用于加速度计接口电路的可编程增益放大器
发布时间：2021-12-22 17:08
在传统开关电容可编程放大器基础上,利用分时复用、分时输出的技术,设计了一种新型可编程增益放大器。相比传统开关电容可编程放大器,该放大器能实现连续信号输出,实现的全差分结构能有效抑制共模噪声。采用相关双取样技术,消除了失调和低频噪声。采用程序控制开关电容阵列,实现了不同的放大倍数。该放大器采用0.18μm CMOS工艺,电源电压为3.3 V。仿真结果表明,实现了近似0.05 dB步进、0～17.5 dB的增益变化范围,可调增益达1 024种。在1 kHz频率时,输出噪声为42.68 nV·Hz-1/2。
【文章来源】：微电子学. 2020,50(04)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
相关双取样电路
全差分运算放大器作为PGA的核心部分,需要有较低的噪声、较高的增益和较大的带宽。本文设计的全差分运算放大器如图2所示。M5、M6、M11、M13、M15、M17管组成电流镜,为整个电路提供合适的电流偏置。M1～M5管构成差分输入级,其中,M1、M2管构成差分对管。PMOS管的噪声性能远优于NMOS管,因此,差分放大器采用PMOS管作输入对管。M3、M4管组成二极管负载,M5管为差分输入级的尾电流源。M13、M14、M15、M16管构成两组共源放大器。M11、M12、M17、M18管构成两组输出级。M19管、C1和M20管、C2构成密勒补偿电路,用于改善电路的稳定性。M7、M8、M9、M10为M19、M20管提供合适的栅电压。M21管为差分放大器提供共模反馈。在没有共模反馈电路时,共模电压的输出会漂移。本文的共模反馈电路采用开关电容型结构,如图3所示。
M5、M6、M11、M13、M15、M17管组成电流镜,为整个电路提供合适的电流偏置。M1～M5管构成差分输入级,其中,M1、M2管构成差分对管。PMOS管的噪声性能远优于NMOS管,因此,差分放大器采用PMOS管作输入对管。M3、M4管组成二极管负载,M5管为差分输入级的尾电流源。M13、M14、M15、M16管构成两组共源放大器。M11、M12、M17、M18管构成两组输出级。M19管、C1和M20管、C2构成密勒补偿电路,用于改善电路的稳定性。M7、M8、M9、M10为M19、M20管提供合适的栅电压。M21管为差分放大器提供共模反馈。在没有共模反馈电路时,共模电压的输出会漂移。本文的共模反馈电路采用开关电容型结构,如图3所示。电路采用0.18 μm CMOS工艺设计,电源电压为3.3 V。采用Cadence Spectre软件对电路进行频率特性仿真。仿真温度为27 ℃,频率范围为1 Hz～1×109 Hz,输入信号为1.65 V共模电压、1 V差模电压的差分信号。全差分放大器的频率特性曲线如图4所示。可以看出,全差分放大器的增益为92.6 dB,单位增益带宽为9.089 MHz,相位裕度为76.09°,增益裕度为-20.84 dB。在100 kHz时,输入噪声为17.43 nV·Hz-1/2。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A multifunctional switched-capacitor programmable gain amplifier for high-definition video analog front-ends[J]. 张鸿,张杰,张牡丹,李雪,程军. Journal of Semiconductors. 2015(03)
[2]一种应用于CMOS图像传感器的电容阵列PGA研究[J]. 吴治军,刘昌举,祝晓笑,熊平,杨雄敏. 半导体光电. 2011(05)
[3]CMOS图像传感器中可编程增益放大器的设计[J]. 桑红石,刘晓磊,刘丽艳. 微电子学. 2010(04)
[4]一种低功耗低噪声相关双取样电路的研究[J]. 金湘亮,陈杰,仇玉林. 电路与系统学报. 2003(03)
硕士论文
[1]电容式MEMS加速度计接口电路芯片研究与设计[D]. 王江涛.西安电子科技大学 2018
[2]一种无线射频芯片中的可变增益放大器设计[D]. 盛云.天津大学 2014
本文编号：3546764
【文章来源】：微电子学. 2020,50(04)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
相关双取样电路
全差分运算放大器作为PGA的核心部分,需要有较低的噪声、较高的增益和较大的带宽。本文设计的全差分运算放大器如图2所示。M5、M6、M11、M13、M15、M17管组成电流镜,为整个电路提供合适的电流偏置。M1～M5管构成差分输入级,其中,M1、M2管构成差分对管。PMOS管的噪声性能远优于NMOS管,因此,差分放大器采用PMOS管作输入对管。M3、M4管组成二极管负载,M5管为差分输入级的尾电流源。M13、M14、M15、M16管构成两组共源放大器。M11、M12、M17、M18管构成两组输出级。M19管、C1和M20管、C2构成密勒补偿电路,用于改善电路的稳定性。M7、M8、M9、M10为M19、M20管提供合适的栅电压。M21管为差分放大器提供共模反馈。在没有共模反馈电路时,共模电压的输出会漂移。本文的共模反馈电路采用开关电容型结构,如图3所示。
M5、M6、M11、M13、M15、M17管组成电流镜,为整个电路提供合适的电流偏置。M1～M5管构成差分输入级,其中,M1、M2管构成差分对管。PMOS管的噪声性能远优于NMOS管,因此,差分放大器采用PMOS管作输入对管。M3、M4管组成二极管负载,M5管为差分输入级的尾电流源。M13、M14、M15、M16管构成两组共源放大器。M11、M12、M17、M18管构成两组输出级。M19管、C1和M20管、C2构成密勒补偿电路,用于改善电路的稳定性。M7、M8、M9、M10为M19、M20管提供合适的栅电压。M21管为差分放大器提供共模反馈。在没有共模反馈电路时,共模电压的输出会漂移。本文的共模反馈电路采用开关电容型结构,如图3所示。电路采用0.18 μm CMOS工艺设计,电源电压为3.3 V。采用Cadence Spectre软件对电路进行频率特性仿真。仿真温度为27 ℃,频率范围为1 Hz～1×109 Hz,输入信号为1.65 V共模电压、1 V差模电压的差分信号。全差分放大器的频率特性曲线如图4所示。可以看出,全差分放大器的增益为92.6 dB,单位增益带宽为9.089 MHz,相位裕度为76.09°,增益裕度为-20.84 dB。在100 kHz时,输入噪声为17.43 nV·Hz-1/2。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A multifunctional switched-capacitor programmable gain amplifier for high-definition video analog front-ends[J]. 张鸿,张杰,张牡丹,李雪,程军. Journal of Semiconductors. 2015(03)
[2]一种应用于CMOS图像传感器的电容阵列PGA研究[J]. 吴治军,刘昌举,祝晓笑,熊平,杨雄敏. 半导体光电. 2011(05)
[3]CMOS图像传感器中可编程增益放大器的设计[J]. 桑红石,刘晓磊,刘丽艳. 微电子学. 2010(04)
[4]一种低功耗低噪声相关双取样电路的研究[J]. 金湘亮,陈杰,仇玉林. 电路与系统学报. 2003(03)
硕士论文
[1]电容式MEMS加速度计接口电路芯片研究与设计[D]. 王江涛.西安电子科技大学 2018
[2]一种无线射频芯片中的可变增益放大器设计[D]. 盛云.天津大学 2014
本文编号：3546764
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