低失調(diào)電壓低輸入噪聲儀表放大器設(shè)計*

榮家敬，任 建，辛?xí)詫?/p>

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽110870）

1 引 言

近年來，隨著電子技術(shù)快速發(fā)展，集成運(yùn)放的市場需求越來越多。儀表放大器具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)漂移、良好的穩(wěn)定性等特性，使用方便，被廣泛應(yīng)用于精密電路系統(tǒng)領(lǐng)域，例如工業(yè)儀表、航空航天、醫(yī)療器件等[1]。

儀表放大器是一種源于運(yùn)算放大器，但卻優(yōu)于運(yùn)算放大器的精密差分電壓放大器。作為一種閉環(huán)增益組件，它具有一對差分輸入和一個單端輸出。運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益由其反相輸入端與輸出端之間連接的外部電阻所決定,而儀表放大器則是由與輸入隔離的內(nèi)部反饋電阻決定的[2]。

目前儀表放大器的失調(diào)電壓在10mV左右，而輸入噪聲為20μV/sqrt(Hz)。本文所設(shè)計的儀表放大器不僅能夠編程設(shè)置增益，在此基礎(chǔ)上，還首創(chuàng)采用失配分析，使得仿真結(jié)果更加接近實(shí)際情況，與參考文獻(xiàn)[3]相比失調(diào)電壓小了一個數(shù)量級，等效輸入噪聲小于101.75 nV/sqrt(Hz)。

2 儀表放大器原理

儀表放大器與通常所說的“運(yùn)放”不同，實(shí)際上是由三個放大器和若干電阻構(gòu)成的。典型的儀表放大器如圖1所示。在實(shí)際使用時一般采用一個封裝于其中的運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)，對其電阻也有嚴(yán)格的要求。儀表放大器最突出的優(yōu)點(diǎn)是具有很高的共模抑制比，但前提是其中的某些電阻需要高度匹配[4-5]?；疽笫瞧渲蠷3=R4，R5=R6，實(shí)際使用時通常也要使R1=R2。

圖1 儀表放大器原理圖

在假設(shè)圖1中所有放大器都是理想運(yùn)算放大器且其中電阻滿足上述要求時，儀表放大器的輸入、輸出關(guān)系很容易得到。當(dāng)我們說“假設(shè)一個放大器是理想運(yùn)算放大器”時，包含許多假設(shè)，例如開環(huán)增益無窮大、輸入阻抗無窮大、帶寬無窮大等。一個容易被忽視的假設(shè)是，這種放大器必須是雙電源供電的，因?yàn)樵诜治鰰r要求運(yùn)放的輸出是可正可負(fù)的。在滿足上述假設(shè)且電路的反饋關(guān)系為負(fù)反饋的條件下，運(yùn)放的同相端電壓嚴(yán)格等于反相端電壓，因此在圖1中，有：

用式(1)減(2)可得：

假設(shè)圖1中的VCM點(diǎn)電壓為0，R3=R4，R5=R6，則有：

3 可控儀表放大器電路

儀表放大器整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。從結(jié)構(gòu)上看，這種放大器與基本的儀表放大器較為相似，但也存在一些差別。首先，第3個放大器A3采用了全差分結(jié)構(gòu)，最終輸出是差分信號，這與單端輸出結(jié)構(gòu)相比有一個顯著的優(yōu)勢，就是可以消除共模噪聲的影響；其次，該放大器采用了斬波技術(shù)，在每個放大器前都增加了交叉開關(guān)，通過斬波技術(shù)可以將輸入噪聲和輸入失調(diào)電壓調(diào)制到高頻，通過一個簡單的低通濾波器就可以將噪聲濾除[6]。其中RS1和RS2、RS3和RS4都是相同的可控電阻。

圖2 可控儀表放大器

圖3為可控儀表放大器中的交叉開關(guān)。當(dāng)控制信號S=1 時，Vo1=Vi1，Vo2=Vi2，而當(dāng)S=0 時，Vo1=Vi2，Vo2=Vi1。使用這種開關(guān)后，圖2中放大器的同相端和反相端的信號是可以互換的，利用這一技術(shù)即可消除或減小器件失配的影響。

圖3 交叉開關(guān)

圖4是可控電阻RS1和RS2的電路圖，圖5則是可控電阻RS3和RS4的電路圖。圖中A、B、C是可控電阻器的端點(diǎn)，與圖2中可控電阻器的端點(diǎn)相對應(yīng)。

圖4 可控電阻RS1和RS2

圖5 可控電阻RS3和RS4

圖2中的放大器A1和A2內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，如圖6所示。其中 M5、M6、M9、M10等晶體管和兩個簡單放大器A4的作用，從靜態(tài)角度看，該電路可以理解為一種低壓差的鏡像電流源，放大器A4的作用是令A(yù)點(diǎn)和B點(diǎn)的電位相同。從動態(tài)特性的角度看，該電路相當(dāng)于增加了從M9邏輯看上去的動態(tài)電阻RO。這種電路也稱為增益提升電路[7-8]。M25、M26及放大器A5的作用與增益提升電路作用相同。

