CN102346210A - 一种用于水声传感器电压检测的soc芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于水声传感器电压检测的SOC芯片，包括低噪声低失调斩波运算放大器，GM-C低通滤波器，电压增益放大器三部分主体电路以及时钟产生电路，带隙基准电流源两部分辅助电路；所述低噪声低失调斩波运算放大器用于检测水声传感器输出的微弱电压信号；所述GM-C低通滤波器用于滤除电压信号频率外的高频噪声和高次谐波；所述电压增益放大器用于将电压信号放大至后级模数转换器的输入电压范围；时钟产生电路和带隙基准电流源分别为上述三部分电路提供时钟基准和电流基准。本发明有效提取了水声传感器中的微弱电压信号，滤除了外部噪声、电路高频噪声和高次谐波，并利用电压增益放大器进行合理放大至模数转换器的输入电压范围。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS SOC设计技术领域，具体涉及一种用于水声传感器电压检测的SOC芯片。
背景技术
声波是水下远距离信息传播和接收的唯一有效载体.水声传感器的出现，改变了传统上对水下声信号的接收只能依赖声压标量的状态，而其对水下声矢量信号的接收已显现出越来越大的优势.水下噪声是影响水声信号检测最大困难之一，传统的水声传感器检测系统都采用分立的低噪声低失调运放和滤波器在板极实现检测，规模庞大，易受外界环境干扰，检测精度低。
目前由于远距离探测和低频噪声测量等需求的出现，水声传感器检测系统正向小型化、高灵敏度，集成化发展，最终将实现水声传感器与检测系统的SOC单芯片整合，学术界和工业界都对此开展了广泛的研究。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种低噪声、高灵敏度和集成化的用于水声传感器电压检测的SOC芯片。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于水声传感器电压检测的SOC芯片，包括：主体电路及辅助电路；所述主体电路包括低噪声低失调斩波运算放大器，GM-C低通滤波器及电压增益放大器；所述辅助电路包括时钟产生电路及带隙基准电流源；所述低噪声低失调斩波运算放大器用于检测水声传感器输出的微弱电压信号，满足GM-C低通滤波器的恒定GM输入电压幅度范围；所述GM-C低通滤波器用于滤除电压信号频率外的高频噪声和高次谐波；所述电压增益放大器用于将电压信号放大至后级模数转换器的输入电压范围，使模数转换器达到最佳分辨率；所述时钟产生电路和所述带隙基准电流源分别为上述主体电路提供时钟基准和电流基准。
上述方案中，所述低噪声低失调斩波运算放大器包括三个斩波器S1，S2，S3和两级折叠共源共栅运算放大器；所述斩波器S1，位于低噪声低失调斩波运算放大器的输入端，将输入信号调制至斩波频率上；所述两级折叠共源共栅运算放大器，第一级实现大的增益，第二级实现大的输出摆幅，对所述斩波器S1调制后的信号进行放大；所述斩波器S2，位于运算放大电流通路的低阻节点上，将信号解调回基带，运放的失调信号和1/f噪声经过斩波器S2的一次调制，出现在斩波频率的奇次谐波上；所述斩波器S3，用于动态切换两级折叠共源共栅运算放大器中电流源的差分对管，进一步降低电流源的电流失配和两级折叠共源共栅运算放大器的失调电压。
上述方案中，所述斩波器S1、S2、S3分别由两向非交叠时钟控制的四个NMOS管M1，M1b，M2，M2b构成，横向NMOS管M1，M2和纵向NMOS管M1b，M2b交替导通，将时钟信号即斩波信号与输入信号相乘，即完成将输入信号调制到斩波信号的功能。
上述方案中，所述两级折叠共源共栅运算放大器，其中输入级PMOS管M0为电流源，PMOS管M1，M2为输入管，第一级运放结构包括PMOS管M3，M4，M5，M6以及NMOS管M7，M8，M9，M10，第二级运放结构采用二极管连接的PMOS管M11，M12作为负载，PMOS管M13，M14作为第二级的输入管；所述两级折叠共源共栅运算放大器还包括由电容C1，C2和电阻R1，R2组成的密勒补偿电路。
