一種可編程增益放大器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種可編程增益放大器，包含三級放大電路；所述第一級放大電路的同相輸入和反相輸入分別為可編程放大器的同相輸入和反相輸入，它們構(gòu)成可編程放大器的一對差分輸入端；所述第二級放大電路的同相輸入接第一級放大電路的反相輸出、第二級放大電路的反相輸入接第一級放大電路的同相輸出；所述第三級放大電路的同相輸入接第二級放大電路的反相輸出、第三級放大電路反相輸入接第二級放大電路的同相輸出；所述第三級放大電路的同相輸出和反相輸出構(gòu)成一對差分輸出端。本實用新型可以在醫(yī)療電子領(lǐng)域用于對微小生理信號進(jìn)行放大處理，以獲得高精度增益，同時在一定增益動態(tài)范圍內(nèi)可調(diào)，滿足不同輸入信號幅度的要求。
【專利說明】
—種可編程增益放大器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于集成電路放大器，具體涉及一種可編程增益放大器。

【背景技術(shù)】
[0002]在醫(yī)療電子領(lǐng)域，臨床診斷或者醫(yī)學(xué)研究中需要對人體的各種生理信號進(jìn)行檢測或監(jiān)控，例如血壓、心率、血糖、神經(jīng)收縮產(chǎn)生的復(fù)合動作電位等等。圖1所示為一種多通道檢測系統(tǒng)，包括:多路選擇開關(guān)(MUX) 100、可編程增益放大器(PGA) 200、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 300、數(shù)字處理單元(DIGITAL)400。MUX100從多個通道中選擇一路輸入信號送至PGA200, PGA200對輸入信號進(jìn)行放大，使之匹配到ADC300的輸入范圍，ADC300將放大后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送至DIGTIAL400進(jìn)行存儲、分析、處理。
[0003]這些人體生理信號很小，其幅度通常在幾十微伏(UV)到幾個毫伏(mV)之間。若放大器增益太小，放大器輸出至ADC的信號幅度小,影響ADC轉(zhuǎn)換的精度；若放大器增益太大，放大器輸出至ADC的信號幅度太大,超出ADC的量程。因此采用可編程增益放大器,通過調(diào)整放大器的增益，將生理信號放大至合適的值，使之落在ADC的輸入范圍內(nèi)，并可獲得良好的轉(zhuǎn)換精度。
[0004]現(xiàn)有的可編程增益放大器如圖2所示，放大器的增益由反饋電阻RF與輸入電阻RI的比值RF/RI決定，通過改變反饋電阻RF與輸入電阻RI的值，可獲得不同增益。該可編程放大器存在一個問題，那就是運放的失調(diào)。就CMOS工藝而言，運放的輸入失調(diào)電壓約10mV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有用的生理信號幅度，在高增益的情況下，放大器因失調(diào)而導(dǎo)致輸出飽和，無法正常工作。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的是提供一種低失調(diào)電壓的可編程增益放大器，用于對微小生理信號進(jìn)行放大處理，以獲得高精度增益，同時在一定增益動態(tài)范圍內(nèi)可調(diào)，滿足不同輸入信號幅度的要求。
[0006]本實用新型的可編程增益放大器，包含三級放大電路:第一級放大電路、第二級放大電路、第二級放大電路；
[0007]所述第一級放大電路的同相輸入和反相輸入分別為可編程放大器的同相輸入和反相輸入，它們構(gòu)成可編程放大器的一對差分輸入端；
[0008]所述第二級放大電路的同相輸入接第一級放大電路的反相輸出、第二級放大電路的反相輸入接第一級放大電路的同相輸出；
[0009]所述第三級放大電路的同相輸入接第二級放大電路的反相輸出、第三級放大電路反相輸入接第二級放大電路的同相輸出；
[0010]所述第三級放大電路的同相輸出和反相輸出構(gòu)成一對差分輸出端。
[0011]所述的第一級放大電路，包含第一全差分運算放大器、第一輸入電容、第一反饋電容及第一控制開關(guān)；第一級放大電路的增益由第一輸入電容與第一反饋電容的比值確定。
[0012]所述的第二級放大電路，包含第二全差分運算放大器、第二輸入電容、第二反饋電容及第二控制開關(guān)；第二級放大電路的增益由第二輸入電容與第二反饋電容的比值確定。
