放大电路及传感信号处理装置的制造方法

放大电路及传感信号处理装置的制造方法
【专利摘要】公开了一种放大电路及传感信号处理装置，所述放大电路具有输入端和输出端，输入端接收输入信号，输入信号包括直流失调电压和有效信号，输出端被配置为输出有效信号的放大信号，所述放大电路包括：第一放大器，第二放大器，以及直流失调电压补偿单元，连接在第一放大器的输出端和第二放大器的输入端之间，其中，放大电路工作在第一模式和第二模式，在第一模式，第一放大器的输入端连接第一基准信号端，直流失调电压补偿单元采样第一放大器的失调电压，在第二模式，第一放大器的输入端连接放大电路的输入端，直流失调电压补偿单元根据输入的数字信号补偿被第一放大器放大的输入信号中的直流失调电压以及补偿第二放大器的失调电压。
【专利说明】
放大电路及传感信号处理装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及信号处理技术领域，具体涉及一种带有直流失调电压补偿功能的 放大电路及一种传感信号处理装置。
【背景技术】
[0002] 在现有技术中，在对电信号进行精密测量时，需要对电信号进行一定增益的放大， 尤其是信号较弱而且测量的精度较高时。图1是现有技术的一种精密信号测量电路的示意 性框图。来自于信号源20的被测信号首先通过放大器11放大，放大后的被测信号经过模数 转换器15转换为数字信号，该数字信号经过数字信号处理单元17进行运算处理。
[0003] 实际中，除有效信号（可以是交流信号也可以是直流信号）外，被测信号中往往还 包括不希望有的直流失调电压(DC Offset)，而且直流失调电压可能比有效信号更强。因此 在精密信号测量时，需要直流失调电压消除电路对直流失调电压进行消除。
[0004] 图2是现有技术的一种能够消除直流失调电压的信号测量电路的示意性框图。被 测信号来自于信号源20,数模转换器19接收一数字信号Din〈m:l>并产生一个对应的直流失 调电压抵消信号，该直流失调电压抵消信号与被测信号的直流失调电压大小相同，极性相 反。被测信号和该直流失调电压抵消信号叠加之后再通过放大器11放大，之后通过模数转 换器15和数字信号处理单元17进行处理。
[0005] 这种通过在放大器前叠加与直流失调电压大小相同，极性相反的信号来消除直流 失调电压的方法对电路的精度要求很高，因为数模转换器19产生的直流失调电压抵消信号 和直流失调电压的微小误差都会被放大器11进行放大，导致最终的输出信号中仍然还残留 有很大的直流失调电压，从而引起测量误差。
[0006] 这种高精度的电路也需要占用更大的芯片面积和增加额外的功耗，同时会改变 测量电路输入端的阻抗，限制测量电路的应用场合。
[0007] 图3是现有技术的另一种能够消除直流失调电压的信号测量电路的示意性框图。 来自于信号源20的被测信号首先通过放大器11放大，放大后的被测信号中包括了放大了的 直流失调电压，放大后的被测信号与数模转换器19产生的直流失调电压抵消信号进行叠加 后经过模数转换器15和数字信号处理单元17进行处理获得最终的输出信号，其中，所述直 流失调电压抵消信号与经放大器11放大后的被测信号中的直流失调电压大小相同，极性相 反。
[0008] 由于有用信号和直流失调电压同时被放大，而且直流失调电压可能比有用信号更 强，所以直流失调电压会占掉很大的信号动态范围。所以图3所示的方法要求放大器11的线 性输出摆幅要比有用信号需要的线性输出摆幅大的多，才能保证有用信号不被直流失调电 压淹没造成信号失真，而放大器11的最大线性输出范围已经由电路的电源电压限制，这会 增加电路设计的难度甚至满足不了设计要求。 【实用新型内容】
[0009] 本实用新型提出一种带有直流失调电压补偿功能的放大电路及一种传感信号处 理装置，能够消除输入信号中的直流失调电压以及放大器的失调电压。
[0010] 根据本实用新型的一个方面，提供一种带有直流失调电压补偿功能的放大电路， 具有输入端和输出端，所述输入端接收输入信号，所述输入信号包括直流失调电压和有效 信号，所述输出端被配置为输出所述有效信号的放大信号，所述放大电路包括:第一放大 器，所述第一放大器的输入端连接所述放大电路的输入端或第一基准信号端;第二放大器， 所述第二放大器的输出端被配置为所述放大电路的输出端；以及直流失调电压补偿单元， 连接在所述第一放大器的输出端和第二放大器的输入端之间，其中，所述放大电路工作在 第一模式和第二模式，在所述第一模式，所述第一放大器的输入端连接所述第一基准信号 端，所述直流失调电压补偿单元采样所述第一放大器的失调电压，在所述第二模式，所述第 一放大器的输入端连接放大电路的输入端，所述直流失调电压补偿单元根据输入的数字 信号补偿被第一放大器放大的输入信号中的直流失调电压以及补偿所述第二放大器的失 调电压。
[0011] 优选地，所述直流失调电压补偿单元包括:第一电容，连接在所述第一放大器的输 出端和第二放大器的输入端之间；数模转换器，被配置为接收所述数字信号产生对应的模 拟信号;第二电容，所述第二电容的第一极板连接所述数模转换器的输出端，其中，在所述 第一模式，所述第二放大器的输入端与所述第一电容的中间节点连接第二基准信号端，在 所述第二模式，所述第二放大器的输入端与所述第一电容的中间节点连接所述第二电容的 第二极板，所述模拟信号通过第二电容叠加到第二放大器的输入端。
