自稳零运算放大器的制作方法

1.本公开的实施例涉及集成电路技术领域，具体地，涉及自稳零运算放大器。


背景技术：

2.目前，对于高精度的信号检测领域，一般都要求放大器具有很低的失调电压，并且在一定信号带宽(《khz)内具有较低的噪声特性，常用的方法是斩波技术和自稳零技术。
3.斩波技术是一种调制技术，可以将低频噪声和失调电压调制到斩波频率处，但是，斩波频率处噪声能量很高，为了消除这个影响，通常需要加低通滤波电路。自稳零技术是一种采样技术，是先将失调电压和低频噪声采样，然后在下一个时钟周期减掉，从而实现失调电压的消除，但是会造成热噪声的混叠，增加低频噪声，为了降低低频噪声需要增大采样电容和功耗。综上，目前对于实现具有很低的失调电压并在一定信号带宽内具有较低的噪声特性的放大器的解决方案会增加电路面积和功耗。


技术实现要素：

4.本文中描述的实施例提供了自稳零运算放大器，为了提供一种具有很低的失调电压并在一定信号带宽内具有较低的噪声特性的放大器。
5.根据本公开的第一方面，提供了一种自稳零运算放大器，所述自稳零运算放大器包括：四个斩波器，两个第一级放大器，第二级放大器，两个调零放大器，四个存储电容，六个开关，其中，通过对所述六个开关的开合设置，输入信号交替性的通过第一个斩波器和第三个斩波器进行信号调制，通过第一个斩波器的输入信号会通过第一个第一级放大器进行放大，放大后再通过第二个斩波器进行信号的解调，解调后再通过所述第二级放大器输出，通过第三个斩波器的输入信号会通过第二个第一级放大器进行放大，放大后再通过第四个斩波器进行信号的解调，解调后再通过所述第二级放大器输出；所述输入信号为低频差分信号；第一个调零放大器交替性的将所述第一个第一级放大器的失调电压通过第一个存储电容和第二个存储电容进行存储和抵消，第二个调零放大器交替性的将所述第二个第一级放大器的失调电压通过第三个存储电容和第四个存储电容进行存储和抵消；所述第二个斩波器和所述第四个斩波器交替性的将所述自稳零运算放大器在自稳零采样过程中的低频混叠噪声调制到斩波频率处。
6.可选的，所述第一个斩波器的输入端连接输入信号，所述第一个斩波器的两个输出端分别连接所述第一个第一级放大器的正相输入端和反相输入端，所述第一个第一级放大器的正相输出端依次连接所述第二个斩波器、第二个开关后与所述第一个调零放大器的正相输入端连接，所述第一个第一级放大器的反相输出端依次连接所述第二个斩波器、第三个开关后与所述第一个调零放大器的反相输入端连接，所述第一个调零放大器的正相输出端和反相输出端分别反馈连接所述第一个第一级放大器的反相输出端和正相输出端，第一个开关的一端连接在所述第一个斩波器的一个输出端与所述第一个第一级放大器的正相输入端之间，所述第一个开关的另一端连接在所述第一个斩波器的另一个输出端与所述
第一个第一级放大器的反相输入端之间，所述第一个存储电容、所述第二个存储电容的一端接地，所述第一个存储电容的另一端连接在所述第二个开关和所述第一个调零放大器的正相输入端之间，所述第二个存储电容的另一端连接在所述第三个开关和所述第一个调零放大器的反相输入端之间；所述第三个斩波器的输入端连接输入信号，所述第三个斩波器的两个输出端分别连接所述第二个第一级放大器的正相输入端和反相输入端，所述第二个第一级放大器的正相输出端依次连接所述第四个斩波器、第五个开关后与所述第二个调零放大器的正相输入端连接，所述第二个第一级放大器的反相输出端依次连接所述第四个斩波器、第六个开关后与所述第二个调零放大器的反相输入端连接，所述第二个调零放大器的正相输出端和反相输出端分别反馈连接所述第二个第一级放大器的反相输出端和正相输出端，第四个开关的一端连接在所述第三个斩波器的一个输出端与所述第二个第一级放大器的正相输入端之间，所述第四个开关的另一端连接在所述第三个斩波器的另一个输出端与所述第二个第一级放大器的反相输入端之间，所述第三个存储电容、所述第四个存储电容的一端接地，所述第三个存储电容的另一端连接在所述第五个开关和所述第二个调零放大器的正相输入端之间，所述第四个存储电容的另一端连接在所述第六个开关和所述第二个调零放大器的反相输入端之间；第二级放大器的输出端为信号输出端，所述第二级放大器的正相输入端分别连接在所述第二个斩波器的一个输出端与所述第二个开关之间、所述第四个斩波器的一个输出端与所述第五个开关之间，所述第二级放大器的反相输入端分别连接在所述第二个斩波器的另一个输出端与所述第三个开关之间、所述第四个斩波器的另一个输出端与所述第六个开关之间，所述第二级放大器的输出端连接补偿电容后反馈连接到所述第二级放大器的反相输入端。
