一種高性能跨阻式測量放大器的設(shè)計*

馬玉清，李如平，吳房勝

(安徽工商職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽 合肥 231131)

引言

運算浮地電流傳輸器(Operational Floating Current Conveyor,OFCC)[1,2]是一種功能強(qiáng)大的有源構(gòu)建模塊，它為電路設(shè)計人員提供了充分的靈活性.它繼承了電流傳輸器和電流反饋運算放大器的特點，增加了電流輸出端、輸入端的高阻抗、輸出端的低阻抗可用性也為電路設(shè)計提供了更好的性能；近年來，OFCC已經(jīng)用于實現(xiàn)測量放大器、讀出電路、對數(shù)放大器、整流器、濾波器、可變增益放大器和惠斯通電橋的設(shè)計[3-13].

測量放大器(Instrumentation Amplifier,IA)也稱為儀表放大器或數(shù)據(jù)放大器，它是一種可以用來放大微弱差值信號的高精度放大器.測量放大器在應(yīng)用中通常作為一個輸入模塊，如汽車傳感器[14]、工業(yè)過程控制[15-17]、線性位置感知[18]和生物電位采集系統(tǒng)[19-24]來放大差分信號，并抑制不需要的共模信號.一般而言，基于運算放大器的IA分為電壓模式IA(Voltage Mode IA,VMIA)和基于電流模式構(gòu)建模塊的IA，稱為電流模式IA(Current Mode IA ,CMIA)；另一種分類方法是基于IA工作的輸入和輸出信號類型.跨阻IA(Transimpedance IA,TIA)就是這種分類中的一種，它把檢測到的電流放大并轉(zhuǎn)換為電壓.盡管有文獻(xiàn)針對TIA進(jìn)行研究，但很少有文獻(xiàn)針對采用OFCC實現(xiàn)的TIA可用.表1比較了常見的3種TIA[25-27]設(shè)計，它們是根據(jù)采用的有源和無源元件的數(shù)目和類型以及輸入和輸出端的阻抗進(jìn)行分類的.從表1可以看出：

表1 三種常見TIA設(shè)計的特性

1)基于運算放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的TIA[26]采用的電阻數(shù)量太多；

2)基于運算跨阻放大器(Operational Transimpedance Amplifier,OTRA)設(shè)計的TIA[27]有低的輸入阻抗，這對于電流傳感是理想的選擇，而基于CCⅡ型結(jié)構(gòu)設(shè)計的TIA[25]和基于運算放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的TIA[26]的輸入阻抗較高，顯然不適于電流傳感；

3)基于運算放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的TIA[26]和基于OTRA設(shè)計的TIA[27]的輸出阻抗提供了合適的輸出阻抗，低于基于CCⅡ型結(jié)構(gòu)設(shè)計的TIA[25]；

4)對于基于運算放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的TIA[26]的輸入端和基于CCⅡ型結(jié)構(gòu)設(shè)計的TIA[25]的輸入端和輸出端的阻抗匹配，需要額外的有源元件，從而增加了電路的設(shè)計成本和非理想特性.

顯然，只有文獻(xiàn)[27]的結(jié)構(gòu)提供了合適的輸入和輸出阻抗電平，而且不需要額外的阻抗匹配電路.因此，本文提出了一種高性能的TIA設(shè)計，電路結(jié)構(gòu)基于OFCC ，以提供合適的輸入/輸出接口.它僅使用3個有源模塊和4個電阻，即與文獻(xiàn)[27]有相同數(shù)量的有源模塊，但比文獻(xiàn)[27]有更少的無源元件，而且本文提出的電路結(jié)構(gòu)有更低的輸入和輸出阻抗；仿真實驗結(jié)果表明，本文提出的TIA設(shè)計不但能夠提供一個穩(wěn)定的電壓輸出和較小的輸出噪聲電平，以及具有與頻率無關(guān)的差分增益，而且在更寬的帶寬上能夠有獨立于TIA有限開環(huán)增益的共模抑制比.

1 TIA電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文提出的TIA電路結(jié)構(gòu)的主要部件是OFCC有源模塊，如圖1所示.它有2個輸入端(X,Y)和3個輸出端(W,Z+,Z-).

圖1 OFCC有源模塊

端口X是一個低阻抗電流輸入端，端口Y是一個高阻抗電壓輸入端.端口Z+和Z-都是高阻抗電流輸出，其中Z+具有正極性，Z-具有負(fù)極性.端口W為低阻抗輸出電壓端.OFCC的端口特性由式(1)的矩陣來描述：

(1)

式(1)中開環(huán)跨阻增益ZT是端口X和W之間的阻抗.

