用于放大器的低噪聲自動(dòng)調(diào)零電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及用于集成電路中的放大器，具體地設(shè)及用于抵消掉該放大器中的偏移 電壓的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于理想的放大器，當(dāng)差分輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓也為零。但是，實(shí)際上，輸出 電壓可能由于電路組件之間的器件失配而不為零。該偏移可由輸入偏移電壓表示，其一般 被稱為了使得放大器的輸出電壓為零所需的放大器輸入電壓。
[0003] 偏移可能由器件制造工藝中的不確定性（晶體管尺寸和滲雜水平）造成的失配導(dǎo) 致。偏移的存在限制了放大器的性能，該是因?yàn)榉糯笃鞯妮敵霾粌H包含放大后的輸入信號(hào)， 而且包含放大后的輸入偏移電壓。對(duì)于要求高精度的精確電路或者在多個(gè)放大器通道必須 彼此匹配時(shí)，該是有問題的，因此失配通常是隨機(jī)的而且不可校正。
[0004] 所謂的"兵鳥（ping-ponging)"技術(shù)有時(shí)被用來增大放大器信號(hào)鏈中的吞吐量。 如果放大器要求兩個(gè)分開的階段（例如重置和放大），則該技術(shù)允許兩個(gè)放大器在相同信 號(hào)路徑上彼此不同相地工作。換言之，在一個(gè)放大器正重置的同時(shí)，另一放大器正在放大， 反之亦然。按照該樣的方式，放大器之一總是正在放大而且沒有時(shí)間浪費(fèi)在重置操作上。
[0005] 然而，在許多應(yīng)用中，放大器偏移中的差異可能會(huì)對(duì)于使用兵鳥技術(shù)產(chǎn)生大挑戰(zhàn)。 例如，如果兵鳥技術(shù)被用于圖像傳感器讀出電路而且兩個(gè)放大器具有不同偏移電壓，該技 術(shù)可在圖像中產(chǎn)生固定圖案，其中偶數(shù)列和技術(shù)列具有不同彼此不同的偏移。人眼對(duì)該類 圖像幻象敏感，所W是不期望的。穩(wěn)定的自動(dòng)調(diào)零技術(shù)可被用來去除該些偏移并消除該效 應(yīng)。
[0006] 已知的自動(dòng)調(diào)零電路通常應(yīng)用兩階段操作W抵消放大器偏移。在"獲取"階段，放 大器的輸入可W與自動(dòng)調(diào)零電容器所獲取的偏移的表示一起短接。在"保持"階段，電容器 保持住獲取的電壓，其可被提供至電路W使得從固有放大器偏移減去所表示的偏移電壓。 已知自動(dòng)調(diào)零電路的一個(gè)常見問題是在自動(dòng)調(diào)零電容器上引入附加采樣噪聲。雖然一般可 W通過增大電容器的電容來減低采樣噪聲，但是該方案在高速系統(tǒng)中可能是不實(shí)際的，因 為其消極地影響了獲取階段的獲取帶寬。
[0007] 圖1圖示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于放大器100的自動(dòng)調(diào)零電路。放大器100包括分 別具有跨導(dǎo)Gml和Gm2的一對(duì)跨導(dǎo)放大器110,120、自動(dòng)調(diào)零電容器C1. 1，C1. 2 W及控制 開關(guān)SW1. 1，SW1. 2, SW2. 1和SW2. 2。為了便于此處的討論，假設(shè)從分別具有跨導(dǎo)gmi和gm2 的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管（M0SFET)導(dǎo)出Gml和Gm2。
[000引 自動(dòng)調(diào)零電路在兩個(gè)階段中工作一獲取階段和保持階段。在獲取階段，將共模電 壓VCM連接至第一放大器110的輸入的開關(guān)SW1. 1，SW1. 2，SW2. 1和SW2. 2關(guān)閉。任意輸入 偏移電壓可在第一跨導(dǎo)放大器110的輸出產(chǎn)生差分電流，其可在反饋中被提供至第二跨導(dǎo) 放大器120的輸出并產(chǎn)生等于Vos (gmi/gm2)的差分電壓A V，其中Vos是輸入?yún)⒖计?。?nèi) 部節(jié)點(diǎn)處的電壓VAZ1和VAZ2(因此，差分電壓AV)可分別由自動(dòng)調(diào)零電容器C1. 1和C2. 1 獲取。
