一種超低輸入端直流失調的放大器和a/d轉換器的製作方法
2023-10-09 06:14:24
專利名稱：一種超低輸入端直流失調的放大器和a/d轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及高精度放大器領域，具體涉及一種超低輸入端直流失調的放大器和A/D轉換器。
背景技術：
高精度放大器如儀表放大器(Instrument Amplifier)要求輸入端有非常低的直流失調(DC offset)，隨著應用的不同，對於放大元件的輸入直流失調限制在幾十到幾百微伏(μ V)不等。如果在放大元件的輸入端不做任何處理，使用雙極型電晶體為輸入級的放大元件的輸入端直流失調在1-3毫伏(mV)之間，使用絕緣柵MOS管為輸入級的放大元件輸入端直流失調可能會高達10毫伏，因此遠不能滿足需要。
常用的降低放大元件的輸入端直流失調的方法有如下幾種:
方法1、在測試過程中測量並且對放大元件的輸入端直流失調進行微調(trim)，並將失調參數用一次編程的存儲單元(OTP)記錄在晶片上。這種做法生產成本很高，精度有限，並且無法消除直流失調隨溫度的漂移。
方法2、斬波放大法(chopping)如圖1所示，該方法將放大元件的輸入端直流失調調製到一個較高的載波頻率上，從而與低頻輸入信號分開。該方法雖然能消除直流失調的溫度漂移，但是放大元件的輸出信號中帶有兩倍頻的載波信號，還需要用額外的電路消除。
方法3、相關二次採樣法(correlated double sampling, Q)S),如圖2所示，電容Cl對輸入信號進行採樣，當採樣時鐘信號ckl為高、ck2為低時，電容C2通過電容C3對放大元件的輸入端直流失調電壓進行採樣保持，並在採樣時鐘信號ckl的下降沿上做記錄。該方法也能消除直流失調的溫度漂移，即當時鐘信號ck2為高、ckl為低時，電容C2與放大元件串聯，其記錄的輸入端直流失調電壓抵消了放大元件的輸入端直流失調，從而放大元件的輸入信號能夠無偏差地被放大。
以上方法2和3能夠達到的輸入端直流失調指標為幾十到幾百微伏，剩餘的直流失調主要來自電路的非理想性，如採樣開關的電荷注入(charge injection),差分電路的匹配誤差(mismatch)，以及電路每次開關動作後放大器工作點的重新穩定等。很多儀表放大器的新應用中，要求放大元件的輸入端直流失調低於10微伏，並且要求有很低的溫度漂移，而上述方法均不能達到這樣的指標。發明內容
本發明針對現有技術的不足，提出了一種可消除由於電路元件的非理想性造成的剩餘直流失調的超低輸入端直流失調的放大器；以及使用該放大器作為前端採樣電路的A/D轉換器。
本發明的技術方案如下:
一種超低輸入端直流失調的放大器，其特徵在於:它包括依次連接的斬波調製器、採樣器、CDS採樣器和放大/積分器，一斬波解調器設置在所述採樣器之後的電路中；所述斬波調製器和斬波解調器使用斬波時鐘信號ck_Chop，所述採樣器和CDS採樣器使用採樣時鐘信號ck。
所述斬波解調器設置在所述採樣器和⑶S採樣器之間。
所述斬波解調器設置在所述⑶S採樣器和所述放大/積分器之間。
所述斬波解調器設置在所述放大/積分器的輸出端。
對所述斬波時鐘信號ck_chop頻率、採樣時鐘信號ck頻率、相位的選取方法包括:
I)所述米樣時鐘信號ck的時序與所述斬波時鐘信號ck_chop的時序相關聯；
2)所述採樣時鐘信號ck的頻率是所述斬波時鐘信號ck_chop的整數倍；
3)所述斬波時鐘信號ck_ch0p的上升沿或下降沿與所述採樣時鐘信號ck的採樣沿重合。
所述放大/積分器的輸出端連接低通濾波器。
所述斬波解調器的輸出端連接低通濾波器。
