CN110932673A - 一种包含并联陷波滤波器的斩波稳定放大器 - Google Patents
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Abstract
一种包含并联陷波滤波器的斩波稳定放大器包括第一跨导放大器，第一斩波电路，其输出耦合到第一跨导放大器的输入，用于斩波输入信号并将斩波输入信号施加到第一跨导放大器的输入，以及第二斩波电路，其输入耦合到第一跨导放大器的输出用于斩波由第一跨导放大器产生的输出信号。乒乓陷波滤波器连接到第二斩波电路的输出，并对由第二斩波电路产生的斩波输出信号执行积分和传递功能，以滤波纹波电压。乒乓陷波滤波器包括并联连接的第一和第二陷波滤波器，每个陷波滤波器具有耦合到第二斩波电路的输出的输入。
Description
技术领域
本发明涉及放大器电路，并且更特别地，涉及用于降低纹波噪声的斩波稳定放大器。
背景技术
低偏移电压和低纹波噪声对于仪表放大器和运算放大器都很重要。插入斩波器和增加级增益是已广泛用于降低放大器偏移电压的常用技术。但是，传统的斩波稳定放大器的输出纹波噪声仍然很高。传统的斩波稳定放大器可在输入级保持宽带噪声特性，但是却将输入偏移电压转移给斩波信号，从而在放大器输出端产生较大的纹波电压。
图1示出了具有偏移和纹波校正环路12的现有斩波稳定放大器10。斩波稳定放大器输出的纹波电压分量可以达到大约10μV。然而，它的缺点是偏上电容面积大并且稳定性要求导致瞬态反应慢，因为反馈环路不具有非常快的瞬态响应。
图2示出了另一种现有的斩波稳定放大器20，它具有单个陷波滤波器22，用于降低纹波噪声。放大器20包括跨导放大器24以及位于跨导放大器24输入之前的第一斩波电路26和位于跨导放大器24输出之后的第二斩波电路28。图3示出了图2的放大器20的波形。如图2和3所示，斩波级和陷波滤波器级的时钟频率相同并且具有90度相移。如图3所示，电容器C6和C7对斩波器级输出电压对每个斩波周期的正斩波阶段和负斩波阶段进行采样，从而对每个斩波周期进行两次采样，并且在每半个陷波阶段将电容器c6和C7上的电荷传递到电容器C8。由于工艺变化，放大器GM1的充电和放电电流是不平衡的。斩波器级输出的上升沿和下降沿不对称。由于这种不对称性，在电容器C8处产生大的纹波电压并因此在输出处产生大的纹波电压。例如，如果在斩波阶段插入10mV偏移，则斩波稳定放大器输出中的纹波电压分量约为1.7mV，而平均输出偏移小于3μV。单陷波滤波器22可以消除偏移，但是不能消除输出纹波噪声。
因此，期望实现一种斩波稳定放大器，其具有低纹波噪声和低偏移电压。
发明内容
本发明内容提供了将在具体实施方式中详细说明的简化形式的概念的选择。本发明内容不是为了确定主题的关键特征或必要特征，也不是为了用于限定所主张的主题的范围。
根据一个实施例，本发明提供一种斩波稳定放大器，包括第一跨导放大器，第一和第二斩波电路，以及乒乓陷波滤波器。第一斩波电路耦合到第一跨导放大器的输入，用于斩波输入信号并将斩波的输入信号施加到第一跨导放大器的输入。第二斩波电路耦合到第一跨导放大器的输出，用于斩波由第一跨导放大器产生的输出信号。乒乓陷波滤波器具有并联连接的第一和第二陷波滤波器。第一陷波滤波器和第二陷波滤波器中的每一个具有耦合到第二斩波电路的输出的输入。乒乓陷波滤波器对由第二斩波电路产生的斩波输出信号执行积分和传递功能，以对纹波电压进行陷波滤波。
在一个实施例中，在第一陷波滤波器和第二陷波滤波器的时钟之间存在90°相移。
在一个实施例中，斩波稳定放大器还包括第二跨导放大器，其输入耦合到第一陷波滤波器的输出；第三跨导放大器，其输入耦合到第二陷波滤波器的输出；以及第四跨导放大器，其输入耦合到第二跨导放大器的输出，然后第二和第三跨导放大器的组合输出被提供给第四跨导放大器的输入。
在一个实施例中，斩波稳定放大器还包括第五跨导放大器，其具有接收输入信号的输入，以及其输出耦合到第二和第三跨导放大器的组合输出。
