CN104218906B - 毫微伏特放大器设计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了毫微伏特放大器设计。一种电路可以包括：具有第一输入、第二输入和输出的运算放大器、在op‑amp的输出和地之间串联的第一和第二电阻器、以及多个开关，多个开关可配置为在正阶段和负阶段之间切换该电路。
Description
技术领域
本发明涉及毫微伏特放大器设计。
背景技术
目前存在两种已知技术，其中毫微伏特仪可以减小放大器偏移漂移。第一个技术，通常称为测零方法并且由图1图示，包括两阶段测量：输入的测量和电路公共端的测量。两个测量之间的差可以用于去除放大器A和衰减器的偏移以及测量电路（例如模数转换器（ADC））的偏移。
当开关102处于第一状态，例如在Hi（如所示的），结果电压VOUT_1由下式给出：
。
当开关102处于第二状态，例如在Lo（未示出），结果电压VOUT_2由下式给出：
。
因此，测量电压VMeas可以由下式确定：
。
第二个技术，通常称为斩波方法并且由图2图示，也包括两阶段测量，但是在这个技术中，放大器A的差分输入和放大器的输出被反转，由此产生两个测量，该两个测量可以被平均以去除放大器的偏移。
当开关202处于第一状态时（如所示的），结果电压VOUT_1由下式给出：
。
当开关202被切换时（未示出），结果电压VOUT_2由下式给出：
。
因此，测量电压VMeas可以由下式确定：
。
因为这个技术中的两个测量都测量输入，所以与由图1图示的增益级的噪声相比，测量噪声是一半，但是，因为衰减器偏移未被去除，所以必须注意确保衰减器偏移是稳定的。而且，测量电路偏移和噪声（诸如ADC）未被去除，并且因此必须通过其它测量方法去除。
因此，仍然存在对以下方案的需要：比由现有电路所提供的更可靠的测量，以及更具体地，在两个阶段中测量输入信号时拒绝放大器偏移和衰减器偏移两者。
发明内容
所公开的技术的实施例一般地涉及被设计为实现在两个阶段中测量输入信号时拒绝放大器偏移和衰减器偏移两者的电路。
放大器设计为具有两个阶段：正增益&负增益。当两个阶段的差被计算时，输入放大器、增益设置衰减器和感测放大器输出的测量电路的偏移被抵消。
两阶段增益级由差分增益级和衰减器构成。一个阶段使Hi输入连接到差分增益级的正输入，差分增益级被配置为驱动衰减器的一个末端的缓冲器；并且使Lo输入连接到衰减器上的抽头，其中衰减器的剩余末端连接到电路公共端。另一阶段使Hi连接到负输入并且使Lo连接到差分增益级的输出，其中输出还连接到衰减器的一个末端，正输入连接到衰减器抽头并且剩余末端连接到电路公共端。
附图说明
图1是图示减小测量装置中放大器偏移漂移的第一现有尝试的增益级的电路图。
图2是图示减小测量装置中放大器偏移漂移的第二现有尝试的增益级的电路图。
图3是图示根据所公开技术的特定实施例的测量装置中放大器设计的第一示例的电路图。
图4是图示根据所公开技术的特定实施例的测量装置中放大器设计的第二示例的电路图。
图5是图示由图4图示的放大器的正阶段的电路图。
图6是图示由图4图示的放大器的负阶段的电路图。
图7是图示根据所公开技术的特定实施例的测量装置中放大器设计的第三示例的电路图。
图8是图示根据所公开技术的特定实施例的测量装置中放大器设计的第四示例的电路图。
具体实施方式
所公开技术的实施例一般地涉及被设计为实现在两个阶段中测量输入信号时拒绝放大器偏移和衰减器偏移两者的电路。这样的实施例通常产生比由现在使用的现有技术电路所提供的测量更可靠的测量。
图3是图示根据所公开技术的特定实施例的测量装置中放大器设计的第一示例的电路图300。在包括单个放大器A和两个电路器R1和R2的示例中，使用两个阶段来进行测量：正阶段，其中开关302-306如示出的那样；以及负阶段（未示出），其中开关被切换。
切换开关302-306使施加到R1两端的输入电压反转，而VOS 和 VT1不反转。把来自两个阶段的VOUT的测量的差求平均产生一结果，在该结果中由VOS、VT1和VMos引起的误差被抵消。这有效地产生针对放大器噪声和测量电路噪声两者的减半信噪比。
