CN103944523A

CN103944523A - 一种可编程增益放大器

Info

Publication number: CN103944523A
Application number: CN201410170682.0A
Authority: CN
Inventors: 马剑武; 刘文用
Original assignee: CHANGSHA YUNTENG MICROELECTRONICS Co Ltd
Current assignee: CHANGSHA YUNTENG MICROELECTRONICS Co Ltd
Priority date: 2014-04-26
Filing date: 2014-04-26
Publication date: 2014-07-23

Abstract

本发明公开了一种可编程增益放大器，包含三级放大电路；所述第一级放大电路的同相输入和反相输入分别为可编程放大器的同相输入和反相输入，它们构成可编程放大器的一对差分输入端；所述第二级放大电路的同相输入接第一级放大电路的反相输出、第二级放大电路的反相输入接第一级放大电路的同相输出；所述第三级放大电路的同相输入接第二级放大电路的反相输出、第三级放大电路反相输入接第二级放大电路的同相输出；所述第三级放大电路的同相输出和反相输出构成一对差分输出端。本发明可以在医疗电子领域用于对微小生理信号进行放大处理，以获得高精度增益，同时在一定增益动态范围内可调，满足不同输入信号幅度的要求。

Description

一种可编程增益放大器

技术领域

本发明属于集成电路放大器，具体涉及一种可编程增益放大器。

背景技术

在医疗电子领域，临床诊断或者医学研究中需要对人体的各种生理信号进行检测或监控，例如血压、心率、血糖、神经收缩产生的复合动作电位等等。图1所示为一种多通道检测系统，包括：多路选择开关（MUX）100、可编程增益放大器(PGA)200、模数转换器(ADC)300、数字处理单元(DIGITAL)400。MUX100从多个通道中选择一路输入信号送至PGA200，PGA200对输入信号进行放大，使之匹配到ADC300的输入范围，ADC300将放大后的模拟信号转换成数字信号，送至DIGTIAL400进行存储、分析、处理。

这些人体生理信号很小，其幅度通常在几十微伏（uV）到几个毫伏（mV）之间。若放大器增益太小，放大器输出至ADC的信号幅度小，影响ADC转换的精度；若放大器增益太大，放大器输出至ADC的信号幅度太大，超出ADC的量程。因此采用可编程增益放大器，通过调整放大器的增益，将生理信号放大至合适的值，使之落在ADC的输入范围内，并可获得良好的转换精度。

现有的可编程增益放大器如图2所示，放大器的增益由反馈电阻RF与输入电阻RI的比值RF/RI决定，通过改变反馈电阻RF与输入电阻RI的值，可获得不同增益。该可编程放大器存在一个问题，那就是运放的失调。就CMOS工艺而言，运放的输入失调电压约10mV，远远大于有用的生理信号幅度，在高增益的情况下，放大器因失调而导致输出饱和，无法正常工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种低失调电压的可编程增益放大器，用于对微小生理信号进行放大处理，以获得高精度增益，同时在一定增益动态范围内可调，满足不同输入信号幅度的要求。

本发明的可编程增益放大器，包含三级放大电路：第一级放大电路、第二级放大电路、第三级放大电路；

所述第一级放大电路的同相输入和反相输入分别为可编程放大器的同相输入和反相输入，它们构成可编程放大器的一对差分输入端；

所述第二级放大电路的同相输入接第一级放大电路的反相输出、第二级放大电路的反相输入接第一级放大电路的同相输出；

所述第三级放大电路的同相输入接第二级放大电路的反相输出、第三级放大电路反相输入接第二级放大电路的同相输出；

所述第三级放大电路的同相输出和反相输出构成一对差分输出端。

所述的第一级放大电路，包含第一全差分运算放大器、第一输入电容、第一反馈电容及第一控制开关；第一级放大电路的增益由第一输入电容与第一反馈电容的比值确定。

所述的第二级放大电路，包含第二全差分运算放大器、第二输入电容、第二反馈电容及第二控制开关；第二级放大电路的增益由第二输入电容与第二反馈电容的比值确定。

所述的第三级放大电路，包含第三全差分运算放大器、第三输入电容、第三反馈电容、第三控制开关；第三级放大电路的增益由第三输入电容与第三反馈电容的比值确定；通过改变第三开关控制信号，进而改变接入电路的第三输入电容及第三反馈电容的值，对第三级放大电路的增益进行编程控制。

