高性能自归零可编程仪表放大器关键技术研究

发布时间：2020-04-01 06:34

【摘要】：传感器系统在生活中使用广泛。传感器是通过对外界环境变量进行感知从而将环境变量转化为电子电路可以处理的电压量或者电流量的工具,但是在转换的过程中由于生产环境的工艺偏差以及器件结构等的影响,使传感器存在零点漂移和温度漂移。零点漂移的主要表现为在外界零信号输入传感器时,传感器输出信号不为零,以及温度的波动变化使传感器输出产生误差,影响信号的放大。当外界的环境变量产生很微小的变化时,传感器上的变化也会很小,这样的信号变化在电路处理的过程中很有可能随着电路噪声一起而变得无法正确识别,仪表放大器的工作就是对传感器的零点漂移和温度漂移进行补偿,并且通过自身的消除噪声技术减小或消除电路内部噪声和失调电压,以此来放大和处理小摆幅信号。针对电阻电桥式传感器的信号调理问题,以及其存在的传感器的非理想特性,论文设计了一款自归零可编程仪表放大器。该仪表放大器具有可编程的电压增益,可以对输入信号进行自动调零,以及可以对桥式传感器的初始误差进行调零修正。论文的主要电路可分为五部分,第一部分为输入粗调零电路,该电路是专门为桥式传感器的过度失调所设计的偏移校准电路,可以应对较大范围的传感器失调。论文将粗调零的校准电压同自动调零电路相结合,在自动调零的过程中实现了对桥式传感器的粗调零。第二部分为自动调零放大器,用于对失调电压和放大器内部噪声进行调零。第三部分为主放大器,主要用于对信号的放大。第四部分为输出调零放大器,为仪表放大器的输出级,同样具有自动调零功能。第五部分为可编程增益电阻。在设计中调零所用放大器采用全差分输入输出结构,有效降低共模噪声,输出采用AB类级输出,提高了输出摆幅。同时采用双调零运放的乒乓结构的自动调零技术,使调零过程在一个时钟周期内连续,增加了调零效率,并采用可编程的电阻阵列对仪表放大器的增益实现多倍数可调。论文基于0.35μm CMOS工艺完成了各个模块以及整个电路的设计及仿真验证,基于Cadence Virtuoso工具完成了版图设计验证。仿真结果表明,自归零可编程仪表放大器的输出增益以及范围可以从4到128倍范围可调,其中输入调零频率为7kHz,输入10mV的失调电压,输出失调仅为7.5μV。对传感器的输入失调电压可进行定制化的粗偏移校准,能满足多种传感器前端信号采集和调理的应用。
【图文】：

粗调零运放PSRR仿真结果

CMRR图4.3 粗调零运放 CMRR 仿真电路图4.4 粗调零运放 CMRR 仿真结果如图 4.3 将运算放大器连接成为单位增益负反馈结构，即输出端与输入 Vin 连接，并且在运算放大器的同相输入端 Vip 和反向输入端 Vin 处加上相同同相的交流电压，一般便于计算为 1V，得到粗调零运放的共模抑制比。由图 4.4 可以看出在低频时（频率低于 10kHz），其共模抑制比约等于-118dB 左右，，满足仪表放大器应用所需。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TN722

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本文编号：2610096