CN105680805B - 一种直流耦合高精度放大装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流耦合高精度放大装置。所述直流耦合高精度放大装置包括调制器单元、前置放大器单元和干扰信号压缩环路单元；所述调制器单元用于将输入的电信号调制到调制信号频率上，并将调制信号输出至前置放大器单元；所述前置放大器单元用于对调制器单元的输出的调制信号进行适当放大，并将放大后的调制信号输出至干扰信号压缩环路单元；所述干扰信号压缩环路单元用于将放大后的调制信号还原到微弱电信号，提取电信号中的干扰信号，并对干扰信号进行压缩处理后，将被压缩的干扰信号输出至调制器单元，与输入调制器单元的原始电信号相减，从而消除干扰信号。本发明能够实现低成本、低噪声、低功耗，高精度及便携等优点。

Description

一种直流耦合高精度放大装置
技术领域
本发明属于放大器技术领域，尤其涉及一种直流耦合高精度放大装置。
背景技术
自然界中的微弱信号(如：机械振动，生物电信号等)幅度很低，同时周围环境中存在各种杂散的电磁场、走线，工频等干扰，例如脑电信号的幅度是从几微伏到几百微伏，频率0.5赫兹到100赫兹，但是由电极失配引起的干扰信号，幅度就达到几百毫伏，频率低于0.5赫兹。在集成电路设计中追求低压低功耗设计，芯片工作电压很低(如：1.8伏，1伏)，所以，如果将带有干扰信号的微弱电信号直接放大，微弱电信号易被干扰信号淹没；为了获得高质量的微弱电信号，必须要消除干扰信号。
目前，消除干扰信号的方法主要包括：1、传统的三运放结构，信号通过两个对称的缓冲器(没有放大功能的放大器组成)，差分输入放大级电路。通过提高共模抑制比，使有用信号表现的比干扰信号更强烈。2、输入大电容耦合：利用输入电容和放大器等效电阻形成高通滤波消除低频干扰信号。3、前馈回路的技术方案将采集到的电信号分为两路，一路是经过低通滤波，另一路是不作处理，然后两路信号汇聚一点，在此点两路信号相减实现降低干扰信号，最后再放大微弱电信号。
上述消除干扰信号的方法存在以下缺点:采用三运放结构的方法需要先通过两个对称的缓冲器(没有放大功能的放大器组成)，差分输入第三个运放，放大信号。但是输入端的两个缓冲器不可能完全对称，会产生额外的差模信号，影响获取的信号质量，同时功耗大，面积大。输入大电容耦合技术由于大电容不易在芯片内集成，需要片外电容，成本高，功耗大，精度低。采用前馈回路的方法虽然可以实现直流耦合，但是低通滤波器是采用电阻和前置放大器输入管的寄生电容组成，而寄生电容及易受工艺和温度的影响，所以采集的信号质量受外界环境的影响很大，对电路设计的要求也很高，很难实现广泛应用。
发明内容
本发明提供了一种直流耦合高精度放大装置，旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。
本发明实现方式如下，一种直流耦合高精度放大装置，包括调制器单元、前置放大器单元和干扰信号压缩环路单元；所述调制器单元、前置放大器单元与干扰信号压缩环路单元依次耦合连接，且所述干扰信号压缩环路单元的输出端与调制器单元的输入端耦合连接；所述调制器单元用于将输入的电信号调制到调制信号频率上，并将调制信号输出至前置放大器单元；所述前置放大器单元用于对调制器单元的输出的调制信号进行适当放大，并将放大后的调制信号输出至干扰信号压缩环路单元；所述干扰信号压缩环路单元用于将放大后的调制信号还原到微弱电信号，提取电信号中的干扰信号，并对干扰信号进行压缩处理后，将被压缩的干扰信号输出至调制器单元，与输入调制器单元的原始电信号相减消除干扰信号。
