一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器

摘要

本发明涉及一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器包括：第一斩波调制器、电流复用DDA放大器、闭环增益反馈电路和第二斩波调制器；其中，第一斩波调制器的输入端作为仪表放大器的信号输入端，用于将差分信号中的有效信号与噪声和失调的频谱分离；电流复用DDA放大器用于提供开环增益；闭环增益反馈电路，通过负反馈调整经由电流复用DDA放大器输出的放大信号,并控制放大信号的输出幅度；第二斩波调制器，用于对调整后的放大信号进行频谱恢复，其输出端作为仪表放大器的信号输出端。本发明实现了仪表放大器的低噪声性能，且避免使用阻抗提升电路，简化了仪表放大器的设计,其DDA放大器采用了电流复用技术，实现了低功耗性能。

说明书

技术领域

本发明属于集成电路设计领域，具体涉及一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器。

背景技术

仪表放大器具有低功耗、低噪声、高输入阻抗和高共模抑制比等特点，可以将传感器非常微弱的电信号不失真的放大以便于信号采集，尤其是可穿戴式或可植入式医疗设备中广泛应用。

如图1所示，传统的基于斩波稳定电容耦合结构的仪表放大器采用跨导放大器OTA为核心放大器。由于输入电容直接连接到OTA的输入，因此差分信号在跨导放大器输入端可以看作是接到了交流地，此时斩波调制器中的斩波开关与输入电容在OTA的输入端组成了两个开关电容，这两个开关电容以并联的方式连接，进而在差分输入信号间形成了一个等效的电阻，此时等效输入阻抗反比于斩波开关频率与输入电容的乘积。越高的斩波开关频率意味着更低的等效输入噪声，但同时带来了等效输入阻抗的下降。越大的输入电容意味着更好的闭环增益稳定性，同样带来了等效输入阻抗的下降。因此在传统的基于斩波稳定电容耦合结构的仪表放大器中需要单独设计阻抗提升电路，增加了电路的复杂度。

如图2所示为传统的DDA放大器。与跨导放大器OTA不同点在于，DDA放大器具有四个输入管、两个输出端，这四个输入端两两组合，以交叉连接的方式形成了两组新的差分输入对。两组差分输入对能够分开使用，但它们之间存在相加的关系，两组差分输入对需要两路偏置电流，限制了DDA放大器的功耗。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器包括：第一斩波调制器、电流复用DDA放大器、闭环增益反馈电路和第二斩波调制器。

其中，所述第一斩波调制器的输入端作为所述仪表放大器的信号输入端，输入差分信号，输出端连接所述电流复用DDA放大器的第一差分输入端，用于将所述差分信号中的有效信号与噪声和失调的频谱分离。

所述电流复用DDA放大器的第二差分输入端连接所述闭环增益反馈电路的输出端，其差分输出端分别连接所述闭环增益反馈电路的输入端和所述第二斩波调制器的输入端，用于提供开环增益。

所述闭环增益反馈电路，用于实现所述电流复用DDA放大器闭环固定增益的放大，通过负反馈调整经由所述电流复用DDA放大器输出的放大信号,并控制所述放大信号的输出幅度。

所述第二斩波调制器，用于对经过所述闭环增益反馈电路调整后的放大信号进行频谱恢复，对所述调整后的放大信号中的有效信号与噪声和失调的频谱进行分离，得到有效放大信号，其输出端作为所述仪表放大器的信号输出端。

在本发明的一个实施例中，所述第一斩波调制器包括，第一开关、第二开关、第三开关、第四开关。

其中，所述第一开关设置在所述仪表放大器正相信号输入端和所述电流复用放大器的第一差分同相输入端之间；所述第二开关设置在所述仪表放大器正相信号输入端和所述电流复用放大器的第一差分反相输入端之间。

所述第三开关设置在所述仪表放大器反相信号输入端和所述电流复用放大器的第一差分反相输入端之间；所述第四开关设置在所述仪表放大器反相信号输入端和所述电流复用放大器的第一差分同相输入端之间。

