精密放大器和低噪聲失調(diào)電路技術(shù)
1 運算放大器的現(xiàn)狀
運算放大器自1963年問世以來，走過了很長的發(fā)展道路，并成為所有線性系統(tǒng)中事實上的標(biāo)準(zhǔn)部件。幾乎每個大型半導(dǎo)體制造商的產(chǎn)品線中都有運算放大器這個產(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1 GHz；轉(zhuǎn)換速率超過5 000 V／μs；工作電流低于10μA；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的運放，在使用過程中，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(yīng)這種需求，國外IC公司已陸續(xù)推出了一些寬帶產(chǎn)品。
新型傳感器的應(yīng)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(diào)和低頻1／f噪聲的增加，對微傳感器讀出電路的設(shè)計提出了巨大的挑戰(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(CorrelatedDouble 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)。
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)信號中除。當(dāng)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(xiàn)對噪聲和失調(diào)的歸零。如果噪聲信號是不隨時間變化信號(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Vos，輸入?yún)⒖荚肼暈閂N。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(diào)Vos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，信號接入，如果假定Vos和VN與采樣時基本相同，那么噪聲和失調(diào)將被消除。
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：
當(dāng)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(nèi)(∣fTs∣≤0.5)折疊分量占主導(dǎo)地位。
(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(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，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(nèi)，1／f噪聲混疊分量可以近似為：
3.1.3 存在的缺陷
AZ在消除運放失調(diào)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(nèi)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(dǎo)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(fù)面效應(yīng)，包括時鐘潰通(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)和開關(guān)電容電路SC(Switched Capacitor Circuits)中。雖然CDS技術(shù)對輸出信號進(jìn)行采樣／保持，CDS技術(shù)對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)Ho(fTs)同樣也在DC處引入一個零點來消除AMP的失調(diào)，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(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)。他對信號進(jìn)行偶數(shù)次采樣(兩次)，而對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，而信號被經(jīng)過偶數(shù)次調(diào)制，被解調(diào)回基帶，通過低通濾波，可以將信號提取而將噪聲和失調(diào)抑制。
CHS的原理如圖4所示，假定輸入信號最高截止頻率為斬波頻率的一半，則不會產(chǎn)生信號的頻譜混疊。信號將被m1(t)調(diào)制到其奇數(shù)次頻率處，經(jīng)過AMP放大，然后再由m2(t)解調(diào)回基帶。
3.3.2 對噪聲的影響
斬波調(diào)制技術(shù)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(diào)，m1(t)為斬波調(diào)制的載波信號。
輸出信號的PSD可以給定為：
經(jīng)過斬波調(diào)制，噪聲被搬移至斬波頻率的奇數(shù)次諧波處。
(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=5fchop，T為斬波周期。則對于白噪聲，在基帶內(nèi)(∣fT∣≤0.5)噪聲特性可以用一白噪聲的PSD來近似：
圖6的結(jié)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(jié)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(dāng)∣fcT∣>6時，輸出PSD逼近輸入的90％。
(2)對1／f噪聲的影響
CHS的斬波調(diào)制技術(shù)對AMP1／f噪聲的影響，也可以通過相似的分析得到，假定fc》fchop，圖7給出了斬波輸出1／f噪聲PSD結(jié)果，1／f噪聲的極點位置遠(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：
3.3.3 存在的缺陷
雖然斬波技術(shù)(CHS)對降低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存在一定的殘余失調(diào)，如果調(diào)制解調(diào)器是由MOS開關(guān)構(gòu)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(guān)來取代MOS開關(guān)，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(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。
4 精密運放未來的發(fā)展空間
在未來的幾十年內(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，為精密運放的發(fā)展注入新的活力的同時，也給設(shè)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(diào)，更小的溫度系數(shù)和更高的性價比，將成為下一代精密運放設(shè)計的焦點。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，將為下一代精密運放的發(fā)展提供可靠的支撐，高精度運放將在工業(yè)自動化、醫(yī)療器材、量測儀器、汽車電子、甚至軍事國防等不同領(lǐng)域扮演日趨重要的角色。
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