本发明实施例采取的技术方案还包括：还包括增益放大单元和第一解调器单元；消除干扰信号后的有用信号通过所述调制器单元的输出端重新输出至前置放大器中进行适当放大，所述增益放大单元用于对经前置放大器单元放大的有用信号进行增益放大处理，并将放大后的有用信号输出至第一解调器单元；所述第一解调器单元用于对增益放大单元输出的有用信号进行解调处理，将放大后的有用信号还原到微弱电信号的频率上，同时将电路本身低频噪声和失调搬到高频率上，实现电路的低噪声。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述干扰信号压缩环路单元包括第二解调器单元、积分器单元和干扰信号压缩单元，所述第二解调器单元、积分器单元和干扰信号压缩单元依次耦合连接；所述第二解调器单元用于对前置放大器单元输出的调制信号进行解调，还原到微弱电信号；所述积分器单元用于从微弱电信号中提取干扰信号；所述干扰信号压缩单元用于将干扰信号进行压缩处理，使其和原始电信号中的干扰信号幅度接近，并将压缩后的干扰信号输出至调制器单元。
本发明实施例采取的技术方案还包括：还包括毛刺消除滤波单元；所述毛刺消除滤波单元用于对第一解调器单元输出的有用信号进行滤波处理，消除由所述调制器单元、第一解调器单元和第二解调器单元中的模拟开关引起的尖峰噪声信号。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述干扰信号压缩单元包括由PMOS管组成的源级跟随器和由NMOS管组成的源级跟随器，所述源级跟随器的增益表达式为：
所述公式中，Av代表源级跟随器的增益，gm代表每一级输入管的跨导，gmb是衬底效应引起的跨导，Rs是源级负反馈电阻。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述干扰信号压缩单元还包括带源级负反馈电阻的共源级放大器，所述带源级负反馈电阻的共源级放大器的等效跨导为：
Av＝Gm*RD
其中，Gm代表每一级的等效跨导，gm代表每一级输入管的跨导，RD由PMOS管组成的负载电阻。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述调制器单元、第一解调器单元以及第二解调器单元分别由四个模拟互补CMOS开关S1、S2、S3和S4组成，每个开关由两个频率相等、相位相差半个周期的时钟信号控制其断开状态。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述开关S1和S2的断开状态同步，所述开关S3和S4的断开状态同步，且开关S1、S2与开关S3、S4的断开状态依次交替。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述毛刺消除滤波单元时钟信号的频率为第一解调信号频率的两倍。
本发明实施例的直流耦合高精度放大装置通过干扰信号压缩环路单元对干扰信号进行压缩后将干扰信号反馈到输入端与输入信号相减，可以有效的消除干扰信号，不采用寄生电容，低失配；采用调制斩波除噪技术降低电路噪声和失调；并采用直流耦合可以避免大输入电容，降低成本、提高精度、易集成，可以实现多通道集成，易用于系统集成；本发明能够实现低成本、低噪声、低功耗，高精度及便携等优点。
附图说明
图1是本发明实施例的直流耦合高精度放大装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的干扰信号压缩环路单元的电路图；
图3是本发明实施例的调制器单元、第一解调器单元以及第二解调器单元的内部结构示意；
图4是本发明实施例的毛刺消除滤波单元的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，是本发明实施例的直流耦合高精度放大装置的结构示意图。本发明实施例的直流耦合高精度放大装置包括调制器单元、前置放大器单元、干扰信号压缩环路单元、增益放大单元、第一解调器单元和毛刺消除滤波单元；其中，调制器单元、前置放大器单元与干扰信号压缩环路单元依次耦合连接，且干扰信号压缩环路单元的输出端与调制器单元的输入端耦合连接；前置放大器单元、增益放大单元、第一解调器单元和毛刺消除滤波单元依次耦合连接。
具体地，采集的电信号通过调制器单元的输入端输入调制器单元，调制器单元用于将输入信号调制到调制信号频率上，并通过调制器单元的输出端将调制信号输出至前置放大器单元；