当在正阶段时，结果电压VOUT+由下式给出：
。
当在负阶段时，结果电压VOUT-由下式给出：
。
因此，测量电压VMeas可以由下式确定：
。
图4是图示根据所公开技术的特定实施例的测量装置中放大器设计的第二示例的电路图400。由图4图示的示例类似于由图3图示的示例，除了添加放大器B以及开关402-406代替302-306，放大器B在不对电压VOUT添加任何偏移误差的情况下从放大器A去除共模。
当开关402-406被放置使得电路处于正阶段时，如由图5图示的，结果电压VMeas-P由下式给出：
。
当开关402-406被切换使得电路处于负阶段时，如由图6图示的，结果电压VMeas-N由下式给出：
。
因此，输出电压VOUT可以由下式确定：
。
在这个配置中，在正阶段中，通过衰减器连接Lo输入。因此输入信号上的任何共模将需要从电源公共端到底盘对寄生电容Cp充电。在第一阶段期间，这个电流将流动通过R1。
可以添加可选的缓冲器（这里为放大器C）以提供到公共端的低阻抗路径。然而，放大器C的偏移电压和噪声电压在输入处被添加。该偏移电压通过两个阶段的差来抵消，并且该噪声电压与放大器A的噪声电压一起求RMS。因此，该放大器的噪声质量对整体电路性能可能是至关重要的。为了保持低输入偏置电流，放大器A通常具有JFET输入级。这用于把其噪声电压性能限制到大约2nV/。
在示例中，放大器C的输入连接到衰减器，衰减器通常具有R1的低阻抗以便保持低电阻器噪声，例如小于100Ω。因此低阻抗允许放大器C是双极输入级。可以使用具有≤1nV/的噪声电压规范的op-amp。在放大器C在1nV/的特定实施例中，如果放大器A具有2nV/的输入噪声，则大约24%的附加噪声被添加到电路。
图7是图示根据所公开技术的特定实施例的测量装置中放大器设计的第三示例的电路图700。由图7图示的示例类似于由图4-6图示的示例，除了代替向电路添加可选的缓冲器（放大器C），在电路周围添加法拉第（Faraday）罩（本文中还称为防护罩）702。防护罩702连接到Lo输入并且把电容CP1分开，以使得电路地（地1）耦合到防护罩702，并且防护罩702耦合到底盘。在这个配置中，输入上的共模将仅对电容CP2充电并且因而充电将不流动通过R1。
图8是图示根据所公开技术的特定实施例的测量装置中放大器设计的第四示例的电路图800。在这个示例中，可以通过改变抽头节点来设置增益。替代地或附加到其，电阻器串R1-Rn可以被提供在放大器A和B之间，以使得可以依赖于多个因素中的任何因素而把电阻器添加到电阻器串R1-Rn的末端和/或从电阻器串R1-Rn的末端去除。
已参考图示的实施例描述和图示了本发明的原理，将被认识到的是，在不脱离这样的原理的情况下，图示的实施例可以在布置和细节上被修改，并且可以以任何期望的方式组合。并且虽然前面的讨论聚焦在特定实施例，但是其它配置被预期。具体来说，尽管本文中使用了诸如“根据本发明的实施例”等的表达，但是这些短语意图一般地提及实施例可能性，并且不意图把本发明限制到特定的实施例配置。如本文中使用的，这些术语可以提及可组合到其它实施例中的相同或不同的实施例。
因此，考虑到对本文中描述的实施例的广泛的各种排列，这个详细的描述和伴随的材料意图仅是说明性的，并且不应当被理解为限制本发明的范围。因此，本发明要求保护的是可以落入所附权利要求及其等同物的范围和精神内的所有这样的修改。
Claims (18)
1.一种电路，包括：
运算放大器（op-amp），具有第一输入（+）、第二输入（-）和输出，所述输出具有输出电压VOUT，其中在op-amp的第一和第二输入之间存在偏移电压VOS；
第一电阻器R1，具有电耦合到op-amp的输出的第一末端和第二末端；
第二电阻器R2，电耦合在第一电阻器的第二末端和地之间；
