CN113225024B - 一种面向高阻源测量的低噪声电压放大调理电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向高阻源测量的低噪声电压放大调理电路，包括第一放大器、输入阻抗变换电路、输入共模反馈电路、反馈电阻网络，所述反馈电阻网络包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2；第一放大器包括第一输入斩波开关CHOP1、第二输入斩波开关CHOP2、差分差值放大器、输出斩波开关CHOP_OUT；所述输入阻抗变换电路包括第二放大器；所述输入共模反馈电路包括第三放大器。本发明不仅能够抑制电路输入共模波动，从而保证电路的线性度，而且实现了信号与噪声以及直流失调的分离。

Description

一种面向高阻源测量的低噪声电压放大调理电路

技术领域

本发明涉及一种面向高阻源测量的低噪声电压放大调理电路，属于集成电路领域。

背景技术

在对半导体器件的测量中，常遇到测量高阻抗的器件，例如MOS管、光电二极管等。当测量上述高阻抗元件时，流过这些元件的电流十分微弱，量级可达pA级，因此在对信号进行测量前，通常需要对收集的微弱信号进行放大。由于输入的信号十分微弱，放大器的噪声以及失调等干扰会对最终信号的纯度造成很大的影响，因此所设计的放大电路性能的好坏在微弱信号的放大中起决定作用，不仅要求放大电路具有高增益以及良好的线性度，还要求具备低噪声和良好的抗干扰能力，否则输出信号中有用信号的精度将会受到影响。

由于电路采用单端输入，会引起放大器输入共模波动，而电路输入共模波动会导致输出信号失真，因此放大器输入在采用单端输入时，需要抑制输入共模波动。

发明内容

发明目的：针对上述微弱信号放大中存在的问题，本发明提出一种面向高阻源测量的低噪声电压放大调理电路，采用斩波调制技术分离有用信号和噪声干扰，采用差分差值放大器对输入信号进行有效的放大。在本发明中，电路采用单端输入，而针对单端输入信号会带来输入共模波动的问题，本发明采用输入共模反馈电路来抑制。由于计算输入共模电压需要用到电阻网络，为了驱动电阻网络，在电路中加入输入阻抗变换电路来增大电路的输入阻抗。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种面向高阻源测量的低噪声电压放大调理电路，包括第一放大器、输入阻抗变换电路、输入共模反馈电路、反馈电阻网络，其中：

所述反馈电阻网络包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2，所述第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端、第一电容C1的一端、第二电容C2的一端连接在一起形成接头一，所述第一电阻R1的另一端、第三电阻R3的一端连接在一起形成接头二，所述第二电阻R2的另一端、第四电阻R4的一端连接在一起形成接头四，所述第二电容C2的另一端、第三电阻R3的另一端、第四电阻R4的另一端连接在一起形成接头三，所述第一电容C1的另一端接地。

第一放大器包括第一输入斩波开关CHOP1、第二输入斩波开关CHOP2、差分差值放大器、输出斩波开关CHOP_OUT、第一正输入端I1+、第一负输入端I1-、第二正输入端I2+、第二负输入端I2-、正输出端O+以及负输出端O-。所述第一输入斩波开关CHOP1的一个输入端接第一放大器的第一正输入端I1+，另一个输入端接第一放大器的第一负输入端I1-。所述第一输入斩波开关CHOP1的一个输出端接差分差值放大器的第一正输入端X1+，另一个输出端接差分差值放大器的第一负输入端X1-。所述第二输入斩波开关的一个输入端接第一放大器的第二正输入端I2+，另一个输入端接第一放大器的第二负输入端I2-。所述第二输入斩波开关的一个输出端接差分差值放大器的第二正输入端X2+，另一个输出端接差分差值放大器的第二负输入端X2-。所述差分差值放大器的正输出端O1+接输出斩波开关CHOP_OUT的一个输入端，差分差值放大器的负输出端O1-接输出斩波开关CHOP_OUT的另一个输入端。所述输出斩波开关CHOP_OUT的一个输出端与第一放大器的正输出端O+相连，另一个输出端与第一放大器的负输出端O-相连。第一正输入端I1+与正输出端O+通过第八电阻R8相连接，第四电容C4并联在第八电阻R8的两端。同时，第一正输入端I1+与接头二相连接。所述第一负输入端I1-连接输入信号Vin。所述第二正输入端I2+接地，第二负输入端I2-与负输出端O-通过第七电阻R7相连接，第三电容C3并联在第七电阻R7的两端。同时，第二负输入端I2-与接头四相连接。

