CN111697928B - 一种电容耦合斩波放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种电容耦合斩波放大器。本发明通过将纹波抑制环路与跨导自举技术相结合，纹波消除环路将放大器主通路输出中的纹波转化为电流，反馈回运放Gm1的输出端，形成负反馈从而抑制了纹波，并在结合的过程中将纹波抑制环路中的跨导放大器的电流减小了B倍(B跨导自举技术中电流镜的放大倍数)；一方面提高运放第一级跨导，降低噪声，同时减少了纹波抑制环路中跨导放大器的尾电流，从而降低了功耗。

Description

一种电容耦合斩波放大器
技术领域
本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种电容耦合斩波放大器。
背景技术
随着几年来物联网的飞速发展，越来越多的现实应用需要低频信号测量装置，如脑电图(EEG)，心电图(ECG)和肌电图(EMG)等生物信号，都需要通过传感器将这些生物信号转化为电信号进行检测。这些生物信号都十分微弱，小到几十微伏到几十毫伏的数量级，并且提供的频率范围只从直流到几百Hz，在如此低的频率下，通常会受到闪烁噪声和失调电压等非理想因素的影响，这种非理想因素已证明对信号的采集是相当不利的，因此有必要采取相对应的技术来消除这些非理想因素同时又能处理该微弱的生物信号，仪表放大器作为一种精密放大器，被广泛的应用于放大微小的差分信号。相较于传统的运算放大器，高精密仪表放大器呈现出高输入阻抗，低噪声，低失调电压和高共模抑制比等优点，而且实现低噪声、低纹波性能的高精度仪表放大器对于处理这些微弱信号来说尤为重要。
降低系统失调和噪声所采用的动态失调消除技术，通常有自调零技术和斩波技术，但是自调零技术会引入过采样宽带噪声，同时开关电荷的注入会带来残余失调，所以自调零技术不适合于低噪声领域，所以通常采用斩波技术来消除失调和噪声。由于传统斩波稳定结构存在残余失调与残余纹波幅度的折中，为解决该问题，引入纹波抑制环路(Ripplereductionloop)来实现较低的残余失调的性能同时还能降低输出纹波幅度。
常见的纹波抑制环路结构原理为将输出的纹波，经过电容采样，积分器积分，并最终通过跨导放大器转化为反馈电流补偿失调，从而抑制了纹波。为了充分补偿失调，跨导放大器的尾电流必须足够大，因此该结构会增加功耗，这在一些便携式设备中是不愿意看到的。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有纹波抑制环路功耗相对较高的问题，本发明的目的在于提供一种电容耦合斩波放大器，通过将纹波消除环路与跨导自举技术相结合，降低了噪声，减小了功耗。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种电容耦合斩波放大器，包括放大器主通路101和纹波抑制环路102。
所述放大器主通路101由运放Gm1、斩波器CH1(包括CH1_a，CH1_b)、积分器105组成；积分器105由运放Gm2和米勒电容Cm1、Cm2组成。放大器主通路101的输出连接纹波抑制环路102的输入，纹波抑制环路102的输出连接放大器主通路101中的运放Gm1的输出，形成负反馈。
放大器主通路101的输出端接检测电容Cs1、Cs2下极板，检测电容Cs1、Cs2上极板接斩波器CH2输入端，斩波器CH2的输出端接积分器104的输入端，积分器104的输出端接跨导放大器103的输入端，跨导放大器103的输出反馈回运放Gm1输出端。
所述放大器主通路101的架构包括：第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第九PMOS管PM9、第十PMOS管PM10、第十一PMOS管PM11、第十二PMOS管PM12、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8、斩波器CH1_a、斩波器CH1_b、和米勒电容Cm1、Cm2。
第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4为运放Gm1,的输入管；第二PMOS管PM2和第三PMOS管PM3的源端相连并连接第五PMOS管PM5的漏端；第五PMOS管PM5为电流源，其源端接电源电压；第一PMOS管PM1、第四PMOS管PM4源端相连并接第六PMOS管PM6的漏端；第六PMOS管PM6为电流源，其源端接电源电压。