一种斩波失调稳定仪表放大器的研究与设计
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运算放大器发明至今已有数十年的历史,从最早的真空管演变为如今的集成电路,它在不同的电子产品中一直发挥着举足轻重的作用。
而现如今信息家电、手机、PDA 、网络等新兴应用的兴起更是将本次专题的主角-运算放大器推向了一个新的高度。
本次专题就来带你了解一下它吧!运放是运算放大器的简称。
在实际电路中,通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。
由于早期应用于模拟计算机中,用以实现数学运算,故得名“运算放大器”,此名称一直延续至今。
运放是一个从功能的角度命名的电路单元,可以由分立的器件实现,也可以实现在半导体芯片当中。
随着半导体技术的发展,如今绝大部分运放是以单片的形式存在。
现今运放的种类繁多,广泛应用于几乎所有的行业当中。
- 运算放大器的发展史 -- 运算放大器的分类 -1941年:贝尔实验室的Ka rl D.Swartzel Jr.发明了真空管组成的第一个运算放大器,并取得美国专利2,401,779,命名为“Su mmin gA m p ifier ”;11952年:首次作为商业产品贩售的运算放大器是Geo r g e A. Philbrick Researches (G AP/R )公司的真空管运算放大器,型号K 2-W ;21963年:第一个以集成电路单一芯片形式制成的运算放大器是Fairchild Senmiconductors的Bob Widlar所设计的μA702,1965年经改后推出μA709;31968年:Fairchild半导体公的μA741。
迄今为止仍然在用,他是有史以来最成功的器,也是极少数最长寿的IC 一。
4通用型运放其性能指标能适合于一般性(低频以及信号变化缓慢)使用,例如741A ,L M358(双运放),L M324及场效应管为输入级的L F356.高阻型运放这类运放的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小。
实现这些指标的主要措施是利用场效应管的高输入阻抗的特点,但这类运放的输入失调电压较大。
TLC2652高精度放大器一、引言二、在微弱信号的测量中,常常需要放大微伏级的电信号。
这时,普通的运算放大器已无法使用了,因为它们的输入失调电压一般在数百微伏以上,而失调电压的温度系数在零点几微伏以上。
固然输入失调电压可以被调零,但其漂移则是难以消除的。
德州仪器公司生产的斩波稳零型运算放大器提供了一种解决微信号放大问题的廉价方案。
TLC2652和TLC2652A是德州仪器公司使用先进的LinCMOS工艺生产的高精度斩波稳零运算放大器。
斩波稳零的工作方式使TLC2652具有优异的直流特性,失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到了最小,TLC2652非常适合用于微信号的放大。
二、TLC2652的内部结构图一、TLC2652的功能框图下面对TLC2652的内部功能单元作一简单介绍:1、主放大器。
它与一般的运算放大器不同之处在于,它有三个输入端。
除引出芯片外部的同相和反相输入端外,其在芯片内部还有一个用于校零的同相输入端。
2、校零放大器。
它也有三个输入端,但与主放大器相反,在芯片内部的输入端是反相输入端。
3、时钟和开关电路。
内部时钟产生时钟信号,控制各开关按一定的时序闭合与断开。
在14和20引脚的芯片中时钟信号还可从外部引入。
4、补偿网络。
它使电路在较宽的频带内有平坦的响应。
在TLC2652中,电路的高频响应主要由主放大器决定。
5、箝位电路(CLAMP)。
它实际上是一个当输出与电源电压相差接近1V时动作的开关,把CLAMP与运放的反相输入端短接,则其引入的深度负反馈可使电路在过载时的增益大大下降以防止饱和。
它可以加速电路在过载后的恢复。
三、斩波稳零的工作原理图二、TLC2652的简化框图TLC2652芯片上的控制逻辑产生两个主要的时钟周期:校零周期和放大周期。
主放大器一直与电路的输入端和输出端相连,而校零放大器则在两个周期内分别对自己和主放大器校零。
在校零周期内,开关A闭合,使校零放大器的两个输入端短路,通过自身的反馈,校零放大器的失调电压被减到最小。
10种不同类型的运算放大器介绍一.OP07C运算放大器OP07C是一款低失调低漂移运算放大器。
生产厂家主要有德州仪器公司和AD公司。
这款运算放大器具有非常低的输入失调电压,所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
目前价格为1.5元/个—2元/个。
特点:1)低噪音2)没有外部组件要求3)输出电压范围广. . . 0 to ±14 V Typ4)供电电压范围广. . . ±3 V to ±18 V5)超低偏移:150μV最大6)低输入偏置电流:1.8nA 。