所述输入阻抗变换电路包括第二放大器，所述第二放大器设置有第二放大器正输入端、第二放大器负输入端和第二放大器输出端，所述第二放大器正输入端连接输入信号Vin，第二放大器负输入端连接第二放大器的输出端以及第五电阻R5的一端。

所述输入共模反馈电路包括第三放大器，所述第三放大器设置有第三放大器正输入端ICM_ref、第三放大器负输入端ICM和第三放大器输出端ICMFB。所述第三放大器正输入端连接第六电阻R6的一端以及第五电阻的另一端，所述第六电阻的另一端接地。第三放大器负输入端与接头三相连接。所述第三放大器输出端与接头一相连接。

优选的：所述第一输入斩波开关CHOP1、第二输入斩波开关CHOP2为斩波调制电路，所述斩波调制电路用于对输入信号进行调制，将输入信号调制到斩波频率的奇次谐波处。

优选的：所述输出斩波开关CHOP_OUT为斩波调制电路，所述斩波调制电路用于对差分差值放大器放大后的信号进行调制。

优选的：所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4为等值电阻。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

1、本发明提出的低噪声电压放大电路采用单端输入，并通过加入输入共模反馈电路来抑制输入共模波动，使得第一放大器的第一正输入端电压跟随第一放大器的第一负输入端，第一放大器的第二负输入端电压跟随第一放大器的第二正输入端，保证了电路的线性度。

2、本发明提出的低噪声电压放大调理电路采用斩波调制技术来抑制电路中的低频噪声以及直流失调。通过在输入信号处加斩波开关将输入信号调至斩波频率的奇次谐波处，并在差分差值放大器输出端加斩波开关对输出信号进行调制，此时电路中的输入信号经过调制，放大，解调，最终位于基频处。而噪声以及直流失调经过放大，调制，最终被调制到斩波频率的奇次谐波处。实现了信号与噪声以及直流失调的分离，为后续滤波奠定基础。

3、本发明提出的低噪声电压放大调理电路加入了输入阻抗变换电路，增大了系统电路的输入阻抗，使得设计的低噪声放大调理电路能匹配大阻抗的待测源。

4.斩波差分差值放大器采用斩波调制技术实现输出信号与放大器中的低频噪声以及直流失调的分离。由于系统电路采用单端输入，会引起输入共模波动，因此在系统电路中加入输入共模反馈电路，而输入共模电压需要计算输入端I1+电压与输入端I2-电压的平均值，所以需要电阻网络，为了驱动电阻网络，在系统电路中加入输入阻抗变换电路。如果不考虑输入共模，会导致输入端I1+不等于I1-，输入端I2+不等于I2-，而引入共模反馈，能够使得输入端I1+电压跟随I1-，I2+电压跟随I2-，从而保证了电路输出信号的线性度。

附图说明

图1是本发明的低噪声电压放大调理电路的系统电路图；

图2是本发明的第一放大器内部结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种面向高阻源测量的低噪声电压放大调理电路，如图1所示，包括第一放大器1、输入阻抗变换电路2、输入共模反馈电路3、反馈电阻网络，其中：

所述反馈电阻网络包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2，所述第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端、第一电容C1的一端、第二电容C2的一端连接在一起形成接头一，所述第一电阻R1的另一端、第三电阻R3的一端连接在一起形成接头二，所述第二电阻R2的另一端、第四电阻R4的一端连接在一起形成接头四，所述第二电容C2的另一端、第三电阻R3的另一端、第四电阻R4的另一端连接在一起形成接头三，所述第一电容C1的另一端接地。