[0012] 优选地，所述放大电路还包括:第一开关，连接在所述放大电路的输入端和所述第 一放大器的输入端之间；第二开关，连接在所述第一基准信号端和所述第一放大器的输入 端之间;所述直流失调电压补偿单元还包括:第三开关，连接在所述第二基准信号端和所述 第二放大器的输入端与所述第一电容的中间节点之间；第四开关，连接在所述第二放大器 的输入端与所述第一电容的中间节点和所述第二电容的第二极板之间，其中，在所述第一 模式，所述第一开关和第四开关断开，所述第二开关和第三开关闭合，在所述第二模式，所 述第一开关和第四开关闭合，所述第二开关和第三开关断开。
[0013]优选地，所述第一放大器具有第一输入端和第二输入端，所述第一放大器的第二 输入端连接第一基准信号端，所述第一开关连接在所述第一放大器的第一输入端和所述放 大电路的输入端之间;所述第二开关连接在所述第一放大器的第一输入端和所述第一基准 信号端之间；所述第二放大器具有第一输入端和第二输入端，所述第二放大器的第二输入 端连接所述第二基准信号端;所述第一电容连接在所述第一放大器的输出端和第二放大器 的第一输入端之间;所述第三开关连接在第二基准信号端和所述第一电容与所述第二放大 器的第一输入端的中间节点之间;所述第四开关连接在所述第二电容的第二极板和所述第 一电容与所述第二放大器的第一输入端的中间节点之间。
[0014]优选地，所述输入信号为差分信号，所述输入信号包括第一输入信号和第二输入 信号，所述放大电路具有第一输入端和第二输入端，所述放大电路的第一输入端接收第一 输入信号，所述放大电路的第二输入端接收第二输入信号，所述第一放大器具有第一输入 端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端，所述第一放大器的第一输入端连接所述放大 电路的第一输入端或第一基准信号端，所述第一放大器的第二输入端连接所述放大电路的 第二输入端或第一基准信号端，所述第二放大器具有第一输入端和第二输入端;所述直流 失调电压补偿单元包括:第三电容，连接在所述第一放大器的第一输出端和第二放大器的 第一输入端之间；第四电容，连接在所述第一放大器的第二输出端和第二放大器的第二输 入端之间;数模转换器，具有第一输出端和第二输出端，所述数模转换器被配置为接收所述 数字信号，通过第一输出端输出第一模拟信号，通过第二输出端输出第二模拟信号，所述第 一模拟信号和第二模拟信号的大小相等，极性相反;第五电容，所述第五电容的第一极板连 接所述数模转换器的第一输出端，第六电容，所述第六电容的第一极板连接所述数模转换 器的第二输出端，第七电容，所述第七电容的第一极板连接所述数模转换器的第一输出端， 第八电容，所述第八电容的第一极板连接所述数模转换器的第二输出端，其中，在所述第一 模式，第一放大器的第一输入端连接第一基准信号端，第一放大器的第二输入端连接第一 基准信号端，所述第三电容和第二放大器的第一输入端的中间节点连接第二基准信号端， 所述第四电容和第二放大器的第二输入端的中间节点连接第二基准信号端，在所述第二模 式，第一放大器的第一输入端连接所述放大电路的第一输入端，第一放大器的第二输入端 连接所述放大电路的第二输入端，所述第三电容和第二放大器的第一输入端的中间节点连 接第五电容的第二极板或第六电容的第二极板，所述第四电容和第二放大器的第二输入端 的中间节点连接第七电容的第二极板或第八电容的第二极板。
[0015] 优选地，所述放大电路还包括:第五开关，连接在放大电路的第一输入端和第一放 大器的第一输入端之间；第六开关，连接在第一放大器的第一输入端和第一基准信号端之 间；第七开关，连接在放大电路的第二输入端和第一放大器的第二输入端之间；第八开关， 连接在第一放大器的第二输入端和第一基准信号端之间；第九开关，连接在第三电容与第 二放大器的第一输入端的中间节点和第二基准信号端之间；第十开关，连接在第四电容与 第二放大器的第二输入端的中间节点和第二基准信号端之间；第十一开关，连接在第五电 容的第二极板和第三电容与第二放大器的第一输入端的中间节点之间；第十二开关，连接 在第六电容的第二极板和第三电容与第二放大器的第一输入端的中间节点之间;第十三开 关，连接在第七电容的第二极板和第四电容与第二放大器的第二输入端的中间节点之间； 以及第十四开关，连接在第八电容的第二极板和第四电容与第二放大器的第二输入端的中 间节点之间，其中，在第一模式，所述第六开关、第八开关、第九开关和第十开关闭合，所述 第五、第七、第十一、第十二、第十三以及第十四开关断开，在第二模式，所述第六开关、第八 开关、第九开关和第十开关断开，所述第五开关、第七开关闭合，第十一开关和第十三开关 闭合、第十二开关和第十四开关断开或第十一开关和第十三开关断开、第十二开关和第十 四开关闭合。
