全差分斬波運放電路和T/H解調技術(shù)應用

1 引言

本文在0.35微米N阱工藝的基礎上，設計了單電源供電的全差分斬波運放電路，同時(shí)，為了減小殘余電壓的失調， 采用了T/H(跟蹤-保持)解調技術(shù)，該電路在斬波頻率150KHz工作時(shí)，輸入等效噪聲達到31.12nV/Hz。

在D類(lèi)音頻放大器的運放電路設計中，信號的低諧波失真(Total Harmonic distortion)和噪聲對運放的設計形成挑戰。對于20～20KHz范圍的音頻信號而言，運放的失真主要是由電壓失調和低頻1/f噪聲引起的。而CMOS工藝相對較高的1/f噪聲和電壓失調，使得這一問(wèn)題尤為嚴重。當要求電路的失調電壓低于1mV且輸入等效噪聲低于100nV/Hz時(shí)。普通的CMOS運放很難滿(mǎn)足需求。而常見(jiàn)的靜態(tài)失調消零技術(shù)，如trimming修調，雖然能很好地消除電壓失調的影響，但是卻不能降低1/f噪聲。解決這個(gè)問(wèn)題的最好方法就是采用動(dòng)態(tài)消零技術(shù)(dynamic offset—cancellation techniques)，如自動(dòng)穩零和斬波技術(shù)。自動(dòng)穩零技術(shù)(Auto zero tiechnique)是通過(guò)對低頻噪聲和失調進(jìn)行采樣，然后在運算放大器的輸入或輸出端將它們從信號的瞬間值中減去，實(shí)現對失調和噪聲的降低。由于自動(dòng)穩零技術(shù)使用的是電容采樣的原理，因此在電路工作中極易將寬帶熱噪聲折疊到基帶頻率內，并且運放的帶寬越寬，采樣電容上的噪聲也越多，通常高達70nV/Hz。斬波技術(shù)(Chopper Technique)是采用調制和解調原理，將低頻噪聲和失調搬移到高頻部分，使用低通濾波濾除，由于沒(méi)有熱噪聲的混疊，因此運放的噪聲電壓比自動(dòng)穩零技術(shù)的更低。但是斬波開(kāi)關(guān)電荷注入和電荷饋通效應的影響，仍然可以產(chǎn)生100uV左右的殘余電壓失調(residual offset)。而且斬波開(kāi)關(guān)的使用，器件的熱噪聲電平將會(huì )有所增加。

2 斬波運放的工作原理

斬波運放的原理如圖1所示，其中Vin是輸入音頻信號，被頻率為fch，幅度為1的斬波開(kāi)關(guān)調制，根據奈奎斯特采樣原理，為了避免信輸入信號的混疊，fch必須遠大于2倍的信號帶寬。



圖1 斬波運放的原理

經(jīng)過(guò)調制后，信號的被搬移到斬波方波的奇次諧波頻率上。此信號被增益為Av的運算放大器放大，同時(shí)運放的輸入噪聲和輸入失調電壓也被運放放大，運放的輸出經(jīng)過(guò)幅度為1，頻率為fch的斬波開(kāi)關(guān)調制后，輸出信號為：



從式(1)可以看出，經(jīng)過(guò)第2次斬波后，輸入音頻信號被解調到低頻段，而運放的電壓失調和低頻噪聲只經(jīng)過(guò)一次調制后被搬移到斬波方波的高頻奇次諧波上，通過(guò)低通濾波后，輸出信號中的高頻分量被濾除，低頻分量還原為音頻信號，從而實(shí)現了對音頻信號的精確放大。

對輸出信號進(jìn)行傅立葉分析，得到運放的最終輸入噪聲譜密度(PSD)為：



其中系數K與工藝的噪聲參數有關(guān)。

3 運放電路的設計

本文設計的斬渡放大器為CMOS全差分電路結構。由斬波開(kāi)關(guān)、主運放電路、輸出級和共模反饋電路四部分組成。電路的工作電壓范圍2.5V～5.5V。斬波運算放大器的電路結構如圖2所示。



圖2 斬波運放的電路結構

輸入斬波開(kāi)關(guān)完成對音頻信號的調制作用，斬波開(kāi)關(guān)在時(shí)鐘上沿和下沿都會(huì )引入殘余電壓失調，圖3為零輸入時(shí)殘余失調電壓的波形。



圖3(a)殘余失調電壓(b)斬波信號



圖4T/H解調及控制時(shí)序

通過(guò)對CMOS開(kāi)關(guān)特性分析可以得出等效輸入殘余失調電壓為Vos,rmts=2Vspiketfch，其中t是MOS開(kāi)關(guān)的時(shí)間常數，從此式可以看出消除殘余電壓失調有三種方法：

1.降低斬波頻率：