所述的第一、第二、第三控制开关，采用非交叠时钟来控制它们的导通和断开。

所述的第一、第二、第三输入电容、第一、第二、第三反馈电容，它们分别通过第一、第二、第三控制开关的时序来存储、消除失调电压的影响。

所述第一、第二、第三全差分运算放大器，它们均具有一对差分输入端和一对差分输出端；所述第一、第二、第三全差分运算放大器均由运算放大器主电路及共模反馈电路组成。

所述第三级放大电路的增益可调，增益的值包括但不限于0、10、20、30dB。

本发明的可编程增益放大器主要有三大优点：首先，三级放大电路的增益，通过输入电容与反馈电容的比值来获得，通过选取合适的比值及版图合理的布局，可获得高精度的放大增益；其次，输入电容及反馈电容的存在，可以通过开关时序的控制，存储并减小运算放大器的失调电压，进而解决失调电压在高增益情况下导致放大器输出饱和的问题；最后，本发明采用全差分运算放大器，增加共模抑制比，抑制共模干扰。

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

附图说明

图1是具有可编程增益放大器的多通道检测系统框图。

图2是现有可编程增益放大器的示意图。

图3是本发明实施例的结构框图。

图4是本发明实施例中第一级放大电路示意图。

图5是非交叠时钟波形。

图6是本发明实施例中第二级放大电路示意图。

图7是本发明实施例中第三级放大电路示意图。

图8是本发明实施例采用的全差分运算放大器电路图。

具体实施方式

本发明的可编程增益放大器的实施例如图3所示，包括三级放大电路：第一级放大电路210、第二级放大电路220、第三级放大电路230；所述第一级放大电路210的同相输入VINP1接输入信号VINP、反相输入VINN1接输入信号VINN，构成一对差分输入端；所述第二级放大电路220的同相输入VINP2接第一级放大电路210的反相输出OUTN1、反相输入VINN2接第一级放大电路210的同相输出OUTP1；所述第三级放大电路230的同相输入VINP3接第二级放大电路220的反相输出OUTN2、反相输入VINN3接第二级放大电路220的同相输出OUTP2；所述第三级放大电路230的反相输出OUTN3、同相输出OUTP3输出至ADC进行数模转换，构成一对差分输出端。

第一级放大电路210如图4所示，由全差分运算放大器501、输入电容CI（506和507）、反馈电容CF（502和504）、控制开关（503、505、508、509、510、511、512、513）组成；输入电容CI506（507）一端接全差分运算放大器501的同相输入INP（反相输入INN），另一端通过开关510（511）接地、通过开关512（513）接第一级放大电路210的同相输入VINP1(反相输入VINN1)；反馈电容CF502（504）与开关503（504）并联，连接全差分运算放大器501的同相输入INP 和反相输出OUTN(反相输入INN与同相输出OUTP)；全差分运算放大器501的同相输入INP（反相输入INN）通过开关508（509）连接共模电压VCM；全差分运算放大器501的反相输出OUTN（同相输出OUTP）与第一级放大电路210的反相输出OUTN1（同相输出OUTP1）相连。

控制开关采用非交叠时钟来实现导通和断开，其中512、513由CK2信号控制，其他开关由CK1信号控制，CK1和CK2的时序波形如图5所示。CK1为高时CK2为低，开关503、505、508、509、510、511导通，开关512、513断开，此时，放大电路处于复位阶段。第一级放大电路210的同相输出OUTP1、反相输出OUTN1连接到共模电压VCM；全差分运算放大器501的同相输入INP、反相输入INN连接到共模电压VCM；输入电容CI506（507）一端接全差分运算放大器501的同相输入INP（反相输入INN），另一端通过开关510（511）接地，此时输入CI506（507）上存储的电压为共模电压VCM；反馈电容CF502（504）通过开关503（505）短路。

CK2为高时CK1为低，，开关512、513导通，开关503、505、508、509、510、511断开。第一级放大电路210正常工作，其增益由输入电容506（507）和反馈电容502（504）的比值CI/CF决定，在第一级放大电路实施例中取CI/CF=10,故第一级放大电路210的增益为

GAIN1=20log（CI/CF）=20log（10）=20dB （1）

第二级放大电路220如图6所示，由全差分运算放大器601、输入电容CI（606和607）、反馈电容CF（602和604）、控制开关（603、605、608、609）组成；输入电容CI606（607）一端接全差分运算放大器601的同相输入INP（反相输入INN），另一端接第二级放大电路220的同相输入VINP2(反相输入VINN2)；反馈电容CF602（604）与开关603（604）并联，连接全差分运算放大器601的同相输入INP 和反相输出OUTN(反相输入INN与同相输出OUTP)；全差分运算放大器601的同相输入INP（反相输入INN）通过开关608（609）连接共模电压VCM；全差分运算放大器601的反相输出OUTN（同相输出OUTP）与第二级放大电路220的反相输出OUTN2（同相输出OUTP2）相连。