在另一实施例中，斩波稳定放大器还包括耦合在第三跨导放大器的输出和第一陷波滤波器的输入之间的缓冲器。
本发明还提供了一种操作斩波稳定放大器的方法。该方法包括斩波输入信号并将斩波的输入信号施加到第一跨导放大器的输入端，并以斩波频率斩波由第一跨导放大器产生的输出信号以产生斩波输出信号。通过包括并联连接的第一和第二陷波滤波器的乒乓陷波滤波器对由第二斩波电路产生的斩波输出信号执行积分和传递功能，以对纹波电压进行陷波滤波。
附图说明
所以可以详细地理解本发明以上所记载的特征的方式，依据实施例的本发明特定的描述和以上发明内容，一些实施例在附图中示出。将注意的是，然而，附图只示出了本发明典型的实施例，因此不被认为对范围的限定，因为本发明可能具有其他同样有效的实施例。应当理解的是附图只是示意的和并不是按比例绘制。所主张的主题的优点对于本领域技术人员在阅读本说明书和结果附图的基础上是显而易见的，附图中的标记数字被用于表示如元件，其中：
图1示出了具有偏移和纹波校正环路的传统斩波稳定放大器的示意图；
图2示出了具有单个陷波滤波器用于降低纹波噪声的另一种传统的斩波稳定放大器的示意图；
图3示出了图2电路的陷波滤波器波形图；
图4示出了根据本发明的一个实施例的斩波稳定放大器的示意图；
图5示出了图4的斩波稳定放大器的一种操作模式；
图6示出了图4电路的波形图；以及
图7示出了根据本发明的另一个实施例的斩波稳定放大器的示意图。
具体实施方式
如图1所示，斩波稳定放大器400包括负(-)输入端和正(+)输入端，通过该输入端将输入信号Vin施加到第一斩波电路401。第一斩波电路401的输出端连接到到跨导放大器402的输入端。第一斩波电路401斩波输入信号Vin并将斩波输入信号施加到跨导放大器402。跨导放大器402的输出连接到第二斩波电路403的输入。第二斩波电路403斩波由跨导放大器402产生的输出信号。斩波电路在本领域中是已知的(参见例如图2，斩波电路26和28)，因此这里不需要进一步描述这些元件。由第二斩波电路403产生的斩波输出信号被提供给第一和第二陷波滤波器404和405。第一和第二陷波滤波器404和405并联连接。
陷波滤波器404和405接收各自的时钟信号，并且在这些时钟信号之间存在90°相移，在下面将进一步讨论。
第一陷波滤波器404包括连接在第一节点N1和第二节点N2之间的第一开关406A，连接在第二节点N2和第三节点N3之间的第二开关406B，连接在第四节点N4和第五节点N5之间的第三开关406C，以及连接在第五节点N5和第六节点N6之间的第四开关406D。第一积分和传递电容器C1连接在第二节点N2和第五节点N5之间。第一陷波滤波器404还包括连接在第一节点N1和第七节点N7之间的第五开关407A，连接在第七节点N7和第三节点N3之间的第六开关407B，连接在第四节点N4和第八节点N8之间的第七开关407C，以及连接在第八节点N8和第六节点N6之间的第八开关407D。第二积分和传输电容器C2连接在第七节点N7和第八节点N8之间。第三电容器C3连接在第三节点N3和第六节点N6之间。第三电容器C3改善了过滤和降低纹波噪声。第二跨导放大器408具有在第三和第六节点N3和N6处连接到第一陷波滤波器404的输出的输入，并且第三跨导放大器409具有连接到第二跨导放大器408的输出的输入。
第二陷波滤波器405与第一陷波滤波器404相似。第二陷波滤波器405包括连接在第九节点N9和第十节点N10之间的第九开关410A，连接在第十节点N10和第十一节点N11之间的第十开关410B，连接在第十二节点N12和第十三节点N13之间的第十一开关410C，以及连接在第十三节点N13和第十四节点N14之间的第十二开关410D。第四积分和传输电容器C4连接在第十节点N10和第十三节点N13之间。第二陷波滤波器405还包括连接在第九节点N9和第十五节点N15之间的第十三开关411A，连接在第十五节点N15和第十一节点N11之间的第十四开关411B，连接在第十二节点N12和第十六节点N16之间的第十五开关411C，以及连接在第十六节点N16和第十四节点N14之间的第十六开关411D。