一种适用于红外图像CMOS传感器的斩波运算放大电路的制作方法

一种适用于红外图像cmos传感器的斩波运算放大电路
技术领域
1.本发明涉及一种适用于红外图像cmos传感器的斩波运算放大电路，属于集成电路技术领域。


背景技术：

2.cmos电路中的1/f噪声，又称为闪烁噪声，是一种频谱集中在低频段且与频率成反比的噪声。闪烁噪声形成的原因是在mos晶体管的栅氧化层和硅衬底的界面处是硅单晶的边界，出现了许多悬挂键，当电荷载流子流过这里的时候有一些会被随机地俘获，然后又被释放，使电流产生了不规则的起伏，这种起伏就是闪烁噪声。由于传感器信号基本处于低频段且信号幅度微小，因此1/f噪声会严重影响信号质量以及精确测量。
3.目前降低1/f噪声的现有技术有自稳零技术和斩波技术。
4.自稳零技术是一种采样技术，它通过对低频噪声进行采样并从信号的瞬时值中去除，来降低1/f噪声。由于该过程是宽带白噪声的欠采样过程，因此会导致白噪声混叠，在降低1/f噪声的同时，会增加了低频段的白噪声，会导致带内噪声较大，因此自稳零技术更适用于离散信号电路。
5.斩波技术是一种使用调制和解调方法的连续时间方法。其原理是先将原始输入信号调制到高频，被调制的信号输入运算放大器进行放大。此时，运算放大器的输出中既有信号又有1/f噪声。解调后，调制后的高频信号恢复到低频，噪声被调制到高频。噪声可通过外部低通滤波器滤除。该技术非常适用于连续时间微传感器接口电路。但是目前的斩波运算放大器主要采用闭环双端结构，从输出端反馈到输入端时会对接有传感器的输入端造成影响，传感器的输出电阻也会影响放大器的闭环增益。


