作者 张阳 电子科技大学 微电子与固体电子学院(四川 成都 610054)
张阳(1992-)，硕士生，工程师，研讨方向：集成电路。
摘要：零中频接收机的中心模块低通跨阻滤波器需求低噪声低失调的全差分运放，针对传统全差分运放具有高噪声高失调的缺陷，规划了一种嵌套式斩波全差分运放。依据hlmc40lp工艺，经过Spectre仿真东西进行仿真与验证。斩波频率fchopper,low=1 kHz、fchopper,high=1 MHz时的仿真成果表明，规划的运放具有较低的输入等效噪声(输入等效噪声功率谱密度在100 Hz处仅为7.668 nV/sqrt(Hz))，较低的输入失调电压(1.007 V)，运放的开环增益为84.6 dB，运放的增益带宽积为140 MHz。
0 导言
低通跨阻滤波器是零中频接收机中一个中心模块，首要作用是将前级电路的直流小信号电流信号扩大以及转换为电压信号，然后供后级电路处理。依据噪声的考虑，接收机一般选用无源混频器，原因在于无源混频器不存在直流电流，它本身的噪声对整个体系的奉献可以忽略不计[1-2]。可是，这也使得低通跨阻滤波器有必要具有更好的低频噪声功能[3]，运放在低频段的噪声首要是1/f噪声。如图1(a)所示，其间R1=R2，R3=R4。R1与R2为跨阻滤波器输入端等效电阻，跨阻滤波器增益与电阻R3、R4的阻值持平。由于咱们需求检测弱小信号，R3、R4阻值相对较大。跨阻滤波器输出端固定失调电压等于运放输入失调电压值乘以R3/R1，假设运放的输入失调电压过大，则跨阻滤波器输出端固定失调电压相对较大，而跨阻滤波器的输出动态规模(输出摆幅)是固定的，固定失调电压会大幅减小跨阻滤波器的输出摆幅，然后削减跨阻滤波器可以无失真扩大电流的规模，所以减小全差分运放的输入失调电压是势在必行。一起，为了减小跨阻滤波器的增益丢失以及增大混频器的线性度[4]，运放的增益需求大于80 dB，带宽需求大于100 MHz。
针对运放需具有低噪声、低失调以及高增益的特性，本文提出了一种满意要求的一起结合嵌套斩波技能以及增益自举技能的全新的全差分折叠共源共栅式运放结构。由于嵌套斩波技能可以大幅消除运放输入失调以及低频噪声，一起可以减小因斩波开关动作引起的剩余失调量，而增益自举技能可以大幅添加运放增益，防止运用两级运放结构，然后减小需求的共模反应电路数量，而增益自举技能运用的运放可以作低功耗规划，相应地削减了运放功耗。由于跨阻滤波器后边接有大电容负载，本文运用接成单位增益负反应的运放作为缓冲级来驱动后级负载，这也一起防止了后级小电阻负载减小主运放的增益。一起，运用本文规划运放结构的特殊性，直接运用并联的电阻与电容在单位增益负反应的运放输出端取共模电平，然后运用简略的共模反应电路安稳全体电路的静态作业点，如图2所示，这样规划的优势在于，电阻阻值可以规划得较小且不会减小主运放的增益。文献[5]为了保证高增益而选用了两级运放结构，一起为了使共模反应电路不影响全体运放增益，运用两个差分对检测共模电压的结构，以到达与本文规划的共模反应电路相同的带宽，文献[5]的共模电路耗费的电流需求是我规划的电路的两倍，并且两级运放结构需求两级共模反应电路，因而本文规划的运放相对于文献[5]的规划复杂性大大下降，一起下降了耗费的电流。
1 斩波安稳原理以及非抱负要素剖析
斩波安稳(CHS:Chopper Stabilization)技能是E.A.Goldberg在1948年提出的[5]。CHS技能首要将低频的噪声以及失调调制到高频，之后经过一个低通滤波器将它们彻底滤掉。在抱负情况下，斩波技能可以彻底消除去直流失调以及低频段1/f噪声。
1.1 根本原理