第五积分和传输电容器C5连接在第十五节点N15和第十六节点16之间。第六电容器C6连接在第十一节点N11和第十四节点N14之间。第四跨导放大器412的输入连接到第二陷波滤波器405的输出，更具体地，连接到第十一节点N11和第十四节点N14。第四跨导放大器412的输出连接到第二跨导放大器408的输出，然后组合的放大器输出一起提供给第四跨导放大器409的输入。更具体地，第二和第四放大器408和412的输出(组合)被提供给第三放大器409的负(-)输入端，而第三放大器409的正(+)输入端连接到地。
第一陷波滤波器404与第二陷波滤波器405并联连接并且布置为乒乓陷波滤波器从而允许斩波稳定放大器400实现低纹波，其中陷波滤波器404和405抑制由于第一跨导放大器402中的偏移而产生的纹波。在图2所示的单陷波滤波器装置中，输出纹波未被有效去除。然而，本发明的乒乓布置大大降低了输出纹波。
第五前馈跨导放大器413具有负(-)输入端和正(+)输入端以接收输入信号(Vin)。前馈跨导放大器413的输出连接到第三跨导放大器409的输入。
第一跨导放大器402，第二跨导放大器408，第三跨导放大器409，第四跨导放大器412和第五跨导放大器413的跨导分别是GM1，GM2，GM3，6M4和GMFF。
在一个实施例中，第一陷波滤波器404的第一节点N1连接到第七电容器C7的一个端子，第三节点N3连接到第八电容器C8的一个端子。第七和第八电容器c7和C8的另一个端子连接到第三跨导放大器409的输出。第四节点N4连接到第五电容器c9的一个端子，节点N6连接到第十电容器C10的一个端子。第九和第十电容器C9和C10的另一个端子接地。
在一个实施例中，第二陷波滤波器405的节点N11连接到第十一电容器C11的一个端子，第十一电容器C11的另一个端子连接到第三跨导放大器409的输出。陷波滤波器405的第十四节点N14连接到第十二电容器C12的一个端子，第十二电容器c12的另一个端子接地。
在一个实施例中，第十三电容器C13连接在第三跨导放大器409的输出和前馈(第五)跨导放大器413的输出之间。
图5示出了图4的斩波稳定放大器400的一种操作模式的时序图。第一时钟信号(PHASE1)，第二时钟信号(PHASE2)，第三时钟信号(PHASE3)，第四时钟信号(PHASE4)和第五时钟信号(PHASE5)用于控制斩波信号和陷波滤波器开关，如图4所示。第一时钟信号(PHASE1)控制斩波电路401和斩波电路403的斩波信号。第二时钟信号(PHASE2)控制开关406A，406C，407B和407D。第三时钟信号(PHASE3)控制开关406B，406D，407A和407C。PHASE4控制开关410B，410D，411A和411C。阶段5控制开关410A，410C，411B和411D。在图5中，第二时钟信号(PHASE2)和第三时钟信号(PHASE3)陷波滤波彼此异相的时钟信号，并且以斩波信号周期的四分之一延迟以斩波信号频率第一时钟信号(PHASE1)的一半操作。四分之一周期延迟允许90度延迟，这意味着斩波信号和陷波滤波器时钟信号彼此正交，这降低了高次谐波并且对于减少闪烁噪声是有用的。第一和第二陷波滤波器404和405中的每一个包括两个并行信号路径，每个信号路径的开关操作频率是斩波信号频率的一半。