一種使用上述超低輸入端直流失調的放大器的A/D轉換器，其特徵在於:它包括模數轉換器，所述模數轉換器的信號輸入端和基準電壓輸入端均使用所述超低輸入端直流失調的放大器進行採樣。
所述超低輸入端直流失調的放大器包括依次連接的斬波調製器、採樣器XDS採樣器和放大/積分器，一斬波解調器設置在所述採樣器之後的電路中；所述信號輸入端上的CDS採樣器的輸入端與所述基準電壓輸入端上的CDS採樣器的輸入端實現電流相減。
本發明的技術效果如下:
本發明的一種超低輸入端直流失調的放大器，包括依次連接的斬波調製器、採樣器、CDS採樣器和放大/積分器，一斬波解調器設置在採樣器之後的電路中。其中斬波調製器和斬波解調器消除CDS採樣器等電路元件由於電路元件的非理想性而產生的剩餘直流失調；反過來，CDS採樣器也能夠消除斬波調製器和斬波解調器的剩餘直流失調。通過上述設置，即可達到長時間平均放大元件等效輸入端直流失調小於10 μ V的目標。
由於斬波調製器和斬波解調器將CDS採樣器等電路元件的剩餘直流失調調製到2Xck_chop的時鐘頻率上，生成高頻的調製信號，因此輸入信號和調製信號在頻域上不重疊。這樣調製信號就可以通過在整個超低輸入端直流失調的放大器的輸出端連接的低通濾波器消除，從而達到了去掉採樣信號剩餘直流失調的目的。
由於斬波時鐘信號ck_ch0p的上升或下降沿與採樣時鐘信號ck的上升沿或者下降重合，這樣可以保證在採樣器的採樣點時，斬波時鐘信號ck_Chop已經完全穩定。而到達採樣點之前、斬波調製器和斬波解調器開關之後的時間段內，放大元件的工作點的重新建立不會影響輸出信號的質量，這樣的安排消除了傳統斬波電路由於放大元件工作點建立而帶來的信號剩餘直流失調。
圖1是斬波型放大器的基本電路圖
圖2是使用相關二次採樣放大器的結構示意圖
圖3是本發明的實施例1的結構示意圖
圖4是本發明的實施例1的時間矢量圖
圖5是本發明的實施例2的結構示意圖
圖6是本發明的實施例3的結構示意圖
圖7是本發明實施例1的具體實現電路示意圖
圖8是本發明實施例1的具體實現電路的時間矢量圖
圖9是本發明的應用實施例1、實施例2或實施例3作為前端採樣電路的高精度模數轉換電路示意圖具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明的超低輸入端直流失調的放大器基本原理是在電路中同時使用斬波調製解調電路和CDS (相關二次採樣)電路，讓它們消除彼此由於電路元件的非理想性而產生的剩餘直流失調，從而使整個放大電路達到更高的精度。即通過斬波調製解調電路消除採樣電流和CDS電路剩餘直流失調，通過CDS電路消除斬波調製電路的剩餘直流失調，最後放大器的輸出信號中攜帶的兩倍頻的斬波調製信號通過一個低通濾波器消除。
實施例1:
如圖3、圖4所示，超低輸入端直流失調的放大器包括依次連接的斬波調製器1、採樣器2、斬波解調器3、CDS採樣器4和放大/積分器5，其中斬波調製器I和斬波解調器3使用斬波時鐘信號ck_chop,米樣器2和CDS米樣器4使用米樣時鐘信號ck。輸入信號依次經過輸入斬波調製器1、採樣器2、斬波解調器3和⑶S採樣器4，最後進入和放大/積分器5完成信號的放大和輸出。本實施例中，斬波調製器I和斬波解調器3分別設置在採樣器2的輸入端和輸出端。放大/積分器5本身的較大輸入端直流失調是由CDS米樣器4米樣並去除，而採樣器2中電路元件的非理想性產生的剩餘直流失調，如開關電荷注入和差分電路失配而產生的剩餘直流失調，則被斬波調製器I和斬波解調器3調製到2Xck_ch0p的時鐘頻率上，生成高頻的調製信號。