第一PMOS管PM1的漏端接第一NMOS管NM1的漏端和斩波器CH1_a的输入端；第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2为电流镜负载，其栅端相连并接第二NMOS管NM2的漏端，其源端相连并接地；第四PMOS管PM4的漏端接第四NMOS管NM4的漏端和斩波器CH1_a的另一输入端；第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4为电流镜负载，其栅端相连并接第三NMOS管NM3的漏端，其源端相连并接地；斩波器CH1_a的输出端接第五NMOS管NM5的源端和第六NMOS管NM6的源端；第五NMOS管NM5和第六NMOS管NM6为共源共栅管，其栅端相连并接偏置电压Vb3，第五NMOS管NM5的漏端连接第九PMOS管PM9的漏端；第六NMOS管NM6的漏端连接第十PMOS管PM10的漏端；第九PMOS管PM9和第十PMOS管PM10为共源共栅管，其栅端相连并接偏置电压Vb2，第九PMOS管PM9的源端连接斩波器CH1_b输出端；第十PMOS管PM10的源端连接斩波器CH1_b另一输出端，斩波器CH1_b的输入端分别连接第七PMOS管PM7的漏端和第八PMOS管PM8的漏端；第七PMOS管PM7和第八PMOS管PM8为电流源，其栅端相连并接偏置电压CMFB1，其源端相连并接电源电压；第九PMOS管PM9的漏端为运放第一级输出端，接第十一PMOS管PM11的栅端和米勒电容Cm1上极板，米勒电容Cm1下极板接第十一PMOS管PM11的漏端；第十一PMOS管PM11的源端接电源电压，其漏端接第七NMOS管NM7的漏端；第十PMOS管PM10的漏端为运放第一级另一输出端，接第十二PMOS管PM12的栅端和米勒电容Cm2上极板，米勒电容Cm2下极板接第十二PMOS管PM12的漏端；第十二PMOS管PM12的源端接电源电压，其漏端接第八NMOS管NM8的漏端；第七NMOS管NM7和第八NMOS管NM8为电流源，其栅端相连并接偏置电压CMFB2，其源端相连并接地。
所述纹波抑制环路102包括检测电容Cs1、Cs2、斩波器CH2、积分器104和跨导放大器103；积分器104由运放Gm3和积分电容Cint1、Cint2组成。其中检测电容Cs1、Cs2用于检测放大器主通路101输出中的纹波电压并将其转化为电流，斩波器CH2将电流解调，再经过积分器104转化为电压，然后由跨导放大器103转化为电流并补偿回运放Gm1输出，形成负反馈，从而抑制纹波。
所述跨导放大器103包括第十三PMOS管PM13，第十四PMOS管PM14和第十五PMOS管PM15。第十三PMOS管PM13为电流源，其栅端接偏置电压Vb1，第十四PMOS管PM14和第十五PMOS管PM15为跨导放大器Gm4的输入对管，其输入接积分器104输出，第十四PMOS管PM14的漏端接第二PMOS管PM2的漏端，第十五PMOS管PM15的漏端接第三PMOS管PM3的漏端。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明通过将纹波抑制环路与跨导自举技术相结合，在提升跨导的同时，将反馈电流通过跨导自举技术中的电流镜放大了B倍(B为跨导自举技术中电流镜的放大倍数)，从而可以将跨导放大器103的尾电流降低B倍，以此降低整体功耗，更利于应用于低功耗便携设备。
附图说明
图1为本发明电容耦合斩波放大器的整体结构示意图。
图2为本发明跨导放大器103与跨导自举技术的结合方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1所示为本发明电容耦合斩波放大器的整体结构示意图，包括放大器主通路101，纹波抑制环路102。
放大器主通路101的输出连接纹波抑制环路102的输入，纹波抑制环路102的输出连接放大器主通路101中的运放Gm1的输出，形成负反馈，从而抑制输出信号中的纹波。
本实例中电容耦合斩波放大器的工作过程为：
当输入信号中包含失调电压，该电压经过运放Gm1转换为电流，经斩波器CH1调制到高频，经积分器105在放大器主通路101的输出端形成纹波电压，该纹波电压由纹波抑制环路102中的检测电容Cs1、Cs2转换为电流，并经过斩波器CH2解调回低频，经积分器104转换为电压，再由跨导放大器103转化为电流，最终反馈回运放Gm1的输出端，形成负反馈，从而抑制了纹波的幅度。
如图2，具体的反馈方式为，跨导放大器103的输出连接第一级运放Gm1中第二PMOS管PM2和第三PMOS管PM3的漏端，因为第二PMOS管PM2和第三PMOS管PM3两条支路的电流会被由第一NMOS管NM1，第二NMOS管NM2组成的电流镜和由第三NMOS管NM3，第四NMOS管NM4组成的电流镜放大B倍，因此跨导放大器103的电流源的电流可以减小B倍，从而节省了功耗。
综上所述，可见本发明提供的电容耦合斩波放大器，将纹波抑制环路与跨导自举技术相结合，纹波消除环路将放大器主通路输出中的纹波转化为电流，反馈回运放Gm1的输出端，形成负反馈从而抑制了纹波，并在结合的过程中将纹波抑制环路中的跨导放大器的电流减小了B倍(B跨导自举技术中电流镜的放大倍数)；一方面提高运放第一级跨导，降低噪声，同时减少了纹波抑制环路中跨导放大器的尾电流，从而降低了功耗。
虽然本发明的基于一种电容耦合斩波放大器电路内容已经以实例的形式公开如上，然而并非用以限定本发明，如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种电容耦合斩波放大器，包括放大器主通路101和纹波抑制环路102，其特征在于：
所述放大器主通路101由运放Gm1、斩波器CH1、积分器105组成；积分器105由运放Gm2和米勒电容Cm1、Cm2组成；斩波器CH1包括CH1_a和CH1_b；
放大器主通路101的输出连接纹波抑制环路102的输入，纹波抑制环路102的输出连接放大器主通路101中的运放Gm1的输出，形成负反馈；