开关410A，410B，410C和410D由PHASE4控制，开关411A，411B，411C和411D由PHASE5控制。PHASE4和PHASE5彼此异相。PHASE2和PHASE3彼此异相。由陷波滤波器404和405各自在正斩波阶段和负斩波阶段对第二斩波电路403产生的斩波输出信号进行采样。例如，当第一时钟信号(PHASE1)为高电平时，斩波输出信号的电压在第一时钟信号(PHASE1)的高电平的中点被C1和c2采样，C1和c2上的电荷被转移到C3。当第一时钟信号(PHASE1)为低电平时，斩波输出信号的电压在第一时钟信号(PHASE1)的低电平状态的中点被C4和c5采样，C4和C5上的电荷被转移到c6。C3和C6上的电压分别提供给第二和第四跨导放大器408和412，并且组合第二和第四跨导放大器408和412的输出。因为正相和负相分别由两个陷波滤波器404和405采样，所以GM1的不对称性被抑制，因此实现了非常小的纹波。
图6示出了图4的电路400的第一和第二陷波滤波器404和405的输出波形。在一个实施例中，陷波滤波器404的所有正输出NOTCH2_OUTP位于由第二斩波电路403产生的正陷波输入信号NOTCH_INP的下降沿。第一陷波滤波器404的所有负输出NOTCH2_OUTN位于第二斩波电路403产生的负陷波输入信号NOTCH_INN的上升沿。同样，第二陷波滤波器405的正输出NOTCH1_OUTP位于由第二斩波电路403产生的正陷波输入信号NOTCH_INP的上升沿。第二陷波滤波器405的负输出NOTCH1_OUTN位于由第二斩波电路403产生的负陷波输入信号NOTCH_INN的下降沿。在一个实施例中，如果在斩波阶段(主要是在第一跨导放大器)插入10mV偏移，则本发明的乒乓陷波滤波器输出可以实现为约70μV的纹波电压，而传统的单陷波滤波器(图2)的纹波电压约1.77mV。因此本发明中的乒乓陷波滤波器的纹波噪声可以有效地降低。
图7是根据本发明另一实施例的斩波稳定放大器700的示意图。图7和图4的实施例之间的差别是斩波稳定放大器700包括耦合在第一陷波滤波器404的输入端和第三跨导放大器409的输出端之间的缓冲器714.提供缓冲器714以进一步降低纹波电压。例如，如果插入偏移为10mV，则斩波稳定放大器700可以将纹波电压从大约70μV降低到15μV。
本发明还提供了一种操作斩波稳定放大器的方法。该方法包括以下步骤：斩波输入信号并将斩波的输入信号施加到第一跨导放大器的输入端，并以斩波频率斩波由第一跨导放大器产生的输出信号以产生斩波输出信号。然后，并联连接的第一和第二陷波滤波器用于对由第二斩波电路产生的斩波输出信号执行积分和传递功能，从而降低纹波电压。
因此，本发明提供了一种斩波稳定放大器和一种使用乒乓陷波滤波器操作斩波稳定放大器的方法，以降低斩波稳定放大器的偏移电压和纹波噪声。
文中描述主题的“一个”和“这个”和类似的术语(特别是权利要求中)被认为涵盖单数和复数，除非另有指出或在上下文中明确反驳。这里记载的数值范围只是用于表示落入该范围中的离散值的便捷方法，除非另有指出，每个离散值被包括在说明书中，就像分别记载一样。另外，上文的描述只是实施例，并不是为了限制，保护范围由权利要求限定。这里提供的任何和所有的实施例，或举例的术语(如“例如”)的使用，只是为了更好地说明主题，除非另有主张，这不是对主题的范围的限制。在权利要求和说明书中记载的术语“基于”和其它类似短语的使用表示用于产生结果的条件，并不是为了排除产生该结果的其它任何条件。在说明书中的任何术语不被认为表示作为本发明所主张的实施的必要不主张的元素。
这里记载了优选的实施例。当然，那些优选实施例的变化对本领域技术人员在本文记载内容的基础上是显而易见的。本领域技术人员适当地使用这些变化，以及发明人打算以这里所特别记载的不同方式实施所主张的权利要求。因此，所主张的主题包括权利要求所记载的主题的所有修改及其相当是其适用法律允许的。另外，除非特别指出或本文明确反驳，本文涵盖在所有可能的变化中的以上描述的元素的组合。
Claims (16)
1.一种包含并联陷波滤波器的斩波稳定放大器，包括：第一跨导放大器；耦合到第一跨导放大器的输入的第一斩波电路，用于斩波输入信号并将斩波输入信号施加到第一跨导放大器的输入端；耦合到第一跨导放大器的输出的第二斩波电路，用于斩波由第一跨导放大器产生的输出信号；和乒乓陷波滤波器，包括并联连接的第一陷波滤波器和第二陷波滤波器，其中第一陷波滤波器和第二陷波滤波器中的每一个具有耦合到第二斩波电路的输出的输入，并且其中乒乓陷波滤波器对第二斩波电路产生的斩波输出信号执行积分和传递功能，以过滤斩波输出信号中的纹波电压。
