低頻低噪聲模擬信號自動增益控制系統(tǒng)的設(shè)計

申莎莎

（山西省運城學(xué)院物理與電子工程系，山西運城044000）

在模擬集成電路的設(shè)計中，對微弱信號處理，前級放大電路設(shè)計非常重要。保證具有足夠高增益的同時，又能保證良好的噪聲控制能力，已成為模擬電路設(shè)計領(lǐng)域里的研究熱點。本文對低噪聲運算放大器設(shè)計研究，通過仿真工具以及給每個核心運放提供獨立的低噪聲偏置和基準(zhǔn)源等使運放組系統(tǒng)的噪聲性能參數(shù)得到優(yōu)化，同時在對自動增益控制系統(tǒng)的方案選用時采用了改變輸入電流的方式。為了滿足高性能低噪聲的要求，在版圖和布局上將核心運放單獨放置在整個芯片的右側(cè)，通過隔離帶將其與芯片的其他部分隔離，使每個高性能運放單元分別具有各自的隔離環(huán)，從而使抑制襯底噪聲的能力得到進一步增強。在布線方面對于敏感信號也做了加強保護，采用了一些保護隔離走線技術(shù)，優(yōu)化了ESD保護以進一步提高電源抑制比。為了控制產(chǎn)品的最終成本，本文設(shè)計方案采用0.5μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進行設(shè)計制造，對一種迷你激光型條碼掃描器產(chǎn)品的光頭驅(qū)動SOC芯片中的低噪聲放大電路系統(tǒng)進行了設(shè)計研究。由電機驅(qū)動的激光管發(fā)射出激光，并通過擺鏡的擺動將激光點掃射出去形成掃描線。而光敏接收管根據(jù)接收到反射光學(xué)鏡組光線的強弱，轉(zhuǎn)化成弱電流提供給低噪聲放大系統(tǒng)，將弱電流放大為大信號后，由MCU采集分析得到條碼數(shù)據(jù)。

1 噪聲的原因及抑制原理

在電路應(yīng)用中，將除了希望得到的有用信號之外的所有信號都稱之為噪聲。對于模擬信號放大系統(tǒng)，噪聲的大小限制了系統(tǒng)對信號的最小處理能力。要求處理高精度和小信號放大與處理的電路設(shè)計時，如何處理好噪聲，是對電路設(shè)計者的最大挑戰(zhàn)。噪聲的產(chǎn)生有電路的耦合、串?dāng)_等其他外部因素導(dǎo)致的外因和信號處理電路中本身的電子元器件自身所產(chǎn)生內(nèi)因[1]。在現(xiàn)實生活中噪聲是不可避免的，可通過主動降噪和被動降噪兩種方法處理噪聲。被動降噪中最常用的方法是使用濾波器,將信號頻率以外的噪聲直接濾除掉使其不能進入系統(tǒng)內(nèi)部，以達(dá)到被動降噪。本設(shè)計采用了多個帶通濾波器，從而有效的限制了處理通道部分對外部噪聲的處理。主動降噪是通過差分形式處理信號，以達(dá)到解決共模噪聲影響的目的。由于本設(shè)計受到電路規(guī)模和外部應(yīng)用的限制，無法采用全差分結(jié)構(gòu)，故使用了偽差分結(jié)構(gòu)，以提升一定的抗內(nèi)部共模干擾的能力。內(nèi)部噪聲情況就相對比較復(fù)雜一些，主要是對信號通路上的器件進行優(yōu)化，通過犧牲一些面積和功耗，來換取低噪聲性能的提高，另外調(diào)整增益分配比例，減小輸入噪聲所占的比例等。

2 模擬通道系統(tǒng)構(gòu)架

2.1 條碼信號特點

本設(shè)計的電路將被應(yīng)用于激光型條碼掃描儀中，其輸入信號就是激光掃描儀中光敏二極管所接受到的回饋信號。該回饋信號的頻率和幅值，主要受條碼本身最細(xì)條紋的寬度和掃描器到條碼的距離兩方面的影響[2]。在相同大小條碼的情況下，距離決定了回饋信號的幅值和頻率。根據(jù)實測及經(jīng)驗數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)的輸入范圍確定在輸入電流幅值1nA～5uA左右，輸入頻率的范圍為100 hz～200K hz左右。