[0009] 由于跨導(dǎo)放大器120的輸入和輸出被開關(guān)SWl. 1和SWl. 2短接，所w獲取階段中 的帶寬（所謂的"獲取帶寬"）由下式給出：
[0010] ^!'=|^等式（1)
[0011] 其中Cl表示自動(dòng)調(diào)零電容器C1. 1和C1. 2的每一個(gè)的電容。
[0012] 自動(dòng)調(diào)零電容器的獲取帶寬和建立時(shí)間彼此成反比。更具體地，等式（1)可表示 為BW=1/2JT T，其中時(shí)間常數(shù)T =Ci/gm2。而且，建立時(shí)間可表示可從自動(dòng)調(diào)零精度導(dǎo) 出的為實(shí)現(xiàn)所要求的設(shè)置精度所需的時(shí)間常數(shù)的數(shù)量。例如，為了使得電容器建立其最終 值的99. 3%，需要大約5個(gè)時(shí)間常數(shù)或5 T的獲取時(shí)間。如果帶寬小于1/2 31 T，電容器可 能不完全建立，導(dǎo)致不完整偏移抵消。
[0013] 在保持階段，開關(guān)SW1. 1，SW1.2，SW2. 1和SW2. 2可打開。自動(dòng)調(diào)零電容器C1. 1和 C1. 2在獲取階段結(jié)束時(shí)保持它們兩端的電壓，因此，跨導(dǎo)放大器120可產(chǎn)生電流量W抵消 獲取階段期間產(chǎn)生的偏移。按照該樣的方式，輸出節(jié)點(diǎn)Voutl和Vout2之間的輸出參考偏 移電壓應(yīng)當(dāng)被抵消，而且放大器100應(yīng)當(dāng)僅僅放大在輸入VIN1和VIN2向其呈現(xiàn)的差分輸 入電壓。
[0014] 圖1所示的自動(dòng)調(diào)零電路的使用可引入附加噪聲分量，因?yàn)樽詣?dòng)調(diào)零電容器C1. 1 和C2. 1對(duì)偏移W及電路的噪聲進(jìn)行采樣。然而，由于噪聲是隨機(jī)信號(hào)，其瞬態(tài)值在保持階 段期間是不確定的而且很可能不會(huì)如偏移那樣抵消。盡管如此，電路100可找到其中隨機(jī) 噪聲的增大相對(duì)于關(guān)聯(lián)噪聲的抵消而已是可W接受的應(yīng)用。
[0015] 而且，可W看出，采樣操作引入的輸入?yún)⒖甲詣?dòng)調(diào)零噪聲可由下式給出：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電路系統(tǒng)，包括： 第一跨導(dǎo)放大器，其具有經(jīng)由第一開關(guān)對(duì)而禪接至系統(tǒng)的輸入終端并禪接至共模電壓 源的一對(duì)輸入， 第二跨導(dǎo)放大器，其具有經(jīng)由第二開關(guān)對(duì)禪接至第一跨導(dǎo)放大器的輸出的一對(duì)輸入， 并且具有也禪接至第一跨導(dǎo)放大器的輸出的輸出， 一對(duì)自動(dòng)調(diào)零電容器，每個(gè)自動(dòng)調(diào)零電容器在其第一終端禪接至第二跨導(dǎo)放大器的各 個(gè)輸入并且在其第二終端連接至公共電壓，W及 一對(duì)輔助電容器，每個(gè)輔助電容器經(jīng)由各個(gè)第=開關(guān)與相應(yīng)自動(dòng)調(diào)零電容器并行布 置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路系統(tǒng)，其中自動(dòng)調(diào)零電容器在系統(tǒng)的獲取階段期間捕獲 電路系統(tǒng)的電壓，并且在系統(tǒng)的保持階段在電路系統(tǒng)中引入偏移抵消電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路系統(tǒng)，其中第一開關(guān)和第二開關(guān)彼此同步地打開和關(guān) 閉。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路系統(tǒng)，其中，在獲取階段期間，第一和第二開關(guān)關(guān)閉。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路系統(tǒng)，其中，在保持階段期間，第一和第二開關(guān)打開。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路系統(tǒng)，其中輔助電容器經(jīng)過多個(gè)周期的操作而充電至系 統(tǒng)的偏移電壓的表示。