前置放大器单元用于对调制器单元的输出的调制信号进行适当放大，并通过前置放大器单元的输出端将放大后的调制信号输出至干扰信号压缩环路单元；
干扰信号压缩环路单元用于将放大后的调制信号还原到微弱电信号，提取电信号中的干扰信号，并对干扰信号进行压缩处理后，将被压缩的干扰信号输出至调制器单元，与输入调制器单元的原始电信号相减，达到消除干扰信号的目的。
进一步地，干扰信号压缩环路单元包括第二解调器单元、积分器单元和干扰信号压缩单元，第二解调器单元、积分器单元和干扰信号压缩单元依次耦合连接；第二解调器单元用于对前置放大器单元输出的调制信号进行解调，还原到微弱电信号，即将信号搬回原频率上；积分器单元用于从微弱电信号中提取干扰信号；干扰信号压缩单元用于将干扰信号进行压缩处理，使其和原始电信号中的干扰信号幅度接近，并将压缩后的干扰信号输出至调制器单元，与输入调制器单元的原始电信号相减，实现消除干扰信号的目的。请一并参阅图2，是本发明实施例的干扰信号压缩环路单元的电路图。在图2中，A和B的输入级分别是NMOS管和PMOS管构成输入轨到轨结构(输入范围大的优点)。A中的第一级和最后一级是由PMOS管组成的源级跟随器，第二级是由NMOS管组成的源级跟随器。源级跟随器的增益表达式如下：
上述公式中，Av代表源级跟随器的增益，gm代表每一级输入管的跨导，gmb是衬底效应引起的跨导。源级负反馈电阻Rs(由MOS管组成)。Av小于1，所以a1小于输入，b1小于a1。B中第一级和第二级是利用源级跟随器转移微弱电信号，第三级是带源级负反馈电阻的共源级放大器，源级负反馈电阻Rs(由PMOS构成的)，带源级负反馈电阻的共源级放大器的等效跨导和增益表达式如下：
Av＝Gm*RD
gm代表每一级输入管的跨导，Gm代表每一级的等效跨导，RD由PMOS管组成的负载电阻，所以B中信号a2小于输入信号，b2小于a2。由于b2是低电位,所以Vo2是常数。再通过输出级，将Vo1和Vo2转化成电流，电流相减，输出被压缩的干扰信号。
消除干扰信号后的有用信号经输入调制器单元的输出端重新输出至前置放大器单元中进行适当放大，放大后的有用信号经前置放大器单元的输出端输出至增益放大单元；
增益放大单元用于对前置放大器单元的输出的有用信号进行增益放大处理，并将放大后的有用信号输出至第一解调器单元；
第一解调器单元用于对增益放大单元输出的有用信号进行解调处理，将放大后的有用信号还原到微弱电信号的频率上，同时将电路本身低频噪声和失调搬到高频率上，实现电路的低噪声，并将解调处理后的有用信号输出至毛刺消除滤波单元。
请一并采用图3，为本发明实施例的调制器单元、第一解调器单元以及第二解调器单元的内部结构示意。调制器单元、第一解调器单元以及第二解调器单元分别由四个模拟互补CMOS((Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)开关(S1、S2、S3、S4)组成，每个开关都是由两个频率相等、相位相差半个周期的时钟信号(Q与)控制其断开状态。S1和S2的断开状态是同步的，S3和S4的断开状态是同步的。S1、S2与S3、S4的断开状态是依次交替的。从而实现将低频信号搬到调制信号(时钟信号：Q与)的频率上，将前置放大器单元本身的电路失调和电路噪声调制到调制(解调)信号(信号Q或)的频率上，将低频噪声(由电路失调和电路噪声组成，频率与微弱电信号频率相当，而远小于Q或信号频率)与想获取的电信号分开，避免有用信号被噪声淹没，实现降低噪声功能。
毛刺消除滤波单元用于对第一解调器单元输出的有用信号进行滤波处理，消除由调制器单元、第一解调器单元和第二解调器单元中的模拟开关引起的尖峰噪声信号。具体请一并参阅图4，是本发明实施例的毛刺消除滤波单元的电路图。在图4中，Y是时钟信号，它的频率为解调信号频率的两倍，第一解调器单元输出带有毛刺的信号，从M7和M4进入，M3/M9在时钟信号Y的控制下，不断地导通和关闭，M3/M9的关断引入的电荷注入产生的毛刺和信号中的毛刺相互抵消；同时通过M5/M8形成反馈，稳定M4/M7的输出；电流源I0通过M1给M6和M2支路提供相同的偏置电流。
