CMOS 斩波稳定放大器的分析与研究

第28卷第1期2005年3月电子器件ChineseJournalofElectronDevicesVol.28No.1Mar.2005AnalysisandResearchofCMOSChopperStabilizedAmplifiersYANGYin-tang,HEBin,ZHUZhang-ming(MicroelectronicsInstitute,XidianUniversity,Xian710071,China)Abstract:Thispaperintroducesthedifferencesofseveraloffsetcancelingtechniques.Thenmodulationprincipalofchopperstabilizedamplifiersandtheeffectsontheirgainsofthechopperfrequencyandthephaseshiftaredetailed.Thevaluesofmodulatednoiseandoffsetareanalyzedandimplementationofthechoppermodulatorsgiven.Severaltechniquestoreducetheresidualoffsetareproposed.Atlast,somelatestresearchfindingsandsomenewproductsutilizingchopperstabilizationtechniquearegiv-en.Alsosomeoftheflawsandadvantagesofchopperstabilizationtechniqueandapplicationfieldsofchopperstabilizedamplifiersarestated.Keywords:chopperstabilized;amplifier;low-noise;residualoffset;CMOSEEACC:1220CMOS斩波稳定放大器的分析与研究杨银堂,贺斌,朱樟明(西安电子科技大学微电子研究所,西安710071)收稿日期:2004-08-12基金项目:国家科技预先研究基金项目(51408010601DZ01)资助。作者简介:杨银堂(1962-),男,研究所所长、教授、博士生导师,主要研究方向为深亚微米模拟集成电路及IP设计、VLSI技术、新型半导体器件设计,;贺斌(1979-),男,硕士研究生,主要研究方向为混合信号集成电路设计,;朱樟明(1978-),男,博士研究生,讲师,主要研究方向为高速ADC/DAC设计、低压低功耗模拟电路设计。摘要:对几种放大器失调消除技术的分析比较后,重点阐述了CMOS斩波稳定放大器的调制方式,和放大器的增益与斩波频率和相移的关系,并分析了斩波调制后的噪声和失调电压的理论大小以及斩波的电路实现方法。最后,提出了几种减小调制后残余失调电压的方法,总结了斩波稳定放大器最近的一些研究发现及其在一些新型产品中的应用,并归纳了斩波稳定技术的优缺点和应用范围。关键词:斩波稳定;放大器;低噪声;残余失调;CMOS中图分类号:TN722文献标识码:A文章编号:1005-9490(2005)01-0167-05斩波稳定(CHS:Chopperstabilization)技术是1948年由E.A.Goldberg发现的1。随着集成电路技术的不断发展,很快就应用于芯片集成技术。CHS是一种完善运算放大器性能的调制技术,主要指的是减小噪声(主要是1/f噪声和热噪声)和输入失调电压对运放的影响。另外还有两种技术:自调零技术(AZ:Auto-zeroing)和相关双采样技术(CDS:CorrelatedDoubleSampling),其中自调零技术是先对失调电压进行采样和保持,在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,它能实质性的减少低频的1/f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2。斩波技术则是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。