低温度与工艺增益误差的可变增益放大器设计
电子技术应用
顾美庆1，黄伟1，2，曹华1
1.南京中科微电子有限公司；2.中国科学院微电子研究所
摘要： 采用0.18 μm工艺，设计了一种适用于高精度测温系统中的可变增益放大器，相比于传统的前置放大器，采用开环结构避免了反馈网络漏电流对前端采样电路的影响。通过与电源电压无关的电流源给跨导放大器电路提供电流，产生一个不包含工艺参数的跨导，最后通过运算放大器获得一个与电源电压、温度和工艺参数无关的增益。通过改变全差分跨导放大器的负载，来实现10倍和40倍可变增益。仿真结果表明，放大倍数为10倍时，增益随温度最大误差为0.19 dB，增益随电源电压最大误差为0.15 dB，增益随工艺偏差为0.12 dB。放大倍数为40倍时，增益随温度最大误差为0.16 dB，增益随电源电压最大误差为0.23 dB，随工艺偏差为0.13 dB。
中圖分類號：TN722 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256550
中文引用格式： 顧美慶，黃偉，曹華. 低溫度與工藝增益誤差的可變增益放大器設計[J]. 電子技術應用，2025，51(10)：47-51.
英文引用格式： Gu Meiqing，Huang Wei，Cao Hua. A variable gain amplifier designed with low gain variation at temperature and process[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(10)：47-51.
中文引用格式： 顧美慶，黃偉，曹華. 低溫度與工藝增益誤差的可變增益放大器設計[J]. 電子技術應用，2025，51(10)：47-51.
英文引用格式： Gu Meiqing，Huang Wei，Cao Hua. A variable gain amplifier designed with low gain variation at temperature and process[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(10)：47-51.
A variable gain amplifier designed with low gain variation at temperature and process
Gu Meiqing1，Huang Wei1，2，Cao Hua1
1.Nanjing Zhongke Microelectronics Co.， Ltd.；2.Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences
Abstract： A pre-variable gain amplifier for high precision temperature measuring system is designed in 0.18 μm process, compared with the traditional preamplifier, and the influence of the feedback network leakage on the front-end sampling circuit is avoided by using the opening loop structure. Through the current source of the power voltage, the current is provided for the cross-guide amplifier circuit, which produces a transconductance that does not contain the process parameters, and then the gain unrelated to voltage supply, temperature, and process parameters is obtained by the operation amplifier. By changing the load of the whole difference cross-amplifier amplifier, 10 and 40 times variable gain are implemented. The simulation results show that when the amplification gain is 10 times, the maximum gain variation with temperature is 0.19 dB, the maximum gain variation with voltage supply is 0.15 dB, the maximum gain variation with process is 0.12 dB. When the amplification gain is 40 times, the maximum gain variation with temperature is 0.16 dB, the maximum gain variation with voltage supply is 0.23 dB, the maximum gain variation with process is 0.13 dB.
Key words : variable gain amplifier；co-source common grid current source；transconductance amplifier；co-source common grid amplifier；low temperature gain error；low process gain error
引言
隨著物聯(lián)網的發(fā)展與普及，越來越多的應用場景需要通過各類傳感器精密感知物理世界的參數，如溫度、濕度、壓力等，將傳感器獲得的弱電信號進行處理，并轉換為數字信號，所以需要用到模/數轉換器（ADC）處理并轉換這些現實世界的信號[1]。在高精度測溫系統(tǒng)中，由于溫度信號變化緩慢且信號幅值非常小，因此需要高分辨率的模數轉換器（ADC）進行處理，但這將會極大提高ADC的設計難度和復雜程度[2]。因此，通常在ADC前端引入前置可變增益放大器（VGA）對信號進行預處理，如圖1高精度測溫系統(tǒng)框圖中所示。
圖1 高精度測溫系統(tǒng)框圖
對于傳統(tǒng)的前置放大器結構，其性能很容易受到溫度、電壓和工藝的影響，不適合應用于高精度測溫系統(tǒng)中[3]。本文通過采用與電源無關的偏置電流鏡提供電流，并用開環(huán)結構來消除溫度及工藝參數的影響，同時輸出采用共源共柵提高輸出阻抗以此來滿足在該系統(tǒng)中的使用要求。
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作者信息：
顧美慶1，黃偉1，2，曹華1
（1.南京中科微電子有限公司，江蘇 南京 210018；
2.中國科學院微電子研究所，北京 100029）
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