CN102355210A - 最小化自动调零放大器中的切换噪声及其影响 - Google Patents

最小化自动调零放大器中的切换噪声及其影响 Download PDF

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Abstract

本发明涉及最小化自动调零放大器中的切换噪声及其影响。两个指零放大器与一自动调零差分放大器一起使用。当一个指零放大器正补偿主放大器时，另一指零放大器针对差分模式(DM)和共同模式(CM)偏移两者调零。通过使用两个指零放大器，其中一个指零放大器始终连接到所述主放大器，为所述主放大器维持相对恒定的开环路增益。另一改进是所述两个指零放大器与所述主放大器之间的切换操作的先接后断定时重叠。这确保所述主放大器由一个或两个指零放大器连续驱动，从而维持所述主放大器辅助端口处的低阻抗。执行所述两个指零放大器的每一者的DM和CM偏移取样及预充电两者以便大致减小所述主放大器的输出中的切换干扰。

Description

最小化自动调零放大器中的切换噪声及其影响
分案申请的相关信息
本申请为发明名称为“最小化自动调零放大器中的切换噪声及其影响”的原中国发明专利申请的分案申请。原申请的国际申请号为PCT/US2007/073593，进入中国国家阶段后申请号为200780018247.4；原申请的申请日为2007年7月16日。
技术领域
本发明涉及集成电路运算放大器，且更明确地说涉及一种具有最小切换噪声的集成电路自动调零运算放大器。
背景技术
自动调零运算放大器是一种模拟电路，其将模拟和数字(切换)电路组合从而导致非常低的输入参考DC偏移和噪声。这些运算放大器常用于必需高增益来解析非常小电压的精度应用中。实例包含RTD、热电偶、阻性电流测量和其它感测应用。使用自动调零运算放大器可放松对A/D转换器的准确度要求，从而节省成本。如今的自动调零运算放大器与用于减小平均偏移的早期斩波方案具有极少共同之处。那些电路非常简单，其使用离散放大器和开关来使用时钟对放大器的输入和输出进行斩波。需要大量滤波来实现低偏移，并滤出切换噪声。斩波器放大器具有低频率带宽，通常为几赫兹，其受到较大的固定时间常数限制。
另一方案使用宽带放大器和斩波器放大器的斩波器稳定化。斩波器放大器用于“稳定化”或减小宽带放大器的DC偏移误差。从而实现较高操作带宽，但这些斩波电路具有高输出噪声且要求额外输出信号滤波为可行的。
早期自动调零放大器组合了宽带“主”放大器与单一“指零”放大器。单一指零放大器具有取样与保持以校正其自身的偏移，并减小主放大器的偏移。早期实施方案需要外部电容器且具有几百赫兹的取样频率。这些年来，技术发展水平已有了巨大改进。现代自动调零运算放大器现能够在非常低的温度漂移下实现几微伏的DC偏移。
然而，由于指零放大器中的内部时钟切换的缘故，输出处将出现一些切换噪声。这在取样时钟频率周围将最为明显。如果此噪声不对称(即，产生大致相等量的正和负干扰(glitch))，那么系统中可能产生平均DC偏移。因此，这些干扰的减少对于良好的DC性能是基本的且可能需要滤波。滤波依据所关注信号距取样频率的接近程度而可能较昂贵。增加取样速率有助于使滤波变简单并增加可用带宽。新近代的自动调零运算放大器已添加时钟扩展电路以在较宽范围的频率上扩展切换噪声，从而允许更高的有用带宽。
发明内容
因此，需要一种通过提供最小化切换噪声及其在自动调零运算放大器中的影响的新方式来克服上文指出的问题以及现有技术的其它缺点和不足的方式。
在传统自动调零放大器中，使用单一指零放大器来补偿“主”(连续)放大器。在调零循环期间，指零放大器与主放大器断开，且通过存储电容器在主辅助端口上保持校正电压。此方法导致开环路增益在补偿与指零循环之间变化，这是由于在补偿循环期间，总增益是指零放大器和主放大器的级联，而在调零循环期间，增益仅仅是主放大器的增益。这导致在输出处以取样频率的倍数出现低频率失真(波纹)。