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路系統(tǒng)，其中輔助電容器的電容超過自動(dòng)調(diào)零電容器的電 容。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路系統(tǒng)，其中開關(guān)在系統(tǒng)的保持階段期間將輔助電容器禪 接至各個(gè)自動(dòng)調(diào)零電容器，而且在系統(tǒng)的獲取階段期間將輔助電容器與各個(gè)自動(dòng)調(diào)零電容 器去禪接。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路系統(tǒng)，其中第一和第二開關(guān)彼此同相位地打開和關(guān)閉， 并且與第=開關(guān)的打開和關(guān)閉不同相位地打開和關(guān)閉。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路系統(tǒng)，其中系統(tǒng)的輸出終端被禪接至第一跨導(dǎo)放大器 的各個(gè)輸出。
11. 一種電路系統(tǒng)，包括： 差分放大器，其具有經(jīng)由各個(gè)第一開關(guān)而禪接至系統(tǒng)的輸入終端并禪接至共模電壓源 的一對(duì)輸入， 一對(duì)自動(dòng)調(diào)零電容器，每個(gè)自動(dòng)調(diào)零電容器在其第一終端禪接至差分放大器的各個(gè)輸 出并且經(jīng)由各個(gè)第二開關(guān)禪接至共模電壓， 一對(duì)輔助電容器，每個(gè)輔助電容器在其第一終端禪接至差分放大器的各個(gè)輸出并經(jīng)由 各個(gè)第=開關(guān)禪接至各個(gè)自動(dòng)調(diào)零電容器的第二終端。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電路系統(tǒng)，其中輔助電容器經(jīng)過多個(gè)周期的操作而充電至 系統(tǒng)的偏移電壓的表示。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電路系統(tǒng)，其中第一和第二開關(guān)彼此同相位地打開和關(guān) 閉，并且與第=開關(guān)的打開和關(guān)閉不同相位地打開和關(guān)閉。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電路系統(tǒng)，其中輔助電容器的電容超過自動(dòng)調(diào)零電容器的 電容。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電路系統(tǒng)，其中系統(tǒng)的輸出終端被禪接至自動(dòng)調(diào)零電容器 的第二終端。
16. -種電路系統(tǒng)，包括： 差分放大器，其具有第一開關(guān)對(duì)，其中每個(gè)開關(guān)禪接在差分放大器的輸入和各個(gè)輸出 之間， 一對(duì)自動(dòng)調(diào)零電容器，每個(gè)自動(dòng)調(diào)零電容器具有禪接至差分放大器的各個(gè)輸入的第一 終端W及經(jīng)由各個(gè)第二開關(guān)禪接至共模電壓的第二終端， 一對(duì)輔助電容器，每個(gè)輔助電容器具有經(jīng)由第=開關(guān)禪接至差分放大器的各個(gè)輸入的 第一終端W及禪接至各個(gè)自動(dòng)調(diào)零電容器的第二終端的第二終端。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的電路系統(tǒng)，其中輔助電容器經(jīng)過多個(gè)周期的操作而充電至 系統(tǒng)的偏移電壓的表不。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的電路系統(tǒng)，其中第一和第二開關(guān)彼此同相位地打開和關(guān) 閉，并且與第=開關(guān)的打開和關(guān)閉不同相位地打開和關(guān)閉。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的電路系統(tǒng)，其中輔助電容器的電容超過自動(dòng)調(diào)零電容器的 電容。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的電路系統(tǒng)，其中系統(tǒng)的輸出終端被禪接至差分放大器的輸 出終端。
