[发明专利]最小化自动调零放大器中的切换噪声及其影响

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路运算放大器，且更明确地说涉及一种具有最小切换噪声的集成 电路自动调零运算放大器。

背景技术

自动调零运算放大器是一种模拟电路，其将模拟和数字(切换)电路组合从而导致 非常低的输入参考DC偏移和噪声。这些运算放大器常用于必需高增益来解析非常小电 压的精度应用中。实例包含RTD、热电偶、阻性电流测量和其它感测应用。使用自动调 零运算放大器可放松对A/D转换器的准确度要求，从而节省成本。如今的自动调零运算 放大器与用于减小平均偏移的早期斩波方案具有极少共同之处。那些电路非常简单，其 使用离散放大器和开关来使用时钟对放大器的输入和输出进行斩波。需要大量滤波来实 现低偏移，并滤出切换噪声。斩波器放大器具有低频率带宽，通常为几赫兹，其受到较 大的固定时间常数限制。

另一方案使用宽带放大器和斩波器放大器的斩波器稳定化。斩波器放大器用于“稳 定化”或减小宽带放大器的DC偏移误差。从而实现较高操作带宽，但这些斩波电路具 有高输出噪声且要求额外输出信号滤波为可行的。

早期自动调零放大器组合了宽带“主”放大器与单一“指零”放大器。单一指零放 大器具有取样与保持以校正其自身的偏移，并减小主放大器的偏移。早期实施方案需要 外部电容器且具有几百赫兹的取样频率。这些年来，技术发展水平已有了巨大改进。现 代自动调零运算放大器现能够在非常低的温度漂移下实现几微伏的DC偏移。

然而，由于指零放大器中的内部时钟切换的缘故，输出处将出现一些切换噪声。这 在取样时钟频率周围将最为明显。如果此噪声不对称(即，产生大致相等量的正和负干 扰(glitch))，那么系统中可能产生平均DC偏移。因此，这些干扰的减少对于良好的 DC性能是基本的且可能需要滤波。滤波依据所关注信号距取样频率的接近程度而可能 较昂贵。增加取样速率有助于使滤波变简单并增加可用带宽。新近代的自动调零运算放 大器已添加时钟扩展电路以在较宽范围的频率上扩展切换噪声，从而允许更高的有用带 宽。

发明内容

因此，需要一种通过提供最小化切换噪声及其在自动调零运算放大器中的影响的新 方式来克服上文指出的问题以及现有技术的其它缺点和不足的方式。

在传统自动调零放大器中，使用单一指零放大器来补偿“主”(连续)放大器。在 调零循环期间，指零放大器与主放大器断开，且通过存储电容器在主辅助端口上保持校 正电压。此方法导致开环路增益在补偿与指零循环之间变化，这是由于在补偿循环期间， 总增益是指零放大器和主放大器的级联，而在调零循环期间，增益仅仅是主放大器的增 益。这导致在输出处以取样频率的倍数出现低频率失真(波纹)。

根据本发明的教示，添加第二指零放大器以便在第一指零放大器被调零时补偿主放 大器。这维持开环路增益相对恒定，从而减少现有技术中固有的失真。另一改进是两个 指零放大器与主放大器之间的切换操作的定时经设计而具有先接后断重叠。这确保主放 大器由一个或两个指零放大器连续驱动，从而维持主放大器辅助端口处的低阻抗并减小 输出处的干扰能量。可添加小飞轮电容器(flywheel capacitor)以进一步减小干扰量级。 使用两对调零开关，一对调零开关用于每一指零放大器。通过将一对调零开关连接成与 另一对调零开关相对，干扰能量将趋向于达到平均值。

为了减少电荷注入误差，使用完全差分拓扑来补偿指零放大器。在系统中存在两个 指零放大器的情况下，这些指零放大器由于其内部共同模式反馈环路中的晶体管失配而 可能不具有相同的共同模式电压。这可呈现新的干扰源，因为当指零放大器切换时主辅 助端口“经历”共同模式中的急剧变化。因此，除了正常差分模式调零环路外还包含共 同模式调零环路，使得两个指零放大器具有近似相同的共同模式电压。同时进行两个环 路的调零，因此不引起任何额外延迟。

在现有技术自动调零放大器中，指零放大器差分模式误差(偏移)被调零，接着用 于校正主放大器偏移。主放大器与指零放大器之间的失配可在指零放大器连接到主辅助 端口时导致干扰。这是因为在调零循环结束时，指零放大器输出电压可能不与主辅助端 口需要用来校正主放大器偏移的电压相同。差分模式(DM)和共同模式(CM)两者阶 跃在两个指零放大器切换时发生。这可通过将指零放大器输出电平预充电到与主辅助端 口处的大致相同的DM和CM电平而最小化。