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运放chopper分析(以bandgap中运放为例)

热度 87已有 21656 次阅读| 2021-3-2 13:40 |个人分类:电路分析|系统分类:芯片设计| chopper电路

运放VOSBG输出电压影响:

1.png 

如上图左所示,VBG电压计算式由等式(6)给出

此时,考虑到运放存在总失调电压VOS,此时运放接入电路环路增益为:G_loop=(R1+R2+1/gmQ2)/(R2+1/gmQ2)(R1+R2)/R2 (1/gmQ2相对R1R2比较小),假设运放增益足够大,使得输入两端能够有效钳位为VBEQ1,由负输入端为VBE,正输入叠加失调电压为VBE+VOS → 运放输入端的差值VOS,反映到输出VBGVBG+VOS*G_loop,得到等式(8),很明显VOS被环路放大了,叠加到VBG上对基准电压产生了影响,所以需要消除该运放失调电压VOS的影响。

2023/08/04 更新等式(8)推导:

原始VBG表达式为:VBG0=VBE2+(R1+R2)*(VBE1-VBE2)/R2,引入+VOS后,R2上端变为VBE1+VOS,则VBG = VBE2+(R1+R2)*(VBE1+VOS-VBE2)/R2 = VBG0+(R1+R2)/R2*VOS

如果使用VBE1这个变量进行等式(8)推导:
引入+VOS后,R2上端为VBE1+VOS,则VBG = VBE1+VOS+R1*(VBE1+VOS-VBE2)/R2 = VBE1+R1/R2*(VBE1-VBE2)+(1+R1/R2)*VOS = VBG0+(R1+R2)/R2*VOS

 

运放失调电压的消除--chopper原理:

运放的失调电压最主要贡献体现在输入对管的mismatch上(其余部分也会存在适配,后续分析)

Chopper的原理在于,周期性的将运放的输入端交换,同时为了保证运放的正负反馈不发生改变,输出端也会相应交换,如下图所示:

2.png 

前半个chopper周期,运放将﹢VOS叠加到输出VBG,后半个chopper周期运放将-VOS叠加到输出VBG,则在一个choppe周期中,±VOSVBG的影响被消除。

输入端和输出端需要同时交换,保证运放在环路中的反馈极性不发生变化

 

折叠运放电路的chopper分析:

3.png 

使用chopper时钟,将运放输出周期性反接,如上图右边电路所示,注意CH1CH2N是反向时钟,得到下图:

4.png 

假设M1/M2贡献mismatch体现为VP-VN=+VOS,运放开环增益为A:

左图:VI+VPVI-VN,且VI+ - VI-=δV → 输出VOUT+ = A*(δV+VOS)

右图:VI+VNVI-VP,且VI+ - VI-=δV → 输出VOUT- = A*(δV-VOS)

则一周期内两次平均输出(VOUT+ + VOUT-)/2 = A*δV ,则运放的VOS在一个满周期上被抵消

同理,M10/M11之间的mismatch也能被消除,在此不做额外推导

M6/M7/M8/M9之间的mismatch影响相对没有输入管M1/M2、尾电流M10/M11大,不作考虑,保证版图的匹配性良好即可

M4/M5之间的mismatch无法完全消除:

5.png 

前半周期ID7=ID5, ID6=ID4, 得到等式(14);后半周期ID7=ID4, ID6=ID5, 得到等式(15)

等式(14)(15)均已ID6为基准变量,去除了VGS这个变量(如果M4/M5之间存在VTH上的差异,前后半周期得到的VGS是不一样的,会使得计算值很复杂,初次推导时,我认为前后两次VGS相等,得到的结果直接抵消掉了,认为M4/M5mismatch是能够消除的)

 通过等式(14)(15)结合,消掉ID6变量得到前后半周期下的两条支路的电流变化量,可以看到(VTH4-VTH5)的一阶项是能够被chopper消除的,剩下了chopper无法消除的二阶项β*(VTH4-VTH5)^2

该变化电流等效到输入对管,则需要的输入变化量为:

6.png 

假设mismatch引起的M4/M5之间的阈值电压差值为3mV,则等效到运放输入端的VOS量级为uV,保证M4/M5之间的版图匹配,能有效的减小该值。

 

Chopper之后的滤波:

7.png 

运放加入chopper之后在运放输出端加入噪声抖动,该抖动需要通过添加notch filter滤波消除

简单的SC notch filter电路由T型结构的开关电容组成,当fs为高时,CS2采样VI电压,CS1保持输出VG1;当fs为低时,CS1采样V1电压,CS1保持输出VG2

为了保证采样的准确性,fs的时钟需要与运放的chopper时钟错位1/4个周期

可行的时钟电路实现电路如下:

8.png 

CLK送进D触发器进行二分频得到CHOP时钟,同时CLK取反,采样CHOP时钟,则得到Notch-Fliter时钟fs,实现两个时钟之间1/4周期的相位差

 

REFERENCE

A Single-Trim CMOS Bandgap Reference With a 3δ Inaccuracy of 0.15% From 40C to 125C, IEEE, 2011

Circuit Techniques for Reducing the Effects of OpAmp Imperfections, Autozeroing, Correlated Double Sampling and Chopper Stabilization, IEEEE, 1996

