本發(fā)明屬于模擬集成電路技術領域，具體涉及一種用于電容耦合斬波放大器的紋波消除環(huán)路。

背景技術：

不論在模擬電路還是數(shù)字電路中，放大是一個基本的功能。信號常常需要被放大從而去驅(qū)動后級負載，克服后級噪聲或是為數(shù)字電路提供邏輯電平。因此，模擬放大器是模擬和數(shù)字電路中必不可少的組成部分。放大器同時也被廣泛地運用在反饋系統(tǒng)中。

目前，斬波技術被廣泛運用于模擬放大器中，其功能在于能夠?qū)⒎糯笃鞯拈W爍噪聲和失調(diào)電壓調(diào)制到較高頻率，并對其進行濾除，減小放大器的噪聲和失調(diào)；電容由于其匹配精度高，無需占用額外的靜態(tài)電流，被較多地使用在低功耗放大器的反饋環(huán)路中。斬波技術和電容耦合的結(jié)合使用，可以使得放大器具有較低的噪聲水平、靜態(tài)功耗，較高的增益精度、共模抑制比等，同時能夠?qū)崿F(xiàn)對電壓的軌到軌檢測。電容耦合斬波放大器就是斬波技術和電容耦合技術結(jié)合使用的一種放大器，因其容易實現(xiàn)高共模抑制比、低噪聲、低功耗和軌到軌的輸入共模電壓范圍，從而被廣泛地運用在各類信號采集系統(tǒng)中，如生物醫(yī)療信號等。

然而，電容耦合斬波放大器由于斬波器的使用，放大器的等效輸入失調(diào)電壓會被斬波為頻率在斬波頻率的失調(diào)電流交流信號，在后級放大器的密勒電容上積分形成輸出電壓紋波。假使主放大器的失調(diào)電壓為10mv，主放大器的跨導為10us，密勒電容為10pf，斬波頻率為10khz，將在放大器輸出端造成幅值大約500mv的輸出電壓紋波，這將對輸出的波形產(chǎn)生很大的干擾。

現(xiàn)有技術中主要有兩種方式對電容耦合斬波放大器的輸出電壓紋波進行消除。第一種方式是通過在電容耦合斬波放大器后接低通濾波器的方式消除輸出電壓紋波，這種方式使得斬波放大器的斬波頻率必須是低通濾波器截止頻率的上百倍才能得到較好的紋波消除效果。通常情況下，電容耦合斬波放大器的斬波頻率是幾十khz，所以低通濾波器的截止頻率要低于1khz，低通濾波器要實現(xiàn)低于1khz的截止頻率，在模擬集成電路中電容和電阻會消耗需要比較大的芯片面積；另一方面，由于低通濾波器的截止頻率要低于1khz，這會限制斬波放大器適用的信號范圍。

第二種方式是通過將電容耦合斬波放大器輸出電壓紋波轉(zhuǎn)換為交流電流信號，斬波器將交流電流信號調(diào)制為直流電流信號，通過積分器對直流電流信號進行積分得到積分電壓，而后通過跨導將積分電壓轉(zhuǎn)換為電流補償斬波放大器主放大器的失調(diào)，從而達到減小斬波放大器輸出電壓紋波的效果。但是，由于積分器失調(diào)電壓的存在，通過跨導形成的補償電流往往不能準確地補償斬波放大器的失調(diào)，對斬波放大器輸出電壓紋波不能形成很好的抑制效果。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種用于電容耦合斬波放大器的紋波消除環(huán)路，通過將輸出電壓紋波轉(zhuǎn)化為交流電流信號，并將其調(diào)制為直流電流信號并積分形成積分電壓，進而通過ping-pong自調(diào)零技術和高頻斬波技術的結(jié)合使用，使得失調(diào)電壓被有效的抑制，從而可以形成準確的積分電壓，經(jīng)轉(zhuǎn)換為電流后能夠準確地補償斬波器主放大器失調(diào)，最終達到更好的輸出電壓紋波抑制效果。

一種用于電容耦合斬波放大器的紋波消除環(huán)路，包括：

微分模塊，用于對斬波放大器輸出的差分電壓信號進行微分處理，將其中的紋波轉(zhuǎn)換為差分的方波電流信號；

低頻斬波器，用于對差分的方波電流信號進行調(diào)制，得到差分的直流電流信號；該低頻斬波器與斬波放大器的斬波頻率相同；

低失調(diào)積分模塊，用于對差分的直流電流信號進行積分處理，在積分處理過程中引入高頻斬波調(diào)制技術和自調(diào)零技術，從而得到低失調(diào)的差分直流電壓信號；

