《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 模擬設(shè)計 > 設(shè)計應(yīng)用 > 一種應(yīng)用乒乓自歸零的高精度放大器
NI-LabVIEW 2025
一種應(yīng)用乒乓自歸零的高精度放大器
電子技術(shù)應(yīng)用
鄧新偉,楊尚爭,毛佳烽,胡偉波,任立儒
南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院
摘要: 設(shè)計實現(xiàn)了一種低失調(diào)、高增益的運(yùn)算放大器(運(yùn)放)。整體電路包含帶隙基準(zhǔn)、振蕩器、分頻器、輔助運(yùn)放和主運(yùn)放等。該電路采用乒乓結(jié)構(gòu)的自歸零技術(shù),實現(xiàn)了連續(xù)工作,同時顯著縮減了放大器的輸入失調(diào)偏移。此外,還提出了一種新穎、高效的控制時序,以較低的成本有效降低了放大器在乒乓切換過程中的穩(wěn)定時間,進(jìn)一步減小了放大器的輸出毛刺。該放大器芯片基于350 nm CMOS工藝設(shè)計制造,實際測試結(jié)果表明,在5 V電源電壓下,放大器消耗了0.65 mA的電流,實現(xiàn)了最大3 µV的輸入失調(diào)偏移,增益帶寬積為8 MHz,噪聲頻譜密度降到了30 nV/√Hz。
中圖分類號:TN402 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245990
中文引用格式: 鄧新偉,楊尚爭,毛佳烽,等. 一種應(yīng)用乒乓自歸零的高精度放大器[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2025,51(3):49-53.
英文引用格式: Deng Xinwei,Yang Shangzheng,Mao Jiafeng,et al. A high-precision amplifier using ping-pong auto-zeroing[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(3):49-53.
A high-precision amplifier using ping-pong auto-zeroing
Deng Xinwei,Yang Shangzheng,Mao Jiafeng,Hu Weibo,Ren Liru
College of Electronic Information and Optical Engineering, Nankai University
Abstract: This paper presents the design and implementation of a low-offset, high-gain operational amplifier (op-amp). The overall circuit consists of a bandgap reference, oscillator, frequency divider, auxiliary op-amp, and main op-amp. By employing a ping-pong auto-zeroing architecture, the circuit achieves continuous operation while significantly reducing the input offset voltage of the amplifier. Furthermore, this paper proposes a novel and efficient control timing scheme that effectively reduces the settling time during ping-pong switching at a relatively low cost, further minimizing the output glitches of the amplifier. The amplifier chip was designed and fabricated in a 350 nm CMOS process. Measurement results demonstrate that under a 5 V supply voltage, the amplifier consumes 0.65 mA current, achieves a maximum input offset voltage of 3 µV, provides a gain-bandwidth product of 8 MHz, and exhibits a noise spectral density as low as 30 nV/√Hz.
Key words : low-offset;ping-pong;auto-zeroing;amplifier

引言

隨著互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)工藝的不斷發(fā)展,CMOS憑借其便于集成以及成本低等優(yōu)點,逐漸成為了主流工藝。但是CMOS放大器受失調(diào)電壓(1~10 mV)、溫漂以及1/f噪聲的影響,無法滿足高精度應(yīng)用的要求。通常在電路設(shè)計上解決上述問題有兩種技術(shù):斬波技術(shù)和自歸零技術(shù)[1-2]。采用斬波技術(shù)會在放大器的輸出端引入紋波,如果放大器后面驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),這種紋波在ADC采樣時會產(chǎn)生較大的誤差,除非采樣和斬波同步發(fā)生在紋波的過零點[3]。隨著斬波技術(shù)的發(fā)展,文獻(xiàn)[4-7]分別展示了不同的方法來減小紋波。但所有這些方法有一個共同的缺點:當(dāng)輸入被調(diào)制時,即使放大器是無失調(diào)偏移的,它們有限的帶寬也將引起切換瞬變,而在放大器的輸出處解調(diào)時,切換瞬變會變成毛刺。而自歸零相比斬波而言,由于沒有調(diào)制解調(diào)過程,不會產(chǎn)生紋波[8]。但由于采樣作用,自歸零是一種不適用于連續(xù)時間工作的技術(shù)。當(dāng)需要連續(xù)時間操作時,則需要使用乒乓結(jié)構(gòu)[9],其中兩個自歸零放大器彼此并聯(lián)運(yùn)行,一個自動調(diào)零,一個用于放大信號。此外放大器在乒乓切換過程中,一般采用兩相非交疊時鐘控制切換時序[10],但這樣會在放大器的輸出引入毛刺。

為了解決上述問題,本文基于350 nm CMOS工藝設(shè)計了一個乒乓結(jié)構(gòu)的自歸零放大器。該放大器采用乒乓架構(gòu)實現(xiàn)自歸零的連續(xù)工作,使用一種新穎、高效的穩(wěn)定階段時序,不僅有效降低了放大器在乒乓切換過程中的穩(wěn)定時間,而且更重要的是減小了放大器的輸出毛刺。本設(shè)計實際測試結(jié)果表明,在5 V電源電壓下,該放大器消耗了650 μA的功耗,實現(xiàn)了最大3 μV的失調(diào)電壓,8 MHz的增益帶寬積,1 kHz下噪聲頻譜密度為30 nV/√Hz。


本文詳細(xì)內(nèi)容請下載:

http://ihrv.cn/resource/share/2000006358


作者信息:

鄧新偉,楊尚爭,毛佳烽,胡偉波,任立儒

(南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院,天津 300350)


Magazine.Subscription.jpg

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。