7.可选的，所述第一个开关、所述第二个开关、所述第三个开关的时钟控制信号为第一时钟信号，所述第四个开关、所述第五个开关、所述第六个开关的时钟控制信号为第二时钟信号，所述第一时钟信号和所述第二时钟信号为两相不交叠的时钟信号。
8.可选的，所述第一个斩波器、所述第二个斩波器的时钟控制信号为第三时钟信号，所述第三个斩波器、所述第四个斩波器的时钟控制信号为第四时钟信号，所述第三时钟信号、所述第四时钟信号、所述第一时钟信号、所述第二时钟信号的周期相同，所述第一时钟信号和所述第四时钟信号同时到来，所述第一时钟信号的持续时长为所述第四时钟信号的持续时长的两倍，所述第二时钟信号和所述第三时钟信号同时到来，所述第二时钟信号的持续时长为所述第三时钟信号的持续时长的两倍。
9.可选的，存储在所述第一个存储电容和所述第二个存储电容上的电压的差值等于所述第一个第一级放大器的跨导乘以所述第一个第一级放大器的失调电压再除以所述第一个调零放大器的跨导；存储在所述第三个存储电容和所述第四个存储电容上的电压的差值等于所述第二个第一级放大器的跨导乘以所述第二个第一级放大器的失调电压再除以所述第二个调零放大器的跨导。
10.可选的，所述第一个第一级放大器的跨导大于所述第一个调零放大器的跨导；所述第二个第一级放大器的跨导大于所述第二个调零放大器的跨导。
11.可选的，所述第一个第一级放大器的跨导为所述第一个调零放大器的跨导的十倍；所述第二个第一级放大器的跨导为所述第二个调零放大器的跨导的十倍。
12.可选的，所述第一存储电容、第二存储电容、第三存储电容、第四存储电容的电容
范围为大于等于10皮法且小于等于20皮法。
13.可选的，所述输入信号为高精度传感器信号。
14.根据本公开的第二方面，提供了一种增益可调放大器，所述增益可调放大器包括上述第一方面中任意一项所述的自稳零运算放大器、外接电阻，所述自稳零运算放大器与所述不同阻值的外接电阻相连进行增益的调节。
15.本公开的实施例的自稳零运算放大器，包括：四个斩波器，两个第一级放大器，第二级放大器，两个调零放大器，四个存储电容，六个开关，其中，通过对六个开关的开合设置，输入信号交替性的通过第一个斩波器和第三个斩波器进行信号调制，通过第一个斩波器的输入信号会通过第一个第一级放大器进行放大，放大后再通过第二个斩波器进行信号的解调，解调后再通过第二级放大器输出，通过第三个斩波器的输入信号会通过第二个第一级放大器进行放大，放大后再通过第四个斩波器进行信号的解调，解调后再通过第二级放大器输出；输入信号为低频差分信号；第一个调零放大器交替性的将第一个第一级放大器的失调电压通过第一个存储电容和第二个存储电容进行存储和抵消，第二个调零放大器交替性的将第二个第一级放大器的失调电压通过第三个存储电容和第四个存储电容进行存储和抵消；第二个斩波器和第四个斩波器交替性的将自稳零运算放大器在自稳零采样过程中的低频混叠噪声调制到斩波频率处。可以看出，本公开实施例中的自稳零运算放大器是同时采用了自稳零技术和斩波技术，在自稳零技术的基础上，使用斩波技术将低频混叠噪声调制到斩波频率处，从而获得直流到斩波频率范围内都很低的噪声特性，并且不需要额外的滤波电路，而且自稳零使用了乒乓架构，可以不需要很大的片外电容。因此，相比于现有的解决方案面积更小，功耗更低。
附图说明
16.为了更清楚地说明本公开的实施例的技术方案，下面将对实施例的附图进行简要说明，应当知道，以下描述的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制，其中：
17.图1是根据本公开的实施例的自稳零运算放大器的示例性电路图；
18.图2是根据本公开的实施例的开关和斩波器对应的时序图。
19.附图中的元素是示意性的，没有按比例绘制。
具体实施方式
20.为了使本公开的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本公开的实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，也都属于本公开保护的范围。
