CN107332524B - 抑制低频噪声的运算放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抑制低频噪声的运算放大器，包括：输入端，其用于接收输入信号；调制器，其与输入端连接以用于用调制频率为f_c的调制信号对输入信号进行频率调制；放大器元件，其与调制器连接以用于对经调制的输入信号进行放大；解调器，其用于对经放大的信号进行解调；采样保持器，当调制频率为f_c的信号处于高电平或者低电平的稳定状态时，采样保持器选择一段时间对经解调的信号进行采样，当调制频率为f_c的信号处在上升沿或下降沿时，采样保持器处于保持状态；以及输出端，其用于输出经解调的信号。本发明还涉及一种相应的放大电路和一种用于运行运算放大器的方法。通过本发明，可以降低电路成本，同时保持、甚至提高信号处理精度。

Description

抑制低频噪声的运算放大器

技术领域

本发明总体上涉及集成电路领域，具体而言涉及一种抑制低频噪声的运算放大器、一种抑制低频噪声的放大电路以及一种用于运行运算放大器的方法。

背景技术

随着半导体制造技术的发展，芯片和电路的体积和功耗都呈日益降低的趋势，随之而来的是这些芯片和电路中的电信号也越来越微弱。另外，在诸如航空航天、人体生物信号处理、微弱信号检测之类的许多前沿技术领域中，对信号精度的要求也越来越高。这都对信号处理(例如模数转换)的精度提出更高的要求。

用于信号处理的一个重要元件是运算放大器。运算放大器的抑制低频噪声的能力又是运算放大器的一种重要性能参数，它直接影响信号处理的精度。在此，低频噪声是指由于放大器本身产生的低频噪声、例如由于放大器的内部器件本身所产生的低频闪烁噪声(flicker noise)、以及由于放大器的局部不对称引起的失调(offset)。放大器的其它噪声例如还包括热噪声等。

目前，抑制放大器的低频噪声的方案主要是调制解调方案，其中将低频噪声调制到较高频，而有用的信号则保持在原来频率，然后通过低通滤波器有效地滤除掉较高频噪声，同时留下低频噪声较少的有用信号。

但是，调制解调方案的调制解调频率在kHz量级，这对低通滤波器提出了较高要求，例如通常需要很复杂的占大面积芯片的低通滤波器来滤除被调制到较高频的低频噪声。而普通低通滤波器又无法满足精确滤波的要求。如何降低电路成本、同时保持信号处理精度，是目前一个重要的研究课题。

发明内容

本发明的任务是提供一种抑制低频噪声的运算放大器、一种抑制低频噪声的放大电路以及一种用于运行运算放大器的方法，通过所述运算放大器、放大电路和方法，能够降低对低通滤波器的要求，同时仍然保持、甚至提高信号处理精度，从而降低了电路成本、例如芯片复杂度、芯片面积等，同时保持、甚至提高了信号处理精度、例如消除了毛刺、更好地滤除了低频噪声。

在本发明的第一方面，该任务通过一种抑制低频噪声的运算放大器来解决，该运算放大器包括：

输入端，其用于接收输入信号；

调制器，其与输入端连接以用于用调制频率为f_c的信号对输入信号进行频率调制；

放大器元件，其与调制器连接以用于对经调制的输入信号进行放大；

解调器，其用于对经放大的信号进行解调；

采样保持器，当调制频率为f_c的信号处于高电平或者低电平的稳定状态时，采样保持器选择一段时间对经解调的信号进行采样；当调制频率为f_c的信号处在上升沿或下降沿时，采样保持器处于保持状态；以及