控制开关由CK1信号控制。CK1为高时，开关603、605、608、609导通，此时，放大电路处于复位阶段。第二级放大电路220的同相输出OUTP2、反相输出OUTN2连接到共模电压VCM；全差分运算放大器601的同相输入INP、反相输入INN连接到共模电压VCM；输入电容CI606（607）一端接全差分运算放大器601的同相输入INP（反相输入INN），另一端接第一级放大器210的反相输出OUTN1(同相输出OUTP1)，CK1为高时，第一级放大电路210的同相输出OUTP1、反相输出OUTN1连接到共模电压VCM，此时输入电容CI606（607）上存储的电压为0；反馈电容CF602（604）通过开关603（605）短路。

CK1为低时，开关603、605、608、609断开。第二级放大电路220正常工作，其增益由输入电容606（607）和反馈电容602（604）的比值CI/CF决定，在第二级放大电路实施例中取CI/CF=10,故第二级放大电路220的增益为

GAIN2=20log（CI/CF）=20log（10）=20dB （2）

第三级放大电路230如图7所示，由全差分运算放大器701、输入电容CI（706、710和707、711）、反馈电容CF（702、722、724和704、723、725）、控制开关（703、705、708、709）、S1(726、727)、S2(720、721)、S3(718、719)、S4(712、713)、S5(714、715)、S6(716、717)组成；输入电容CI710（711）与开关712（713）串联后与输入电容CI706（707）并联；输入电容CI 706（707）一端接全差分运算放大器701的同相输入INP（反相输入INN），另一端通过开关714（715）接第三级放大电路230的同相输入VINP3(反相输入VINN3)；反馈电容CF702（704）与开关718（719）并联，一端通过开关726（727）连接全差分运算放大器701的同相输入INP（反相输入INN），另一端连接全差分运算放大器701的反相输出OUTN（同相输出OUTP）；反馈电容724与722（723与725）串联后，与开关726（727）并联，反馈电容724与722（723与725）的公共端通过开关720（721）接全差分运算放大器701的反相输出OUTN（同相输出OUTP）；开关703（705）连接全差分运算放大器701的同相输入INP 和反相输出OUTN(反相输入INN与同相输出OUTP)；全差分运算放大器701的同相输入INP（反相输入INN）通过开关708（709）连接共模电压VCM；全差分运算放大器701的反相输出OUTN（同相输出OUTP）与第三级放大电路230的反相输出OUTN3（同相输出OUTP3）相连；第三级放大电路230的同相输入VINP3（反相输入VINN3）通过开关716(717)与反相输出OUTN3（同相输出OUTP3）相连。

控制开关703、705、708、709由CK1信号控制，用来实现放大器的复位，控制开关S1(726、727)、S2(720、721)、S3(718、719)、S4(712、713)、S5(714、715)、S6(716、717)用来实现可编程增益控制。CK1为高时，开关703、705、708、709导通，此时，放大电路处于复位阶段。第三级放大电路230的同相输出OUTP3、反相输出OUTN3连接到共模电压VCM；全差分运算放大器701的同相输入INP、反相输入INN连接到共模电压VCM。

CK1为低时，开关703、705、708、709断开。第三级放大电路230正常工作，其增益由开关S1(726、727)、S2(720、721)、S3(718、719)、S4(712、713)、S5(714、715)、S6(716、717)控制，实现0、10、20、30dB可选。下表是对应0、10、20、30dB增益时，开关S1(726、727)、S2(720、721)、S3(718、719)、S4(712、713)、S5(714、715)、S6(716、717)的控制信号电平，1表示高电平，开关导通；0表示低电平，开关断开；X表示高电平或者低电平均可。

输入电容706、710和707、711的值为CI，反馈电容702、722、724和704、723、725的值为CF，在第三级放大电路实施例中取CI/CF=5。

当开关S5(714、715)断开、开关S6(716、717)闭合时，第三级放大电路230的同相输入VINP3与反相输出OUTN3相连，反相输入VINN3与同相输出OUTP3相连，简言之，第三级放大电路230被短路，此时增益为

