一种电容反馈低噪放大器电路

本发明涉及电子电路，具体是一种电容反馈低噪放大器电路。

背景技术：

1、传统的低噪声放大器电路通常采用如图1所示的反相放大器的电路结构，本电路结构通过负反馈环路使得运算放大器u1的反相输入端，即a点的电压va近似等于运算放大器u1的同相输入端，即b点的电压vb。此时，电压va近似等于0v，a点形成一个虚地。虚地的形成有两点优势，第一，运算放大器u1的输入差分信号幅度较小，使u1工作在线性度和噪声性能最佳的状态；第二，虚地的形成有利于较容易地设定放大电路的直流共模信号范围。但是作为低噪声放大电路应用，如图1所示的反相放大器电路的输入电阻rin和反馈电阻rf会产生热噪声，进而恶化整个运算放大器电路的噪声性能。电阻热噪声的计算公式为sqrt(4ktrb)，其中，k为boltzman常数，t为环境温度，r为电阻值，b为噪声带宽。因此，1kω电阻会产生4nv/sqrt(hz)的噪声，增加电阻值会增加噪声，100kω电阻会产生40nv/sqrt(hz)的噪声。

2、除了电阻所产生的热噪声之外，我们还需要知道运算放大器u1本身也有噪声，这就必须要提到噪声增益的概念。噪声增益是一个用于表示放大器输入端的噪声信号源如何转换为输出端的物理量。为了描述噪声增益的计算方法，在图2中我们引入运算放大器u1的输入噪声等效电阻rnop，rnop是对运算放大器u1等效噪声的建模。我们假设运算放大器u1会产生2nv/sqrt(hz)的电压，由上文可知，1kω电阻会产生4nv/sqrt(hz)的噪声，因此运算放大器的输入噪声等效电阻rnop的值确定为250欧姆。此时，假设输入电阻rin和反馈电阻rf的噪声为零，rin＝800ω，rf＝800ω，根据同相和反相运算放大电路噪声增益的计算公式1+(rf/ri)，我们计算出反相运算放大电路的等效输入噪声为4nv/sqrt(hz)，该噪声完全由运算放大器的输入噪声等效电阻rnop所产生。当我们把输入电阻rin和反馈电阻rf的噪声同时计入噪声计算时，计算得到反相运算放大电路的等效输入噪声为6.6nv/sqrt(hz)。如上所述，我们知道电阻会产生噪声，且每个电阻所产生的噪声都将通过噪声增益的计算叠加在反相运算放大电路的总输入等效噪声内。

3、我们考虑电容所产生的噪声。电容产生的噪声值等于每个采样kt/c。k为boltzman常数，t为环境温度，c为电容值。电容噪声的经验法则是对于每一个采样而言，1pf电容产生64uv的噪声。对于每个采样而言，4pf电容产生32uv的噪声，依此类推。因此，根据以上经验法则，任何开关电容电路与电阻电路具有完全相同的噪声。然而，这只针对于开关电容电路而言，即电容在进行非连续的采样工作。对于工作在交流耦合状态的电容而言，则不会产生噪声。我们利用这一特性设计低噪声的电容反馈放大器电路。将图2中的输入电阻rin和反馈电阻rf分别替换为输入电容cin和反馈电容cf，我们即可得到如图3所示的电容反馈低噪声放大器电路。由上文所知，如图3所示的电容反馈低噪声放大器电路的输入等效噪声完全由运算放大器u1的输入噪声等效电阻rnop产生，因此，电容反馈低噪声放大器电路的总输入等效噪声为4nv/sqrt(hz)。但是由于如图3所示电路采用电容反馈环路，直流共模信号无法进行设定，所以此电容反馈低噪声放大器电路并不能被采用。如图4所示，在图3电容反馈低噪声放大器电路的基础上，我们加入反馈电阻rf用于进行直流共模信号的设定，我们设定cin＝cf＝100pf，rf＝250kω，rnop＝250ω，此时如图4所示低噪放大器电路的噪声性能如图5所示，在1khz时的噪声达到了415nv/sqrt(hz)，相比图5中的其他两条平坦的噪声曲线6.625nv(如图2中rnop和rf共同贡献的噪声)和4.125nv(如图3中rnop单独贡献的噪声)，rf的加入极大恶化了放大器的噪声性能。将rf的电阻值从250kω增加至50mω，如图4所示低噪放大器电路的噪声性能如图6所示，在1khz时的噪声达到了29.65nv/sqrt(hz)，随着反馈电阻rf的增加，低噪放大器电路的总体噪声呈下降趋势，极限的情况即rf趋向于无穷大，此时，rf断路，图4所示低噪放大器电路的噪声性能将与图3所示电容反馈低噪放大器电路相同，为4nv/sqrt(hz)。因此，为了实现如图3所示的电容反馈低噪声放大器电路的低噪声性能，并且同时实现低噪声放大器电路直流共模信号的设定，需要一个趋近于无穷大的电阻rf。但在实际电路中，无穷大的电阻并不存在，因此考虑通过电阻以外的其他器件来实现。如图7所示，通过采用两个二极管d1和d2代替rf，实现直流共模信号的设定，并且同时实现电容反馈低噪声放大器的低噪放大特性，因为两个二极管d1和d2的负极之间会形成一个阻值巨大的电阻。将如图7所示电容耦合低噪声放大器电路的b点与任意共模直流信号vcm相连接，电容反馈低噪声放大器电路即可如图8所示，能够实现一定范围内任意共模直流工作状态，同时兼具电容反馈低噪声放大信号的特性。