[0016] 优选地，所述直流失调电压的极性为正时，第十一开关和第十三开关闭合、第十二 开关和第十四开关断开，所述直流失调电压的极性为负时，第十一开关和第十三开关断开、 第十二开关和第十四开关闭合。
[0017] 根据本实用新型的又一个方面，提出一种传感信号处理装置，包括:传感器，用于 感应物理量输出模拟检测信号;放大电路，用于放大所述模拟检测信号;模数转换器，用于 将放大后的模拟检测信号转换为数字检测信号；以及数字信号处理器，用于处理所述数字 检测信号;其中，所述放大电路为上述的放大电路。
[0018] 优选地，所述传感器为磁力计、加速度传感器、温度传感器、湿度传感器中的至少 一种。
[0019] 优选地，所述传感器包括磁敏电阻或压敏电阻。
[0020] 本实用新型的带有直流失调电压补偿功能的放大电路通过两级放大器放大输入 信号，在第一级放大后将抵消信号叠加到第一级放大后输入信号，降低了对数模转换器的 精度要求，此外，两级放大结构可以有效降低对单个放大器线性输出摆幅的要求，从而降低 了放大器以及总体电路的设计难度，特别是在低电压供电情况。
【附图说明】
[0021] 通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目 的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
[0022] 图1是现有技术的一种精密信号测量电路的示意性框图；
[0023] 图2a是现有技术的一种能够消除直流失调电压的信号测量电路的示意性框图；
[0024] 图2b是现有技术的另一种能够消除直流失调电压的信号测量电路的示意性框图；
[0025] 图3是根据本实用新型第一实施例的带有直流失调电压补偿功能的放大电路的示 意性框图；
[0026] 图4是根据本实用新型第二实施例的带有直流失调电压补偿功能的放大电路的示 意性框图；
[0027] 图5是根据本实用新型第三实施例的带有直流失调电压补偿功能的放大电路的示 意性框图；以及
[0028] 图6是根据本实用新型实施例的传感信号处理装置的示意性结构框图。
【具体实施方式】
[0029] 以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅限于这些实施 例。在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人 员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。为了避免混淆本实用新型的 实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。此外，本领域普通技术人员应 当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
[0030] 除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的"包括"、"包含"等类似 词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义;也就是说，是"包括但不限于"的含 义。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语"第一"、"第二"等仅用于描述目的，而不能 理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，"多个"的含 义是两个或两个以上。
[0031] 本实用新型提出一种带有直流失调电压补偿功能的放大电路，该放大电路具有输 入端和输出端，所述输入端接收来自信号源的输入信号，所述输入信号包括直流失调电压 和有效信号，所述输出端被配置为输出所述有效信号的放大信号，该放大电路包括:第一放 大器、第二放大器以及直流失调电压补偿单元。
[0032] 第一放大器的输入端连接放大电路的输入端或第一基准信号端。
[0033] 第二放大器的输出端被配置为所述放大电路的输出端。
[0034] 直流失调电压补偿单元连接在第一放大器的输出端和第二放大器的输入端之间。 其中，放大电路工作在第一模式和第二模式，在第一模式，第一放大器的输入端连接第一基 准信号端，使得第一放大器的输出端为第一放大器的输出失调电压，直流失调电压补偿单 元通过电容采样第一放大器的输出失调电压(Offset Voltage)，在第二模式，第一放大器 的输入端连接放大电路的输入端以接收输入信号，直流失调电压补偿单元根据输入的数字 信号消除被第一放大器放大的输入信号中的直流失调电压以及补偿第二放大器的输出失 调电压。
[0035]第一放大器和第二放大器根据输入信号的形式可以是单端输入单端输出或单端 输入双端输出或双端输入单端输出或双端输入双端输出。例如输入信号和输出信号均为差 分信号，第一放大器和第二放大器分别为双端输入双端输出。
[0036] 第一实施例
[0037]参照图3,放大电路30通过其输入端从信号源20接收输入信号Vin，该输入信号Vin 包括直流失调电压Vin_os和有效信号Vin_real。放大电路30包括:第一放大器31、第二放大 器33、第一开关S1、第二开关S2以及直流失调电压补偿单元。
