一种用于电容耦合斩波放大器的纹波消除环路

摘要

本发明公开了一种用于电容耦合斩波放大器的纹波消除环路，其通过将斩波放大器输出电压纹波转换为交流电流信号，并将其调制为直流电流信号，通过积分模块对直流电流信号积分得到积分电压，由跨导模块转换为补偿电流从而补偿斩波放大器的失调电压，抑制斩波放大器的输出电压纹波。此外，本发明通过在纹波消除环路中利用高频斩波技术和Ping‑Pong自调零技术结合极大地抑制了积分模块失调电压，从而能得到准确的积分电压，形成准确的补偿电流抑制斩波放大器中主放大器的失调电流，得到很好的斩波放大器输出电压纹波抑制效果。

说明书

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种用于电容耦合斩波放大器的纹波消除环路。

背景技术

不论在模拟电路还是数字电路中，放大是一个基本的功能。信号常常需要被放大从而去驱动后级负载，克服后级噪声或是为数字电路提供逻辑电平。因此，模拟放大器是模拟和数字电路中必不可少的组成部分。放大器同时也被广泛地运用在反馈系统中。

目前，斩波技术被广泛运用于模拟放大器中，其功能在于能够将放大器的闪烁噪声和失调电压调制到较高频率，并对其进行滤除，减小放大器的噪声和失调；电容由于其匹配精度高，无需占用额外的静态电流，被较多地使用在低功耗放大器的反馈环路中。斩波技术和电容耦合的结合使用，可以使得放大器具有较低的噪声水平、静态功耗，较高的增益精度、共模抑制比等，同时能够实现对电压的轨到轨检测。电容耦合斩波放大器就是斩波技术和电容耦合技术结合使用的一种放大器，因其容易实现高共模抑制比、低噪声、低功耗和轨到轨的输入共模电压范围，从而被广泛地运用在各类信号采集系统中，如生物医疗信号等。

然而，电容耦合斩波放大器由于斩波器的使用，放大器的等效输入失调电压会被斩波为频率在斩波频率的失调电流交流信号，在后级放大器的密勒电容上积分形成输出电压纹波。假使主放大器的失调电压为10mV，主放大器的跨导为10uS，密勒电容为10pF，斩波频率为10kHz，将在放大器输出端造成幅值大约500mV的输出电压纹波，这将对输出的波形产生很大的干扰。

现有技术中主要有两种方式对电容耦合斩波放大器的输出电压纹波进行消除。第一种方式是通过在电容耦合斩波放大器后接低通滤波器的方式消除输出电压纹波，这种方式使得斩波放大器的斩波频率必须是低通滤波器截止频率的上百倍才能得到较好的纹波消除效果。通常情况下，电容耦合斩波放大器的斩波频率是几十kHz，所以低通滤波器的截止频率要低于1kHz，低通滤波器要实现低于1kHz的截止频率，在模拟集成电路中电容和电阻会消耗需要比较大的芯片面积；另一方面，由于低通滤波器的截止频率要低于1kHz，这会限制斩波放大器适用的信号范围。

第二种方式是通过将电容耦合斩波放大器输出电压纹波转换为交流电流信号，斩波器将交流电流信号调制为直流电流信号，通过积分器对直流电流信号进行积分得到积分电压，而后通过跨导将积分电压转换为电流补偿斩波放大器主放大器的失调，从而达到减小斩波放大器输出电压纹波的效果。但是，由于积分器失调电压的存在，通过跨导形成的补偿电流往往不能准确地补偿斩波放大器的失调，对斩波放大器输出电压纹波不能形成很好的抑制效果。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种用于电容耦合斩波放大器的纹波消除环路，通过将输出电压纹波转化为交流电流信号，并将其调制为直流电流信号并积分形成积分电压，进而通过Ping-Pong自调零技术和高频斩波技术的结合使用，使得失调电压被有效的抑制，从而可以形成准确的积分电压，经转换为电流后能够准确地补偿斩波器主放大器失调，最终达到更好的输出电压纹波抑制效果。