2.2 整體硬件構(gòu)架

由于本設(shè)計的輸入部分是光敏二極管，輸出2 Vpp的放大后的信號即可，電源采用為3～3.3 V的電壓供電。輸入部分需要一個基準(zhǔn)電壓偏置，信號輸入范圍即電流差模幅值1 nA～5 uA左右，輸入頻率范圍在100 hz～200 Khz左右。對于輸入信號幅值1 nA需要放大至2 Vpp，所需的增益為186 dBA/V；而若要5 uA輸入信號幅值放大至2Vpp，所需的增益應(yīng)為112 dBA/V。所以整個放大系統(tǒng)的增益動態(tài)范圍應(yīng)該在112 dB～186 dBA/V。根據(jù)上述推導(dǎo)出需求，可將整個系統(tǒng)分成電流電壓轉(zhuǎn)換級和自動增益控制級兩個部分。如下圖1所示，采用兩級放大結(jié)構(gòu)。電流電壓轉(zhuǎn)換級承擔(dān)100 dB增益，自動增益控制級設(shè)計一個高增益運算放大器負(fù)責(zé)12～86 dB的動態(tài)增益控制，兩級帶寬設(shè)計在200 Khz以上。

圖1 一級電流電壓轉(zhuǎn)換與一級自動增益控制器

這種結(jié)構(gòu)是通過在自動增益控制級采用一個高增益運放來完成的。1 mV則放大器增益最高只可能為60 dB，并不能達(dá)到最大增益80 dB的要求。因此采用多級放大器級聯(lián)，進行逐級放大。將自動增益控制系統(tǒng)拆分成為兩級并聯(lián)，采用電流電壓轉(zhuǎn)換100 dB串聯(lián)自動增益控制第一級0～50 dB串聯(lián)自動增益控制第二級0～50 dB。采用反相放大與正相放大交替級聯(lián)，并且使用交流共模偏置的方式，減小失調(diào)電壓對輸出的影響[3]。

2.2.1 模擬通道構(gòu)架

由于條碼解碼算法需找到對應(yīng)的條碼圖形邊沿，并需要增加一個微分算法將信號的邊沿選擇出來，所以此處增加了一個微分級,結(jié)構(gòu)是電流電壓轉(zhuǎn)換級-＞電壓放大級-＞增益控制級-＞微分級-＞增益控制級-＞電壓放大輸出。每級之間采用交流耦合，解決失調(diào)電壓引起的直流偏移問題。每級采用外部配置增益和帶寬的方法，解決由IC工藝偏移引起的帶寬與增益偏差的問題。外部用高精度的元件網(wǎng)絡(luò)來精確控制需要的帶寬與增益，如圖2。本設(shè)計采用了一種抽取輸出電流的方法來降低增益，這樣進行電路設(shè)計的好處是不會影響反饋網(wǎng)絡(luò)的濾波特性，也不需要在電路中加入耗盡型器件。

圖2 增益控制系統(tǒng)原理

2.2.2 輔助電路構(gòu)架

當(dāng)確定模擬通道框架后，對每一個部分都采取了一些小的優(yōu)化措施以提高整體噪聲性能和電源抑制比。先對電源和偏置電路采用低噪聲優(yōu)化，即對每一級運算放大器組分別采用獨立的線性穩(wěn)壓源供電，并將地線與電源線分離開，使其運放組之間的干擾降到最低?；鶞?zhǔn)及偏置電路分別由各自獨立的線性穩(wěn)壓電源上獨立產(chǎn)生，偏置電流用經(jīng)典結(jié)構(gòu)以提高溫度系數(shù)。本文使用兩種不同類型的電阻來匹配，補償MOS管的溫度系數(shù)從而得到溫度系數(shù)良好的基準(zhǔn)電流?；鶞?zhǔn)電壓的產(chǎn)生，也采用了先產(chǎn)生PATA電流再經(jīng)由溫度補償而得到的方式，相比采用運算放大器輸出的帶隙基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計具有更小的輸出噪聲。本設(shè)計的整體電路基本構(gòu)架構(gòu)建完畢。將多級低增益運放串聯(lián)分成三個運放組，分別負(fù)責(zé)電壓電流轉(zhuǎn)換[4]。電壓放大以及前增益調(diào)節(jié)、微分運算以及后增益調(diào)節(jié)并輸出，每個運算放大器組，均采用獨立電源，即完全獨立的偏置以及基準(zhǔn)。

