一种适合集成传感器的微弱信号读出放大器

1、第34卷第1期2004年2月微电子学MicroelectronicsVol134,1Feb12004文章编号:100423365(2004)0120097204一种适合集成传感器的微弱信号读出放大器蔡光杰,沈延钊(清华大学微电子学研究所,北京100084)摘要:抑制低频噪声和失调,18OS工艺设计,并进行了实际流片。5614nVHz。关键词:;斩波放大器;带通滤波器中图分类号:432;TN722文献标识码:AAWeakSignalSensingAmplifierforIntegratedSensorsCAIGuang2jie,SHENYan2zhao(InstituteofMicroelect

2、ronics,TsinghuaUniversity,Beijing100084,P1R1China)Abstract:Alow2noiseweaksignaldetectionamplifierforlow2frequencyintegratedsensorsisdesigned1Forthisdevice,choppingtechniqueisusedtoreducelow2frequencynoiseandoffset,andbandpassfilterisusedtoreducetheresidualoffset1Thecircuit,whichisimplementedina0182m

3、n2wellCMOSprocess,hasagainof37dBandanequivalentinputnoiseof5614nVHz1Keywords:Sensor;Weaksignaldetection;Sensingamplifier;Chopperamplifier;BandpassfilterEEACC:2570D;1220斩波放大器的基本原理2是,先用调制器将输1引言在现有集成传感器技术中,将微弱信号放大的读出电路是重要的接口电路。传感器都在一个集成的环境下完成,通常使用CMOS工艺技术。因此,读出放大器必须与CMOS工艺兼容。但是,放大器采用CMOS工艺,会受到噪声(1 f噪声)

4、大和直流失调大的影响,从而影响放大器的性能。对于微弱信号来说,这些非理想因素甚至会掩盖需要检测的信号,因此,必须采取措施,减少电路的噪声和失调。目前比较常用的低噪声电路设计技术有:自稳零技术、相关双采样技术和斩波技术1。但是,自稳零技术和相关双采样技术都需要采样保持过程,这会将欠采样宽带噪声引入电路,开关的电荷注入也会带来残余失调。斩波技术则不需要采样过程,使用的是调制解调技术,不会产生欠采样噪声。收稿日期:2003203203;定稿日期:2003204229入信号调制成高频信号,调制频率比1 f噪声等低频噪声高得多。当信号被放大时,这些噪声只留在低频的位置,不会影响被调制到高频的信号。再经过

5、解调器时,高频的调制信号解调恢复为原来的频谱,而失调和1 f噪声却被调制到高频,与恢复频谱的信号仍然是分开的。最后,只要用低通滤波器将被调制到高频的失调和噪声滤掉,就能实现微弱信号的放大。但是,斩波技术并不是没有缺陷的,最大的不足就是引入残余失调,它主要是由调制器的非理想性造成的。因此,要提高斩波放大器的灵敏度和精度,必须减少残余失调电压。2斩波放大器电路的设计斩波放大器包括调制器、放大器、解调器和低通 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 98蔡光杰等:一种适合集成

6、传感器的微弱信号读出放大器2004年滤波器四个部分。211减少残余失调斩波放大技术中的残余失调主要来源于调制器的非理想因素(主要是时钟馈通和电荷注入),图1为调制器。调制器由M1M4组成,在互不重叠脉冲f1和f2的控制下,对输入信号Vin+和Vin-进行调制。在每次开关中,一定量的电荷q注入到内部电路等效输入电容Cin,产生一个峰值电压为Vinj=q Cin的“尖峰”,并以时间常数=2RsCin指数放电到原始值,周期为T=1 fchop。器的放大,T,这就是残余失调。的匹配误差的存在,而且尖峰的基次谐波在总残余失调中占支配地位,以及尖峰的带宽通常比带通滤波器的带宽大得多(1 2f0 Q),可以

7、近似:+2Q(3)VoffVinjA0Q)T(2Q式中,e=(fchop-f0)f0(3)式表明,加入二,(2 T(1+(2Q)2)倍(值小于1)。斩波放大器最终电路框图如图2所示。图2斩波放大电路原理框图其中,放大器由前置放大器和带通滤波器组成,图1斩波放大器的调制器在电路中增加前置放大器,对信号进行预放大,保证电路的增益满足性能要求。212二阶带通滤波器的设计(1)用傅里叶分析得到的残余失调3为Voff=式中,MXk=1kkAkMkmk)cos(xk+ak-和mk是解调器方波傅里叶级数中k集成模拟滤波器可以分成离散时间和连续时间滤波器。离散时间滤波器通常有采样过程,难以达到低噪声,连续时间

8、滤波器则没有该过程。本文采用Gm2C技术实现连续时间滤波器。次项的幅度和相位,Xk和xk是尖峰信号傅里叶级数中k次项的幅度和相位,Ak和ak是选频放大器传输函数k次项的幅度和相位。从(1)式可以看出,斩波放大器要减少残余失调,需要处理残余失调的幅度和相位响应两方面。从参考文献3得知,使用二阶带通滤波器,可以有效减少残余失调。直观来说,当带通滤波器的中心频率等于斩波频率fchop用Gm2C技术构成的二阶带通滤波器的原理图如图3所示。图3二阶带通滤波器原理图时,被调制的数据信号和尖峰信可以得到传输函数为:Hout号的一次谐波被选择性放大,尖峰信号的其他高次谐波则被衰减掉。而且,二阶带通滤波器的调制