跨導模塊，用于將低失調(diào)的差分直流電壓信號轉(zhuǎn)換為低失調(diào)的差分直流電流信號，用以對斬波放大器中的主放大器進行失調(diào)校準。

所述微分模塊由兩個微分電容cs1～cs2組成；其中，微分電容cs1的一端接斬波放大器輸出的一路差分電壓信號，微分電容cs2的一端接斬波放大器輸出的另一路差分電壓信號，微分電容cs1的另一端與低頻斬波器的第一輸入端相連，微分電容cs2的另一端與低頻斬波器的第二輸入端相連。

所述低頻斬波器由四個cmos傳輸門m1～m4組成；其中，cmos傳輸門m1的輸入端與cmos傳輸門m3的輸入端相連并作為低頻斬波器的第一輸入端，cmos傳輸門m1的輸出端與cmos傳輸門m2的輸出端相連并作為低頻斬波器的第一輸出端，cmos傳輸門m2的輸入端與cmos傳輸門m4的輸入端相連并作為低頻斬波器的第二輸入端，cmos傳輸門m3的輸出端與cmos傳輸門m4的輸出端相連并作為低頻斬波器的第二輸出端，cmos傳輸門m1的第一控制端、cmos傳輸門m2的第二控制端、cmos傳輸門m3的第二控制端以及cmos傳輸門m4的第一控制端均接外部提供的開關信號φb，cmos傳輸門m1的第二控制端、cmos傳輸門m2的第一控制端、cmos傳輸門m3的第一控制端以及cmos傳輸門m4的第二控制端均接外部提供的開關信號φ，開關信號φb與開關信號φ相位互補。

所述低失調(diào)積分模塊包括兩個積分電容cint1～cint2、濾波電容cr、高頻斬波器ch、ping自調(diào)零放大器和pong自調(diào)零放大器；其中，高頻斬波器ch的第一輸入端與低頻斬波器的第一輸出端以及積分電容cint1的一端相連，高頻斬波器ch的第二輸入端與低頻斬波器的第二輸出端以及積分電容cint2的一端相連，高頻斬波器ch的第一輸出端與ping自調(diào)零放大器的正相輸入端以及pong自調(diào)零放大器的正相輸入端相連，高頻斬波器ch的第二輸出端與ping自調(diào)零放大器的反相輸入端以及pong自調(diào)零放大器的反相輸入端相連，ping自調(diào)零放大器的正相輸出端與pong自調(diào)零放大器的正相輸出端、積分電容cint1的另一端、濾波電容cr的一端以及跨導模塊的反相輸入端相連，ping自調(diào)零放大器的反相輸出端與pong自調(diào)零放大器的反相輸出端、積分電容cint2的另一端、濾波電容cr的另一端以及跨導模塊的正相輸入端相連。

