第34卷第1期2004年2月微电子学MicroelectronicsVol134,№1Feb12004:100423365(2004)0120097204一种适合集成传感器的微弱信号读出放大器蔡光杰,沈延钊(清华大学微电子学研究所,北京100084)摘要:抑制低频噪声和失调,18OS工艺设计,并进行了实际流片。5614nVHz。关键词:;;斩波放大器;带通滤波器:432;TN722文献标识码:AAWeakSignalSensingAmplifierforIntegratedSensorsCAIGuang2jie,SHENYan2zhao(InstituteofMicroelectronics,TsinghuaUniversity,Beijing100084,P1R1China)Abstract:Alow2noiseweaksignaldetectionamplifierforlow2frequencyintegratedsensorsisdesigned1Forthisdevice,choppingtechniqueisusedtoreducelow2frequencynoiseandoffset,andbandpassfilterisusedtoreducetheresidualoffset1Thecircuit,whichisimplementedina0182Λmn2wellCMOSprocess,hasagainof37dBandanequivalentinputnoiseof5614nVHz1Keywords:Sensor;Weaksignaldetection;Sensingamplifier;Chopperamplifier;BandpassfilterEEACC:2570D;1220斩波放大器的基本原理[2]是,先用调制器将输1引言在现有集成传感器技术中,将微弱信号放大的读出电路是重要的接口电路。传感器都在一个集成的环境下完成,通常使用CMOS工艺技术。因此,读出放大器必须与CMOS工艺兼容。但是,放大器采用CMOS工艺,会受到噪声(1f噪声)大和直流失调大的影响,从而影响放大器的性能。对于微弱信号来说,这些非理想因素甚至会掩盖需要检测的信号,因此,必须采取措施,减少电路的噪声和失调。目前比较常用的低噪声电路设计技术有:自稳零技术、相关双采样技术和斩波技术[1]。但是,自稳零技术和相关双采样技术都需要采样保持过程,这会将欠采样宽带噪声引入电路,开关的电荷注入也会带来残余失调。斩波技术则不需要采样过程,使用的是调制解调技术,不会产生欠采样噪声。收稿日期:2003203203;定稿日期:2003204229入信号调制成高频信号,调制频率比1f噪声等低频噪声高得多。当信号被放大时,这些噪声只留在低频的位置,不会影响被调制到高频的信号。再经过解调器时,高频的调制信号解调恢复为原来的频谱,而失调和1f噪声却被调制到高频,与恢复频谱的信号仍然是分开的。最后,只要用低通滤波器将被调制到高频的失调和噪声滤掉,就能实现微弱信号的放大。但是,斩波技术并不是没有缺陷的,最大的不足就是引入残余失调,它主要是由调制器的非理想性造成的。因此,要提高斩波放大器的灵敏度和精度,必须减少残余失调电压。2斩波放大器电路的设计斩波放大器包括调制器、放大器、解调器和低通©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.wwcnki98蔡光杰等:一种适合集成传感器的微弱信号读出放大器2004年滤波器四个部分。211减少残余失调斩波放大技术中的残余失调主要于调制器的非理想因素(主要是时钟馈通和电荷注入),图1为调制器。调制器由M1～组成,在互不重叠脉冲f1和f2的控制下,对输入信号Vin+和Vin-进行调制。在每次开关中,一定量的电荷∃q注入到内部电路等效输入电容Cin,产生一个峰值电压为Vinj=qCin∃“”的尖峰,并以时间常数Σ=2Rs×Cin指数放电到原始值,周期为T=1fchop。器的放大,T,这就是残余失调。的匹配误差Ε的存在,而且尖峰的基次谐波在总残余失调中占支配地位,以及尖峰的带宽通常比带通滤波器的带宽大得多(12ΠΣ>>f0Q),可以近似:+2Q(3)Voff≈VinjA0Q)ΠT(2QΕ式中,e=(fchop-f0)f0(3)式表明,加入二,(2ΠΣTΠ(1+(2QΕ)2)倍(值小于1)。斩波放大器最终电路框图如图2所示。图2斩波放大电路原理框图其中,放大器由前置放大器和带通滤波器组成,图1斩波放大器的调制器在电路中增加前置放大器,对信号进行预放大,保证电路的增益满足性能要求。212二阶带通滤波器的设计(1)用傅里叶分析得到的残余失调[3]为∞Voff=式中,M∑Xk=1kkAkMkmk)cos(<xk+<ak-<和<mk是解调器方波傅里叶级数中k集成模拟滤波器可以分成离散时间和连续时间滤波器。离散时间滤波器通常有采样过程,难以达到低噪声,连续时间滤波器则没有该过程。本文采用Gm2C技术实现连续时间滤波器。次项的幅度和相位,Xk和<xk是尖峰信号傅里叶级数中k次项的幅度和相位,Ak和<ak是选频放...