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1、桂林电子科技大学暑期总结报告ECG前置运放的研究年级：2012级学号：122021727姓名：郝强宇2013年8月29日目录第一章 全差分运放的电路结构研究31.1 简介31.2 放大器性能指标31.3 主放大器结构51.4 共模负反馈91.4.1 连续时间CMFB101.4.2 交叉耦合结构CMFB111.4.3 离散时间开关电容CMFB121.4.4 连续时间电容CMFB131.5 两级运放共模负反馈结构142.6 宽摆幅电流源作偏置电路15第二章 斩波稳定放大器的基本原理172.1 斩波稳定放大器172.2 频率条件192.3 生物信号频率19第三章 低频低噪声运放结构213.1一些非斩
2、波运放结构213.2一些斩波运放基本结构273.3 Chopper offset stabilization using an active integrator393.4 THE SAMPLE-AND-HOLD WITH ADDER TECHNIQUE403.5 Three Operation Amplifier Instrument at ion Amplifier（3OIA）413.7 Chopper stabilized differential difference amplier (CHSDDA)443.8 capacitively coupled chopper instrume
3、ntation amplifier （CCIA）483.9 Current-Feedback Instrumentation Amplifier (CFIA)493.10 Chopper Instrumentation Amplifier with Automatic Differential-Pair Matching (ADPM)54第四章 结构改进554.1 低阻抗节点开关斩波554.2增益增强斩波开关优化574.3虚拟电阻584.4 T型电容反馈式634.5 失调和1/f噪声消除654.6 低失调设计总结66第五章 减小运放非理想的电路技术675.1 autozero（AZ）675.2
4、 剩余失调685.3 斩波开关的非理想效应695.4 抑制电荷注入的开关电路735.5 CDS与CHS的区别755.6 不同结构斩波运放的等效输入噪声特性765.7 不同斩波开关的噪声分析815.8 嵌套斩波技术84第六章 斩波时钟产生896.1 两相非交叠时钟产生原理896.2 两相非交叠时钟改进916.3 CMOS RING VCO ARCHITECTURE946.4 Fully-differential boosted clock driver946.5 Ring Oscillator using Proppsed Delay Block （Proposed Inverter）956.6
5、 Relaxation oscillator98第七章 总结与思路106参考文献107第一章 全差分运放的电路结构研究1.1 简介全差分运算放大器是一种具有差分输入，差分输出的结构的运算放大器。 优点：1.双端输出，在低压下能够得到足够大的信号摆幅。2.具有共模反馈环路，能有效的抑制电路的共模信号，减小电路的偶次谐波失真。3.避免单端输出时的镜像极点，增加稳定性。图2.1 单级全差分运放（左）与单端差分运放（右）的电路图1.2 放大器性能指标设计放大器时首先需要了解其所需要达到的指标。它们大体包括开环电压增益、带宽、相位裕度、建立时间、转换速率、输出摆幅、共模抑制比以及电源电压抑制比等,这些参
6、数之间是相互制约、相互影响的,因此,要想设计出一种运算放大器能够满足所有的性能指标是不可能的,在本论文的电路设计中主要看重的运放输入输出摆幅和输出驱动能力。(1)开环电压增益开环电压增益也称开环差模电压增益,是指无反馈回路的运算放大器在正常工作状态下,接入一定的负载所能得到的直流差模增益,其性能好坏直接影响到负反馈系统的精度。而且,开环增益与运算放大器的制造工艺、周围自然环境等都是紧密相关的。(2)带宽本论文所说的带宽主要是指运算放大器的小信号带宽,包括 3dB 带宽和单位增益带宽。3dB 带宽也称开环带宽,它是用来描述运算放大器稳定工作的频率区间。单位增益带宽是指运算放大器开环增益为 1 时
7、的频率,在运放的设计中是一个非常重要的参数。(3)相位裕度相位裕度(PM)是模拟集成电路设计中非常重要的一个性能指标,它不仅可以用来衡量负反馈系统的稳定性,而且还能实时预测闭环控制系统阶跃响应的过冲。在这里,相位裕度即指运算放大器增益的相位在增益交点频率时,与相位为-180的差值。(4)建立时间建立时间是用来衡量运算放大器的实时响应速度的参数。它表示当电源电压上电时,输出信号跳变开始到输出信号稳定的时间。特别地,对于阶跃响应信号而言,它还包括了建立时间和保持时间。(5)转换速率转换速率是指当运算放大器工作在闭环状态下,且输出为大信号时,输出电压对时间的最大变化率,它是用来衡量输出电压信号斜率的