[0038]第一放大器31为单端输入单端输出，并且第一放大器31具有第一增益G1。
[0039]第一开关S1连接在第一放大器31的输入端和放大电路30的输入端之间。第二开关 S2连接在第一放大器31的输入端和第一基准信号端之间。
[0040] 第二放大器33为单端输入单端输出，第二放大器33的输出端被配置为放大电路30 的输出端。第二放大器33具有第二增益G2。
[0041] 直流失调电压补偿单元设置在第一放大器31和第二放大器33之间。直流失调电压 补偿单元包括:数模转换器35、第一电容C1、第二电容C2、第三开关S3以及第四开关S4。 [00 42]第一电容C1设置在第一放大器31的输出端和第二放大器33的输入端之间。
[0043]数模转换器35接收数字信号Din〈m: 1>产生模拟信号Vdac，该模拟信号Vdac可以通过 第二电容C2叠加于第二放大器33的输入端。所述模拟信号用于消除被第一放大器31放大的 输入信号中的直流失调电压以及补偿第二放大器33的输出失调电压。例如，放大电路30包 括估值单元，估值单元用于估算直流失调电压的大小。估值单元根据直流失调电压的大小 和第二放大器33的输出失调电压的大小，产生数字信号Din〈m:l>。优选地，数模转换器35为 电荷共享型数模转换器。
[0044] 第二电容C2的第一极板连接数模转换器35的输出端，第二电容C2的第二极板通过 第四开关S4连接第一电容C1和第二放大器33的输入端之间的中间节点m。
[0045] 第一电容Cl和第二放大器33的输入端之间的中间节点m还通过第三开关S3连接第 二基准信号端。
[0046]放大电路30工作在第一模式和第二模式。在第一模式，第二开关S2和第三开关S3 闭合，第一开关S1和第四开关S4断开。在第二模式，第二开关S2和第三开关S3断开，第一开 关S1和第四开关S4闭合。
[0047]在工作中，放大电路30首先处于第一模式。在第一模式，第一放大器31的输入端连 接第一基准信号，第一放大器31的输出端的电压为第一放大器31的输出失调电压Vosl，第 一电容C1和第二放大器33的输入端之间的中间节点m连接交流第二基准信号，此时第一电 容C1存储的电荷为Cl*Vosl。
[0048]之后，放大电路30处于第二模式，第一放大器31的输入端接收输入信号Vin，第一 放大器31的输出端的电压为Gl*Vin+Vosl，数模转换器35的输出端的电压为Vdac。在第二模 式，根据电荷守恒，第二放大器33的输入端的电压为V33=(Gl*Cl*Vin+C2*VDAC)/(Cl+C2) = [Gl*Cl*(Vin_os+Vin_real)+C2*VDAc]/(Cl+C2)，因此在第二放大器33的输入信号中不包括 第一放大器31的输出失调电压Vosl。进一步，通过设置适当的数字信号Din〈m:l>，使得数模 转换器35的输出信号Vdac能够抵消经第一放大器31放大的输入信号中的直流失调电压同时 补偿第二放大器33的输出失调电压Vos2。
[0049]例如，估值单元计算得到Din〈m: l>，Din〈m: 1>对应的模拟信号Vdag能够使得第二放 大器33的输入端的电压为V33 = Gl*Cl*Vin_real/(Cl+C2)-V〇S2,第二放大器33的输出端电 压为Gl*G2*Cl*Vin_real/(Cl+C2)，即输出端为有效信号的放大信号。
[0050] 相比于图2a所示的电路，本实用新型的放大电路30在第一放大器31和第二放大器 33之间加入直流失调电压补偿单元，由于输入信号有了第一放大器31的增益G1，所以可以 采用精度更低的数模转换器抵消直流失调电压。精度更低的数模转换器有利于采用更简单 的电路，采用更小的芯片面积和更低的功耗实现。而且因为输入端没有额外电路，测量电路 的输入阻抗就是第一放大器31的输入阻抗。例如，第一放大器31的输入为M0S管的栅极，那 么输入阻抗就是高阻抗，放大电路30就可以适用于绝大多数电压信号输入的应用场合。
[0051] 另外，相比图2b所示的电路，本实用新型中将前置放大器分成两级放大器(第一放 大器31和第二放大器33)，在第一放大器31和第二放大器33之间加入直流失调电压补偿单 元，可以通过配置两个放大器的增益，灵活实现前置放大器的总增益要求。相比于单个高增 益的放大器，采用两级放大结构可以有效降低对单个放大器线性输出摆幅的要求，从而降 低了放大器以及总体电路的设计难度，特别是在低电压供电情况。
[0052] 第二实施例
[0053]参照图4,放大电路40通过其输入端从信号源20接收输入信号Vin，该输入信号 Vin包括直流失调电压Vin_os和有效信号Vin_real。放大电路40包括:第一放大器41、第二 放大器43、第一开关S1、第二开关S2以及直流失调电压补偿单元。
[0054]第一放大器41为双端输入单端输出，第一放大器41具有第一输入端和第二输入 端，第一放大器41的第二输入端连接第一基准信号端，第一基准信号端用于提供第一参考 电压Vref 1。第一放大器31具有第一增益G1。