3 模擬通道實現(xiàn)

3.1 跨導(dǎo)型低噪聲運算放大器實現(xiàn)

跨導(dǎo)型低噪聲運算放大器應(yīng)用于電壓電流轉(zhuǎn)換級、電壓放大第一級和微分放大級中的微分器中。其目的是處理微弱信號，并保證微弱信號不失真。使用一對PMOS差分輸入對管作為運算放大器的輸入級，輸出級則采用跨導(dǎo)型運算放大器進行輸出，并采用了串聯(lián)型共源共柵結(jié)構(gòu)。輸入對管采用PMOS，相比使用NMOS輸入的對管來講具有更好的噪聲表現(xiàn)，其缺點是電阻熱噪聲會比較高。但由于信號頻率處于比較低的頻段，受到閃爍噪聲的影響更大，所以不關(guān)注電阻熱噪聲。本設(shè)計中信號為矩形波對邊緣的還原要求比較高，故選取跨導(dǎo)輸出級，可以保證矩形波上升下降邊沿的一致性，即信號邊沿的上升下降速度一至對稱。共源級輸出的輸出電流可以等效看作是電流源同共源級放大器的漏電流分流，端口流出電流的最大值為等效電流源電流，即共源級放大器的偏置電流；而端口流入電流的最大值為共源級放大器的飽和電流。由此可見其輸出端口的流入流出電流的能力并不平衡，因此對于正向與負(fù)向脈沖響應(yīng)的的速度就會有所不同，從而造成輸入信號的邊沿畸變。然而，跨到輸出級可等效為兩個串聯(lián)的電流源并且其電流之和為偏置電流鏡像倍數(shù)，因而其對正負(fù)脈沖響應(yīng)一致。采用共源共柵結(jié)構(gòu)用以提高增益[5]，并提高中低頻電源抑制比；另外也增強了偏置電流，同樣用于在低噪聲優(yōu)化后提高運放增益和帶寬。將輸入級變成了軌到軌輸入級，并通過鏡像電流的方式將兩種類型的輸入級并聯(lián)起來。因為微分級的增益設(shè)置較高，為了簡化補償、增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而設(shè)計了該軌到軌輸入級的跨導(dǎo)型運算放大器。

3.2 增益控制運算放大器實現(xiàn)

增益調(diào)節(jié)運算放大器采用單級PMOS差分輸入對管的共源放大器，在以電壓跟隨器的形式接入增益調(diào)節(jié)電阻之后，通過控制增減該放大器的偏置電流，從而達(dá)到控制輸出增益的目的。該放大器的正向輸入端與放大器組的基準(zhǔn)偏執(zhí)電壓相接，負(fù)向輸入端與輸出相接形成負(fù)反饋。當(dāng)正端與負(fù)端電壓相等時，流過正負(fù)兩輸入對管的偏置電流相同，電流鏡負(fù)載與輸入對管的電流相平衡，輸出無電流，輸出電壓保持不變。當(dāng)有信號時，由于輸出端與負(fù)向輸入端短路相接，致使輸入對管的正負(fù)兩管偏置電流產(chǎn)生變化，由于電流鏡型負(fù)載的存在，將對輸出端口進行充放電強制將輸出端口電壓向著基準(zhǔn)電壓的方向進行調(diào)節(jié)，此時在增益調(diào)節(jié)電阻上就產(chǎn)生了壓降，使得電壓信號在增益調(diào)節(jié)電阻上得到了相應(yīng)的衰減，衰減的倍數(shù)取決于增益調(diào)節(jié)運算放大器的輸入輸出電流的大小，即運算放大器輸入對管的偏置電流大小。本設(shè)計采用一個NMOS管用于產(chǎn)生該運算放大器的偏置電流，只要控制該NMOS的柵源電壓既可實現(xiàn)通過電壓控制增益調(diào)節(jié)運算放大器輸入對管的偏置電流的目的，同時也實現(xiàn)了對增益調(diào)節(jié)電阻上所衰減的放大倍數(shù)進行控制。再結(jié)合增益檢測反饋控制電路，即可實現(xiàn)對該系統(tǒng)的自動增益的控制[6]。增益檢測系統(tǒng)，可以通過在最終輸出級的電壓峰峰值檢測比較器實現(xiàn)。輸出電壓會通過兩個比較器，高位比較器將輸出電壓同輸出電平的上限做比較，低位比較器將輸出電壓同輸出電平的下限作比較，并將比較所得的結(jié)果進行邏輯或運算之后，將其送給自動增益控制調(diào)節(jié)模塊，然后由自動增益控制調(diào)節(jié)模塊給增益控制電壓保持電容進行充電。該電容上的電壓將控制增益控制運算放大器的偏置電流，電容的放電由外部一個大電阻實現(xiàn)緩慢釋放，從而實現(xiàn)自動增益控制，如表1所示。

