📘 Huijsing Dynamic Offset Compensated CMOS Amplifiers 深度解析
Witte, Makinwa, Huijsing 合著(Springer, 2009),从 Huijsing 博士论文扩展而来,是动态失调补偿技术领域最权威的专著。全书 7 章 + 附录,覆盖 Auto-zeroing、Chopping、Chopped Auto-zeroing、Offset Stabilization 等技术的理论、拓扑与实现。
结构概览
| 章节 | 主题 | 核心内容 |
|---|---|---|
| Ch.1 | 引言 | 失调来源(折叠共源共栅分析)、挑战与全书组织 |
| Ch.2 | 动态失调补偿技术 | Auto-zeroing(三种实现)、Chopping、Chopped AZ、开关非理想性 |
| Ch.3 | 失调补偿运放 | Ping-pong、AZ/Chopper 偏移稳定、频率补偿 |
| Ch.4 | 失调补偿仪表放大器 | 电流反馈 IA、多种动态补偿 IA 架构 |
| Ch.5 | 运放实现 | 斩波偏移稳定运放 + 斩波/AZ 组合运放 |
| Ch.6 | 仪表放大器实现 | 低失调间接电流反馈 IA + 高压电流检测放大器 |
| Ch.7 | 结论与展望 | 未来方向 |
| App.A | 版图问题 | 斩波器版图、时钟屏蔽 |
各章详解
Ch.1 引言
偏移来源分析:
- MOSFET 失配和 失配对漏电流的影响(强反型和弱反型分别推导)
- 折叠共源共栅运放的失调表达式(包含输入对 M1-2、电流镜 M3-4、尾电流源 M5-6 三对晶体管)
- Pelgrom 模型:,
- 减小晶体管尺寸可将折叠共源共栅运放失调降至 0.95 mV( mV·μm 时需 6400 μm² 面积)
关键洞察:通过增大面积降低失调的代价极高(6400 μm² 仅达 mV),促使动态失调补偿成为必需。
Ch.2 动态失调补偿技术
2.1 Auto-zeroing:
- 输出失调存储(Output Offset Storage):电容在输出端存储失调 → 信号相减去 → 残余失调
- 输入失调存储(Input Offset Storage):电容在输入端 → 闭环消除 → 残余失调
- 辅助放大器(Auxiliary Amplifier):用辅助跨导 G₂ 实现积分器型消除 → 残余失调 (Eq. 2-10)
- 噪声特性:白噪声折叠效应 → AZ 放大器低频噪声大幅升高(Eq. 2-16 )
与其他材料差异:本书对 AZ 噪声折叠的定量分析(传递函数 完整推导)比 Razavi §14.2 和 Gray §8 更系统深入;比 Sansen 更强调电容尺寸对残余失调的影响。
2.2 Chopping:
- 频率调制原理:信号调制到 ,失调/1/f 调制到高频 → LPF 滤除
- 噪声优势:当 > 1/f corner 时,完全消除 1/f 噪声(不产生折叠噪声!)
