低频低噪声模拟信号自动增益控制系统的设计

申莎莎

（山西省运城学院物理与电子工程系，山西运城044000）

在模拟集成电路的设计中，对微弱信号处理，前级放大电路设计非常重要。保证具有足够高增益的同时，又能保证良好的噪声控制能力，已成为模拟电路设计领域里的研究热点。本文对低噪声运算放大器设计研究，通过仿真工具以及给每个核心运放提供独立的低噪声偏置和基准源等使运放组系统的噪声性能参数得到优化，同时在对自动增益控制系统的方案选用时采用了改变输入电流的方式。为了满足高性能低噪声的要求，在版图和布局上将核心运放单独放置在整个芯片的右侧，通过隔离带将其与芯片的其他部分隔离，使每个高性能运放单元分别具有各自的隔离环，从而使抑制衬底噪声的能力得到进一步增强。在布线方面对于敏感信号也做了加强保护，采用了一些保护隔离走线技术，优化了ESD保护以进一步提高电源抑制比。为了控制产品的最终成本，本文设计方案采用0.5μm标准CMOS工艺进行设计制造，对一种迷你激光型条码扫描器产品的光头驱动SOC芯片中的低噪声放大电路系统进行了设计研究。由电机驱动的激光管发射出激光，并通过摆镜的摆动将激光点扫射出去形成扫描线。而光敏接收管根据接收到反射光学镜组光线的强弱，转化成弱电流提供给低噪声放大系统，将弱电流放大为大信号后，由MCU采集分析得到条码数据。

1 噪声的原因及抑制原理

在电路应用中，将除了希望得到的有用信号之外的所有信号都称之为噪声。对于模拟信号放大系统，噪声的大小限制了系统对信号的最小处理能力。要求处理高精度和小信号放大与处理的电路设计时，如何处理好噪声，是对电路设计者的最大挑战。噪声的产生有电路的耦合、串扰等其他外部因素导致的外因和信号处理电路中本身的电子元器件自身所产生内因[1]。在现实生活中噪声是不可避免的，可通过主动降噪和被动降噪两种方法处理噪声。被动降噪中最常用的方法是使用滤波器,将信号频率以外的噪声直接滤除掉使其不能进入系统内部，以达到被动降噪。本设计采用了多个带通滤波器，从而有效的限制了处理通道部分对外部噪声的处理。主动降噪是通过差分形式处理信号，以达到解决共模噪声影响的目的。由于本设计受到电路规模和外部应用的限制，无法采用全差分结构，故使用了伪差分结构，以提升一定的抗内部共模干扰的能力。内部噪声情况就相对比较复杂一些，主要是对信号通路上的器件进行优化，通过牺牲一些面积和功耗，来换取低噪声性能的提高，另外调整增益分配比例，减小输入噪声所占的比例等。

2 模拟通道系统构架

2.1 条码信号特点

本设计的电路将被应用于激光型条码扫描仪中，其输入信号就是激光扫描仪中光敏二极管所接受到的回馈信号。该回馈信号的频率和幅值，主要受条码本身最细条纹的宽度和扫描器到条码的距离两方面的影响[2]。在相同大小条码的情况下，距离决定了回馈信号的幅值和频率。根据实测及经验数据，将系统的输入范围确定在输入电流幅值1nA～5uA左右，输入频率的范围为100 hz～200K hz左右。

2.2 整体硬件构架

由于本设计的输入部分是光敏二极管，输出2 Vpp的放大后的信号即可，电源采用为3～3.3 V的电压供电。输入部分需要一个基准电压偏置，信号输入范围即电流差模幅值1 nA～5 uA左右，输入频率范围在100 hz～200 Khz左右。对于输入信号幅值1 nA需要放大至2 Vpp，所需的增益为186 dBA/V；而若要5 uA输入信号幅值放大至2Vpp，所需的增益应为112 dBA/V。所以整个放大系统的增益动态范围应该在112 dB～186 dBA/V。根据上述推导出需求，可将整个系统分成电流电压转换级和自动增益控制级两个部分。如下图1所示，采用两级放大结构。电流电压转换级承担100 dB增益，自动增益控制级设计一个高增益运算放大器负责12～86 dB的动态增益控制，两级带宽设计在200 Khz以上。