根据本发明的教示，添加第二指零放大器以便在第一指零放大器被调零时补偿主放大器。这维持开环路增益相对恒定，从而减少现有技术中固有的失真。另一改进是两个指零放大器与主放大器之间的切换操作的定时经设计而具有先接后断重叠。这确保主放大器由一个或两个指零放大器连续驱动，从而维持主放大器辅助端口处的低阻抗并减小输出处的干扰能量。可添加小飞轮电容器(flywheel capacitor)以进一步减小干扰量级。使用两对调零开关，一对调零开关用于每一指零放大器。通过将一对调零开关连接成与另一对调零开关相对，干扰能量将趋向于达到平均值。
为了减少电荷注入误差，使用完全差分拓扑来补偿指零放大器。在系统中存在两个指零放大器的情况下，这些指零放大器由于其内部共同模式反馈环路中的晶体管失配而可能不具有相同的共同模式电压。这可呈现新的干扰源，因为当指零放大器切换时主辅助端口“经历”共同模式中的急剧变化。因此，除了正常差分模式调零环路外还包含共同模式调零环路，使得两个指零放大器具有近似相同的共同模式电压。同时进行两个环路的调零，因此不引起任何额外延迟。
在现有技术自动调零放大器中，指零放大器差分模式误差(偏移)被调零，接着用于校正主放大器偏移。主放大器与指零放大器之间的失配可在指零放大器连接到主辅助端口时导致干扰。这是因为在调零循环结束时，指零放大器输出电压可能不与主辅助端口需要用来校正主放大器偏移的电压相同。差分模式(DM)和共同模式(CM)两者阶跃在两个指零放大器切换时发生。这可通过将指零放大器输出电平预充电到与主辅助端口处的大致相同的DM和CM电平而最小化。
根据本发明的特定实例实施例，一种自动调零差分放大器可包括：主放大器，其具有差分输入、差分输出和具有差分输入的辅助端口；第一指零放大器，其经配置以用于差分和共同模式自校正，所述第一指零放大器具有差分输入和输出；第二指零放大器，其经配置以用于差分和共同模式自校正，所述第二指零放大器具有差分输入和输出；第一指零放大器输入调零开关，其耦合到主放大器差分输入和第一指零放大器差分输入，其中所述第一指零放大器输入调零开关在第一指零放大器进行主放大器的偏移调零期间使用；第二指零放大器输入调零开关，其耦合到主放大器差分输入和第二指零放大器差分输入，其中所述第二指零放大器输入调零开关在第二指零放大器进行主放大器的偏移调零期间使用；第一指零放大器输出开关，其耦合在第一指零放大器差分输出与主放大器辅助端口差分输入之间，其中所述第一指零放大器输出开关在第一指零放大器进行主放大器的偏移调零期间将第一指零放大器差分输出耦合到主放大器辅助端口差分输入；以及第二指零放大器输出开关，其耦合在第二指零放大器差分输出与主放大器辅助端口差分输入之间，其中所述第二指零放大器输出开关在第二指零放大器进行主放大器的偏移调零期间将第二指零放大器差分输出耦合到主放大器辅助端口差分输入；其中当所述指零放大器中的一者正对主放大器进行偏移调零时，另一指零放大器正进行共同模式自偏移调零，其中将第一和第二指零放大器两者预充电使得其差分输出处于与对主放大器进行偏移调零所需的大致相同的校正电压。
根据本发明的特定实例实施例，一种最小化自动调零放大器中的切换噪声的方法可包括以下步骤：提供具有差分信号输入和输出以及差分辅助输入的主放大器；提供具有差分信号输入、差分输出和差分辅助输入的第一和第二指零放大器，其中所述差分信号输入和差分输出可切换地耦合到主放大器差分信号输入和差分辅助输入；通过分别将DM偏移误差存储在耦合到第一和第二指零放大器的第一和第二DM偏移误差电容器中并将所存储的DM偏移误差施加到主放大器差分辅助输入，而将主放大器的差分模式(DM)偏移误差指零；通过对CM偏移误差进行取样、分别将CM偏移误差存储在耦合到第一和第二指零放大器的第一和第二CM偏移误差电容器中，并将所存储的CM偏移误差施加到主放大器差分辅助输入，而将主放大器的共同模式(CM)偏移误差指零；以及将第一和第二指零放大器差分输出预充电到与主放大器差分辅助输入处大致相同的电压电平。
