專利名稱：漂移電壓均衡運(yùn)算放大器的制作方法
在直流電壓信號(hào)或低頻信號(hào)的處理過(guò)程中，直接耦合運(yùn)算放大器，特別是MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝的運(yùn)算放大器，由于輸入漂移電壓而產(chǎn)生誤差。從電子學(xué)(Elektronik)雜志1988年9月30日第20期的97頁(yè)至104頁(yè)中可知一種在運(yùn)算中借助主放大器和輔放大器消除漂移電壓的方法，在常規(guī)測(cè)量間隔中，輔放大器與輸入信號(hào)不連接，并在其輸入端短路，其輸出電壓值在一個(gè)外接電容中存儲(chǔ)。在第二個(gè)測(cè)量間隔中，輔放大器輸入端和輸入信號(hào)相連，輸出端與第二個(gè)外接電容連接，存儲(chǔ)在兩個(gè)外接電容中的電壓，加到主放大器和輔放大器的兩個(gè)自動(dòng)歸零輸入端，因此在運(yùn)算過(guò)程中，主放大器輸出端漂移電壓誤差的影響得以補(bǔ)償。這種先有技術(shù)電路參照

圖1和圖2的詳細(xì)解釋在下文給出。
先有技術(shù)電路配置的一個(gè)基本缺點(diǎn)是采用了體積相對(duì)較大的電容來(lái)存儲(chǔ)輔放大器輸出信號(hào)。因此，本發(fā)明提出的目標(biāo)就是要提供一存儲(chǔ)電容小的漂移電壓均衡運(yùn)算放大器電路配置，使得整個(gè)配置適于單片集成。下述本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)直接來(lái)源于達(dá)到該目標(biāo)的方法。
本發(fā)明的上述和進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)與特征，可由下述與附圖相聯(lián)系的說(shuō)明而更加清晰，其中圖1，現(xiàn)有漂移電壓均衡運(yùn)算放大器的框圖；圖2，圖1電路的時(shí)序圖；圖3，本發(fā)明的運(yùn)算放大器框圖。
圖4，圖3電路的時(shí)序圖。
圖5a和圖5b，本發(fā)明的運(yùn)算放大器另一實(shí)施例的電路圖和其中的開關(guān)裝置。
在圖1的電路配置中，主放大器mv恒與輸入差動(dòng)信號(hào)ds以及輸出相連，因而和通常的限幅放大器不同，在輸出信號(hào)ds′中只產(chǎn)生很小尖鋒。為提供漂移電壓均衡，一個(gè)稱為輔放大器av的內(nèi)調(diào)零放大器先使自身后使主放大器歸零。該電路運(yùn)算過(guò)程參看圖2，在(1)到(4)時(shí)間間隔如下在時(shí)間間隔(1)中，輔放大器av和差動(dòng)信號(hào)ds斷開，并在其差動(dòng)輸入端i1短路。為了這個(gè)目的，第一開關(guān)裝置S1關(guān)閉，而第二開關(guān)裝置S2打開。因而輔放大器av輸出的電壓僅由放大器的漂移電壓誤差決定。
在時(shí)間間隔(2)中，在輔放大器av瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間以后，第3開關(guān)裝置S3關(guān)閉，以使第一外接存儲(chǔ)電容C1和輔放大器av輸出相連。這個(gè)第一存儲(chǔ)電容C1和輔助電容C1′的電壓作為補(bǔ)償電壓加在輔助放大器av的自動(dòng)歸零輸入端Z1，兩個(gè)電容C1、C1′必須在整個(gè)校準(zhǔn)周期后半段保持電壓。