7)超稳定,时间:2μV/month最大8)高电源电压范围:±3V至±18V相关参数介绍:电气特性:虚拟通道连接= ± 15V ,二.LT1812 具有关断功能的运算放大器LT1812是LINEAR公司生产推出的一款具有良好的DC特性的低功耗,高速率,高转换率的运算放大器。
它采用具有电流反馈特性的电压反馈式电路结构,因而具有更低的电源电流,输入偏移电压和输入偏置电流及更高的DC增益,LT1812自身的关断特性使得芯片的电源电流仅为50uA,从而大大降低了功耗。
主要运用于带宽放大器,缓冲器,有源滤波器,有线设备,数据采集系统及音频,射频等领域。
目前报价10元/个。
特点:1)具有100MHz 的增益带宽,且增益稳定。
2)转换速率高。
3)具有关断功能,停机模式中的电源电流为50μA4)30ns 稳定时间至0.1%,5V 阶跃相关参数:工作范围:-40ºC 至85ºCTA = 25°C, VS = ±5V, VCM = 2.5V 括号内为测量条件(与上表参数数值相同的省三.LM318 高速运算放大器LM318是一款高速单运放。
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自动调零放大电路的原理及应用学生姓名:边文霞学号:20095044059学院:物理电子工程学院专业:电子科学与技术指导教师:马建忠职称:讲师摘要:由于传感器技术的广泛使用,而其输出的信号电压在零至数毫伏内发生变化,因此实现低漂移信号是至关重要的。
自动调零放大电路、轮换自动校零集成运算放大器、斩波稳零集成运算放大器可以减小集成运算放大器的失调和低频干扰引起的零点漂移。
本文通过对自动调零放大电路原理及应用的介绍,使对自动调零放大电路有初步的了解。
关键字:自动调零放大电路; 轮换自动校零放大器; 斩波稳零放大器The Principle And Application Of Automatic Zeroing Amplifier CircuitAbstract:Due to the widespreadly using of sensor technology and signal,the output voltage changes from zero millivolt to several millivolts , so achieving low drift signal is very important. Automatic zero adjustment circuit,rotation automatic zero integrated operational amplifier, chopper—stabilized operational amplifier can reduce the zero drift caused by the integrated operational amplifier offset and low frequency interference。
一种适合检测生物电信号的基于斩波技术的放大器骆妙艺;凌朝东;李国刚【摘要】由于生物电信号非常微弱,容易受量测环境及电路本身等因素所影响,故要求该放大器具有低噪声和低失调电压的性能.据此提出了一款适合检测生物电信号的差分差值放大器,并应用了斩波技术来降低低频噪声和失调电压的影响.通过Cadence公司的Spectre仿真结果,电路测得增益达34 dB,共模抑制比可达114.2 dB.该电路采用上华DPDM 0.6 μm CMOS工艺.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2007(030)021【总页数】3页(P101-103)【关键词】差分差值放大器;斩波技术;生物电信号;CMOS工艺【作者】骆妙艺;凌朝东;李国刚【作者单位】华侨大学,信息科学与工程学院,福建,泉州,362021;华侨大学,信息科学与工程学院,福建,泉州,362021;华侨大学,信息科学与工程学院,福建,泉州,362021【正文语种】中文【中图分类】TN721 引言目前用于检测生物电信号的前端仪表放大器的典型结构有:三运放仪表放大器(Three Operation Amplifier Instrumentation Amplifier,3OIA)和电流模仪表放大器(Current-Mode Instrumentation Amplifier,CMIA)[1]。
3OIA的电路结构如图1所示,输入信号在同向端输入,输入阻抗高。
为了提高CMRR,除了电阻R1外,所有的电阻都必须匹配或是采用外部电路来调整电阻率以达到较高的CMRR值。
其CMRR与电路中输入级(OP1,OP2及R1,R2,R3构成)的电压增益有关[1],由于增益带宽积的限制,使得3OIA放大器为了有较高的CMRR,将造成频宽相对的减少。
并且采用3OIA架构需要7个电阻和3个运放,其电路结构将造成晶片面积过大,不符合经济效益。
要在单片集成电路设计上实现电阻和前6端运放相互匹配,还需要增加昂贵的片上激光修剪技术[2]。
一种斩波失调稳定仪表放大器的研究与设计
[导读] 采用斩波失调稳定技术设计了一种包括辅助运
放和主放大器的仪表放大器。
