《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置：首頁(yè) > 模擬設(shè)計(jì) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 一種應(yīng)用乒乓自歸零的高精度放大器
NI-LabVIEW 2025
一種應(yīng)用乒乓自歸零的高精度放大器
電子技術(shù)應(yīng)用
鄧新偉，楊尚爭(zhēng)，毛佳烽，胡偉波，任立儒
南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院
摘要： 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種低失調(diào)、高增益的運(yùn)算放大器（運(yùn)放）。整體電路包含帶隙基準(zhǔn)、振蕩器、分頻器、輔助運(yùn)放和主運(yùn)放等。該電路采用乒乓結(jié)構(gòu)的自歸零技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)工作，同時(shí)顯著縮減了放大器的輸入失調(diào)偏移。此外，還提出了一種新穎、高效的控制時(shí)序，以較低的成本有效降低了放大器在乒乓切換過程中的穩(wěn)定時(shí)間，進(jìn)一步減小了放大器的輸出毛刺。該放大器芯片基于350 nm CMOS工藝設(shè)計(jì)制造，實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，在5 V電源電壓下，放大器消耗了0.65 mA的電流，實(shí)現(xiàn)了最大3 µV的輸入失調(diào)偏移，增益帶寬積為8 MHz，噪聲頻譜密度降到了30 nV/√Hz。
中圖分類號(hào)：TN402 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245990
中文引用格式： 鄧新偉，楊尚爭(zhēng)，毛佳烽，等. 一種應(yīng)用乒乓自歸零的高精度放大器[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(3)：49-53.
英文引用格式： Deng Xinwei，Yang Shangzheng，Mao Jiafeng，et al. A high-precision amplifier using ping-pong auto-zeroing[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(3)：49-53.
A high-precision amplifier using ping-pong auto-zeroing
Deng Xinwei，Yang Shangzheng，Mao Jiafeng，Hu Weibo，Ren Liru
College of Electronic Information and Optical Engineering， Nankai University
Abstract： This paper presents the design and implementation of a low-offset, high-gain operational amplifier (op-amp). The overall circuit consists of a bandgap reference, oscillator, frequency divider, auxiliary op-amp, and main op-amp. By employing a ping-pong auto-zeroing architecture, the circuit achieves continuous operation while significantly reducing the input offset voltage of the amplifier. Furthermore, this paper proposes a novel and efficient control timing scheme that effectively reduces the settling time during ping-pong switching at a relatively low cost, further minimizing the output glitches of the amplifier. The amplifier chip was designed and fabricated in a 350 nm CMOS process. Measurement results demonstrate that under a 5 V supply voltage, the amplifier consumes 0.65 mA current, achieves a maximum input offset voltage of 3 µV, provides a gain-bandwidth product of 8 MHz, and exhibits a noise spectral density as low as 30 nV/√Hz.
Key words : low-offset；ping-pong；auto-zeroing；amplifier

引言

隨著互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）工藝的不斷發(fā)展，CMOS憑借其便于集成以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為了主流工藝。但是CMOS放大器受失調(diào)電壓（1~10 mV）、溫漂以及1/f噪聲的影響，無法滿足高精度應(yīng)用的要求。通常在電路設(shè)計(jì)上解決上述問題有兩種技術(shù)：斬波技術(shù)和自歸零技術(shù)[1-2]。采用斬波技術(shù)會(huì)在放大器的輸出端引入紋波，如果放大器后面驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，這種紋波在ADC采樣時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，除非采樣和斬波同步發(fā)生在紋波的過零點(diǎn)[3]。隨著斬波技術(shù)的發(fā)展，文獻(xiàn)[4-7]分別展示了不同的方法來減小紋波。但所有這些方法有一個(gè)共同的缺點(diǎn):當(dāng)輸入被調(diào)制時(shí)，即使放大器是無失調(diào)偏移的，它們有限的帶寬也將引起切換瞬變，而在放大器的輸出處解調(diào)時(shí)，切換瞬變會(huì)變成毛刺。而自歸零相比斬波而言，由于沒有調(diào)制解調(diào)過程，不會(huì)產(chǎn)生紋波[8]。但由于采樣作用，自歸零是一種不適用于連續(xù)時(shí)間工作的技術(shù)。當(dāng)需要連續(xù)時(shí)間操作時(shí)，則需要使用乒乓結(jié)構(gòu)[9]，其中兩個(gè)自歸零放大器彼此并聯(lián)運(yùn)行，一個(gè)自動(dòng)調(diào)零，一個(gè)用于放大信號(hào)。此外放大器在乒乓切換過程中，一般采用兩相非交疊時(shí)鐘控制切換時(shí)序[10]，但這樣會(huì)在放大器的輸出引入毛刺。

為了解決上述問題，本文基于350 nm CMOS工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)乒乓結(jié)構(gòu)的自歸零放大器。該放大器采用乒乓架構(gòu)實(shí)現(xiàn)自歸零的連續(xù)工作，使用一種新穎、高效的穩(wěn)定階段時(shí)序，不僅有效降低了放大器在乒乓切換過程中的穩(wěn)定時(shí)間，而且更重要的是減小了放大器的輸出毛刺。本設(shè)計(jì)實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，在5 V電源電壓下，該放大器消耗了650 μA的功耗，實(shí)現(xiàn)了最大3 μV的失調(diào)電壓，8 MHz的增益帶寬積，1 kHz下噪聲頻譜密度為30 nV/√Hz。


本文詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)下載：

http://theprogrammingfactory.com/resource/share/2000006358


作者信息：

鄧新偉，楊尚爭(zhēng)，毛佳烽，胡偉波，任立儒

（南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津 300350）


Magazine.Subscription.jpg

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。