图1 一级电流电压转换与一级自动增益控制器

这种结构是通过在自动增益控制级采用一个高增益运放来完成的。1 mV则放大器增益最高只可能为60 dB，并不能达到最大增益80 dB的要求。因此采用多级放大器级联，进行逐级放大。将自动增益控制系统拆分成为两级并联，采用电流电压转换100 dB串联自动增益控制第一级0～50 dB串联自动增益控制第二级0～50 dB。采用反相放大与正相放大交替级联，并且使用交流共模偏置的方式，减小失调电压对输出的影响[3]。

2.2.1 模拟通道构架

由于条码解码算法需找到对应的条码图形边沿，并需要增加一个微分算法将信号的边沿选择出来，所以此处增加了一个微分级,结构是电流电压转换级-＞电压放大级-＞增益控制级-＞微分级-＞增益控制级-＞电压放大输出。每级之间采用交流耦合，解决失调电压引起的直流偏移问题。每级采用外部配置增益和带宽的方法，解决由IC工艺偏移引起的带宽与增益偏差的问题。外部用高精度的元件网络来精确控制需要的带宽与增益，如图2。本设计采用了一种抽取输出电流的方法来降低增益，这样进行电路设计的好处是不会影响反馈网络的滤波特性，也不需要在电路中加入耗尽型器件。

图2 增益控制系统原理

2.2.2 辅助电路构架

当确定模拟通道框架后，对每一个部分都采取了一些小的优化措施以提高整体噪声性能和电源抑制比。先对电源和偏置电路采用低噪声优化，即对每一级运算放大器组分别采用独立的线性稳压源供电，并将地线与电源线分离开，使其运放组之间的干扰降到最低。基准及偏置电路分别由各自独立的线性稳压电源上独立产生，偏置电流用经典结构以提高温度系数。本文使用两种不同类型的电阻来匹配，补偿MOS管的温度系数从而得到温度系数良好的基准电流。基准电压的产生，也采用了先产生PATA电流再经由温度补偿而得到的方式，相比采用运算放大器输出的带隙基准源结构，这样的设计具有更小的输出噪声。本设计的整体电路基本构架构建完毕。将多级低增益运放串联分成三个运放组，分别负责电压电流转换[4]。电压放大以及前增益调节、微分运算以及后增益调节并输出，每个运算放大器组，均采用独立电源，即完全独立的偏置以及基准。

3 模拟通道实现

3.1 跨导型低噪声运算放大器实现

跨导型低噪声运算放大器应用于电压电流转换级、电压放大第一级和微分放大级中的微分器中。其目的是处理微弱信号，并保证微弱信号不失真。使用一对PMOS差分输入对管作为运算放大器的输入级，输出级则采用跨导型运算放大器进行输出，并采用了串联型共源共栅结构。输入对管采用PMOS，相比使用NMOS输入的对管来讲具有更好的噪声表现，其缺点是电阻热噪声会比较高。但由于信号频率处于比较低的频段，受到闪烁噪声的影响更大，所以不关注电阻热噪声。本设计中信号为矩形波对边缘的还原要求比较高，故选取跨导输出级，可以保证矩形波上升下降边沿的一致性，即信号边沿的上升下降速度一至对称。共源级输出的输出电流可以等效看作是电流源同共源级放大器的漏电流分流，端口流出电流的最大值为等效电流源电流，即共源级放大器的偏置电流；而端口流入电流的最大值为共源级放大器的饱和电流。由此可见其输出端口的流入流出电流的能力并不平衡，因此对于正向与负向脉冲响应的的速度就会有所不同，从而造成输入信号的边沿畸变。然而，跨到输出级可等效为两个串联的电流源并且其电流之和为偏置电流镜像倍数，因而其对正负脉冲响应一致。采用共源共栅结构用以提高增益[5]，并提高中低频电源抑制比；另外也增强了偏置电流，同样用于在低噪声优化后提高运放增益和带宽。将输入级变成了轨到轨输入级，并通过镜像电流的方式将两种类型的输入级并联起来。因为微分级的增益设置较高，为了简化补偿、增强系统稳定性，从而设计了该轨到轨输入级的跨导型运算放大器。