GAIN3=20log1=0 （3）

当开关S3(718、719)、S6(716、717)断开，开关S1(726、727)、S2(720、721)、S4(712、713)、S5(714、715)闭合时，输入电容由706、710（707、711）并联，等于2*CI，反馈电容由702、722、724（704、723、725）并联，等于3*CF，此时第三级放大电路230的增益为

GAIN3=20log（2*CI/3*CF）=20log（10/3）=10dB （4）

当开关S1(726、727)、S2(720、721)、S4(712、713)、S6(716、717)断开，开关S3(718、719)、S5(714、715)闭合时，由于710开路、仅706接入电路（711开路、仅707接入电路），输入电容等于CI，由于722、724串联、702短路（723、725串联、704短路），反馈电容等于0.5*CF，此时第三级放大电路230的增益为

GAIN3=20log（CI/0.5*CF）=20log（5/0.5）=20dB （5）

当开关S1(726、727)、S2(720、721)、S3(718、719)、S6(716、717)断开，开关S4(712、713)、S5(714、715)闭合时，输入电容由706、710（707、711）并联，等于2*CI，反馈电容由702、722、724（704、723、725）串联，等于CF/3，此时第三级放大电路230的增益为

GAIN3=20log（3*2*CI/CF）=20log（30）=30dB （6）

本发明实施例采用的全差分运算放大器501、601、701如图8所示，由第一到第五PMOS管PM1～PM5、第一到第四NMOS管NM1～NM4、第一到第二电容C1～C2、第一到第二电阻R1～R2、第七到第九PMOS管PM7～PM9、第五到第六NMOS管NM5～NM6、第三到第四电阻R3～R4组成；其中第一到第五PMOS管PM1～PM5、第一到第四NMOS管NM1～NM4、第一到第二电容C1～C2、第一到第二电阻R1～R2组成了全差分运算放大器的主电路，第七到第九PMOS管PM7～PM9、第五到第六NMOS管NM5～NM6、第三到第四电阻R3～R4组成了共模反馈电路；第一、第二PMOS管PM1、PM2为放大器差分输入对管，第一、第二NMOS管NM1、NM2为PM1和PM2的电流源负载，第三PMOS管PM3为PM1、PM2提供了偏置电流；第三NMOS管NM3、第五PMOS管PM5以及第四NMOS管NM4、第四PMOS管PM4组成了第二级放大电路。第一电容C1、第一电阻R1（第一电容C2、第一电阻R2）分别为米勒电容和调零电阻，用于提升放大电路的稳定性。共模反馈电路则为全差分运算放大器提供了稳定的共模电压。第六PMOS管PM6与PM3、PM4、PM5、PM7构成电流镜，将输入的偏置电流IBIAS复制，为全差分运算放大器主电路及共模反馈电路提供偏置电流。

Claims

1.一种可编程增益放大器，其特征是：包含三级放大电路：第一级放大电路、第二级放大电路、第三级放大电路；

2.如权利要求1所述的可编程增益放大器，其特征是：所述第一级放大电路，包含第一全差分运算放大器、第一输入电容、第一反馈电容及第一控制开关；第一级放大电路的增益由第一输入电容与第一反馈电容的比值确定。

3.如权利要求1所述的可编程增益放大器，其特征是：所述第二级放大电路，包含第二全差分运算放大器、第二输入电容、第二反馈电容及第二控制开关；第二级放大电路的增益由第二输入电容与第二反馈电容的比值确定。

4.如权利要求1所述的可编程增益放大器，其特征是：所述第三级放大电路，包含第三全差分运算放大器、第三输入电容、第三反馈电容、第三控制开关；第三级放大电路的增益由第三输入电容与第三反馈电容的比值确定；通过改变第三开关控制信号，进而改变接入电路的第三输入电容及第三反馈电容的值，对第三级放大电路的增益进行编程控制。

5.如权利要求2、3、4所述的可编程增益放大器，其特征是：所述第一、第二、第三控制开关，采用非交叠时钟来控制它们的导通和断开。

6.如权利要求2、3、4所述的可编程增益放大器，其特征是：所述第一、第二、第三输入电容、第一、第二、第三反馈电容，它们分别通过第一、第二、第三控制开关的时序来存储、消除失调电压的影响。

7.如权利要求2、3、4所述的可编程增益放大器，其特征是：所述第一、第二、第三全差分运算放大器，它们均具有一对差分输入端和一对差分输出端；所述第一、第二、第三全差分运算放大器均由运算放大器主电路及共模反馈电路组成。

8.如权利要求4所述的可编程增益放大器，其特征是：所述第三级放大电路的增益可调，增益的值包括但不限于0、10、20、30dB。