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3-5A 主编3-5A 主编3-5A第3章精密仪表放大器第4章专用阻抗传感器系统第5章低功耗振动式陀螺仪读出电路3-5A第3章精密仪表放大器3-5A第3章精密仪表放大器3.1引言3.2仪表放大器的应用3.3三运放仪表放大器3.4电流反馈仪表放大器3.5自动调零运算放大器和仪表放大器3.6斩波运算放大器和仪表放大器3.7斩波稳零运算放大器和仪表放大器3-5A第3章精密仪表放大器3.1引言3-5A第3章精密仪表放大器3.8斩波稳零及自动调零协同运算放大器和仪表放大器3.9总结与展望3-5A第3章精密仪表放大器3.8斩波稳零及自动调零协同3-5A第3章精密仪表放大器3.1引言本章将简要讨论如何在采用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的运算和仪表放大器中获得低偏置、低噪声以及高精度的相关技术。这些技术对于传感器较小输出电压的精确放大率至关重要。自动调零和斩波方法都会在本章中具体3-5A第3章精密仪表放大器3.1引言3-5A第3章精密仪表放大器论述,无论是独立使用还是互相组合使用,其目的都是为了使偏置电压低于1V。频率补偿技术也将在本章中论述,其将导致斩波稳零放大器中多通道结构的连续一阶频率衰减特性。因此,这些放大器可以在标准反馈网络中进行组合使用。3-5A第3章精密仪表放大器论述,无论是独立使用还是互相组3-5A第3章精密仪表放大器图3.1反馈网络的运算放大器(Vid=0,Iid=0,CMRR=高)3-5A第3章精密仪表放大器图3.1反馈网络的运算放大器3-5A第3章精密仪表放大器图3.2仪表放大器(Vid0,Iid=0,Vod=AVVid,CMRR=高)3-5A第3章精密仪表放大器图3.2仪表放大器(Vid3-5A第3章精密仪表放大器3.2仪表放大器的应用3-5A第3章精密仪表放大器3.2仪表放大器的应用3-5A第3章精密仪表放大器图3.3仪表放大器连接VsRef和VoRef之间的共模电压3-5A第3章精密仪表放大器图3.3仪表放大器连接VsR3-5A第3章精密仪表放大器图3.4仪表放大器连接传感器电桥的读出3-5A第3章精密仪表放大器图3.4仪表放大器连接传感器3-5A第3章精密仪表放大器图3.5仪表放大器连接电流感测电阻3-5A第3章精密仪表放大器图3.5仪表放大器连接电流感3-5A第3章精密仪表放大器图3.6仪表放大器连接医疗电极3-5A第3章精密仪表放大器图3.6仪表放大器连接医疗电3-5A第3章精密仪表放大器3.3三运放仪表放大器对于仪表放大器来说,其最常用的设计方法是三运算放大器结构,如图3.7所示1。3-5A第3章精密仪表放大器3.3三运放仪表放大器3-5A第3章精密仪表放大器图3.7有桥式电阻反馈和输入缓冲放大器的三运放仪表放大器3-5A第3章精密仪表放大器图3.7有桥式电阻反馈和输入3-5A第3章精密仪表放大器3.4电流反馈仪表放大器获得高共模抑制比的最佳途径是将差分输入信号Vid转换为一种不受共模电压ViCM影响的信号类型。这种信号可以是变压器中的电磁信号或者是发光二极管与光敏二极管之间的光信号。但在电学信号范围内,如果我们能使电流信号基本3-5A第3章精密仪表放大器3.4电流反馈仪表放大器3-5A第3章精密仪表放大器不受共模电压信号的影响,通常还是利用电流信号来获得高共模抑制比。对于集成电路来说,采用电流信号更有优势。电流反馈仪表放大器即利用了这一原理。该放大器将差分输入电压信号Vid转换为电流信号,然后将此电流信号与由输出电压Vo中的反馈部分Vfb转换而来的电流信号进行比较8。图3.8展示了上述的电路原理。