带逆变器的低噪声斩波运算放大器的设计

为了深入理解“带逆变器的低噪声斩波运算放大器的设计”这一研究主题，我们首先需要明确斩波运算放大器的作用与设计中所涉及的关键参数和技术点。 斩波运算放大器（Chopper Operational Amplifier），是一种利用斩波技术（chopping technology）来降低放大器输入失调电压（input offset voltage）以及低频噪声（low frequency 1/f noise）的模拟电路。所谓失调电压指的是运算放大器的两个输入端之间的不平衡电压，即使在没有信号输入的情况下，这种不平衡也会产生输出误差，这对于精密应用来说是不可接受的。低频1/f噪声则是一种功率谱密度随频率减小而增大的噪声，在1/f噪声谱中，频率每降低一个数量级，噪声功率增加一个固定倍数。 斩波技术通过周期性切换输入信号，将1/f噪声从低频移到一个高频上，随后通过滤波器去除这些高频噪声，以此达到降低低频噪声的目的。这项技术对于CMOS放大器尤为重要，因为它能够帮助改善其性能。 在本研究中，通过使用由电阻（R）和电容（C）组成的低通滤波器，能够在斩波放大器中过滤掉调制噪声（modulation noise）。研究利用45纳米CMOS工艺，并在1伏电源供应下进行设计与仿真。仿真结果显示，斩波放大器的总谐波失真（total harmonic distortion）为54.1dB，斩波频率为10kHz；在1kHz频率下，输入参考噪声为2.54Hz；平均功耗为65.5微瓦（μW）。 在现代CMOS集成电路技术迅速向深亚微米工艺发展的同时，模拟信号处理电路面临着降低供电电压、减少1/f噪声和失调电压等重大挑战。本研究提出的斩波放大器设计针对这些问题提供了有效的解决途径。 文章中还提到了其他几种降低低频1/f噪声和失调电压的技术，包括自动零点校正（Auto Zeroing，简称AZ）和相关双重采样技术（Correlated Double Sampling，简称CDS）。自动零点校正技术能够动态地抵消失调电压漂移，通过采样和保持失调电压，然后从信号中移除它。相关双重采样技术是自动零点校正技术的特殊情况，它能够显著地减少低频1/f噪声。然而，这可能会增加放大器的热噪声（thermal noise），进而影响整个检测电路的性能。 斩波稳定技术（Chopper Stabilization，简称CHS）是一种通过斩波器将直流分量调制到一个高频，在通过一个低通滤波器滤除高频调制信号，只让有用信号通过，以此减少放大器自身的失调电压和低频噪声的技术。 本研究中设计的斩波放大器，除了实现低噪声之外，还特别提到了低功耗的特点。在当今许多应用中，随着便携式设备和无线传感器网络的发展，低功耗变得尤为重要。 综合上述，这篇研究论文详细介绍了斩波运算放大器的设计和仿真过程，探讨了降低1/f噪声和失调电压的斩波技术，并将其应用于45nm CMOS工艺中，最终通过仿真验证了该设计在保持低噪声特性的同时，还实现了低功耗。这一成果对于推动模拟集成电路设计领域的发展具有重要意义，特别是在对低噪声和低功耗有较高要求的应用场合。