摘 要：介紹了精密放大器的現(xiàn)狀和實(shí)現(xiàn)精密放大器的低噪聲失調(diào)電路技術(shù)，著重討論了自穩(wěn)零和斬波穩(wěn)零電路技術(shù)，定量分析了這兩類電路技術(shù)對(duì)電路噪聲的影響，給出了各自的仿真結(jié)果。理論分析和仿真結(jié)果均表明，該兩類電路技術(shù)能很好地抑制電路的失調(diào)和噪聲，實(shí)現(xiàn)微弱傳感器信號(hào)的精確放大。最后對(duì)精密放大器的未來(lái)發(fā)展空間作了展望。

關(guān)鍵詞：精密放大器；低噪聲失調(diào)電路技術(shù)；自穩(wěn)零；斬波穩(wěn)零；發(fā)展空間

中圖分類號(hào)：TN72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-153-03

High Precision op-amp and Low Noise Offset Circuit Techniques

ZHANG Tao，CHEN Liankang

(Wuhan University of Science and Technology，Wuhan，430081，China)

Abstract：The current state of precision op-amp and the circuit techniques available to realize are introduced in this paper，emphasis are given to autozero and chopper stabilization circuit techniques，their influence on circuit noise are quantitative analyzed coupled with simulation results.It is convinced by theory analysis and simulation result that these two kinds of circuit techniques can well restrain the offset and noise and can give a precision amplification of weak sensor signal.At last，the future development space of this kind of op-amp is expected.

Keywords：precision op-amp;low noise and offset circuit techniques;autozero;chopper stabilization;development space

1 運(yùn)算放大器的現(xiàn)狀

運(yùn)算放大器自1963年問(wèn)世以來(lái)，走過(guò)了很長(zhǎng)的發(fā)展道路，并成為所有線性系統(tǒng)中事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)部件。幾乎每個(gè)大型半導(dǎo)體制造商的產(chǎn)品線中都有運(yùn)算放大器這個(gè)產(chǎn)品。根據(jù)不同的應(yīng)用需求主要分化出通用型、低電壓/低功耗型、高速型、高精度型四大類運(yùn)放產(chǎn)品。目前放大器的性能水平已達(dá)到了如下指標(biāo)，這在20世紀(jì)60年代是聞所未聞的：帶寬超過(guò)1 GHz；轉(zhuǎn)換速率超過(guò)5 000 V/μs；工作電流低于10 μA；工作電壓低至0.9 V；輸入失調(diào)電壓低于20 μV。

2 精密放大器

精密放大器一般指失調(diào)電壓低于1 mV的運(yùn)放，在使用過(guò)程中，他強(qiáng)調(diào)電路工作的低噪聲和低失調(diào)性能。隨著新型傳感器技術(shù)(如導(dǎo)彈陀螺、MEMS微機(jī)械傳感器等)的應(yīng)用推廣以及整機(jī)性能的提高，對(duì)該類型運(yùn)算放大器的精度和帶寬都提出了更高的要求。為了適應(yīng)這種需求，國(guó)外IC公司已陸續(xù)推出了一些寬帶產(chǎn)品。

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的一種超低噪聲寬帶運(yùn)算放大器LMH6624，他具有極低的噪聲和失調(diào)，增益帶寬(GBW)達(dá)1.5 GHz，輸入電壓噪聲低至0.92 nV/[KF(]Hz[KF)]，輸入電流噪聲典型值為2.3 pA/[KF(]Hz[KF)]，輸入失調(diào)電流IOS典型值為0.05 μA，溫度失調(diào)為0.7 nA/℃。

MAXIM公司最近推出幾款低壓、低噪聲、滿擺幅 OP-AMP，MAX410/MAX412采用低電壓雙電源供電(±2.4~±5 V)，等效輸入噪聲為2.4 nV/[KF(]Hz[KF)]，輸出失調(diào)極小(最大值為250 μV)，高電壓增益(最小電壓增益為115 dB)，廣泛地應(yīng)用于低壓低噪聲系統(tǒng)中。