在時(shí)間間隔(3)，第1和第3開關(guān)S1，S3打開而第二開關(guān)S2關(guān)閉，使輔助放大器差動(dòng)輸入i1和差動(dòng)信號(hào)ds相連。在該時(shí)間間隔，差動(dòng)輸入i2恒與差動(dòng)信號(hào)ds相連的主放大器輸出信號(hào)ds′仍因放大器的漂移電壓而失真。
在時(shí)間間隔(4)，主放大器mv得到補(bǔ)償，在該時(shí)間間隔開始，其差動(dòng)輸入和差動(dòng)信號(hào)ds相連的輔放大器av的輸出處于穩(wěn)態(tài)。然后第4開關(guān)S4關(guān)閉以使外接第2存儲(chǔ)電容C2和輔助放大器av輸出相連。通過(guò)兩根引線，第1和第2存儲(chǔ)電容的電壓作為控制信號(hào)加在主放大器mv自動(dòng)歸零輸入端22，使后者的漂移電壓歸零。
在前述中假定運(yùn)算放大器和主放大器mv有很高的開環(huán)增益，差動(dòng)信號(hào)ds的兩個(gè)端點(diǎn)基本在同一電位，這相當(dāng)于將強(qiáng)的負(fù)直流電壓反饋通過(guò)外圍電路加到運(yùn)算放大器時(shí)，運(yùn)算放大器的正常工作。
第2存儲(chǔ)電容C2的電壓因而同時(shí)依賴于主放大器mv和輔放大器av的漂移電壓。通過(guò)把第1和第2存儲(chǔ)電容的電壓差加在主放大器mv的自動(dòng)歸零輸入端Z2，后者的漂移電壓除小的殘余外被調(diào)零。
開關(guān)S1………，S4由4個(gè)控制信號(hào)P1′………P4′控制，這4個(gè)信號(hào)由控制電路St′的時(shí)鐘信號(hào)Cl′導(dǎo)出?？刂菩盘?hào)必須限定至少二個(gè)不重疊時(shí)間間隔，即分別在時(shí)間間隔(2)和(4)中的第一和第二測(cè)量間隔m1、m2，參見圖2。
圖3是本發(fā)明的漂移電壓均衡運(yùn)算放大器的一個(gè)實(shí)施例，和圖1中具有相同功能的部分用相同的符號(hào)標(biāo)出。輔放大器av由第一和第二放大器V1、V2和第一減法器sb1構(gòu)成。五個(gè)放大器V1………，V5可以由雙極或MOS工藝制成。它們可以是電流或電壓控制，因而相應(yīng)的輸出可以設(shè)計(jì)成電流源或電壓源。
主放大器由第三、第四和第五放大器V3、V4、V5以及第二減法器sb2構(gòu)成。第一放大器V1具有第一個(gè)預(yù)置的靈敏度(＝第一靈敏度值e1)。在電壓或電流放大器的情況下，一個(gè)限定的有限增益對(duì)應(yīng)于該預(yù)置靈敏度，第一放大器V1構(gòu)成了輔助放大器av的差動(dòng)輸入i1。第二放大器V2具有第二個(gè)預(yù)量的靈敏度(＝第二靈敏值e2)并構(gòu)成自動(dòng)歸零輸入Z1。第一和第二放大器V1，V2的輸出分別與第一減法器sb1的被減數(shù)和減數(shù)輸入相連，其輸出是輔助放大器輸出。
第一減法器sb1的輸出通過(guò)第三開關(guān)S3與第一存儲(chǔ)電容C1以及第二放大器V2的輸入相連，第三開關(guān)S3由第三控制信號(hào)P3控制。由于第二放大器的靈敏值e2小于第二放大器的靈敏值e1至多5倍，最好是10O到200倍，在第一個(gè)測(cè)量周期m1中，第一存儲(chǔ)電容器C1上的電壓值增加了對(duì)應(yīng)靈敏值差的倍數(shù)，因而第二放大器V2的輸出電壓幾乎不受該放大器的漂移電壓誤差的影響。然而該測(cè)量的基本優(yōu)點(diǎn)是第一存儲(chǔ)電容器所需的電容量可以很小，即10到60微微法(pf)，該值的電容可以不占太多的芯片面積而實(shí)現(xiàn)。