放大器主通路101的输出端接检测电容Cs1、Cs2下极板，检测电容Cs1、Cs2上极板接斩波器CH2输入端，斩波器CH2的输出端接积分器104的输入端，积分器104的输出端接跨导放大器103的输入端，跨导放大器103的输出反馈回运放Gm1输出端；
所述放大器主通路101的具体架构包括：第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第九PMOS管PM9、第十PMOS管PM10、第十一PMOS管PM11、第十二PMOS管PM12、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8、斩波器CH1_a、斩波器CH1_b、和米勒电容Cm1、Cm2；
第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4为运放Gm1的输入管；第二PMOS管PM2和第三PMOS管PM3的源端相连并连接第五PMOS管PM5的漏端；第五PMOS管PM5为电流源，其源端接电源电压；第一PMOS管PM1、第四PMOS管PM4源端相连并接第六PMOS管PM6的漏端；第六PMOS管PM6为电流源，其源端接电源电压； 第一PMOS管PM1的漏端接第一NMOS管NM1的漏端和斩波器CH1_a的输入端；第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2为电流镜负载，其栅端相连并接第二NMOS管NM2的漏端，其源端相连并接地；第四PMOS管PM4的漏端接第四NMOS管NM4的漏端和斩波器CH1_a的另一输入端；第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4为电流镜负载，其栅端相连并接第三NMOS管NM3的漏端，其源端相连并接地；斩波器CH1_a的输出端接第五NMOS管NM5的源端和第六NMOS管NM6的源端；第五NMOS管NM5和第六NMOS管NM6为共源共栅管，其栅端相连并接偏置电压Vb3，第五NMOS管NM5的漏端连接第九PMOS管PM9的漏端；第六NMOS管NM6的漏端连接第十PMOS管PM10的漏端；第九PMOS管PM9和第十PMOS管PM10为共源共栅管，其栅端相连并接偏置电压Vb2，第九PMOS管PM9的源端连接斩波器CH1_b输出端；第十PMOS管PM10的源端连接斩波器CH1_b另一输出端，斩波器CH1_b的输入端分别连接第七PMOS管PM7的漏端和第八PMOS管PM8的漏端；第七PMOS管PM7和第八PMOS管PM8为电流源，其栅端相连并接偏置电压CMFB1，其源端相连并接电源电压；第九PMOS管PM9的漏端为运放第一级输出端，接第十一PMOS管PM11的栅端和米勒电容Cm1上极板，米勒电容Cm1下极板接第十一PMOS管PM11的漏端；第十一PMOS管PM11的源端接电源电压，其漏端接第七NMOS管NM7的漏端；第十PMOS管PM10的漏端为运放第一级另一输出端，接第十二PMOS管PM12的栅端和米勒电容Cm2上极板，米勒电容Cm2下极板接第十二PMOS管PM12的漏端；第十二PMOS管PM12的源端接电源电压，其漏端接第八NMOS管NM8的漏端；第七NMOS管NM7和第八NMOS管NM8为电流源，其栅端相连并接偏置电压CMFB2，其源端相连并接地；
所述纹波抑制环路102包括检测电容Cs1、Cs2、斩波器CH2、积分器104和跨导放大器103；积分器104由运放Gm3和积分电容Cint1、Cint2组成；其中检测电容Cs1、Cs2用于检测放大器主通路101输出中的纹波电压并将其转化为电流，斩波器CH2将电流解调，再经过积分器104转化为电压，然后由跨导放大器103转化为电流并补偿回运放Gm1输出，形成负反馈；
所述跨导放大器103包括第十三PMOS管PM13，第十四PMOS管PM14和第十五PMOS管PM15；第十三PMOS管PM13为电流源，其栅端接偏置电压Vb1，第十四PMOS管PM14和第十五PMOS管PM15为跨导放大器Gm4的输入对管，其输入接积分器104输出，第十四PMOS管PM14的漏端接第二PMOS管PM2的漏端，第十五PMOS管PM15的漏端接第三PMOS管PM3的漏端。
2.如权利要求1所述电容耦合斩波放大器，其特征在于：
其工作过程具体如下：
当输入信号中包含失调电压，该电压经过运放Gm1转换为电流，经斩波器CH1调制到高频；经积分器105在放大器主通路101的输出端形成纹波电压，该纹波电压由纹波抑制环路102中的检测电容Cs1、Cs2转换为电流，并经过斩波器CH2解调回低频，经积分器104转换为电压，再由跨导放大器103转化为电流，最终反馈回运放Gm1的输出端，形成负反馈。
3.如权利要求2所述电容耦合斩波放大器，其特征在于：
所述反馈方式具体如下：
跨导放大器103的输出连接第一级运放Gm1中第二PMOS管PM2和第三PMOS管PM3的漏端；第二PMOS管PM2和第三PMOS管PM3两条支路的电流被由第一NMOS管NM1，第二NMOS管NM2组成的电流镜和由第三NMOS管NM3，第四NMOS管NM4组成的电流镜放大B倍。
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