隨後的⑶S米樣器4的輸入端將同時包含輸入信號和上述調製信號，由於輸入信號和調製信號在頻域上不重疊，因此調製信號很容易被放大/積分器5輸出端設置的低通濾波器6去除，不再影響低頻的輸入信號，從而達到了去掉採樣信號剩餘直流失調的目的。由於剩餘直流失調本身較小，在幾十到幾百μ V，通過斬波調製可以使剩餘直流失調再削減1-2個數量級，達到系統等效輸入端直流失調小於10 μ V的目標。
實施例2:
如圖4、圖5所示，超低輸入端直流失調的放大器包括依次連接的斬波調製器1、採樣器2、CDS採樣器4、斬波解調器3和放大/積分器5，其中斬波調製器I和斬波解調器3使用斬波時鐘信號ck_chop,米樣器2和CDS米樣器4使用米樣時鐘信號ck。輸入信號依次經過輸入斬波調製器1、採樣器2、⑶S採樣器4和斬波解調器3，最後進入和放大/積分器5完成信號的放大和輸出。本實施例中，米樣器2和CDS米樣器4設置在斬波調製器I和斬波解調器3之間,基於與實施例1同樣的原理,米樣器2和CDS米樣器4中電路兀件的的剩餘直流失調將會被調製到2Xck_ch0p的頻率上，生成高頻的調製信號。
隨後的放大/積分器5的輸入端將同時包含輸入信號和上述調製信號，由於輸入信號和調製信號在頻域上不重疊，因此調製信號很容易被放大/積分器5輸出端設置的低通濾波器6去除，不再影響低頻的輸入信號，從而達到了去掉採樣信號中剩餘直流失調的目的。
實施例3:
如圖4、圖6所示，超低輸入端直流失調的放大器包括依次連接的斬波調製器1、採樣器2、CDS採樣器4、放大/積分器5和斬波解調器3，其中斬波調製器I和斬波解調器3使用斬波時鐘信號ck_chop,米樣器2和CDS米樣器4使用米樣時鐘信號ck。輸入信號依次經過輸入斬波調製器1、米樣器2、⑶S米樣器4、放大/積分器5完成信號的米樣和放大，最後通過斬波解調器3輸出。本實施例中，採樣器2、CDS採樣器4、放大/積分器5都被設置在斬波調製器I和斬波解調器3之間，基於與實施例1同樣的原理，採樣器2、CDS採樣器4和放大/積分器5所有的剩餘直流失調都會被調製到2Xck_ch0p的頻率上，生成高頻的調製信號。
隨後整個超低輸入端直流失調的放大器的輸出信號將包括輸入信號的放大信號和上述調製信號，由於輸入信號的放大信號和調製信號在頻域上不重疊，因此調製信號很容易被後面的電路用低通濾波器6去除，不再影響低頻的輸入信號的放大信號，從而達到了去掉剩餘直流失調的目的。
上述三個實施例均說明了如何使用斬波調製器1、斬波解調器3消除⑶S採樣器4等電路元件剩餘直流失調，反過來，CDS採樣器4也能夠消除斬波調製器1、斬波解調器3的剩餘直流失調。如圖4所示，通過對斬波時鐘信號ck_chop頻率、採樣時鐘信號ck頻率、相位的選取，可以使斬波調製器1、斬波解調器3的非理想性不影響輸出信號的質量，其選取方法包括:
I)由上述三個實施例中提到的，如果選取採樣時鐘信號ck頻率高於2倍的斬波時鐘信號ck_Chop頻率，斬波調製器1、斬波解調器3產生的2倍頻(2Xck_ch0p)的調製信號在頻域上與輸入信號不重疊，從而可以通過在超低輸入端直流失調的放大器的輸出端連接的低通濾波器6消除調製信號；
2)米樣時鐘信號ck的時序與所述斬波時鐘信號ck_chop的時序相關聯；
3)將斬波時鐘信號ck_ch0p的上升或下降沿與採樣時鐘信號ck的上升沿或者下降(即採樣沿)重合，以此保證在採樣器2的採樣點(採樣時鐘信號ck的下降沿)時，斬波時鐘信號ck_Chop已經完全穩定；這樣在到達採樣點之前、斬波調製器I和斬波解調器3開關之後的時間段內，放大元件6的工作點的重新建立不會影響輸出信號的質量。
