CN100488037C - 输入偏移电压校正装置 - Google Patents

Abstract

一种用于运算放大器的输入偏移电压校正装置。其特征在于包括开关单元、缓存器单元、偏移电压调整单元及微控制单元。本发明由微控制单元设定缓存器单元以控制开关单元，而由开关单元切换不同工作模式。若输入偏移电压校正装置于偏移电压调整模式时，还利用偏移电压调整单元调整运算放大器的输入偏移电压，以输出更精确的信号。再者，本发明可根据工作环境随时调整输入偏移电压，以维持运算放大器最佳的特性。

Description

输入偏移电压校正装置

技术领域

本发明涉及一种校正输入偏移电压的装置，特别涉及一种用于调整运算放大器的输入偏移电压的校正装置。

背景技术

输入偏移电压是为了让静态直流输出电压等于零或是某个默认值，而必须加在输入端的直流电压。如果运算放大器的输入级完美对称，晶体管也完全匹配，则输入偏移电压等于零。但受到制造过程变异的影响，芯片上的几何结构和掺杂绝不可能丝毫不差，因此所有运算放大器都需要在反相和非反相输入端之间加上很小的电压，以便弥补它们之间的不匹配。

所以一般在应用比较器或运算放大器的特性时，输入偏移电压为需考虑的重要参数之一。输入偏移电压的大小将会影响直流放大的工作点，应用时的最大放大倍率，以及信号放大后的误差等。请参阅图1非反向放大电路的电路图。如图所示为利用运算放大器10做一放大器的应用电路，若其中第一电阻R1为1kΩ，第二电阻R2为99kΩ，则非反向放大电路的放大倍率为100倍。而运算放大器10的输出Vo等于输入电压Vin加上输入偏移电压Vio后乘上100(Vo＝(Vin+Vio)×100)。由上述的公式可发现，除了欲放大的输入电压Vin被放大100倍外，输入偏移电压Vio也被放大了100倍。所以在电路设计时需考虑输入偏移电压Vio的大小，尽量将输入偏移电压Vio设计或调整至最低，以免过高的输入偏移电压Vio造成运算放大器10的输出Vo误差过大，或造成运算放大器10饱和的现象。

请再参阅图2电流侦测电路的电路图。如图所示为利用运算放大器10做一比较器的应用电路，其中若该电路所侦测的电流I范围在0A～20A之间，并利用一模拟数字转换器21来将电流信号读入微控制单元31。因侦测电流I最高可到20A，为降低功率消耗，所使用的电流侦测电阻R3为10mΩ/5W。故电流侦测电阻R3上所形成的电压大小为0.2V，电流侦测电阻R3上所形成的电压经过1kΩ的第四电阻R4及24kΩ的第五电阻R5的匹配而放大25倍后，于运算放大器10的输出端输出0～5V的电压。然而，若运算放大器10的输入偏移电压Vio为±30mV时，微控制单元31经模拟数字转换器21所读到的电流值误差将高达±3A(30mV/10mΩ)，其误差率为15％。所以运算放大器10的输入偏移电压Vio的大小，会影响微控制单元31所读取电流值的精确度。

在一般微控制单元半导体制造过程，其中运算放大器的输入偏移电压约在±30mV左右，若要设计一低输入偏移比较器或放大器，一般均需使用测试调整方式(trim)，或是采用切换比较(chopper)的方式设计。然而利用测试调整方式校正输入偏移电压，其校正的结果只有在校正时的环境下才能保证性能，因为输入偏移电压会随工作电压、工作温度及输入电压不同而飘移。所以若采测试调整方式校正输入偏移电压，一旦工作环境不同，其运算放大器的特性就会变差，导致误差变大。而若采用切换比较(chopper)的方式，其电路将需额外的时钟电路及滤波器，所以将造成电路成本较高、工作频宽无法提升以及电路反应速度慢而无法适合高速比较器或放大器的应用等缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明使用微控制单元设定缓存器，为此来控制激活相关开关电路，使运算放大器能把工作点的输入偏移电压校正到最低，并能根据工作环境变化随时校正，以维持最佳特性。

本发明提供一种输入偏移电压校正装置，用于调整一运算放大器的输入偏移电压，其特征在于装置包括一缓存器单元、一微控制单元、一开关单元及一偏移电压调整单元。而缓存器单元用于暂存一工作模式切换信号，且由微控制单元设定该工作模式切换信号。其运算放大器的输出端连接于微控制单元。开关单元设于一信号输入端与运算放大器间，根据工作模式切换信号切换输入偏移电压校正装置的工作模式。上述的工作模式包括一正常工作模式及一偏移电压校正模式，而偏移电压校正模式还包括一正端校正模式及一负端校正模式。其各工作模式由开关单元内各开关间的动作来决定，而开关单元内各开关间的动作根据缓存器单元内的工作模式切换信号来动作。最后偏移电压调整单元于输入偏移电压校正装置工作于偏移电压校正模式时，用于调整运算放大器的输入偏移电压。