3.2 增益控制运算放大器实现

增益调节运算放大器采用单级PMOS差分输入对管的共源放大器，在以电压跟随器的形式接入增益调节电阻之后，通过控制增减该放大器的偏置电流，从而达到控制输出增益的目的。该放大器的正向输入端与放大器组的基准偏执电压相接，负向输入端与输出相接形成负反馈。当正端与负端电压相等时，流过正负两输入对管的偏置电流相同，电流镜负载与输入对管的电流相平衡，输出无电流，输出电压保持不变。当有信号时，由于输出端与负向输入端短路相接，致使输入对管的正负两管偏置电流产生变化，由于电流镜型负载的存在，将对输出端口进行充放电强制将输出端口电压向着基准电压的方向进行调节，此时在增益调节电阻上就产生了压降，使得电压信号在增益调节电阻上得到了相应的衰减，衰减的倍数取决于增益调节运算放大器的输入输出电流的大小，即运算放大器输入对管的偏置电流大小。本设计采用一个NMOS管用于产生该运算放大器的偏置电流，只要控制该NMOS的栅源电压既可实现通过电压控制增益调节运算放大器输入对管的偏置电流的目的，同时也实现了对增益调节电阻上所衰减的放大倍数进行控制。再结合增益检测反馈控制电路，即可实现对该系统的自动增益的控制[6]。增益检测系统，可以通过在最终输出级的电压峰峰值检测比较器实现。输出电压会通过两个比较器，高位比较器将输出电压同输出电平的上限做比较，低位比较器将输出电压同输出电平的下限作比较，并将比较所得的结果进行逻辑或运算之后，将其送给自动增益控制调节模块，然后由自动增益控制调节模块给增益控制电压保持电容进行充电。该电容上的电压将控制增益控制运算放大器的偏置电流，电容的放电由外部一个大电阻实现缓慢释放，从而实现自动增益控制，如表1所示。

表1 电压放大级与微分放大输出级增益

3.3 轨道轨低噪声优化放大器实现

输入级轨到轨主要用于增益控制电阻之后进行同向电压放大，避免输入摆幅过高时产生信号畸变。输出级采用输出轨到轨运算放大器，提高电压利用率，对全电压范围都具有良好的线性度，避免过放后边沿畸变，从而导致解码困难。轨到轨运算放大器采用了两级结构，在输入级采用了两种类型的差分共源输入级，而在输出级采用线性跨导环偏置甲乙类输出级。此外该轨到轨运算放大器还采用了共源共栅偏置结构。该轨到轨运算放大器在输入级使用了NMOS型差分输入级和PMOS型差分输入级，通过共源共栅结构对输出级进行调节控制。由NMOS型差分输入级对高电压范围的信号进行放大，并由PMOS型差分输入级对低电压范围的信号进行放大，得到全电压范围的输入级；在输出级采用跨导环偏置甲乙类输出级，可以确保在输出全电压范围内都具有良好的线性度[7]。

3.4 辅助电路实现

辅助电路设计部分包括供电和偏置部分，还有关于自动增益控制系统反馈采样和充电等子电路的设计。本设计位于条码扫描驱动芯片的模拟信号处理部分，基本的电源基准和偏置仍来源于整个芯片的供电系统。芯片有一个用于产生基准电压、基准偏置电流以及过温保护功能的模块，用于基准偏置线性稳压源及模拟通道供电的三路线性稳压源。三路线性稳压源之间的电源与地线，均需在外部独立配置各自的去耦电容，提高了电源抑制比和通道分离度，增强了整个系统的稳定性和抑制噪声的能力。

3.4.1 电源部分电路实现

模拟部分的三路模块供电所用的线性稳压源结构和产生该三路线性稳压源基准的供电模块的线性稳压源是一的。模拟通道的三个功能模块的电源部分结构也是基本一致的，仅为各自的功能模块提供2.7 V的工作电源。该线性稳压源采用了一个NMOS差分输入对管共源共栅的跨导型放大器，来驱动一个PMOS输出调整管，以完成线性稳压特性。对该线性稳压源在米勒补偿电容的基础上串连了电阻，增加了零点补偿，将相位裕度调整至60度以上，减小过冲，增强了输出稳定性[8]。这样设计也可以获得较小的电源纹波，使稳压源调整平滑，将电源纹波对弱信号的影响进一步减小。

