单电源供电的全差分斩波运放电路

 

　　1 引言

　　本文在0.35微米N阱工艺的基础上，设计了单电源供电的全差分斩波运放电路，同时，为了减小残余电压的失调， 采用了T/H(跟踪-保持)解调技术，该电路在斩波频率150KHz工作时，输入等效噪声达到31.12nV/Hz。

　　2 斩波运放的工作原理

　　斩波运放的原理如图1所示，其中Vin是输入音频信号，被频率为fch，幅度为1的斩波开关调制，根据奈奎斯特采样原理，为了避免信输入信号的混叠，fch必须远大于2倍的信号带宽。

　　

 

　　图1 斩波运放的原理

　　经过调制后，信号的被搬移到斩波方波的奇次谐波频率上。此信号被增益为Av的运算放大器放大，同时运放的输入噪声和输入失调电压也被运放放大，运放的输出经过幅度为1，频率为fch的斩波开关调制后，输出信号为：

　　

 

　　从式(1)可以看出，经过第2次斩波后，输入音频信号被解调到低频段，而运放的电压失调和低频噪声只经过一次调制后被搬移到斩波方波的高频奇次谐波上，通过低通滤波后，输出信号中的高频分量被滤除，低频分量还原为音频信号，从而实现了对音频信号的精确放大。

　　对输出信号进行傅立叶分析，得到运放的最终输入噪声谱密度(PSD)为：

　　

 

　　其中系数K与工艺的噪声参数有关。

　　3 运放电路的设计

　　本文设计的斩渡放大器为CMOS全差分电路结构。由斩波开关、主运放电路、输出级和共模反馈电路四部分组成。电路的工作电压范围2.5V～5.5V。斩波运算放大器的电路结构如图2所示。

　　

 

　　图2 斩波运放的电路结构

　　输入斩波开关完成对音频信号的调制作用，斩波开关在时钟上沿和下沿都会引入残余电压失调，图3为零输入时残余失调电压的波形。

　　

 

　　图3(a)残余失调电压(b)斩波信号

　　

 

　　图4 T/H解调及控制时序