表1 電壓放大級與微分放大輸出級增益

3.3 軌道軌低噪聲優(yōu)化放大器實現(xiàn)

輸入級軌到軌主要用于增益控制電阻之后進行同向電壓放大，避免輸入擺幅過高時產(chǎn)生信號畸變。輸出級采用輸出軌到軌運算放大器，提高電壓利用率，對全電壓范圍都具有良好的線性度，避免過放后邊沿畸變，從而導(dǎo)致解碼困難。軌到軌運算放大器采用了兩級結(jié)構(gòu)，在輸入級采用了兩種類型的差分共源輸入級，而在輸出級采用線性跨導(dǎo)環(huán)偏置甲乙類輸出級。此外該軌到軌運算放大器還采用了共源共柵偏置結(jié)構(gòu)。該軌到軌運算放大器在輸入級使用了NMOS型差分輸入級和PMOS型差分輸入級，通過共源共柵結(jié)構(gòu)對輸出級進行調(diào)節(jié)控制。由NMOS型差分輸入級對高電壓范圍的信號進行放大，并由PMOS型差分輸入級對低電壓范圍的信號進行放大，得到全電壓范圍的輸入級；在輸出級采用跨導(dǎo)環(huán)偏置甲乙類輸出級，可以確保在輸出全電壓范圍內(nèi)都具有良好的線性度[7]。

3.4 輔助電路實現(xiàn)

輔助電路設(shè)計部分包括供電和偏置部分，還有關(guān)于自動增益控制系統(tǒng)反饋采樣和充電等子電路的設(shè)計。本設(shè)計位于條碼掃描驅(qū)動芯片的模擬信號處理部分，基本的電源基準(zhǔn)和偏置仍來源于整個芯片的供電系統(tǒng)。芯片有一個用于產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓、基準(zhǔn)偏置電流以及過溫保護功能的模塊，用于基準(zhǔn)偏置線性穩(wěn)壓源及模擬通道供電的三路線性穩(wěn)壓源。三路線性穩(wěn)壓源之間的電源與地線，均需在外部獨立配置各自的去耦電容，提高了電源抑制比和通道分離度，增強了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抑制噪聲的能力。

3.4.1 電源部分電路實現(xiàn)

模擬部分的三路模塊供電所用的線性穩(wěn)壓源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生該三路線性穩(wěn)壓源基準(zhǔn)的供電模塊的線性穩(wěn)壓源是一的。模擬通道的三個功能模塊的電源部分結(jié)構(gòu)也是基本一致的，僅為各自的功能模塊提供2.7 V的工作電源。該線性穩(wěn)壓源采用了一個NMOS差分輸入對管共源共柵的跨導(dǎo)型放大器，來驅(qū)動一個PMOS輸出調(diào)整管，以完成線性穩(wěn)壓特性。對該線性穩(wěn)壓源在米勒補償電容的基礎(chǔ)上串連了電阻，增加了零點補償，將相位裕度調(diào)整至60度以上，減小過沖，增強了輸出穩(wěn)定性[8]。這樣設(shè)計也可以獲得較小的電源紋波，使穩(wěn)壓源調(diào)整平滑，將電源紋波對弱信號的影響進一步減小。

3.4.2 偏置部分電路及自動增益控制輔助電路實現(xiàn)

模擬通道部分的放大器偏置均采用在其自身線性穩(wěn)壓源所提供的內(nèi)部電源上獨立產(chǎn)生。該偏執(zhí)部分電路的源級電阻采用了兩種不同類型的電阻混合，還同時使用了共源共柵結(jié)構(gòu)。自動增益輔助電路包括了電壓檢測比較器，增益保持電容驅(qū)動及增益分級調(diào)節(jié)電路。電壓檢測比較器，采用電源分壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)定輸出高電平上限與輸出低電平下限，通過遲滯比較器將輸出電平與上下限電平進行比較，并將結(jié)果送入增益保持電容驅(qū)動器中，對外部的增益保持電容，進行充電來降低增益。