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。1斩波技术基本原理斩波稳定技术是用一个交流调制信号将低频噪声和失调电压调制到高频处,再经滤波处理来消除其影响。斩波放大器的基本原理如图1(a)所示。Vin和Vout分别是输入和输出信号电压,A是线性放大器的增益。m1(t)和m2(t)是周期为T=1/fchop的调制和解调信号,fchop是斩波信号的频率。VOS和VN为运放的直流输入失调电压和噪声。假设输入信号的最大截止频率不能大于fchop/2,以免发生信号混叠现象。(a)(b)图1(a)斩波运放的基本原理;(b)理想的低噪声输出信号的傅立叶变换周期为T,占空比为50%的方波信号,其傅立叶变换表达式为:m(t)=2k=1sink2()k2()cos(2fchopkt)=k=1Mkcos(2fchopkt)(Mk=4ksink2()(1)调制后的输入信号是初始信号与式(1)的乘积,图1(a)中Vinm1(t)的频谱显示输入信号被调制到斩波信号的奇次谐波频率处,再经放大器放大后,信号又经m2(t)解调,所得信号为:Vd(t)=AVin(t)k=1Mkcos(2fchopkt)l=1Mlcos(2fchoplt)(2)其中,k,l均为奇数。解调后的低噪声输出信号Vd的傅立叶变换如图1(b)所示。为了得到放大的初始信号,解调后的信号还需经过一个截止频率略高于输入信号截止频率(即fchop/2)的低通滤波器。因为噪声和输入失调电压只被调制过一次。用SN(f)表示噪声和输入失调电压的功率谱密度(PSD),那么,(VOS+VN)m2(t)的PSD为:SCS(f)=n=-M2n+12SN(f-2n+1T)=2()2n=-1(2n+1)2SN(f-2n+1T)(3)可见,噪声和失调电压被调到了斩波频率的奇次谐波频率处,经过一个简单的滤波器就能被滤除。理想情况下,斩波运放不再有失调和低频噪声了。假设输入信号Vin是直流信号,放大器的带宽无限大,没有相位延迟,那么输出信号VA就是幅值为AVin的一个简单的方波,该信号被解调后是一个幅值为AVin的直流信号。在非理想情况下,放大器的带宽有限,但至少为斩波频率的两倍以上。如图2所示3,放大器的输出信号VA(t)变成了一个正弦信号,其幅值为(4/)(AVin)。经过解调后的输出信号Vout变成了一个只携有偶次分量校正的正弦信号。输出信号必须经过一个低通滤波器来得到想要的放大信号。经过低通滤波后,输出信号的直流成分幅值为(8/2)(AVin)。可见,斩波运放的直流增益下降了20%,所以要获得一个大的直流增益,主运放的带宽应尽可能的大。主运放造成的相移也会造成直流增益的下降。假设运放有T/4的相移,但是输入和输出调制信号是同相位的,那么输出信号会是一个被斩波的余弦信号,只有奇次谐波分量,而没有直流分量。如果输入和输出调制信号也有相同的延迟,861电子器件28卷图2运放的有限带宽对直流信号放大的影响比如:图1(a)中的t等于T/4,输出信号就是一个校正的正弦信号。由此可知,为了获得最大的直流增益,输入和输出调制器的延迟应该与主放大器的延迟完全匹配3。2运放的噪声斩波技术主要是调制低频噪声。设图1(a)中主放大器的截止频率为fc。截止频率一般认为是传输函数幅值下降到最大值的1/2处的频率4。fc一般为斩波频率fchop=1/T的五倍。在基带频率处(f0.5fchop),设S0为运放的白噪声,式(4)中的SCS可以由白噪声的PSD近似表示:SCS-white(f)SCS-white(f=0)=S01-tanh(2fcT)2fcT(4)当fcfchop时,SCS-white可以进一步近似为:SCS-white(f)S0(f0.5fchop,fcfchop)(5)可见,如果主运放的截止频率比较高,基带的噪声功率谱就近似为常数。斩波调制后的PSD会略小于初始运放的白噪声PSD。对于1/f噪声,输入的PSD为3:SN-1/f(f)=S0fkf=S0fkTfT(6)fk为放大器的角频率,把式(6)代入式(3)可以看到,低频噪声被调制到了高频,且只在斩波频率的奇次谐波频率处有分量,使得1/f噪声从基带消失。