所述第一开关、所述第三开关、所述第二开关和所述第四开关根据外部时钟电路产生的斩波开关时钟CLK实现闭合或断开。

在本发明的一个实施例中，所述电流复用DDA放大器包括，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第一电阻、第二电阻第一电容、第二电容、第一寄生电容、第二寄生电容和共模反馈电路。

其中，所述第一PMOS管的源极、第四PMOS管的源极和第五PMOS管的源极均连接电源电压端。

所述第一PMOS管的栅极连接外部偏置电压，其漏极分别连接所述第二PMOS管的源极和所述第三PMOS管的源极；所述第二PMOS管的栅极连接所述第一寄生电容的下极板，并作为所述电流复用DDA放大器的第一差分同相输入端，其漏极分别连接所述第四PMOS管的栅极、所述第一电容的下极板和所述第一NMOS管的漏极。

所述第一寄生电容的上极板连接接地端，所述第一电容的上极板连接所述第一电阻的第二端，所述第一电阻的第一端连接所述第四PMOS管的漏极。

所述第三PMOS管的栅极连接所述第二寄生电容的下极板，并作为所述电流复用DDA放大器的第一差分反相输入端，其漏极分别连接所述第五PMOS管的栅极、所述第二电容的上极板和所述第二NMOS管的漏极。

所述第二寄生电容的上极板连接所述接地端，所述第二电容的下极板连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接所述第五PMOS管的漏极。

所述第四PMOS管的漏极连接所述第四NMOS管的漏极，并作为所述电流复用DDA放大器的同相差分输出端；所述第五PMOS管的漏极连接所述第五NMOS管的漏极，并作为所述电流复用DDA放大器的反相差分输出端。

所述第一NMOS管的栅极作为所述电流复用DDA放大器的第二差分同相输入端，其源极分别连接所述第二NMOS管的源极和所述第三NMOS管的漏极。

所述第二NMOS管的栅极作为所述电流复用DDA放大器的第二差分反相输入端；所述第三NMOS管的源极、所述第四NMOS管的源极和所述第五NMOS管的源极均连接所述接地端；所述第四NMOS管的栅极连接所述第五NMOS管的栅极。

所述第四PMOS管的漏极和所述第五PMOS管的漏极均连接所述共模反馈电路的输入端，所述第三NMOS管的栅极连接所述共模反馈电路的输出端。

在本发明的一个实施例中，所述共模反馈电路包括，第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管、第十一PMOS管、第六NMOS管和第七NMOS管。

其中，第六PMOS管的源极和第九PMOS管的源极均连接所述电源电压端。所述第六PMOS管的栅极和所述第九PMOS管的栅极均连接所述外部偏置电压。

所述第六PMOS管的漏极分别连接所述第七PMOS管的源极和所述第八PMOS管的源极；所述第七PMOS管的栅极连接所述第四PMOS管的漏极，其漏极分别连接所述第六NMOS管的漏极和栅极，并连接所述第三NMOS管的栅极。

所述第八PMOS管的栅极连接所述第十PMOS管的栅极，其漏极分别连接所述第七NMOS管的漏极和栅极；所述第九PMOS管的漏极分别连接所述第十PMOS管的源极和所述第十一PMOS管的源极。