意法半導(dǎo)體(ST)也相繼推出了一系列的低噪聲OP-AMP產(chǎn)品，其中TSH330的帶寬達(dá)到1.1 GHz ，壓擺率(SR)達(dá)到1 800 V/μs，噪聲(等效輸入噪聲電壓)僅為0.3 nV/[KF(]Hz[KF)]。

3 低噪聲失調(diào)電路技術(shù)

新型傳感器的應(yīng)用對(duì)運(yùn)放精度提出了更高的要求，對(duì)微傳感器來(lái)說(shuō)，由于其輸出信號(hào)主要處在低頻端，且信號(hào)幅度很小，因此CMOS工藝帶來(lái)的失調(diào)和低頻1/f噪聲的增加，對(duì)微傳感器讀出電路的設(shè)計(jì)提出了巨大的挑戰(zhàn)。為了達(dá)到上一代CMOS工藝下相同的動(dòng)態(tài)范圍，電路需要盡可能保持最大的輸出擺幅，以及采用各種技術(shù)降低失調(diào)電壓和1/f噪聲。

目前，主流的實(shí)現(xiàn)低失調(diào)、低噪聲的電路技術(shù)主要有：自穩(wěn)零AZ(autozero)技術(shù)、相關(guān)雙采樣CDS(Correlated Double Sampling )技術(shù)和斬波穩(wěn)零CHS(Chopper Stabilization)技術(shù)。本文主要介紹AZ和CHS技術(shù)。[LM]

3.1 自穩(wěn)零技術(shù)(AZ) 

3.1.1 AZ基本原理

自穩(wěn)零技術(shù)(AZ)的基本思想是，先將噪聲和失調(diào)采樣并保存，再將其從輸入或輸出的瞬態(tài)信號(hào)中除。當(dāng)然也可以通過(guò)在輸入和輸出之間增加一個(gè)額外的端口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲和失調(diào)的歸零。如果噪聲信號(hào)是不隨時(shí)間變化信號(hào)(如DC失調(diào))，他將被消除；如果是一緩慢變化的低頻隨機(jī)噪(如1/f噪聲)，將被高通濾除。其原理如圖1所示，假定輸入?yún)⒖际д{(diào)電壓為Vos，輸入?yún)⒖荚肼暈楠玍N。AZ過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一階段，信號(hào)被隔離，AMP輸入被短接，在采樣脈沖的作用下，輸入失調(diào)Vos和噪聲VN被采樣并保存，并以負(fù)反饋的形式從端口Ｎ引入，輸出被控制在很小的幅度；第二階段，信號(hào)接入，如果假定Vos和VN與采樣時(shí)基本相同，那么噪聲和失調(diào)將被消除。

圖1 AZ原理圖

3.1.2 AZ對(duì)噪聲的影響?yīng)?/p>

(1) 對(duì)白噪聲的影響?yīng)?/p>

假定運(yùn)放的等效輸入白噪聲等效為-3 dB帶寬為fc的低通特性(LF)噪聲，采樣頻率為fs，通常fcfs，AZ的輸出白噪聲可以近似為：



SAZ-white(f)[WB]Sfold-white(f)

[DW](πfcTs-1)S0sinc2(πfTs)[JY](1)



當(dāng)fcTs=5時(shí)，白噪聲在AZ過(guò)程前后的PSD可以清楚地從圖2中看出，在奈奎斯特頻率范圍內(nèi)(|fTs|≤0.5)折疊分量占主導(dǎo)地位^[1]。

圖2 AZ技術(shù)對(duì)白噪聲的影響(fc=5fs)

(2) 對(duì)1/f 噪聲的影響?yīng)?/p>

對(duì)于閃爍噪聲(1/f)PSD我們可以通過(guò)相似的分析得到，設(shè)1/f噪聲的轉(zhuǎn)角頻率為fk。如圖3所示，由于采樣函數(shù)在DC處引入了零點(diǎn)，1/f噪聲被大大削弱。同時(shí)，雖然1/f噪聲是一窄帶過(guò)程，但其“尾巴”在采樣過(guò)程中引入了混疊。在奈奎斯特頻率范圍內(nèi)，1/f噪聲混疊分量可以近似為：



Sfold-1/f2S0fkTs[JB(\\[]1+ln23fcTs[JB)\\]]sinc2(πfTs)[JY](2)