[0055]第一开关S1连接在第一放大器41的第一输入端和放大电路40的输入端之间。第二 开关S2连接在第一放大器41的第一输入端和第一基准信号端之间。
[0056]第二放大器43为双端输入单端输出，第二放大器43具有第一输入端和第二输入 端，第二放大器43的第二输入端连接第二基准信号端，第二基准信号端用于提供第二参考 电压Vref 2。第二放大器43的输出端被配置为放大电路40的输出端。第二放大器43具有第二 增益G2。
[0057] 直流失调电压补偿单元设置在第一放大器41和第二放大器43之间。直流失调电压 补偿单元包括:数模转换器45、第一电容C1、第二电容C2、第三开关S3以及第四开关S4。 [0058]第一电容C1设置在第一放大器41的输出端和第二放大器43的第一输入端之间。 [00 59]数模转换器45接收数字信号Din〈m: 1>产生模拟信号Vdag，该模拟信号Vdag可以通过 第二电容C2叠加于第二放大器43的第一输入端。所述模拟信号用于消除被第一放大器41放 大的输入信号中的直流失调电压以及补偿第二放大器43的输出失调电压。例如，放大电路 40包括估值单元，估值单元估算直流失调电压的大小。估值单元根据直流失调电压的大小 以及第二放大器43的输出失调电压的大小来产生数字信号Din〈m:l>。
[0060]第二电容C2的第一极板连接数模转换器45的输出端，第二电容C2的第二极板通过 第四开关S4连接第一电容C1和第二放大器43的第一输入端之间的中间节点m。
[0061 ]第一电容Cl和第二放大器43的第一输入端之间的中间节点m还通过第三开关S3 连接第二基准信号端。
[0062]放大电路40工作在第一模式和第二模式。在第一模式，第二开关S2和第三开关S3 闭合，第一开关S1和第四开关S4断开。在第二模式，第二开关S2和第三开关S3断开，第一开 关S1和第四开关S4闭合。
[0063]在工作中，放大电路40首先处于第一模式，第一放大器41的第一输入端和第二输 入端分别接收第一参考电压Vrefl，第一放大器41的输出端的电压为第一放大器41的输出 失调电压Vosl，第一电容C1和第二放大器43的输入端之间的中间节点m连接第二参考电压 Vref 2，此时第一电容C1存储的电荷为Cl*Vosl。之后，放大电路40处于第二模式，第一放大 器41的第一输入端接收输入信号Vin，第一放大器41的输出端的电压为Gl*Vin+Vosl，数模 转换器45的输出端的电压为Vdac，根据电荷守恒，在第二模式，第二放大器43的输入端的电 压为
[0064] 1
[0065]因此在第二放大器43的输入信号中不包括第一放大器41的输出失调电压Vos 1。进 一步，通过设置适当的数字信号Din〈m:l>，使得数模转换器45的输出信号VDAC能够抵消经第 一放大器41放大的输入信号中的直流失调电压以及补偿第二放大器43的输出失调电压 V〇S2，使得第二放大器43的输出信号仅为输入信号中的有效信号的放大信号。
[0066] 相比于图2a所示的电路，本实用新型的放大电路40在第一放大器41和第二放大器 43之间加入直流失调电压补偿单元，由于输入信号有了第一放大器41的增益G1，所以可以 采用精度更低的数模转换器。精度更低的数模转换器有利于采用更简单的电路，采用更小 的芯片面积和更低的功耗实现。而且因为输入端没有额外电路，测量电路的输入阻抗就是 第一放大器41的输入阻抗。例如，第一放大器41的输入为M0S管的栅极，那么输入阻抗就是 高阻抗，放大电路40就可以适用于绝大多数电压信号输入的应用场合。
[0067]另外，相比图2b所示的电路，本实用新型中将前置放大器分成两级放大器(第一放 大器41和第二放大器43)，在第一放大器41和第二放大器43之间加入直流失调电压补偿单 元，可以通过配置两个放大器的增益，灵活实现前置放大器的总增益要求。相比于单个高 增益的放大器，采用两级放大结构可以有效降低对单个放大器线性输出摆幅的要求，从而 降低了放大器以及总体电路的设计难度，特别是在低电压供电情况。
[0068] 第三实施例
[0069]参照图5,放大电路50为全差分电路，放大电路50通过其输入端从信号源接收输入 信号。
[0070]信号源为磁敏电阻电桥传感器，被测物理量通过敏感电阻R1至R4组成的电桥转换 为差分电压信号。信号源包括串联在偏置电压和地之间的电阻R1和电阻R3,串联在偏置电 压和地之间的电阻R2和电阻R4，电阻R1和电阻R3组成的支路和电阻R2和电阻R4组成的支路 并联。输入信号Vin为第一输入信号Vinl和第二输入信号Vin2的差分信号。
[0071]由于工艺偏差等原因，电阻R1至R4会存在较大的失配，导致输入信号Vin中存在较 大的直流失调电压Vin_os，而且由于工艺限制，敏感电阻的灵敏度一般较低，在弱信号检测 时产生的有用的有效信号Vin_real可能比直流失调电压Vin_os小的多，所以在测量有用信 号时，必须把输入信号Vin中的直流失调电压消除到可以忽略的程度。
