一种低噪声前置放大器的电路设计

2017-06-01王彬李健肖姿逸

电子与封装 2017年5期

关键词：低噪声晶体管增益

王彬，李健，肖姿逸

（1.中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214072；2.江南大学，江苏无锡214122）

一种低噪声前置放大器的电路设计

王彬1，李健2，肖姿逸1

（1.中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214072；2.江南大学，江苏无锡214122）

采用EMI滤波和斩波技术，基于CSMC ST2000 PDK工艺，设计了一种低噪声、输出范围广、建立时间快、增益高的前置放大器电路，并利用MATLAB工具进行了系统验证。结果表明，该前置放大器的单位增益带宽超过了10 MHz，相位裕度达到了66 dB，满足了预定的设计要求。

低噪声；斩波技术；快速建立

1 引言

前置放大器因为具有提高系统的信噪比、提高信号传输时抗干扰能力的作用，被广泛应用于音频功放、数模转换器以及数字信号处理等多个领域。前置放大器按分类可大致划分为积分型与电流型两种，两种都能实现高增益、高速度、低噪声等高性能要求。

在现代测量领域里，对前置放大器往往要求灵敏度高，对采集微弱信号有很好的保持和放大作用。本文针对输入截止信号频率范围为20 MHz、信号源为毫伏级的工作环境设计出一种高增益、低噪声、低功耗的前置放大器。

2 低噪声前置放大器电路设计

2.1 应用要求

此次设计的前置放大器主要应用于输入正弦信号幅度±2 V、输入信号带宽100 Hz、采样信号频率100 kHz、后级积分器带宽GBW为2 MHz、最终采样精度为16位的ADC中[1]。

如图1所示，外接输入信号AINP和AINN经过EMI滤波以后（EMI滤波截止频率为20 MHz）[2～3]被一个差分桥接检测电路采集，由于采集到的信号十分微弱，为毫伏级信号。因此，为了提高模数转换器的精度，采用一个低噪声前置放大器将输入信号放大，设计时根据需要最大可放大64倍（可由数字控制或外部接口控制放大倍数)，最小输入信号范围为±39 mV，放大后的差分信号经过一个抗混频滤波器，滤除采样频率以外的噪声，防止采样时发生混频，CAP电容可为外接0.1 μF电容；最后经过一级缓存被第一级积分器采样。

图1 前置放大器的电路结构

2.2 运放结构设计

考虑到低噪运放所需的高直流增益、高PSRR[4～5]、低噪声等特点，选择了折叠式共源共栅结构[6～7]。

图2 折叠式共源共栅结构

图2中运放的开环增益为：

其中，gm1表示输入器件的跨导，R2表示输出阻抗，gm4和gm6分别表示图2中MOS晶体管M4和M6的跨导，rds4和rds6分别表示M4和M6的输出阻抗，rds2和rds8分别表示M2和M8的输出阻抗。输出极点为：

其中，Cout是运放的输出电容。采用折叠式共源共栅，可以提供相当于两级运算放大器的增益，且输出极点位置较远。

2.3 输出级设计

Class-AB输出级能够采用较小的静态功耗实现较大的输出摆幅[8]，而且有很强的电阻驱动能力。因此本文选用了Class-AB输出。图3采用自偏置的Class-AB输出级，能够提供很大的输出电流，而静态功耗可以做得很低。该结构采用浮动偏置控制，能够产生满摆幅的输出范围。

