一种用于水声传感器电压检测的SOC芯片制造技术

本发明专利技术涉及一种用于水声传感器电压检测的SOC芯片，包括低噪声低失调斩波运算放大器，GM-C低通滤波器，电压增益放大器三部分主体电路以及时钟产生电路，带隙基准电流源两部分辅助电路；所述低噪声低失调斩波运算放大器用于检测水声传感器输出的微弱电压信号；所述GM-C低通滤波器用于滤除电压信号频率外的高频噪声和高次谐波；所述电压增益放大器用于将电压信号放大至后级模数转换器的输入电压范围；时钟产生电路和带隙基准电流源分别为上述三部分电路提供时钟基准和电流基准。本发明专利技术有效提取了水声传感器中的微弱电压信号，滤除了外部噪声、电路高频噪声和高次谐波，并利用电压增益放大器进行合理放大至模数转换器的输入电压范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及CMOS SOC设计
，具体涉及一种用于水声传感器电压检测的 SOC芯片。
技术介绍
声波是水下远距离信息传播和接收的唯一有效载体.水声传感器的出现，改变了传统上对水下声信号的接收只能依赖声压标量的状态，而其对水下声矢量信号的接收已显现出越来越大的优势.水下噪声是影响水声信号检测最大困难之一，传统的水声传感器检测系统都采用分立的低噪声低失调运放和滤波器在板极实现检测，规模庞大，易受外界环境干扰，检测精度低。目前由于远距离探测和低频噪声测量等需求的出现，水声传感器检测系统正向小型化、高灵敏度，集成化发展，最终将实现水声传感器与检测系统的SOC单芯片整合，学术界和工业界都对此开展了广泛的研究。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是提供一种低噪声、高灵敏度和集成化的用于水声传感器电压检测的SOC芯片。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为一种用于水声传感器电压检测的 SOC芯片，包括主体电路及辅助电路；所述主体电路包括低噪声低失调斩波运算放大器， GM-C低通滤波器及电压增益放大器；所述辅助电路包括时钟产生电路及带隙基准电流源； 所述低噪声低失调斩波运算放大器用于检测水声传感器输出的微弱电压信号，满足GM-C 低通滤波器的恒定GM输入电压幅度范围；所述GM-C低通滤波器用于滤除电压信号频率外的高频噪声和高次谐波；所述电压增益放大器用于将电压信号放大至后级模数转换器的输入电压范围，使模数转换器达到最佳分辨率；所述时钟产生电路和所述带隙基准电流源分别为上述主体电路提供时钟基准和电流基准。上述方案中，所述低噪声低失调斩波运算放大器包括三个斩波器Si，S2，S3和两级折叠共源共栅运算放大器；所述斩波器Si，位于低噪声低失调斩波运算放大器的输入端，将输入信号调制至斩波频率上；所述两级折叠共源共栅运算放大器，第一级实现大的增益，第二级实现大的输出摆幅，对所述斩波器Sl调制后的信号进行放大；所述斩波器S2，位于运算放大电流通路的低阻节点上，将信号解调回基带，运放的失调信号和Ι/f噪声经过斩波器S2的一次调制，出现在斩波频率的奇次谐波上；所述斩波器S3，用于动态切换两级折叠共源共栅运算放大器中电流源的差分对管，进一步降低电流源的电流失配和两级折叠共源共栅运算放大器的失调电压。上述方案中，所述斩波器S1、S2、S3分别由两向非交叠时钟控制的四个NMOS管M1， Mlb，M2, M2b构成，横向NMOS管Ml，M2和纵向匪OS管Mlb，M2b交替导通，将时钟信号即斩波信号与输入信号相乘，即完成将输入信号调制到斩波信号的功能。上述方案中，所述两级折叠共源共栅运算放大器，其中输入级PMOS管MO为电流源，PMOS管Ml，M2为输入管，第一级运放结构包括PMOS管M3，M4，M5，M6以及NMOS管M7， M8，M9，M10，第二级运放结构采用二极管连接的PMOS管M11，M12作为负载，PMOS管M13，M14 作为第二级的输入管；所述两级折叠共源共栅运算放大器还包括由电容Cl，C2和电阻R1， R2组成的密勒补偿电路。上述方案中，所述斩波器S2位于所述两级折叠共源共栅运算放大器中NMOS管M7， M8的低阻源端。上述方案中，所述斩波器S3位于所述两级折叠共源共栅运算放大器中PMOS管M3， M4的漏端。上述方案中，所述低噪声低失调斩波运算放大器的输出端分别设有电容C3，C4。上述方案中，所述GM-C低通滤波器采用三阶巴特沃兹结构，其中的运放单元包括主运放和共模反馈两部分电路；主运放由NMOS管M5，M6，PMOS管Ml，M2，M3，M4组成，共模反馈电路由匪05管机2，] 13，？]