第一減法器sb1的輸出也和第四開關(guān)S4相連，S4受第四控制信號(hào)P4控制，其輸出和第二存儲(chǔ)電容C2以及第四放大器V4的輸入相耦合。由于第四放大器靈敏值e4和第二靈敏值e2相等，第三靈敏值e3和第一靈敏值e1相等，在第二測(cè)量周期m2中，第二存儲(chǔ)電容C2之上的電壓也比相同靈敏值情況下增加第三和第四靈敏值e3，e4之差倍。在第二放大器V2中，第四放大器V4的漂移電壓因而可以被忽略。在這里，基本的優(yōu)點(diǎn)也是第二存儲(chǔ)電容器C2只需10到60微微法的電容量，因而它很適于單片集成。
第二減法器sb2的輸出被送到第五放大器V5的輸入，它通過(guò)其很高的開環(huán)增益提供運(yùn)算放大器的精確的放大。為了提供運(yùn)算放大器充分的負(fù)反饋能力，第五放大器V5包括常用的
頻率衰減，在圖3中由和第五放大器相連的RC部分標(biāo)出。—個(gè)分開的表示控制器st的電路框圖提供了四個(gè)受時(shí)鐘信號(hào)Cl控制的用于四個(gè)開關(guān)S1，………S4的控制信號(hào)P1………P4。
如果變化率例如差動(dòng)信號(hào)ds的頻率相對(duì)于完全測(cè)量周期，例如1KHZ很小，所述控制電路可以使殘余漂移誤差變得很小。
如果差動(dòng)信號(hào)ds的值在第二測(cè)量周期m2發(fā)生變化，電路的工作情況就會(huì)不同，這時(shí)通過(guò)主放大器mv的外接控制環(huán)路在第二測(cè)量周期m2中試圖補(bǔ)償可能的漂移誤差并提供和正確信號(hào)不同的輸出信號(hào)ds′。該差別隨著差動(dòng)信號(hào)ds的變化率增加而增加。
為了解決這個(gè)問題，第五放大器V5的輸出通過(guò)補(bǔ)償電路K1反饋到第一減法器sb1的補(bǔ)償輸入端。補(bǔ)償輸入端是例如帶有一個(gè)加法器的附加的被減輸入在加法器中兩個(gè)被減信號(hào)相加。由于誤差來(lái)源于第二測(cè)量間隔m2，反饋線路只在第二測(cè)量間隔通過(guò)附加的第四開關(guān)S4′接通，S4′受第四控制信號(hào)P4控制。反饋電路K1具有和第五放大器V5相反的頻率響應(yīng)。它保證了在運(yùn)算放大器
頻率衰減范圍內(nèi)滿意地進(jìn)行補(bǔ)償。
圖5a是用CMOS工藝制造的漂移電壓均衡運(yùn)算放大器的另一實(shí)施例的電路圖，其第一，第二，第三和第四放大器采用第一，第二，第三和第四運(yùn)算互導(dǎo)放大器(OTA)OP1，OP2，OP3，OP4形式設(shè)計(jì)，第一和第二OTA(OP1，OP2)的差動(dòng)輸出和第一電流差分級(jí)sd1的第一和第二輸入點(diǎn)g1，g2相連，它的作用是第一減法器sb1。
第一電流差分級(jí)sd1含有—共陰共柵電流鏡面Cm，其工作如下。電流鏡面Cm為通過(guò)第一和第二輸入點(diǎn)g1，g2被供以等量恒流I3，在第二輸入點(diǎn)g2和電流鏡面Cm輸出端之間的饋出點(diǎn)Kl，一個(gè)單極的第一差分電流d1可以做為電流差分級(jí)sd1的輸出信號(hào)取出，如果在恒流I3之外沒有進(jìn)—步的不等電流加在兩個(gè)輸入點(diǎn)g1，g2上，電流鏡面Cm的輸出電流將精確地等于加在第二輸入端g2的電流。在這種情況下，差分電流d1值為零。然而，如果不等電流加在兩個(gè)輸入點(diǎn)g1，g2上，它們的差將作為同級(jí)第一差分電流d1出現(xiàn)在饋出點(diǎn)Kl上。
