CN116436415A - 应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器，包括：电容反馈分流模块、输出差分对模块以及环路放大器，跨阻放大器中的晶体管均处于饱和区，电容反馈分流模块连接输入、输出端，输入电流和输出电流为不同支路上的电容比值大小，即IOUT/IIN≈1+C2/C1，此种设计方式不会引入噪声也不会影响电路的稳定性。跨阻放大器的输出端采用差分对结构，一路输出反馈电流到输入，另一路电流则经过负载RL获得较大的输出电压。环路放大器能够为整个放大电路提供高增益，同时通过CMFB消除共模扰动稳定输出，极好地改善了跨阻放大器的工作特性。

Description

应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器

技术领域

本发明属于传感器模拟前端设计技术领域，具体涉及一种应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器。

背景技术

目前，在众多的医疗成像方式中，超声成像检测由于其无损性和较高的成像分辨率成为了医学成像的不二之选。医学超声成像系统通常采用1-20MHz的频率，超声医疗成像图片可达到亚毫米级的分辨率。其中，超声成像设备中限制超声成像图像分辨率的主要因素是超声换能器以及超声换能器的模拟前端电路。超声换能器决定了超声信号的中心频率，不同频率的信号应用于人体不同部位的成像。而在应用于超声换能器的模拟前端电路处理超声回波信号的过程中，各类噪声的加入会极大地影响超声成像图像的分辨率和质量，因此应用于超声换能器的模拟前端电路对于超声成像至关重要。

然而，受工艺和成本的约束，医用超声成像系统前端中的超声换能器对于后续模拟前端电路的适配性以及模拟前端电路的噪声的消除这类问题仍未得到很好地解决。由于微电子工艺技术成熟，具有较低成本和功耗等诸多优势的集成电路CMOS技术的发展，因此研制超声模拟前端电路已然成为本领域技术人员不可忽视的重要课题之一。

近年来，基于MEMS工艺的微电容超声换能器被广泛应用到医学超声成像。但是，微电容超声换能器接收回波产生的电流信号微弱，较难检测，需要一种具有电流放大作用的跨阻放大器对微弱电流信号进行放大。跨阻放大器具有将超声回波信号进行低噪声放大处理的功能。跨阻放大器是应用于超声换能器模拟前端电路的重要组成部分之一，其指标参数很大程度上决定了应用于超声换能器模拟前端电路的整体性能，例如：噪声、增益、带宽等。

对于超声回波信号，决定其信号分辨率的关键部分是跨阻放大器，也就是说，要实现高分辨率超声信号的收集，就要设计具有较高增益放大信号的低噪声跨阻放大器。因此设计一种较高增益的低噪声跨阻放大器应用于超声回波信号接收的是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供一种应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器，包括：电容反馈分流模块、输出差分对模块以及环路放大器，其中，

所述环路放大器，用于按照预设增益系数对输入电流信号进行放大之后，将放大后的电流信号转换为交流电压信号并输入所述交流电压信号至输出差分对模块；

所述输出差分对模块，用于将所述交流电压信号转换为第一交流电流信号和第二交流电流信号后，将所述第一交流电流信号输入与所述跨阻放大器连接的时间增益补偿电路，并将所述第二交流电流信号输入至所述电容反馈分流模块；其中，所述第一交流电流信号与所述第二交流电流信号的相位相反；

所述电容反馈分流模块，用于按照预设比例对所述第二交流电流信号进行放大，并将放大后的第二交流电流信号反馈至所述跨阻放大器的输入端。

在本发明的一个实施例中，还包括电源电压信号端AVDD、电阻RF和反相输入端VIN；所述输出差分对模块包括晶体管：M1、M2、M3、M4、M5和电阻RL，所述环路放大器包括反相输出端VON和同相输出端VOP；其中，

M1、M2的源端与M5的漏端连接，M5的源端连接至所述电源电压信号端AVDD、栅端连接至第一偏置电压VBP1，所述跨阻放大器的输出电压节点VOUT与M1、M3的漏端以及电阻RL的一端连接，电阻RL的另一端与M3的源端连接，M3和M4的源端接地AGND，晶体管M2、M4的漏端通过电阻RF及所述电容反馈分流模块连接至所述跨阻放大器的反相输入端VIN。

在本发明的一个实施例中，所述电容反馈分流模块包括电容：C1、C2；其中，C1的一端与M4的漏端连接、另一端经C2接地。

在本发明的一个实施例中，还包括同相输入端VIP，所述环路放大器包括晶体管：M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M20；其中，

