一種低噪聲前置放大器的電路設(shè)計

王彬，李健，肖姿逸

（1.中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇無錫214072；2.江南大學，江蘇無錫214122）

一種低噪聲前置放大器的電路設(shè)計

王彬1，李健2，肖姿逸1

（1.中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇無錫214072；2.江南大學，江蘇無錫214122）

采用EMI濾波和斬波技術(shù)，基于CSMC ST2000 PDK工藝，設(shè)計了一種低噪聲、輸出范圍廣、建立時間快、增益高的前置放大器電路，并利用MATLAB工具進行了系統(tǒng)驗證。結(jié)果表明，該前置放大器的單位增益帶寬超過了10 MHz，相位裕度達到了66 dB，滿足了預(yù)定的設(shè)計要求。

低噪聲；斬波技術(shù)；快速建立

1 引言

前置放大器因為具有提高系統(tǒng)的信噪比、提高信號傳輸時抗干擾能力的作用，被廣泛應(yīng)用于音頻功放、數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字信號處理等多個領(lǐng)域。前置放大器按分類可大致劃分為積分型與電流型兩種，兩種都能實現(xiàn)高增益、高速度、低噪聲等高性能要求。

在現(xiàn)代測量領(lǐng)域里，對前置放大器往往要求靈敏度高，對采集微弱信號有很好的保持和放大作用。本文針對輸入截止信號頻率范圍為20 MHz、信號源為毫伏級的工作環(huán)境設(shè)計出一種高增益、低噪聲、低功耗的前置放大器。

2 低噪聲前置放大器電路設(shè)計

2.1 應(yīng)用要求

此次設(shè)計的前置放大器主要應(yīng)用于輸入正弦信號幅度±2 V、輸入信號帶寬100 Hz、采樣信號頻率100 kHz、后級積分器帶寬GBW為2 MHz、最終采樣精度為16位的ADC中[1]。

如圖1所示，外接輸入信號AINP和AINN經(jīng)過EMI濾波以后（EMI濾波截止頻率為20 MHz）[2～3]被一個差分橋接檢測電路采集，由于采集到的信號十分微弱，為毫伏級信號。因此，為了提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度，采用一個低噪聲前置放大器將輸入信號放大，設(shè)計時根據(jù)需要最大可放大64倍（可由數(shù)字控制或外部接口控制放大倍數(shù))，最小輸入信號范圍為±39 mV，放大后的差分信號經(jīng)過一個抗混頻濾波器，濾除采樣頻率以外的噪聲，防止采樣時發(fā)生混頻，CAP電容可為外接0.1 μF電容；最后經(jīng)過一級緩存被第一級積分器采樣。

圖1 前置放大器的電路結(jié)構(gòu)

2.2 運放結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到低噪運放所需的高直流增益、高PSRR[4～5]、低噪聲等特點，選擇了折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)[6～7]。

圖2 折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)

圖2中運放的開環(huán)增益為：

其中，gm1表示輸入器件的跨導(dǎo)，R2表示輸出阻抗，gm4和gm6分別表示圖2中MOS晶體管M4和M6的跨導(dǎo)，rds4和rds6分別表示M4和M6的輸出阻抗，rds2和rds8分別表示M2和M8的輸出阻抗。輸出極點為：

其中，Cout是運放的輸出電容。采用折疊式共源共柵，可以提供相當于兩級運算放大器的增益，且輸出極點位置較遠。

2.3 輸出級設(shè)計

Class-AB輸出級能夠采用較小的靜態(tài)功耗實現(xiàn)較大的輸出擺幅[8]，而且有很強的電阻驅(qū)動能力。因此本文選用了Class-AB輸出。圖3采用自偏置的Class-AB輸出級，能夠提供很大的輸出電流，而靜態(tài)功耗可以做得很低。該結(jié)構(gòu)采用浮動偏置控制，能夠產(chǎn)生滿擺幅的輸出范圍。

它包含兩個共源級輸出晶體管M1和M2，分別被兩個同相電流Iin1和Iin2驅(qū)動，M7和M8形成浮置Class-AB控制，接成二極管形式的晶體管M3和M4、M5和M6分別用來偏置Class-AB控制晶體管M7和M8的柵極。浮置Class-AB控制晶體管M7和M8，接成二極管形式的晶體管還有輸出晶體管形成兩個環(huán)路，M7、M3、M4和M1，M8、M5、M6和M2，這兩個環(huán)路決定了輸出晶體管的靜態(tài)工作電流。Class-AB特性通過控制兩個輸出級晶體管的柵極之間的電壓差恒定表現(xiàn)出來。假設(shè)兩個同相輸入電流Iin1和Iin2流向Class-AB輸出級，結(jié)果導(dǎo)致了M7的溝道電流增加，M8的溝道電流也相應(yīng)地減少相同量。相應(yīng)的，兩個輸出晶體管的柵極電壓均上升。因此輸出節(jié)點從負載有一個拉電流，這個過程一直持續(xù)到PMOS控制晶體管M7的漏電流等于Ib1。可以通過設(shè)計Class-AB控制晶體管來保證一個最小的電流值Ib1。最終M1截止，M1、M2柵上電壓接近VDD。當輸入電流方向相反的時候，過程與之相反。