在主放大器mv中，第三和第四OTA(OP3，OP4)的差分輸出分別與作為第二減法器并傳送第二差分電流d2的第二電流差分級(jí)sd2的第三和第四饋入點(diǎn)g3，g4連接。其第四饋入點(diǎn)g4作為饋出端點(diǎn)，第二差分電流d2驅(qū)動(dòng)第五放大器V5，以提供輸出信號(hào)ds′，所有四個(gè)OTA都在其輸入端包含一個(gè)P溝道差動(dòng)放大器。第一和第三OTA(OP1，OP3)在其輸出線分別含有附加的共陰共柵結(jié)構(gòu)的P溝道晶體管t1，t2和t3，t4。第二電流差分級(jí)sd2含有一由兩個(gè)n溝道晶體管構(gòu)成的簡(jiǎn)單電流鏡面，其電流鏡面的輸入端和輸出端分別與第三輸入端g3和第四輸入端g4相連。
第二和第四OTA(OP2，OP4)的小靈敏值e2，e4通過(guò)使P溝道晶體管對(duì)在輸入端溝道長(zhǎng)度大于第一和第三OTA(OP1，OP3)而得到。此外，驅(qū)動(dòng)第二和第四OTA(OP2，OP4)的P溝道晶體管對(duì)其共源端的電流I2要比支持第一和第三OTA(OP1，OP3)的共源端的電流I1小大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。靈敏值e2，e4也通過(guò)使P溝道晶體管對(duì)在輸入端有效柵源間電壓增加而減小。這樣利于使這些P溝道晶體管的阱區(qū)和襯底端的連接。
如果電路采用圖5a所示CMOS工藝制作，每個(gè)開關(guān)S1…………S6，(參見圖5b)Si是一個(gè)有反相控制信號(hào)Pi，Pig的傳輸門，第三、第四控制信號(hào)P3，P4到第一和第二存儲(chǔ)電容C1，C2的電容耦合受到第一和第二均衡電路n1，n2的分別補(bǔ)償。每個(gè)均衡電路n1，n2由與各存儲(chǔ)電容C1，C2的檢測(cè)線并聯(lián)的短線組成，并分別含有一電抗性的第三或第四開關(guān)裝置形式的均衡元件，后者分別被饋給第三和第四控制信號(hào)P3，P4。
圈5a中的補(bǔ)償電路K2包含兩個(gè)高通濾波器，其頻率響應(yīng)和第五放大器V5上的
負(fù)反饋相反，并且其兩個(gè)輸出分別與第一和第二饋入點(diǎn)g1，g2相連，笫五和第六開關(guān)S5，S6使補(bǔ)償電路只在第二測(cè)量間隔m2作用于第一差分電流d1。
在第一測(cè)量間隔m1，輔放大器av的控制電路，即第一差分電流d1使加在第一存儲(chǔ)電容上的電壓變化直到第一OTA(OP1)含有漂移誤差的電流輸出被第二OTA(OP2)相反的漂移補(bǔ)償。在這種情況下，第一差分電流d1變?yōu)榱?，而且第一存?chǔ)電容C1上的電壓不再變化。輔放大器av的控制環(huán)因而采用積分控制。在第二測(cè)量期間m2，所需的第二OTA(OP2)的漂移通過(guò)第一存儲(chǔ)電容器C1上的電壓而得到保持。
在第二測(cè)量期間m2，第三OTA(OP3)的含漂移誤差的輸出電流被第四OTA(OP4)相應(yīng)的漂移補(bǔ)償。第四OTA(OP4)的相應(yīng)漂移受存儲(chǔ)電容C2上的電壓控制，該電壓由第一差分電流d1改變直到輔放大器av不能再探測(cè)出其差動(dòng)輸入端電壓差為止。因而這種第二控制環(huán)路也采用積分控制。
