一种运算放大器集成电路输入失调电压自校准电路制造技术

本发明专利技术公开了一种运算放大器集成电路输入失调电压自校准电路，涉及集成电路领域，包括第一级放大单元、消除失调电压放大单元、第二级放大单元、消除失调电压开关、输入电压开关；所述第一级放大单元输出端与所述第二级放大单元输入端连接，所述消除失调电压放大单元与所述第二级放大单元输入端连接，所述第二级放大单元输出端与所述消除失调电压放大单元输入端连接，所述消除失调电压开关与所述第一级放大单元输入端和所述消除失调电压放大单元输入端连接，所述输入电压开关与所述第一级放大单元输入端连接；所述消除失调电压开关和所述输入电压开关的开关时序相反。本发明专利技术可以在每个运放中加入额外的跨导输入级来消除失调电压。

【技术实现步骤摘要】
一种运算放大器集成电路输入失调电压自校准电路
本专利技术涉及集成电路领域，特别涉及集成运放输入失调电压自校准方法。
技术介绍
运算放大器集成电路(以下简称“运放”)是一种利用集成电路(IC)制造工艺制造的、用于电信号的数学处理的电路元件。通过接成负反馈的方式，可以进行电压、电流信号的各种运算，包括放大、加减乘除法、积分微分、开根号平方等。如图2所示，是利用集成电路运算放大器IC实现的精准同相放大电路，其中，R1、R2为反馈电阻，A0为运算放大器，利用放大器输入“虚断”和“虚短”的特性，计算可得输出电压：当设置R2/R1＝9时，输出将是输入电压精确乘以10，也即输入被放大了10倍。在实际的应用中，因为电阻的阻值可以做到非常的精确，因此，这个放大的倍数也是非常的精确的。运放除了能实现以上的精确放大功能之外，还可以实现其它各种各样的运算功能，如下图3列举出的是，利用运放实现的积分功能：电阻是积分电阻，电容是积分电容，这两个元件决定了积分的时间常数。根据运算放大器输入“虚短”和“虚断”的功能，可以得出如下的表达式：输出电压是输入电压对时间的积分乘以一个负常数。这就是积分电路。基于运放可以实现各种模拟的计算和处理的功能，除了以上提到的基本数学运算，还可以实现以下功能：信号的比较、各种形式的滤波、稳压和恒流、电压和电流的转换、限幅和检波、以及其它各种变相的功能。这些功能都用到了运算放大器的一个重要特性，即“虚短”和“虚断”。“虚断”是因为运算放大器输入的高阻特性，对于以金属-氧化物-半导体场效应晶体管(简称MOSFET)作为输入对管的运算放大器，其天然具有高阻特性，输入电阻可以高达1012欧姆甚至更高。如图4所示。同时，由于正输入端(+)的输入阻抗也非常的大，R6上面的压降为0，即VP＝0。VN＝VP＝0叙述了运放“虚短”和“虚断”的特性。这些特性对于运放的应用至关重要，但是实际的运算放大器却并没有这么理想，由于元件参数的失配、参数偏移、温度变化、封装测试造成的应力等原因，运放的正端(+)和负端(-)之间往往存在着一定程度的“失调”电压Vos，实际中VN＝VP＝0式应该是：VN+VOS＝VP运放失调电压可以这样定义，即为使运算放大器的输出电压为0，而在输入端额外加入的电压信号的反向信号。如图5所示，加入电压Vx，使Uo＝0。那么Vx的反向信号就是输入失调电压。Vos特意画在运放内部，表示其是运放的固有特性。当运放外部的正电压端加入电压Vx，有：(Vos-Vx)*A3＝Uo＝0则VX＝Vos。Vx电压即为输入失调电压，并且方向相反。另外，需要指出的是，Vcm是输入共模电平电压，用于偏置，这个电压必须在运放正常工作允许的输入共模电平之内。这个失调电压，差的运放可以是几个毫伏到几十毫伏，高精度的运放可以达到几十微伏，甚至几个微伏。在信号检测和处理的诸多应用中，都要求运放的输入失调电压尽可能的小。比如用于模数转换器(ADC)前端放大和驱动的运算放大器，其输入失调电压就必须匹配模数转换器的精度，达到一定的精度要求。比如3.3V16bit的ADC，其每电压精度是：LSB＝3300mv/(216)＝3300mv/65536＝50.4uV因此，其前端的运算放大器的输入失调电压，最好不要超过20uV。如此高的精度，需要用到高精度运放。目前有诸多的技术，用于改善集成电路运算放大器的输入失调电压。如下就列举目前常用的几种改善失调电压的技术。第一种方法是，增大集成电路运放中器件的面积。运放的输入失调电压，与输入对管和其电流镜尺寸的开方的倒数成正比。如下面式子：根据上式，当器件的面积增加4倍的时候，失调电压将减小为原来的1/2。另一种减小失调电压的技术是斩波技术，这种技术引入了斩波时钟，不断交替输入对管和输出电流镜，使输入失调电压的极性在每个相邻的时钟里面都是方向相反，大小相等。最后通过滤波器处理，使失调电压将近为0。如图6所示，CHOP和CHOP’是一对方向相反的时钟(如图7的Clock)，CHOPIN和CHOPOUT分别是输入开关斩波网络和输出开关斩波网络。Gm1和Gm2分别是运放的两级跨导，这两级跨导在输入开关斩波网络和输出开关斩波网络的作用下，不断地交替器件位置，使失调电压的极性交替变化，表现在输出端，输出电压也正负变化(如图7的VOUT)，通过一个滤波器，这个交替变化的电压纹波会被滤除，最后为0(图6没有显示出来)，也即失调电压变为0。第三种减小(或者消除)输入失调电压的方法是自动调零技术(auto-zero)。如图8所示，这种技术依然需要一个调零时钟(如图9的CLK和CLKb)，Ui为输入信号，Vos为运放的失调电压(画在运放外面方便分析)，电容用于存储失调电压值，运放是直流增益为A4的运放，开关CLK和CLKb是由相反时钟控制的开关(时钟见图9)。图8是这样工作的：在调零相位，CLK为高，CLKb为低；输入信号Ui与运放断开，运放两输入端接在一起，并接成单位增益的结构，VN＝Vcm+Vos；因此，存储在电容的电压为(Vcm+Vos)-Vcm＝Vos。失调电压被存储在电容中。在取值相位，CLK为低，CLKb为高；共模电平Vcm被断开，单位增益连接被断开，两输入端分开，Ui信号通过电容接到运放两端，因为电容存储的电压值与运放的失调电压大小相等，方向相反，因此相互抵消，失调电压被消除。上面介绍的各种技术中，直接增大器件的面积来改善失调电压的方法，虽然简单，但是面积需要增加的太多，失调电压要减小为原来的10％，面积需要增大100倍更为严重的是随着面积的增加运放的各节点电容急剧增大，大大拖累运放的速度。在目前高精度高速运放当中，简单的增大面积已经不能满足要求。斩波技术是目前用的非常广泛的一种改善失调的技术。被广泛用于各种商用的产品中，优势明显，但是也有其致命缺点，这种结构因为利用到了采样技术，必须遵循奈奎斯特频率的限制要求，即其能处理的信号频率必须小于等于奈奎斯特频率的一半，即：上式限制了斩波技术在高速运放当中的应用。第三种方法，自动调零技术，利用电容来存储失调电压，电容在运放的主要通路上，会影响运放的速度和稳定性；另外，由于开关的电荷注入，有可能瞬间让运放摆动到VDD或者GND。有改善的技术为了解决这些问题，即利用另一个专门调零的运放(辅助运放)来实现调零，将主运放通路和调零通路分开，不过这样做需要另一套电路来校准这个辅助的运放，整个电路非常的复杂。目前ADI和TI公司，主要是用的类似于辅助运放的方法来减小或者消除高速运放的失调电压。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种运算放大器集成电路输入失调电压自校准电路。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。根据本专利技术实施例提供了一种运算放大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种运算放大器集成电路输入失调电压自校准电路，其特征在于，包括第一级放大单元、消除失调电压放大单元、第二级放大单元、消除失调电压开关、输入电压开关；/n所述第一级放大单元输出端与所述第二级放大单元输入端连接，所述消除失调电压放大单元与所述第二级放大单元输入端连接，所述第二级放大单元输出端与所述消除失调电压放大单元输入端连接，所述消除失调电压开关与所述第一级放大单元输入端、所述消除失调电压放大单元输入端连接，所述输入电压开关与所述第一级放大单元输入端连接；所述消除失调电压开关和所述输入电压开关的开关时序相反。/n