附图说明
通过参考结合附图阅读的以下描述，可获得对本发明的更完整理解，附图中：
图1说明现有技术自动调零运算放大器的示意性框图；
图2说明根据本发明的特定实例实施例的自动调零运算放大器的示意性框图；
图3说明根据图2所示的特定实例实施例的使用完全差分拓扑实施的第一和第二指零放大器的示意性图；
图4(a)、4(b)和4(c)说明展示现有技术自动调零运算放大器在偏移校正期间的瞬时(“干扰”)行为的示意性时序图；
图4(d)说明展示在切换指零放大器之前两个指零放大器输出经预充电以与预期主辅助端口电压匹配的情况的瞬时(“干扰”)行为的示意性时序图；
图4(e)说明展示根据本发明的特定实例实施例的在使用预充电和共同模式调零两者来减少输出干扰的情况下瞬时(“干扰”)行为的示意性时序图；
图5说明根据本发明的特定实例实施例的图2所示的指零放大器的更详细示意性框图；以及
图6说明根据本发明的特定实例实施例的图5所示的自动调零运算放大器和指零放大器的操作的时序图。
虽然本发明容许各种修改和替代形式，但已在附图中展示其特定实例实施例且在本文中对所述特定实例实施例进行详细描述。然而，应了解，本文中对特定实例实施例的描述不希望将本发明限于本文所揭示的特定形式，而是相反，本发明将涵盖由所附权利要求书界定的所有修改和等效物。
具体实施方式
现参看附图，其示意性地说明特定实例实施例的细节。附图中的相同元件将由相同标号表示，且类似元件将由具有不同小写字母后缀的类似标号表示。
参看图1，其描绘现有技术自动调零运算放大器的示意性框图。所述现有技术自动调零放大器(大体由标号100表示)可包括至少两个放大器102和104，其经组合以产生最终信号输出。常规宽带宽“主”放大器102从输入直接连接到输出并连续处理传入的信号。第二、非常高增益“指零”放大器104并联连接以用于偏移校正。放大器104经调零以将其自身偏移指零并消除在斩波频率以下的低频率1/f噪声。调零涉及将放大器104与开关114的两个输入短接在一起并将所得偏移存储到电容器108上。在补偿循环期间，将此校正电压通过辅助端口118施加到指零放大器104。当指零放大器104与主放大器102在其调零循环期间断开时，存储电容器将校正电压保持在主辅助端口120上。接着使用此校正电压通过另一辅助端口120将主放大器102的偏移指零。
然而，此方法致使开环路增益在补偿循环与指零循环之间变化，因为在补偿循环期间，总增益是指零放大器104和主放大器102的级联，而在调零循环期间，增益仅仅是主放大器102的增益。这导致在输出处以取样频率的倍数出现低频率失真。使用振荡器和时钟电路(未图示)来控制连接到指零放大器104的开关。
参看图2，其描绘根据本发明的特定实例实施例的自动调零运算放大器的示意性框图。自动调零运算放大器(大体由标号200表示)可包括主放大器202、第一指零放大器208、第二指零放大器218、开关206、210、216、220和222；以及电容器232、234和236。当第一指零放大器208正被调零时，第二指零放大器218补偿主放大器202。这维持开环路增益相对恒定，从而减少现有技术中存在的失真。另一改进在于第一指零放大器208、第二指零放大器218与主放大器202之间的开关206、210、216、220和222的操作定时以先接后断重叠起作用。这确保主放大器202由指零放大器208和218中的一者或两者连续驱动，因此维持主放大器辅助端口242处的低阻抗，并且还减少输出244处的干扰能量。可添加飞轮电容器232以进一步减小干扰量级。使用两对调零开关206和216，一对调零开关分别用于指零放大器208和218中的每一者。