上述方案中，所述斩波器S2位于所述两级折叠共源共栅运算放大器中NMOS管M7，M8的低阻源端。
上述方案中，所述斩波器S3位于所述两级折叠共源共栅运算放大器中PMOS管M3，M4的漏端。
上述方案中，所述低噪声低失调斩波运算放大器的输出端分别设有电容C3，C4。
上述方案中，所述GM-C低通滤波器采用三阶巴特沃兹结构，其中的运放单元包括主运放和共模反馈两部分电路；主运放由NMOS管M5，M6，PMOS管M1，M2，M3，M4组成，共模反馈电路由NMOS管M12，M13，PMOS管M7，M8，M9，M10，M11组成；所述NMOS电流源管M5，M6由偏置电压vbias控制，所述PMOS管M3，M4为输入管，所述PMOS管M3，M4漏极间跨接源退化电阻R1，所述PMOS电流源管M1，M2由共模反馈电路提供反馈偏置电压；所述NMOS电流源管M12，M13由与主运放相同的偏置电压信号vbias控制，所述PMOS管M8，M9，M10，M11组成反馈对管，其中PMOS管M8，M11的栅级分别接收运放的输出电压voutp，voutn，PMOS管M9，M10的栅级接收共模参考电压vcmfb，所述PMOS管M7的栅输出反馈偏置电压回到主运放的PMOS电流源管M1，M2。
上述方案中，所述电压增益放大器采用两级折叠共源共栅运放放大器，输入级PMOS管M0为电流源，PMOS管M1，M2为输入管，第一级运放结构包括PMOS管M3，M4，M5，M6以及NMOS管M7，M8，M9，M10，第二级运放结构包括PMOS管M11，M12以及NMOS管M13，M14，所述PMOS管M11，M12采用偏置电压控制，NMOS管M13，M14作为第二级的输入管，所述两级折叠共源共栅运算放大器所述还包括由电容C1，C2和电阻R1，R2组成的密勒补偿电路。
上述方案中，所述时钟产生电路和带隙基准电流源在片内为电路提供高精度的时钟和电流基准。
与现有技术相比，本发明的技术方案产生的有益效果如下：
本发明通过采用低噪声低失调斩波运算放大器和GM-C低通滤波器有效提取了水声传感器中的微弱电压信号，滤除了外部噪声，电路高频噪声和高次谐波，并利用电压增益放大器进行合理放大至模数转换器的输入电压范围。时钟产生电路，带隙基准电流源为电路提供片内时钟和电流基准，无需外部配置，适用于水声传感器电压检测单芯片系统中。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于水声传感器电压检测的SOC芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例中低噪声低失调斩波运算放大器的电路示意图；
图3是本发明实施例中NMOS斩波器的电路示意图；
图4是本发明实施例中低噪声低失调斩波运算放大器接成闭环2倍增益时的正弦输出仿真波形示意图；
图5是本发明实施例中低噪声低失调斩波运算放大器等效输入噪声的仿真结果示意图；
图6是本发明实施例中低噪声低失调斩波运算放大器经过300次蒙特卡罗仿真的输入失调电压的仿真结果示意图；
图7是本发明实施例中GM-C低通滤波器的结构示意图；
图8是本发明实施例中GM-C低通滤波器中运放单元的电路示意图；
图9是本发明实施例中GM-C低通滤波器频率特性的仿真波形示意图；
图10是本发明实施例中电压增益放大器的电路示意图；
图11是本发明实施例中电压增益放大器频率特性的仿真波形示意图；
图12是本发明实施例提供的用于水声传感器电压检测的SOC芯片的差分正弦输出仿真波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