圖2所示為本文提出的采用OFCC設(shè)計實現(xiàn)的TIA電路.它由3個OFCC(OFCC1, OFCC2和OFCC3)和4個電阻構(gòu)成，其中的OFCC采用CMOS實現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖2 本文提出的采用OFCC設(shè)計實現(xiàn)的TIA

圖3 OFCC的CMOS實現(xiàn)的電原理圖

圖2中的第3個OFCC模塊僅用作為一個電流-電壓變換器，它將接收到的放大后的電流差(作為OFCC1和OFCC2的輸入)變換為電壓.在理想情況下，測量放大器的差分跨阻增益計算如下.

流出OFCC1和OFCC2的W端子的電流(iW1,iW2)分別為：

(2)

(3)

輸出電壓為：

vout=-R2(-iW1+iW2)

(4)

采用式(4)，得到差分增益AD為：

(5)

式(2)～(5)中的iin1和iin2分別為OFCC1和OFCC2的X端口的輸入電流，iW1和iW2分別為OFCC1和OFCC2的W端口的輸出電流，vout為OFCC3的W端口的輸出電壓，R1、R2和RG為外接電阻.顯然，從式(5)中可見，差分增益與頻率無關(guān).

2 非理想特性分析

實際上，有兩種類型的OFCC非理想特性.第一種非理想特性來自于端口電壓和電流之間的跟蹤誤差，其影響嚴(yán)重依賴于電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).由于本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的Y端子接地，故性能不受電壓跟蹤誤差的影響.僅需考慮電流跟蹤誤差，在Z+和Z-端子上的電流為：

iZ+=αiW2

(6)

iZ-=-γiW1

(7)

式中α和γ為非理想特性常數(shù).

因此，式(4)需修改為：

(8)

假設(shè)式(8)中的α=γ=1，則差分增益AD可寫為：

(9)

對于共模運算來說，考慮式(8)中的iin1=iin2=iCM，則可得到共模增益ACM為：

(10)

因此，最后電路的共模抑制比CMRR為：

(11)

第二種非理想特性是由于有限的跨阻增益ZT以及它的頻率依賴特性，在較高頻率時近似為ZT=1/(sCP).CP=ZOTωCF，這里ZOT和ωCF分別為開環(huán)跨阻增益和它的截止頻率.

考慮到有限的ZT，式(4)重新計算為：

vout=[ε1(s)iW1-ε2(s)iW2]ε3(s)R2

(12)

即：

(13)

式中：

假設(shè)ε1(s)=ε2(s)，則差分增益計算為：

(14)

考慮iin1=iin2=iCM，則共模增益為：

(15)

因此，共模抑制比CMRR為：

(16)

3 仿真結(jié)果

為了驗證本文提出的TIA設(shè)計的功能，實現(xiàn)OFCC電路所采用的各組晶體管的寬長比如表2所示.我們采用SPICE執(zhí)行仿真，電源電壓采用±1.5 V，偏置電壓為±0.8V.對本文提出的TIA仿真設(shè)計得到的差分增益的頻率響應(yīng)如圖4所示，仿真時取RG=1 kΩ，R1=5 kΩ，R2從1 kΩ變化到3 kΩ，以1 kΩ步長增加來得到不同的增益.從圖4可見，本文提出的TIA設(shè)計的差分增益與頻率無關(guān)，具有很好的頻響特性；對本文提出的TIA設(shè)計仿真得到的共模抑制比的頻率響應(yīng)如圖5所示.從圖5可見，共模抑制比與增益無關(guān)，是獨立于增益的，而且有一個高達(dá)112 kHz的帶寬；圖6所示為對本文提出的TIA設(shè)計對應(yīng)于不同增益(即對應(yīng)于不同的R2取值)時仿真得到的噪聲頻譜分析,即R2上的噪聲電平頻譜(采用與獲得差分增益響應(yīng)相同的元件值).從圖6可見，輸出噪聲電平即使在高增益時(即R2=3 kΩ也具有較小的輸出噪聲電平，最大不超過10 pV，而且在整個頻率范圍內(nèi)有著幾乎不變的噪聲特性，這對于TIA獲得穩(wěn)定的電壓輸出和功耗來說是至關(guān)重要的.

表2 實現(xiàn)OFCC電路的CMOS管特性

圖4 TIA的差分增益頻率響應(yīng)

圖5 不同增益值的TIA的共模抑制比頻率響應(yīng)

圖6 不同增益值的TIA的噪聲譜密度

4 結(jié)論

本文提出了一種采用OFCC設(shè)計的高性能TIA.電路僅需要3個OFCC，3個反饋電阻和1個接地電阻.為了得到放大輸出，電路工作在電流輸入模式，而無需采用復(fù)雜的輸入信號.交流分析表明，電路具有較高的增益效率和較大的帶寬；所提出的TIA設(shè)計不僅提供了在基于現(xiàn)有的運算放大器設(shè)計的TIA上的優(yōu)勢，而且在更寬的帶寬上能夠有獨立于TIA有限的開環(huán)增益的共模抑制比；所提出的TIA設(shè)計相比于現(xiàn)有的基于運算跨阻放大器的設(shè)計，還減少了元件數(shù)量.