[0072 ]放大电路50具有第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端。放大电路 50的第一输入端连接电阻R2和电阻R4的中间节点，接收第一输入信号Vinl，放大电路50的 第二输入端连接电阻R1和电阻R3的中间节点，接收第二输入信号Vin2。
[0073] 放大电路50包括:第一放大器51、第二放大器53、第五开关S5、第六开关S6、第七开 关S7、第八开关S8以及直流失调电压补偿单元。
[0074]第一放大器51为双端输入双端输出，第一放大器51具有第一输入端、第二输入端、 第一输出端以及第二输出端。第一放大器31具有第一增益G1。
[0075]第五开关S5连接在放大电路50的第一输入端和第一放大器51的第一输入端之间。 [0076]第六开关S6连接在第一基准信号端和第一放大器51的第一输入端之间。第一基准 信号端用于提供第一共模电压Vcoml。
[0077]第七开关S7连接在放大电路50的第二输入端和第一放大器51的第一输入端之 间。
[0078] 第八开关S8连接在第一基准信号端和第一放大器51的第二输入端之间。
[0079] 第二放大器53为双端输入双端输出，第二放大器53具有第一输入端、第二输入端、 第一输出端以及第二输出端。第二放大器53具有第二增益G2。第二放大器53的第一输出端 被配置为放大电路50的第一输出端，第二放大器53的第二输出端被配置为放大电路50的第 二输出端。第二放大器43具有第二增益G2。
[0080] 直流失调电压补偿单元设置在第一放大器51和第二放大器53之间。直流失调电压 补偿单元包括:数模转换器55、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电 容C7、第八电容C8、第^^一开关S11、第十二开关S12、第十三开关S13以及第十四开关S14。 [00 81 ]第三电容C3设置在第一放大器51的第一输出端和第二放大器53的第一输入端之 间。
[0082]第四电容C4设置在第一放大器51的第二输出端和第二放大器53的第二输入端之 间。
[0083]第九开关S9设置在第三电容C3与第二放大器53的第一输入端的中间节点和第二 基准信号端之间。第二基准信号端用于提供第二共模电压Vcom2。
[0084]第十开关S10设置在第四电容C4与第二放大器53的第二输入端的中间节点和第二 基准信号端之间。
[0085]数模转换器55接收数字信号Din〈m: 1>产生模拟信号Vdac，所述模拟信号Vdac用于消 除被第一放大器51放大的输入信号Vin中的直流失调电压以及第二放大器53的失调电压。 例如，放大电路50包括直流失调电压估值单元，直流失调电压估值单元用于估算直流失调 电压的大小，并根据直流失调电压的大小和第二放大器53的失调电压的大小产生数字信号 Din〈m: 1>。数模转换器55具有第一输出端和第二输出端，通过第一输出端输出第一模拟信 号，通过第二输出端输出第二模拟信号，所述第一模拟信号和第二模拟信号的大小相等，极 性相反。
[0086]第五电容C5的第一极板连接数模转换器55的第一输出端，第五电容C5的第二极 板通过第十一开关SI 1连接第三电容C3与第二放大器53的第一输入端的中间节点。
[0087]第六电容C6的第一极板连接数模转换器55的第二输出端，第六电容C6的第二极板 通过第十二开关S12连接第三电容C3与第二放大器53的第一输入端的中间节点。
[0088]第七电容C7的第一极板连接数模转换器55的第一输出端，第七电容C7的第二极板 通过第十三开关S13连接第四电容C4与第二放大器53的第二输入端的中间节点。
[0089]第八电容C8的第一极板连接数模转换器55的第二输出端，第八电容C8的第二极板 通过第十四开关S14连接第四电容C4与第二放大器53的第二输入端的中间节点。
[0090]放大电路50工作在第一模式和第二模式。
[0091]在第一模式，所述第六开关S6、第八开关S8、第九开关S9和第十开关S10闭合，第五 开关S5、第七开关S7、第十一开关S11、第十二开关S12、第十三开关S13以及第十四开关S14 断开。在第二模式，所述第六开关S6、第八开关S8、第九开关S9和第十开关S10断开，第五开 关S5、第七开关S7、第十一开关和第十三开关闭合、第十二开关和第十四开关断开或者第十 一开关和第十三开关断开、第十二开关和第十四开关闭合。优选地，在所述直流失调电压的 极性为正时，第十一开关和第十三开关闭合、第十二开关和第十四开关断开，所述直流失调 电压的极性为负时，第十一开关和第十三开关断开、第十二开关和第十四开关闭合。
[0092]在工作中，放大电路50首先处于第一模式，第一放大器51的第一输入端和第二输 入端分别接收第一共模电压Vcoml，第一放大器51的第一输出端和第二输出端输出的差分 信号为第一放大器51的输出失调电压Vos 1。