技术实现要素：

6.为了进一步抑制噪声，实现信号的精确放大，本发明提供了一种适用于红外图像cmos传感器的斩波运算放大电路。
7.本发明的第一个目的在于提供一种闭环单端斩波运算放大电路，其特征在于，所述电路包括：第一电阻r1，第二电阻r2，第一斩波调制开关、第二斩波调制开关、第一级前置放大器op1、第二级放大器op2、补偿电容；
8.所述第一斩波调制开关、第一级前置放大器op1、第二斩波调制开关、第二级放大器op2依次连接；所述第一电阻r1的输入端接外部输入，输出端分别与所述第一斩波调制开关和所述第二电阻r2连接；所述第二电阻r2输入端接所述第一电阻r1的输出端，另一端与所述第二级放大器op2的输出端连接；所述第二级放大器op2的正输入端和负输入端分别接有补偿电容；
9.所述第一斩波调制开关用于将输入信号调制到斩波频率上；所述第一级前置放大器op1用于将调制信号放大；所述第二斩波调制开关用于将放大后的信号解调到基带，将噪声调制到斩波频率的奇次谐波处；所述第一电阻r1和第二电阻r2用于调整所述放大电路的
放大倍数。
10.所述第一级前置放大器op1的内部结构包括：双入双出的折叠共源共栅运算放大电路和单级放大器结构的共模反馈电路，输入端采用pmos管。
11.可选的，所述电路还包括：第一输入端in1和第二输入端in2；所述第一输入端in1接外部输入的传感器信号，所述第二输入端in2与所述第一电阻r1的输入端连接，所述电路的输出反馈到所述第二输入端in2。
12.可选的，所述第二级放大器op2包括：双入单出的折叠共源共栅结构电路。
13.可选的，所述电路的整体放大倍数为：r1 r2/r1。
14.可选的，所述第一斩波调制开关的内部电路包括反向不交叠的时钟，所述时钟的频率为斩波频率。
15.可选的，所述第二级放大器op2的增益低于所述第一级放大器op1的增益。
16.本发明的第二个目的在于提供一种斩波运算放大器，包括：输入端、输出端，其特征在于，所述斩波运算放大器的内部电路包括上述的闭环单端斩波运算放大电路。
17.本发明的第三个目的在于提供一种红外传感器测量设备，包括：黑体、传感器、运算放大器、低通滤波器和数字万用表；所述黑体、传感器、运算放大器、低通滤波器和数字万用表依次连接，其特征在于，所述运算放大器为权利要求7所述的斩波运算放大器。
18.可选的，所述传感器为：红外图像cmos传感器；
19.所述红外图像cmos传感器的正输出端接所述第一输入端in1；所述红外图像cmos传感器的负输出端接所述第二输入端in2。
20.可选的，所述设备的工作过程包括：
21.红外图像cmos传感器利用塞贝克效应将热信号转换为电信号；
22.转换后的电信号进入斩波运算放大器，输出被调制到高频的噪声信号和被调制到低频的有用信号；
23.低通滤波器对斩波运算放大器的输出进行滤波，滤除噪声；
24.数字万用表对最终的输出信号进行测量。
25.本发明有益效果是：
26.本发明的斩波运算放大电路通过设置一个第一级前置放大电路，第一级前置放大电路为具有共模反馈的双入双出折叠共源共栅结构的电路，输入管采用pmos管，可以有效地降低1/f噪声，同时，斩波技术也能降低1/f噪声；将斩波运算放大电路的输出反馈到非传感器信号输入的一端，降低了传感器输出电阻对放大器闭环增益的影响，避免了反馈回路直接与接有传感器的输入端相连带来的系统稳定性的问题；此外，本发明的斩波运算放大电路最终将有用信号调制到低频段，噪声信号调制到高频段，极大方便了后续信号处理中对噪声的滤除，达到了抑制低频噪声，实现信号的精确放大的效果。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明实施例的一种闭环单端斩波运算放大器的整体电路图。
29.图2是本发明实施例的一种第一级前置放大器电路图。
30.图3是本发明实施例的一种第二级放大器电路图。
31.图4是本发明实施例的一种斩波调制开关电路图。
32.图5是本发明实施例的一种红外传感器测量设备连接示意图。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
34.实施例一：
35.一种闭环单端斩波运算放大电路，其特征在于，所述电路包括：第一电阻r1，第二电阻r2，第一斩波调制开关、第二斩波调制开关、第一级前置放大器op1、第二级放大器op2、补偿电容；
36.所述第一斩波调制开关、第一级前置放大器op1、第二斩波调制开关、第二级放大器op2依次连接；所述第一电阻r1的输入端接外部输入，输出端分别与所述第一斩波调制开关和所述第二电阻r2连接；所述第二电阻r2输入端接所述第一电阻r1，另一端与所述第二级放大器op2的输出端连接；所述第二级放大器op2的正输入端和负输入端分别接有补偿电容；所述第二级放大器op2的输出反馈到所述第一电阻r1的输入端。
37.所述第一斩波调制开关用于将输入信号调制到斩波频率上；所述第一级前置放大器op1用于将调制信号放大；所述第二斩波调制开关用于将放大后的信号解调到基带；所述用于将解调后的信号放大；所述第一电阻r1和第二电阻r2用于调整所述放大电路的放大倍数。