[0013]所述的第三級放大電路，包含第三全差分運算放大器、第三輸入電容、第三反饋電容、第三控制開關(guān)；第三級放大電路的增益由第三輸入電容與第三反饋電容的比值確定；通過改變第三開關(guān)控制信號，進(jìn)而改變接入電路的第三輸入電容及第三反饋電容的值，對第三級放大電路的增益進(jìn)行編程控制。
[0014]所述的第一、第二、第三控制開關(guān)，采用非交疊時鐘來控制它們的導(dǎo)通和斷開。
[0015]所述的第一、第二、第三輸入電容、第一、第二、第三反饋電容，它們分別通過第一、第二、第三控制開關(guān)的時序來存儲、消除失調(diào)電壓的影響。
[0016]所述第一、第二、第三全差分運算放大器，它們均具有一對差分輸入端和一對差分輸出端；所述第一、第二、第三全差分運算放大器均由運算放大器主電路及共模反饋電路組成。
[0017]所述第三級放大電路的增益可調(diào)，增益的值包括但不限于0、10、20、30dB。
[0018]本實用新型的可編程增益放大器主要有三大優(yōu)點:首先，三級放大電路的增益，通過輸入電容與反饋電容的比值來獲得，通過選取合適的比值及版圖合理的布局，可獲得高精度的放大增益；其次，輸入電容及反饋電容的存在，可以通過開關(guān)時序的控制，存儲并減小運算放大器的失調(diào)電壓，進(jìn)而解決失調(diào)電壓在高增益情況下導(dǎo)致放大器輸出飽和的問題；最后，本實用新型采用全差分運算放大器，增加共模抑制比，抑制共模干擾。
[0019]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實用新型的技術(shù)方案。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是具有可編程增益放大器的多通道檢測系統(tǒng)框圖。
[0021]圖2是現(xiàn)有可編程增益放大器的示意圖。
[0022]圖3是本實用新型實施例的結(jié)構(gòu)框圖。
[0023]圖4是本實用新型實施例中第一級放大電路示意圖。
[0024]圖5是非交疊時鐘波形。
[0025]圖6是本實用新型實施例中第二級放大電路示意圖。
[0026]圖7是本實用新型實施例中第三級放大電路示意圖。
[0027]圖8是本實用新型實施例采用的全差分運算放大器電路圖。

【具體實施方式】
[0028]本實用新型的可編程增益放大器的實施例如圖3所示，包括三級放大電路:第一級放大電路210、第二級放大電路220、第三級放大電路230 ;所述第一級放大電路210的同相輸入VINPl接輸入信號VINP、反相輸入VINNl接輸入信號VINN，構(gòu)成一對差分輸入端；所述第二級放大電路220的同相輸入VINP2接第一級放大電路210的反相輸出OUTNl、反相輸入VINN2接第一級放大電路210的同相輸出OUTPl ;所述第三級放大電路230的同相輸入VINP3接第二級放大電路220的反相輸出0UTN2、反相輸入VINN3接第二級放大電路220的同相輸出0UTP2 ;所述第三級放大電路230的反相輸出0UTN3、同相輸出0UTP3輸出至ADC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，構(gòu)成一對差分輸出端。
[0029]第一級放大電路210如圖4所示，由全差分運算放大器501、輸入電容Cl (506和507)、反饋電容CF(502 和 504)、控制開關(guān)(503、505、508、509、510、511、512、513)組成;輸入電容CI506 (507)—端接全差分運算放大器501的同相輸入INP (反相輸入INN)，另一端通過開關(guān)510 (511)接地、通過開關(guān)512 (513)接第一級放大電路210的同相輸入VINPl (反相輸入VINN1);反饋電容CF502 (504)與開關(guān)503 (504)并聯(lián)，連接全差分運算放大器501的同相輸入INP和反相輸出OUTN(反相輸入INN與同相輸出0UTP);全差分運算放大器501的同相輸入INP (反相輸入INN)通過開關(guān)508 (509)連接共模電壓VCM ;全差分運算放大器501的反相輸出OUTN (同相輸出0UTP)與第一級放大電路210的反相輸出OUTNl (同相輸出OUTPl)相連。