M6的栅端与第二偏置电压VBN1连接、源端接地AGND，M10的漏端与M10的源端连接，M10的漏端和M18的源端均连接至M6的漏端，M18的漏端与M16的源端连接，M12、M18的栅端与所述同相输入端VIP连接，M16的栅端与第三偏置电压VBN连接，M12的漏端与M14的源端连接，M14的栅端连接至第四偏置电压VBP，M14的漏端与M16的漏端连接至环路放大器的反相输出端VON，M8、M12的源端连接至M20的漏端，M8的栅端与M8的漏端连接，M20的源端与所述电源电压信号端AVDD连接，

M9的漏端与M9的栅端连接，M9的漏端和M18的源端连接至M6的漏端，M17的漏端与M15的源端连接，M11、M17的栅端与所述反相输入端VIN连接，M15的栅端与所述第三偏置电压VBN连接，M11的漏端与M13的源端连接，M13的栅端连接至所述第四偏置电压VBP，M13的漏端与M15的漏端连接至环路放大器的同相输出端VOP，M7、M11的源端连接至M19的漏端，M7的栅端与M7的漏端连接，M19的源端与所述电源电压信号端AVDD连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器，包括电容反馈分流模块、输出差分对模块以及环路放大器，跨阻放大器中的晶体管均处于饱和区，电容反馈分流模块连接跨阻放大器的输入、输出端，输入电流和输出电流为不同支路上的电容比值大小，即IOUT/IIN≈1+C2/C1，此种设计方式不会引入噪声也不会影响电路的稳定性。跨阻放大器的输出端采用差分对结构，一路输出反馈电流到输入，另一路电流则经过负载RL获得较大的输出电压。环路放大器能够为整个放大电路提供高增益，同时通过共模反馈CMFB(Common mode feedback，共模反馈)消除共模扰动稳定输出，极好地改善了跨阻放大器的工作特性。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器的电路示意图；

图2是本发明实施例提供的应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器的电路拓扑结构示意图；

图3是本发明实施例提供的环路放大器的电路示意图；

图4是本发明实施例提供的电容反馈结构的示意图；

图5是本发明实施例提供的电流梯形反馈结构的电路示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

图1是本发明实施例提供的应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器的一种电路图，图2是本发明实施例提供的应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器的电路拓扑结构示意图。如图1-2所示，本发明实施例提供一种应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器，包括：电容反馈分流模块、输出差分对模块以及环路放大器，其中，

环路放大器，用于按照预设增益系数对输入电流信号进行放大之后，将放大后的电流信号转换为交流电压信号并输入交流电压信号至输出差分对模块；

输出差分对模块，用于将交流电压信号转换为第一交流电流信号和第二交流电流信号后，将第一交流电流信号输入与跨阻放大器连接的时间增益补偿电路，并将第二交流电流信号输入至电容反馈分流模块；其中，第一交流电流信号与第二交流电流信号的相位相反；

电容反馈分流模块，用于按照预设比例对第二交流电流信号进行放大，并将放大后的第二交流电流信号反馈至跨阻放大器的输入端。

可选地，上述应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器还包括电源电压信号端AVDD、电阻RF和反相输入端VIN；输出差分对模块包括晶体管：M1、M2、M3、M4、M5和电阻RL，环路放大器包括反相输出端VON和同相输出端VOP；其中，

M1、M2的源端与M5的漏端连接，M5的源端连接至电源电压信号端AVDD、栅端连接至第一偏置电压VBP1，跨阻放大器的输出电压节点VOUT与M1、M3的漏端以及电阻RL的一端连接，电阻RL的另一端与M3的源端连接，M3和M4的源端接地AGND，晶体管M2、M4的漏端通过电阻RF及电容反馈分流模块连接至所述跨阻放大器的反相输入端VIN。

应当理解，跨阻放大器的反相输入端VIN接收的输入电流信号可以是来自微电容超声换能器模拟前端电路接收到的超声回波电流信号，本实施例中用电流源I1来表示接收到的超声回波电流信号，电流源I1另一端接地。