辅助运放采用内置解调器结构,形成低噪声和低失调电压来调节主运放的噪声和失调,使输出极点成为主极点,无需低通滤波器。
仪表放大器的带宽由主运放决定。
本电路采用TSMC 0.35 μm 5 V混合信号工艺设计,利用Cadence公司Spectre进行仿真。
结果表明,电路开环增益达87.3 dB,增益带宽积12 MHz,共模抑制比可达117 dB。
仪表放大器是把关键元件集成在放大器内部,它源于运算放大器,但优于运算放大器。
其低噪声、低失调、高共模抑制比、高输入阻抗等是仪表放大器的重要指标。
目前降低1/f噪声和失调的方法有:微调技术、自动归零技术和斩波技术。
微调技术无法降低放大器的1/f噪声和温度漂移。
自动归零技术是一种采样技术,通过对低频噪声、失调进行采样,然后在运算放大器的输入或输出端,把它们从信号的瞬时值中减去,实现对1/f噪声和失调的降低,因为该技术对宽带白噪声是一种欠采样过程,所以会造成白噪声的混叠[1]。
斩波技术采用调制和解调的方法,把1/f噪声和失调调制到高频端,再经过低通滤波器滤除,而有用信号经过调制后,又解调到基带,这种技术没有白噪声混叠的缺
点,但是其斩波频率限制了其带宽。
本文设计的仪表放大器,同时应用了斩波稳定技术[2]和自动归零技术[3]来降低1/f噪声和失调电压的影响,具有高的共模抑制比、低失调电压以及能够动态补偿失调电压的特点。
1 斩波技术的基本原理
斩波原理图如图1所示。
斩波技术通过把输入信号和方波信号调制,再经同步解调和低通滤波后得到所需要的信号,它实质上并没有消除失调,而是把失调电压和低频噪声调制到高频,然后通过低通滤波器把高频处的失调电压和噪声滤除掉。
在理想情况下,斩波运放能够完全消除直流失调和低频噪声(主要是1/f噪声)。
斩波调制原理如图1所示,假设Vin、V out分别是输入、输出信号电压,A为放大器的增益,Vch是周期性方波信号,fch
2 斩波失调稳定技术
斩波过程会产生很多混频产物,包括斩波频率和输入信号的和、差项。
这些混频产物会引起很大的失真,特别是当信号频率接近斩波频率时尤为明显。
而且低通滤波会减小可用信号的带宽。
要想在信号带宽不减小的情况下抑制噪声和失调,最好的解决办法是使用斩波失调稳定的运算放大器。
这种电路结构在主通路提供信号带宽,而辅助通路减少失调,其电路结构如图2所示[4],其中辅助通路包括斩波稳定放大器和积分器,主通路只有1个放大器。
假设主放大器的主、辅输入端的失调电压分别为
V osm(主)、V osm,1(辅),主、辅输入端的增益分别为Am、Am,1;辅助运放的等效失调电压为V osn、增益为An,整个放大器的整体失调电压为V os,则有:3 斩波失调稳定放大器的设计和仿真
3.1 辅助运算放大器
本文采用的辅助放大器如图3(a)所示[4],它是由两级运放和1个调制器、1个解调器组成,它有一个显著的特征:解调器放在两级运放之间,主极点P1在第二级运放上、次极点在第一级运放上。
为了满足放大器的相位裕度,第一级的截止频率要比整体的高。
由于本方案是在第二级之前解调
的,所以第二级运放的运算放大器的截止频率fc可以比fch 低,从而降低了斩波运放的功耗。
而传统的斩波放大器是在输出端进行解调的,所以各级放大器的fc要比fch高。
另外,相位补偿电容可以作为第一级的窄带LPF,所以本斩波放大器不需要在后面接LPF。
当输入1 mV、1 kHz的小信号及斩波频率为10 kHz时,斩波电路的开环瞬态仿真结果如图3(b)所示。
3.2 主放大器
主放大器采用差分差值放大器DDA(Differential Difference Amplifier)[5],其采用了两对差分对结构,相当于一个四输入、单端输出的电路组态,如图4所示。
DDA电路有两个跨导放大器和一个将电流转电压(I→V)的放大单元。
输入信号以差分的形式输入,通过跨导单元转化成差分电流,再将各对应支路上的电流进行算术运算,最后通过电流转电压单元放大输出。
主放大器采用共源共栅结构,如图5所示[6],有2个主输入端(V+,V-)和2个辅助输入端(Va+,Va-)。
失调信号△V 加在辅助输入端,在辅助放大器尾端产生一个微扰电流△i,
然后通过电流镜M13~M16在主放大器产生+/-m△i,经共源共栅放大后产生失调校正△V0。
M7~M10共源共栅电流镜作为负载,可以提高输出摆幅[7]。
3.3 整体电路的仿真结果
当Vin的瞬态扫描电压幅值为5 μV、频率是1 kHz、AC扫描幅值为1 V、斩波频率为10 kHz,相位补偿电容为0.5 pF时,可以看出开环增益达到87.3 dB,增益带宽积为12.17 MHz,相位裕度在65°以上,CMRR的值为117 dB,PSRR的值大于86 dB。
仿真结果如图6所示。
本文应用斩波失调稳定技术设计了一款适用于仪表的
放大器,通过对所设计电路进行spectre仿真调整,能够降低1/f噪声和失调电压的影响,电源抑制比、共模抑制比都很高,而且放大器的带宽能比斩波频率高很多,但为了提高系统的驱动能力,还需要在后面接缓冲器。
参考文献
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