A CMOS Chopper Opamp with Integrated Low-Pass Filter, IEEE

A Micropower Chopper-Stabilized Operational Amplifier Using a SC Notch Filter With Synchronous Integration Inside the Continuous-Time Signal Path, IEEE, 2006


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刚表态过的朋友 (69 人)

发表评论 评论 (47 个评论)

回复 gtfei 2024-3-18 20:52
ttt913: Notch filter 不是利用它的低通特性,采保电路在频域是冲激采样+sinc filter, 利用了它在Fs处增益为零的带阻特性,滤除掉频率为Fs的offset.  所以叫notch filter ...
GET  3Q
回复 eeshang 2024-3-19 17:25
您好,我最近刚开始学习斩波,有个问题想请教一下,我感觉您图里折叠共源共栅的current mirror下面那里可以不用交换,只需要输入管和尾电流源上面那部分交换就可以实现反馈极性不变了。我的想法是哪里有问题吗?另外我想如果current mirror部分交换是为了降低M4、5管的失配的话,另外两个交换的部分不能完成吗(我的想法是只要有另两个交换的部分,M4、5失配等效的输入失调可以在前后两个半周期内平均为零了)?
回复 eeshang 2024-3-19 20:02
我好像明白了,我的理解是电流镜部分的反转是为了保证电流镜M4、M5的失配导致的输入失调电压极性不变(如果不反转而另外两个部分依然保持前后半周期反转,那么电流镜失配导致的输入失调电压前后半周期极性相反)。而输入管和尾电流源部分的反转是为了保证运放反馈极性相同。
回复 wewill 2024-3-19 22:09
gtfei: 已修正,谢谢提醒
我对比了三种情况。不加chopper时,运放的正输入端加入10mv的失调电压,直接连进反馈环路,运放的两个PMOS输入管的(VGS-VTH)是相同的,工作点和正常不加offset时有一点偏离(但是管子工作是正常的),BGR电压与正常不加Offset时有几十甚至上百mv的偏离。加入chopper和notch filter后,仍然在运放的正输入端加入10mv的失调电压,此时消除了offset的影响,VI+=VI-,但是此时运放的两个PMOS输入管的(VGS-VTH)相差恒定的10mv,共源共栅工作管的VDS在以一定的幅值上下摆动。我的问题是第二种情况下,输入对管的(VGS-VTH)相差10mv,如果接近环路里,不就是相当于直接把10mv给放大成A倍的10mv了吗(A为放大器的增益),那岂不是会发生运放的输出端直接升到VDD或者降到GND的情况吗?或者是因为此时的10mv已经被调制到斩波频率处,而在斩波频率处放大器的增益A非常小,相当于放大一个高频的小信号所以导致运放的输出端其实只有小几十mv的变化,并不影响电路正常工作状态。第三种情况是直接加入chopper不加入notch filter,同样在运放的正输入端加入10mv的offset,随着斩波频率的增加,运放的输出端是上下摆动逐渐减小的三角波,VI+与VI-的差值也是上下摆动幅值逐渐减小的三角波。还请指点一下
回复 gtfei 2024-3-20 16:05
wewill: 我对比了三种情况。不加chopper时,运放的正输入端加入10mv的失调电压,直接连进反馈环路,运放的两个PMOS输入管的(VGS-VTH)是相同的,工作点和正常不加offset ...
情况一、vos反映到输出端,会使得BGR输出发生等式8中的(1+R1/R2)*vos偏差,算出来应该和你仿真情况差距不大。
情况二、你的观察点应该是直接测量运放输入对栅极的电压差值,这个差值不可能达到10mv的,达到10mv由于运放本身增益,会使得运放输出拉到电源或地,整个BGR功能会出错。
情况三、chop的频率选择是需要根据环路带宽进行选择的,chop之后,环路需要一定的稳定时间才能达到稳定点;
定性分析chop频率低时,环路建立完全,则BGR处于两种状态,输出为BG0+(1+R1/R2)*vos和BG0-(1+R1/R2)*vos,则一个chop周期下,vos一正一负被抵消;
定性分析chop频率高时,环路无法完全建立,BGR输出达不到BG0+(1+R1/R2)*vos和BG0-(1+R1/R2)*vos,就随着chop翻转则往另一侧变化,所以得到三角波,随着频率增大,三角波摆动幅值减小。
回复 wewill 2024-3-20 17:31
情况一和情况三是可以理解的。对于情况二,你说的两个输入管的栅极不可能相差10mv是我不应该加10mv的offset 吗,是加的太大了吗?我现在的仿真情况是我加了10mv的 offset,加入chopper和notch filter 稳定后,VI+=VI-,两个管子的栅极就是相差恒定的10mv(M1管子的栅极比M2管子的栅极多10mv),运放的输出端VOUT会在均值处有峰峰值100mv的三角波波动,所以会影响M7和M9管子的VDS,VG1端(经过notch filter 之后的输出)稳定后几乎是一条直线,VBGR电压稳定后也是一条直线
回复 Dylann 2024-3-29 10:19
lcy1997123: 为什么chopper不在输入和输出直接加呢,相当于从系统上消除失调,为什么要在电流镜输出加,这样有什么优劣吗
同问
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