本发明实施例的直流耦合高精度放大装置通过干扰信号压缩环路单元对干扰信号进行压缩后将干扰信号反馈到输入端与输入信号相减，可以有效的消除干扰信号，不采用寄生电容，低失配；采用调制斩波除噪技术降低电路噪声和失调；并采用直流耦合可以避免大输入电容，降低成本、提高精度、易集成，可以实现多通道集成，易用于系统集成；本发明能够实现低成本、低噪声、低功耗，高精度及便携等优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直流耦合高精度放大装置，其特征在于，包括调制器单元、前置放大器单元和干扰信号压缩环路单元；所述调制器单元、前置放大器单元与干扰信号压缩环路单元依次耦合连接，且所述干扰信号压缩环路单元的输出端与调制器单元的输入端耦合连接；所述调制器单元用于将输入的电信号调制到调制信号频率上，并将调制信号输出至前置放大器单元；所述前置放大器单元用于对调制器单元的输出的调制信号进行放大，并将放大后的调制信号输出至干扰信号压缩环路单元；所述干扰信号压缩环路单元用于将放大后的调制信号还原到微弱电信号，提取电信号中的干扰信号，并对干扰信号进行压缩处理后，将被压缩的干扰信号输出至调制器单元，与输入调制器单元的原始电信号相减消除干扰信号。
2.根据权利要求1所述的直流耦合高精度放大装置，其特征在于，还包括增益放大单元和第一解调器单元；消除干扰信号后的有用信号通过所述调制器单元的输出端重新输出至前置放大器中进行放大，所述增益放大单元用于对经前置放大器单元放大的有用信号进行增益放大处理，并将放大后的有用信号输出至第一解调器单元；所述第一解调器单元用于对增益放大单元输出的有用信号进行解调处理，将放大后的有用信号还原到微弱电信号的频率上，同时将电路本身低频噪声和失调搬到高频率上，实现电路的低噪声。
3.根据权利要求2所述的直流耦合高精度放大装置，其特征在于，所述干扰信号压缩环路单元包括第二解调器单元、积分器单元和干扰信号压缩单元，所述第二解调器单元、积分器单元和干扰信号压缩单元依次耦合连接；所述第二解调器单元用于对前置放大器单元输出的调制信号进行解调，还原到微弱电信号；所述积分器单元用于从微弱电信号中提取干扰信号；所述干扰信号压缩单元用于将干扰信号进行压缩处理，以使其接近原始电信号中的干扰信号幅度，并将压缩后的干扰信号输出至调制器单元。
4.根据权利要求2所述的直流耦合高精度放大装置，其特征在于，还包括毛刺消除滤波单元；所述毛刺消除滤波单元用于对第一解调器单元输出的有用信号进行滤波处理，消除由所述调制器单元、第一解调器单元和第二解调器单元中的模拟开关引起的尖峰噪声信号。
5.根据权利要求3所述的直流耦合高精度放大装置，其特征在于，所述干扰信号压缩单元包括由PMOS管组成的源级跟随器和由NMOS管组成的源级跟随器，所述源级跟随器的增益表达式为：
所述表达式中，Av代表源级跟随器的增益，gm代表每一级输入管的跨导，gmb是衬底效应引起的跨导，Rs是源级负反馈电阻。
6.根据权利要求5所述的直流耦合高精度放大装置，其特征在于，所述干扰信号压缩单元还包括带源级负反馈电阻的共源级放大器，所述带源级负反馈电阻的共源级放大器的等效跨导为：
Av＝Gm*RD
其中，Gm代表每一级的等效跨导，gm代表每一级输入管的跨导，RD由PMOS管组成的负载电阻。
7.根据权利要求3所述的直流耦合高精度放大装置，其特征在于，所述调制器单元、第一解调器单元以及第二解调器单元分别由四个模拟互补CMOS开关S1、S2、S3和S4组成，每个开关由两个频率相等、相位相差半个周期的时钟信号控制其断开状态。
8.根据权利要求7所述的直流耦合高精度放大装置，其特征在于，所述开关S1和S2的断开状态同步，所述开关S3和S4的断开状态同步，且开关S1、S2与开关S3、S4的断开状态依次交替。
9.根据权利要求4所述的直流耦合高精度放大装置，其特征在于，所述毛刺消除滤波单元时钟信号的频率为第一解调信号频率的两倍。
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