3.4.2 偏置部分电路及自动增益控制辅助电路实现

模拟通道部分的放大器偏置均采用在其自身线性稳压源所提供的内部电源上独立产生。该偏执部分电路的源级电阻采用了两种不同类型的电阻混合，还同时使用了共源共栅结构。自动增益辅助电路包括了电压检测比较器，增益保持电容驱动及增益分级调节电路。电压检测比较器，采用电源分压网络设定输出高电平上限与输出低电平下限，通过迟滞比较器将输出电平与上下限电平进行比较，并将结果送入增益保持电容驱动器中，对外部的增益保持电容，进行充电来降低增益。

增益分级调节电路使电压放大增益控制级同微分放大增益控制级分开独立工作，优先进行微分后增益调节，调节至0 dB后，再开启电压放大级增益调节，优先保持前级增益，由后置前调节增益，减小增益调节放大器对信号造成的干扰。

3.4.3 ESD保护电路实现

本设计的ESD保护电路在模拟通道部分全部更改采取了独立GGNMOS的ESD保护器件并采用独立地线结构。本设计中，除了模拟通道外的其他PAD均采用常规互补性ESD保护器件。而对于模拟通道中的所有PAD，仅采用了增大型GGNMOS的ESD保护器件，主要是为了提高电源抑制比，如图3。

图3 分离式ESD结构

3.5 版图优化

3.5.1 衬底隔离

由于采用的是N阱P衬底标准CMOS工艺，整个芯片上的NMOS衬底均相连在一起，因此衬底串扰问题则不可避免。本设计将整个芯片分为左右两部分布局，芯片的左边放置其他功能模块，而整个右边是模拟信号增益控制系统。中间采用宽地线注入隔离带，将芯片衬底一分为二，最大程度降低了其他电路对模拟通道部分的衬底干扰。另对于模拟通道内部运算放大器进行了单独的衬底隔离，降低其被相邻运算放大器或其它电路干扰以及其对其他部分的干扰[9]。

3.5.2 伪差分走线及全屏蔽走线

差分信号对于抗共模干扰的能力比较强，伪差分走线也是提高抗干扰能力的一种方法。将放大器的偏置电压同单端输入电压按照差分线的方式，共同引入差分放大器的输入级，从而最小程度的降低共模噪声对弱信号的影响。全屏闭走线将信号线包裹在地线环之中，使其对外界电磁屏蔽彻底隔离[10]。本设计中的输出电位限制检测和充电信号，是以脉冲的方式工作的，对电源、衬底和弱信号的干扰较大，对这一组脉冲信号进行了全屏蔽走线。

4 产品测试

本设计中芯片采用工程样片的方式进行测试修改，在工程样品阶段对芯片做ESD测试，以确保ESD保护器件均正常工作满足ESD耐压要求。经实际测试，本芯片工程样品均通过了±2.5 kV的人体模型耐压测试，CP测试结果如表2。制作测试用PCB板子来模拟芯片的真实工作环境，将所有系统都加入到测试环境中，结果表明距离20 cm输出信号结果良好。

表2 CP测试数据截取综合良率达到96%以上

5 结语

本文设计了一个微型激光条码扫描仪的低噪声模拟自动增益控制系统，集成在激光型条码扫描驱动芯片中，从构架分析设计到原理图设计再到版图设计、测试及改版通过了最终测试，实现具有低噪声、高增益并支持自动增益控制的高性能处理系统，通过仿真辅助工具对运放电路进行低噪声优化，给每个核心运放提供独立的低噪声偏置及基准源等方法来保证运放组系统的噪声性能参数[11]。本文设计方法采用独立供电系统抑制信号串扰，加入了线性稳压供电模块以进一步提高整个系统的电源抑制比和抗干扰能力[12]。采用了改变输入电流的方式，对非传统模拟电路设计则通过采用改变反馈网络的方式加以实现。

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