[KH-2]

圖3 AZ技術(shù)對(duì)1/f噪聲的影響?yīng)?/p>

(fcTs=5，fkTs=1)

3.1.3 存在的缺陷

AZ在消除運(yùn)放失調(diào)的同時(shí)，也大大削弱了1/f噪聲，但其欠采樣過(guò)程引入了白噪聲和閃爍噪聲的頻譜混疊，使得在信號(hào)頻帶范圍內(nèi)輸出白噪聲成份有所增加。同時(shí)，1/f噪聲的“尾巴”也將在采樣過(guò)程中導(dǎo)致輸出的混疊，加大采樣頻率可減輕混疊，但與此同時(shí)也帶來(lái)了負(fù)面效應(yīng)，包括時(shí)鐘潰通(clock feed-through)和溝道電荷注入(channel charge injection)效應(yīng)。

3.2 相關(guān)重采樣技術(shù)(CDS)

相關(guān)重采樣技術(shù)可以描述為AZ技術(shù)+S/H，他廣泛地應(yīng)用于采樣系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)電容電路SC(Switched Capacitor Circuits)中。雖然CDS技術(shù)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采樣/保持，CDS技術(shù)對(duì)AMP失調(diào)和噪聲的影響與AZ技術(shù)相似。和AZ技術(shù)一樣，CDS基帶傳輸函數(shù)H0(fTs)同樣也在DC處引入一個(gè)零點(diǎn)來(lái)消除AMP的失調(diào)，同時(shí)大大削弱1/f噪聲分量；另一方面，雖然對(duì)于n≠0時(shí)的傳遞函數(shù)二者有些不同，但由于寬帶噪聲被雙采樣，他們由采樣引入的混疊成份是可以比擬的。

3.3 斬波穩(wěn)零技術(shù)(CHS)

3.3.1 基本原理

與AZ技術(shù)不同，CHS采用的是調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，而不是采樣技術(shù)。他對(duì)信號(hào)進(jìn)行偶數(shù)次采樣(兩次)，而對(duì)AMP噪聲和失調(diào)進(jìn)行奇數(shù)次采樣(一次)，噪聲和失調(diào)被調(diào)制到載波的奇數(shù)次頻率處，而信號(hào)被經(jīng)過(guò)偶數(shù)次調(diào)制，被解調(diào)回基帶，通過(guò)低通濾波，可以將信號(hào)提取而將噪聲和失調(diào)抑制。

CHS的原理如圖4所示，假定輸入信號(hào)最高截止頻率為斬波頻率的一半，則不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的頻譜混疊。信號(hào)將被m1(t)調(diào)制到其奇數(shù)次頻率處，經(jīng)過(guò)AMP放大，然后再由m2(t)解調(diào)回基帶。

3.3.2 對(duì)噪聲的影響?yīng)?/p>

斬波調(diào)制技術(shù)對(duì)AMP噪聲的影響可以通過(guò)圖5來(lái)說(shuō)明，這里VN(t)代表了AMP引入的所有噪聲和失調(diào)，m1(t)為斬波調(diào)制的載波信號(hào)。

輸出信號(hào)的PSD可以給定為：



SCS(f)=2π2∑+∞n=-∞n=odd1n2SN(f-nT)[JY](3)



經(jīng)過(guò)斬波調(diào)制，噪聲被搬移至斬波頻率的奇數(shù)次諧波處。

圖4 斬波運(yùn)放原理圖

圖5 斬波調(diào)制示意圖

(1) 對(duì)白噪聲的影響?yīng)?/p>

假定AMP的截止頻率fc為斬波頻率的5倍，即fc=5fchop，T為斬波周期。則對(duì)于白噪聲，在基帶內(nèi)(|fT|≤0.5)噪聲特性可以用一白噪聲的PSD來(lái)近似^[1]：



SCS-white(f)SCS-white(f=0)

=S01-tanhπ2fcTπ2fcT， (|fT|≤0.5)[JY](4)



當(dāng)|fcT|1，基帶內(nèi)(|fT|≤0.5)噪聲呈現(xiàn)白噪聲特性：



SCS-white(f)S0 (|fT|≤0.5，|fcT|1)[JY](5)



