h 式中m i s m a t c h 为失配率。 由公式( 2 - 5 ) 可知，确定增益的四个电阻间的任何不匹配都会直接影响c m r r 。 而电阻的温度漂移造成的任何失配都会加剧c m r r 的降低。显而易见，高共模抑 制的关键是电阻网络。因此电阻比和相对应的漂移两者都要很好的匹配，而电阻 的绝对值和他们的绝对漂移却不重要，关键在于匹配。 另外，二运放相对三运放的一个最大缺点应该是很难达到高的a c 共模抑制。 设一个频率为f c m 的正弦共模电压v c m 同时加入仪表放大器的两个输入端，理想 情况下，该信号引起的输出电压( 即共模误差) 应该为0 ，和频率无关，至少在电 源的主要频率范围内( 电源一般是主要的共模信号来源，包括次到第七次谐波： 5 0 h z 4 0 0 h z ) 应该如此。然而，由于a 1 的不理想，信号通过时一般会产生一定 的相移，从而使v o l 会轻微的滞后于直接加入a 2 输入端的信号v i n + 。这个相位上 的误差会使v o l 和v 脚的瞬时电压产生误差，这会在电路的输出端口v o u t 产生一 个与频率相关的共模误差电压。这个共模误差会随着共模信号的频率线性的增加， 因为a 1 ( 假设为一个单极点系统) 的相移会随频率直接增加。事实上，当频率低 于a 1 的闭环带宽( f t l ) 的1 1 0 时，等效到输入端口的共模误差为约为： c m e r r o ，：业( 1 0 0 ) ，血( 1 0 0 ) ( 2 - 6 ) y c m t 其中v e 为输出端产生的共模输出电压，g 为差模增益忆 假设电阻网络完全匹配，共模抑制比只由相移决定，则共模抑制比： c m r r = 一2 0 l o g ( c m e r r o r l ( 2 7 ) 如果a 1 的闭环带宽为1 0 0 k ，而共模信号频率为l o o h z ，则共模抑制比为6 0 d b 。 因此交流c m r r 主要受两部分因素影响：电阻匹配和a 1 的闭环带宽。因此 二运放结构由于结构的不平衡，使得这种结构很难达到高的交流共模抑制比。 从分析看，这种电路结构有几个比较明显的缺点影响二运放仪表放大器的使 用，一是不能实现单位增益；二是当增益减小时，共模输入电压范围会减小而影 响使用：另外还有一个最影响其应用的是很差的a c 共模抑制性能。因此在多数应 用中，为了达到足够的带宽和共模输入电压范围，最小增益一般取5 。 1 0 第二章仪表放大器的设计要求与结构选择 2 2 2 经典的三运放仪表放大器 图2 - 2 是经典三运放仪表放大器的结构，是分离和集成仪表放大器常选的结 构，其增益的传输函数很复杂，为了简化，当r 4 r 5r 6r 7 时，不考虑频率的影 响和其他干扰，差模信号的传输函数可以简化为 如。苌邓+ 1 r 2 + 广r 3 ) ( 2 _ 8 ) 其中r 2 和r 3 一般设置为相同值( 并不一定必须) ( 通常在1 0 5 0 k q ) 并且 固定。则简单地调节r 1 的值，电路的整个增益可由单位值调至任意高的值。 图2 - 2 经典的三运放仪表放人器结构 如所期望的，三运放仪表放大器的共模增益的理论值为0 。为计算共模增益， 设定输入端只有一个v c m 共模电压( 也即v i n + = v i n = v c m ) 。则r 1 上没有电压降， a 1 、a 2 的输出电压也等于v c m ，设a 1 和a 2 理想匹配，因此第一个近似值即第 一级共模增益等于单位值。 假定运放a 3 是理想的，第二级共模增益由下式得到 4 = i v o m ；警丽r 7 r 6 一堕r 4 ( 2 - 9 ) 。 r 。 r 4+ 月7 因此三运放仪表放大器的共模抑制比就变为式 c m r r ( d b ) 2 0 l o g ( 妻) 2 0 1 0 甙雨i 可g 1 a i n r 两) ( 2 _ l o ) mt n j r 4r 6 + r 7r 4 同二运放仪表放大器中一样，在放大器的电阻网络中，由于存在误差，实际 电阻值不可能完全等于标称值，即存在失配，可以将r 4 、r 6 的实际值比它与r 5 、 r 7 之差值的百分率定义为失配。则上式中分母可用电阻的失配百分率来表示，即 c m r r ( d b ) ；2 0 1 0 甙0 型) ( 2 一l1 ) 电子科技大学硕士学位论文 从上式看，如果4 个电阻都相等( 或r 4 = r 5 ，r 6 = r 7 ) ，其分母就会变为o ， 而这几个电阻的任何失配都会使共模电压的一部分出现在输出端。