如圖7、圖8所示，實施例1的一個具體實現電路使用了一個較慢的斬波時鐘信號ck_chop,和一個較快的採樣時鐘信號ck,其中採樣時鐘信號ck的頻率是斬波時鐘信號ck_chop的整數倍。由於輸入信號為差分信號，因此整個電路實現也是差分方式。輸入信號由斬波調製器I的輸入端inp、inn輸入，根據斬波時鐘信號ck_chop的頻率將輸入信號在正相與反相之間切換，切換之後的電壓信號由斬波調製器I的兩個輸出端vinp和vinn輸出。
採樣器2的兩個輸入端分別連接輸出端vinp和vinn,根據採樣時鐘信號ck的頻率對兩路輸入信號分別進行採樣，並將輸入採樣信號通過採樣器2的兩個輸出端vlp和vln輸出。由於斬波調製器I輸出的是差分信號，因此米樣器2包括一個差分米樣電路。其中正相輸入信號一側的米樣電路包括開關Kl K4和一個米樣保持輸入信號的輸入米樣電容Cl，開關Kl K4與時鐘信號ck關聯。。開關K5的輸入端連接輸出端vinp,開關K1、輸入米樣電容Cl、開關K4串聯,開關K4的輸出端為米樣器2的輸出端vlp ;開關Kl與輸入米樣電容Cl之間通過開關K2接地，輸入採樣電容Cl與開關K4之間通過開關K3接地。
根據ck時鐘極性的選取，採樣器2的輸入端vinp至輸出端vlp的極性可以是正向或者是反向。但是不論輸入端vinp至輸出端vlp是正相還是翻轉，這兩種工作方式都同樣具有本發明所具有的超低輸入端直流失調的特性。
斬波解調器3的兩個輸入端分別連接輸出端vlp和vln,斬波時鐘信號ck_chop的頻率將失調採樣信號在正相與反相之間切換，切換之後的失調採樣信號由斬波解調器3的兩個輸出端v2p和v2n輸出。
⑶S採樣器4的兩個輸入端分別連接輸出端v2p和v2n，根據採樣時鐘信號ck的頻率對放大元件6的輸入端直流失調進行採樣，之後失調採樣信號通過放大元件6的輸入端opinp和opinn輸出。⑶S採樣器4包括兩條結構完全相同的⑶S電路，分為正相輸入信號一側的⑶S電路和負相輸入信號一側的⑶S電路。其中正相輸入信號一側的⑶S電路包括開關K5 K7和一個用於米樣保持放大兀件6的輸入端直流失調的失調米樣電容Ccds,開關K5，K6和Κ7與時鐘信號ck關聯。開關Κ5 —端連接輸出端ν2ρ，另一端連接放大/積分器5中的積分電容C2 ;失調採樣電容Ccds —端連接輸出端v2p，另一端連接放大元件6的輸入端opinp ;開關K5通過開關K6接地,輸入端opinp通過開關K7連接在開關K5與積分電容C2之間。根據前面所述的CDS相關二次採樣法的工作原理，放大元件6的輸入信號能夠在放大元件6中無偏差地被放大。
放大/積分器5包括放大兀件6和積分電容C2,放大兀件6的兩個輸入端分別連接輸入端opinp和opinn,放大元件6對輸入其中的信號進行放大,並通過輸出端opoutp和opoutn輸出。當控制斬波調製器I和斬波解調器3的斬波時鐘信號ck_chop信號定時翻轉時，輸入信號輪流經過正相和反相的採樣器2和⑶S採樣器4，他們內部的非理想性和匹配誤差將會相互抵消，長時間平均為零。
圖3-圖6所描述的實例1、2、3的基本原理，以及圖7-8表述的具體電路實現，可以直接用作標準模數轉換器(ADC)的前端採樣電路。除此之外，他們也可以用在過採樣模數轉換，包括希格瑪-德爾塔(Sigma-Delta)模數轉換器。如圖9所示，當本發明的實施例1、實施例2或實施例3應用於高精度希格瑪-德爾塔(Sigma-Delta)模數轉換器(ADC)前端的模擬電路中時，信號輸入端使用實施例1、實施例2或實施例3的超低輸入端直流失調的放大器採樣，基準電壓輸入端也使用實施例1、實施例2或實施例3的超低輸入端直流失調的放大器採樣。採樣信號和基準電壓信號在超低輸入端直流失調的放大器中CDS採樣器的輸入端(虛擬地)v2p (v2n)實現電流相減，即可完成所需要的負反饋迴路。由於採樣信號和基準電壓信號的採樣電路都使用了本文所示的降低失調電壓的辦法，因此整個模數轉換器也具有了同樣的超低輸入直流失調特性。