第一开关，具有第一位置和第二位置，op-amp的第一输入（+）在第一位置电耦合到第一输入源（Hi），op-amp的第二输入（-）在第二位置电耦合到第一输入源（Hi）；
第二开关，具有第一位置和第二位置，op-amp的输出在第一位置电耦合到op-amp的第二输入（-），op-amp的输出在第二位置电耦合到第二输入源（Lo）；以及
第三开关，具有第一位置和第二位置，第二输入源（Lo）在第一位置电耦合到第一电阻器的第二末端，op-amp的第一输入（+）在第二位置电耦合到第一电阻器的第二末端，其中在第一和第二输入源之间存在输入电压VIN，并且其中在第一电阻器的第二末端处存在热电压（VT1）。
2.根据权利要求1的电路，其中当第一、第二和第三开关中的每个都处于第一位置时所述电路处于正阶段。
3.根据权利要求2的电路，其中当所述电路处于正阶段时，输出电压VOUT是VOUT+，并且进一步其中输出电压VOUT+和测量的偏移电压VMos的总和由下式确定：
。
4.根据权利要求3的电路，其中当第一、第二和第三开关中的每个都处于第二位置时所述电路处于负阶段。
5.根据权利要求4的电路，其中当所述电路处于负阶段时，输出电压VOUT是VOUT-，并且进一步其中输出电压VOUT-和测量的偏移电压VMos的总和由下式确定：
。
6.根据权利要求5的电路，其中测量电压VMeas可以由下式确定：
。
7.一种电路，包括：
第一运算放大器（op-amp），具有第一输入（+）、第二输入（-）和输出，其中在第一op-amp的第一和第二输入之间存在第一偏移电压VOS-A；
第一电阻器R1，具有电耦合到op-amp的输出的第一末端和第二末端；
第二op-amp，具有电耦合到地的第一输入、第二输入（-）和输出，其中在第二op-amp的第一和第二输入之间存在第二偏移电压VOS-B；
第二电阻器R2，电耦合在第一电阻器的第二末端和第二op-amp的输出之间；
第一开关，具有第一位置和第二位置，第一op-amp的第一输入（+）在第一位置电耦合到第一输入源（Hi），第一op-amp的第二输入（-）在第二位置电耦合到第一输入源（Hi）；
第二开关，具有第一位置和第二位置，第一op-amp的输出在第一位置电耦合到第二op-amp的第二输入（-），第二op-amp的第二输入（-）在第二位置电耦合到第一输入源（Hi）；以及
第三开关，具有第一位置和第二位置，第一电阻器的第二末端在第一位置电耦合到第二输入源（Lo），第一电阻器的第二末端在第二位置电耦合到第二op-amp的第二输入（-），其中在第一和第二输入源之间存在输入电压VIN，其中在第一电阻器的第二末端处存在热电压（VT1），并且进一步其中在第一和第二op-amp的输出之间存在输出电压VOUT。
8.根据权利要求7的电路，其中当第一、第二和第三开关中的每个都处于第二位置时所述电路处于正阶段。
9.根据权利要求8的电路，其中当所述电路处于正阶段时输出电压VOUT是VOUT-P，并且进一步其中输出电压VOUT-P和测量的偏移电压VMos的总和由下式确定：
。
10.根据权利要求9的电路，其中当第一、第二和第三开关中的每个都处于第一位置时所述电路处于负阶段。
11.根据权利要求10的电路，其中当所述电路处于负阶段时输出电压VOUT是VOUT-N，并且进一步其中输出电压VOUT-N和测量的偏移电压VMos的总和由下式确定：
。
12.根据权利要求11的电路，其中结果输出电压VOUT可以由下式确定：
。
13.根据权利要求7的电路，进一步包括第二op-amp的第一输入和底盘之间的电容。
14.根据权利要求7的电路，进一步包括所述电路周围的防护罩。
15.根据权利要求14的电路，其中所述防护罩是法拉第罩。
16.根据权利要求14的电路，进一步包括所述防护罩和底盘之间的电容。
17.根据权利要求7的电路，进一步包括至少一个附加电阻器，电放置在第一和第二电阻器之间。
18.根据权利要求17的电路，进一步包括所述电路周围的防护罩。
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