一种用于电容耦合斩波放大器的纹波消除环路，包括：

微分模块，用于对斩波放大器输出的差分电压信号进行微分处理，将其中的纹波转换为差分的方波电流信号；

低频斩波器，用于对差分的方波电流信号进行调制，得到差分的直流电流信号；该低频斩波器与斩波放大器的斩波频率相同；

低失调积分模块，用于对差分的直流电流信号进行积分处理，在积分处理过程中引入高频斩波调制技术和自调零技术，从而得到低失调的差分直流电压信号；

跨导模块，用于将低失调的差分直流电压信号转换为低失调的差分直流电流信号，用以对斩波放大器中的主放大器进行失调校准。

所述微分模块由两个微分电容C_s1～C_s2组成；其中，微分电容C_s1的一端接斩波放大器输出的一路差分电压信号，微分电容C_s2的一端接斩波放大器输出的另一路差分电压信号，微分电容C_s1的另一端与低频斩波器的第一输入端相连，微分电容C_s2的另一端与低频斩波器的第二输入端相连。

所述低频斩波器由四个CMOS传输门M₁～M₄组成；其中，CMOS传输门M₁的输入端与CMOS传输门M₃的输入端相连并作为低频斩波器的第一输入端，CMOS传输门M₁的输出端与CMOS传输门M₂的输出端相连并作为低频斩波器的第一输出端，CMOS传输门M₂的输入端与CMOS传输门M₄的输入端相连并作为低频斩波器的第二输入端，CMOS传输门M₃的输出端与CMOS传输门M₄的输出端相连并作为低频斩波器的第二输出端，CMOS传输门M₁的第一控制端、CMOS传输门M₂的第二控制端、CMOS传输门M₃的第二控制端以及CMOS传输门M₄的第一控制端均接外部提供的开关信号Φ_b，CMOS传输门M₁的第二控制端、CMOS传输门M₂的第一控制端、CMOS传输门M₃的第一控制端以及CMOS传输门M₄的第二控制端均接外部提供的开关信号Φ，开关信号Φ_b与开关信号Φ相位互补。

所述低失调积分模块包括两个积分电容C_int1～C_int2、滤波电容C_r、高频斩波器CH、Ping自调零放大器和Pong自调零放大器；其中，高频斩波器CH的第一输入端与低频斩波器的第一输出端以及积分电容C_int1的一端相连，高频斩波器CH的第二输入端与低频斩波器的第二输出端以及积分电容C_int2的一端相连，高频斩波器CH的第一输出端与Ping自调零放大器的正相输入端以及Pong自调零放大器的正相输入端相连，高频斩波器CH的第二输出端与Ping自调零放大器的反相输入端以及Pong自调零放大器的反相输入端相连，Ping自调零放大器的正相输出端与Pong自调零放大器的正相输出端、积分电容C_int1的另一端、滤波电容C_r的一端以及跨导模块的反相输入端相连，Ping自调零放大器的反相输出端与Pong自调零放大器的反相输出端、积分电容C_int2的另一端、滤波电容C_r的另一端以及跨导模块的正相输入端相连。

