[发明专利]一种多级交叉耦合微小差分信号放大电路及方法

说明书

一种多级交叉耦合微小差分信号放大电路及方法，包括差分信号输入电路、多级交叉耦合放大电路和输出耦合电路。本发明通过交叉耦合的输入方式，关联了共模噪声，使信号在放大的过程中能有效的抑制共模噪声。另外使信号从产生、放大到输入模数转换器的整个过程中保持差分特性，避免了差分和单端来回转换引入的噪声，具有很高的信噪比；本发明还通过多级的结构设计，使得电路具有对小到nA级微弱信号的提取能力；多级结构使得微小信号放大电路的带宽和增益不再成为互相制约的因素，能同时获得优异的带宽和增益。

技术领域

本发明涉及一种微小差分信号放大电路及方法，属于微弱电流信号采集放大领域。

背景技术

微小信号放大电路，顾名思义，就是微小信号的放大器。典型的如在光电二极管这样的高阻抗传感器应用中，光信号转换的微弱电流信号，经过电流电压变换，再经过放大，输出给后级的处理电路。

微小信号放大电路作为传感器调理的电路有着非常重要的作用，它连接着前端的光、声、磁等传感器和后续的处理电路，其噪声特性、增益特性、带宽特性等直接影响到整个系统的性能。

目前比较好的微小信号放大电路是将电流信号输入跨阻放大器，然后转换为微弱电压信号，再经过高共模抑制比的单个仪表放大器进行放大，最后为避免进一步引入噪声，信号会被ADC转换为数字信号等待后续处理。不过这个过程中单个仪表放大器会将差分信号转换为单端信号，所以还需要增加一个单端转差分的器件将仪表放大器的输出转换为能耦合进ADC的差分信号。

这种常规的微小信号放大电路可以比较好的进行微小信号的提取和放大，但是因为只能使用单个仪表放大器，所以共模信号抑制能力比较有限，同时增益放大能力也比较有限，虽然可以通过在仪表放大器后面增加低噪声运放来进一步提高系统增益，但是因为此时信号已经不是差分输入，所以共模噪声会同时放大，不利于信噪比的提高。另外，在差分和单端信号之间来回转换的过程中会引入新的噪声，也会影响整体的信噪比。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种提取微小差分信号并放大输出的多级交叉耦合微小差分信号放大电路及方法，能提高目前类似功能电路的信噪比，具有提取更微弱信号的能力，并同时具有大带宽和大增益的特性。

本发明采用的技术方案：

一种多级交叉耦合微小差分信号放大电路，包括：差分信号输入电路、多级交叉耦合放大电路和输出耦合电路；

外部输入的两路微小电流信号送入差分信号输入电路中，差分信号输入电路将所述微小电流信号转换为电压信号，滤波后输出差分电压信号Pi和Ni给多级交叉耦合放大电路；

多级交叉耦合放大电路对输入到其中的电压信号进行多级交叉耦合放大，将生成的信号以差分的形式输出到输出耦合电路，经输出耦合电路最终生成一路数字信号输出，实现微小差分信号的放大。

所述差分信号输入电路包括两个IV转换电路和两个隔直滤波电路，外部输入的两路微小电流信号分别送入两个IV转换电路中，转换为电压信号后，通过隔直滤波电路隔直输出差分电压信号Pi和Ni。

所述多级交叉耦合放大电路由多个单级交叉耦合放大电路级联组成，每个单级交叉耦合放大电路均包括两个仪表放大器，Pi和Ni交叉耦合输入第一级交叉耦合放大电路中的两个仪表放大器，随后经过多级的交叉耦合放大，将信号以差分的形式输出到输出耦合电路。

所述Pi和Ni交叉耦合具体是指：将输入Pi连接至第一仪表放大器的正极和第二仪表放大器的负极，Ni连接至第一仪表放大器的负极和第二仪表放大器的正极，所述第一仪表放大器和第二仪表放大器为第一级交叉耦合放大电路中包含的两个仪表放大器。