8、最大变化量。(6)输出摆幅输出摆幅是指运算放大器的输出电压幅度范围。现在大多数用到运算放大器的微系统都要求拥有大的输出摆幅以适应较宽的供电电源电压范围。由于最大电压输出摆幅与运算放大器的偏置电流、转换速率以及器件尺寸都是紧密相关,因此,如何设计好该参数也是仪用放大器电路的重中之重。(7)共模抑制比共模抑制比(CMRR)主要反映运算放大器对共模扰动信号的抑制能力,其直接的数学定义就是运算放大器对差模电压信号的增益与共模电压信号的增益之比的绝对值。当共模电压增益越小,差模电压增益越大时,其电路的共模抑制能力就越强,从而导致运算放大器的整体性能也越好。因此,本论文希望设计出的运算放大器共模抑制比越大
9、越好。(8)电源电压抑制比运算放大器输入到输出的电压增益除以电源到输出的电压增益定义为电源抑制比,它是用来反映电路抑制电源噪声对输出信号影响的。1.3 主放大器结构 （1）二级米勒补偿结构图2.2 二级米勒补偿结构全差分运放加入米勒补偿电容Cc，极点分裂，增加稳定性。加入调零电阻Rc，消除右平面的零点，增加稳定性。（2）套筒结构（共源共栅结构）以减小输出摆幅和增加极点为代价，增加增益。图2.3 套筒结构全差分运放 （3）折叠共源共栅结构图2.4 折叠共源共栅结构全差分运放摆幅比套筒结构大，但是功耗大、速度慢、噪声大、第二极点低。由于电子迁移率 空穴，所以折叠P管增益低，折叠N管增益高，但是对应
10、Pmos电流镜管电流增大，栅宽增大，电容上升，极点下降，带宽减小。（4）增益增强结构图2.5 增益增强结构增大增益，同时功耗增加。无增益提高结构时的增益：有增益提高结构时的增益：约放大A倍。图2.6 折叠共源共栅增益增强结构全差分运放采用折叠共源共栅增益增强结构可获得相当于三层共源共栅结构与三层相比摆幅较高，电源电压需求较低。具有增益提高结构时，增益较大，为了得到大的带宽，采用Pmos输入。（5）准浮栅结构图2.7 准浮栅结构工作原理：1.管工作在截至区作为大电阻，为放大管提供偏置电压。2.与大电阻组成高通滤波结构，使输入信号衰减，来达到输入满摆幅。MOS管栅极电压其中，图2.8 准浮栅二级全
11、差分运放 准浮栅运放可以有效减小电源电压，其电路如图2.8所示。具有以下特点：1.输入差模时，M1a管输出正反馈到M1b管栅极，增强输入信号。2.输入共模时，M1a管输出负反馈到M1b管栅极，减小输入信号。3.M2a、M2b交叉耦合产生负阻，等效大电阻，增加输出摆幅，同时增大差模增益，减小共模增益。4.两级放大，后级有独立的CMFB。（6）总结常用放大结构的比较如表2.1。表2.1 几种常用放大结构比较1.4 共模负反馈速度和精度是模拟电路两个最重要的性能指标，然而，对电路这两方面的优化会导致相互矛盾的结果。所以同时满足这两方面的要求是困难的。折叠共源共栅技术可以较成功地解决这一难题，这种结构
12、的运放具有较高的开环增益及很高的单位增益带宽。全差分运放的缺点是它外部反馈环的共模环路增益很小，输出共模电平不能精确确定，因此，一个额外的共模反馈环常常是必要的，包含共模反馈环的电路称为共模反馈电路(CMFB)。图2.9 带有CMFB的全差分运放框图CMFB电路有几种不同类型：连续时间CMFB、交叉耦合结构CMFB、离散时间开关电容CMFB、连续时间电容CMFB。1.4.1 连续时间CMFB常用的连续时间CMFB电路的检测电路有电阻检测电路、源随器检测电路、深线性区MOS管检测电路。电阻检测电路电阻分压检测输出电压。缺点是需要R1、R2很大，避免开环增益降低。图2.10 电阻检测电路源随器检测
13、电路源随器源级跟随栅极电压，电阻分压检测。缺点是由于，减小了输出摆幅约。图2.11 源随器检测电路深线性区MOS管检测电路栅极电压变化，引起M7、M8电阻变化，达到检测目的。缺点是输出摆幅减小.难以保证工作在深线性区，线性范围小。图2.12 深线性区MOS管检测1.4.2 交叉耦合结构CMFB图2.13 差模时交叉耦合结构（右）和共模是等效电路（左）1.共模时等效左图，增益为.2.差模时，交叉耦合产生负阻，等效大阻抗，增益为.3.只能抑制共模信号，不能确定输出共模电压，第二级还要精确的CMFB。1.4.3 离散时间开关电容CMFB图2.14 离散时间开关电容CMFBS1 闭合S2断开时：S2闭
14、合S1断开时：由电荷守恒得：用Vref控制反馈电压，达到共模负反馈效果。优点：1.对放大器输出摆幅没有限制。2.避免阻性负载。缺点：1.开关引入大量噪声。2.开关引起的电荷注入导致一定的失调。3.信号频率要小于开关频率。1.4.4 连续时间电容CMFB由左图Vx节点电流定律可得：由右图可得：Ib相等得：联立可得：图2.15 连续时间电容CMFB连续时间电容CMFB优点如下：1.运行速度与主放大器相近，无需时钟信号，无电荷注入影响。2.输出节点无阻性负载，对输出差模增益无影响，只有很小的容性负载。3.无电压余度，可以达到满摆幅。4.固有稳定，无需补偿。5.占用芯片面积小，偏置电路只提供DC电压Vb，可供整个芯片使用，额外功耗小。1.5 两级运放共模负反馈结构（1）两级运放使用一个CMFB图2.16 两级运放使用一个CMFB缺点是共模回路有三级，难以稳定。（2）共模和差模部分共用同一路径图2.17 共模和差模部分共用同一路径缺点是A点加入镜像极点，难以稳定。两级运放分别使用一个CMFB第一级交叉耦合结构CMFB，第二级连续时间CMFB。图2.18 两级运放分别使用一个CMFB2.6 宽摆幅电流源作偏置电路图2.23 宽摆幅电流源在共源共栅输入级中需要三个电压偏置，为了使得输