38.所述第一级前置放大器op1的内部结构包括：双入双出的折叠共源共栅运算放大电路和单级放大器结构的共模反馈电路，输入端采用pmos管。
39.本实施例的斩波运算放大电路通过设置一个第一级前置放大电路，第一级前置放大电路为具有共模反馈的双入双出折叠共源共栅结构的电路，输入管采用pmos管，可以有效地降低1/f噪声，因此，本实施例的斩波运算放大电路具有良好的噪声抑制性能，将斩波运算放大电路的输出反馈到非传感器信号输入的一端，降低了传感器输出电阻对放大器闭环增益的影响，避免了反馈回路直接与接有传感器的输入端相连带来的系统稳定性的问题。
40.实施例二
41.本实施例提供一种闭环单端斩波运算放大电路，如图1所示，电路包括：第一电阻r1，第二电阻r2，第一斩波调制开关、第二斩波调制开关、第一级前置放大器op1、第二级放大器op2、补偿电容c1和c2；
42.第一斩波调制开关和第二斩波调制开关的内部电路结构如图4所示，包含两个输入端(vin和vip)两个输出端(voutn和voutp)，clka和clkb是两个反相不交叠的时钟，其频率即为斩波频率。
43.第一级前置放大器op1的内部电路如图2所示，有两个输入端(1、2)和两个输出端(3、4)，包含一个双入双出的折叠共源共栅运算放大电路和一个单级放大器结构的共模反
馈电路。偏置电压(v
b1
、v
b2
和v
b3
)由偏置电路给出，v
cm
为共模电压。
44.第二级放大器op2的内部电路如图3所示，有两个输入端(5、6)和一个输出端(7)，内部采用双入单出的折叠共源共栅结构。偏置电压(v
b1
、v
b2
、v
b3
和v
b4
)由偏置电路给出。第二级放大器的增益略低于第一级放大器。
45.传感器的输出电压从in1和in2端输入，r0为传感器输出电阻，先经过第一斩波调制开关，将输入信号调制到斩波频率上；然后输出的调制信号从第一级前置放大器op1的序号为1和2的端口输入，从序号为3和4的端口输出，运放对信号进行放大的同时会引入失调和1/f噪声；op1的输出信号进入第二斩波调制器开关，将初步放大的信号解调到基带，将噪声信号调制到斩波频率的奇次谐波处；最后，第二斩波调制器开关的输出信号从op2的序号为5和6的端口输入，对信号进一步放大，从序号为7的端口输出，输出的信号中，有用的信号处在低频段，噪声信号被调制到高频段，极大方便了后续对噪声信号的滤除。
46.op2的输出信号即本实施例的斩波放大电路的最终输出信号，该信号反馈到in2端，而没有直接反馈到传感器信号输入端in1端，避免了反馈回路直接与接有传感器的输入端相连带来的系统稳定性的问题。
47.本实施例的斩波运算放大电路通过设置一个第一级前置放大电路，第一级前置放大电路为具有共模反馈的双入双出折叠共源共栅结构的电路，输入管采用pmos管，可以有效地降低1/f噪声，且折叠输入级和pmos差分对可以抑制热噪声；将斩波运算放大电路的输出反馈到非传感器信号输入的一端，降低了传感器输出电阻对放大器闭环增益的影响，避免了反馈回路直接与接有传感器的输入端相连带来的系统稳定性的问题；此外，本发明的斩波运算放大电路最终将有用信号调制到低频段，噪声信号调制到高频段，极大方便了后续信号处理中对噪声的滤除，达到了抑制低频噪声，实现信号的精确放大的效果。
48.实施例三
49.本实施例提供一种红外传感器测量设备，包括：黑体、红外图像cmos传感器、运算放大器、低通滤波器和数字万用表；黑体、红外图像cmos传感器、运算放大器、低通滤波器和数字万用表依次连接，这里的运算放大器为本发明提出的斩波运算放大器，斩波运算放大器的内部电路为结构为实施例二提出的电路。
50.红外图像cmos传感器的正输出端接斩波运算放大器输入端in1，负输出端接斩波运算放大器输入端in2和共模电压v
cm
，斩波运算放大器的输出端7接低通滤波器，同时将信号反馈给in2端。
51.黑体作为红外辐射源，温度由黑体控制器控制。红外图像cmos传感器利用塞贝克效应将热信号转换为电信号。传感器周围的环境温度由恒温箱控制。转换后的电信号由斩波运算放大器放大，放大器在抑制噪声的同时表现出理想的线性性能。由于最终噪声被调制到高频而信号处在低频，使用外部低通滤波器可以滤除噪声。系统的输出使用数字万用表进行测量。
52.本实施例中，改变电路中的电阻(r1和r2)大小或者比例关系，可以简单便捷地设置运算放大器的放大倍数。
53.仿真结果显示，200hz处斩波运算放大器的输入等效噪声密度为当增益设为40db且传感器与目标物体之间的距离为3cm时，本实施例的设备(包括传感器和放大器)的灵敏度约为15mv/℃。因此，本实施例的红外传感器测量设备，噪声抑制性能好，灵
敏度高，相比于现有技术中采用闭环双端结构运算放大器的测温设备，本实施例在非接触式测温等特殊应用领域具有更广泛的应用前景。
54.本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
55.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。