圖3 輸出級電路設(shè)計

2.4 斬波技術(shù)

斬波穩(wěn)定技術(shù)可以對運放中的失調(diào)噪聲和低頻噪聲進行頻域調(diào)制[9～10]，把信號和失調(diào)電壓調(diào)制到不同的頻段，通過濾波可以將調(diào)制后的失調(diào)噪聲和低頻噪聲消除，如圖4所示。因此本次設(shè)計中也加入了斬波技術(shù)，斬波開關(guān)可以采用MOS晶體管實現(xiàn)。

圖4 斬波原理

2.5 電路的實現(xiàn)與仿真

如圖5所示，輸入信號經(jīng)過第一次斬波處理后，在第一級輸出端又經(jīng)過了第二次斬波。整個運放的第一級運用了自舉增益式的折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)（即OP1），其增益是普通折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)的AV1,2倍，AV1、AV2是用來做自舉增益運放OP1和OP2的開環(huán)增益。P5和N5組成了輸出級，而P11和N4構(gòu)成了浮動控置Class-AB控制，用來產(chǎn)生輸出級的偏置靜態(tài)電流，由于是全差分放大電路，輸出端共模電平不能確定，所以第一級的兩個折疊點通過P2和N0以及N1、N2形成了共模反饋電路。

這個運放的主極點在第一級輸出和第二級輸入之間，而輸出極點在運放的輸出端，為了保證穩(wěn)定，在第一級和第二級間加入了補償電容，采用了米勒補償電容。圖6和圖7是斬波開關(guān)的邏輯，因為是差分輸入信號的輸入，所以第一次斬波處理所采用的開關(guān)是傳輸門互補形式，而第二次斬波工作在運放各支路中，采用了P管和N管的單管結(jié)構(gòu)。從仿真結(jié)果上看，前置放大器基本滿足了帶寬、穩(wěn)定性的設(shè)計要求。圖10是前置放大器的版圖實現(xiàn)。

圖5 前置放大器的電路實現(xiàn)

圖6 第一級斬波開關(guān)結(jié)構(gòu)CHOPPER1

圖7 第二級斬波開關(guān)結(jié)構(gòu)CHOPPER2、CHOPPER3

圖8 前置放大器AC仿真結(jié)果

圖9 前置放大器CMRR仿真結(jié)果

圖10 前置放大器的版圖實現(xiàn)

本文采用CSMC ST2000 PDK工藝，利用MATLAB仿真軟件對所設(shè)計的電路進行仿真驗證，得到一系列性能指標，如表1所示[11～12]。

表1 前置放大器仿真參數(shù)

從表1可知，電路參數(shù)滿足設(shè)計要求，并在直流增益及單位增益帶寬方面有所提升，性能上擁有更好的優(yōu)勢[13]。

3 總結(jié)

本文針對一個高精度AD的工作要求，在其輸入級的前端設(shè)計了一個低噪聲放大器。同時為了減小低噪聲放大器引入的噪聲，從電路結(jié)構(gòu)方面進行了改進，引入了斬波技術(shù)。針對運放的一些非理想因素，如失調(diào)電壓、1/f噪聲，采用了斬波技術(shù)來改善性能，并用無錫上華工藝廠提供的CSMC ST2000 PDK進行了電路仿真和版圖設(shè)計，仿真結(jié)果表明該前置放大器的單位增益帶寬超過了10 MHz，相位裕度達到了66 dB，性能指標滿足要求。

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Design of a Low Noise Preamplifier

WANG Bin1,LI Jian2,XIAO Ziyi1
（1.China Electronic Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China；2.Jiangnan University,Wuxi 214122,China）

In the paper,a preamplifier of CSMC ST2000 PDK process featuring low-noise,wide output range, fast setting up and high gain is designed using EMI filtering and chopping technology.The preamplifier system is verified by MATLAB.The unit gain bandwidth of the preamplifier exceeds 10 MHz,and phase margin reaches 66 dB,thereby meeting the expectation.

low noise;chopping technology;fastsetting up

TN402

A

1681-1070（2017）05-0024-04

王彬（1982—），男，吉林省吉林市人，碩士學歷，工程師，主要研究方向為直流開關(guān)電源、交流開關(guān)電源、防雷擊設(shè)計、電磁兼容等。

2016-12-25