如图1(b)是一个斩波扩大器的根本架构[6]。首要，输入信号由斩波器chopper1调制到高频。之后，被调制到高频的输入信号、直流失调以及输入1/f噪声一起被扩大器扩大。然后，经过扩大的输入信号被斩波器chopper2复原，而直流失调以及1/f噪声被调制高频。终究，一个低通滤波器将调制到高频的噪声以及失调滤除，得到的输出信号便是经过扩大的输入信号，这样就消除了直流失调以及噪声对信号的影响。
1.2 嵌套斩波技能
斩波器的开关一般由CMOS管构成。由于操控斩波器开关管栅端的信号为具有斩波频率的时钟信号，时钟信号的跳变会经过栅漏或栅源交叠电容耦合到信号通路，然后引进剩余失调。一起，由于该CMOS开关管不是抱负的开关管，开关管的通断会发生沟道电荷注入效应，在信号通路引进失调。上述两个要素一起作用作用如图1(c)，每次开关动作会在开关切换边际引进一个起伏很大的毛刺电压。经过输出快速斩波器的调制，这个毛刺电压变为平均值为Vos，res的高频纹波V1，V1信号频率是斩波频率的两倍，如图1(c)所示。V1信号能量平均值为Vos,res，经过结尾低通滤波器之后构成输出剩余失调。操控斩波开关的时钟信号频率越高，开关管面积越大，输出剩余失调就越大。
嵌套斩波技能作业原理如图1(c)所示，运用两组快慢斩波开关，快速斩波时钟频率是慢速斩波时钟频率的整数倍，这样输出慢速斩波器正好可以将快速斩波开关引进的高频纹波V1转化为电压V2，V2能量平均值为0，信号周期等于Tlow,chop。在抱负情况下，V2信号会被滤波器滤除而不会发生剩余失调。运用嵌套斩波需求留意的是：输入信号的频率不能超过低频斩波信号的频率。
挑选适宜的斩波频率直接关系着整个斩波扩大器的功能。为了减小运放的增益丢失，斩波频率需求小于运放的3 dB带宽;一起为了有用地减小1/f噪声，斩波频率需求大于噪声转角频率[5]，该斩波频率是嵌套斩波技能中的高频斩波信号的频率。为了有用减小快速斩波引进的剩余失调，低频斩波信号的频率一般设置为高频斩波信号频率的1/1000。
2 全体电路规划
本文规划的斩波全差分运放是具有增益自举结构的全差分折叠共源共栅式运放，全体电路图如图2所示。由于低通跨阻滤波器需求运放增益大于80 dB，一般的折叠共源共栅式运放无法到达要求，因而本论文选用增益自举结构来进步运放增益，辅佐运放OP_1的结构如图3所示。依据文献[7]所述，我设定辅佐运放的单位增益带宽在无增益自举技能的主运放的3 dB带宽以及单位增益带宽之间，这样辅佐运放引进的零极点对不会影响运放的全体安稳性。由于要使在跨阻滤波器输出端的低阻抗负载不影响全体运放的增益，咱们需求在折叠共源共栅式运放以及跨阻滤波器输出端的低阻抗负载之间加上一级缓冲器，如图2所示，buffer1以及buffer2可以保证低阻抗负载不会影响主运放的增益。一起，缓冲器的引进可以简化共模反应电路规划，咱们可以直接运用%&&&&&%C1与C2以及电阻R1与R2在buffer1与buffer2输出端提取输出电压共模电平，经过cmfb运放得到共模反应电压Vcmfb，返回到主运放，安稳主运放的输出端OTN以及OTP的输出共模电压。
在图2中，Chopper_low1、Chopper_high1、Chopper_high2a、Chopper_high2b、Chopper_high2c和Chopper_low2是斩波开关模块，其间Chopper_low1与Chopper_low2是慢速斩波模块，Chopper_high2a、Chopper_high2b与Chopper_high2a、Chopper_high2c是快速斩波模块。Chopper_low2被放置在折叠共源共栅运放的输出极点(一起是运放的主极点)，Chopper_high2a与Chopper_high2c放置在低阻节点，完成快速斩波。由于辅佐运放OP_1的噪声对全体运放噪声有必定奉献，所以运用Chopper_high2a与Chopper_high2c在辅佐运放的环路中可以减小辅佐运放对噪声的奉献。PMOS管MP3、MP4、MP5与MP6以及NMOS管MN3与MN4是首要奉献噪声的管子，有必要取大尺度的管子。一起，MP3与MP4的过驱电压可以减小，增大其跨导，而MP5、MP6、MN3与MN4作为负载管，可以恰当增大其过驱电压，减小其跨导。辅佐运放OP_1电路图如图3所示，想减小辅佐运放的输入等效噪声，MP18、MP22、MP24、MP25、MN12与MN18取大尺度管子。MN13、MN14、MN15与MN16构成共模反应电路，安稳辅佐运放的输出共模电平。