[0030]控制開關(guān)采用非交疊時鐘來實現(xiàn)導(dǎo)通和斷開，其中512、513由CK2信號控制，其他開關(guān)由CKl信號控制，CKl和CK2的時序波形如圖5所示。CKl為高時CK2為低，開關(guān)503、505、508、509、510、511導(dǎo)通，開關(guān)512、513斷開，此時，放大電路處于復(fù)位階段。第一級放大電路210的同相輸出OUTPl、反相輸出OUTNl連接到共模電壓VCM ;全差分運算放大器501的同相輸入INP、反相輸入INN連接到共模電壓VCM ;輸入電容CI506 (507) 一端接全差分運算放大器501的同相輸入INP (反相輸入INN)，另一端通過開關(guān)510 (511)接地，此時輸Λ CI506 (507)上存儲的電壓為共模電壓VCM;反饋電容CF502 (504)通過開關(guān)503 (505)短路。
[0031]CK2 為高時 CKl 為低，，開關(guān) 512,513 導(dǎo)通，開關(guān) 503、505、508、509、510、511 斷開。第一級放大電路210正常工作，其增益由輸入電容506 (507)和反饋電容502 (504)的比值CI/CF決定，在第一級放大電路實施例中取CI/CF=10，故第一級放大電路210的增益為
[0032]GAINl=201og (CI/CF) =201og (10) =20dB(I)
[0033]第二級放大電路220如圖6所示，由全差分運算放大器601、輸入電容Cl (606和607)、反饋電容CF (602和604)、控制開關(guān)(603、605、608、609)組成；輸入電容CI606 (607)一端接全差分運算放大器601的同相輸入INP (反相輸入INN)，另一端接第二級放大電路220的同相輸入VINP2(反相輸入VINN2);反饋電容CF602 (604)與開關(guān)603 (604)并聯(lián)，連接全差分運算放大器601的同相輸入INP和反相輸出OUTN(反相輸入INN與同相輸出0UTP);全差分運算放大器601的同相輸入INP (反相輸入INN)通過開關(guān)608 (609)連接共模電壓VCM ;全差分運算放大器601的反相輸出OUTN (同相輸出0UTP)與第二級放大電路220的反相輸出0UTN2 (同相輸出0UTP2)相連。
[0034]控制開關(guān)由CKl信號控制。CKl為高時，開關(guān)603、605、608、609導(dǎo)通，此時，放大電路處于復(fù)位階段。第二級放大電路220的同相輸出0UTP2、反相輸出0UTN2連接到共模電壓VCM ;全差分運算放大器601的同相輸入INP、反相輸入INN連接到共模電壓VCM ;輸入電容CI606 (607)一端接全差分運算放大器601的同相輸入INP (反相輸入INN),另一端接第一級放大器210的反相輸出OUTNl (同相輸出0UTP1)，CKl為高時，第一級放大電路210的同相輸出0UTP1、反相輸出OUTNl連接到共模電壓VCM，此時輸入電容CI606 (607)上存儲的電壓為O ;反饋電容CF602 (604)通過開關(guān)603 (605)短路。
[0035]CKl為低時，開關(guān)603、605、608、609斷開。第二級放大電路220正常工作，其增益由輸入電容606 (607)和反饋電容602 (604)的比值CI/CF決定，在第二級放大電路實施例中取CI/CF=10，故第二級放大電路220的增益為
[0036]GAIN2=201og (CI/CF) =201og (10) =20dB(2)
[0037]第三級放大電路230如圖7所示，由全差分運算放大器701、輸入電容CI(706、710和 707、711)、反饋電容 CF (702、722、724 和 704、723、725)、控制開關(guān)(703、705、708、709)、Sl(726、727)、S2(720、721)、S3(718、719)、S4(712、713)、S5(714、715)、S6(716、717)組成；輸入電容CI710 (711)與開關(guān)712 (713)串聯(lián)后與輸入電容CI706 (707)并聯(lián)；輸入電容Cl 706 (707)—端接全差分運算放大器701的同相輸入INP (反相輸入INN)，另一端通過開關(guān)714 (715)接第三級放大電路230的同相輸入VINP3(反相輸入VINN3);反饋電容CF702(704)與開關(guān)718 (719)并聯(lián)，一端通過開關(guān)726 (727)連接全差分運算放大器701的同相輸入INP (反相輸入INN)，另一端連接全差分運算放大器701的反相輸出OUTN (同相輸出0UTP);反饋電容724與722 (723與725)串聯(lián)后，與開關(guān)726 (727)并聯(lián)，反饋電容724與722 (723與725)的公共端通過開關(guān)720 (721)接全差分運算放大器701的反相輸出OUTN(同相輸出0UTP);開關(guān)703 (705)連接全差分運算放大器701的同相輸入INP和反相輸出OUTN (反相輸入INN與同相輸出0UTP);全差分運算放大器701的同相輸入INP (反相輸入INN)通過開關(guān)708 (709)連接共模電壓VCM ;全差分運算放大器701的反相輸出OUTN (同相輸出OUTP )與第三級放大電路230的反相輸出0UTN3 (同相輸出0UTP3)相連；第三級放大電路230的同相輸入VINP3 (反相輸入￥1剛3)通過開關(guān)716(717)與反相輸出0UTN3 (同相輸出0UTP3)相連。
