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一种高带宽Pingpong自调零运算放大器
2024年7月22日发(作者：宫浩宕)
Applications
创新应用
一种高带宽Ping-pong自调零运算放大器
肖宇
（福州大学物理与信息工程学院，福建 350116）
摘要：基于传统的多级运放结构设计了一款低失调，高速高精度的运算放大器。在传统运算放大器的
基础上引入 Ping-Pong 自调零技术结合多级密勒补偿技术，实现了低失调，低噪声以及高精度。采
用 SMIC 0.18μm CMOS 工艺，5 V 电压下进行仿真验证。通过 Spectre 仿真，电路单位增益带宽为 9
MHz，输出精度达到 0.5%。
关键词：多级运算放大器；多级密勒补偿；Ping-Pong 自调零。
中图分类号：TN402；TN722.75 文章编号：1674-2583(2019)04-0041-02
DOI：10.19339/.1674-2583.2019.04.013
中文引用格式：肖宇.一种高带宽Ping-pong自调零运算放大器[J].集成电路应用, 2019, 36(04): 41-42.
A Large Bandwidth Operational Amplifier Employing
Ping-pong Auto-zeroing
XIAO Yu
( College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzjian 350116, China. )
Abstract
— Based on the traditional multistage amplifier structure, a large bandwidth, high precision
amplifier circuit is designed. On the basis of traditional amplifier, the ping-pong auto-zeroing and
multistage miller compensation technology are introduced to achieve low offset, low noise and high
precision. At the power supply voltage of 5 V, the SMIC 0.18μm CMOS process was used to verify
the designed circuit. Through Cadence simulation, the circuit has a unity-gain bandwidth of 9 MHz, the
output accuracy reaches one in a thousand, batter than the traditional amplifier.
Index Terms
— multistage amplifier, multistage miller compensation, Ping-pong auto-zeroing.
1 引言
本文基于传统的多级运放结构，采用 Ping-pong
自调零技术降低了运放中的失调电压以及低频噪声。
不同于斩波技术对带宽的限制，采用 Ping-pong 结构
与自调零技术结合的方式使得运放相比于传统运放在
高精度下拥有大带宽的优势。
2 电路设计与分析
2.1 Ping-pong 自调零电路的结构设计
自调零电路的采用可以有效降低电路中的低频噪
声以及失调电压，其电路结构如图 1 所示。
于输入接地，G
1
的输出为电路噪声以及失调电压，
并对 C
1
进行充能，使其存储噪声以及失调电压。其
传输函数公式表达如式（1）。
G
c
＝V
1
G
1
R
out
＋（V
2
－V
c
）G
2
R
out
（1）
充能结束后 S1，S3 闭合 S2，S4 断开，电路进
入放大阶段
[1]
。此时输入信号经过 G
1
进行放大，而
G
2
以及 C
1
则通过反馈储存的失调电压以及噪声信
号至输出端从而抵消电路中的失调电压以及部分低
频噪声。其传输函数公式表达如式（2）。
V
out
＝（V
1
－V
in
）G
1
R
out
－V
c
G
2
R
out
（2）
上述可知，自调零电路通过半周期工作，半周
期调零的方式有效降低了电路的失调电压以及低频
噪声问题，其缺点在于工作模式使其只能工作于非
连续系统当中。故而需要结合 Ping-pong 结构使其能
够应用于连续时间系统之中
[2]
。即两条相同的支路
并联各自工作半个周期以组成一个完整周期。
2.2 多级密勒补偿
为了满足运放的相位裕度，防止其环路增益相
移过大造成正反馈以致工作时震荡，所以多级运放
一般采用多级密勒补偿技术也称巢式密勒补偿技术
以确保电路工作时的稳定
[3]
。其原理为多级运放电
路的传输函数可以写为如式（3）。
图 1 Ping-pong 自调零电路的结构设计