可选地，上述电容反馈分流模块包括电容：C1、C2；其中，C1的一端与M4的漏端连接、另一端经C2接地。

在电容反馈分流模块中，电容C1与电容C2分流后将成比例的电流反馈到输入端作为输入电流，比例为Iout/Iin≈1+C2/C1。通过电容C1和电容C2分流实现电流反馈的方法，还可以通过增加电容分流节点数，将(1+C2/C1)一个反馈节点扩展成(1+C2/C1)ⁿ具有n个节点的多级梯形反馈网络的形式，此部分在跨阻放大器电路中作为电流放大器来工作，可以实现固定增益步长的电流放大反馈到输入端。

相比于电阻反馈，本发明采用的电容反馈分流模块没有噪声，并且在电容反馈与电阻反馈一样降低直流回路增益的情况下，输入端的对地电容并不会降低电路稳定性。

进一步地，应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器还包括同相输入端VIP，环路放大器包括晶体管：M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M20；其中，

M6的栅端与第二偏置电压VBN1连接、源端接地AGND，M10的漏端与M10的源端连接，M10的漏端和M18的源端均连接至M6的漏端，M18的漏端与M16的源端连接，M12、M18的栅端与同相输入端VIP连接，M16的栅端与第三偏置电压VBN连接，M12的漏端与M14的源端连接，M14的栅端连接至第四偏置电压VBP，M14的漏端与M16的漏端连接至环路放大器的反相输出端VON，M8、M12的源端连接至M20的漏端，M8的栅端与M8的漏端连接，M20的源端与电源电压信号端AVDD连接，

M9的漏端与M9的栅端连接，M9的漏端和M18的源端连接至M6的漏端，M17的漏端与M15的源端连接，M11、M17的栅端与反相输入端VIN连接，M15的栅端与第三偏置电压VBN连接，M11的漏端与M13的源端连接，M13的栅端连接至第四偏置电压VBP，M13的漏端与M15的漏端连接至环路放大器的同相输出端VOP，M7、M11的源端连接至M19的漏端，M7的栅端与M7的漏端连接，M19的源端与电源电压信号端AVDD连接。

环路放大器输出两路大小相等的电流到输出差分对模块，输出差分对模块中一路电流经过电容反馈分流模块，获得一定增益传输到输入端实现可变电流增益，同时另一路电流流过RL负载获得大的输出电压，即实现输出电流到输出电压的转变。这种实现方式偏置电路简单，输出线性度得到改善，扩展了动态输出范围。此外，环路放大器输入端虚地，CMFB消除共模信号的扰动，维持恒定的共模电压。环路放大器由二极管接法的负载晶体管构成的电流复用输入级组成，产生由跨导比Gm1/Gm2构成的较大增益，提高了功率效率。

在常用的电阻反馈的跨阻放大器中，反馈电阻会在其输入端引入一个极点使得跨阻放大器的稳定性下降，而本发明提供的跨阻放大器则能够有效避免反馈电阻带来的等效输入噪声。此外，电容反馈分流模块可以对电流进行控制，电容并不会带来等效输入噪声，能够使跨阻放大器的等效输入噪声显著减小且电容反馈不会影响放大器的稳定性。本发明采用的适用于高增益应用的双端输入输出环路放大器使得跨阻放大器获得高增益，同时环路放大器在输入端保持虚拟地，采用二极管接法的电流复用输入级提高了功率效率。由于跨阻放大器输出电压的大小与输出负载有关，因此采用带负载的差分结构改善了输出线性度，扩展了跨阻放大器的动态输出范围。

下面对本发明提供的跨阻放大器的工作原理进行详细说明。

如图1所示，上述跨阻放大器由电容反馈分流模块、输出差分对模块以及环路放大器组成，其中，环路放大器对输入电流信号进行放大时的预设增益系数取决于电容C1和C2，电阻负载RL可以将输入交流电压信号转换为第一交流电流信号。高欧姆反馈电阻RF用于设置直流工作点，在放大超声回波信号的微电容超声换能器频率上对输入输出基本没有影响。输入环路放大器负端的信号为代表微电容超声换能器模拟前端电路接收到的超声回波电流信号的电流信号源I1，输入环路放大器正端的信号为电压信号V1，环路放大器的输入端虚地，共模输入电压VIP和VIN相等。输出差分对模块全差分环路放大器的双端输出到差动对晶体管M2、M4和差动对晶体管M1、M3，并向电容反馈分流模块及电阻RL提供相同极性的交流电流信号，以将放大的电流转换为输出电压，由此得到的总阻抗为(1+C2/C1)RL，这种差动拓扑结构有利于降低电源灵敏度并增加输出电压净空。