圖7是放大器A1和A2簡化后的電路圖，該電路是一種AB類放大器。所謂AB類放大器就是甲乙類放大器，是一種能夠輸出較大電流的放大器，可驅(qū)動較小的電阻和較大的電容。AB類放大器的靜態(tài)電流較小，但在有需要時可輸出較大的電流。圖7中的iP和iN是來自差分輸入管M21和M22的電流，這兩個電流之和不變，靜態(tài)時，放大器的兩個輸入端電壓VP=VN，則iP=iN。由于差分輸入管是PMOS管，當(dāng)VP＞VN時，iP減小，iN增加。圖中的IB3和IB4是前文所述的經(jīng)增益提升技術(shù)處理的電流源，具有很高的輸出電阻，因此，微小的電流變化就能使D點(diǎn)和C點(diǎn)產(chǎn)生很大的電壓變化。圖中的M18、M19、M13和M16等在動態(tài)時是共柵極電路，具有同相電壓放大作用，因此，當(dāng)C點(diǎn)電壓升高時，E點(diǎn)電壓也升高。當(dāng)出現(xiàn)上述變化時，IOP將減小，ION將增加，而電路的輸出電流IOL為IOP與ION之差，故IOL將減小。可以看出，放大器的增益主要取決于電流源IB3和IB4的輸出電阻，如果IB3和IB4是理想的，放大器有無窮大的開環(huán)增益。M1、M2、M18和 M12構(gòu)成的跨導(dǎo)線性環(huán)（transline loop）為M12管提供靜態(tài)偏置電流[9-10]。由于M18和M2的柵極都是連接在A點(diǎn)的，M1和M12的源極都是VDD，所以：

圖6 放大器A1和A2結(jié)構(gòu)

圖7 放大器A1和A2的等效電路

MOS管漏極電流與VGS的關(guān)系為：

式(5)可以寫為：

所以，式(6)左邊可以寫為：

M12管的靜態(tài)電流IDS12則為：

從式(8)可以看出，MOS管M12的靜態(tài)電流由電流源IB2、IB3和晶體管尺寸決定，與電源電壓無關(guān)。

圖8 A3全差分放大器

儀表放大器A3與A1、A2結(jié)構(gòu)都相同，不同之處在于A3是全差分結(jié)構(gòu)，圖8是放大器A3電路圖。

全差分運(yùn)算放大器都存在輸出共模電壓不穩(wěn)定的問題，需要用到共模反饋，圖9即是其電路。

圖9 共模反饋電路

其中R1和R2大小相等，用于檢測輸出共模電壓，然后共模電壓通過放大器與參考電壓比較來調(diào)節(jié)全差分運(yùn)算放大器A3的電流，同時調(diào)節(jié)圖8中的Q23和Q24來改變輸出，進(jìn)而將輸出的共模點(diǎn)調(diào)節(jié)到Vref。通常共模電壓為電源電壓的一半，所以Vref的值取為電源電壓的一半，其值可以從RW中求取。

4 實(shí)驗(yàn)仿真

首先驗(yàn)證儀表放大器的增益可調(diào)功能。輸入信號為增選信號，信號的頻率為1kHz,振幅為1mV。增益調(diào)整編碼順序?yàn)锳L2AH2AH1AL1。圖10是不同增益編碼對應(yīng)的輸出結(jié)果。圖中的輸出是差分結(jié)果，從中可以看出，在0000時增益為16，在0001時增益為32，在0010時增益為64，在0011時增益為128，在1000時增益為1，在1001時增益為2，在1010時增益為4，在1011時增益為8。

圖10 增益可控測試

之后進(jìn)行失調(diào)電壓分析。在改變電阻電容和MOS管工藝角下，對輸入差分對管進(jìn)行30次蒙特卡羅分析。圖11是蒙特卡洛分析仿真輸出。從圖中可以看出在全工藝角下，30次蒙特卡羅分析條件下失調(diào)電壓可以控制在1.8mV以內(nèi)。

圖11 全工藝角下30次蒙特卡洛分析

對最終結(jié)果繪圖分析。圖12是均方根噪聲，圖13則為等效輸入噪聲。從圖中可以看出均方根噪聲在低頻時保持在10.25fV，等效輸入噪聲維持在101.75nV/sqrt(Hz)。

圖12 等效輸入噪聲

圖13 均方根噪聲

從仿真結(jié)果可以看出所設(shè)計儀表放大器實(shí)現(xiàn)了1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍、128倍放大，儀表放大器的失調(diào)電壓低于1.8mV，等效輸入噪聲小于101.75nv/sqrt(Hz)，均方根噪聲小于10.25fV，獲得了較為理想的效果。

5 結(jié)束語

采用雙輸入雙輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計出了一款儀表放大器，能夠有效地抑制共模噪聲。在仿真上首次采用了蒙特卡洛分析，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果更加接近。采用可變增益，能方便用戶的使用，而斬波技術(shù)的采用則有效地降低了輸入噪聲。上述技術(shù)使得本次設(shè)計的儀表放大器能夠適用于精密電路領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。