工作状态由开关 S1，S2，S3，S4 控制。当 S1，
S3 断开 S2，S4 闭合时，电路进入调零阶段，此时由
基金项目：福建省教育系统科技创新课题项目。
作者简介：肖宇，福州大学物理与信息工程学院，硕士研究生，研究方向：集成电路的研究与设计。
收稿日期：2019-02-22，修回日期：2019-03-21。
集成电路应用 第
36
卷
第
4
期（总第
307
期）2019
年
4
月 41
创新应用
Applications
V
out
／V
in
＝G
1
／(1＋R
1
C
1
S)× G
2
／(1＋R
2
C
2
S) × 1／(1＋R
3
C
3
S) （3）
即每一级的跨导除以该级输入节点“看”到地
的RC（电路时间常数）加 1。而后多级相乘后乘以 1
加输出节点到地的 RC。这种传输函数表达形式可以
清晰地看出电路极点与电阻电容之间的关系，并粗
略估算其具体频率。进而可知如何通过电阻电容改
善电路的稳定性。
2.3 整体电路的结构设计
本文不同于传统多级运放之处在于使用 Ping-
pong 自调零运放作为整体电路的输入级，以保证输
入信号低干扰。而后接入两级 class AB 功率放大器
提升电路的摆幅与放大倍数，同时使用多级密勒补
偿技术提升电路的稳定性
[4,5]
。其电路结构如图 2。
图 2 整体电路的结构设计
图 2 所示，信号进入第一级 Ping-pong 自调零运
放后，两条支路互相配合使得信号在低干扰下精确
放大，而后信号进入两级功率放大器，此时信号已
经初步放大，后级运放失调电压影响较小，不需要
通过调零或者斩波调制技术降低 class AB 功率放大
器的失调电压。
两级功率放大器进一步提高信号的放大倍数，
并提高输出信号摆幅使其接近于电源电压。
3 仿真结果
基于 SMIC 0.18μm CMOS 工艺，利用 Cadence
工具对本文设计的高带宽 Ping-Pong 自调零运放进行
仿真验证。电源电压为 5 V，静态电流约为 1.5 mA。
其频率特性如图 3 所示，其单位增益带宽为 9 MHz
低频增益为 106 dB。
图 3 频率特性
图 4 为运放失调电压仿真抽样结果，样本数为
42 集成电路应用 第
36
卷
第
4
期（总第
307
期）2019
年
4
月
200。结果显示，在 100 倍增益下输出失调电压最大
值小于 4 mV ，且抽样结果主要集中于 1~2 mV。
其输出噪声功率仿真结果显示，单位增益带宽内
噪声积分约为 0.28 nV 远小于 1 mV。即在输出摆幅接
近 5 V 的情况下，输出误差低于 5 mV。
综上可知运放的精度可达千分之一。
图 4 仿真抽样结果
4 结语
本文提出一种高精度，低失调的多级运算放大器
电路，该电路采用了 Ping-pong 自调零技术以及多级
密勒补偿技术，并在 SMIC 0.18μm CMOS 工艺下通
过 Cadence 仿真。电路单位增益带宽大，噪声小，失
调电压低，精度可达千分之一，达到了低失调高精度
的要求。
参考文献
[1] M. A. P. Pertijs, W. J. Kindt. A 140 dB-
CMRR current-feedback instrumentation
amplifier employing ping-pong auto-
zeroing and chopping[J].IEEE ISSCC Dig.
Tech. Papers,2009(02):324-325.
[2] J. F. Witte,J. H. Huijsing, K. A.
A. Makinwa. A chopper and auto-zero
offset-stabilized CMOS instrumentation
amplifier[J].Symp. VLSI Circuits Dig.
Tech. Papers, 2009(08):210-211.
[3] C.-G. Yu and R. L. Geiger. An automatic
offset compensation schemewith ping-
pong control for CMOS operational
amplifiers[J].IEEE -State
Circuits,1994,29(05)：601–610.
[4] GI USTOLIS G,PALUMBO approachto test
the open-loop parameters of feedback
amplifiers[J].IEEE transactions on
circuits and systems I:fundamental theory
and applications,2002.
[5] KA N L,MOK P K is of multistage
ampli-fier-frequency compensation[J].
IEEE transactions on circuits and systems
I:fundamental theory and applica-tions,
2001.