仿真结果显示被斩波调制的基带1/f噪声PSD可以近似写成3:SCS-1/f(f)0.8525S0fkT(7)典型运放的基带输入残余噪声为式(5)与式(7)的和,即:SCS(f)S0(1+0.8525fkT)(f0.5fchop,fcfchop)(8)实验证明3:斩波频率最好是放大器的角频率fk。此时,白噪声PSD最多增加6dB。3调制电路的实现方法输入和输出斩波调制器的实现方法如图3所示3:四个开关通过互补相位的时钟信号控制,Rs是源极电阻,Cin表示主放大器的差分输入电容,qi(i=1,2,3)为时钟馈通和电荷注入引起的电荷注入差。每当开关工作时,都会有一定数量的电荷q1和q3分别流向电容Cin,电荷q2流向Rs。这些电荷qi(i=1,2,3)就会造成不同开关间的不匹配。图3斩波调制的实现图4(a)放大器输入端尖峰信号;(b)与放大器带宽相似的调制后信号的尖峰信号频谱它会在主放大器的输入端产生尖峰信号,导致残余失调电压。时域的典型尖峰信号如图4(a)所示。表示尖峰信号的时常数,T是斩波的周期。由于只是斩波频率的奇次谐波才会产生残余失调,所以尖峰信号只有奇次谐波分量。一般而言,时常数都远小于T/2,所以尖峰信号的能量主要集中在比斩波频率高的频率处。主放大器输入端调制后的信号和尖峰信号的频谱如图4(b)所示。输入失调电压可以用下式计算3:961第1期杨银堂,贺斌等:CMOS斩波稳定放大器的分析与研究VOS2TVspike(9)当放大器的带宽远大于斩波频率fchop时,直流增益就可以接近最大增益A。但是,这样会使得几乎所有的尖峰信号都会残留下来,导致很大的输出失调电压。因此,最好选取放大器的带宽为斩波频率的两倍。此时,直流增益为(8/2)A=0.81A,只下降了19%,但是失调电压却大幅度减小,此时的失调为3:VOS2T()2Vspike(10)4残余失调消除技术很多方法都可以减小电荷注入引起的残余失调电压。简单的MOS开关如图5所示,图中:图5基本MOS开关示意图Ch:开关漏端的总电容(保持电容),Cp:开关源端的寄生电容。1)全差分结构一个全差分结构的例子如图6所示。如果让Cp=Ch,电压就呈共模特性,电荷的注入被看作一种共模干扰3。它无法完全消除误差,但能降低非线性成分。图6全差分结构2)互补开关基本原理是让相反的电荷量由两个沟道相互注入,然而NMOS器件和PMOS器件的沟道电荷很难完全匹配,两个互补时钟间的相位抖动能减小电荷失配。3)大电容一个更好的办法就是让Cp比Ch大很多,并且使用时钟跳变比较慢的时钟信号。这样,大部分的沟道电荷就能够流到电容比较大的一端,几乎没有电荷流到输出端的Ch。这种方法的缺点就是最大的时钟频率受到限制。4)嵌套式斩波技术基本原理如图7所示。在传统斩波技术的基础上,再加一个频率比较低的斩波信号,滤除尖峰信号引入的残余失调,比一组斩波时减小了fchophigh/fchoplow倍,但这种方法会限制输入信号的频率在fchoplow,但对于一般的数据采样系统已经足够。图7嵌套式斩波放大器图8多级失调消除技术图9全平衡电路的寄生电容效应消除5)多级重叠开关多个单级放大器级联在一起可以实现更高的增益和速度,采样电路如图8所示。开关S1,S2,SN依次开启,有效的失调电压只由最后一级中从开关SN注入到电容CN的电荷决定。前面N-1级开关造成的失调电压被抵消掉了。最后的等效输入失调电压为:VOS=1A1A2ANqin-NCN(11)其中,qinj就是注入电荷,这种失调电压显然比单级低增益放大器的失调小很多。5斩波稳定技术的应用及研究进展从上世纪70年代起,斩波技术就被用于减小比较器中MOS放大器失调电压影响5。一般而言,斩波运放是低噪声连续时间放大器,用来放大直流或者频率很低的信号。主要用于生物医学和光电子等精密仪器中,其失调和噪声通常要达到毫伏级,甚至微伏级,带宽仅为几百赫兹,功耗要在几十微瓦以下3。一个很典型的应用是用来测加速度和压力的电容传感器。斩波稳定技术的应用减小了失调、1/f噪声和开关电荷注入的影响,同时获得了高071电子器件28卷分辨率和低漂移6。图象传感器中的边缘探测器也可以用斩波稳定技术,利用CDS读出技术,能建立一个性能很好的二维光敏二极管阵列以实现读出电路的高频段的高分辨率图象传感双向边缘检测7。