精密放大器和低噪聲失調電路技術(shù)

　　1 運算放大器的現狀

　　運算放大器自1963年問(wèn)世以來(lái)，走過(guò)了很長(cháng)的發(fā)展道路，并成為所有線(xiàn)性系統中事實(shí)上的標準部件。幾乎每個(gè)大型半導體制造商的產(chǎn)品線(xiàn)中都有運算放大器這個(gè)產(chǎn)品。根據不同的應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(lèi)運放產(chǎn)品。目前放大器的性能水平已達到了如下指標，這在20世紀60年代是聞所未聞的：帶寬超過(guò)1 GHz；轉換速率超過(guò)5 000 V／μs；工作電流低于10μA；工作電壓低至0.9 V；輸入失調電壓低于20 μV。

　　2 精密放大器

　　精密放大器一般指失調電壓低于1 mV的運放，在使用過(guò)程中，他強調電路工作的低噪聲和低失調性能。隨著(zhù)新型傳感器技術(shù)(如導彈陀螺、MEMS微機械傳感器等)的應用推廣以及整機性能的提高，對該類(lèi)型運算放大器的精度和帶寬都提出了更高的要求。為了適應這種需求，國外IC公司已陸續推出了一些寬帶產(chǎn)品。

　　3 低噪聲失調電路技術(shù)

　　新型傳感器的應用對運放精度提出了更高的要求，對微傳感器來(lái)說(shuō)，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(lái)的失調和低頻1／f噪聲的增加，對微傳感器讀出電路的設計提出了巨大的挑戰。為了達到上一代CMOS工藝下相同的動(dòng)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)降低失調電壓和1／f噪聲。

　　目前，主流的實(shí)現低失調、低噪聲的電路技術(shù)主要有：自穩零AZ(autozero)技術(shù)、相關(guān)雙采樣CDS(CorrelatedDouble Sampling)技術(shù)和斬波穩零CHS(Chopper Stabilization)技術(shù)。本文主要介紹AZ和CHS技術(shù)。

　　3.1 自穩零技術(shù)(AZ)

　　3.1.1 AZ基本原理

　　自穩零技術(shù)(AZ)的基本思想是，先將噪聲和失調采樣并保存，再將其從輸入或輸出的瞬態(tài)信號中除。當然也可以通過(guò)在輸入和輸出之間增加一個(gè)額外的端口來(lái)實(shí)現對噪聲和失調的歸零。如果噪聲信號是不隨時(shí)間變化信號(如DC失調)，他將被消除；如果是一緩慢變化的低頻隨機噪(如1／f噪聲)，將被高通濾除。其原理如圖1所示，假定輸入參考失調電壓為Vos，輸入參考噪聲為VN。AZ過(guò)程分為兩個(gè)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Vos和噪聲VN被采樣并保存，并以負反饋的形式從端口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(shí)基本相同，那么噪聲和失調將被消除。

　　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fcTs=5時(shí)，白噪聲在A(yíng)Z過(guò)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(∣fTs∣≤0.5)折疊分量占主導地位。

　　(2)對1／f噪聲的影響

　　對于閃爍噪聲(1／f)PSD我們可以通過(guò)相似的分析得到，設1／f噪聲的轉角頻率為fk。如圖3所示，由于采樣函數在DC處引入了零點(diǎn)，1／f噪聲被大大削弱。同時(shí)，雖然1／f噪聲是一窄帶過(guò)程，但其“尾巴”在采樣過(guò)程中引入了混疊。在奈奎斯特頻率范圍內，1／f噪聲混疊分量可以近似為：

　　3.1.3 存在的缺陷

　　AZ在消除運放失調的同時(shí)，也大大削弱了1／f噪聲，但其欠采樣過(guò)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輸出白噪聲成份有所增加。同時(shí)，1／f噪聲的“尾巴”也將在采樣過(guò)程中導致輸出的混疊，加大采樣頻率可減輕混疊，但與此同時(shí)也帶來(lái)了負面效應，包括時(shí)鐘潰通(clock feed-through)和溝道電荷注入(channel charge injection)效應。