所述第十PMOS管的漏极连接所述第八PMOS管的漏极；所述第十一PMOS管的栅极连接所述第五PMOS管的漏极，其漏极连接所述第七PMOS管的漏极。

所述第六NMOS管的源极和所述第七NMOS管的源极均连接所述接地端。

在本发明的一个实施例中，所述闭环增益反馈电路包括，第一反馈电容、第二反馈电容、第一输入电阻、第二输入电阻、第一输入电容和第二输入电容。

其中，所述第一输入电容和所述第二输入电容的下极板均连接所述接地端。

所述第一输入电容的上极板分别连接所述第一反馈电容的上极板和所述第一输入电阻的第一端，所述第一反馈电容下极板连接所述第一输入电阻的第二端。

所述第二输入电容的上极板分别连接所述第二反馈电容的上极板和所述第二输入电阻的第一端，所述第二反馈电容的下极板连接所述第二输入电阻的第二端。

所述第一电阻的第一端连接所述电流复用DDA放大器的第二差分同相输入端，所述第一电阻的第二端连接所述电流复用DDA放大器的同相差分输出端。

所述第二电阻的第一端连接所述电流复用DDA放大器的第二差分反相输入端，所述第二电阻的第二端连接所述电流复用DDA放大器的反相差分输出端。

在本发明的一个实施例中，所述第二斩波调制器包括，第五开关、第六开关、第七开关和第八开关。

其中，所述第五开关设置在所述仪表放大器正相信号输出端和所述电流复用放大器的同相差分输出端之间；所述第六开关设置在所述仪表放大器反相信号输出端和所述电流复用放大器的同相差分输出端之间。

所述第七开关设置在所述仪表放大器反相信号输出端和所述电流复用放大器的反相差分输出端之间；所述第八开关设置在所述仪表放大器同相信号输出端和所述电流复用放大器的反相差分输出端之间。

所述第五开关、所述第六开关、所述第七开关和所述第八开关根据所述外部时钟电路产生的斩波开关时钟CLK实现闭合或断开。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明的基于电流复用DDA结构的仪表放大器，通过第一斩波调制器和第二斩波调制器实现差分信号中的有效信号与噪声和失调的频谱分离，以实现仪表放大器的低噪声性能。

2.本发明的基于电流复用DDA放大器结构的仪表放大器，在进行微伏至毫伏量级微弱电信号采集时，由于将输入信号路径和闭环增益反馈电路所形成的反馈路径分开，输入阻抗此时取决于DDA放大器输入端寄生电容而不再是输入电容，保证了模拟前端电路的等效输入阻抗，且避免了使用阻抗提升电路，简化了仪表放大器的设计。

3.本发明的基于电流复用DDA结构的仪表放大器，其中，DDA放大器采用了电流复用技术，可以降低仪表放大器的总功耗，从而实现了低功耗性能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为一种传统的基于斩波稳定电容耦合结构的仪表放大器的结构示意图；

图2为传统DDA放大器的电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器的结构框图；

图4为本发明实施例提供的一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器的第一斩波调制器的电路结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器的电流复用DDA放大器的电路结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器的闭环增益反馈电路的电路结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器的第二斩波调制器的电路结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器的噪声仿真图，图8中(a)为未加入斩波技术的仪表放大器的噪声仿真图，图8中(b)为加入斩波技术后仪表放大器的噪声仿真图；

图9为本发明实施例提供的一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器的瞬态仿真图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

实施例一

请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器的结构框图。

如图所示，一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器包括：第一斩波调制器10、电流复用DDA放大器20、闭环增益反馈电路30和第二斩波调制器40。

其中，第一斩波调制器10的输入端作为仪表放大器的信号输入端，输入差分信号，输出端连接电流复用DDA放大器20的第一差分输入端，用于将差分信号中的有效信号与噪声和失调的频谱分离。

在具体实施例中，电流复用DDA放大器20的第二差分输入端连接闭环增益反馈电路30的输出端，其差分输出端分别连接闭环增益反馈电路30的输入端和第二斩波调制器40的输入端，用于提供开环增益。

在具体实施例中，闭环增益反馈电路30，用于实现电流复用DDA放大器20闭环固定增益的放大，通过负反馈调整经由电流复用DDA放大器20输出的放大信号,并控制放大信号的输出幅度。

在具体实施例中，第二斩波调制器40，用于对经过闭环增益反馈电路30调整后的放大信号进行频谱恢复，对调整后的放大信号中的有效信号与噪声和失调的频谱进行分离，得到有效放大信号，其输出端作为仪表放大器的信号输出端。

