CMOS斩波稳定放大器的分析与研究

率 f k 。此时 ,白噪声 PSD 最多增加 6 dB 。
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
量 。如果输入和输出调制信号也有相同的延迟 ,
第1期
杨银堂 ,贺 斌等 :CMOS 斩波稳定放大器的分析与研究
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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Δt 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
3 调制电路的实现方法
直流增益 ,输入和输出调制器的延迟应该与主放
输入和输出斩波调制器的实现方法如图 3 所
大器的延迟完全匹配[3 ] 。
示[3] :四个开关通过互补相位的时钟信号控制 , Rs
2 运放的噪声
是源极电阻 , Cin 表示主放大器的差分输入电容 , Δqi ( i = 1 ,2 ,3) 为时钟馈通和电荷注入引起的电
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 , (V OS + V N )
·m2 ( t) 的 PSD 为 :
∞
∑ SCS ( f )
=
M2n+1
n= - ∞
2 SN ( f -
2n + 1) T
∑ =
2 π
2
∞ n= - ∞
(2 n
1 +
和 相 关 双 采 样 技 术 ( CDS : Correlated Do uble Sampling) , 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
CMOS 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)
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
S N- 1/ f ( f ) = S0
fk f
= S0
fk T fT
(6)
f k 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 ] :
在基带频率处 ( f ≤0. 5 f chop ) ,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 :
S CS- white ( f )
SCS- white ( f = 0)
π
= S0
1-
tanh ( 2 f c T) π
(4)
2 fc T
当 f c µ f chop 时 , SCS - white 可以进一步近似为 :
(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)
∞
=2
k=1
si n
kπ 2
kπ
co s (2πf chop kt)
2
∞
∑ =
Mk co s (2πf chop kt)
1)
2
SN
(
f
-
2n + 1) T
(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 V in 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 V A 就是幅 值为 A ·V in的一个简单的方波 ,该信号被解调后 是一个幅值为 A ·V in 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
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电 子 器 件
28 卷
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 。V in 和 V out 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/ f chop 的调制和解调信号 , f chop 是斩波信号的 频率 。V OS 和 V N 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 f chop / 2 ,以免发生信号混叠现象 。
( A ·V in ) 。 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
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 :100529490 (2005) 0120167205
收稿日期 :2004208212 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 (19622) ,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 、VL SI
技术 、新型半导体器件设计 ,ytyang @xidian. edu. cn ; 贺 斌 (19792) ,男 ,硕士研究生 ,主要研究方向为混合信号集成电路设计 ,hbnameapple @yahoo . com. cn ; 朱樟明 (19782) ,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 。
k=1
( Mk
= kπ4 sin
kπ 2
)
(1)
调制后的输入信号是初始信号与式 (1) 的乘
积 ,图 1 (a) 中 V in ·m1 ( 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 :
∞
∑ V d ( t) = A V in ( t) Mk co s (2πf chop kt) ·
S CS- white ( f )
S0
( f ≤0 . 5 f chop , f c µ f chop )
(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] :
图 3 斩波调制的实现
k=1
∞
∑Ml co s (2πf chop lt)
(2)
l =1
其中 , k , l 均为奇数 。解调后的低噪声输出
信号 V d 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 f chop / 2) 的低通滤波器 。因为噪声和输入失调
第 28 卷 第 1 期 2005 年 3 月
电 子 器 件 Chinese J o urnal of Elect ro n Devices
Vol . 28 No . 1 Mar. 2005
Analysis and Research of CMOS Chopper Stabil izபைடு நூலகம்d Amplif iers
YA N G Yi n2t an g , H E B i n , Z H U Z han g2m i n g
( M icroelect ronics I nstit ute , X i di an Uni versit y , X i’an 710071 , Chi na)
Abstract :This paper int ro duces t he differences of several off set canceling techniques. Then modulatio n p rincipal of chopper stabilized amplifier s and t he effect s o n t heir gains of t he chopper f requency and t he p hase shif t are detailed. The values of modulated noise and off set are analyzed and implementatio n of t he chopper modulator s given. Several techniques to reduce t he residual off set are p ropo sed. At last , so me latest research findings and so me new p roduct s utilizing chopper stabilizatio n technique are giv2 en. Al so so me of t he flaws and advantages of chopper stabilizatio n technique and applicatio n fields of chopper stabilized amplifier s are stated. Key words :chopper stabilized ;amplifier ;low2noise ;residual off set ; CMOS EEACC :1220
倍以上 。如图 2 所示[3] ,放大器的输出信号V A ( t) 变成了一个正弦信号 ,其幅值为 (4/π) ( A ·V in ) 。 经过解调后的输出信号 V out 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/π2 )
斩波稳定 ( C HS : Chopper stabilizatio n) 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 。C HS 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 (A Z : A uto - zeroing)
SCS- 1/ f ( f ) 0 . 852 5 S0 f k T
(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. 852 5 f k T)
( f ≤0 . 5 f chop , f c µ f chop )
(8)
实验证明[3] :斩波频率最好是放大器的角频
斩波技术主要是调制低频噪声 。设图 1 (a) 荷注入差 。每当开关工作时 ,都会有一定数量的
中主放大器的截止频率为 f c 。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 ] 。f c 一 般 为 斩 波 频 率 f chop = 1/ T 的 五 倍 。
电荷 Δq1 和 Δq3 分别流向电容 Cin ,电荷 Δq2 流向 Rs 。这些电荷 Δqi ( i = 1 ,2 ,3) 就会造成不同开关 间的不匹配 。