目前,传统的斩波稳定技术以用在连续时间和开关电容滤波技术8。CHS的概念已渗透到线性动态以及某些非线性电路应用中9。开关电容技术受寄生电容的影响比较大,消除寄生电容效应的一种解决办法如图9所示9。现在也有用跟踪保持技术(T/H:track-and-hold)来代替斩波稳定调制。它的优点就是能够消除由输入开关尖峰信号引入的放大器输入失调,降低低频输入噪声,减小残余失调电压,而且它不需要任何低通滤波技术。但是要求输入信号的带宽小于Nyquist频率的0.2倍。然而,由于有保持功能,这种技术受到白噪声的影响;当占空比取最大的允许值,放大器的带宽达到最小值时,这种影响会减小10。近年来,许多公司都推出了利用CHS技术的新产品,AllegroMicrosystems公司的双斩波稳定、双极Hall效应灵敏开关A3425LK就是一例,它的温度特性很好,也非常抗压。利用CHS的动态失调消除技术使得它的高温性能非常好,减小了多种原因引起的残余失调电压11。Intersil公司的新产品ICL7650也是一款很不错的新产品,据称带来了“无毛刺斩波稳定放大器的新时代”12。全时放大器用来消除任何输出毛刺;输入开关毛刺是通过输入开关的面积和电荷平衡技术来消除;斩波技术则通过输入端和主放大器并联的零位放大器来实现12。6讨论与结论CHS技术有利于改善低频放大器的噪声性能,减少很多设计和版图工艺上的程序。其主要问题是增加了电路的复杂性。CDS技术能提高运放的有效增益,与之相比,CHS技术利用运放放大一个高频信号,因此有效增益通常会减小;斩波运放的直流失调并没有消除,只是把它调制到较高的频率。当需要高增益和最大信号摆幅时最好采用CDS技术。斩波稳定技术是一种重要的抑制低频噪声的手段,当系统是线性的并要求很低的低频噪声时,它比自调零技术更适用。斩波技术最适用低功耗、便携式、低噪声、低失调电压和失调漂移的高性能电子器件,比如温度传感器芯片等的设计。每年都有很多应用斩波技术的新产品出现。斩波技术的应用将会扩展到很多本文还未提及的领域。参考文献:1JimWilliams,ApplicationConsiderationandCircuitsforaNewChopper-StabilizedOpAmp,LinearTechnologyon-linepublications,March1985,Availableat:/pub/document.html?pub_type=app&document=162PeteghemP.M.V,VerbauwhedeI,SansenWMicropowerhigh-performanceSCbuildingblockforintegratedlowlev-elsignalprocessingJ.IEEEJ.Solid-StateCircuits1985;SC-20:837-844.3EnzCCandTemesGC.Circuittechniquesforreducingtheeffectsofop-ampimperfections:autozeroing,correlateddoublesampling,andchopperstabilizationJ.ProceedingsoftheIEEE,1996,84(11):1584-1614.4NilssonJWandRiedelSA,ElectricCircuitsM.1996,fifthedition,AddisonWesley.5HadidiKh,TsoVSandTemesGC,Fastsuccessive-ap-proximationA/DconvertersC.In:IEEE1990CustomIn-tegratedCircuitsConference,pp.6.1.1-MarlowBK,GreagerDC,kempRandMooreMB,High-lysensitivecapacitancemeasurementforsensorsJ.Elec-tronicsLetters,1993,29(21):1844-1845.7KuoJB,ChouTL,andWongEJ.BiCMOSedgedetectorwithcorrelated-double-samplingreadoutcircuitforpat-t