具体地，第一斩波调制器10将差分信号中有效信号斩波到高频位置，但由于电流复用DDA放大器20产生的噪声和失调的频谱主要处于低频位置，所以再次经过第二斩波调制器40的二次斩波，有效信号恢复到低频位置，来自于电流复用DDA放大器20的噪声和失调的频谱被斩波到高频。在两个斩波调制器的作用下，有效信号一直保持与来自电流复用DDA放大器20的噪声和失调的频谱分离状态。

请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器的第一斩波调制器的电路结构示意图。

如图所示，第一斩波调制器10包括，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4。

其中，第一开关S1设置在仪表放大器正相信号输入端V

在具体实施例中，第三开关S3设置在仪表放大器反相信号输入端V

在具体实施例中，第一开关S1、第三开关S3、第二开关S2和第四开关S4根据外部时钟电路产生的斩波开关时钟CLK实现闭合或断开。

具体地，当由外部时钟电路产生的斩波开关时钟CLK为高电位时，第一开关S1和第三开关S3闭合，第二开关S2和第四开关S4断开；当斩波开关时钟CLK为低电位时，第二开关S2和第四开关S4闭合，第一开关S1和第三开关S3断开。

进一步地，当第一开关S1和第三开关S3闭合时，电流复用放大器20的第一差分输入端V

请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器的电流复用DDA放大器的电路结构示意图。

在具体实施例中，电流复用DDA放大器20包括，第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第一电阻R

其中，第一PMOS管MP1的源极、第四PMOS管MP4的源极和第五PMOS管MP5的源极均连接电源电压端VDD。

在具体实施例中，第一PMOS管MP1的栅极连接外部偏置电压VB0，其漏极分别连接第二PMOS管MP2的源极和第三PMOS管MP3的源极。

在具体实施例中，第二PMOS管MP2的栅极连接第一寄生电容C

在具体实施例中，第一寄生电容C

在具体实施例中，第三PMOS管MP3的栅极连接第二寄生电容C

在具体实施例中，第二寄生电容C

在具体实施例中，第四PMOS管MP4的漏极连接第四NMOS管MN4的漏极，并作为电流复用DDA放大器20的同相差分输出端V

在具体实施例中，第一NMOS管MN1的栅极作为电流复用DDA放大器20的第二差分同相输入端V

在具体实施例中，第三NMOS管MN3的源极、第四NMOS管MN4的源极和第五NMOS管MN5的源极均连接接地端GND；第四NMOS管MN4的栅极连接第五NMOS管MN5的栅极；第四PMOS管MP4的漏极和第五PMOS管MP5的漏极均连接共模反馈电路的输入端，第三NMOS管MN3的栅极连接共模反馈电路的输出端。

具体地，第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第一PMOS管MP2和第三PMOS管MP3作为电流复用DDA放大器的输入对管，共用一路偏置电流，降低了电流复用DDA放大器20的功耗。

进一步地，第一寄生电容C

值得注意的是第一电阻R

在具体实施例中，共模反馈电路包括，第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11、第六NMOS管MN6和第七NMOS管MN7；

其中，第六PMOS管MP6的源极和第九PMOS管MP9的源极均连接电源电压端VDD；第六PMOS管MP6的栅极和第九PMOS管MP9的栅极均连接外部偏置电压V

在具体实施例中，第六PMOS管MP6的漏极分别连接第七PMOS管MP7的源极和第八PMOS管MP8的源极；第七PMOS管MP7的栅极连接第四PMOS管MP4的漏极，其漏极分别连接第六NMOS管MN6的漏极和栅极，并连接第三NMOS管MN3的栅极。

在具体实施例中，第八PMOS管MP8的栅极连接第十PMOS管MP10的栅极，其漏极分别连接第七NMOS管MN7的漏极和栅极；第九PMOS管MP9的漏极分别连接第十PMOS管MP10的源极和第十一PMOS管MP11的源极。

