精密放大器和低噪聲失調電路技術

摘 要：介紹了精密放大器的現狀和實現精密放大器的低噪聲失調電路技術，著重討論了自穩零和斬波穩零電路技術，定量分析了這兩類電路技術對電路噪聲的影響，給出了各自的仿真結果。理論分析和仿真結果均表明，該兩類電路技術能很好地抑制電路的失調和噪聲，實現微弱傳感器信號的精確放大。最后對精密放大器的未來發展空間作了展望。

關鍵詞：精密放大器；低噪聲失調電路技術；自穩零；斬波穩零；發展空間

中圖分類號：TN72 文獻標識碼：B

文章編號：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 運算放大器的現狀

運算放大器自1963年問世以來，走過了很長的發展道路，并成為所有線性系統中事實上的標準部件。幾乎每個大型半導體制造商的產品線中都有運算放大器這個產品。根據不同的應用需求主要分化出通用型、低電壓/低功耗型、高速型、高精度型四大類運放產品。目前放大器的性能水平已達到了如下指標，這在20世紀60年代是聞所未聞的：帶寬超過1 GHz；轉換速率超過5 000 V/μs；工作電流低于10 μA；工作電壓低至0.9 V；輸入失調電壓低于20 μV。

2 精密放大器

精密放大器一般指失調電壓低于1 mV的運放，在使用過程中，他強調電路工作的低噪聲和低失調性能。隨著新型傳感器技術(如導彈陀螺、MEMS微機械傳感器等)的應用推廣以及整機性能的提高，對該類型運算放大器的精度和帶寬都提出了更高的要求。為了適應這種需求，國外IC公司已陸續推出了一些寬帶產品。

美國國家半導體公司推出的一種超低噪聲寬帶運算放大器LMH6624，他具有極低的噪聲和失調，增益帶寬(GBW)達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)]，輸入失調電流IOS典型值為0.05 μA，溫度失調為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)，廣泛地應用于低壓低噪聲系統中。

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

3 低噪聲失調電路技術

新型傳感器的應用對運放精度提出了更高的要求，對微傳感器來說，由于其輸出信號主要處在低頻端，且信號幅度很小，因此CMOS工藝帶來的失調和低頻1/f噪聲的增加，對微傳感器讀出電路的設計提出了巨大的挑戰。為了達到上一代CMOS工藝下相同的動態范圍，電路需要盡可能保持最大的輸出擺幅，以及采用各種技術降低失調電壓和1/f噪聲。

目前，主流的實現低失調、低噪聲的電路技術主要有：自穩零AZ(autozero)技術、相關雙采樣CDS(Correlated Double Sampling )技術和斬波穩零CHS(Chopper Stabilization)技術。本文主要介紹AZ和CHS技術。[LM]

3.1 自穩零技術(AZ) 

3.1.1 AZ基本原理

自穩零技術(AZ)的基本思想是，先將噪聲和失調采樣并保存，再將其從輸入或輸出的瞬態信號中除。當然也可以通過在輸入和輸出之間增加一個額外的端口來實現對噪聲和失調的歸零。如果噪聲信號是不隨時間變化信號(如DC失調)，他將被消除；如果是一緩慢變化的低頻隨機噪(如1/f噪聲)，將被高通濾除。其原理如圖1所示，假定輸入參考失調電壓為Vos，輸入參考噪聲為VN。AZ過程分為兩個階段：第一階段，信號被隔離，AMP輸入被短接，在采樣脈沖的作用下，輸入失調Vos和噪聲VN被采樣并保存，并以負反饋的形式從端口Ｎ引入，輸出被控制在很小的幅度；第二階段，信號接入，如果假定Vos和VN與采樣時基本相同，那么噪聲和失調將被消除。

圖1 AZ原理圖

3.1.2 AZ對噪聲的影響

(1) 對白噪聲的影響

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

圖2 AZ技術對白噪聲的影響(fc=5fs)

(2) 對1/f 噪聲的影響

對于閃爍噪聲(1/f)PSD我們可以通過相似的分析得到，設1/f噪聲的轉角頻率為fk。如圖3所示，由于采樣函數在DC處引入了零點，1/f噪聲被大大削弱。同時，雖然1/f噪聲是一窄帶過程，但其“尾巴”在采樣過程中引入了混疊。在奈奎斯特頻率范圍內，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技術對1/f噪聲的影響