输出端，其用于输出经解调的信号。

根据本发明的运算放大器至少具有下列优点：在采用根据本发明的放大器的情况下，低通滤波器可以选择较高的截止频率，从而降低了电路成本，同时仍然保持高的信号处理精度，这是基于发明人的如下独特洞察：尽管可以通过提高调制频率来降低对低通滤波器的要求，但是随着调制频率的升高，在调制信号电平高低转换时产生的毛刺信号的持续时间与T_c/2(T_c＝1/f_c，为调制信号周期)相比较变得不可忽略，如果不采取措施，那么后续信号处理的精度将受到很大影响，而应对措施又会大大提高电路复杂度和成本，例如需要更加复杂和更大芯片面积的低通滤波器来进行滤波，而在本发明中，通过在对信号进行解调以后对信号进行采样保持来除去毛刺信号，即可解决提高采样频率与信号处理精度之间的矛盾，即在降低对低通滤波器的要求的同时保持、甚至提高信号处理精度，这是因为，在除去毛刺信号的情况下，可以大大提高采样频率而无需考虑毛刺信号影响，同时，毛刺信号的去除又会提高信号品质。

在本发明的一个扩展方案中规定，调制器和解调器是混频器或乘法器。混频器和乘法器是常用频率调制装置，通过该扩展方案，可以简单地实现频率调制。

在本发明的另一扩展方案中规定，采样保持器与解调器连接以用于将经解调的信号延迟t_d并进行采样和保持，所述采样保持器的采样频率为f_s，其中采样频率f_s为调制频率f_c的偶数倍。

在本发明的一个优选方案中规定，t_T与T_s之比d＝1/8至2/1，并且延迟t_d＝T_s/4至T_s/2，其中t_T为fs保持高电平的时间，并且T_s＝1/f_s。虽然理论上d可以在无穷小到1/2之间选择，而且理论上d越小越满足低噪声的应用要求，但是考虑到实际中SW和C的RC时间常数，d如果选择太小，意味着采样时间很短，那就需要足够小的R＊C，才能够在很短的采样时间内将信号在SH输出端完全建立好，减小R会增加SW的面积，C选择得太小，那么kT/C的噪声就变得无法忽略，所以需要对选择进行权衡。通过计算和仿真，这里认为选择d在1/8至1/2之间比较合适。以上是基于发明人的独特洞察。

在本发明的一个扩展方案中规定，所述运算放大器的输出端与低通滤波器连接。低通滤波器的截止频率被选择为使得仅仅让有用信号通过，而滤除被调制到较高频的低频噪声。通过该扩展方案，可以实现完整的噪声抑制过程。

在本发明的另一扩展方案中规定，所述放大器元件是二级密勒补偿运算放大器。二级密勒补偿运算放大器是一种常见运算放大器，通过该扩展方案，可以提高二级密勒补偿运算放大器的抑制低频噪声能力。

在本发明的又一扩展方案中规定，所述放大器元件是套筒式共源共栅放大器。套筒式共源共栅放大器是一种重要的放大器类型，通过该扩展方案，可以提高套筒式共源共栅放大器的抑制低频噪声能力。

在本发明的另一扩展方案中规定，所述运算放大器被用在基准产生电路中。通过该扩展方案，可以提高基准产生电路、例如基准电压产生电路或基准电流产生电路的所提供的信号精度。

在本发明的又一扩展方案中规定，所述解调器布置在放大器元件之内、放大器元件的输出端之前或者布置在放大器元件的输出端之后。例如，通过将解调器放置在放大器元件的输出端之前而不是在输出端之后，可以采用更高的调制频率f_c，而不需要增加额外的功耗。而通过将其放置在放大器元件的输出端之后，可以免除破坏放大器元件本身的结构，而是将其二者直接连接即可。

在本发明的第二方面，前述任务通过一种抑制低频噪声的放大电路来解决，该放大电路包括：

输入端，其用于接收输入信号；

调制器，其与输入端连接以用于用调制频率为f_c的信号对输入信号进行频率调制；

放大器元件，其与调制器连接以用于对经调制的输入信号进行放大；

解调器，其用于对经放大的信号进行解调；

采样保持器，其用于将输出的经解调的信号延迟t_d并进行采样和保持，所述采样保持器的采样频率为f_s，其中采样频率f_s为调制频率f_c的偶数倍；

低通滤波器，其用于对经采样和保持的信号进行低通滤波；以及

输出端，其用于输出经低通滤波的信号。

通过根据本发明的放大电路，同样可以实现前述运算放大器的优点，即在采用根据本发明的放大器的情况下，低通滤波器可以工作在较高频率，从而降低了电路成本，同时仍然保持高的信号处理精度。