而本发明的输入偏移电压校正装置可利用微控制单元随时校正输入偏移电压，可改善采测试调整方式校正输入偏移电压，而于工作环境不同，其运算放大器的特性就会变差，导致误差变大的缺失。并且由偏移电压调整单元的设计(增加调校的位数)，可更精确的调整输入偏移电压至最小的范围，有效提升运算放大器特性的应用。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为非反向放大电路的电路图；

图2为电流侦测电路的电路图；

图3为本发明输入偏移电压校正装置的功能方块图；

图3A为偏移电压调整单元的较佳实施例电路示意图；

图4为本发明输入偏移电压校正装置较佳实施例的功能方块图；

图5为本发明输入偏移电压校正装置较佳实施例的功能方块图；及

图6为本发明输入偏移电压校正装置较佳实施例的功能方块图。

其中，附图标记

I     侦测电流                                Vo     输出

Vin   输入电压                                Vio    输入偏移电压

R1    第一电阻                                 R2    第二电阻

R3    电流侦测电阻                             R4    第四电阻

R5    第五电阻                                 10，30 运算放大器

21    模拟数字转换器                           31    微控制单元

32    缓存器单元                               321   第一缓存器

322   第二缓存器                              33     偏移电压调整单元

34    开关单元                                 341   第一开关

342   第二开关                                343    第三开关

35    信号输入端

具体实施方式

请参阅图3为本发明输入偏移电压校正装置的功能方块图。输入偏移电压校正装置包括一缓存器单元32、一微控制单元31、一开关单元34及一偏移电压调整单元33，用于调校运算放大器30的输入偏移电压。信号输入端35输入的信号经过开关单元34传送至运算放大器30，该信号经处理后便由运算放大器30输出至微控制单元31应用。为解决运算放大器30的输入偏移电压所造成的影响，微控制单元31将于缓存器单元32设定工作模式切换信号，以控制开关单元34将输入偏移电压校正装置于一正常工作模式及一偏移电压校正模式间作切换。当输入偏移电压校正装置于一偏移电压校正模式时，则偏移电压调整单元33便将运算放大器30的输入偏移电压调整至最小的范围。

请参阅图3A，为偏移电压调整单元的较佳实施例电路示意图。如图所示，运算放大器正输入段与负输入端间，由一控制电路331来控制开关S1、S2、S3...至Sn，以调整运算放大器30的输入偏移电压，将输入偏移电压调整至最小的范围。

然而，偏移电压调整单元33的位数越多，其可调整的输入偏移电压最小范围可越小，所以输入偏移电压对运算放大器30应用特性的影响可越小。再者，上述的偏移电压校正模式包括一正端校正模式与一负端校正模式，可供运算放大器30应用时所需来作设计。而一正端校正模式与一负端校正模式间的切换，如正常工作模式及偏移电压校正模式间的切换一样，由微控制单元31设定缓存器单元32的工作模式切换信号，而开关单元34再根据缓存器单元32中的工作模式切换信号执行相对应的开关动作，以将输入偏移电压校正装置激活于微控制单元31所设定的工作模式中。

为了避免校正的结果只有在校正时的环境下才能保证性能，微控制单元31还可设有一计时模块(图未示)，其计时模块用于提供一校正周期，于一定的周期设定缓存器单元32中的工作模式切换信号，以将输入偏移电压校正装置激活于偏移电压校正模式，而执行输入偏移电压的调整。

另外缓存器单元32可为设于微控制单元31中的缓存器，用以暂存微控制单元31设定的工作模式切换信号，进而控制开关单元34。

请参阅图4本发明输入偏移电压校正装置较佳实施例的功能方块图。如图所示信号输入端35包括一正信号输入端及一负信号输入端。开关单元34包括一第一开关341、第二开关342及第三开关343。而缓存器单元32包括第一缓存器321及第二缓存器322。其中第一开关341的一端连接于正信号输入端，第一开关341的另一端连接于运算放大器30的正端。第二开关342的一端连接于负信号输入端，第二开关342的另一端连接于运算放大器30的负端。而第三开关343的一端系连接于第一开关341与运算放大器30的正端，第三开关343的另一端连接于第二开关342与运算放大器30的负端。

在上述图3的说明有提到，缓存器单元32暂存微控制单元31所设定的工作模式切换信号。而工作模式切换信号包括切换正常工作模式与偏移电压校正模式的工作模式切换信号，暂存于第一缓存器321，以及切换正端校正模式与负端校正模式的工作模式切换信号，暂存于第二缓存器322。其第一开关341、第二开关342及第三开关343根据第一缓存器321与第二缓存器342暂存的工作模式切换信号来作开关动作，以将输入偏移电压校正装置激活于正常工作模式或偏移电压校正模式，甚至为偏移电压校正模式中的正端校正模式或负端校正模式。而当偏移电压校正装置激活于偏移电压校正模式时，偏移电压调整单元33便用于调整运算放大器30的输入偏移电压，以维持运算放大器30较佳特性的应用。