21.除非另外定义，否则在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开主题所属领域的技术人员所通常理解的相同含义。进一步将理解的是，诸如在通常使用的词典中定义的那些的术语应解释为具有与说明书上下文和相关技术中它们的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的形式来解释，除非在此另外明确定义。如在此所使用的，将两个或更多部分“连接”或“耦接”到一起的陈述应指这些部分直接结合到一起或通过
一个或多个中间部件结合。
22.在本公开的所有实施例中，另外，诸如“第一”和“第二”的术语仅用于将一个部件(或部件的一部分)与另一个部件(或部件的另一部分)区分开。
23.首先，需要说明的是，在本公开实施例中自稳零运算放大器是一种使用斩波技术来降低低频混叠噪声的ping-pang(乒乓)自稳零运算放大器。低频混叠噪声主要是由于采样频率和带宽之间的差别引起的，具体的本公开实施例针对的输入信号是低频(kb级别)的输入信号，与热噪声的带宽频率(gb级别的)相差很大，这样在采样时，高频的热噪声会混叠到低频。本公开实施例的自稳零运算放大器具体是结合了斩波技术和自稳零技术优点，其中，采样ping-pang结构的自稳零技术，无需很大的片外电容，并且在自稳零技术的基础上，使用斩波技术将低频混叠噪声调制到斩波频率处，从而获得直流到斩波频率范围内都很低的噪声特性，并且不需要额外的滤波电路。下面结合具体的电路结构进行详细说明。
24.图1示出了一种自稳零运算放大器10的示例性电路图。在图1的示例中，自稳零运算放大器10包括：四个斩波器，两个第一级放大器，第二级放大器，两个调零放大器，四个存储电容，六个开关，其中，主体结构是由六个开关s1、s2、s3、s4、s5、s6，两个第一级放大器(a1、a2)也是输入级，一个第二级放大器a0也是输出级，以及两个调零放大器(a3、a4)组成的ping-pang自稳零放大器。四个斩波器(ch1、ch2、ch3、ch4)是为了消除自稳零技术带来的低频噪声的增加。
25.具体的，如图1所示，第一个斩波器ch1的输入端连接输入信号(inn、inp)，第一个斩波器ch1的两个输出端分别连接第一个第一级放大器a1的正相输入端和反相输入端，第一个第一级放大器a1的正相输出端依次连接第二个斩波器ch2、第二个开关s2后与第一个调零放大器a3的正相输入端连接，第一个第一级放大器a1的反相输出端依次连接第二个斩波器ch2、第三个开关s3后与第一个调零放大器a3的反相输入端连接，第一个调零放大器a3的正相输出端和反相输出端分别反馈连接第一个第一级放大器a1的反相输出端和正相输出端，第一个开关s1的一端连接在第一个斩波器ch1的一个输出端与第一个第一级放大器a1的正相输入端之间，第一个开关s1的另一端连接在第一个斩波器ch1的另一个输出端与第一个第一级放大器a1的反相输入端之间，第一个存储电容c1、第二个存储电容c2的一端接地，第一个存储电容c1的另一端连接在第二个开关s2和第一个调零放大器a3的正相输入端之间，第二个存储电容c2的另一端连接在第三个开关s3和第一个调零放大器a3的反相输入端之间；第三个斩波器ch3的输入端连接输入信号，第三个斩波器ch3的两个输出端分别连接第二个第一级放大器a2的正相输入端和反相输入端，第二个第一级放大器a2的正相输出端依次连接第四个斩波器ch4、第五个开关s5后与第二个调零放大器a4的正相输入端连接，第二个第一级放大器a2的反相输出端依次连接第四个斩波器ch4、第六个开关s6后与第二个调零放大器a4的反相输入端连接，第二个调零放大器a4的正相输出端和反相输出端分别反馈连接第二个第一级放大器a2的反相输出端和正相输出端，第四个开关s4的一端连接在第三个斩波器ch3的一个输出端与第二个第一级放大器a2的正相输入端之间，第四个开关s4的另一端连接在第三个斩波器ch3的另一个输出端与第二个第一级放大器a2的反相输入端之间，第三个存储电容c3、第四个存储电容c4的一端接地，第三个存储电容c3的另一端连接在第五个开关s5和第二个调零放大器a4的正相输入端之间，第四个存储电容c4的另一端连接在第六个开关s6和第二个调零放大器a4的反相输入端之间；第二级放大器a0的输出
