低失调电压低输入噪声仪表放大器设计*

2018-10-30荣家敬辛晓宁

微处理机 2018年5期

荣家敬，任建，辛晓宁

（沈阳工业大学信息科学与工程学院,沈阳110870）

1 引言

近年来，随着电子技术快速发展，集成运放的市场需求越来越多。仪表放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移、良好的稳定性等特性，使用方便，被广泛应用于精密电路系统领域，例如工业仪表、航空航天、医疗器件等[1]。

仪表放大器是一种源于运算放大器，但却优于运算放大器的精密差分电压放大器。作为一种闭环增益组件，它具有一对差分输入和一个单端输出。运算放大器的闭环增益由其反相输入端与输出端之间连接的外部电阻所决定,而仪表放大器则是由与输入隔离的内部反馈电阻决定的[2]。

目前仪表放大器的失调电压在10mV左右，而输入噪声为20μV/sqrt(Hz)。本文所设计的仪表放大器不仅能够编程设置增益，在此基础上，还首创采用失配分析，使得仿真结果更加接近实际情况，与参考文献[3]相比失调电压小了一个数量级，等效输入噪声小于101.75 nV/sqrt(Hz)。

2 仪表放大器原理

仪表放大器与通常所说的“运放”不同，实际上是由三个放大器和若干电阻构成的。典型的仪表放大器如图1所示。在实际使用时一般采用一个封装于其中的运放来实现，对其电阻也有严格的要求。仪表放大器最突出的优点是具有很高的共模抑制比，但前提是其中的某些电阻需要高度匹配[4-5]。基本要求是其中R3=R4，R5=R6，实际使用时通常也要使R1=R2。

图1 仪表放大器原理图

在假设图1中所有放大器都是理想运算放大器且其中电阻满足上述要求时，仪表放大器的输入、输出关系很容易得到。当我们说“假设一个放大器是理想运算放大器”时，包含许多假设，例如开环增益无穷大、输入阻抗无穷大、带宽无穷大等。一个容易被忽视的假设是，这种放大器必须是双电源供电的，因为在分析时要求运放的输出是可正可负的。在满足上述假设且电路的反馈关系为负反馈的条件下，运放的同相端电压严格等于反相端电压，因此在图1中，有：

用式(1)减(2)可得：

假设图1中的VCM点电压为0，R3=R4，R5=R6，则有：

3 可控仪表放大器电路

仪表放大器整体结构如图2所示。从结构上看，这种放大器与基本的仪表放大器较为相似，但也存在一些差别。首先，第3个放大器A3采用了全差分结构，最终输出是差分信号，这与单端输出结构相比有一个显著的优势，就是可以消除共模噪声的影响；其次，该放大器采用了斩波技术，在每个放大器前都增加了交叉开关，通过斩波技术可以将输入噪声和输入失调电压调制到高频，通过一个简单的低通滤波器就可以将噪声滤除[6]。其中RS1和RS2、RS3和RS4都是相同的可控电阻。

图2 可控仪表放大器

图3为可控仪表放大器中的交叉开关。当控制信号S=1 时，Vo1=Vi1，Vo2=Vi2，而当S=0 时，Vo1=Vi2，Vo2=Vi1。使用这种开关后，图2中放大器的同相端和反相端的信号是可以互换的，利用这一技术即可消除或减小器件失配的影响。

图3 交叉开关

图4是可控电阻RS1和RS2的电路图，图5则是可控电阻RS3和RS4的电路图。图中A、B、C是可控电阻器的端点，与图2中可控电阻器的端点相对应。

图4 可控电阻RS1和RS2

图5 可控电阻RS3和RS4

图2中的放大器A1和A2内部结构相同，如图6所示。其中 M5、M6、M9、M10等晶体管和两个简单放大器A4的作用，从静态角度看，该电路可以理解为一种低压差的镜像电流源，放大器A4的作用是令A点和B点的电位相同。从动态特性的角度看，该电路相当于增加了从M9逻辑看上去的动态电阻RO。这种电路也称为增益提升电路[7-8]。M25、M26及放大器A5的作用与增益提升电路作用相同。

图7是放大器A1和A2简化后的电路图，该电路是一种AB类放大器。所谓AB类放大器就是甲乙类放大器，是一种能够输出较大电流的放大器，可驱动较小的电阻和较大的电容。AB类放大器的静态电流较小，但在有需要时可输出较大的电流。图7中的iP和iN是来自差分输入管M21和M22的电流，这两个电流之和不变，静态时，放大器的两个输入端电压VP=VN，则iP=iN。由于差分输入管是PMOS管，当VP＞VN时，iP减小，iN增加。图中的IB3和IB4是前文所述的经增益提升技术处理的电流源，具有很高的输出电阻，因此，微小的电流变化就能使D点和C点产生很大的电压变化。图中的M18、M19、M13和M16等在动态时是共栅极电路，具有同相电压放大作用，因此，当C点电压升高时，E点电压也升高。当出现上述变化时，IOP将减小，ION将增加，而电路的输出电流IOL为IOP与ION之差，故IOL将减小。可以看出，放大器的增益主要取决于电流源IB3和IB4的输出电阻，如果IB3和IB4是理想的，放大器有无穷大的开环增益。M1、M2、M18和 M12构成的跨导线性环（transline loop）为M12管提供静态偏置电流[9-10]。由于M18和M2的栅极都是连接在A点的，M1和M12的源极都是VDD，所以：

图6 放大器A1和A2结构

图7 放大器A1和A2的等效电路

MOS管漏极电流与VGS的关系为：

式(5)可以写为：

所以，式(6)左边可以写为：

M12管的静态电流IDS12则为：

从式(8)可以看出，MOS管M12的静态电流由电流源IB2、IB3和晶体管尺寸决定，与电源电压无关。

图8 A3全差分放大器

仪表放大器A3与A1、A2结构都相同，不同之处在于A3是全差分结构，图8是放大器A3电路图。

全差分运算放大器都存在输出共模电压不稳定的问题，需要用到共模反馈，图9即是其电路。

图9 共模反馈电路

其中R1和R2大小相等，用于检测输出共模电压，然后共模电压通过放大器与参考电压比较来调节全差分运算放大器A3的电流，同时调节图8中的Q23和Q24来改变输出，进而将输出的共模点调节到Vref。通常共模电压为电源电压的一半，所以Vref的值取为电源电压的一半，其值可以从RW中求取。

4 实验仿真

首先验证仪表放大器的增益可调功能。输入信号为增选信号，信号的频率为1kHz,振幅为1mV。增益调整编码顺序为AL2AH2AH1AL1。图10是不同增益编码对应的输出结果。图中的输出是差分结果，从中可以看出，在0000时增益为16，在0001时增益为32，在0010时增益为64，在0011时增益为128，在1000时增益为1，在1001时增益为2，在1010时增益为4，在1011时增益为8。