3-5A第3章精密仪表放大器不受共模电压信号的影响,通常还3-5A第3章精密仪表放大器图3.8电流反馈仪表放大器3-5A第3章精密仪表放大器图3.8电流反馈仪表放大器3-5A第3章精密仪表放大器图3.9电流反馈仪表放大器的简单晶体管级电路3-5A第3章精密仪表放大器图3.9电流反馈仪表放大器的3-5A第3章精密仪表放大器图3.10电流反馈仪表放大器电路3-5A第3章精密仪表放大器图3.10电流反馈仪表放大器3-5A第3章精密仪表放大器图3.11有电流反馈仪表放大器的通用VI变换器3-5A第3章精密仪表放大器图3.11有电流反馈仪表放大3-5A第3章精密仪表放大器3.5自动调零运算放大器和仪表放大器在3.2节中,我们已经举出了几种需要低偏置信号的仪表放大器应用实例。自动调零和斩波技术是获得低偏置信号的主要方法9。在本节中,我们从自动调零开始介绍。3-5A第3章精密仪表放大器3.5自动调零运算放大器和仪3-5A第3章精密仪表放大器图3.12转换电容自动调零运算放大器3-5A第3章精密仪表放大器图3.12转换电容自动调零运3-5A第3章精密仪表放大器图3.13有存储电容C31和C32的自动调零运算放大器(校正放大器Gm3Vos20V)3-5A第3章精密仪表放大器图3.13有存储电容C31和3-5A第3章精密仪表放大器图3.14有或无自动调零情况下的噪声密度3-5A第3章精密仪表放大器图3.14有或无自动调零情况3-5A第3章精密仪表放大器图3.15Ping-Pong自动调零运算放大器(Vos100V)3-5A第3章精密仪表放大器图3.15Ping-Pong3-5A第3章精密仪表放大器图3.16Ping-Pong-Pang自动调零仪表放大器(Vos=100V)3-5A第3章精密仪表放大器图3.16Ping-Pong3-5A第3章精密仪表放大器3.6斩波运算放大器和仪表放大器在讨论斩波仪表放大器之前,我们将着眼于斩波运算放大器,其电路结构如图3.17所示。3-5A第3章精密仪表放大器3.6斩波运算放大器和仪表放3-5A第3章精密仪表放大器图3.17连续时间信号转移的斩波运算放大器(Vos10V,Vrip10mV)3-5A第3章精密仪表放大器图3.17连续时间信号转移的3-5A第3章精密仪表放大器图3.18斩波放大器中电压和电流随时间的变化函数3-5A第3章精密仪表放大器图3.18斩波放大器中电压和3-5A第3章精密仪表放大器图3.19有斩波器和无斩波器的放大器的噪声密度3-5A第3章精密仪表放大器图3.19有斩波器和无斩波器3-5A第3章精密仪表放大器图3.20斩波器Ch1的Cp11电荷注入电流被整流输出3-5A第3章精密仪表放大器图3.20斩波器Ch1的Cp3-5A第3章精密仪表放大器图3.21实现1/f噪声、波纹和电压偏置折中的嵌套斩波运算放大器(Vos0.1V,Vrip100V)3-5A第3章精密仪表放大器图3.21实现1/f噪声、波3-5A第3章精密仪表放大器图3.22带Ping-Pong型自动调零输入级的运算斩波放大器中的噪声3-5A第3章精密仪表放大器图3.22带Ping-Pon3-5A第3章精密仪表放大器图3.23有Ping-Pong型自动调零输入级的运算斩波放大器中的噪声3-5A第3章精密仪表放大器图3.23有Ping-Pon3-5A第3章精密仪表放大器图3.24斩波仪表放大器(Vos20V,Vrip20mV)3-5A第3章精密仪表放大器图3.24斩波仪表放大器(V3-5A第3章精密仪表放大器图3.25更好地实现1/f噪声、波纹和电压偏置折中的嵌套斩波仪表放大器(Vos0.2V,Vrip200V)3-5A第3章精密仪表放大器图3.25更好地实现1/f噪3-5A第3章精密仪表放大器3.7斩波稳零运算放大器和仪表放大器斩波放大器中存在的输出信号波纹也需要我们想办法去减小。