Fan 2016: Advances in Low-Offset Opamps

来源: Q. Fan, J.H. Huijsing, Kofi A.A. Makinwa, “Advances in Low-Offset Opamps,” in Efficient Sensor Interfaces, Advanced Amplifiers and Low Power RF Systems (AACD 2015), Springer, 2016, pp. 187–200.

基本信息

项目	内容
作者	Qinwen Fan (Mellanox), Johan Huijsing, Kofi Makinwa (TU Delft)
主题	动态失调消除技术综述：Auto-Zeroing、Chopping、Chopper Stabilization
关键技术	纹波抑制、Ping-Pong 架构、多种技术组合

1. 动态失调消除技术

Chopping (斩波)

原理 (Fig. 4): 输入信号被 $C H_{in}$ 调制到 $f_{c h o p}$ 奇次谐波 → 放大 → $C H_{o u t}$ 解调回 DC。失调和 1/f 噪声被上调制到 $f_{c h o p}$ 奇次谐波 → 理论上零失调/零 1/f

缺点: 上调制后的失调 → 输出纹波 (ripple) → 后级采样系统误差

Auto-Zeroing (自稳零)

原理 (Fig. 1): $Φ_{1}$ 相位单位增益采样失调 → $Φ_{2}$ 相位放大信号并抵消失调

缺点:

S&H 动作导致 噪声折叠 (Fig. 2): 高频白噪声折叠到基带
非连续时间操作

Chopper Stabilization (斩波稳定)

架构 (Fig. 5): 双路径放大器

高频路径 (HFP): $A_{1}$ , 宽带
低频路径 (LFP): $A_{2} + A_{3}$ , 斩波, 低失调/高 DC 增益

LFP 确定失调和低频噪声，HFP 确定带宽和高频噪声。

残余失调： $V_{error} = V_{os 1} \cdot A_{1} / (A_{2} \cdot A_{3})$ → LFP 增益足够高时忽略

2. 非理想性分析

Auto-Zeroing 残余失调

主要来源：开关电荷注入和时钟馈通失配

V_{error, A Z} \approx V_{c l k} \cdot Δ C_{p} / C_{a z}

例： $V_{c l k} = 1 V$ , $Δ C_{p} = 1 f F$ , $C_{a z} = 1 pF$ → 1 mV 误差

Chopping 残余失调 (Fig. 6)

来源	机制	估算公式
$C H_{o u t}$ 寄生失配 $Δ C_{p o 1}$	AC 电流 → 等效输入失调	$V_{o ff 1} = V_{c l k} \cdot Δ C_{p o 1} \cdot 2 f_{c h o p} / G_{m 1}$
$C H_{in}$ 输出寄生失配 $Δ C_{p i 1}$	AC 电流 + 解调	$V_{o ff 2} = V_{c l k} \cdot Δ C_{p i 1} \cdot 2 f_{c h o p} \cdot R_{o n}$
$C H_{o u t}$ 输出寄生 $Δ C_{p o 2}$	时钟馈通尖峰 → 积分 → 纹波	$V_{r i p 1} = V_{c l k} \cdot Δ C_{p o 2} / C_{m 1, 2}$
$C H_{in}$ 输入寄生 $Δ C_{p i 2}$	馈通 → $R_{s}$ 转换 → 放大 → 纹波	$V_{r i p 2} = V_{c l k} \cdot Δ C_{p i 2} \cdot R_{s} \cdot G_{m 1} / C_{m 1, 2}$

例： $V_{c l k} = 3 V$ , $Δ C = 1 f F$ , $f_{c h o p} = 30 k Hz$ , $G_{m 1} = 100 μ S$ → 1.8 mV 残余失调

3. 纹波抑制技术

陷波滤波 (Notch Filtering)

用陷波滤波器滤除 $f_{c h o p}$ 处的纹波 → 简单但增加面积

自动校正 (Auto-Correction)

检测 $f_{c h o p}$ 纹波幅度 → DAC 注入补偿信号 → 自适应消除

Ping-Pong Auto-Zeroing (Fig. 3)

两个冗余输入级交替工作：一级放大 → 另一级自稳零 → 连续时间操作

4. 设计实例

Chopped Amplifier

标准斩波运放 + 输出纹波滤波器

典型残余失调 < 1 µV
1/f 噪声转角 < 10 Hz

Auto-Zeroed Amplifier

Ping-Pong 架构

连续时间操作
噪声折叠为白色 → 设计权衡

Chopper-Stabilized Amplifier

HFP + 斩波 LFP 组合

宽带 > 10 MHz
失调 < 5 µV
DC 增益 > 120 dB

混合技术

组合 Chopping + Auto-Zeroing + Ping-Pong → 最佳性能

关键技术对比

技术	残余失调	1/f 抑制	宽带	连续时间	纹波	噪声折叠
Chopping	好	优秀	中	✓	有	✗
Auto-Zeroing	好	中	中	✗ (需 Ping-Pong)	无	有
Chopper Stabilization	优秀	优秀	高	✓	有(可抑制)	✗
混合 Ping-Pong+Chop	最佳	最佳	高	✓	少量	少量

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