2024年7月22日发(作者：宫浩宕)
Applications
创新应用
一种高带宽Ping-pong自调零运算放大器
肖宇
（福州大学物理与信息工程学院，福建 350116）
摘要：基于传统的多级运放结构设计了一款低失调，高速高精度的运算放大器。在传统运算放大器的
基础上引入 Ping-Pong 自调零技术结合多级密勒补偿技术，实现了低失调，低噪声以及高精度。采
用 SMIC 0.18μm CMOS 工艺，5 V 电压下进行仿真验证。通过 Spectre 仿真，电路单位增益带宽为 9
MHz，输出精度达到 0.5%。
关键词：多级运算放大器；多级密勒补偿；Ping-Pong 自调零。
中图分类号：TN402；TN722.75 文章编号：1674-2583(2019)04-0041-02
DOI：10.19339/.1674-2583.2019.04.013
中文引用格式：肖宇.一种高带宽Ping-pong自调零运算放大器[J].集成电路应用, 2019, 36(04): 41-42.
A Large Bandwidth Operational Amplifier Employing
Ping-pong Auto-zeroing
XIAO Yu
( College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzjian 350116, China. )
Abstract
— Based on the traditional multistage amplifier structure, a large bandwidth, high precision
amplifier circuit is designed. On the basis of traditional amplifier, the ping-pong auto-zeroing and
multistage miller compensation technology are introduced to achieve low offset, low noise and high
precision. At the power supply voltage of 5 V, the SMIC 0.18μm CMOS process was used to verify
the designed circuit. Through Cadence simulation, the circuit has a unity-gain bandwidth of 9 MHz, the
output accuracy reaches one in a thousand, batter than the traditional amplifier.
Index Terms
— multistage amplifier, multistage miller compensation, Ping-pong auto-zeroing.
1 引言
本文基于传统的多级运放结构，采用 Ping-pong
自调零技术降低了运放中的失调电压以及低频噪声。
不同于斩波技术对带宽的限制，采用 Ping-pong 结构
与自调零技术结合的方式使得运放相比于传统运放在
高精度下拥有大带宽的优势。
2 电路设计与分析
2.1 Ping-pong 自调零电路的结构设计
自调零电路的采用可以有效降低电路中的低频噪
声以及失调电压，其电路结构如图 1 所示。
于输入接地，G
1
的输出为电路噪声以及失调电压，
并对 C
1
进行充能，使其存储噪声以及失调电压。其
传输函数公式表达如式（1）。
G
c
＝V
1
G
1
R
out
＋（V
2
－V
c
）G
2
R
out
（1）
充能结束后 S1，S3 闭合 S2，S4 断开，电路进
入放大阶段
[1]
。此时输入信号经过 G
1
进行放大，而
G
2
以及 C
1
则通过反馈储存的失调电压以及噪声信
号至输出端从而抵消电路中的失调电压以及部分低
频噪声。其传输函数公式表达如式（2）。
V
out
＝（V
1
－V
in
）G
1
R
out
－V
c
G
2
R
out
（2）
上述可知，自调零电路通过半周期工作，半周
期调零的方式有效降低了电路的失调电压以及低频
噪声问题，其缺点在于工作模式使其只能工作于非
连续系统当中。故而需要结合 Ping-pong 结构使其能
够应用于连续时间系统之中
[2]
。即两条相同的支路
并联各自工作半个周期以组成一个完整周期。
2.2 多级密勒补偿
为了满足运放的相位裕度，防止其环路增益相
移过大造成正反馈以致工作时震荡，所以多级运放
一般采用多级密勒补偿技术也称巢式密勒补偿技术
以确保电路工作时的稳定
[3]
。其原理为多级运放电
路的传输函数可以写为如式（3）。
图 1 Ping-pong 自调零电路的结构设计
工作状态由开关 S1，S2，S3，S4 控制。当 S1，
S3 断开 S2，S4 闭合时，电路进入调零阶段，此时由