所述Ping自调零放大器和Pong自调零放大器的结构相同，其具体结构包括七个开关S₁～S₇、十二个PMOS管P₁～P₁₂、九个NMOS管N₁～N₉、两个高频斩波器CH₁～CH₂以及调零电容C_az；其中，PMOS管P₁～P₄的源极共连并接电源电压VDD，PMOS管P₁～P₄的栅极共连并接外部提供的偏置电压Vb₁，PMOS管P₁的漏极与PMOS管P₅的源极以及PMOS管P₆的源极相连，PMOS管P₂的漏极与高频斩波器CH₁的第一输入端相连，PMOS管P₃的漏极与高频斩波器CH₁的第二输入端相连，PMOS管P₄的漏极与PMOS管P₉～P₁₂的源极共连，PMOS管P₅的栅极与开关S₄的一端以及调零电容C_az的一端相连，PMOS管P₆的栅极与开关S₅的一端以及调零电容C_az的另一端相连，PMOS管P₅的漏极与高频斩波器CH₁的第一输出端、PMOS管P₇的源极以及NMOS管N₁的漏极相连，PMOS管P₆的漏极与高频斩波器CH₁的第二输出端、PMOS管P₈的源极以及NMOS管N₂的漏极相连，开关S₄的另一端与PMOS管P₈的漏极、NMOS管N₄的漏极、PMOS管P₁₂的栅极以及开关S₆的一端相连，开关S₆的另一端作为Ping自调零放大器或Pong自调零放大器的反相输出端，开关S₅的另一端与PMOS管P₇的漏极、NMOS管N₃的漏极、PMOS管P₉的栅极以及开关S₇的一端相连，开关S₇的另一端作为Ping自调零放大器或Pong自调零放大器的正相输出端，开关S₄和S₅的控制极均接外部提供的开关信号Φ_Z，开关S₆和S₇的控制极均接外部提供的开关信号Φ_O，NMOS管N₁的栅极与开关S₁的一端以及开关S₃的一端相连，NMOS管N₂的栅极与开关S₂的一端以及开关S₃的另一端相连，开关S₁的另一端作为Ping自调零放大器或Pong自调零放大器的反相输入端，开关S₂的另一端作为Ping自调零放大器或Pong自调零放大器的正相输入端，开关S₁和S₂的控制极均接外部提供的开关信号Φ_A，开关S₃的控制极接外部提供的开关信号Φ_Z，NMOS管N₁的源极与NMOS管N₂的源极以及NMOS管N₅的漏极相连，PMOS管P₇的栅极与PMOS管P₈的栅极相连并接外部提供的偏置电压Vb₄，NMOS管N₃的栅极与NMOS管N₄的栅极相连并接外部提供的偏置电压Vb₅，NMOS管N₅的栅极接外部提供的偏置电压Vb₆，NMOS管N₃的源极与高频斩波器CH₂的第一输入端相连，NMOS管N₄的源极与高频斩波器CH₂的第二输入端相连，高频斩波器CH₂的第一输出端与NMOS管N₆的漏极相连，高频斩波器CH₂的第二输出端与NMOS管N₇的漏极相连，NMOS管N₆的栅极与NMOS管N₇的栅极、NMOS管N₈的栅极、NMOS管N₈的漏极、PMOS管P₁₀的漏极以及PMOS管P₁₁的漏极相连，NMOS管N₅的源极与NMOS管N₆的源极、NMOS管N₇的源极、NMOS管N₈的源极以及NMOS管N₉的源极相连并接地GND，PMOS管P₁₀的栅极与PMOS管P₁₁的栅极相连并接外部提供的偏置电压V_ref，PMOS管P₉的漏极与NMOS管N₉的栅极、NMOS管N₉的漏极以及PMOS管P₁₂的漏极相连；所述开关信号Φ_Z与开关信号Φ_O相位互补。

所述Ping自调零放大器在开关信号Φ_Z时钟相位中对自身的失调电压进行调零校准，在开关信号Φ_O时钟相位中对两路输入信号进行放大后输出；所述Pong自调零放大器在开关信号Φ_Z时钟相位中对自身的失调电压进行调零校准，在开关信号Φ_O时钟相位中对两路输入信号进行放大后输出；Ping自调零放大器中的开关信号Φ_Z与Pong自调零放大器中的开关信号Φ_O相位一致。

所述高频斩波器CH、CH₁和CH₂的结构相同，其具体结构由四个CMOS传输门M₅～M₈组成；其中，CMOS传输门M₅的输入端与CMOS传输门M₇的输入端相连并作为高频斩波器的第一输入端，CMOS传输门M₅的输出端与CMOS传输门M₆的输出端相连并作为高频斩波器的第一输出端，CMOS传输门M₆的输入端与CMOS传输门M₈的输入端相连并作为高频斩波器的第二输入端，CMOS传输门M₇的输出端与CMOS传输门M₈的输出端相连并作为高频斩波器的第二输出端，CMOS传输门M₅的第一控制端、CMOS传输门M₆的第二控制端、CMOS传输门M₇的第二控制端以及CMOS传输门M₈的第一控制端均接外部提供的开关信号ψ_b，CMOS传输门M₅的第二控制端、CMOS传输门M₆的第一控制端、CMOS传输门M₇的第一控制端以及CMOS传输门M₈的第二控制端均接外部提供的开关信号ψ，开关信号ψ_b与开关信号ψ相位互补。