如图2所示，所述第一放大器1包括第一输入斩波开关CHOP1、第二输入斩波开关CHOP2、差分差值放大器、输出斩波开关CHOP_OUT、第一正输入端I1+、第一负输入端I1-、第二正输入端I2+、第二负输入端I2-、正输出端O+以及负输出端O-。所述第一输入斩波开关CHOP1的一个输入端接第一放大器的第一正输入端I1+，另一个输入端接第一放大器的第一负输入端I1-。所述第一输入斩波开关CHOP1的一个输出端接差分差值放大器的第一正输入端X1+，另一个输出端接差分差值放大器的第一负输入端X1-。所述第二输入斩波开关的一个输入端接第一放大器的第二正输入端I2+，另一个输入端接第一放大器的第二负输入端I2-。所述第二输入斩波开关的一个输出端接差分差值放大器的第二正输入端X2+，另一个输出端接差分差值放大器的第二负输入端X2-。所述差分差值放大器的正输出端O1+接输出斩波开关CHOP_OUT的一个输入端，差分差值放大器的负输出端O1-接输出斩波开关CHOP_OUT的另一个输入端。所述输出斩波开关CHOP_OUT的一个输出端与第一放大器的正输出端O+相连，另一个输出端与第一放大器的负输出端O-相连。第一正输入端I1+与正输出端O+通过第八电阻R8相连接，第四电容C4并联在第八电阻R8的两端。同时，第一正输入端I1+与接头二相连接。所述第一负输入端I1-连接输入信号Vin。所述第二正输入端I2+接地，第二负输入端I2-与负输出端O-通过第七电阻R7相连接，第三电容C3并联在第七电阻R7的两端。同时，第二负输入端I2-与接头四相连接。

所述第一输入斩波开关CHOP1、第二输入斩波开关CHOP2为斩波调制电路，所述斩波调制电路用于对输入信号进行调制，将输入信号调制到斩波频率的奇次谐波处。此时的输入信号未经过放大器，因此输入信号中不包括放大器所产生的低频噪声以及失调。在差分差值放大器对信号进行放大时，输入信号与噪声等干扰位于不同频率上。

所述输出斩波开关CHOP_OUT为斩波调制电路，所述斩波调制电路用于对差分差值放大器放大后的信号进行调制。此时原本的输入信号相当于经历了调制，放大，解调，因此放大后的输入信号最终被解调回基频处，而噪声以及失调只经历了放大，调制，因此最终被调制到斩波频率的奇次谐波处。这样就实现了输出信号与噪声以及失调的分离，为后面进行低通滤波来消除噪声奠定了基础。

所述输入阻抗变换电路2包括第二放大器，所述第二放大器设置有第二放大器正输入端、第二放大器负输入端和第二放大器输出端，所述第二放大器正输入端连接输入信号Vin，第二放大器负输入端连接第二放大器的输出端以及第五电阻R5的一端。

所述输入共模反馈电路3包括第三放大器，所述第三放大器设置有第三放大器正输入端ICM_ref、第三放大器负输入端ICM和第三放大器输出端ICMFB。所述第三放大器正输入端连接第六电阻R6的一端以及第五电阻的另一端，所述第六电阻的另一端接地。第三放大器负输入端与接头三相连接。所述第三放大器输出端与接头一相连接。

所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4为等值电阻。

工作原理为：将输入信号输入第一放大器，首先经过第一输入斩波开关CHOP1和第二输入斩波开关CHOP2。这两个斩波开关将输入信号调制到斩波频率的奇次谐波处，随后经过斩波开关调制的信号与放大器中的低频噪声以及直流失调一起被差分差值放大器放大。最后放大后的输出信号经过输出斩波开关CHOP_OUT，此时放大后的输入信号被解调回基频，而放大后的低频噪声以及直流失调被调制到斩波频率的奇次谐波处，完成了信号与干扰的分离。

为了匹配大阻抗的待测源，在系统电路中加入输入阻抗变换电路。输入阻抗变换电路的整体结构为电压跟随器，因此其输出电压跟随输入电压Vin。在分析输入共模参考电压即ICM_ref点电压时，将输入共模反馈的正输入端看成虚地，由于第五电阻R5和第六电阻R6为等值电阻，因此输入共模参考电压为

由于电路采用单端输入的方式，会使得第一正输入端I1+的电压与第一负输入端I1-的电压不等，第二正输入端I2+的电压与第二负输入端I2-的电压不等，从而引起输入共模波动。由于第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4为等值电阻，因此输入共模点ICM电压与输入共模反馈点ICMFB电压相等且大小不等于

当输入共模点的电压大于

时，由于输入共模反馈电路的正输入端连接的输入共模参考电压为

因此输入共模反馈电路对输入共模反馈点电压起抑制作用，即输入共模反馈点电压减小。而第一电容C1、第二电容C2为保持电路稳定性的作用，当输入共模反馈点电压减小时，输入共模点电压相对应也减小，直到减小到