權(quán)利要求
1.用于差動(dòng)信號(hào)(ds)的漂移電壓均衡運(yùn)算放大器包括—一個(gè)有可以由第一和第二電子開關(guān)裝置(S1，S2)短路的自動(dòng)歸零輸入(Z1)和差動(dòng)輸入(i1)的輔放大器(av)，—一個(gè)具有差動(dòng)輸入(i2)和自動(dòng)歸零輸入(Z2)的主放大器(mv)，—一個(gè)通過(guò)第三電子開關(guān)裝置(S3)和輔放大器(av)輸出耦合的第一存儲(chǔ)電容(C1)，用于改變其電荷極性，其電壓加在輔放大器(av)的自動(dòng)歸零輸入端(Z1)，—一個(gè)通過(guò)第四電子開關(guān)裝置(S4)和輔放大器(av)輸出耦合的第二存儲(chǔ)電容(C2)，用于改變電荷極性，其電壓加在主放大器(mv)的自動(dòng)歸零輸入端(Z2)，—一個(gè)控制器(st；st′)提供四個(gè)開關(guān)裝置(S1，……S4)的控制信號(hào)(P1′……P4′；P1……P4)，所述控制信號(hào)，決定輔放大器(av)在輸入端短路的第一測(cè)量間隔和輔放大器(av)與主放大器(mv)被饋入差動(dòng)信號(hào)(ds)的不重合的第二測(cè)量間隔，其特征在于—具有第一預(yù)定靈敏度(＝第一靈敏值e1)的第一放大器V1構(gòu)成輔放大器(av)的差動(dòng)輸入(i1)；—具有第二預(yù)定靈敏度(＝第二靈敏值e2)的第二輔放大器(av)的自動(dòng)歸零輸入(Z1)，其中e2小于e1；—第一和第二放大器(V1，V2)的輸出分別與第一減法器(Sb1)的被減和減輸入端相連，其輸出構(gòu)成輔放大器輸出；—具有第三預(yù)定靈敏度(＝第三靈敏值＝e3)的第三放大器(V3)構(gòu)成主放大器(mv)的差動(dòng)輸入(i2)；—具有第四預(yù)定靈敏度(＝第四靈敏值＝e4)的第四放大器(V4)構(gòu)成主放大器(mv)的自動(dòng)歸零輸入(Z2)，其中e4小于e3；—第三和第四放大器(V3，V4)的輸出分別與第二減法器(Sb2)的被減輸入端相連，第二減法器輸出和具有高開環(huán)增益的第五放大器耦合，其輸出作為主放大器輸出。
2.權(quán)利要求1的運(yùn)算放大器，其特征在于—第五放大器(V5)的輸出通過(guò)附加第四開關(guān)裝置(S4′)與一補(bǔ)償電路(K1)相連，補(bǔ)償電路(K1)的輸出與第一減法器(Sb1)的補(bǔ)償輸入耦合；—補(bǔ)償電路(K1)具有和第五放大器(V5)相反的頻率響應(yīng)；—由附加第四開關(guān)(S4′)在第二測(cè)量間隔接通反饋回路。
3.權(quán)利要求2的運(yùn)算放大器，其特征在于采用MOS工藝集成，并且其第一，第二，第三和第四放大器(V1………V4)分別為第一，第二，第三，第四運(yùn)算互導(dǎo)放大器(OTA)(OP1，OP2，OP3，OP4)。
4.權(quán)利要求3的運(yùn)算放大器，特征在于—第二和第四OTA(OP2，OP4)的靈敏值(e2，e4)分別小于第一和第三OTA(OP1，OP3)的靈敏值至少5倍，最好是大約10的二次方倍；—第一和第三OTA(OP1，OP3)的靈敏值相等，而且第二和第四OTA(OP2，OP4)的靈敏值相等；—采用單片集成電路工藝實(shí)現(xiàn)第一和笫二存儲(chǔ)電容(C1，C2)。