所述跨导模块由三个PMOS管PM₁～PM₃组成；其中，PMOS管PM₁的源极接电源电压VDD，PMOS管PM₁的栅极接外部提供的偏置电压Vb₁，PMOS管PM₁的漏极与PMOS管PM₂的源极以及PMOS管PM₃的源极相连，PMOS管PM₂的栅极作为跨导模块的正相输入端，PMOS管PM₂的漏极作为跨导模块的正相输出端，PMOS管PM₃的栅极作为跨导模块的反相输入端，PMOS管PM₃的漏极作为跨导模块的反相输出端。

本发明通过将斩波放大器输出电压纹波转换为交流电流信号，并将其调制为直流电流信号，通过对直流电流信号积分得到积分电压，进而由跨导转换为补偿电流从而补偿斩波放大器的失调电压，抑制斩波放大器的输出电压纹波。此外，本发明通过在纹波消除环路中利用高频斩波技术和Ping-Pong自调零技术结合极大地抑制了积分模块失调，从而能得到准确的积分电压，形成准确的补偿电流抑制斩波放大器的失调电压，得到很好的斩波放大器输出电压纹波抑制效果。

附图说明

图1为带有本发明纹波消除环路的电容耦合斩波放大器结构示意图。

图2为斩波放大器输出电压纹波转化为方波电流信号的示意图。

图3为方波电流信号调制为直流电流信号的示意图。

图4为直流电流信号经积分得到积分电压的示意图。

图5为积分电压偏差的消除示意图。

图6为Ping-Pong自调零放大器的时序示意图。

图7为斩波放大器中主放大器与跨导的连接示意图。

图8为高/低频斩波器的结构示意图。

图9为Ping-Pong自调零放大器的结构示意图。

图10为不带纹波消除环路的电容耦合斩波放大器结构下主放大器输入失调为5mV时的输出纹波示意图。

图11为带有本发明纹波消除环路的电容耦合斩波放大器结构下主放大器输入失调为5mV、纹波消除环路中放大器输入失调为5mV时的输出纹波示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明用于电容耦合斩波放大器的纹波消除环路，包括：微分电容C_s1～C_s2、低频斩波器CH_l、积分电容C_int1～C_int2、高频斩波器CH_h1、Ping-Pong自调零放大器结构、滤波电容C_r、跨导模块Gm₅；其中：

该纹波消除环路首先由微分电容C_s1～C_s2将输出纹波电压(输出纹波电压产生于主放大器失调输出电流被低频斩波器CH_m调制到20kHz后在密勒电容C_m1～C_m2上积分形成)转化为方波电流，如图2所示。

低频斩波器CH_l(本实施方式中低频斩波器频率与主通路斩波器频率一致，设置为20KHz)将微分后得到的方波电流信号调制直流电流信号，如图3所示。

Ping-Pong自调零放大器结构、高频斩波器CH_h1、积分电容C_int1～C_int2、滤波电容C_r四者形成积分环节对被调制到直流的电流信号进行积分，如图4所示；其中Ping-Pong自调零放大器结构、高频斩波器CH_h1、滤波电容C_r的结合用于消除积分模块的失调电压，从而消除直流电流信号积分后的积分电压偏差，如图5所示。

高频斩波器CH_h1首先将积分环节中放大器的输入端信号斩波到高频(本实施方式中设置在500KHz)。

根据图6中的时序，在时钟相位Φ_Zping有效时，Ping自调零放大器结构中放大器输出连接到调零电容C_az1两端，从而在调零电容C_az1上形成一个补偿电压，该补偿电压可以补偿Ping结构放大器的输入失调电压；在时钟相位Φ_Zpong有效时，Pong自调零放大器结构放大器输出连接到调零电容C_az2两端，从而在调零电容C_az2上形成一个补偿电压，该补偿电压可以补偿Pong结构放大器的输入失调电压。