所述ping自調(diào)零放大器和pong自調(diào)零放大器的結(jié)構相同，其具體結(jié)構包括七個開關s1～s7、十二個pmos管p1～p12、九個nmos管n1～n9、兩個高頻斬波器ch1～ch2以及調(diào)零電容caz；其中，pmos管p1～p4的源極共連并接電源電壓vdd，pmos管p1～p4的柵極共連并接外部提供的偏置電壓vb1，pmos管p1的漏極與pmos管p5的源極以及pmos管p6的源極相連，pmos管p2的漏極與高頻斬波器ch1的第一輸入端相連，pmos管p3的漏極與高頻斬波器ch1的第二輸入端相連，pmos管p4的漏極與pmos管p9～p12的源極共連，pmos管p5的柵極與開關s4的一端以及調(diào)零電容caz的一端相連，pmos管p6的柵極與開關s5的一端以及調(diào)零電容caz的另一端相連，pmos管p5的漏極與高頻斬波器ch1的第一輸出端、pmos管p7的源極以及nmos管n1的漏極相連，pmos管p6的漏極與高頻斬波器ch1的第二輸出端、pmos管p8的源極以及nmos管n2的漏極相連，開關s4的另一端與pmos管p8的漏極、nmos管n4的漏極、pmos管p12的柵極以及開關s6的一端相連，開關s6的另一端作為ping自調(diào)零放大器或pong自調(diào)零放大器的反相輸出端，開關s5的另一端與pmos管p7的漏極、nmos管n3的漏極、pmos管p9的柵極以及開關s7的一端相連，開關s7的另一端作為ping自調(diào)零放大器或pong自調(diào)零放大器的正相輸出端，開關s4和s5的控制極均接外部提供的開關信號φz，開關s6和s7的控制極均接外部提供的開關信號φo，nmos管n1的柵極與開關s1的一端以及開關s3的一端相連，nmos管n2的柵極與開關s2的一端以及開關s3的另一端相連，開關s1的另一端作為ping自調(diào)零放大器或pong自調(diào)零放大器的反相輸入端，開關s2的另一端作為ping自調(diào)零放大器或pong自調(diào)零放大器的正相輸入端，開關s1和s2的控制極均接外部提供的開關信號φa，開關s3的控制極接外部提供的開關信號φz，nmos管n1的源極與nmos管n2的源極以及nmos管n5的漏極相連，pmos管p7的柵極與pmos管p8的柵極相連并接外部提供的偏置電壓vb4，nmos管n3的柵極與nmos管n4的柵極相連并接外部提供的偏置電壓vb5，nmos管n5的柵極接外部提供的偏置電壓vb6，nmos管n3的源極與高頻斬波器ch2的第一輸入端相連，nmos管n4的源極與高頻斬波器ch2的第二輸入端相連，高頻斬波器ch2的第一輸出端與nmos管n6的漏極相連，高頻斬波器ch2的第二輸出端與nmos管n7的漏極相連，nmos管n6的柵極與nmos管n7的柵極、nmos管n8的柵極、nmos管n8的漏極、pmos管p10的漏極以及pmos管p11的漏極相連，nmos管n5的源極與nmos管n6的源極、nmos管n7的源極、nmos管n8的源極以及nmos管n9的源極相連并接地gnd，pmos管p10的柵極與pmos管p11的柵極相連并接外部提供的偏置電壓vref，pmos管p9的漏極與nmos管n9的柵極、nmos管n9的漏極以及pmos管p12的漏極相連；所述開關信號φz與開關信號φo相位互補。

所述ping自調(diào)零放大器在開關信號φz時鐘相位中對自身的失調(diào)電壓進行調(diào)零校準，在開關信號φo時鐘相位中對兩路輸入信號進行放大后輸出；所述pong自調(diào)零放大器在開關信號φz時鐘相位中對自身的失調(diào)電壓進行調(diào)零校準，在開關信號φo時鐘相位中對兩路輸入信號進行放大后輸出；ping自調(diào)零放大器中的開關信號φz與pong自調(diào)零放大器中的開關信號φo相位一致。

所述高頻斬波器ch、ch1和ch2的結(jié)構相同，其具體結(jié)構由四個cmos傳輸門m5～m8組成；其中，cmos傳輸門m5的輸入端與cmos傳輸門m7的輸入端相連并作為高頻斬波器的第一輸入端，cmos傳輸門m5的輸出端與cmos傳輸門m6的輸出端相連并作為高頻斬波器的第一輸出端，cmos傳輸門m6的輸入端與cmos傳輸門m8的輸入端相連并作為高頻斬波器的第二輸入端，cmos傳輸門m7的輸出端與cmos傳輸門m8的輸出端相連并作為高頻斬波器的第二輸出端，cmos傳輸門m5的第一控制端、cmos傳輸門m6的第二控制端、cmos傳輸門m7的第二控制端以及cmos傳輸門m8的第一控制端均接外部提供的開關信號ψb，cmos傳輸門m5的第二控制端、cmos傳輸門m6的第一控制端、cmos傳輸門m7的第一控制端以及cmos傳輸門m8的第二控制端均接外部提供的開關信號ψ，開關信號ψb與開關信號ψ相位互補。

所述跨導模塊由三個pmos管pm1～pm3組成；其中，pmos管pm1的源極接電源電壓vdd，pmos管pm1的柵極接外部提供的偏置電壓vb1，pmos管pm1的漏極與pmos管pm2的源極以及pmos管pm3的源極相連，pmos管pm2的柵極作為跨導模塊的正相輸入端，pmos管pm2的漏極作為跨導模塊的正相輸出端，pmos管pm3的柵極作為跨導模塊的反相輸入端，pmos管pm3的漏極作為跨導模塊的反相輸出端。