在本发明的第三方面，前述任务通过一种用于运行抑制低频噪声的运算放大器的方法来解决，该方法包括下列步骤：

接收输入信号；

用调制频率为f_c的信号对输入信号进行调制；

对经调制的输入信号进行放大；

对经放大的信号进行解调；

将输出的经解调的信号延迟t_d并进行采样和保持，所述采样保持器的采样频率为f_s，其中采样频率f_s为调制频率f_c的偶数倍；

对经采样和保持的信号进行低通滤波；以及

输出经低通滤波的信号。

通过根据本发明的放大，同样可以实现前述运算放大器的优点，即在采用根据本发明的放大器的情况下，低通滤波器可以工作在较高频率，从而降低了电路成本，同时仍然保持高的信号处理精度。

附图说明

下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的抑制低频噪声的运算放大器的第一实施例的示意图；

图2示出了根据本发明的抑制低频噪声的运算放大器的第二实施例的示意图；

图3示出了采样保持器的电路以及采样时钟的示意图；

图4示出了调制频率与采样频率之间的关系；

图5示出了信号在经过采样保持以前和以后的示意图；

图6示出了本发明的技术方案在二级密勒补偿运算放大器中的应用；

图7示出了本发明的技术方案在套筒式共源共栅放大器中的应用；以及

图8示出了本发明的技术方案在基准产生电路中的应用。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

除非另行规定，在本申请中，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

图1示出了根据本发明的抑制低频噪声的运算放大器100的第一实施例的示意图。

如图1所示，运算放大器100主要包括虚线框内的调制解调部分和虚线框之外的采样保持部分。

运算放大器100具有输入端V_p、V_n，其用于接收输入信号。输入信号例如可以是微弱的传感器信号。其它对处理精度要求高的信号也是也设想的。

运算放大器100还具有调制器mod1，其与输入端V_p、V_n连接以用于用调制频率为f_c的信号对输入信号进行频率调制。频率为f_c的信号、即载波信号例如可以是方波信号或正弦波信号等等。调制器mod1例如为混频器或乘法器，其例如将输入信号与载波信号相乘以达到频移效果。在本发明中，调制频率f_c可以被选择得较高，而不限于几kHz的范围，例如可以被选择为几MHz。

运算放大器100还具有放大器元件101，其与调制器mod1连接以用于对经调制的输入信号进行放大。放大器元件101可以为任意放大器，例如二级密勒补偿运算放大器或套筒式共源共栅放大器，关于这两种放大器的细节请参阅图6和图7。

运算放大器100还具有解调器mod2，其用于对经放大的信号进行解调。解调器mod2也可以是混频器或乘法器，其例如将经放大的信号与载波信号相乘以实现解调。在此，经放大的信号不仅包括经放大且经调制的输入信号，还包括由于放大器100本身产生的低频噪声、例如低频闪烁噪声。但是由于低频噪声是在放大器100内部产生的，因此其未经过调制器mod1的调制。因此，解调器mod2对经放大的信号的解调效果实际上包括：(1)将经放大且经调制的输入信号解调到其原始频率；(2)用调制频率为f_c的信号对(未经调制的)低频噪声进行调制，这是因为解调过程与调制过程实际上是一致的，即都将信号是与载波信号相乘。由此，通过后续的低通滤波即可滤除被调制到较高频率的低频噪声并保留输入信号。在图1中，解调器mod2布置在放大器元件101的输出端之后，但是这仅仅示例性的，在其它实施例中，解调器mod2也可以布置在放大器元件101的输出端之前。通过将调制器mod2放置在放大器元件101的输出端之后，可以免除破坏放大器元件101本身的结构，而是将其二者直接连接即可。关于调制器mod2在放大器元件101的输出端之前的布置，请参阅图2中的第二实施例。

