仪表放大器作为模拟前端电路,常用于检测、处理传感器输出的微弱电压信号。无论是在基本的信号放大、采集系统,还是在AI、远程医疗等一些新兴领域的应用中,都对仪表放大器的电路性能提出了更高的设计要求。仪表放大器是一种结构独特,具备低噪声、低失调、高线性度、高输入阻抗等优点的精密电压放大器。高性能仪表放大器的实现是提高整体电路性能的一个关键环节,另一方面,为保证仪表放大器电路适用于具有较宽输入动态范围的信号采集系统和充分利用后级ADC的有效分辨率,增加了可编程增益功能。本文分析了仪表放大器的国内外研究现状,介绍了电路失调和输出噪声的影响因素,概述了低噪声电路设计的关键技术。在对关键电路模块的原理分析的基础上,结合应用需求设计了一款适用于驱动高精度△-∑ADC的低噪声仪表放大器。本文的主要工作如下:1.总结了电路中失调及不同类型噪声的产生原理,介绍了低噪声实现技术并进行理论分析和计算,特别是斩波稳定技术的原理。另一方面,结合失调稳定结构的放大器系统,分析计算了其对于电路失调电压降低的作用。2.设计了仪表放大器的电路系统和关键电路模块。仪表放大器由两个低噪声放大器和可编程增益结构组成,通过失调稳定结构和斩波稳定技术降低电路的失调和噪声。结合增益提升技术,提高中间级电路的输出阻抗;采用推挽结构的输出级,保证电路具有较强的驱动能力,同时,节约了功耗。通过开关和电阻阵列实现增益可编程,将开关导通电阻与反馈电阻结构隔离,减小了电路增益误差。采用多级嵌套米勒补偿结构,前馈路径引入的左半平面零点可用于抵消电路的次极点,保证电路的稳定性。3.完成了仪表放大器版图设计和后仿真,主要包括放大器输入级、电流镜和电阻的匹配设计,最终,完成了低噪声仪表放大器的版图绘制。结合电路版图,完成了对电路噪声、失调、稳定性、可编程增益及线性度等性能参数的后仿真。基于0.18μm标准CMOS工艺,对本文的低噪声仪表放大器电路进行设计和仿真,供电电压为5V。后仿真结果表明,当闭环增益为64时,等效输入噪声功率谱密度为4.24875 nV/√Hz@200Hz,等效输入失调电压的均值为162.225nV,方差值为1.01826μV,环路增益为204.972dB,相位裕度约为61.966°,功耗为7.5mW,总谐波失真低至-100dB以下,PSRR为136.528dB,CMRR为132.34dB。由后仿真结果可得,与同类型的仪表放大器相比,该放大器具有较好的低噪声特性。