專利名稱：斬波放大電路及多級放大系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
斬波放大電路及多級放大系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電路設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及斬波放大電路及多級放大系統(tǒng)。背景技術(shù)：
隨著物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，越來越多的產(chǎn)品領(lǐng)域用到了傳感器，有些傳感器的輸出信號非常小，一般在微伏級，而普通放大器的輸入失調(diào)在毫伏級。因此，普通放大器并不能滿足這些小信號輸出的傳感器的放大需求。運算放大器的輸入失調(diào)電壓(Vos)的存在將造成對輸入電壓的誤差，而有限增益(AO)將造成放大器整體放大倍數(shù)的誤差。儀表放大器的關(guān)鍵性能指標是高精度和低噪聲。這要求其采用的內(nèi)置運算放大器具有高電壓增益，低失調(diào)電壓和低輸入等效噪聲。運算放大器的輸入等效失調(diào)電壓的來源在于集成電路器件參數(shù)的失配，典型的雙極(bipolar)工藝會造成輸入失調(diào)電壓Vos在0. ImV左右，而CMOS (Complementary Metal Oxidekmiconductor，互補金屬氧化物半導體)工藝造成的失調(diào)為雙極工藝的10倍甚至100倍?，F(xiàn)有的斬波放大電路可以降低輸入失調(diào)電壓。圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中一種典型的斬波放大電路。所述斬波放大電路包括第一斬波電路11、放大器1、第二斬波電路12和低通濾波電路(未圖示)。所述第一斬波電路11包括四個開關(guān)單元11a、lib、Ilc和lld，斬波脈沖刎控制開關(guān)單元Ila和lib的導通和截止，斬波脈沖0控制開關(guān)單元Ilc和Ild的導通和截止。所述第二斬波電路12包括四個開關(guān)單元12a、12b、12c和12d，斬波脈沖糾控制開關(guān)單元1 和21b的導通和截止，斬波脈沖控制開關(guān)單元12c和12d的導通和截止。其中，斬波脈沖刎和均為頻率為fc的方波信號，兩者相位相差180度，如圖2所示。假設(shè)將所述斬波電路的各個開關(guān)單元設(shè)定為在高電平時導通，在低電平時截止。結(jié)合圖1和圖2所示，在tl時刻與t2時刻之間，斬波脈沖洌為高電平，斬波脈沖0為低電平。因而，開關(guān)單元11a、lib、12a和12b導通。此時，第一斬波電路11的輸入端15與放大器1的正輸入端相連，第一斬波電路11的輸入端16與放大器1的負輸入端相連，所述放大器1的正輸出端30與第二斬波電路12的輸出端17相連，所述放大器1的負輸出端31與第二斬波電路12的輸出端18相連。在t2時刻與t3時刻之間，斬波脈沖糾為低電平，斬波脈沖0為高電平。因而，開關(guān)單元11c、lid、12c和12d導通。此時，第一斬波電路11的輸入端15與放大器1的負輸入端相連，第一斬波電路11的輸入端16與放大器1的正輸入端相連，所述放大器1的正輸出端30與第二斬波電路12的輸出端18相連，所述放大器1的負輸出端31與第二斬波電路12的輸出端17相連。下面參照圖3A-3G描述圖1所示的斬波放大電路的每一個部分處的噪聲和輸入信號的頻率特征。圖3A-3F的曲線圖分別表示每一部分的頻率特征(縱軸為幅值，水平軸為頻率)，圖3G為斬波脈沖糾的示意圖。在此情形中，所述放大器1具有圖3C中所述的輸入噪聲和失調(diào)電壓Vn。圖3A所示的頻率特性的輸入信號Vin被輸入，在第一斬波電路11處基于斬波脈沖刎(由于斬波脈沖w是斬波脈沖糾的反相信號，因此兩個斬波脈沖實質(zhì)上可以看成一個)進行調(diào)制，從而形成具有圖3B中所示的頻率特性的調(diào)制信號。