运算放大器100还具有采样保持器SH，当调制频率为f_c的信号处于高电平或者低电平的稳定状态时(即非上升沿或下降沿)，采样保持器SH选择一段时间对经解调的信号进行采样，其中所述一段时间可以是高电平或者低电平处于稳定状态内的任意时间段，只要是处于高电平稳定状态内的一段时间或是处于低电平稳定状态内的一段时间即可，所述一段时间的长度亦可以进行调整。一般的，高电平稳定状态的时间段为进入高电平后例如T_s/8时刻到进入下降沿之间的时间段。低电平稳定状态的时间段为进入低电平后例如T_s/8时刻到进入上升沿之间的时间段；当调制频率为f_c的信号处在上升沿或下降沿时，采样保持器处于保持状态，可以有效地去除毛刺信号。具体的，采样保持器SH与解调器mod2连接以用于将经解调的信号(包括输入信号和经调制的噪声)延迟t_d并进行采样和保持，所述采样保持器SH的采样频率为f_s，其中采样频率f_s为调制频率f_c的偶数倍。在本发明中，通过使用采样保持器SH可以除去毛刺信号，由此可以解决提高采样频率与信号处理精度之间的矛盾，即在降低对低通滤波器的要求的同时保持、甚至提高信号处理精度，这是因为，在除去毛刺信号的情况下，可以大大提高采样频率而无需考虑毛刺信号影响，同时，毛刺信号的去除又会提高信号品质。

运算放大器100还具有输出端Vo，其用于输出经解调的信号。

运算放大器100的输出端Vo可以与低通滤波器(未示出)连接，以便对经解调的信号进行低通滤波，从而滤除被调制到较高频的低频噪声。

下面简述根据本发明对输入信号的处理过程：首先，在输入端V_p、V_n处接收输入信号；然后，由调制器mod1用调制频率为f_c的信号对输入信号进行调制；之后，由放大器元件101对经调制的输入信号进行放大；然后，由解调器mod2对经放大的信号进行解调；接着，由采样保持器SH将输出的经解调的信号延迟t_d并进行采样和保持，所述采样保持器的采样频率为f_s，其中采样频率f_s为调制频率f_c的偶数倍；最后，由低通滤波器对经采样和保持的信号进行低通滤波。

根据本发明的运算放大器100至少具有下列优点：在采用根据本发明的放大器100的情况下，低通滤波器可以选择较高的截止频率，从而降低了电路成本，同时仍然保持高的信号处理精度，这是基于发明人的如下独特洞察：尽管可以通过提高调制频率f_c来降低对低通滤波器的要求，但是随着调制频率f_c的升高，在调制信号电平高低转换时产生的毛刺信号的持续时间与T_c/2(T_c＝1/f_c，为调制信号周期)相比较变得不可忽略，如果不采取措施，那么后续信号处理的精度将受到很大影响，而应对措施又会大大提高电路复杂度和成本，例如需要更加复杂和更大芯片面积的低通滤波器来进行滤波，而在本发明中，通过在对信号进行解调以后对信号进行采样保持来除去毛刺信号，即可解决提高采样频率与信号处理精度之间的矛盾，即在降低对低通滤波器的要求的同时保持、甚至提高信号处理精度，这是因为，在除去毛刺信号的情况下，可以大大提高采样频率而无需考虑毛刺信号影响，同时，毛刺信号的去除又会提高信号品质。