在时钟相位Φ_Oping有效时，Ping自调零放大器结构中放大器输出连接到跨导模块Gm₅和滤波电容C_r两端，Ping结构中的放大器对斩波到高频输入信号调制回低频并进行放大，同时残余的失调电压(在调零电容提供了补偿电压之后Ping结构中放大器仍有失调电压残余)被斩波器CH_h21～CH_h22调制到高频，并被滤波电容C_r滤除，进一步消除积分环节的失调电压；同时，Φ_Opong在Φ_Oping有效时处于低电平，Pong结构放大器输出不连接到跨导Gm₅和滤波电容C_r两端。

在时钟相位Φ_Opong有效时，Pong自调零放大器结构中放大器输出连接到跨导模块Gm₅和滤波电容C_r两端，Pong自调零放大器结构中的放大器对斩波到高频输入信号调制回低频并进行放大，同时残余的失调电压(在调零电容提供了补偿电压之后Ping自调零放大器结构中放大器仍有失调电压残余)被斩波器CH_h31～CH_h32调制到高频，并被滤波电容C_r滤除，进一步消除积分环节的失调电压；同时，Φ_Oping在Φ_Opong有效时处于低电平，Ping结构放大器输出不连接到跨导模块Gm₅和滤波电容C_r两端。

时钟相位Φ_Aping有效的时段包含了Φ_Oping有效的时段，且是在时钟相位Φ_Oping有效前就已经有效，这表示Ping自调零放大器结构放大器输入端在输出端连接到跨导模块Gm₅和滤波电容C_r两端前就接到高频斩波器CH_h1输出端，有利于Ping自调零放大器结构中放大器建立放大状态。这样一旦Φ_Oping有效，Ping自调零放大器结构直接进入放大状态，在跨导模块Gm₅和滤波电容C_r两端形成准确的积分电压。

时钟相位Φ_Apong有效的时段包含了Φ_Opong有效的时段，且是在时钟相位Φ_Opong有效前就已经有效，这表示Ping自调零放大器结构放大器输入端在输出端连接到跨导模块Gm₅和滤波电容C_r两端前就接到高频斩波器CH_h1输出端，有利于Pong自调零放大器结构中放大器建立放大状态。这样一旦Φ_Opong有效，Pong自调零放大器结构直接进入放大状态，在跨导模块Gm₅和滤波电容C_r两端形成准确的积分电压。

由于Ping-Pong自调零放大器结构、高频斩波器CH_h1、滤波电容C_r的结合消除了积分模块的失调电压，积分电容C_int1～C_int2将被调制为直流的电流信号进行积分后可以在跨导模块Gm₅两端形成准确的补偿电压。

如图7所示，跨导模块Gm₅将补偿电压转化为补偿电流平衡斩波放大器中主放大器Gm₁的输出失调电流，使得流向密勒电容C_m1～C_m2被低频斩波器调制到20kHz的失调电流被极大的抑制，从而通过在密勒电容C_m1～C_m2上积分形成的输出电压纹波被极大的抑制。

本实施方式中，各斩波器CH_l、CH_h1、CH_h31～CH_h32、CH_h31～CH_h32的结构如图8所示，Ping-Pong自调零放大器的结构如图9所示。

图10为不带纹波消除环路的电容耦合斩波放大器结构下主放大器输入失调设置为5mV时的输出电压纹波波形，由图10可见，斩波放大器的输出电压纹波峰峰值为100mV。

图11为带有本发明纹波消除环路的电容耦合斩波放大器结构下主放大器输入失调设置为5mV、纹波消除环路中放大器输入失调设置为5mV时的输出电压纹波波形，由图11可见，斩波放大器的输出电压纹波峰峰值为1mV。

本发明通过将斩波放大器输出电压纹波转换为交流电流信号，并将其调制为直流电流信号，通过积分模块对直流电流信号积分得到积分电压，由跨导模块转换为补偿电流从而补偿斩波放大器的失调电压，抑制斩波放大器的输出电压纹波。此外，本发明通过在纹波消除环路中利用高频斩波技术和Ping-Pong自调零技术结合极大地抑制了积分模块失调电压，从而能得到准确的积分电压，形成准确的补偿电流抑制斩波放大器中主放大器的失调电流，得到很好的斩波放大器输出电压纹波抑制效果。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。