- 反馈网络中的斩波运放:纹波幅度 = ( 在斩波输入端作为方波出现)
- 电荷注入模型:- 失配 → ;- 失配 →
- 20 kHz、5 kΩ、5V 驱动 → 残余失调 ~2 μV/fF
- 电荷注入减小策略:微分电路(最佳)、固定电压摆幅、虚拟开关(效果有限)
与其他材料差异:与 Razavi §14.2 相比,本书提供了斩波器中电荷注入的详细定量模型(包含跨导 的作用);与 Pavan Ch.8-9 相比,本书聚焦通用运放而非 ΔΣ 应用。
2.3 Chopped Auto-zeroed Amplifier:
- AZ 以 50% 占空比工作时,噪声 PSD 在 处有最小值
- 用 的斩波器调制 AZ 输出 → 最优低频噪声性能
- 原理:折叠白噪声被斩波调制到更高频率,同时 AZ 的残余失调也被斩波消除
2.4 开关非理想性:
- 电荷注入:MOS 沟道电荷 → 6.72 fC(1 μm/0.7μm 工艺)→ 1pF 上 6.72 mV
- Nested Chopping:内斩波 优化噪声,外斩波 消除残余失调 → 100 nV 失调( kHz, Hz)
- Spike Filtering:用带通滤波器匹配斩波频率 → 0.54 μV 残余失调
- Delayed Modulation / Guard Band:时域避开 spike 窗口
与其他材料差异:Nested Chopping 的详细介绍是本书独有内容(Razavi/Gray 未覆盖)。
Ch.3 失调补偿运放
3.1 Ping-pong Amplifier:
- 两个 AZ 放大器并行工作:一个放大信号、一个 auto-zero
- 连续时间操作但输出有切换毛刺
- 商用实现(如 LTC 器件)用多路径结构避免信号路径中的开关
3.2 Offset-stabilized Amplifiers(核心贡献):
- Auto-zero Offset-stabilized:稳定放大器 在 采样自身失调,在 测量主放大器 的失调 → 残余
- 缺点:折叠噪声 + 两相增益不同导致混叠
- Chopper Offset-stabilized(本书核心贡献):稳定放大器用 chopping 而非 AZ
- 优点:无折叠噪声 → 低频噪声由稳定放大器白噪声决定
- Chopper 频率 > 1/f corner 时,主放大器 1/f 噪声也被消除
- 频率补偿:多路径嵌套 Miller()
- Combined Chopper + AZ stabilized:进一步降低残余失调
与其他材料差异:Chopper Offset-stabilization 是本书的标志性贡献(Witte/ Huijsing 2006-2007 JSSC)。Intersil ICL7650 等商用”Chopper-stabilized”芯片实为 AZ offset-stabilized(存在折叠噪声),真正意义上的 Chopper offset-stabilized 运放由本书作者首次实现。
Ch.4 失调补偿仪表放大器
- Current-feedback IA(CFIA):输入电压→电流→电阻输出,带宽不随增益变化
- Indirect Current-feedback IA(van den Dool & Huijsing 1993):输入端用两个跨导级 → 输出端的跨阻级 → 共模输入输出解耦
- 动态补偿 IA 架构:Chopper IA、AZ IA、Ping-pong IA、Ping-pong-pang IA、Offset-stabilized IA、Chopper offset-stabilized chopper IA
与其他材料差异:本书对间接电流反馈 IA 的系统化覆盖是其他教材(Gray/Razavi/Sansen/Allen)均未涉及的独特内容。
Ch.5 运放实现
设计 1:斩波偏移稳定运放(§5.2)——本书核心技术验证
- 拓扑(Fig. 5-1/5-3):三级运放 - + 偏移稳定环路( 斩波 + 积分器 + S/H)+ 嵌套积分器偏移稳定()
- 工艺:0.7 μm CMOS,3.6 mm²
- 功耗:700 μA @ 5.5 V
- 频率响应:1.3 MHz GBW,56° 相位裕度 @ 50 pF 负载
- 噪声:140 nV/√Hz 低频输入参考噪声
- 偏移性能(表 5-2,19 个样本统计):
| 配置 | 时钟频率 | 平均失调 | 平均绝对偏差 |
|---|---|---|---|
| 无补偿 | — | 100 μV | 1,500 μV |
| 仅 CHOS(无 S/H/嵌套) | 16 kHz | 16 μV | 30 μV |
| CHOS + 嵌套稳定(无 S/H) | 16 kHz | -1.4 μV | 0.5 μV |