参见图1，本发明实施例提供一种用于水声传感器电压检测SOC芯片，包括低噪声低失调斩波运算放大器，GM-C低通滤波器，电压增益放大器三部分主体电路以及时钟产生电路，带隙基准电流源两部分辅助电路。所述低噪声低失调斩波运算放大器用于检测水声传感器输出的微弱电压信号，在仅仅附加微量运放噪声和失调的情况下，对电压信号进行适当放大，满足GM-C低通滤波器的恒定GM输入电压幅度范围；所述GM-C低通滤波器用于滤除电压信号频率外的高频噪声和高次谐波；所述电压增益放大器用于将电压信号放大至后级模数转换器的输入电压范围，使模数转换器达到最佳分辨率；时钟产生电路和带隙基准电流源分别为上述三部分主体电路提供时钟基准和电流基准。
参见图2，本发明实施例中的两级全差分低噪声低失调斩波运算放大器，包括三个斩波器S1，S2，S3和两级折叠共源共栅运算放大器。参见图3，斩波器S1，S2，S3，由两向非交叠时钟控制的四个NMOS管M1，M1b，M2，M2b构成，横向NMOS管M1，M2和纵向NMOS管M1b，M2b交替导通，类似于乘法器的功能，将时钟信号即斩波信号与输入信号相乘，完成将输入信号调制到斩波信号频率上的功能。
斩波器S1，首先将输入信号调制到斩波信号频率上；
两级折叠共源共栅运算放大器，对斩波器S1调制后的信号进行放大。PMOS管M0为输入端的电流源，输入PMOS管M1，M2，相比NMOS管的输入管具有较低的1/f噪声。两级折叠共源共栅运算放大器，第一级放大结构包括PMOS管M3，M4，M5，M6以及NMOS管M7，M8，M9，M10，均采用大尺寸的L值提供70dB以上的增益。第二级放大结构采用二极管连接的PMOS管M11，M12作为负载，PMOS管M13，M14作为第二级的输入管，在提供约10dB增益的同时增大了输出摆幅。由电容C1，C2和电阻R1，R2组成的密勒补偿电路对运放进行频率响应补偿，通过电阻R1，R2引入带内零点，使得运放具有六十度以上的相位裕度，稳定了工作状态。
电流通路低阻节点上的斩波器S2，将斩波器S1调制后的有用信号解调回基带，而运放的失调信号和1/f噪声仅经过斩波器S2的一次调制，出现在斩波频率的奇次谐波上；与图1所示的传统单级斩波运放相比，本发明的斩波器S2位于NMOS管M7，M8的低阻源端，由于低阻节点处的电压信号幅度较小，而且信号共模直流电平接近于地，因此采用图3所示的简单四管NMOS开关，避免了互补开关设计的复杂性。
斩波器S3，位于PMOS管M3，M4的漏端，用于动态切换放大器中PMOS电流源的差分对管，进一步降低了电流源的电流失配和放大器的输入失调电压。
由于采用在低阻节点斩波的方式，为了减小衬底干扰，时钟馈通和电荷注入的影响，斩波器S1采用最小面积宽长比为2u/0.18u的NMOS管。而斩波器S2和斩波器S3位于电流通路中，较大的MOS开关电阻将增加斩波器两端的压降，严重限制放大器的输出摆幅，因此这两个斩波器均采用宽长比(10u/0.18u)较大的NMOS管以降低开关电阻。
输出端电容C3，C4，一方面作为运放的频率自补偿，稳定了放大器的频率特性，一方面与运放的输出阻抗构成低通滤波，对有用信号进行预滤波，缓解了后级GM-C滤波器的压力。
图4是低噪声低失调斩波运算放大器在系统应用中，接成闭环2倍增益时，输入信号为20kHZ，幅度为25mv，斩波频率为500kHZ的正弦输出仿真波形。图5是低噪声低失调斩波运算放大器等效输入噪声的仿真结果，在1HZ信号时仅有
图6是低噪声低失调斩波运算放大器经过300次蒙特卡罗仿真，输入失调电压的仿真结果，最大失调电压仅为86uv，技术效果良好；
参见图7，GM-C低通滤波器包括7个运放单元。GM-C低通滤波器采用三阶巴特沃兹结构，带内平坦度良好，用以滤除前级低噪声低失调斩波运算放大器输出有用信号频带外的高频噪声，高次谐波以及运放被斩波器调制到高频的失调电压和1/f噪声，确保电压信号的纯净性。