图2示出了根据本发明的抑制低频噪声的运算放大器100的第二实施例的示意图。在此，图2中的第二实施例与图1中的第一实施例基本相同，二者区别仅仅在于，解调器mod2布置在放大器元件101之内、放大器元件101的输出端之前。通过将解调器放置在放大器元件的输出端之前而不是在输出端之后，例如可以采用更高的调制频率f_c，而不需要增加额外的功耗。

图3示出了采样保持器SH的电路以及采样时钟的示意图。应当指出，图3中示出的采样保持器SH的电路仅仅示例性的，其它结构的采样保持器SH也是可设想的。在图3中，开关SW在f_s高电平时闭合，此时对输入in跟踪采样，在f_s低电平时开关断开，此时输出out保持在开关断开瞬间时输入in的值不再变化，直到f_s再次变成高电平，输出out再次对输入in跟踪采样，这样周而复始。图3中的t_T为f_s保持高电平的时间，其中T_s＝1/f_s是采样周期，设d＝t_T/T_s。理论上，d可以在无穷小至1/2之间选择，而且d越小越满足低噪声的应用要求，但是考虑到实际中SW和C的RC常数，这里认为选择d在[1/8,1/2]范围比较合适。这基于发明人的如下独到洞察：d如果选择太小，意味着采样时间很短，那就需要足够小的R＊C，才能够在很短的采样时间内将信号在SH输出端完全建立好，减小R会增加SW的面积，C选择得太小，那么kT/C的噪声就变得无法忽略，所以需要对选择进行权衡。

图4示出了调制频率f_c与采样频率f_s之间的关系。如图4中所示，f_s应当选择是f_c的偶数倍，这是为了避免被调制到高频的低频噪声被折叠回低频。在图4中示意的f_s对应于调制频率f_c是两倍的关系，但是应当指出，这仅仅是示例性的，其它偶数倍数也是可设想的。采样保持器SH对信号的延迟t_d可以根据实际情况可选择在[T_s/4,T_s/2)范围。

图5示出了信号在经过采样保持以前和以后的示意图。如图5所示，信号在经过采样保持以前具有较大毛刺，而在经过采样保持以后具有显著减小的毛刺。

图6示出了本发明的技术方案在二级密勒补偿运算放大器300中的应用。如图6所示，调制器Mix把输入信号调制到频率为f_c和奇数倍f_c(即奇次谐波，其由于调制产生)的高频信号，在经过二级密勒补偿运算放大器300放大以后，在放大器的输出端op、on处，高频信号经过调制器Mixo被解调回原来的频率，并且放大器内部器件产生的低频闪烁噪声和失配(offset)被调制到较高频(f_c和f_c的奇次谐波)，所以在输出端ampout得到被放大的保持在原有频率的输入信号和高频的噪声。该信号在经过低频滤波器以后即可得到原有频率的输入信号，从而抑制了高频噪声。

图7示出了本发明的技术方案在套筒式共源共栅放大器400中的应用。输入信号在被调制到f_c和f_c的奇次谐波后进入套筒式共源共栅放大器400的输入端inp和inn。不同的是，在套筒式共源共栅放大器内部C、D端，输入信号被调制器Mix2解调回原来的频率，同时，Mix2把晶体管M₁、M₂和M₀的低频闪烁噪声和失调调制到高频(f_c和f_c的奇次谐波)；调制器Mix3用于把晶体管M₉和M₁₀的失调和低频闪烁噪声调制到高频(同样是f_c和f_c的奇次谐波)。在此，选择把调制器Mix2和Mix3放在运放的输出端之前而不是在输出端之后是为了能够采用更高的调制频率f_c，而不需要增加额外的功耗等等。这里，在输出端ampout处同样得到被放大的保持在原有频率的输入信号和被调制到高频的低频噪声。该信号在经过低频滤波器以后即可得到原有频率的输入信号，从而抑制了高频噪声。

