适用于微弱信号检测的低噪声仪表放大器

吉林大学学报(信息科学版) ›› 2019, Vol. 37 ›› Issue (3): 341-345.

适用于微弱信号检测的低噪声仪表放大器

李捷菲^1a，尼启良²，王富昕^1b

1．吉林大学a．电子科学与工程学院; b．计算机科学与技术学院，长春130012;2．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130033

收稿日期:2019-01-28 出版日期:2019-05-20 发布日期:2019-06-24
通讯作者: 王富昕( 1975— ) ，女，长春人，吉林大学高级工程师，主要从事计算机接口与组成研究，( Tel) 86-13039223630( E-mail) wfx@ jlu． edu． cn。 E-mail:wfx@ jlu． edu． cn
作者简介:李捷菲( 1994— ) ，女，西安人，吉林大学硕士研究生，主要从事模拟集成电路设计研究，( Tel) 86-15619316070( E-mail)pucike@163． com; 通讯作者: 王富昕( 1975— ) ，女，长春人，吉林大学高级工程师，主要从事计算机接口与组成研究，( Tel) 86-13039223630( E-mail) wfx@ jlu． edu． cn。
基金资助:
吉林省科技发展计划重点攻关基金资助项目( 20160204064GX)

Low Noise Instrumentation Amplifier for Small Signal Detection

1a． College of Electronic Science and Engineering; 1b． College of Computer Science and Technology，Jilin University，Changchun 130012，China; 2． Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China

Received:2019-01-28 Online:2019-05-20 Published:2019-06-24

摘要/Abstract

摘要： 为解决传统仪表放大器的噪声与纹波等问题，设计了一种能测量微弱电信号的低噪声电容耦合斩波仪表放大器( CCIA: Capacitively-Coupled Chopper Instrumentation Amplifier) ，实现了极低的增益误差与等效噪声。通过采用斩波结构使输入共模电压达到轨对轨范围; 两级折叠式共源共栅放大器能有效地提升开环增益;同时，纹波减少环路( ＲＲL: Ｒipple Ｒeduction Loop) 可抑制CCIA 输出端的斩波纹波; 可调正反馈回路( TPFL:Tunable Positive Feedback Loop) 能提升CCIA 的输入阻抗; 最后，直流伺服回路( DCL: DC Cancellation Loop) 能抑制电极偏移并有利于微弱信号检测。CCIA 采用标准0． 18 μm CMOS 工艺实现，仿真结果表明，电路的增益误差为0． 11%，在100 Hz 下，等效输入参考噪声为6． 98 nV。

关键词: 仪表放大器, 斩波, 低噪声, 高增益精度, 波纹减少, 正反馈环路

Abstract: A low noise capacitively-coupled chopper instrumentation amplifier which is able to measure small signals is proposed． In this design，chopper is adopted which can make the input common-mode voltage achieve a rail-to-rail range and also has a low power consumption． A two stage folded-cascode opamp is employed to boost the open-loop gain effectively． Furthermore，a ripple reduction loop is used to suppress the chopping ripple at the output of the CCIA ( Capacitively-Coupled Chopper Instrumentation Amplifier ) ． A tunable positive feedback loop based on the MOS capacitors is adopted to boost the input impedance of the CCIA opamp． At last，a DC( Direct Current) cancellation loop is introduced to suppress the electrode offset and to facilitate the weak signal sensing． The CCIA is implemented in a standard 0． 18 μm CMOS ( Complementary Metal Oxide Semiconductor) process． Simulation results show that the gain inaccuracy of proposed CCIA is 0． 11% and the input referred noise is 6． 98 nV at 100 Hz．

Key words: instrumentation amplifier, chopper, low noise, high gain accuracy, ripple reduction, positive feedback loop

中图分类号:

TN453

李捷菲, 尼启良, 王富昕. 适用于微弱信号检测的低噪声仪表放大器[J]. 吉林大学学报(信息科学版), 2019, 37(3): 341-345.

LI Jiefei, NI Qiliang, WANG Fuxin. Low Noise Instrumentation Amplifier for Small Signal Detection[J]. Journal of Jilin University (Information Science Edition), 2019, 37(3): 341-345.

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