本發(fā)明通過將斬波放大器輸出電壓紋波轉(zhuǎn)換為交流電流信號，并將其調(diào)制為直流電流信號，通過對直流電流信號積分得到積分電壓，進而由跨導轉(zhuǎn)換為補償電流從而補償斬波放大器的失調(diào)電壓，抑制斬波放大器的輸出電壓紋波。此外，本發(fā)明通過在紋波消除環(huán)路中利用高頻斬波技術和ping-pong自調(diào)零技術結(jié)合極大地抑制了積分模塊失調(diào)，從而能得到準確的積分電壓，形成準確的補償電流抑制斬波放大器的失調(diào)電壓，得到很好的斬波放大器輸出電壓紋波抑制效果。

附圖說明

圖1為帶有本發(fā)明紋波消除環(huán)路的電容耦合斬波放大器結(jié)構示意圖。

圖2為斬波放大器輸出電壓紋波轉(zhuǎn)化為方波電流信號的示意圖。

圖3為方波電流信號調(diào)制為直流電流信號的示意圖。

圖4為直流電流信號經(jīng)積分得到積分電壓的示意圖。

圖5為積分電壓偏差的消除示意圖。

圖6為ping-pong自調(diào)零放大器的時序示意圖。

圖7為斬波放大器中主放大器與跨導的連接示意圖。

圖8為高/低頻斬波器的結(jié)構示意圖。

圖9為ping-pong自調(diào)零放大器的結(jié)構示意圖。

圖10為不帶紋波消除環(huán)路的電容耦合斬波放大器結(jié)構下主放大器輸入失調(diào)為5mv時的輸出紋波示意圖。

圖11為帶有本發(fā)明紋波消除環(huán)路的電容耦合斬波放大器結(jié)構下主放大器輸入失調(diào)為5mv、紋波消除環(huán)路中放大器輸入失調(diào)為5mv時的輸出紋波示意圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實施方式對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明用于電容耦合斬波放大器的紋波消除環(huán)路，包括：微分電容cs1～cs2、低頻斬波器chl、積分電容cint1～cint2、高頻斬波器chh1、ping-pong自調(diào)零放大器結(jié)構、濾波電容cr、跨導模塊gm5；其中：

該紋波消除環(huán)路首先由微分電容cs1～cs2將輸出紋波電壓(輸出紋波電壓產(chǎn)生于主放大器失調(diào)輸出電流被低頻斬波器chm調(diào)制到20khz后在密勒電容cm1～cm2上積分形成)轉(zhuǎn)化為方波電流，如圖2所示。

低頻斬波器chl(本實施方式中低頻斬波器頻率與主通路斬波器頻率一致，設置為20khz)將微分后得到的方波電流信號調(diào)制直流電流信號，如圖3所示。

ping-pong自調(diào)零放大器結(jié)構、高頻斬波器chh1、積分電容cint1～cint2、濾波電容cr四者形成積分環(huán)節(jié)對被調(diào)制到直流的電流信號進行積分，如圖4所示；其中ping-pong自調(diào)零放大器結(jié)構、高頻斬波器chh1、濾波電容cr的結(jié)合用于消除積分模塊的失調(diào)電壓，從而消除直流電流信號積分后的積分電壓偏差，如圖5所示。

高頻斬波器chh1首先將積分環(huán)節(jié)中放大器的輸入端信號斬波到高頻(本實施方式中設置在500khz)。

根據(jù)圖6中的時序，在時鐘相位φzping有效時，ping自調(diào)零放大器結(jié)構中放大器輸出連接到調(diào)零電容caz1兩端，從而在調(diào)零電容caz1上形成一個補償電壓，該補償電壓可以補償ping結(jié)構放大器的輸入失調(diào)電壓；在時鐘相位φzpong有效時，pong自調(diào)零放大器結(jié)構放大器輸出連接到調(diào)零電容caz2兩端，從而在調(diào)零電容caz2上形成一個補償電壓，該補償電壓可以補償pong結(jié)構放大器的輸入失調(diào)電壓。

在時鐘相位φoping有效時，ping自調(diào)零放大器結(jié)構中放大器輸出連接到跨導模塊gm5和濾波電容cr兩端，ping結(jié)構中的放大器對斬波到高頻輸入信號調(diào)制回低頻并進行放大，同時殘余的失調(diào)電壓(在調(diào)零電容提供了補償電壓之后ping結(jié)構中放大器仍有失調(diào)電壓殘余)被斬波器chh21～chh22調(diào)制到高頻，并被濾波電容cr濾除，進一步消除積分環(huán)節(jié)的失調(diào)電壓；同時，φopong在φoping有效時處于低電平，pong結(jié)構放大器輸出不連接到跨導gm5和濾波電容cr兩端。