[0093]之后，放大电路50处于第二模式，第一放大器51的第一输入端接收第一输入信号 Vinl，第一放大器51的第二输入端接收第二输入信号Vin2,第一放大器31的第一输出端和 第二输出端之间的差分信号为61*(>;[111-'\^112)+￥081。在第二放大器53的差分输入信号中 不包括第一放大器51的输出失调电压Vosl。进一步，通过设置适当的数字信号Din〈m:l>， 使得数模转换器55的输出信号V DAC能够抵消经第一放大器51放大的输入信号中的直流失调 电压以及第二放大器53的输出失调电压Vos2。
[0094] 在上述实施例中的开关可以使用CMOS开关，放大器可以使用连续时间有限增益放 大器，电容可以使用Μ頂电容或者其他电容。
[0095] 本实用新型还提供一种信号放大方法，通过第一放大器和第二放大器对输入信号 进行两级放大，所述输入信号包括直流失调电压和有效信号，所述方法包括：
[0096] 在第一模式下，将第一放大器的配置为连接第一基准信号端，使得第一放大器的 输出端为其输出失调电压，并米样获取第一放大器的输出失调电压。
[0097] 在第二模式下，将第一放大器的配置为接收所述输入信号，通过设置于第一放大 器和第二放大器之间的直流失调电压补偿单元获取抵消信号并将该抵消信号与以第一增 益放大后的输入信号叠加以获得中间信号，并通过第二放大器以第二增益放大所述中间信 号，使得第二放大器输出输入信号的有效信号的放大信号。其中，所述抵消信号用于消除经 第一放大器放大后的输入信号中的直流失调电压，优选地，该抵消信号还用于补偿第二放 大器的输出失调电压。
[0098] 图6是应用本实用新型实施例的带有直流失调电压补偿功能的放大电路的传感信 号处理装置。如图6所示，所述传感信号处理装置包括传感器1、放大电路2、模数转换器3和 数字信号处理器4。
[0099] 传感器1用于感应物理量输出模拟检测信号。所述传感器为磁力计、加速度传感 器、温度传感器、湿度传感器中的至少一种。在一些实施例中，传感器包括磁敏电阻或压敏 电阻。
[0100] 放大电路2用于放大所述模拟检测信号。放大电路2为以上所有实施例所述的放大 电路。
[0101] 模数转换器3用于将放大后的模拟检测信号转换为数字检测信号。
[0102] 数字信号处理器4用于处理所述数字检测信号。
[0103] 由于应用了本实用新型实施例的带有直流失调电压补偿功能的放大电路，图6所 示的传感信号处理装置可以更加准确地获得和处理传感器检测的物理量。
[0104] 以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域 技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所 作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种放大电路，具有输入端和输出端，所述输入端接收输入信号，所述输入信号包括 直流失调电压和有效信号，所述输出端被配置为输出所述有效信号的放大信号，其特征在 于，所述放大电路包括： 第一放大器，所述第一放大器的输入端连接所述放大电路的输入端或第一基准信号 端； 第二放大器，所述第二放大器的输出端被配置为所述放大电路的输出端；以及 直流失调电压补偿单元，连接在所述第一放大器的输出端和第二放大器的输入端之 间， 其中，所述放大电路工作在第一模式和第二模式，在所述第一模式，所述第一放大器的 输入端连接所述第一基准信号端，所述直流失调电压补偿单元采样所述第一放大器的失调 电压，在所述第二模式，所述第一放大器的输入端连接放大电路的输入端，所述直流失调电 压补偿单元根据输入的数字信号补偿被第一放大器放大的输入信号中的直流失调电压以 及补偿所述第二放大器的失调电压。2. 根据权利要求1所述的放大电路，其特征在于，所述直流失调电压补偿单元包括： 第一电容，连接在所述第一放大器的输出端和第二放大器的输入端之间； 数模转换器，被配置为接收所述数字信号产生对应的模拟信号； 第二电容，所述第二电容的第一极板连接所述数模转换器的输出端， 其中，在所述第一模式，所述第二放大器的输入端与所述第一电容的中间节点连接第 二基准信号端，在所述第二模式，所述第二放大器的输入端与所述第一电容的中间节点连 接所述第二电容的第二极板，所述模拟信号通过第二电容叠加到第二放大器的输入端。3. 根据权利要求2所述的放大电路，其特征在于，所述放大电路还包括： 第一开关，连接在所述放大电路的输入端和所述第一放大器的输入端之间； 第二开关，连接在所述第一基准信号端和所述第一放大器的输入端之间； 所述直流失调电压补偿单元还包括:第三开关，连接在所述第二基准信号端和所述第 二放大器的输入端与所述第一电容的中间节点之间； 第四开关，连接在所述第二放大器的输入端与所述第一电容的中间节点和所述第二电 容的第二极板之间， 其中，在所述第一模式，所述第一开关和第四开关断开，所述第二开关和第三开关闭 合，在所述第二模式，所述第一开关和第四开关闭合，所述第二开关和第三开关断开。4. 