参看图3，其描绘根据图2所示的特定实例实施例的使用完全差分拓扑实施的第一和第二指零放大器的示意性图。为了减少电荷注入误差，分别使用完全差分拓扑实施第一和第二指零放大器208和218。通过将一对调零开关(例如，开关206a和206b)连接成与另一对调零开关(例如，开关216a和216b)相对，干扰能量将趋向于达到平均值，即当开关216a连结到V输入-时开关206a连结到V输入+，且反之亦然。注意，第一和第二指零放大器208和218由于其内部共同模式反馈环路中的晶体管失配而分别可能不具有相同共同模式电压。这可能存在干扰源(例如，不需要的瞬时噪声)，因为当第一和第二指零放大器208和218分别在辅助端口242之间切换时，主放大器202的主辅助端口242可能“经历”共同模式电压的急剧变化。根据本发明的教示，可通过除正常差分模式调零环路外还添加共同模式调零环路，使得第一和第二指零放大器208和218分别具有近似相同的共同模式电压来大致减少这些干扰。当另一指零放大器连接到主辅助端口242时，所述指零放大器中的一者正被调零。因此，两个环路的调零同时进行，因此不引起额外延迟。
还注意，当指零放大器连接到辅助端口242时，辅助端口242上所需的校正电压可能不等于指零放大器输出电压。这是另一干扰源，因为当指零放大器208或218连接到辅助端口242时，主放大器202的辅助端口242可“经历”差分模式电压的急剧变化。根据本发明的教示，可通过在将指零放大器连接到辅助端口242之前添加预充电操作以调节指零放大器输出电压使其大致上与辅助端口242上所需的指零校正电压匹配，来大致减少这些干扰。
参看图4(a)、4(b)和4(c)，其描绘展示现有技术自动调零运算放大器在偏移校正期间的瞬时(“干扰”)行为的示意性时序图。在现有技术自动调零放大器(例如，图1)中，指零放大器差分模式误差(偏移)被调零，接着用于校正主放大器偏移。主放大器与指零放大器之间的失配可在指零放大器连接到主辅助端口时导致干扰。这是因为在调零循环结束时，指零放大器输出电压可能不与主辅助端口需要用来校正主放大器偏移的电压相同。图4(a)和4(b)展示使用单一指零放大器分别在接地参考和差分运算放大器拓扑两者中的此行为。图4(c)展示双指零放大器的情况并突出显示共同模式电平问题。差分模式(DM)和共同模式(CM)两者阶跃在两个指零放大器切换时发生。
为了减少干扰，已使用现有技术预充电方法在连接到主放大器之前将指零放大器输出调节到适当电平。然而，此现有技术方法不处理完全差分拓扑，也不处置利用两个指零放大器的情况。如果在此情况下使用此方案，且仅对一个指零放大器进行预充电(正或负节点)，那么其它输出将调节以维持其输出共同模式电平。由于两个指零放大器的共同模式不同，所以当指零放大器切换时将发生差分和共同模式阶跃，从而否定预充电循环的优点。
参看图4(d)，其描绘展示在切换指零放大器之前两个指零放大器输出经预充电以与预期主辅助端口电压匹配的情况的瞬时(“干扰”)行为的示意性时序图。当指零放大器由于两个放大器的不同共同模式(CM)电平而切换时，将发生共同模式阶跃。尽管得到改进，但根据本发明的教示，其仍不如存在共同模式调零操作的情况那样好。因为处于较高频率的共同模式拒绝有可能为低从而允许许多干扰能量传递到输出。根据本发明的教示，预充电与共同模式调零的组合确保两个指零放大器输出被适当调节到正确的差分模式和共同模式电压，从而进一步减少输出处的干扰。
参看图4e，其描绘展示根据本发明的特定实例实施例的在使用预充电和共同模式调零两者来减少输出干扰的情况下瞬时(“干扰”)行为的示意性时序图。如图所示，由于电荷注入和/或时钟馈通的缘故，主放大器辅助端口处仅可能发生小的残余干扰。大致上不存在任何可导致平均DC偏移的系统的干扰。