此时输入共模反馈电路的正输入端电压与负输入端电压相等，输入共模反馈电路不再对输出端电压起抑制作用。当输入共模点的电压小于

时，输入共模反馈电路会对输入共模反馈点电压起放大作用，即输入共模反馈点电压增大，则输入共模点电压相对应地增大，直到输入共模点电压增大到

时，输入共模反馈不再对输出端电压起放大作用。当输入共模点电压等于输入共模反馈点电压等于

时，第一正输入端I1+电压跟随第一负输入端I1-等于V_in，第二负输入端I2-电压跟随第二正输入端I2+等于0。综上所述，电路中引入输入共模反馈，能够抑制输入共模波动，使得第一正输入端I1+电压跟随第一负输入端I1-，第二负输入端I2-电压跟随第二正输入端I2+，从而保证了电路的线性度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种面向高阻源测量的低噪声电压放大调理电路，其特征在于：包括第一放大器(1)、输入阻抗变换电路(2)、输入共模反馈电路(3)、反馈电阻网络，其中：

所述反馈电阻网络包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2，所述第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端、第一电容C1的一端、第二电容C2的一端连接在一起形成接头一，所述第一电阻R1的另一端、第三电阻R3的一端连接在一起形成接头二，所述第二电阻R2的另一端、第四电阻R4的一端连接在一起形成接头四，所述第二电容C2的另一端、第三电阻R3的另一端、第四电阻R4的另一端连接在一起形成接头三，所述第一电容C1的另一端接地；

第一放大器(1)包括第一输入斩波开关CHOP1、第二输入斩波开关CHOP2、差分差值放大器、输出斩波开关CHOP_OUT、第一正输入端I1+、第一负输入端I1-、第二正输入端I2+、第二负输入端I2-、正输出端O+以及负输出端O-；所述第一输入斩波开关CHOP1的一个输入端接第一放大器的第一正输入端I1+，另一个输入端接第一放大器的第一负输入端I1-；所述第一输入斩波开关CHOP1的一个输出端接差分差值放大器的第一正输入端X1+，另一个输出端接差分差值放大器的第一负输入端X1-；所述第二输入斩波开关的一个输入端接第一放大器的第二正输入端I2+，另一个输入端接第一放大器的第二负输入端I2-；所述第二输入斩波开关的一个输出端接差分差值放大器的第二正输入端X2+，另一个输出端接差分差值放大器的第二负输入端X2-；所述差分差值放大器的正输出端O1+接输出斩波开关CHOP_OUT的一个输入端，差分差值放大器的负输出端O1-接输出斩波开关CHOP_OUT的另一个输入端；所述输出斩波开关CHOP_OUT的一个输出端与第一放大器的正输出端O+相连，另一个输出端与第一放大器的负输出端O-相连；第一正输入端I1+与正输出端O+通过第八电阻R8相连接，第四电容C4并联在第八电阻R8的两端；同时，第一正输入端I1+与接头二相连接；所述第一负输入端I1-连接输入信号Vin；所述第二正输入端I2+接地，第二负输入端I2-与负输出端O-通过第七电阻R7相连接，第三电容C3并联在第七电阻R7的两端；同时，第二负输入端I2-与接头四相连接；

所述输入阻抗变换电路(2)包括第二放大器，所述第二放大器设置有第二放大器正输入端、第二放大器负输入端和第二放大器输出端，所述第二放大器正输入端连接输入信号Vin，第二放大器负输入端连接第二放大器的输出端以及第五电阻R5的一端；

所述输入共模反馈电路(3)包括第三放大器，所述第三放大器设置有第三放大器正输入端ICM_ref、第三放大器负输入端ICM和第三放大器输出端ICMFB；所述第三放大器正输入端连接第六电阻R6的一端以及第五电阻的另一端，所述第六电阻的另一端接地；第三放大器负输入端与接头三相连接；所述第三放大器输出端与接头一相连接。

2.根据权利要求1所述面向高阻源测量的低噪声电压放大调理电路，其特征在于：所述第一输入斩波开关CHOP1、第二输入斩波开关CHOP2为斩波调制电路，所述斩波调制电路用于对输入信号进行调制，将输入信号调制到斩波频率的奇次谐波处。

3.根据权利要求1所述面向高阻源测量的低噪声电压放大调理电路，其特征在于：所述输出斩波开关CHOP_OUT为斩波调制电路，所述斩波调制电路用于对差分差值放大器放大后的信号进行调制。

4.根据权利要求1所述面向高阻源测量的低噪声电压放大调理电路，其特征在于：所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4为等值电阻。

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