参见图8，GM-C低通滤波器采用的运放单元包括主运放和共模反馈两部分电路；主运放由NMOS管M5，M6，PMOS管M1，M2，M3，M4组成，提供大约20dB的增益。NMOS电流源管M5，M6由偏置电压vbias控制，PMOS管M3，M4为输入管，PMOS电流源管M1，M2由共模反馈电路提供反馈偏置电压，稳定主运放的工作状态。跨接在M3，M4漏极的源退化电阻R1，在满足输入管M3，M4的GM倒数值远小于电阻值R1的情况下，运放等效GM＝1/R1，保证了GM的线形度和恒定性。
共模反馈电路由NMOS管M12，M13，PMOS管M7，M8，M9，M10，M11组成。NMOS电流源管M12，M13由与主运放相同的偏置电压信号vbias控制。PMOS管M8，M9，M10，M11组成反馈对管，M8，M11的栅级分别接收运放的输出电压voutn，voutp，M9，M10的栅级接收共模参考电压vcmfb，二者进行反馈比较，最终由M7的栅输出反馈偏置电压回到主运放的PMOS电流源管M1，M2。
图9是GM-C低通滤波器频率特性的仿真波形，可见3dB带宽约为49.9kHZ，技术效果良好；
图10是电压增益放大器的结构示意图，采用与斩波运放相同的两级折叠共源共栅结构，只是第二级PMOS电流源管M11，M12采用偏置电压控制，增加了输出电压摆幅。图11是电压增益放大器频率特性的仿真波形，在负载为2p电容时，可见增益为91.311dB，单位增益带宽为29.701MHZ。在系统中应用中接成闭环形式，提供40倍的增益。
图12是本发明实施例在输入信号为20kHZ，幅度为25mv，斩波频率为500kHZ，系统增益为80时的差分正弦输出仿真波形，差分单端输出峰峰值约为500毫伏，且正弦波形平滑，无高频噪声和高次谐波成分，技术效果良好。
综上所述，本发明一种用于水声传感器电压检测SOC芯片具有以下有益效果：
(1)通过采用两级折叠共源共栅低噪声低失调斩波运算放大器结构，检测水声传感器输出的微弱电压信号，在仅仅附加微量运放噪声和失调的情况下，对电压信号进行适当放大，满足GM-C低通滤波器的恒定GM输入电压幅度范围。
(2)相比传统单级斩波运算放大器，在低阻节点添加斩波器，在保证低失调电压和低噪声的同时，增大了可处理传感器信号的带宽，斩波频率可达4MHZ。
(3)斩波运放输出端电容与输出阻抗构成低通滤波器，对输出电压信号进行预滤波，缓解了后级GM-C低通滤波器的压力。
(4)采用易于片内集成的GM-C滤波器结构，且GM-C低通滤波器采用源退化放大器和宽摆幅共模反馈电路结构，电路设计简单，GM恒定性好，有效滤除了前级低噪声低失调斩波运算放大器输出有用信号频带外的高频噪声，高次谐波以及运放被斩波器调制到高频的失调电压和1/f噪声。
(5)电压增益放大器将电压信号放大至后级模数转换器的输入电压范围，使模数转换器达到最佳分辨率。
(6)时钟产生电路和带隙基准电流源分别为上述三部分电路提供片内时钟基准和电流基准，无需外部多余配置，简化了SOC芯片的应用难度，非常适用于水声传感器检测单芯片系统。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于水声传感器电压检测的SOC芯片，其特征在于，包括：主体电路及辅助电路；所述主体电路包括低噪声低失调斩波运算放大器，GM-C低通滤波器及电压增益放大器；所述辅助电路包括时钟产生电路及带隙基准电流源；所述低噪声低失调斩波运算放大器用于检测水声传感器输出的微弱电压信号，满足GM-C低通滤波器的恒定GM输入电压幅度范围；所述GM-C低通滤波器用于滤除电压信号频率外的高频噪声和高次谐波；所述电压增益放大器用于将电压信号放大至后级模数转换器的输入电压范围，使模数转换器达到最佳分辨率；所述时钟产生电路和所述带隙基准电流源分别为上述主体电路提供时钟基准和电流基准。