2.根据权利要求1所述的斩波稳定放大器，其中在第一陷波滤波器和第二陷波滤波器的时钟之间存在90度相移。
3.根据权利要求1所述的斩波稳定放大器，其中所述第一陷波滤波器具有第一输入端和第二输入端，以及第一输出端和第二输出端，并且其中所述第一陷波滤波器包括：
第一路径，包括耦合在第一输入端和第一节点之间的第一开关，耦合在第一节点和第一输出端之间的第二开关，耦合在第一输入端和第二节点之间的第三开关，耦合第二节点和第二输出端之间的第四开关；
第二路径，包括连接在第一输入端和第三节点之间的第五开关，连接在第三节点和第一输出端之间的第六开关，耦合在第二输入端和第四节点之间的第七开关，耦合在第四节点和第二输出端之间的第八开关；和
耦合在第一和第二节点之间的第一电容器和耦合在第三和第四节点之间的第二电容器。
4.根据权利要求3所述的斩波稳定放大器，其中斩波输出信号由第一时钟信号控制，第一，第三，第六和第八开关由第二时钟信号控制，第二，第四，第五和第七开关由第三时钟信号控制，其中第二和第三时钟信号的频率是第一时钟信号频率的一半。
5.根据权利要求4所述的斩波稳定放大器，其中第二时钟信号和第三时钟信号彼此异相。
6.根据权利要求3所述的斩波稳定放大器，其中所述第二陷波滤波器具有第三输入端和第四输入端，以及第三输出端和第四输出端，并且其中所述第二陷波滤波器包括：
第三路径，包括耦合在第三输入端和第五节点之间的第九开关，耦合在第五节点和第三输出端之间的第十开关，耦合在第四输入端和第六节点之间的第十一开关，耦合在第六节点和第四输出端之间的第十二开关；
第四路径，包括耦合在第三输入端和第七节点之间的第十三开关，耦合在第七节点和第三输出端之间的第十四开关，耦合在第四输入端和第八节点之间的第十五开关，耦合在第八节点和第四输出端之间第十六开关；以及
耦合在第五和第六节点之间的第三积分和传递电容器，耦合在第七和第八节点之间的第四积分和传递电容器。
7.根据权利要求6所述的斩波稳定放大器，其中第十，第十二，第十三和第十五开关由第四时钟信号控制，第九，第十一，第十四和第十六开关由第五时钟信号控制。
8.根据权利要求7所述的斩波稳定放大器，其中第四时钟信号和第五时钟信号具有相同的频率。
9.根据权利要求7所述的斩波稳定放大器，其中第四和第五时钟信号的频率是第一时钟信号频率的一半。
10.根据权利要求1所述的斩波稳定放大器，还包括：
第二跨导放大器，其输入耦合到第一陷波滤波器的输出；
第三跨导放大器，其输入耦合到第二陷波滤波器的输出；和
第四跨导放大器，具有输入耦合到第二跨导放大器的输出和第三跨导放大器的输出。
11.根据权利要求10所述的斩波稳定放大器，还包括第五跨导放大器，其具有接收输入信号的输入，以及其输出耦合到第二和第三跨导放大器的输出。
12.根据权利要求10所述的斩波稳定放大器，还包括耦合在第一陷波滤波器的输入和第四跨导放大器的输出之间的缓冲器。
13.一种操作斩波稳定放大器的方法，该方法包括：
斩波输入信号并将斩波的输入信号施加到第一跨导放大器的输入端；
以斩波频率斩波第一跨导放大器产生的输出信号，以产生斩波输出信号；和
利用乒乓陷波滤波器对由第二斩波电路产生的斩波输出信号执行积分和传递函数，以过滤斩波输出信号中的纹波电压。
14.根据权利要求13所述的操作斩波稳定放大器的方法，其中所述乒乓陷波滤波器包括并联连接的第一和第二陷波滤波器。
15.根据权利要求14所述的操作斩波稳定放大器的方法，其中在所述第一和第二陷波滤波器的时钟之间存在90度相移。
16.根据权利要求14所述的操作斩波稳定放大器的方法，其中第一和第二陷波滤波器的时钟频率是斩波输出信号频率的一半。
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