應當指出，以上所述具體實施方式
可以使本領域的技術人員更全面地理解本發明創造，但不以任何方式限制本發明創造。因此，儘管本說明書參照附圖和實施例對本發明創造已進行了詳細的說明，但是，本領域技術人員應當理解，仍然可以對本發明創造進行修改或者等同替換，總之，一切不脫離本發明創造的精神和範圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發明創造專利的保護範圍當中。
權利要求
1.一種超低輸入端直流失調的放大器，其特徵在於:它包括依次連接的斬波調製器、採樣器、CDS採樣器和放大/積分器，一斬波解調器設置在所述採樣器之後的電路中；所述斬波調製器和斬波解調器使用斬波時鐘信號ck_Chop，所述採樣器和CDS採樣器使用採樣時鐘信號ck。
2.如權利要求1所述的一種超低輸入端直流失調的放大器，其特徵在於:所述斬波解調器設置在所述採樣器和CDS採樣器之間。
3.如權利要求1所述的一種超低輸入端直流失調的放大器，其特徵在於:所述斬波解調器設置在所述CDS採樣器和所述放大/積分器之間。
4.如權利要求1所述的一種超低輸入端直流失調的放大器，其特徵在於:所述斬波解調器設置在所述放大/積分器的輸出端。
5.如權利要求1-4之一所述的一種超低輸入端直流失調的放大器，其特徵在於:對所述斬波時鐘信號ck_chop頻率、採樣時鐘信號Ck頻率、相位的選取方法包括: 1)所述採樣時鐘信號ck的時序與所述斬波時鐘信號ck_chop的時序相關聯； 2)所述採樣時鐘信號ck的頻率是所述斬波時鐘信號ck_ch0p的整數倍； 3)所述斬波時鐘信號ck_Chop的上升沿或下降沿與所述採樣時鐘信號ck的採樣沿重入口 O
6.如權利要求1-3之一所述的一種超低輸入端直流失調的放大器，其特徵在於:所述放大/積分器的輸出端連接低通濾波器。
7.如權利要求4所述的一種超低輸入端直流失調的放大器，其特徵在於:所述斬波解調器的輸出端連接低通濾波器。
8.一種使用如權利要求1-7所述的超低輸入端直流失調的放大器的A/D轉換器，其特徵在於:它包括模數轉換器，所述模數轉換器的信號輸入端和基準電壓輸入端均使用所述超低輸入端直流失調的放大器進行採樣。
9.如權利要求8所述的一種A/D轉換器，其特徵在於:所述超低輸入端直流失調的放大器包括依次連接的斬波調製器、採樣器、⑶S採樣器和放大/積分器，一斬波解調器設置在所述採樣器之後的電路中；所述信號輸入端上的CDS採樣器的輸入端與所述基準電壓輸入端上的⑶S採樣器的輸入端實現電流相減。
全文摘要
本發明涉及一種超低輸入端直流失調的放大器和A/D轉換器，包括依次連接的斬波調製器、採樣器、CDS採樣器和放大/積分器，一斬波解調器設置在採樣器之後的電路中。其中斬波調製器和斬波解調器消除CDS採樣器等電路元件由於電路元件的非理想性而產生的剩餘直流失調；反過來，CDS採樣器也能夠消除斬波調製器和斬波解調器的剩餘直流失調。由於斬波調製器和斬波解調器將CDS採樣器等電路元件的剩餘直流失調調製到2×ck_chop的時鐘頻率上，生成高頻的調製信號，因此輸入信號和調製信號在頻域上不重疊。這樣調製信號就可以通過在上述超低輸入端直流失調的放大器的輸出端連接的低通濾波器消除，從而達到了去掉採樣信號剩餘直流失調的目的。
文檔編號H03M1/12GK103138760SQ201310095309
公開日2013年6月5日 申請日期2013年3月22日 優先權日2012年11月5日
發明者陶海 申請人:戴祖渝