5.權(quán)利要求4的運(yùn)算放大器，特征在于—第一減法器(Sb1)是一第一電流差分級(jí)(Sd1)具有笫一和第二饋入點(diǎn)(g1，g2)，第一和第二OTA(OP1，OP2)的反相電流輸出與其相連?！诙p法器(Sb2)是一第二電流差分級(jí)(Sd2)具有第三和第四饋入點(diǎn)(g3，g4)，第三和第四OTA(OP3，OP4)的反相電流輸出與其相連?！谝浑娏鞑罘旨?jí)(Sd1)的輸出端(Kl)和第二電流差分級(jí)(Sd2)的輸出端(g4)以同極輸出電流形式分別傳送第一差分電流(d1)和第二差分電流(d2)。
6.權(quán)利要求5的運(yùn)算放大器，特征如下—采用
負(fù)反饋的第五放大器(V5)；—和第5放大器(V5)輸出相連的補(bǔ)償電路(K2)含兩個(gè)高通濾波器，其頻率響應(yīng)與第五放大器的
負(fù)反饋相反。它們的兩個(gè)輸出由第5和第6開關(guān)(S5，S6)與第一電流差分級(jí)(Sd1)的兩個(gè)饋入端(g1，g2)耦合。第五與第六開關(guān)裝置由補(bǔ)償電路(K2)組成，分別受第一和第二控制信號(hào)(P1，P2)控制，使補(bǔ)償電路(K2)只在第二測(cè)量間隔作用于第一差分電流(d1)。
7.權(quán)利要求4的運(yùn)算放大器，其特征在于一個(gè)第一均衡電路(n1)包括插入第一存儲(chǔ)電容(C1)讀出線和輔放大器自動(dòng)歸零輸入端(Z1)之間的一電抗性第三開關(guān)方式。饋入第三控制信號(hào)(P3)，第二均衡電路(n2)插入在第二存儲(chǔ)電容(C2)的讀出端和主放大器(mv)自動(dòng)歸零輸入(Z2)之間組成一電抗性第四開關(guān)裝置，饋入第4控制信號(hào)(P4)。
8.權(quán)利要求6和7的運(yùn)算放大器，其特征為該放大器由CMOS工藝制成，并在六個(gè)開關(guān)裝置(S1………S6)和兩個(gè)均衡電路(n1，n2)的電抗性開關(guān)裝置的每一個(gè)上面加入反相控制信號(hào)(Pi，Pig)。
9.權(quán)利要求4的運(yùn)算放大器，其特征為各OTA(OP1………，OP4)的靈敏值由場(chǎng)效應(yīng)管差分級(jí)輸入端的溝道長(zhǎng)度，有效柵一源電壓以及分別由恒流源傳送的電流值(I1，I2)調(diào)整。
10.權(quán)利要求5的運(yùn)算放大器，其特征在于—第一OTA(OP1)差分輸出包括以共源共柵組合構(gòu)成的第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管(t1)和第二場(chǎng)效應(yīng)管(t2)，第三OTA(OP3)差分輸出包括以共源共柵組合構(gòu)成的第三場(chǎng)效應(yīng)管(t3)和第四場(chǎng)效應(yīng)管(t4)；—第一電流差分級(jí)(Sd1)包括由共源共柵組合構(gòu)成的電流鏡面(Cm)組成。
全文摘要
本發(fā)明的差動(dòng)信號(hào)(ds)漂移均衡運(yùn)算放大器由一輔放大器(av)和一主放大器(mv)構(gòu)成，每個(gè)放大器有一差動(dòng)輸入(i
文檔編號(hào)H03F3/34GK1050475SQ90107838
公開日1991年4月3日 申請(qǐng)日期1990年9月18日 優(yōu)先權(quán)日1989年9月20日
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