之后，在放大器1中，圖3C所示的輸入噪聲和失調(diào)電壓Vn被疊加到將要從所述放大器1輸出的調(diào)制信號上，得到如圖3D中所示的放大信號。隨后，在第二斬波電路12基于斬波脈沖刎對放大信號進行解調(diào)，得到如圖3E所示的頻率特性的輸出信號。此時，所述斬波電路12將放大器1的輸入噪聲和失調(diào)電壓Vn被調(diào)制至所述斬波脈沖糾的頻率的奇數(shù)倍的頻率上。低通濾波器13用于濾除所述第二斬波電路12輸出的信號的高頻分量，從而獲得具有圖3F中所示的頻率特征的輸出信號。可以看出，典型的斬波放大電路通過調(diào)制和解調(diào)過程將噪聲和有效信號在頻域上進行分離并采用低通濾波器將失調(diào)和噪聲濾除。然而，現(xiàn)有典型的斬波放大電路仍然有IOuV左右的失調(diào)電壓，這是由于在斬波過程中開關(guān)信號對信號通路造成沖擊形成了尖峰信號，這個尖峰信號通過低通濾波器后形成了殘余失調(diào)。此外，現(xiàn)有的斬波放大器一般增益較小，不能滿足大多數(shù)傳感器小信號放大的需要。因此，有必要提出一種改進的信號放大方案來克服上述問題。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題之一在于提供一種斬波放大電路，其具有較小的輸入失調(diào)電壓。本實用新型要解決的技術(shù)問題之一在于提供一種多級放大系統(tǒng)，其具有較高的電壓增益。為了解決上述問題，根據(jù)本實用新型的一個方面，本實用新型提供了一種斬波放大電路，其包括由第一斬波脈沖控制的第一斬波放大器；與第一斬波放大器并聯(lián)的由第二斬波脈沖控制的第二斬波放大器；和串聯(lián)在第一斬波放大器和第二斬波放大器后的低通濾波器。進一步的，每個斬波放大器包括有受控于相應斬波脈沖的第一斬波電路、放大器和受控于相應斬波脈沖的第二斬波電路。進一步的，第一斬波脈沖與第二斬波脈沖的頻率相同、相位相差30度至150度。優(yōu)選的，第一斬波脈沖與第二斬波脈沖的相位相差90度。為了解決上述問題，根據(jù)本實用新型的一個方面，本實用新型提出一種多級放大電路，其包括由斬波放大電路形成的第一級放大電路，與第一級放大電路串聯(lián)的第二級放大電路，與第二級放大電路串聯(lián)的第三級放大電路，和與第一級放大電路和第二級放大電路并聯(lián)的前饋放大電路。所述斬波放大電路包括由第一斬波脈沖控制的第一斬波放大器；與第一斬波放大器并聯(lián)的由第二斬波脈沖控制的第二斬波放大器；和串聯(lián)在第一斬波放大器和第二斬波放大器后的低通濾波器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型采用兩個斬波放大器，兩個斬波放大器中的一個在開關(guān)切換時，另一個工作在穩(wěn)定狀態(tài)，這樣可以有效的減小開關(guān)切換造成的尖峰。這樣，可以降低斬波放大電路的失調(diào)電壓的典型值。
4[0019]此外，通過采用彌勒補償電路和前饋補償電路，本實用新型中的多級放大系統(tǒng)既實現(xiàn)的高增益，同時又獲得了較多的相位裕度。關(guān)于本實用新型的其他目的，特征以及優(yōu)點，下面將結(jié)合附圖在具體實施方式
中詳細描述。

結(jié)合參考附圖及接下來的詳細描述，本實用新型將更容易理解，其中同樣的附圖標記對應同樣的結(jié)構(gòu)部件，其中圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一種典型的斬波放大電路的電路示意圖；圖2為圖1中的斬波脈沖的波形示意圖；圖3A至圖3G示意性的示出了圖1中的斬波放大電路的每一個部分處的噪聲和輸入信號的頻率特征；圖4為本實用新型中的斬波放大電路在一個實施例中的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖4中的斬波放大電路的兩個斬波脈沖的波形示意圖；圖6為本實用新型中的采用了圖4所示的斬波放大電路的多級放大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為現(xiàn)有單級和二級放大系統(tǒng)的增益頻率響應的曲線圖和相位頻率響應的曲線圖；和圖8為本實用新型中的多級放大系統(tǒng)的增益頻率響應的曲線圖和相位頻率響應的曲線圖。