[0038]控制開關(guān)703、705、708、709由CKl信號控制，用來實現(xiàn)放大器的復(fù)位，控制開關(guān)
51(726,727), S2 (720、721)、S3 (718、719)、S4 (712、713)、S5 (714、715)、S6 (716、717)用來實現(xiàn)可編程增益控制。CKl為高時，開關(guān)703、705、708、709導(dǎo)通，此時，放大電路處于復(fù)位階段。第三級放大電路230的同相輸出0UTP3、反相輸出0UTN3連接到共模電壓VCM ;全差分運算放大器701的同相輸入INP、反相輸入INN連接到共模電壓VCM。
[0039]CKl為低時，開關(guān)703、705、708、709斷開。第三級放大電路230正常工作，其增益由開關(guān) Sl(726、727)、S2 (720,721), S3(718、719)、S4(712、713)、S5(714、715)、S6(716、717)控制，實現(xiàn)0、10、20、30dB可選。下表是對應(yīng)0、10、20、30dB增益時，開關(guān)SI (726、727)、
52(720,721), S3(718、719)、S4(712、713)、S5(714、715)、S6(716、717)的控制信號電平，I
表示高電平，開關(guān)導(dǎo)通；O表示低電平，開關(guān)斷開；X表示高電平或者低電平均可。
[0040]
驢? SI--.TZfT) S2(T2Ck 721) S3018, 719? 54(112., 713) S5CT14, flSl S6(?16, 71T)
1-:.: I >::.:!:....10__110IIO
20 O I O I I010
[30__O I O I OIIO
[0041]輸入電容706,710 和 707,711 的值為 Cl，反饋電容 702、722、724 和 704、723、725的值為CF，在第三級放大電路實施例中取CI/CF=5。
[0042]當(dāng)開關(guān)S5(714、715)斷開、開關(guān)S6 (716、717)閉合時，第三級放大電路230的同相輸入VINP3與反相輸出0UTN3相連，反相輸入VINN3與同相輸出0UTP3相連，簡言之，第三級放大電路230被短路，此時增益為
[0043]GAIN3=201ogl=0(3)
[0044]當(dāng)開關(guān)S3(718、719)、S6(716、717)斷開，開關(guān) SI (726,727), S2 (720,721),S4(712、713)、S5(714、715)閉合時，輸入電容由 706、710 (707、711)并聯(lián)，等于 2*CI，反饋電容由702、722、724 (704,723,725)并聯(lián)，等于3*CF，此時第三級放大電路230的增益為
[0045]GAIN3=201og (2*CI/3*CF) =201og (10/3) =1dB(4)
[0046]當(dāng)開關(guān)SI (726,727), S2 (720,721), S4(712、713)、S6(716、717)斷開，開關(guān)S3(718、719)、S5(714、715)閉合時，由于710開路、僅706接入電路(711開路、僅707接入電路)，輸入電容等于Cl，由于722、724串聯(lián)、702短路(723、725串聯(lián)、704短路)，反饋電容等于0.5*CF，此時第三級放大電路230的增益為
[0047]GAIN3=201og (CI/0.5*CF) =201og (5/0.5) =20dB(5)
[0048]當(dāng)開關(guān)SI (726,727), S2 (720,721), S3(718、719)、S6(716、717)斷開，開關(guān)S4(712、713)、S5(714、715)閉合時，輸入電容由 706、710 (707、711)并聯(lián)，等于 2*CI，反饋電容由702、722、724 (704,723,725)串聯(lián)，等于CF/3，此時第三級放大電路230的增益為