基金项目：福建省教育系统科技创新课题项目。
作者简介：肖宇，福州大学物理与信息工程学院，硕士研究生，研究方向：集成电路的研究与设计。
收稿日期：2019-02-22，修回日期：2019-03-21。
集成电路应用 第
36
卷
第
4
期（总第
307
期）2019
年
4
月 41
创新应用
Applications
V
out
／V
in
＝G
1
／(1＋R
1
C
1
S)× G
2
／(1＋R
2
C
2
S) × 1／(1＋R
3
C
3
S) （3）
即每一级的跨导除以该级输入节点“看”到地
的RC（电路时间常数）加 1。而后多级相乘后乘以 1
加输出节点到地的 RC。这种传输函数表达形式可以
清晰地看出电路极点与电阻电容之间的关系，并粗
略估算其具体频率。进而可知如何通过电阻电容改
善电路的稳定性。
2.3 整体电路的结构设计
本文不同于传统多级运放之处在于使用 Ping-
pong 自调零运放作为整体电路的输入级，以保证输
入信号低干扰。而后接入两级 class AB 功率放大器
提升电路的摆幅与放大倍数，同时使用多级密勒补
偿技术提升电路的稳定性
[4,5]
。其电路结构如图 2。
图 2 整体电路的结构设计
图 2 所示，信号进入第一级 Ping-pong 自调零运
放后，两条支路互相配合使得信号在低干扰下精确
放大，而后信号进入两级功率放大器，此时信号已
经初步放大，后级运放失调电压影响较小，不需要
通过调零或者斩波调制技术降低 class AB 功率放大
器的失调电压。
两级功率放大器进一步提高信号的放大倍数，
并提高输出信号摆幅使其接近于电源电压。
3 仿真结果
基于 SMIC 0.18μm CMOS 工艺，利用 Cadence
工具对本文设计的高带宽 Ping-Pong 自调零运放进行
仿真验证。电源电压为 5 V，静态电流约为 1.5 mA。
其频率特性如图 3 所示，其单位增益带宽为 9 MHz
低频增益为 106 dB。
图 3 频率特性
图 4 为运放失调电压仿真抽样结果，样本数为
42 集成电路应用 第
36
卷
第
4
期（总第
307
期）2019
年
4
月
200。结果显示，在 100 倍增益下输出失调电压最大
值小于 4 mV ，且抽样结果主要集中于 1~2 mV。
其输出噪声功率仿真结果显示，单位增益带宽内
噪声积分约为 0.28 nV 远小于 1 mV。即在输出摆幅接
近 5 V 的情况下，输出误差低于 5 mV。
综上可知运放的精度可达千分之一。
图 4 仿真抽样结果
4 结语
本文提出一种高精度，低失调的多级运算放大器
电路，该电路采用了 Ping-pong 自调零技术以及多级
密勒补偿技术，并在 SMIC 0.18μm CMOS 工艺下通
过 Cadence 仿真。电路单位增益带宽大，噪声小，失
调电压低，精度可达千分之一，达到了低失调高精度
的要求。
参考文献
[1] M. A. P. Pertijs, W. J. Kindt. A 140 dB-
CMRR current-feedback instrumentation
amplifier employing ping-pong auto-
zeroing and chopping[J].IEEE ISSCC Dig.
Tech. Papers,2009(02):324-325.
[2] J. F. Witte,J. H. Huijsing, K. A.
A. Makinwa. A chopper and auto-zero
offset-stabilized CMOS instrumentation
amplifier[J].Symp. VLSI Circuits Dig.
Tech. Papers, 2009(08):210-211.
[3] C.-G. Yu and R. L. Geiger. An automatic
offset compensation schemewith ping-
pong control for CMOS operational
amplifiers[J].IEEE -State
Circuits,1994,29(05)：601–610.
[4] GI USTOLIS G,PALUMBO approachto test
the open-loop parameters of feedback
amplifiers[J].IEEE transactions on
circuits and systems I:fundamental theory
and applications,2002.
[5] KA N L,MOK P K is of multistage
ampli-fier-frequency compensation[J].
IEEE transactions on circuits and systems
I:fundamental theory and applica-tions,
2001.