在输出差分对模块中，晶体管M5的源端连接至电源电压信号端AVDD、栅端与第一偏置电压VBP1连接、漏端与M1和M2的源端连接，M3和M4的源端接地AGND。跨阻放大器的输出电压节点VOUT连接到晶体管M1的漏端、M3的漏端和负载电阻RL的一端，晶体管M2、M4的漏端通过电阻RF和电容反馈分流模块连接到跨阻放大器的输入端电流源I1的一端。

图3是本发明实施例提供的环路放大器的电路示意图。在图3中，同相输入端VIP与M12、M18的漏端连接，反相输入端VIN与M11、M17的漏端连接，以产生交流小信号电压信号。M12的漏端和M14的源端相连，M18的漏端与M16的源端相连，实现共源共栅结构。M11的漏端与M13的源端相连，M17的漏端与M15的源端相连，形成共源共栅结构。M15和M16的栅端接第三偏置电压VBN，M13和M14的栅端接第四偏置电压VBP。M6和M23的栅端接第一偏置电压VBP1作为偏置电流源，M20的栅端接第一偏置电压VBP1作为偏置电流源，M19的栅端接共模反馈CMFB消除共模电压误差。M7、M8、M9和M10的栅端与漏端直接连接作为二极管负载晶体管，小信号电流流过共源共栅晶体管结构到达二极管连接负载结构的电流再利用输入级，有效提高了环路放大器的功率效率。

共源共栅结构实现Gm1的跨导，二极管连接负载结构的电流再利用输入级实现Gm2的跨导。共源共栅晶体管结构与二极管连接的负载晶体管电流再利用输入级构成Gm1/Gm2的跨导比，从而实现环路整体运放的大增益。

环路放大器输出共模电压VOP和VON分别接到跨阻放大器中M2和M1的栅端，M1和M2的源端与M5的漏端连接，M5的栅端与第一偏置电压VBP1连接、源端与电源电压信号端AVDD形成尾电流管，M1和M2的漏端分别与M3和M4的漏端连接，同时M1的漏端与M3的漏端之间接负载电阻RL，M3和M4的源端接地AGND。应当理解，M1、M2、M3和M4构成差分输出结构，环路放大器放大的电流流经差分输出结构，M1、M3和M2、M4分别形成两条支路，这两条支路分别输出的第一交流电流信号与第二交流电流信号大小相等、相位相反，M1、M3支路输出的第一交流电流信号流经负载电阻RL后，可以获得较大的输出电压，以实现输出电流到输出电压的转变。本实施例采用的输出结构偏置电路简单，输出线性度改善，扩展动态输出范围。

进一步地，M2、M4支路上输出的第二交流电流信号I_OUT被C2所在支路分流，电容C2两端的电压为VY。环路放大器输入虚地，电容C1和C2一端都接虚拟地，电容C1支路检测电容C2支路两端的电压，并将成比例的电流返回到输入，输出电流被放大，这种电容反馈分流模块能够作为电流放大器工作。

图4是本发明实施例提供的电容反馈结构的示意图。如图4所示，可以证明更为一般性的结论：忽略内插，假设反馈节点Y连接到梯形网络X_n的节点之一。梯形电容器C_A、C_B和C_T的尺寸被设置为使得在每个节点Xn处对地的电容等于C_T，这意味着

考虑与输出电流I_out，n-1相关联的到任意节点X_n-1的反馈连接，到具有输出电流I_out，n的下一个节点X_n的反馈连接。

假设电容反馈分流模块是线性无源网络，则流向输入的电流I_A，n-1和节点X_n-1处的电压V_n-1必须相等，这意味着：

I_A，n-1＝I_OUT,n-1-sC_TV_n-1＝I_A，n-sC_BV_n-1 (3)

式中，I_A，n为图3中通过连接节点X_n-1到节点X_n的电容C_A的电流，该电流也可以表示为I_OUT,n：

其中，第一项表示在V_n-1为零时流向节点X_n-1的I_OUT，n的分数，第二项表示在I_OUT，n为零时从节点X_n-1流向节点X_n的电流。将(2)和(3)式代入(4)给出：