9、和解调时钟都不需要相移(即同一个方波脉冲),抑制了不同时钟产生的寄生效应。带通滤波器的传输函数为A(f)=221+jQff=s+sgm1+C1C2(4)从图3中可以看出,二阶带通滤波器的核心是由两个积分器(Gm22C1和Gm32C2)构成的谐振回路组成的。取C1=C2=C,gm2=gm3=gm,s=j2f,A0=gm02gm,f0=gm C,以及Q=gm gm1代入,得到的传输函数与(2)式相同。在Gm2C技术中,跨导器的设计是关键,本论文设计的跨导器电路如图4所示。(2)式中,A0为基本增益,Q为质量因子,f0为带通滤波器的中心频率。代入(1)式,并考虑到f0和fchop 1994-2009

10、 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期蔡光杰等:一种适合集成传感器的微弱信号读出放大器99复杂度比较低,有利于提高电路的低噪声性能。从文献4可知,选择W1 L1和W3 L3的比为6,能使跨导器的线性性能达到较优。同时,电路的输入级用并且,增加输入管的面PMOS管,有利于减少噪声。积,减少1 f噪声;同时,适当增大W1 L1的值,减少热噪声5,进一步提高了电路的低噪声性能。共源共栅结构的M52M6和M72M8。M1112,提高了,。,二阶带通滤。先通过模拟仿跨导器采取M12M4的四

11、管结构,工作在线性区4的M32M4大大改善了差分对的线性,而且电路的真调试好的跨导器,再组合实现的二阶带通滤波器电路如图5所示。图5带通滤波器电路图和可调电容带通滤波器的增益由两部分组成,基本增益A=gm0 因为它们的值由各gm,质量因子Q=gm gm1。个跨导比值决定,而跨导值是由偏置电流决定的。因此,选择适当的偏置电流,可使电路的增益达到要求。因为f0=gm 2C,设计中采用接地NMOS管来实现图5中的可调节电容,通过激活开关S12S3微调总电容值,从而实现微调带通滤波器的中心频率。采用上华018mCMOS工艺器件模型,在工作站上用Hspice对带通滤波器进行模拟,得到滤波器的中心频率为5

12、11kHz,带宽为1kHz。213前置放大器的设计前置放大器电路图如图6所示,它采用了折叠共源共栅的结构,线性跨导器用作输出级。前置放大器的增益由输入跨导值与输出跨导值的比决定。因为电路的输入级也是放大器的输入级,因此,为了减少噪声,输入管采用PMOS管差分对,并且增加管子的面积,以减少1 f噪声,增大W1 L1的比值,以减少热噪声。本电路中,W1 2。同时,选择100L1=360 A的大偏置电流,以确保高输入跨导和前置放大器的噪声性能。M52M6与电路的输出接成负反馈电路,提高了电路的共模特性,起着稳定电路的作用。图6前置放大器电路图 1994-2009 China Academic Jou

13、rnal Electronic Publishing House. All rights reserved. 100蔡光杰等:一种适合集成传感器的微弱信号读出放大器2004年前置放大器的频率响应模拟结果显示,拐角频率为3000kHz。214整个电路的幅频特性和功能验证完整的斩波放大器电路模拟幅频特性如图7所示,拐角频率为600Hz。抑制。3实验结果斩波放大器电路采用上华018mN阱CMOS工艺设计规则进行版图设计,并在上华工艺线上进行投片试制。,37dB,共518kHz,5614nVHz。4结论图7斩波放大器幅频特性在模拟过程中,为了验证斩波放大器抑制内部噪声的功能,人为地在内部增加了噪声信号

14、,以比较输入和输出信号的变化。图8给出了验证过程。介绍了一种适用于集成传感器读出电路的斩波放大器,设计了Gm2C带通滤波器和前置放大器,使电路具有低噪声性能。电路测试结果显示,该斩波放大器电路功能完全正确,实现了低噪声弱信号放大,电路性能基本上达到了设计要求。参考文献:1EnzC,TemesC1Circuittechniquesforreducingtheeffectsofop2ampimperfections:autozeroing,correlateddoublesampling,andchopperstabilizationJ1ProcIEEE,1996;84(11):158421614

15、12EnzC,VittrozE,KrummenacherF1ACMOSchopperamplifierJ1IEEEJSolStaCirc,1987;22(6):335234213MenolfiC,HuangQ1Alow2noiseCMOSinstrumen2tationamplifierforthermoelectricinfrareddetectorsJ1IEEEJSolStaCirc,1997;32(7):968297614KrummenacherF,JoehlN1A42MHzCMOScontin2uous2timefilterwithon2chipautomatictuningJ1IEEEJSolStaCirc,1988;23(6):750275815GrayPR,HurstPJ,LewisSH,etal1AnalysisanddesignofanalogintegratedcircuitsM1NewYork:JohnWiley&Sons,Inc,2001174828071图8仿真模拟中斩波放大器抑制噪声过程图8(a)是输入的弱信号,(b)是在调制器和前置放大器之间人为增加的噪声信号,其幅度大于输入信号的幅度。经过前置放大器,带通滤波器以及解调可以看出,输出信器,得到输出信号,如图8(c)所示