图8示出了本发明的技术方案在基准产生电路500中的应用。在基准产生电路500中X、Y两点的直流信号经过调制器mod1调制到频率f_c以及f_c的奇次谐波后再输入到钳位运算放大器A，在运放A的内部，调制后的信号经过调制器mod2被解调回直流信号，与此同时，mod2把放大器A内部器件的失调电压和低频闪烁噪声(1/f噪声)调制到f_c以及f_c的奇次谐波，所以在运算放大器A的输出端从频谱上看是直流信号和被调制到较高频的噪声成分，这些较高频成分被基准输出Vout之前的低通滤波器LPF滤除。在此，把采样保持模块SH放在基准产生电路的环路之外是为了不影响环路的稳定性。

图8中SH之前的和经过SH之后的信号比较可以参见图5，其中直观地解释了SH是如何消除毛刺信号的。

在此，在V_out，保留的是一个非常干净的基准电压，它既不含高频噪声也滤除了运算放大器的低频闪烁噪声(低频的1/f噪声和失调已经被调制到高频，并被滤除)。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是对本领域技术人员显而易见的是，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (10)

1.一种抑制低频噪声的运算放大器，包括：

输入端，其用于接收输入信号；

调制器，其与输入端连接以用于用调制频率为f_c的载波信号对输入信号进行频率调制，其中所述调制器被配置为将输入信号与所述载波信号相乘；

放大器元件，其与调制器连接以用于对经调制的输入信号进行放大；

解调器，其用于对经放大的信号进行解调，其中所述解调器被配置为将经放大的信号与所述载波信号相乘；

采样保持器，其与解调器连接以用于将经解调的信号延迟t_d并进行采样和保持，所述采样保持器的采样频率为f_s，其中采样频率f_s为调制频率f_c的偶数倍；以及

输出端，其用于输出经解调的信号。

2.根据权利要求1所述的运算放大器，其中调制器和解调器是混频器或乘法器。

3.根据权利要求1所述的运算放大器，其中t_T与T_s之比d＝1/8至2/1，并且延迟t_d＝T_s/4至T_s/2，其中t_T为fs保持高电平的时间，并且T_s＝1/f_s。

4.根据权利要求1所述的运算放大器，其中所述运算放大器的输出端与低通滤波器连接。

5.根据权利要求1所述的运算放大器，其中所述放大器元件是二级密勒补偿运算放大器。

6.根据权利要求1所述的运算放大器，其中所述放大器元件是套筒式共源共栅放大器。

7.根据权利要求1所述的运算放大器，其中所述运算放大器被用在基准产生电路中。

8.根据权利要求1所述的运算放大器，其中所述解调器布置在放大器元件之内、放大器元件的输出端之前或者布置在放大器元件的输出端之后。

9.一种抑制低频噪声的放大电路，包括：

输入端，其用于接收输入信号；

调制器，其与输入端连接以用于用调制频率为f_c的载波信号对输入信号进行频率调制，其中所述调制器被配置为将输入信号与所述载波信号相乘；

放大器元件，其与调制器连接以用于对经调制的输入信号进行放大；

解调器，其用于对经放大的信号进行解调，其中所述解调器被配置为将经放大的信号与所述载波信号相乘；

采样保持器，其用于将输出的经解调的信号延迟t_d并进行采样和保持，所述采样保持器的采样频率为f_s，其中采样频率f_s为调制频率f_c的偶数倍；

低通滤波器，其用于对经采样和保持的信号进行低通滤波；以及

输出端，其用于输出经低通滤波的信号。

10.一种用于运行抑制低频噪声的运算放大器的方法，包括下列步骤：

接收输入信号；

用调制频率f_c对输入信号进行调制，包括将输入信号与频率为f_c的载波信号相乘；

对经调制的输入信号进行放大；

对经放大的信号进行解调，包括将经放大的信号与所述载波信号相乘；

将输出的经解调的信号延迟t_d并进行采样和保持，所述采样保持器的采样频率为f_s，其中采样频率f_s为调制频率f_c的偶数倍；

对经采样和保持的信号进行低通滤波；以及

输出经低通滤波的信号。

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