通过归纳可证明I_OUT＝αⁿI_IN。

因此，电容反馈分流模块提供了α＝1+C1/C2的电流增益。进一步可以设计包含多级电容的电容反馈分流模块，在单级电容反馈结构中电容C1/C2之比较大导致芯片面积和布局布线的复杂性有所增高时，可以使用这种连接方式实现多级电容结构实现固定增益反馈同时又不增高芯片面积，影响芯片布局布线的复杂性。如图4所示，为一个有五个节点的电容梯形电容反馈分流模块，其中每个节点提供α＝1+C2/C1的电流增益。五节点的电容梯形电容反馈分流模块可以获得I_Y＝(1+C2/C1)⁵I_X0＝α⁵I_X0的电流增益。

通过上述各实施例可知，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器，包括电容反馈分流模块、输出差分对模块以及环路放大器，跨阻放大器中的晶体管均处于饱和区，电容反馈分流模块连接跨阻放大器的输入、输出端，输入电流和输出电流为不同支路上的电容比值大小，即IOUT/IIN≈1+C2/C1，此种设计方式不会引入噪声也不会影响电路的稳定性。跨阻放大器的输出端采用差分对结构，一路输出反馈电流到输入，另一路电流则经过负载RL获得较大的输出电压。环路放大器能够为整个放大电路提供高增益，同时通过共模反馈CMFB(Common mode feedback，共模反馈)消除共模扰动稳定输出，极好地改善了跨阻放大器的工作特性。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器，其特征在于，包括：电容反馈分流模块、输出差分对模块以及环路放大器，其中，

所述环路放大器，用于按照预设增益系数对输入电流信号进行放大之后，将放大后的电流信号转换为交流电压信号并输入所述交流电压信号至输出差分对模块；

所述输出差分对模块，用于将所述交流电压信号转换为第一交流电流信号和第二交流电流信号后，将所述第一交流电流信号输入与所述跨阻放大器连接的时间增益补偿电路，并将所述第二交流电流信号输入至所述电容反馈分流模块；其中，所述第一交流电流信号与所述第二交流电流信号的相位相反；

所述电容反馈分流模块，用于按照预设比例对所述第二交流电流信号进行放大，并将放大后的第二交流电流信号反馈至所述跨阻放大器的输入端。

2.根据权利要求1所述的应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器，其特征在于，还包括电源电压信号端AVDD、电阻RF和反相输入端VIN；所述输出差分对模块包括晶体管：M1、M2、M3、M4、M5和电阻RL，所述环路放大器包括反相输出端VON和同相输出端VOP；其中，

M1、M2的源端与M5的漏端连接，M5的源端连接至所述电源电压信号端AVDD、栅端连接至第一偏置电压VBP1，所述跨阻放大器的输出电压节点VOUT与M1、M3的漏端以及电阻RL的一端连接，电阻RL的另一端与M3的源端连接，M3和M4的源端接地AGND，晶体管M2、M4的漏端通过电阻RF及所述电容反馈分流模块连接至所述跨阻放大器的反相输入端VIN。

3.根据权利要求2所述的应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器，其特征在于，所述电容反馈分流模块包括电容：C1、C2；其中，C1的一端与M4的漏端连接、另一端经C2接地。

4.根据权利要求2所述的应用于传感器模拟前端的低噪声跨阻放大器，其特征在于，还包括同相输入端VIP，所述环路放大器包括晶体管：M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M20；其中，

M6的栅端与第二偏置电压VBN1连接、源端接地AGND，M10的漏端与M10的源端连接，M10的漏端和M18的源端均连接至M6的漏端，M18的漏端与M16的源端连接，M12、M18的栅端与所述同相输入端VIP连接，M16的栅端与第三偏置电压VBN连接，M12的漏端与M14的源端连接，M14的栅端连接至第四偏置电压VBP，M14的漏端与M16的漏端连接至环路放大器的反相输出端VON，M8、M12的源端连接至M20的漏端，M8的栅端与M8的漏端连接，M20的源端与所述电源电压信号端AVDD连接，

M9的漏端与M9的栅端连接，M9的漏端和M18的源端连接至M6的漏端，M17的漏端与M15的源端连接，M11、M17的栅端与所述反相输入端VIN连接，M15的栅端与所述第三偏置电压VBN连接，M11的漏端与M13的源端连接，M13的栅端连接至所述第四偏置电压VBP，M13的漏端与M15的漏端连接至环路放大器的同相输出端VOP，M7、M11的源端连接至M19的漏端，M7的栅端与M7的漏端连接，M19的源端与所述电源电压信号端AVDD连接。

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