在時鐘相位φopong有效時，pong自調(diào)零放大器結(jié)構中放大器輸出連接到跨導模塊gm5和濾波電容cr兩端，pong自調(diào)零放大器結(jié)構中的放大器對斬波到高頻輸入信號調(diào)制回低頻并進行放大，同時殘余的失調(diào)電壓(在調(diào)零電容提供了補償電壓之后ping自調(diào)零放大器結(jié)構中放大器仍有失調(diào)電壓殘余)被斬波器chh31～chh32調(diào)制到高頻，并被濾波電容cr濾除，進一步消除積分環(huán)節(jié)的失調(diào)電壓；同時，φoping在φopong有效時處于低電平，ping結(jié)構放大器輸出不連接到跨導模塊gm5和濾波電容cr兩端。

時鐘相位φaping有效的時段包含了φoping有效的時段，且是在時鐘相位φoping有效前就已經(jīng)有效，這表示ping自調(diào)零放大器結(jié)構放大器輸入端在輸出端連接到跨導模塊gm5和濾波電容cr兩端前就接到高頻斬波器chh1輸出端，有利于ping自調(diào)零放大器結(jié)構中放大器建立放大狀態(tài)。這樣一旦φoping有效，ping自調(diào)零放大器結(jié)構直接進入放大狀態(tài)，在跨導模塊gm5和濾波電容cr兩端形成準確的積分電壓。

時鐘相位φapong有效的時段包含了φopong有效的時段，且是在時鐘相位φopong有效前就已經(jīng)有效，這表示ping自調(diào)零放大器結(jié)構放大器輸入端在輸出端連接到跨導模塊gm5和濾波電容cr兩端前就接到高頻斬波器chh1輸出端，有利于pong自調(diào)零放大器結(jié)構中放大器建立放大狀態(tài)。這樣一旦φopong有效，pong自調(diào)零放大器結(jié)構直接進入放大狀態(tài)，在跨導模塊gm5和濾波電容cr兩端形成準確的積分電壓。

由于ping-pong自調(diào)零放大器結(jié)構、高頻斬波器chh1、濾波電容cr的結(jié)合消除了積分模塊的失調(diào)電壓，積分電容cint1～cint2將被調(diào)制為直流的電流信號進行積分后可以在跨導模塊gm5兩端形成準確的補償電壓。

如圖7所示，跨導模塊gm5將補償電壓轉(zhuǎn)化為補償電流平衡斬波放大器中主放大器gm1的輸出失調(diào)電流，使得流向密勒電容cm1～cm2被低頻斬波器調(diào)制到20khz的失調(diào)電流被極大的抑制，從而通過在密勒電容cm1～cm2上積分形成的輸出電壓紋波被極大的抑制。

本實施方式中，各斬波器chl、chh1、chh31～chh32、chh31～chh32的結(jié)構如圖8所示，ping-pong自調(diào)零放大器的結(jié)構如圖9所示。

圖10為不帶紋波消除環(huán)路的電容耦合斬波放大器結(jié)構下主放大器輸入失調(diào)設置為5mv時的輸出電壓紋波波形，由圖10可見，斬波放大器的輸出電壓紋波峰峰值為100mv。

圖11為帶有本發(fā)明紋波消除環(huán)路的電容耦合斬波放大器結(jié)構下主放大器輸入失調(diào)設置為5mv、紋波消除環(huán)路中放大器輸入失調(diào)設置為5mv時的輸出電壓紋波波形，由圖11可見，斬波放大器的輸出電壓紋波峰峰值為1mv。

本發(fā)明通過將斬波放大器輸出電壓紋波轉(zhuǎn)換為交流電流信號，并將其調(diào)制為直流電流信號，通過積分模塊對直流電流信號積分得到積分電壓，由跨導模塊轉(zhuǎn)換為補償電流從而補償斬波放大器的失調(diào)電壓，抑制斬波放大器的輸出電壓紋波。此外，本發(fā)明通過在紋波消除環(huán)路中利用高頻斬波技術和ping-pong自調(diào)零技術結(jié)合極大地抑制了積分模塊失調(diào)電壓，從而能得到準確的積分電壓，形成準確的補償電流抑制斬波放大器中主放大器的失調(diào)電流，得到很好的斬波放大器輸出電壓紋波抑制效果。

上述對實施例的描述是為便于本技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā)明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對上述實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。