低噪声电压放大调理芯片的设计与实现

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微弱信号的测量在生物医学、航空航天、海洋探测、半导体测量等领域的应用非常广泛。在这些领域中,待测源很可能为高阻抗,因此待测源的电压信号十分微弱,为了减小检测难度,在检测信号前,需要对微弱信号进行放大。但是电路中的噪声以及失调往往直接影响待测的微弱信号质量,必须采取措施抑制甚至消除电路中的噪声以及失调,即微弱信号放大器在具备放大增益的同时必须具备低噪声的特点。由于微弱信号放大电路性能的好坏在一定程度上决定了整个微弱信号测量的精确度,因此设计出性能优越的微弱信号放大电路具有重要意义。本文提出了一种低噪声的微弱电压信号放大电路,在抑制噪声方面,通过使用斩波调制技术实现信号与噪声以及失调的分离,为后续低通滤波消除噪声奠定基础。与自动归零技术相比,斩波调制技术能更好的抑制电路中的噪声且不会增加噪底,更适用于本文低噪声的设计。在放大输入信号方面,采用差分差值放大器对输入信号进行放大处理,该放大器具有高的输入阻抗和高的共模抑制比。本文设计的电路采用单端输入信号的方法,但此方法会导致输入共模波动,若不考虑输入共模波动,则放大器正负输入端的电压无法达到一致,从而导致放大器输出信号的失真;为了抑制输入共模波动,在系统电路中引入输入共模反馈电路,使得放大器未接系统输入端的电压能够跟随连接系统输入端的电压,即正负输入端电压达到一致,从而保证了整体电路的线性度。而输入共模点电压需要计算差分差值放大器其中两个输入端电压的平均值,因此在系统电路中引入电阻网络,为了驱动电阻网络,在系统电路中引入输入阻抗变换电路,增大了系统电路的输入阻抗。本文采用的是中芯国际180 nm CMOS工艺,在virtuoso软件上完成了整体电路的电路设计以及版图设计,并对电路进行性能仿真。仿真结果表明,本文设计的电路受PVT三个因素的影响较小,性能稳定;设计的电路在1Hz~100Hz内的等效输入噪声为1.32(18),电路的输入阻抗达到3.378GΩ,共模抑制比达到153d B,电源抑制比达到126d B,各项指标均满足本文设计指标要求。最后将本文的性能参数与其他文献进行比较,结果表明,本文设计的电路在输入阻抗、共模抑制比、电源抑制比方面更具优势。在电路后仿结果达到指标要求后,对电路进行了流片以及测试,测试结果表明,芯片的电压分辨率能够达到100n V。
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