端为信号输出端(v
out
)，第二级放大器a0的正相输入端分别连接在第二个斩波器ch2的一个输出端与第二个开关s2之间、第四个斩波器ch4的一个输出端与第五个开关s5之间，第二级放大器a0的反相输入端分别连接在第二个斩波器ch2的另一个输出端与第三个开关s3之间、第四个斩波器ch4的另一个输出端与第六个开关s6之间，第二级放大器a0的输出端连接补偿电容c0后反馈连接到第二级放大器a0的反相输入端。
26.结合图1的电路图，通过对六个开关的开合设置，差分输入信号交替性的通过第一个斩波器ch1和第三个斩波器ch3进行信号调制，通过第一个斩波器ch1的输入信号会通过第一个第一级放大器a1进行放大，放大后再通过第二个斩波器ch2进行信号的解调，解调后再通过第二级放大器a0输出，通过第三个斩波器ch3的输入信号会通过第二个第一级放大器a2进行放大，放大后再通过第四个斩波器ch4进行信号的解调，解调后再通过第二级放大器a0输出；输入信号为低频差分信号；第一个调零放大器a3交替性的将第一个第一级放大器a1的失调电压通过第一个存储电容c1和第二个存储电容c2进行存储和抵消，第二个调零放大器a4交替性的将第二个第一级放大器a2的失调电压通过第三个存储电容c3和第四个存储电容c4进行存储和抵消；第二个斩波器ch2和第四个斩波器ch4交替性的将自稳零运算放大器在自稳零采样过程中的低频混叠噪声调制到斩波频率处。
27.在本公开实施例中，对于六个开关的开合设置，具体参见图2提供的开关的时序图。具体的，第一个开关s1、第二个开关s2、第三个开关s3的时钟控制信号为第一时钟信号φ1，第四个开关s4、第五个开关s5、第六个开关s6的时钟控制信号为第二时钟信号φ2，第一时钟信号φ1和第二时钟信号φ2为两相不交叠的时钟信号。另外，四个斩波器也需要时钟控制，具体的四个斩波器的时序图，如图2所示，第一个斩波器ch1、第二个斩波器ch2的时钟控制信号为第三时钟信号φ3，第三个斩波器ch3、第四个斩波器ch4的时钟控制信号为第四时钟信号φ4，第三时钟信号φ3、第四时钟信号φ4、第一时钟信号φ1、第二时钟信号φ2的周期相同，第一时钟信号φ1和第四时钟信号φ4同时到来，第一时钟信号φ1的持续时长为第四时钟信号φ4的持续时长的两倍，第二时钟信号φ2和第三时钟信号φ3同时到来，第二时钟信号φ2的持续时长为第三时钟信号φ3的持续时长的两倍。
28.结合图1的电路图和图2的时序图，对本公开实施例中的自稳零运算放大器的工作原理进行进一步的说明。当开关s1、s2、s3为高电平时，输入级a1的输入端短接，其输出端接到a3的输入端，而a3的输出端反馈回a1的输出端，这样a1的失调电压(输入失调电压)被存储在存储电容c1，c2上，以便下一个周期减掉，当开关s1、s2、s3为高电平时，s4、s5、s6为低电平，a2，a4，a0构成放大器电路(其中信号的放大是主要是由a2，a0负责，a4的作用是调零，即进行失调电压的消除)，对输入信号进行正常放大，同时a2的失调电压(输入失调电压)也被上一周期存储在c3，c4中的a2的失调电压抵消掉；同理，当开关s4、s4、s6为高电平时，输入级a2的输入端短接，其输出端接到a4的输入端，而a4的输出端反馈回a2的输出端，这样a2的失调电压(输入失调电压)被存储在存储电容c3，c4上，以便下一个周期减掉，当开关s4、s5、s6为高电平时，s1、s2、s3为低电平，a1，a3，a0构成放大器电路(其中信号的放大是主要是由a1，a0负责，a3的作用是调零，即进行失调电压的消除)，对输入信号进行正常放大，同时a1的失调电压(输入失调电压)也被上一周期存储在c1，c2中的a1的失调电压抵消掉。这样就实现了连续时间的ping-pang自稳零放大器，并且不需要很大的片外电容。根据图2中的斩波器的时序图，四个斩波器，其中ch1和ch2的时钟信号相同，在开关s1、s2、s3为低电平