具體實施方式為使本實用新型的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細的說明。 此處所稱的“ 一個實施例，，或“實施例，，是指與所述實施例相關(guān)的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性至少可包含于本實用新型至少一個實現(xiàn)方式中。在本說明書中不同地方出現(xiàn)的“在一個實施例中”并非必須都指同一個實施例，也不必須是與其他實施例互相排斥的單獨或選擇實施例。圖4為本實用新型提供的一種改進的斬波放大電路400的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，所述斬波放大電路400包括并聯(lián)的第一斬波放大器41和第二斬波放大器42以及串聯(lián)在所述斬波放大器41和42后的低通濾波器43，其中第一斬波放大器41在第一斬波脈沖刎控制下對輸入信號進行斬波放大，第二斬波放大器42在第二斬波脈沖控制下對輸入信號進行斬波放大，第二斬波脈沖識2與第一斬波脈沖糾的頻率相同，相位相差30度至150度，優(yōu)選的兩者相位相差90度。每個斬波放大器都包括有如圖1所示的第一斬波電路、放大器(或稱運算放大器)和第二斬波電路，第一斬波電路和第二斬波電路根據(jù)所在斬波放大器的斬波脈沖進行開關(guān)控制，以實現(xiàn)斬波放大。低通濾波器43對兩個斬波斬波放大器的輸出進行低通濾波，以濾除高頻的輸入噪聲和失調(diào)電壓。在本實用新型中，采用兩個斬波放大器，兩個斬波放大器中的一個在開關(guān)切換時，另一個工作在穩(wěn)定狀態(tài)，這樣可以有效的減小開關(guān)切換造成的尖峰。尖峰的存在是由于斬波電路中的開關(guān)單元在切換過程中運算放大器的輸入端存在短暫的浮空，而輸入端的浮空會造成運算放大器的輸出端的不確定性，從而形成尖峰。在本實用新型中使用兩個交叉的斬波脈沖來對輸入信號進行斬波，并將兩個信號相加，因此在任一個斬波放大器中的運算放大器的輸入端處于浮空狀態(tài)時，另一斬波放大器中的運算放大器的輸入端處于穩(wěn)定狀態(tài)的，因此避免的運算放大器的內(nèi)部節(jié)點出現(xiàn)不確定狀態(tài)，大大降低了尖峰的高度。這樣，斬波放大電路的運算放大器的失調(diào)電壓的典型值可以被降低到IuV左右，而等效輸入噪聲只有IOnV左右，這樣改進的斬波放大電路400能夠滿足大多數(shù)傳感器小信號放大的需要。然而，單獨斬波放大器一般增益較小，不能滿足大多數(shù)傳感器小信號放大的需要。對于大多數(shù)傳感器來說，它們需要具有很高的電壓增益的放大電路，通常要求120dB以上。簡單的兩級CMOS運算放大器，即使采用cascode (共發(fā)共基放大器)結(jié)構(gòu)通常只能獲取80到90dB的電壓增益。因此，在一個實施例中，可以通過采用多級級聯(lián)放大技術(shù)來實現(xiàn)了大約為140dB的電壓增益。多級放大的采用使放大系統(tǒng)中引入了多個極點，由此帶來穩(wěn)定性的惡化，因此相位補償就非常重要。單極點放大系統(tǒng)相移最大值為90度，沒有穩(wěn)定性問題，參看圖7所示的增益頻率響應曲線Ll和相位頻率響應曲線L2。而未加補償?shù)亩壏糯笙到y(tǒng)在單位增益處相移可能接近180度，容易引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，參看圖7所示的增益頻率響應曲線L3和相位頻率響應曲線L2。