在具体实施例中，第十PMOS管MP10的漏极连接第八PMOS管MP8的漏极；第十一PMOS管MP11的栅极连接第五PMOS管MP5的漏极，其漏极连接第七PMOS管MP7的漏极；第六NMOS管MN6的源极和第七NMOS管MN7的源极均连接接地端GND。

值得注意的是，共模反馈电路输出信号为V

请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器的闭环增益反馈电路的电路结构示意图。

如图所示，闭环增益反馈电路30包括，第一反馈电容C

其中，第一输入电容C

在具体实施例中，第一输入电容C

在具体实施例中，第一电阻R

具体地，第一输入电容C

进一步地，通过负反馈，闭环增益反馈电路30与电流复用DDA放大器20共同实现了仪表放大器的固定闭环增益，闭环增益A

其中，A

可以看到，此时第一斩波调制器10与电流复用DDA放大器20的第一同相输入端V

请参见图7，图7为本发明实施例提供的一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器的第二斩波调制器的电路结构示意图。

如图所示，在具体实施例中，第二斩波调制器40包括，第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7和第八开关S8。

其中，第五开关S5设置在仪表放大器正相信号输出端V

在具体实施例中，第七开关S7设置在仪表放大器反相信号输出端V

具体地，第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7和第八开关S8根据外部时钟电路产生的斩波开关时钟CLK实现闭合或断开。

具体地，与第一斩波调制器10的工作原理类似，当由外部时钟电路产生的斩波开关时钟CLK为高电位时，第五开关S5和第七开关S7闭合，第六开关S6和第八开关S7断开；当斩波开关时钟CLK为低电位时，第六开关S6和第八开关S8闭合，第五开关S5和第七开关S7断开。

进一步地，当第五开关S5和第七开关S7闭合时，电流复用放大器20的差分输出端V

值得注意的是，被第一斩波调制器10斩波到高频的有效信号会通过闭环增益反馈电路30与电流复用DDA放大器20形成的闭环系统放大，有效信号再一次经过第二斩波调制器40斩波后会回到原来的低频位置，但是原本处在低频位置的噪声和失调会被第二斩波调制器40调制到高频，实现再一次的信号与噪声和失调分离，如果此时后级接一低通滤波器滤除被斩波到高频的噪声和失调，即可实现仪表放大器的低噪声性能。

请参见图8，图8为本发明实施例提供的一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器的噪声仿真图。

图8中(a)为未加入斩波技术的仪表放大器的噪声仿真图，在0.5-200Hz带宽范围内等效输入积分噪声大约为4.64μVrms。

图8中(b)为加入斩波技术后仪表放大器的噪声仿真图，带内输入噪声谱密度为91.467nV/√Hz，在0.5-200Hz带宽范围内的等效输入积分噪声为1.82μVrms，可以看到斩波开关技术有效实现了仪表放大器的低噪声性能。

请参见图9，图9为本发明实施例提供的一种基于电流复用DDA结构的仪表放大器的瞬态仿真图。

其中CLK、V

本实施例的基于电流复用DDA放大器结构的仪表放大器，通过第一斩波调制器和第二斩波调制器实现差分信号中的有效信号与噪声和失调的频谱分离，以实现仪表放大器的低噪声性能。

本实施例的基于电流复用DDA放大器结构的仪表放大器，在进行微伏至毫伏量级微弱电信号采集时，由于将输入信号路径和闭环增益反馈电路所形成的反馈路径分开，输入阻抗此时取决于DDA放大器输入端寄生电容而不再是输入电容，保证了模拟前端电路的等效输入阻抗，且避免了使用阻抗提升电路，简化了仪表放大器的设计。

在本实施例的基于电流复用DDA放大器结构的仪表放大器中，DDA放大器采用了电流复用技术，可以降低仪表放大器的总功耗，从而实现了低功耗性能。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。