它包含两个共源级输出晶体管M1和M2，分别被两个同相电流Iin1和Iin2驱动，M7和M8形成浮置Class-AB控制，接成二极管形式的晶体管M3和M4、M5和M6分别用来偏置Class-AB控制晶体管M7和M8的栅极。浮置Class-AB控制晶体管M7和M8，接成二极管形式的晶体管还有输出晶体管形成两个环路，M7、M3、M4和M1，M8、M5、M6和M2，这两个环路决定了输出晶体管的静态工作电流。Class-AB特性通过控制两个输出级晶体管的栅极之间的电压差恒定表现出来。假设两个同相输入电流Iin1和Iin2流向Class-AB输出级，结果导致了M7的沟道电流增加，M8的沟道电流也相应地减少相同量。相应的，两个输出晶体管的栅极电压均上升。因此输出节点从负载有一个拉电流，这个过程一直持续到PMOS控制晶体管M7的漏电流等于Ib1。可以通过设计Class-AB控制晶体管来保证一个最小的电流值Ib1。最终M1截止，M1、M2栅上电压接近VDD。当输入电流方向相反的时候，过程与之相反。

图3 输出级电路设计

2.4 斩波技术

斩波稳定技术可以对运放中的失调噪声和低频噪声进行频域调制[9～10]，把信号和失调电压调制到不同的频段，通过滤波可以将调制后的失调噪声和低频噪声消除，如图4所示。因此本次设计中也加入了斩波技术，斩波开关可以采用MOS晶体管实现。

图4 斩波原理

2.5 电路的实现与仿真

如图5所示，输入信号经过第一次斩波处理后，在第一级输出端又经过了第二次斩波。整个运放的第一级运用了自举增益式的折叠式共源共栅结构（即OP1），其增益是普通折叠式共源共栅结构的AV1,2倍，AV1、AV2是用来做自举增益运放OP1和OP2的开环增益。P5和N5组成了输出级，而P11和N4构成了浮动控置Class-AB控制，用来产生输出级的偏置静态电流，由于是全差分放大电路，输出端共模电平不能确定，所以第一级的两个折叠点通过P2和N0以及N1、N2形成了共模反馈电路。

这个运放的主极点在第一级输出和第二级输入之间，而输出极点在运放的输出端，为了保证稳定，在第一级和第二级间加入了补偿电容，采用了米勒补偿电容。图6和图7是斩波开关的逻辑，因为是差分输入信号的输入，所以第一次斩波处理所采用的开关是传输门互补形式，而第二次斩波工作在运放各支路中，采用了P管和N管的单管结构。从仿真结果上看，前置放大器基本满足了带宽、稳定性的设计要求。图10是前置放大器的版图实现。

图5 前置放大器的电路实现

图6 第一级斩波开关结构CHOPPER1

图7 第二级斩波开关结构CHOPPER2、CHOPPER3

图8 前置放大器AC仿真结果

图9 前置放大器CMRR仿真结果

图10 前置放大器的版图实现

本文采用CSMC ST2000 PDK工艺，利用MATLAB仿真软件对所设计的电路进行仿真验证，得到一系列性能指标，如表1所示[11～12]。

表1 前置放大器仿真参数

从表1可知，电路参数满足设计要求，并在直流增益及单位增益带宽方面有所提升，性能上拥有更好的优势[13]。

3 总结

本文针对一个高精度AD的工作要求，在其输入级的前端设计了一个低噪声放大器。同时为了减小低噪声放大器引入的噪声，从电路结构方面进行了改进，引入了斩波技术。针对运放的一些非理想因素，如失调电压、1/f噪声，采用了斩波技术来改善性能，并用无锡上华工艺厂提供的CSMC ST2000 PDK进行了电路仿真和版图设计，仿真结果表明该前置放大器的单位增益带宽超过了10 MHz，相位裕度达到了66 dB，性能指标满足要求。

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Design of a Low Noise Preamplifier

WANG Bin1,LI Jian2,XIAO Ziyi1
（1.China Electronic Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China；2.Jiangnan University,Wuxi 214122,China）

In the paper,a preamplifier of CSMC ST2000 PDK process featuring low-noise,wide output range, fast setting up and high gain is designed using EMI filtering and chopping technology.The preamplifier system is verified by MATLAB.The unit gain bandwidth of the preamplifier exceeds 10 MHz,and phase margin reaches 66 dB,thereby meeting the expectation.

low noise;chopping technology;fastsetting up