时，ch1和ch2工作，输入信号经过ch1、ch2分别进行调制和解调；同理ch3和ch4的时钟信号相同，在开关s4、s5、s6为低电平时，ch3和ch4工作，输入信号经过ch3、ch4分别进行调制和解调；消除低频混叠噪声主要是由ch2和ch4实现的，另外，从图2可以看得到斩波的频率是自稳零频率的两倍，因此低频的混叠噪声将被调制到斩波频率处，从而得到从直流到斩波频率处都很低的噪声能量特性。又由于自稳零技术已经消除了绝大部分的噪声能量，因此这里被调制到斩波频率处的噪声能量也比较低，从而可以不用额外的低通滤波器。
29.另外，需要说明的是，存储在第一个存储电容c1和第二个存储电容c2上的电压的差值等于第一个第一级放大器a1的跨导乘以第一个第一级放大器a1的失调电压再除以第一个调零放大器a3的跨导，给出具体的示例进行说明：假设a1的失调电压为v
os1
，则c1，c2上存储的电压的差值为：(g
m1
*v
os1
)/g
m3
，其中g
m1
，g
m3
为a1，a3的跨导。
30.同理，存储在第三个存储电容c3和第四个存储电容c4上的电压的差值等于第二个第一级放大器a2的跨导乘以第二个第一级放大器a2的失调电压再除以第二个调零放大器a4的跨导，给出具体的示例进行说明：假设a2的失调电压为v
os2
，则c3，c4上存储的电压的差值为：(g
m2
*v
os2
)/g
m4
，其中g
m2
，g
m4
为a2，a4的跨导。
31.进一步还需要说明的是，为了使存储在存储电容上的电容更准，保证精度，则需要满足第一个第一级放大器a1的跨导大于第一个调零放大器a3的跨导；同理，第二个第一级放大器a2的跨导大于第二个调零放大器a4的跨导。优选的，第一个第一级放大器a1的跨导为第一个调零放大器a3的跨导的十倍；第二个第一级放大器a2的跨导为第二个调零放大器a4的跨导的十倍。
32.在本公开实施例中，为了防止漏电过多以及电路面积增大，对于第一存储电容、第二存储电容、第三存储电容、第四存储电容的电容值不能过小也不能过大，优选的本实施例中四个存储电容的电容范围为大于等于10皮法且小于等于20皮法。
33.基于上述对本公开实施例的自稳零放大器的说明，本公开实施例适用于输入信号为高精度、低频率的传感器信号。具体的应用可以为压力传感器、温度传感器等需要精准电流感应的放大器的应用中。
34.综上，根据本公开的实施例的自稳零运算放大器，使用斩波技术来降低低频混叠噪声，不需要额外的低通滤波器，不需要很大的片外电容，面积更小。
35.根据本公开的第二方面，还提供了一种增益可调放大器，增益可调放大器包括上述图1的自稳零运算放大器10、以及外接电阻，自稳零运算放大器与不同阻值的外接电阻(外接电阻是相对于自稳零运算放大器的外部电阻)相连进行增益的调节。图1的自稳零运算放大器与仪表放大器不同，仪表放大器有固定增益，但是本公开实施例中的自稳零运算放大器是需要配合外接电阻使用的，这样用户可以根据自身的需求来进行增益的配置，非常灵活。
36.附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的装置和方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每
个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
37.除非上下文中另外明确地指出，否则在本文和所附权利要求中所使用的词语的单数形式包括复数，反之亦然。因而，当提及单数时，通常包括相应术语的复数。相似地，措辞“包含”和“包括”将解释为包含在内而不是独占性地。同样地，术语“包括”和“或”应当解释为包括在内的，除非本文中明确禁止这样的解释。在本文中使用术语“示例”之处，特别是当其位于一组术语之后时，所述“示例”仅仅是示例性的和阐述性的，且不应当被认为是独占性的或广泛性的。
38.适应性的进一步的方面和范围从本文中提供的描述变得明显。应当理解，本公开的各个方面可以单独或者与一个或多个其它方面组合实施。还应当理解，本文中的描述和特定实施例旨在仅说明的目的并不旨在限制本公开的范围。
39.以上对本公开的若干实施例进行了详细描述，但显然，本领域技术人员可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下对本公开的实施例进行各种修改和变型。本公开的保护范围由所附的权利要求限定。