根据权利要求3所述的放大电路，其特征在于，所述第一放大器具有第一输入端和第 二输入端，所述第一放大器的第二输入端连接第一基准信号端， 所述第一开关连接在所述第一放大器的第一输入端和所述放大电路的输入端之间； 所述第二开关连接在所述第一放大器的第一输入端和所述第一基准信号端之间； 所述第二放大器具有第一输入端和第二输入端，所述第二放大器的第二输入端连接所 述第二基准信号端； 所述第一电容连接在所述第一放大器的输出端和第二放大器的第一输入端之间； 所述第三开关连接在第二基准信号端和所述第一电容与所述第二放大器的第一输入 端的中间节点之间； 所述第四开关连接在所述第二电容的第二极板和所述第一电容与所述第二放大器的 第一输入端的中间节点之间。5. 根据权利要求1所述的放大电路，其特征在于，所述输入信号为差分信号，所述输入 信号包括第一输入信号和第二输入信号，所述放大电路具有第一输入端和第二输入端，所 述放大电路的第一输入端接收第一输入信号，所述放大电路的第二输入端接收第二输入信 号， 所述第一放大器具有第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端，所述第一 放大器的第一输入端连接所述放大电路的第一输入端或第一基准信号端，所述第一放大器 的第二输入端连接所述放大电路的第二输入端或第一基准信号端， 所述第二放大器具有第一输入端和第二输入端； 所述直流失调电压补偿单元包括： 第三电容，连接在所述第一放大器的第一输出端和第二放大器的第一输入端之间； 第四电容，连接在所述第一放大器的第二输出端和第二放大器的第二输入端之间； 数模转换器，具有第一输出端和第二输出端，所述数模转换器被配置为接收所述数字 信号，通过第一输出端输出第一模拟信号，通过第二输出端输出第二模拟信号，所述第一模 拟信号和第二模拟信号的大小相等，极性相反； 第五电容，所述第五电容的第一极板连接所述数模转换器的第一输出端， 第六电容，所述第六电容的第一极板连接所述数模转换器的第二输出端， 第七电容，所述第七电容的第一极板连接所述数模转换器的第一输出端， 第八电容，所述第八电容的第一极板连接所述数模转换器的第二输出端， 其中，在所述第一模式，第一放大器的第一输入端连接第一基准信号端，第一放大器的 第二输入端连接第一基准信号端，所述第三电容和第二放大器的第一输入端的中间节点连 接第二基准信号端，所述第四电容和第二放大器的第二输入端的中间节点连接第二基准信 号端， 在所述第二模式，第一放大器的第一输入端连接所述放大电路的第一输入端，第一放 大器的第二输入端连接所述放大电路的第二输入端，所述第三电容和第二放大器的第一输 入端的中间节点连接第五电容的第二极板或第六电容的第二极板，所述第四电容和第二 放大器的第二输入端的中间节点连接第七电容的第二极板或第八电容的第二极板。6. 根据权利要求5所述的放大电路，其特征在于，所述放大电路还包括： 第五开关，连接在放大电路的第一输入端和第一放大器的第一输入端之间； 第六开关，连接在第一放大器的第一输入端和第一基准信号端之间； 第七开关，连接在放大电路的第二输入端和第一放大器的第二输入端之间； 第八开关，连接在第一放大器的第二输入端和第一基准信号端之间； 第九开关，连接在第三电容与第二放大器的第一输入端的中间节点和第二基准信号端 之间； 第十开关，连接在第四电容与第二放大器的第二输入端的中间节点和第二基准信号端 之间； 第十一开关，连接在第五电容的第二极板和第三电容与第二放大器的第一输入端的中 间节点之间； 第十二开关，连接在第六电容的第二极板和第三电容与第二放大器的第一输入端的中 间节点之间； 第十三开关，连接在第七电容的第二极板和第四电容与第二放大器的第二输入端的中 间节点之间；以及 第十四开关，连接在第八电容的第二极板和第四电容与第二放大器的第二输入端的中 间节点之间， 其中，在第一模式，所述第六开关、第八开关、第九开关和第十开关闭合，所述第五、第 七、第十一、第十二、第十三以及第十四开关断开，在第二模式，所述第六开关、第八开关、第 九开关和第十开关断开，所述第五开关、第七开关闭合，第十一开关和第十三开关闭合、第 十二开关和第十四开关断开或第十一开关和第十三开关断开、第十二开关和第十四开关闭 合。7. 根据权利要求6所述的放大电路，其特征在于，所述直流失调电压的极性为正时，第 十一开关和第十三开关闭合、第十二开关和第十四开关断开，所述直流失调电压的极性为 负时，第十一开关和第十三开关断开、第十二开关和第十四开关闭合。8. -种传感信号处理装置，其特征在于，包括： 传感器，用于感应物理量输出模拟检测信号； 放大电路，用于放大所述模拟检测信号； 模数转换器，用于将放大后的模拟检测信号转换为数字检测信号；以及 数字信号处理器，用于处理所述数字检测信号； 其中，所述放大电路为如权利要求1 -7中任一项所述的放大电路。9. 根据权利要求8所述的传感信号处理装置，其特征在于，所述传感器为磁力计、加速 度传感器、温度传感器、湿度传感器中的至少一种。10. 根据权利要求8所述的传感信号处理装置，其特征在于，所述传感器包括磁敏电阻 或压敏电阻。
【文档编号】H03F3/20GK205509991SQ201521141302
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年12月31日
【发明人】李石亮, 周小爽, 胡铁刚, 葛康康
【申请人】杭州士兰微电子股份有限公司