【技术特征摘要】
1.一种运算放大器集成电路输入失调电压自校准电路，其特征在于，包括第一级放大单元、消除失调电压放大单元、第二级放大单元、消除失调电压开关、输入电压开关；
所述第一级放大单元输出端与所述第二级放大单元输入端连接，所述消除失调电压放大单元与所述第二级放大单元输入端连接，所述第二级放大单元输出端与所述消除失调电压放大单元输入端连接，所述消除失调电压开关与所述第一级放大单元输入端、所述消除失调电压放大单元输入端连接，所述输入电压开关与所述第一级放大单元输入端连接；所述消除失调电压开关和所述输入电压开关的开关时序相反。


2.根据权利要求1所述的运算放大器集成电路输入失调电压自校准电路，其特征在于，所述第一级放大单元为跨导放大电路，包括正输入端、负输入端和输出端。


3.根据权利要求2所述的运算放大器集成电路输入失调电压自校准电路，其特征在于，所述消除失调电压放大单元包括消除失调电压跨导放大电路和消除失调电压电容，所述消除失调电压跨导放大电路包括正输入端、负输入端和输出端，所述消除失调电压电容与所述消除失调电压跨导放大电路负输入端连接，所述消除失调电压跨导放大电路是一级或者多级的运算放大器。


4.根据权利要求3所述的运算放大器集成电路输入失调电压自校准电路，其特征在于，所述第一级放大单元的开环跨导增益GM-M与消除失调电压跨导放大电路的开环跨导增益GM-N相等，且均等于常值增益GM，即GM-M＝GM-N＝GM。


5.根据权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖练章，
申请(专利权)人：上海必阳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31