增益分級調(diào)節(jié)電路使電壓放大增益控制級同微分放大增益控制級分開獨立工作，優(yōu)先進行微分后增益調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)至0 dB后，再開啟電壓放大級增益調(diào)節(jié)，優(yōu)先保持前級增益，由后置前調(diào)節(jié)增益，減小增益調(diào)節(jié)放大器對信號造成的干擾。

3.4.3 ESD保護電路實現(xiàn)

本設(shè)計的ESD保護電路在模擬通道部分全部更改采取了獨立GGNMOS的ESD保護器件并采用獨立地線結(jié)構(gòu)。本設(shè)計中，除了模擬通道外的其他PAD均采用常規(guī)互補性ESD保護器件。而對于模擬通道中的所有PAD，僅采用了增大型GGNMOS的ESD保護器件，主要是為了提高電源抑制比，如圖3。

圖3 分離式ESD結(jié)構(gòu)

3.5 版圖優(yōu)化

3.5.1 襯底隔離

由于采用的是N阱P襯底標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，整個芯片上的NMOS襯底均相連在一起，因此襯底串?dāng)_問題則不可避免。本設(shè)計將整個芯片分為左右兩部分布局，芯片的左邊放置其他功能模塊，而整個右邊是模擬信號增益控制系統(tǒng)。中間采用寬地線注入隔離帶，將芯片襯底一分為二，最大程度降低了其他電路對模擬通道部分的襯底干擾。另對于模擬通道內(nèi)部運算放大器進行了單獨的襯底隔離，降低其被相鄰運算放大器或其它電路干擾以及其對其他部分的干擾[9]。

3.5.2 偽差分走線及全屏蔽走線

差分信號對于抗共模干擾的能力比較強，偽差分走線也是提高抗干擾能力的一種方法。將放大器的偏置電壓同單端輸入電壓按照差分線的方式，共同引入差分放大器的輸入級，從而最小程度的降低共模噪聲對弱信號的影響。全屏閉走線將信號線包裹在地線環(huán)之中，使其對外界電磁屏蔽徹底隔離[10]。本設(shè)計中的輸出電位限制檢測和充電信號，是以脈沖的方式工作的，對電源、襯底和弱信號的干擾較大，對這一組脈沖信號進行了全屏蔽走線。

4 產(chǎn)品測試

本設(shè)計中芯片采用工程樣片的方式進行測試修改，在工程樣品階段對芯片做ESD測試，以確保ESD保護器件均正常工作滿足ESD耐壓要求。經(jīng)實際測試，本芯片工程樣品均通過了±2.5 kV的人體模型耐壓測試，CP測試結(jié)果如表2。制作測試用PCB板子來模擬芯片的真實工作環(huán)境，將所有系統(tǒng)都加入到測試環(huán)境中，結(jié)果表明距離20 cm輸出信號結(jié)果良好。

表2 CP測試數(shù)據(jù)截取綜合良率達(dá)到96%以上

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一個微型激光條碼掃描儀的低噪聲模擬自動增益控制系統(tǒng)，集成在激光型條碼掃描驅(qū)動芯片中，從構(gòu)架分析設(shè)計到原理圖設(shè)計再到版圖設(shè)計、測試及改版通過了最終測試，實現(xiàn)具有低噪聲、高增益并支持自動增益控制的高性能處理系統(tǒng)，通過仿真輔助工具對運放電路進行低噪聲優(yōu)化，給每個核心運放提供獨立的低噪聲偏置及基準(zhǔn)源等方法來保證運放組系統(tǒng)的噪聲性能參數(shù)[11]。本文設(shè)計方法采用獨立供電系統(tǒng)抑制信號串?dāng)_，加入了線性穩(wěn)壓供電模塊以進一步提高整個系統(tǒng)的電源抑制比和抗干擾能力[12]。采用了改變輸入電流的方式，對非傳統(tǒng)模擬電路設(shè)計則通過采用改變反饋網(wǎng)絡(luò)的方式加以實現(xiàn)。

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