与二运放仪表 放大器相似：任何电阻间温度漂移的失配都会降低c m r r 。 同二运放仪表放大器相同，在应用中还必须考虑三运放仪表放大器的交流 c m r r 。三运放仪表放大器的交流c m r r 也主要由电阻网络的匹配和a 1 、a 2 的 带宽决定。但不同的是，三运放结构是一种平衡结构，其对a 1 、a 2 的绝对带宽 并没有明确要求，而只是对二者的匹配提出要求。如果a 1 ，a 2 很好的匹配( 即 相同的闭环带宽) ，c m r r 就不会像二运放那样迅速下降。因此，三运放仪表放大 器的c m r r 比二运放的c m r r 要平坦。一般三运放仪表放大器在1 0 0 h z 之前相 对平坦，而二运放仪表放大器的c m r r 在大约1 0 h z 时就开始降低【4 】o 关于三运放仪表放大器的共模范围，三运放仪表放大器的第一级共模增益为 单位值，共模电压原封不动的出现在图2 2 中a 1 ，a 2 的输出端，而差模输入电压 ( v 哪) 降落在增益电阻r l 上，结果电流流过r 2 ，r 3 ，这意味着当输入差模电压 增加时，a 1 的电压将高于v c m ，a 2 的电压将低于v c m 。因此，当增益和( 或) 输入信号增加时，a 1 ，a 2 的电压范围也会增加，最终被电源电压的范围所限制。 可以知道，共模电压可以达到的范围、差模输入电压、增益这三者之间是互相关 联的。例如，增加增益会减小共模范围和输入电压范围，同样，增加共模电压会 限制差模输入范围并限制增益可能达到的最大值。如果输入级运放的输出摆动已 知，那么就能很好地表示输入范围，共模范围和增益之间的关系，以服务于特殊 的三运放仪表放大器1 4 1 。 2 2 3 采用c c i | 的电流模仪表放大器 近年来，随着电流模信号处理技术的兴起，电流传输器c c ( c u r r e n tc o n v e y o r ) 作为一种具有良好的高频性能、很强的通用性和灵活性、可工作于电压模式或电 流模式的有源器件，受到广泛关注【7 j 【”。特别是已集成化的第二代电流传输器( c c i i ) ，显示出了比电压运算放大器频带更宽、转换速率更高等独特优点，已经开始 广泛应用于模拟信号处理领域。采用c c i i 的电流模仪表放大器很早以前就得到了 大量的研究 9 】【儿，但由于某些条件的限制，直到近年来才逐渐得到重视。图2 3 即 为采用c c i i 的电流模仪表放大器的原理框图1 1 ”。 第二章仪表放大器的设计要求与结构选择 纠 。一二署( + 一一) ( 2 - 1 3 ) 圆 m 珐 电子科技大学硕士学位论文 2 2 4 仪表放大器的结构选择 从以上对三种经典仪表放大器的结构分析来看，电流模仪表放大器相对传统 的电压模仪表放大器具有很大的优势。二运方和三运方无论是增益还是共模抑制 比都受到四个电阻的影响，必须使用激光调阻技术来得到精确匹配的电阻网络， 才能得到高的共模抑制比。除了电阻网络的匹配外，还受到第一级两个放大器的 匹配精度影响，由于两个放大器都集成在同个芯片中，二者的匹配精度很高， 因此仪表放大器的共模误差中由于放大器匹配精度而引起的部分相当的小，从一 般的仪表放大器产品来看，这部分可以忽略。而电流模的仪表放大器的共模抑制 比只受到放大器的匹配影响，因此能够得到比传统电压模仪表放大器高很多的交 流和直流共模抑制比。电流模仪表放大器中仅有两个电阻会影响放大器的增益和 增益的温度漂移。可以针对特殊的应用，通过采用固定的增益，将两个电阻都集 成在芯片中的方法来降低这种影响。另外，电流模仪表放大器具有很大的带宽优 势。由于电压模仪表放大器( 如经典的三运放仪表放大器) 只有在高的差模增益 的情况下才能得到很高的共模抑制比，然而，高的增益会大幅度的降低放大器的 带宽，因此，设计电压模仪表放大器时必须在共模抑制比和带宽之间进行折衷。 而电流模仪表放大器的增益和带宽之间没有必然的联系【”】，因此不存在这个问题。 此外，由于仪表放大器的电压失调和增益误差等都可以通过一些手段进行调零， 一般方式是在测试时，根据需要在v r e f 端口加入一个微小调零电压来抵消掉失调 和误差的影响，在上面分析的三种电路结构中，双运放和三运放仪表放大器中v 。 