所以二級放大系統(tǒng)通常采用彌勒補差的方法將兩個極點分離來獲取60度以上的相位裕度。然而，為了獲得140dB的電壓增益，在本實用新型中需要采用三級放大的結(jié)構(gòu)，此時采用簡單的彌勒補償無法實現(xiàn)60度以上的相位裕度，因此需要采用彌勒補償與前饋補償聯(lián)合使用的方案。本實用新型進一步提出了一種多級放大系統(tǒng)600，其可以對輸入信號進行多級放大以提高增益。如圖6所示，所述多級放大系統(tǒng)600包括依次串聯(lián)的第一級放大電路61、第二級放大電路62、第三級放大電路63以及與第一級放大電路61和第二級放大電路62并聯(lián)的前饋放大電路64。第一級放大電路61可以采用圖4所示的斬波放大電路400，這樣可以降低多級放大系統(tǒng)的輸入噪聲和失調(diào)電壓。第一級放大電路61和第二級放大電路62采用了彌勒補償電路。所述多級放大系統(tǒng)600的增益頻率響應曲線和相位頻率響應曲線可參看圖8所示，可以看出其在獲得高增益的同時，也可以獲得60度以上的相位裕度。由此可見，通過采用彌勒補償電路和前饋補償電路，所述多級放大系統(tǒng)既實現(xiàn)的高增益，同時又獲得了 60度以上的相位裕度。上述說明已經(jīng)充分揭露了本發(fā)明的具體實施方式
。需要指出的是，熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員對本發(fā)明的具體實施方式
所做的任何改動均不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求書的范圍。相應地，本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍也并不僅僅局限于前述具體實施方式
。
權(quán)利要求1.一種斬波放大電路，其特征在于，其包括由第一斬波脈沖控制的第一斬波放大器；與第一斬波放大器并聯(lián)的由第二斬波脈沖控制的第二斬波放大器；和串聯(lián)在第一斬波放大器和第二斬波放大器后的低通濾波器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的斬波放大電路，其特征在于，每個斬波放大器包括有受控于相應斬波脈沖的第一斬波電路、放大器和受控于相應斬波脈沖的第二斬波電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的斬波放大電路，其特征在于，第一斬波脈沖與第二斬波脈沖的頻率相同、相位相差30度至150度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的斬波放大電路，其特征在于，第一斬波脈沖與第二斬波脈沖的相位相差90度。
5.一種多級放大電路，其特征在于，其包括由如權(quán)利要求1至4任一所述的斬波放大電路形成的第一級放大電路；與第一級放大電路串聯(lián)的第二級放大電路；與第二級放大電路串聯(lián)的第三級放大電路；和與第一級放大電路和第二級放大電路并聯(lián)的前饋放大電路。
專利摘要本實用新型公開了一種斬波放大電路和一種多級放大系統(tǒng)，所述斬波放大電路包括由第一斬波脈沖控制的第一斬波放大器；與第一斬波放大器并聯(lián)的由第二斬波脈沖控制的第二斬波放大器；和串聯(lián)在第一斬波放大器和第二斬波放大器后的低通濾波器。兩個斬波放大器中的一個在開關(guān)切換時，另一個工作在穩(wěn)定狀態(tài)，這樣可以有效的減小開關(guān)切換造成的尖峰。這樣，可以降低斬波放大電路的失調(diào)電壓的典型值。
文檔編號H03F1/30GK202334440SQ20112047664
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月25日
發(fā)明者王國鵬, 薄衛(wèi)忠 申請人:無錫力芯微電子股份有限公司, 無錫盛邁克傳感技術(shù)有限公司