参看图5，其描绘根据本发明的特定实例实施例的图2所示的指零放大器的更详细示意性框图。每一指零放大器(208、218)具有四个输入端口和一个输出端口。输入端口由初级信号输入端口576、辅助差分模式(DM)校正端口578、辅助共同模式(CM)校正端口580以及预充电端口582组成。在指零放大器的每一者的内部是与输入端口的每一者相关联的跨导级、用于差分模式和共同模式路径的求和点、用于输出级的电流到电压转换器和共同模式反馈网络。
在操作期间，初级输入端口576连接到主放大器202(图2)的输入，且在使用开关501和502的调零循环期间与所述输入中的一者短接。指零放大器的差分模式误差(偏移)使用开关503和504进行取样，存储在电容器550上，并施加到指零辅助(校正)端口232(图2)。由于主辅助端口242到输出端口244的高环路增益的缘故，初级输入端口处的输入参考偏移可指零。
同时，输出与共同模式反馈网络断开并经由开关505到507由共同模式参考代替。共同模式误差也使用开关508和509进行取样，存储在电容器552上，并施加到指零共同模式辅助(校正)端口580的一侧。共同模式参考570也使用开关510和511进行取样，存储在电容器554上，并施加到指零共同模式辅助(校正)端口580的另一侧。电容器552和554是匹配对。以此方式，假定共同模式辅助端口580到输出CM电平的高环路增益，将校正差分电压施加到指零共同模式辅助端口580以对主放大器202的共同模式误差进行调零。
调零之后，经由开关512、513和预充电端口582将主放大器202输出244(正或负)预充电到主辅助端口电平。最后，切换两个指零放大器208和218(图2)且针对另一指零放大器重复所述循环。
预充电操作将指零放大器输出电平调节为与主辅助端口242处大致相同的电平，如下。通常，闭合预充电端口开关513，且断开开关512。在预充电期间，开关513断开且开关512闭合。预充电端口具有一个连接到主辅助端口242的输入，其由另一指零放大器驱动。另一预充电端口输入连接到指零放大器输出。预充电循环调节指零放大器输出使其与主辅助端口242处的电压匹配。
根据本发明的教示，用以减小偏移和干扰影响的另一改进可以是在后续循环上将指零放大器208和218换向。将指零放大器输入和输出两者相互交换使得由于失配、切换或电荷注入引起的任何残余误差和/或干扰能量可达到平均值。另外，预充电端口582的输入可交换以将输出预充电到取决于输出极性的正确电平。
参看图6，其描绘根据本发明的特定实例性实施例的图5所示的自动调零运算放大器和指零放大器的操作的时序图。设定指零放大器差分和共同模式调零开关：开关501、506和507断开且开关502和505闭合。同时，取样开关503、504和508-511闭合，开关512断开，开关513闭合，且开关514和515断开。一旦对差分和共同模式校正电压进行取样，取样开关就断开，且保持校正电压。接下来，通过闭合开关512和断开开关513而发生预充电。预充电之后，将开关512和513反向，且辅助端口开关514和515闭合，从而允许经调零指零放大器驱动主辅助端口。调零、预充电和主开关经设计为先接后断，因此输入端口永远不会经历高阻抗，以便最小化干扰。
虽然已通过参考本发明的实例实施例描绘、描述和界定本发明的实施例，但此类参考不意味着对本发明的限制，且不应推断出任何此类限制。所揭示的标的物能够容许相关领域中且得益于本发明的一般技术人员将了解的形式和功能上的相当多的修改、改变和等效物。所描绘和描述的本发明的实施例仅是实例，且并非为本发明范围的详尽阐释。

Claims (15)

1.一种指零放大器(208)，其包括：
电流到电压转换器(584)，其包括共同模式(CM)控制输入和预充电输入，
信号输入端口(576)，其包括第一跨导级(gm)，
差分模式(DM)校正端口(578)，其包括第二跨导级(gm′)，
第一求和点，其将所述信号输入端口(576)和所述DM校正端口(578)与所述电流到电压转换器(584)的输入耦合，