圖6的結(jié)果顯示了式(4)給定的輸出白噪聲PSD對(duì)輸入白噪聲PSD歸一化的結(jié)果，不難看出，輸出PSD總是要比輸入小。對(duì)于較小的|fcT|，輸出PSD相對(duì)于輸入被大大削弱，當(dāng)|fcT|>6時(shí)，輸出PSD逼近輸入的90%。

圖6 斬波調(diào)制白噪聲在零頻處

對(duì)輸入白噪聲的歸一化

(2) 對(duì)1/f 噪聲的影響?yīng)?/p>

CHS的斬波調(diào)制技術(shù)對(duì)AMP1/f噪聲的影響，也可以通過(guò)相似的分析得到，假定fcfchop，圖7給出了斬波輸出1/f噪聲PSD結(jié)果，1/f 噪聲的極點(diǎn)位置遠(yuǎn)離了基帶，被搬移到了斬波頻率的奇數(shù)次諧波處。在基帶內(nèi)1/f 噪聲的PSD可以近似為一白噪聲分量：



SCS-1/f(f)0.852 5S0fkT[JY](6)



3.3.3 存在的缺陷

雖然斬波技術(shù)(CHS)對(duì)降低AMP噪聲和失調(diào)是十分有效的，但也存在一些缺陷。最大的不足是輸出仍會(huì)存在一定的殘余失調(diào)，如果調(diào)制解調(diào)器是由 MOS開(kāi)關(guān)構(gòu)成，則非理想特性主要包括時(shí)鐘潰通、電荷注入。通常的解決辦法是用CMOS開(kāi)關(guān)來(lái)取代MOS開(kāi)關(guān)，讓相反的電荷量由兩個(gè)溝道相互注入，以減小單溝道MOS開(kāi)關(guān)的非線性效應(yīng)。但是PMOS器件和NMOS器件的溝道電荷很難完全匹配，該方法不只能減少放大器的殘余失調(diào)，但不能完全消除。

圖7 斬波調(diào)制對(duì)1/f噪聲的影響

4 精密運(yùn)放未來(lái)的發(fā)展空間

在未來(lái)的幾十年內(nèi)，應(yīng)汽車、智能系統(tǒng)、生產(chǎn)線上的性能監(jiān)視子系統(tǒng)的需要，具有低失調(diào)、低噪聲特性的精密放大器將更為廣泛應(yīng)用于傳感器監(jiān)視，為精密運(yùn)放的發(fā)展注入新的活力的同時(shí)，也給設(shè)計(jì)師和芯片制造商提出了更高的要求。更低的噪聲、更小的失調(diào)，更小的溫度系數(shù)和更高的性價(jià)比，將成為下一代精密運(yùn)放設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)。電路構(gòu)架、制造工藝和封裝技術(shù)的不斷發(fā)展和微調(diào)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，將為下一代精密運(yùn)放的發(fā)展提供可靠的支撐，高精度運(yùn)放將在工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療器材、量測(cè)儀器、汽車電子、甚至軍事國(guó)防等不同領(lǐng)域扮演日趨重要的角色。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Enz C C，Temes G C.Circuit Techniques for Reducing the Effects of op-amp Imperfections:Autozeroing，Correlated Couble Sampling，and Chopper Stabilization\\[J\\].Proceedings of the IEEE，1996，84(11):1 584-1 614.

［2］蔡光杰，沈延釗.一種適合集成傳感器的微弱信號(hào)讀出放大器\\[J\\].微電子學(xué)，2004，34(1):97-100.

［3］趙志誠(chéng)，劉凱，鄭浩.傳感器技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的重點(diǎn)\\[J\\].儀表技術(shù)與傳感器，2005(3):1-2.

［4］Hsieh K C，Gray P R，D Senderowicz，et al.A Low-noise Chopper-stabilized Differential Switched-capacitor Filtering Technique\\[J\\].IEEE Journal on Solid-state Circuits，1981，SC(16).

［5］Phillip E Allen ，Douglas R Holberg.CMOS Analog Circuit Design\\[M\\].Second Edition.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2002.

［6］畢查得#8226;拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)\\[M\\].西安:西安交通大學(xué)出版社，2003.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。