(fcTs=5，fkTs=1)

3.1.3 存在的缺陷

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

3.2 相關重采樣技術(CDS)

相關重采樣技術可以描述為AZ技術+S/H，他廣泛地應用于采樣系統和開關電容電路SC(Switched Capacitor Circuits)中。雖然CDS技術對輸出信號進行采樣/保持，CDS技術對AMP失調和噪聲的影響與AZ技術相似。和AZ技術一樣，CDS基帶傳輸函數H0(fTs)同樣也在DC處引入一個零點來消除AMP的失調，同時大大削弱1/f噪聲分量；另一方面，雖然對于n≠0時的傳遞函數二者有些不同，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 斬波穩零技術(CHS)

3.3.1 基本原理

與AZ技術不同，CHS采用的是調制和解調技術，而不是采樣技術。他對信號進行偶數次采樣(兩次)，而對AMP噪聲和失調進行奇數次采樣(一次)，噪聲和失調被調制到載波的奇數次頻率處，而信號被經過偶數次調制，被解調回基帶，通過低通濾波，可以將信號提取而將噪聲和失調抑制。

CHS的原理如圖4所示，假定輸入信號最高截止頻率為斬波頻率的一半，則不會產生信號的頻譜混疊。信號將被m1(t)調制到其奇數次頻率處，經過AMP放大，然后再由m2(t)解調回基帶。

3.3.2 對噪聲的影響

斬波調制技術對AMP噪聲的影響可以通過圖5來說明，這里VN(t)代表了AMP引入的所有噪聲和失調，m1(t)為斬波調制的載波信號。

輸出信號的PSD可以給定為：



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



經過斬波調制，噪聲被搬移至斬波頻率的奇數次諧波處。

圖4 斬波運放原理圖

圖5 斬波調制示意圖

(1) 對白噪聲的影響

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。則對于白噪聲，在基帶內(|fT|≤0.5)噪聲特性可以用一白噪聲的PSD來近似^[1]：



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

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



當|fcT|1，基帶內(|fT|≤0.5)噪聲呈現白噪聲特性：



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



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

圖6 斬波調制白噪聲在零頻處

對輸入白噪聲的歸一化

(2) 對1/f 噪聲的影響

CHS的斬波調制技術對AMP1/f噪聲的影響，也可以通過相似的分析得到，假定fcfchop，圖7給出了斬波輸出1/f噪聲PSD結果，1/f 噪聲的極點位置遠離了基帶，被搬移到了斬波頻率的奇數次諧波處。在基帶內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(CHS)對降低AMP噪聲和失調是十分有效的，但也存在一些缺陷。最大的不足是輸出仍會存在一定的殘余失調，如果調制解調器是由 MOS開關構成，則非理想特性主要包括時鐘潰通、電荷注入。通常的解決辦法是用CMOS開關來取代MOS開關，讓相反的電荷量由兩個溝道相互注入，以減小單溝道MOS開關的非線性效應。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，但不能完全消除。

圖7 斬波調制對1/f噪聲的影響

4 精密運放未來的發展空間

在未來的幾十年內，應汽車、智能系統、生產線上的性能監視子系統的需要，具有低失調、低噪聲特性的精密放大器將更為廣泛應用于傳感器監視，為精密運放的發展注入新的活力的同時，也給設計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，更小的溫度系數和更高的性價比，將成為下一代精密運放設計的焦點。電路構架、制造工藝和封裝技術的不斷發展和微調技術的不斷創新，將為下一代精密運放的發展提供可靠的支撐，高精度運放將在工業自動化、醫療器材、量測儀器、汽車電子、甚至軍事國防等不同領域扮演日趨重要的角色。

參 考 文 獻

［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讀出放大器\\[J\\].微電子學，2004，34(1):97-100.

［3］趙志誠，劉凱，鄭浩.傳感器技術和產品發展的重點\\[J\\].儀表技術與傳感器，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集成電路設計\\[M\\].西安:西安交通大學出版社，2003.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。