| CHOS + 嵌套 + S/H(完整) | 16 kHz | -1.22 μV | 0.33 μV |
| CHOS + 嵌套 + S/H(完整) | 4 kHz | -0.8 μV | 0.13 μV |
| CHOS + 嵌套 + S/H(完整) | 32 kHz | -1.81 μV | 0.67 μV |
- 纹波:CHOS 模式下 250 μVpp 三角波纹波;S/H 开启后纹波低于噪声水平
- 设计细节:
- 输出级():class-AB, mA/V, μA(Fig. 5-4)
- 输入级 :折叠共源共栅 PMOS 输入 + 差分辅助输入 (Fig. 5-5)
- 稳定放大器 :相同折叠共源共栅拓扑,跨导仅为 的 1/100(4 μA/V)
- 积分器 :两级 class-A 运放(Fig. 5-6)
- 偏置:PTIM 电流源保证跨导随温度恒定(Fig. 5-7,Eq. 5-8/5-12)
设计 2:斩波+AZ 偏移稳定运放(§5.3)
- 拓扑(Fig. 5-15/5-17):两级主放大器 - + AZ+Chopper 偏移稳定环路( 斩波 + 增益增强折叠共源共栅积分器)+ AZ 偏移稳定积分器()
- 工艺:0.7 μm CMOS,2.7 mm²
- 功耗:280 μA @ 5.5 V
- 频率响应:620 kHz GBW,57° 相位裕度
- 噪声:33 nV/√Hz 低频输入参考噪声(较设计 1 降低 4.2 倍)
- 偏移:<1.5 μV @ 25 kHz 斩波 / 12.5 kHz AZ
- CMRR:125 dB,PSRR:118 dB
- 设计改进:
- 稳定放大器 跨导 200 μA/V(设计 1 的 50 倍)→ 更低噪声
- Auto-zeroing 降低斩波放大器失调 → 显著减小三角波纹波
- 辅助输入 用退化差分对()→ 范围 ~1 V(图 5-18)
- 积分器 :增益增强折叠共源共栅单级(Fig. 5-20/5-21),无需轨到轨输出
- 比设计 1 功耗降低 60%,噪声降低 4.2 倍
差异:设计 1 验证了 Chopper offset-stabilization 的可行性(首个学术验证),设计 2 证明了 AZ+Chopper 组合的实际优势。TI OPA333(Burt & Zhang 2006)使用类似 SC 陷波滤波器拓扑,是同时期的独立工作。
Ch.6 仪表放大器实现
设计 1:低失调间接电流反馈 IA(§6.2)
- 拓扑(Fig. 6-1→6-3):多路径 ICF IA + 斩波输入 + AZ 偏移稳定积分器
- 高频路径:/ →
- 低频路径:/ 斩波 → 积分器 → 辅助输入
- 工艺:0.7 μm CMOS,3.5 mm²
- 功耗:325 μA @ 5.5 V
- 噪声:42 nV/√Hz 低频输入参考噪声( corner < 10 Hz)
- 频率响应:630 kHz GBW,57° 相位裕度
- 偏移:< 2.5 μV @ V
- CMRR:130 dB(参考和输入共模),PSRR:114 dB
- 增益精度:0.05%(输入共模 0-3.6 V 范围内)
- 结构:与 §5.3 运放高度相似,增加了 / 输入级和 / 复制输入级
- 电流分布(Table 6-1): μA, μA, μA, μA
设计 2:高压电流检测放大器(§6.3,Witte ISSCC 2008)
- 拓扑(Fig. 6-18/6-19):多路径间接 CFIA + 高压 NMOS 输入 + 低压 PMOS 反馈 + AZ+Chopper 组合 + 积分器自稳零
- 工艺:0.8 μm BiCMOS(带高压器件),2.5 mm²
- 功耗:1,050 μA( 供电 200 μA + 供电 850 μA)
- 噪声:136 nV/√Hz 低频输入参考噪声
- 频率响应:1 MHz GBW
- 偏移:< 5 μV(10 个样本)
- CMRR:143 dB DC( 2-30 V 范围),>105 dB @ <20 kHz
- PSRR:121 dB
- 增益精度:0.1%(激光修调薄膜电阻)
- 输入共模范围: 1.9-30 V, 0 V 至 V
- 与 LTC6102 对比优势:双向电流检测能力、更低失调(5 μV vs 10 μV)、独立 供电
- 创新设计:
- 异构跨导: 用 NMOS 电压跟随器 + 电阻退火(Fig. 6-23), 用 PMOS 版本
- 增益精度 0.15% 仿真结果
- 伪随机 5-bit 频率抖动(28-32 kHz)防止混叠
- 片上 LLC/带隙基准偏置(Fig. 6-24)
Ch.7 结论与展望
核心结论:
- Offset-stabilization 技术(§3.3)可设计宽带低失调通用运放和 IA