[0049]GAIN3=201og (3*2*CI/CF) =201og (30) =30dB(6)
[0050]本實用新型實施例采用的全差分運算放大器501、601、701如圖8所示，由第一到第五PMOS管PMl?PM5、第一到第四NMOS管NMl?NM4、第一到第二電容Cl?C2、第一到第二電阻Rl?R2、第七到第九PMOS管PM7?PM9、第五到第六NMOS管NM5?NM6、第三到第四電阻R3?R4組成；其中第一到第五PMOS管PMl?PM5、第一到第四NMOS管NMl?NM4、第一到第二電容Cl?C2、第一到第二電阻Rl?R2組成了全差分運算放大器的主電路，第七到第九PMOS管PM7?PM9、第五到第六NMOS管NM5?NM6、第三到第四電阻R3?R4組成了共模反饋電路；第一、第二 PMOS管PMl、PM2為放大器差分輸入對管，第一、第二 NMOS管匪1、匪2為PMl和PM2的電流源負(fù)載，第三PMOS管PM3為PMl、PM2提供了偏置電流；第三NMOS管NM3、第五PMOS管PM5以及第四NMOS管NM4、第四PMOS管PM4組成了第二級放大電路。第一電容Cl、第一電阻Rl (第一電容C2、第一電阻R2)分別為米勒電容和調(diào)零電阻，用于提升放大電路的穩(wěn)定性。共模反饋電路則為全差分運算放大器提供了穩(wěn)定的共模電壓。第六PMOS管PM6與PM3、PM4、PM5、PM7構(gòu)成電流鏡，將輸入的偏置電流IBIAS復(fù)制，為全差分運算放大器主電路及共模反饋電路提供偏置電流。
【權(quán)利要求】
1.一種可編程增益放大器，其特征是:包含三級放大電路:第一級放大電路、第二級放大電路、第二級放大電路； 所述第一級放大電路的同相輸入和反相輸入分別為可編程放大器的同相輸入和反相輸入，它們構(gòu)成可編程放大器的一對差分輸入端； 所述第二級放大電路的同相輸入接第一級放大電路的反相輸出、第二級放大電路的反相輸入接第一級放大電路的同相輸出； 所述第三級放大電路的同相輸入接第二級放大電路的反相輸出、第三級放大電路反相輸入接第二級放大電路的同相輸出； 所述第三級放大電路的同相輸出和反相輸出構(gòu)成一對差分輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的可編程增益放大器，其特征是:所述第一級放大電路，包含第一全差分運算放大器、第一輸入電容、第一反饋電容及第一控制開關(guān)；第一級放大電路的增益由第一輸入電容與第一反饋電容的比值確定。
3.如權(quán)利要求2所述的可編程增益放大器，其特征是:所述第二級放大電路，包含第二全差分運算放大器、第二輸入電容、第二反饋電容及第二控制開關(guān)；第二級放大電路的增益由第二輸入電容與第二反饋電容的比值確定。
4.如權(quán)利要求3所述的可編程增益放大器，其特征是:所述第三級放大電路，包含第三全差分運算放大器、第三輸入電容、第三反饋電容、第三控制開關(guān)；第三級放大電路的增益由第三輸入電容與第三反饋電容的比值確定；通過改變第三開關(guān)控制信號，進(jìn)而改變接入電路的第三輸入電容及第三反饋電容的值，對第三級放大電路的增益進(jìn)行編程控制。
5.如權(quán)利要求4所述的可編程增益放大器，其特征是:所述第一、第二、第三控制開關(guān)，采用非交疊時鐘來控制它們的導(dǎo)通和斷開。
6.如權(quán)利要求4所述的可編程增益放大器，其特征是:所述第一、第二、第三輸入電容、第一、第二、第三反饋電容，它們分別通過第一、第二、第三控制開關(guān)的時序來存儲、消除失調(diào)電壓的影響。
7.如權(quán)利要求4所述的可編程增益放大器，其特征是:所述第一、第二、第三全差分運算放大器，它們均具有一對差分輸入端和一對差分輸出端；所述第一、第二、第三全差分運算放大器均由運算放大器主電路及共模反饋電路組成。
8.如權(quán)利要求4所述的可編程增益放大器，其特征是:所述第三級放大電路的增益可調(diào)，增益的值包括但不限于0、10、20、30dB。
【文檔編號】H03F3/45GK203984362SQ201420206929
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年4月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月26日
【發(fā)明者】馬劍武, 劉文用 申請人:長沙云騰微電子有限公司