2.如权利要求1所述的用于水声传感器电压检测的SOC芯片，其特征在于：所述低噪声低失调斩波运算放大器包括三个斩波器S1，S2，S3和两级折叠共源共栅运算放大器；所述斩波器S1，位于低噪声低失调斩波运算放大器的输入端，将输入信号调制至斩波频率上；所述两级折叠共源共栅运算放大器，第一级实现大的增益，第二级实现大的输出摆幅，对所述斩波器S1调制后的信号进行放大；所述斩波器S2，位于运算放大电流通路的低阻节点上，将信号解调回基带，运放的失调信号和1/f噪声经过斩波器S2的一次调制，出现在斩波频率的奇次谐波上；所述斩波器S3，用于动态切换两级折叠共源共栅运算放大器中电流源的差分对管，进一步降低电流源的电流失配和两级折叠共源共栅运算放大器的失调电压。
3.如权利要求2所述的用于水声传感器电压检测的SOC芯片，其特征在于：所述斩波器S1、S2、S3分别由两向非交叠时钟控制的四个NMOS管M1，M1b，M2，M2b构成，横向NMOS管M1，M2和纵向NMOS管M1b，M2b交替导通，将时钟信号即斩波信号与输入信号相乘，将输入信号调制到斩波信号。
4.如权利要求2所述的用于水声传感器电压检测的SOC芯片，其特征在于：所述两级折叠共源共栅运算放大器，其中输入级PMOS管M0为电流源，PMOS管M1，M2为输入管，第一级运放结构包括PMOS管M3，M4，M5，M6以及NMOS管M7，M8，M9，M10，第二级运放结构采用二极管连接的PMOS管M11，M12作为负载，PMOS管M13，M14作为第二级的输入管；所述两级折叠共源共栅运算放大器还包括由电容C1，C2和电阻R1，R2组成的密勒补偿电路。
5.如权利要求4所述的用于水声传感器电压检测的SOC芯片，其特征在于：所述斩波器S2位于所述两级折叠共源共栅运算放大器中NMOS管M7，M8的低阻源端。
6.如权利要求4所述的用于水声传感器电压检测的SOC芯片，其特征在于：所述斩波器S3位于所述两级折叠共源共栅运算放大器中PMOS管M3，M4的漏端。
7.如权利要求2所述的用于水声传感器电压检测的SOC芯片，其特征在于：所述低噪声低失调斩波运算放大器的输出端分别设有电容C3，C4。
8.如权利要求1所述的用于水声传感器电压检测的SOC芯片，其特征在于：所述GM-C低通滤波器采用三阶巴特沃兹结构，其中的运放单元包括主运放和共模反馈两部分电路；主运放由NMOS管M5，M6，PMOS管M1，M2，M3，M4组成，共模反馈电路由NMOS管M12，M13，PMOS管M7，M8，M9，M10，M11组成；所述NMOS电流源管M5，M6由偏置电压vbias控制，所述PMOS管M3，M4为输入管，所述PMOS管M3，M4漏极间跨接源退化电阻R1，所述PMOS电流源管M1，M2由共模反馈电路提供反馈偏置电压；所述NMOS电流源管M12，M13由与主运放相同的偏置电压信号vbias控制，所述PMOS管M8，M9，M10，M11组成反馈对管，其中PMOS管M8，M11的栅级分别接收运放的输出电压voutp，voutn，PMOS管M9，M10的栅级接收共模参考电压vcmfb，所述PMOS管M7的栅输出反馈偏置电压回到主运放的PMOS电流源管M1，M2。
9.如权利要求1所述的用于水声传感器电压检测的SOC芯片，其特征在于：所述电压增益放大器采用两级折叠共源共栅运放放大器，输入级PMOS管M0为电流源，PMOS管M1，M2为输入管，第一级运放结构包括PMOS管M3，M4，M5，M6以及NMOS管M7，M8，M9，M10，第二级运放结构包括PMOS管M11，M12以及NMOS管M13，M14，所述PMOS管M11，M12采用偏置电压控制，NMOS管M13，M14作为第二级的输入管，所述两级折叠共源共栅运算放大器所述还包括由电容C1，C2和电阻R1，R2组成的密勒补偿电路。
10.如权利要求1所述的用于水声传感器电压检测的SOC芯片，其特征在于：所述时钟产生电路和带隙基准电流源在片内为电路提供高精度的时钟和电流基准。
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