\ )5管117，]\18，]\19，]\110，]\111组成；所述NMOS电流源管M5，M6 由偏置电压vbias控制，所述PMOS管M3，M4为输入管，所述PMOS管M3，M4漏极间跨接源退化电阻R1，所述PMOS电流源管Ml，M2由共模反馈电路提供反馈偏置电压；所述NMOS电流源管M12，M13由与主运放相同的偏置电压信号vbias控制，所述PMOS管M8，M9，M10, Mll 组成反馈对管，其中PMOS管M8，Mll的栅级分别接收运放的输出电压voutp，voutn，PMOS管 M9，MlO的栅级接收共模参考电压vcmfb，所述PMOS管M7的栅输出反馈偏置电压回到主运放的PMOS电流源管M1，M2。上述方案中，所述电压增益放大器采用两级折叠共源共栅运放放大器，输入级 PMOS管MO为电流源，PMOS管Ml，M2为输入管，第一级运放结构包括PMOS管M3，M4，M5，M6 以及匪OS管M7，M8，M9，M10，第二级运放结构包括PMOS管Mil，M12以及匪OS管M13，M14， 所述PMOS管Ml 1，M12采用偏置电压控制，NMOS管M13，M14作为第二级的输入管，所述两级折叠共源共栅运算放大器所述还包括由电容Cl，C2和电阻Rl，R2组成的密勒补偿电路。上述方案中，所述时钟产生电路和带隙基准电流源在片内为电路提供高精度的时钟和电流基准。与现有技术相比，本专利技术的技术方案产生的有益效果如下本专利技术通过采用低噪声低失调斩波运算放大器和GM-C低通滤波器有效提取了水声传感器中的微弱电压信号，滤除了外部噪声，电路高频噪声和高次谐波，并利用电压增益放大器进行合理放大至模数转换器的输入电压范围。时钟产生电路，带隙基准电流源为电路提供片内时钟和电流基准，无需外部配置，适用于水声传感器电压检测单芯片系统中。附图说明图1是本专利技术实施例提供的用于水声传感器电压检测的SOC芯片的结构示意图；图2是本专利技术实施例中低噪声低失调斩波运算放大器的电路示意图；图3是本专利技术实施例中NMOS斩波器的电路示意图；图4是本专利技术实施例中低噪声低失调斩波运算放大器接成闭环2倍增益时的正弦输出仿真波形示意图；图5是本专利技术实施例中低噪声低失调斩波运算放大器等效输入噪声的仿真结果示意图；图6是本专利技术实施例中低噪声低失调斩波运算放大器经过300次蒙特卡罗仿真的输入失调电压的仿真结果示意图；图7是本专利技术实施例中GM-C低通滤波器的结构示意图；图8是本专利技术实施例中GM-C低通滤波器中运放单元的电路示意图；图9是本专利技术实施例中GM-C低通滤波器频率特性的仿真波形示意图；图10是本专利技术实施例中电压增益放大器的电路示意图；图11是本专利技术实施例中电压增益放大器频率特性的仿真波形示意图；图12是本专利技术实施例提供的用于水声传感器电压检测的SOC芯片的差分正弦输出仿真波形示意图。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。参见图1，本专利技术实施例提供一种用于水声传感器电压检测SOC芯片，包括低噪声低失调斩波运算放大器，GM-C低通滤波器，电压增益放大器三部分主体电路以及时钟产生电路，带隙基准电流源两部分辅助电路。所述低噪声低失调斩波运算放大器用于检测水声传感器输出的微弱电压信号，在仅仅附加微量运放噪声和失调的情况下，对电压信号进行适当放大，满足GM-C低通滤波器的恒定GM输入电压幅度范围；所述GM-C低通滤波器用于滤除电压信号频率外的高频噪声和高次谐波；所述电压增益放大器用于将电压信号放大至后级模数转换器的输入电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于水声传感器电压检测的ＳＯＣ芯片，其特征在于，包括：主体电路及辅助电路；所述主体电路包括低噪声低失调斩波运算放大器，ＧＭ－Ｃ低通滤波器及电压增益放大器；所述辅助电路包括时钟产生电路及带隙基准电流源；所述低噪声低失调斩波运算放大器用于检测水声传感器输出的微弱电压信号，满足ＧＭ－Ｃ低通滤波器的恒定ＧＭ输入电压幅度范围；所述ＧＭ－Ｃ低通滤波器用于滤除电压信号频率外的高频噪声和高次谐波；所述电压增益放大器用于将电压信号放大至后级模数转换器的输入电压范围，使模数转换器达到最佳分辨率；所述时钟产生电路和所述带隙基准电流源分别为上述主体电路提供时钟基准和电流基准。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈铖颖，胡晓宇，周玉梅，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：11