CM校正端口(580)，其与所述CM控制输入耦合，
预充电端口(582)，其与所述预充电输入耦合，以及
输出，其与所述电流到电压转换器(584)的输出耦合。
2.根据权利要求1所述的指零放大器(208)，其中所述预充电端口(582)包括第一开关(513)，其用于将所述电流到电压转换器(584)的所述预充电输入和第一开关单元(512，515)短接，从而将所述指零放大器的所述输出与所述预充电输入耦合。
3.根据权利要求1或2任一项所述的指零放大器(208)，其中所述信号输入端口(576)包括第一开关(502)，其用于将所述第一跨导级(gm)的输入和第二开关(501)短接，从而将输入信号与所述第一跨导级(gm)的输入耦合。
4.根据前述任一项所述的指零放大器(208)，其中所述电流到电压转换器(584)的输出包括第二采样开关单元(503，504)，其与连接到所述第二跨导级(gm′)的输入的采样电容(550)耦合。
5.根据前述任一项所述的指零放大器(208)，其中所述CM校正端口包括：
采样电容(552，554)，其用于采样所述电流到电压转换器(584)的输出上的共同模式电压和采样CM参考，以及
差分放大器，其与所述采样电容(552，554)耦合。
6.根据权利要求5所述的指零放大器(208)，其中所述CM校正端口包括反馈网络。
7.根据权利要求6所述的指零放大器(208)，其中所述反馈网络包括共同模式传感单元，所述共同模式传感单元通过第三开关单元(505，506，507)与共同模式参考端耦合或者与所述电流到电压转换器(584)的输出耦合，以及
差分放大器，其与所述共同模式传感单元的输出和所述CM参考端耦合。
8.根据权利要求7所述的指零放大器(208)，其还包括第二求和点，所述第二求和点从所述第一和第二差分放大器接收输出信号，并产生反馈至所述电流到电压转换器(584)的所述CM控制输入的输出信号。
9.根据权利要求2-8任一项所述的指零放大器(208)，还包括控制单元，所述控制单元可操作以控制所述开关和开关单元以为所述电流到电压转换器(584)提供CM校正、DM校正以及预充电功能。
10.根据前述任一项所述的指零放大器(208)，其中所述指零放大器为差分放大器形式。
11.一种用于操作前述任一项权利要求所述的指零放大器(208)的方法，
其中在第一操作模式中：
短接所述输入端口(576)，并确定CM校正值和DM校正值；以及
在第二操作模式中：
将输入信号反馈至所述输入信号端口(576)的同时将所述CM和DM校正值施加给所述电流至电压转换器(584)；
且其中在切换至所述第二操作模式之前，借助所述预充电端口执行预充电操作。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述预充电操作将所述指零放大器的输出水平调节至与指定为主放大器的所述指零放大器实质上相同的水平。
13.根据权利要求11所述的方法，其中在所述第一操作模式期间，在至少一个电容(550，552)上分别采样DM模式偏移量和CM偏移量，并将所述预充电端口短接。
14.根据权利要求11所述的方法，其中在所述第二操作模式期间，当输入信号反馈至所述输入端口并且所述预充电端口短接时，经采样的所述CM偏移量和DM偏移量控制各自的CM和DM端口。
15.根据权利要求11所述的方法，其中在所述预充电操作期间，当输入信号反馈至所述输入端口，并且所述预充电端口与所述指零放大器的输出端口耦合时，经采样的所述CM偏移量和DM偏移量控制各自的CM和DM端口。
CN201110197024.7A 2006-07-18 2007-07-16 最小化自动调零放大器中的切换噪声及其影响 Active CN102355210B (zh)

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