技术实现思路

1、一种电容反馈低噪放大器电路，包括运算放大器u1，输入电容cin，反馈电容cf，共模信号反馈电阻rfp，nmos管mf，开关sw1和开关sw2。与本发明所公布的一种电容反馈低噪放大器电路相关的信号，包括，输入信号vin，输出信号vout，共模信号vcm，亚阈值电压信号vsub-th，mos管开启电压信号von。所述的输入信号vin将输入至输入电容cin，所述的输入电容cin，一端与输入信号vin相连接，另一端同时与反馈电容cf的一端相连接，与运算放大器u1的反相输入端相连接，与nmos管mf的源极相连接。所述的反馈电容cf的另一端，同时与运算放大器u1的输出端、输出信号vout相连接，同时与共模信号反馈电阻rfp相连接。共模信号反馈电阻rfp的另一端与nmos管mf的漏极相连接。nmos管mf的衬底与运算放大器的同相输入端相连接，同时与共模信号vcm相连接。nmos管mf的栅极同时与开关sw1和开关sw2的一端相连接。开关sw1的另一端与亚阈值电压信号vsub-th相连接。开关sw2的另一端与mos管开启电压信号von相连接。

2、本电容反馈低噪放大器电路有以下两个工作状态：

3、(1)共模信号获取工作状态：在共模信号获取工作状态下，开关sw1断开，开关sw2闭合，nmos管的开启电压信号von得以施加在nmos管mf的栅极上，nmos管mf的源极和漏极导通，共模信号vcm通过共模信号反馈电阻rfp反馈至运算放大器u1的反相输入端，输入电容cin和反馈电容cf的一端，以及运算放大器的输出端vout。

4、(2)低噪声放大工作状态：在低噪声放大工作状态下，开关sw2断开，开关sw1闭合，nmos管的亚阈值电压vsub-th得以施加在nmos管mf的栅极上，nmos管mf工作在亚阈值工作区域，nmos管mf的源极和漏极断开，源极和漏极之间形成一个1012欧姆数量级的电阻，使得运算放大器的反相输入端，即nmos管mf的源极与运算放大器输出vout直接近似断路，输入电容反馈低噪放大器电路的输入信号vin即通过输入电容cin和反馈电容cf实现反馈放大，且放大倍数为-cf/cin，由于输入电容cin和反馈电容cf不产生由于电阻产生的热噪声，因此本发明所提出的电容反馈低噪放大器电路，实现了信号的低噪声放大。

5、所述开关sw1和所述开关sw2由数字高低电平控制的传输门电路构成。

6、为了维持根据权利要求1所述的电容反馈低噪放大器电路低噪声的特性，运算放大器u1应采用低噪声的设计方式进行设计。所述输入电容cin的值和所述反馈电容cf的值应当由电容反馈低噪放大器电路的放大倍数确定，电容反馈放大器的放大倍数为-cf/cin。

7、所述反馈电容cf是一个电容，或由多个电容组成，实现不同放大倍数。

8、在以设计集成电路的方式实现所述的一种电容反馈低噪放大器电路时，所述输入电容cin和所述反馈电容cf需要被放置在与其他器件相隔离的单独的p阱内，以保证电容反馈低噪放大器电路的低噪声特性。

9、有益效果：

10、本发明所提出的电容反馈低噪放大器电路，通过采用电容进行信号反馈，克服了传统反相放大电路由电阻构成反馈通路造成的反相放大电路热噪声性能恶化的缺陷，同时，通过控制开关sw1和开关sw2，使nmos管工作在亚阈值状态，形成的大阻值等效电阻进行共模信号反馈，在维持低噪声性能的同时使反相放大电路具有获取直流共模信号的能力。本发明可应用于医疗、音频、敏感信号捕捉等场景，提高低噪放大器电路的噪声性能，极大降低低噪放大器电路的设计成本。