斩波稳零放大器就是最佳的解决方法之一。基本的斩波稳零运算放大器的原理如图3.26所示。3-5A第3章精密仪表放大器3.7斩波稳零运算放大器和仪3-5A第3章精密仪表放大器图3.26有多路径混合嵌套密勒补偿的斩波稳零运算放大器(Vos10V,Vrip100V)3-5A第3章精密仪表放大器图3.26有多路径混合嵌套密3-5A第3章精密仪表放大器图3.27有和无混合嵌套密勒补偿电容CM31、CM32的斩波稳零放大器振幅特性3-5A第3章精密仪表放大器图3.27有和无混合嵌套密勒3-5A第3章精密仪表放大器图3.28有自动调零Gm5的斩波稳零运算放大器(Gm5Vos1V,Vrip1V)3-5A第3章精密仪表放大器图3.28有自动调零Gm5的3-5A第3章精密仪表放大器图3.29有和无自动调零的斩波稳零多路径仪表放大器的噪声密度3-5A第3章精密仪表放大器图3.29有和无自动调零的斩3-5A第3章精密仪表放大器图3.30包括无源积分器采样保持处理的斩波稳零运算放大器(Vos3V,Vrip20V)3-5A第3章精密仪表放大器图3.30包括无源积分器采样3-5A第3章精密仪表放大器图3.31有多路径混合嵌套密勒补偿的斩波稳零仪表放大器(Vos20V,Vrip200V)3-5A第3章精密仪表放大器图3.31有多路径混合嵌套密3-5A第3章精密仪表放大器图3.32包括自动调零感测放大器的斩波稳零仪表放大器(Vos2V,Vrip2V)3-5A第3章精密仪表放大器图3.32包括自动调零感测放3-5A第3章精密仪表放大器3.8斩波稳零及自动调零协同运算放大器和仪表放大器拥有平稳信号波形的连续时间斩波放大器是获得低偏置信号的最佳解决方案。然而,斩波器时钟序列中信号占空比即使有0.01%的不对称也会被CMOS放大器的一级输入端大约10mV的初始3-5A第3章精密仪表放大器3.8斩波稳零及自动调零协同3-5A第3章精密仪表放大器6偏置电压所加倍放大,从而使得限制残留偏置电压在1V左右变得较为困难。此外,斩波放大器的主要缺陷是由斩波所诱发的方波波纹信号,其在输入端通常约等于10mV的初始6偏置电压。因此,输入端放大器的波纹信号和偏置电压必须进一步予以减小。3-5A第3章精密仪表放大器6偏置电压所加倍放大,从而使3-5A第3章精密仪表放大器图3.33有多路径混合嵌套密勒补偿的斩波稳零运算放大器(Vos1V,Vrip50V)3-5A第3章精密仪表放大器图3.33有多路径混合嵌套密3-5A第3章精密仪表放大器图3.34有多路径混合嵌套密勒补偿和自动调零Gm5和Gm4的斩波稳零运算放大器(Vos0.1V,Vrip1V)3-5A第3章精密仪表放大器图3.34有多路径混合嵌套密3-5A第3章精密仪表放大器图3.35有多路径混合嵌套密勒补偿的斩波稳零仪表放大器(Vos2V,Vrip200V)3-5A第3章精密仪表放大器图3.35有多路径混合嵌套密3-5A第3章精密仪表放大器图3.36包括多路混合嵌套弥勒补偿和自动调零放大器Gm21和Gm22的斩波稳零仪表放大器电路(Vos=0.2V,Vrip2V)3-5A第3章精密仪表放大器图3.36包括多路混合嵌套弥3-5A第3章精密仪表放大器3.9总结与展望表3.1概述了从3.5节到3.8节中运算放大器和仪表放大器的偏置电压和噪声电压。3-5A第3章精密仪表放大器3.9总结与展望3-5A第3章精密仪表放大器表3.1所能够获得的偏置电压Vos和波纹电压Vrip汇总3-5A第3章精密仪表放大器表3.1所能够获得的偏置电压3-5A第3章精密仪表放大器3-5A第3章精密仪表放大器3-5A第3章精密仪表放大器3-5A第3章精密仪表放大器
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