规划斩波调制器，首要考虑减小开关的沟道电荷注入以及时钟馈通效应，一起咱们还要首要减小开关导通电阻，减小开关耗费的电压余度。选用带虚拟管的开关有助于减小部分电荷注入以及时钟馈通的影响，虚拟管在开关管两边，源漏短接，尺度是开关管的1/2，详细电路如图2所示[9]。小的开关尺度能减小时钟馈通，Chopper_low1与Chopper_low2选用1.6μm/0.27μm。而为了减小导通电阻，Chopper_high1、Chopper_high2a、Chopper_high2b与Chopper_high2c选用3.2 /0.27 的较大尺度。地图规划时，要特别留意添加开关管的匹配性，从全体减小电荷注入以及时钟馈通影响。
3 仿真成果剖析
由于包括斩波操作的运放实际上是周期性作业，所以我运用Cadence公司的spectre仿真东西中的PSS、PAC、Pnoise对其周期性幅频特性以及噪声特性进行仿真。本文规划运用hlmc40lp工艺，电源电压为2.5 V，斩波频率fchopper,low=1 kHz、fchopper,high=1 MHz。
选用PAC仿真成果表明，其开环增益为84.6 dB，增益带宽积为140 MHz，带宽为9.218 kHz。其耗费的总功耗为2.8 mA，buffer1与buffer2每支都耗费1.038 mA的功耗，所以该跨阻滤波器的带负载才能较强。
选用Pnoise仿真得到仿真成果如图4所示 ，扩大器输入等效噪声功率谱密度在100 Hz处仅为7.668 nV/sqrt(Hz)，而无斩波时扩大器输入等效噪声功率谱密度在100 Hz处为1.254 μV/sqrt(Hz)，噪声功能有显着改进。图4(b)中1 kHz呈现了一个尖峰，阐明噪声被调制到高频，这对作业在低频的运放是个抱负的成果，被调制到高频的噪声不会影响运放的功能，这也证明斩波技能能极大的进步运放功能。
为了仿真斩波运放输入失调电压，我运用斩波运放建立单位增益负反应电路，然后给每个管子加上误差进行蒙特卡罗瞬态仿真，取斩波运放正负输出端电压之差在固定一段时间内的均值作为运放单个失调电压。最终对蒙特卡罗仿真得到的多个失调电压值直接取均方根值(RMS值)作为斩波运放的输入失调电压，仿真成果如图5所示。图5仿真成果表明斩波技能可以有用地减小运放的失调电压，而嵌套斩波技能相对于一般斩波技能能有用减小因开关引起的剩余失调量。
表1给出了本规划与其他论文的功能的比较。与其他论文比较，本文规划的斩波运放等效输入失调电压以及等效输入噪声相对较低，本规划在归纳全体功能具有适当的优势。
4 定论
本文规划了一种应用于跨阻滤波器的低噪声低失调斩波运放电路。仿真成果表明，本文规划的运放具有较低的输入等效噪声(输入等效噪声功率谱密度在100 Hz处仅为7.668 nV/sqrt(Hz))，极低的输入失调电压(1.007 μV)，开环增益为84.6 dB，增益带宽积为140 MHz。本文规划的斩波运放电路彻底能满意跨阻滤波器对运放的要求。
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本文来源于《电子产品世界》2018年第8期第53页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