- Chopper offset-stabilization 提供最佳噪声性能,但斩波纹波是需要克服的主问题
- 两种纹波抑制方案:
- S/H 低通滤波(§3.3.4 方法 A)
- AZ+Chopper 偏移稳定(§3.3.5)
- Ping-pong 技术可解决 AZ 低频噪声劣化问题(噪声功率提升 倍)
未来方向:
- < 100 nV 失调:理论上可行但热电势效应(PCB 上) 会限制实际性能 → 可能仅适用于特定片上 SoC(如 Hall 传感器读出 [van der Meer ISSCC 2005])
- 修调 + 斩波组合:Bolatkale 2008 BiCMOS 运放用室温修调实现 0.33 μV/°C 偏移漂移
- 连续时间纹波抑制:S/H 和 AZ 方案均为采样操作 → 存在 kT/C 噪声/混叠/信号混叠 → 未来应探索连续时间纹波抑制环路 [Wu ISSCC 2009]
- 迭代偏移稳定(§3.4.1):有潜力但待深入研究
- Ping-pong-pang IA(§4.2.4):增益误差指标极佳,可深入研究
- 动态增益补偿:超越动态失调补偿 → 同时对增益误差做动态校准
Appendix A 版图问题
电荷注入的版图影响(Eq. A-1/A-2):
- 输入侧时钟馈通电容失配:
- 输出侧时钟馈通电容失配:
- 数值:20 kHz、5 kΩ、5V 驱动 → 每 fF 失配 → 2 μV 残余失调
- 高跨导放大器对输出侧失配不敏感( 大 → 分母大)
斩波器版图方案:
- 带虚拟管的对称版图(Fig. A-3):
- 两个虚拟管 使 - 拓扑和电学对称
- Poly 时钟线仅平行于输入线,不平行于输出线
- 接地 Metal1 屏蔽 Metal2 时钟线
- 缺点:面积大
- 紧凑型对称版图(Fig. A-4):
- 不用虚拟管,极对称布局
- 信号线与时钟线始终垂直
- 绝对寄生电容更小(交叉更少)
- 应用于 §5.3/§6.2/§6.3
时钟屏蔽(§A.3,Fig. A-5):
- 片上同轴电缆:在 3 金属工艺中用 (信号)+ /(接地屏蔽);2 金属工艺用 + 衬底/阱
- 所有实现均使用同轴时钟布线
- 必要交叉时保持寄生馈通平衡
- 模拟地和数字地分离的芯片级建议(见 Fig. A-6)
跨来源对比(vs Gray/Razavi/Sansen/Allen/Baker)
| 特性 | Huijsing 本书 | Gray §3.5/§8 | Razavi §14 | Sansen Ch.15 |
|---|---|---|---|---|
| AZ 噪声折叠建模 | 全定量推导 () | 未覆盖 | 入门级 | 有限 |
| Chopper 电荷注入模型 | 完整 - 模型 | 未覆盖 | 定性 | 定性 |
| Chopper Offset-stabilized | 原创贡献 | 未覆盖 | 未覆盖 | 未覆盖 |
| Nested Chopping | 详细 | 未覆盖 | 未覆盖 | 未覆盖 |
| 间接电流反馈 IA | 系统化覆盖 | 未覆盖 | 未覆盖 | 未覆盖 |
| Ping-pong + 多路径 | 详细 | 未覆盖 | 提及 | 未覆盖 |
定位:本书是失调消除领域的技术专著,不覆盖通用运放设计基础(假设读者已掌握 Gray §3/§6 内容),专注于 AZ、Chopping 及组合技术的理论、拓扑与实现细节。
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- Johan Huijsing(核心贡献-代表著作)
- 失调消除技术(核心技术参考)
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- 精密仪表放大器 — Ch.4 + Ch.6 详细合并
- 差分放大器与失调分析 — Ch.1 失调分析合并
- Johan Huijsing、Kofi Makinwa、Johan F. Witte — 作者实体
参考
- Witte, Makinwa, Huijsing. Dynamic Offset Compensated CMOS Amplifiers. Springer, 2009. ISBN 978-90-481-2755-9.
- Witte et al., “A CMOS chopper offset-stabilized opamp”, IEEE JSSC, Jul. 2007.
- Witte et al., “A current-feedback instrumentation amplifier with 5μV offset for bidirectional high-side current-sensing”, IEEE ISSCC, Feb. 2008.