21. -種電路系統(tǒng)，包括： 差分放大器，其具有禪接至系統(tǒng)的各個(gè)輸入終端的一對(duì)輸入， 自動(dòng)調(diào)零電路，其包括： 輔助差分放大器， 一對(duì)自動(dòng)調(diào)零電容器，每個(gè)自動(dòng)調(diào)零電容器具有禪接至輔助差分放大器的各個(gè)輸入的 第一終端W及禪接至公共電壓的第二終端，W及 一對(duì)輔助電容器，每個(gè)輔助電容器具有經(jīng)由開關(guān)禪接至各個(gè)自動(dòng)調(diào)零電容器的第一終 端的第一終端W及禪接至公共電壓的第二終端；W及 一對(duì)減法器，每個(gè)減法器具有與差分放大器的輸出和輔助差分放大器的輸出禪接的輸 入。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的電路系統(tǒng)，其中輔助電容器經(jīng)過多個(gè)周期的操作而充電至 系統(tǒng)的偏移電壓的表不。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的電路系統(tǒng)，其中輔助電容器的電容超過自動(dòng)調(diào)零電容器的 電容。
24. 一種電路系統(tǒng)，包括： 一對(duì)差分放大器，每個(gè)差分放大器具有經(jīng)由各個(gè)輸入開關(guān)禪接至信號(hào)源的輸入并且具 有經(jīng)由各個(gè)輸出開關(guān)禪接至輸出終端的輸出，每個(gè)差分放大器具有一對(duì)自動(dòng)調(diào)零電容器和 一對(duì)輔助電容器，每個(gè)自動(dòng)調(diào)零電容器布置在各個(gè)差分放大器的輸入和輸出之間的信號(hào)路 徑中，每個(gè)輔助電容器經(jīng)由連接開關(guān)與相應(yīng)自動(dòng)調(diào)零電容器并行禪接，其中 第一差分放大器的輸入開關(guān)和第二差分放大器的輸出開關(guān)在操作的第一階段關(guān)閉而 且在操作的第二階段打開，W及 第二差分放大器的輸入開關(guān)和第一差分放大器的輸出開關(guān)在操作的第二階段關(guān)閉而 且在操作的第一階段打開。
25.-種電路系統(tǒng)，包括； 裝置，用于放大電路系統(tǒng)處呈現(xiàn)的差分信號(hào)并產(chǎn)生從中得到的差分輸出信號(hào)， 一對(duì)自動(dòng)調(diào)零電容器，每個(gè)自動(dòng)調(diào)零電容器布置在差分輸入信號(hào)和差分輸出信號(hào)之間 的信號(hào)路徑中，W及 一對(duì)輔助電容器，每個(gè)輔助電容器經(jīng)由連接開關(guān)與相應(yīng)自動(dòng)調(diào)零電容器并行布置。
【專利摘要】一種放大器可包括低噪聲自動(dòng)調(diào)零電路，其具有自動(dòng)調(diào)零電容器以及開關(guān)控制的輔助電容器，它們起到開關(guān)電容器低通濾波器的作用。在自動(dòng)調(diào)零操作的獲取階段，放大器的輸入可縮為公共電壓，而且偏移電壓的表示可由自動(dòng)調(diào)零電容器獲取。在自動(dòng)調(diào)零操作的保持階段，自動(dòng)調(diào)零電容器可連接至輔助電容器，而且得到的電壓可被提供至電路以使得原始偏移電壓被抵消。而且，開關(guān)電容器濾波器可降低有效采樣噪聲同時(shí)保持高獲取帶寬。
【IPC分類】H03F1-02
【公開號(hào)】CN104541449
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201280056316
【發(fā)明人】M·塞烏克
【申請(qǐng)人】美國亞德諾半導(dǎo)體公司
【公開日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2012年11月6日
【公告號(hào)】EP2781017A2, US8493139, US20130127526, WO2013074323A2, WO2013074323A3