的输出阻抗会影响电路的电阻网络，即会影响c m r r ，而采用c c i i 的电流模仪表 放大器在输出级采用的是跨阻放大器的方式，v r e f 的输出接一个极高的输入阻抗， 因此，其输出阻抗不会对仪表放大器的性能造成影响。 本论文所使用的工艺线中没有提供激光调阻技术，而应用又要求达到很高的 c m r r ，通过对三种经典仪表放大器结构进行比较，决定采用电流模的方式来设计 仪表放大器，即采用c c i i 的电流模仪表放大器。 本章总结：本章描述了仪表放大器的设计要求，并对仪表放大器的一些电路 结构进行了分析和比较，并最终选择了使用c c i i 的电流模仪表放大器结构。 1 4 第三章c m 0 s 电流传输器( c c i i ) 的设计 第三章c m o s 电流传输器( 0 0 i | ) 的设计 3 1c c | | 的描述 电流传输器是一种三端器件，它在模拟信号处理中为实现多种线性功能如放 大、积分、求和和减法等，已经被认为是一种重要的基本模块【l “。同时，他们也 经常用于有源网络的综合中。近几年，模拟电路的设计者们发现电流传输器能 提供若干优于通用运算放大器的优点，特别是电流传输器电路，在无论信号大小 的情况下，都能比相应的运算放大器提供在更大带宽下更高的电压增益，亦即更 大的增益带宽积1 1 4 】。另外，电流传输器在开发仪表放大器方面也取得了很大的成 功，这种仪表放大器可与外部元件的匹配截然无关，而仅与某一元件的绝对值有 关。1 9 6 8 年，s m i t h 和s e d r a 发明了第一代的b i p o l a r 电流传输器( c c l ) 1 5 】。他 们描述了电流传输嚣的概念和实现方法。使用匹配和相同极性的p n p n p n 晶体对 管实现，但由于电流增益的不同而降低了精度，这是由基区电流误差引起的。1 9 8 4 年g w i l s o n 设计了另外一种电流传输器【1 6 】。他采用了被称为w i l s o n 电流镜的结构 来实现电流的复制而提高了精度。 1 9 9 0 年一种使用一个运放和外部c m o s 晶体管的第二代电流传输器( c c l i ) 问世。这个标准部件已经被证明比第一代的电流传输器( c c l ) 更为有用和更具 有通用性。在多数情况下，电流传输器与通用运算放大器十分相似，可以简化电 路的设计。电流传输器的实际端口特性象运算放大器一样，与其理想端口特性十 分接近。c c i i 的黑匣子表示法如图3 1 所示。 v y v x y c c i iz x v z l x 图3 1 电流传输器的黑匣子表示法 c c l l 的输入输出特性在数学上可表示为( 2 1 2 ) 所示的混合矩阵方程，重 写于式( 3 - 1 ) ： 电子科技大学硕士学位论文 剐纠 浯， 3 2c c i | 的实现方法 电流传输器的性能取决于y x 两端口问电压缓冲器电路的能力，也取决于阻 抗相差悬殊的x z 端口问传输电流的能力。电流传输器的这两种属性可以采用互不 相干的方法分别实现，然后再组合成电流传输器i ”】。以前在设计单片电流传输器 时所采用的正是这种方法。因此电流传输器一般包括一个电压缓冲器和电流镜。 最初的电流传输器一般采用分离的运算放大器和由晶体管阵列组成的电流镜 的方法来实现1 3j ，后来逐渐将运算放大器和电流镜集成在一个芯片中，现在已经产 生了多种c c i i 的结构，包括一些并不采用运算放大器的结构。 电流传输器的实现最初主要得益于电源电流读出技术的出现。电源电流读出 方法是由g r a e m e i ”j 在1 9 7 3 年提出的，这种方法主要利用了这样一个事实，即只 要不存在其他携带真正信号电流的连线与地连接，电压运算放大器电源线中的电 流之和等于输出电流【3 j 。采用这种方法实现的电流传输器如图3 2 所示，图中的 c m ( c u r r e n tm i r r o r ) 为电流镜。 图3 2 采用电源电流读出技术的电流传输器 1 6 第三章c m o s 电流传输器( c c i i ) 的设计 然而电源电流读出电路的动态范围和噪声性能受到限制，因为电源的变化也 通过电源电流读出在输出端产生输出信号，我们无法区别出这种影响。所以虽然 以这种方式衍生了很多电流传输器的结构，也有许多单片的电流传输器被制造出 并且应用，但其有固有的缺陷影响其发展。 现在出现的很多不采用运算放大器的c m o s 电流传输器( c c i i ) 结构都有一 个比较明显的特点，就是电压跟随器部分的电压跟随精度很