然而，若开关单元34中的各开关根据工作模式切换信号使第一开关341及第二开关342为闭合状态(on)，第三开关343为断开的状态(off)，则输入偏移电压校正装置的工作模式为一正常工作模式。若开关单元34中的各开关根据工作模式切换信号使第一开关341及第三开关为343闭合状态(on)，第二开关342为断开的状态(off)，则输入偏移电压校正装置的工作模式为一正端校正模式。若开关单元34中的各开关根据工作模式切换信号使第二开关342及第三开关343为闭合状态(on)，第一开关341为断开的状态(off)，则输入偏移电压校正装置的工作模式为一负端校正模式。使用者可视应用电路所需，由微控制单元31设定各模式间的转换，以将输入偏移电压作适当的调整。

请参阅图5本发明输入偏移电压校正装置较佳实施例的功能方块图。图5的实施例为可用于运算放大器30的输入偏移电压，其校正模式为负端校正的应用。其相关的动作原理与图4的实施例相同，所以不再赘述，而本实施例针对利用开关单元34来切换工作模式的方法作进一步说明。

图5的实施例中开关单元34包括第一开关341及一第三开关343。而第一开关341的一端连接于正信号输入端，第一开关341的另一端连接于运算放大器30的正端。而第三开关343的一端连接于第一开关341与运算放大器30的正端，第三开关343的另一端连接于负信号输入端与运算放大器30的负端。负信号输入端直接连接于运算放大器30的负端。

而微控制单元31于缓存器单元32设定工作模式切换信号后，若根据缓存器单元32所暂存的工作模式切换信号，使第一开关341为闭合状态(on)，第三开关343为断开的状态(off)，则输入偏移电压校正装置的工作模式为一正常工作模式。若根据工作模式切换信号使第一开关341为断开状态(off)，第三开关343为闭合的状态(on)，则输入偏移电压校正装置的工作模式为一负端校正模式。

所以利用微控制单元31设定缓存单元32的暂存信号，以控制开关单元34的动作，即可将输入偏移电压校正装置于正常工作模式与负端校正模式间作切换。

请参阅图6本发明输入偏移电压校正装置较佳实施例的功能方块图。图6的实施例为可用于运算放大器30的输入偏移电压，其校正模式为正端校正的应用。其相关的动作原理与图4的实施例相同，所以不再赘述，而本实施例针对利用开关单元34来切换工作模式的方法作进一步说明。

图6的实施例中开关单元34包括第二开关342及一第三开关343。而第二开关342的一端连接于负信号输入端，第二开关342的另一端连接于运算放大器30的负端。而第三开关343的一端连接于正信号输入端与运算放大器30的正端，第三开关343的另一端连接于负信号输入端与运算放大器30的负端。正信号输入端直接连接于运算放大器30的负端。

而微控制单元31于缓存器单元32设定工作模式切换信号后，若根据缓存器单元32所暂存的工作模式切换信号，使第二开关342为闭合状态(on)，第三开关343为断开的状态(off)，则输入偏移电压校正装置的工作模式为一正常工作模式。若根据工作模式切换信号使第二开关342为断开状态(off)，第三开关343为闭合的状态(on)，则输入偏移电压校正装置的工作模式为一正端校正模式。

所以利用微控制单元31设定缓存单元32的暂存信号，以控制开关单元34的动作，即可将输入偏移电压校正装置于正常工作模式与正端校正模式间作切换。

综上所述，利用本发明的输入偏移电压校正装置可有效校正运算放大器30的输入偏移电压，所以当运算放大器30应用于放大器或比较器的电路时，可大大降低输入偏移电压对应用电路所带来的影响。

当然，本发是明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (19)

1、一种输入偏移电压校正装置，用于校正一运算放大器的输入偏移电压，其特征在于，该装置包括：

一缓存器单元，用于暂存一工作模式切换信号；

一微控制单元，连接于该运算放大器的输出端，用于设定该工作模式切换信号；

一开关单元，设于一信号输入端与该运算放大器间，根据该工作模式切换信号切换该输入偏移电压校正装置的工作模式；及

一偏移电压调整单元，根据该工作模式切换信号来调整该运算放大器的输入偏移电压。

2、根据权利要求1所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，该输入偏移电压校正装置的工作模式包括一正常工作模式及一偏移电压校正模式。

3、根据权利要求2所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，该偏移电压校正模式包括一正端校正模式及一负端校正模式。

4、根据权利要求3所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，该缓存器单元还包括一第一缓存器，用于暂存切换该正常工作模式与该偏移电压校正模式的该工作模式切换信号。

5、根据权利要求4所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，该缓存器单元还包括一第二缓存器，用于暂存切换该正端校正模式与该负端校正模式的该工作模式切换信号。

6、根据权利要求1所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，该开关单元还包括：

一第一开关，连接于该信号输入端的正信号输入端与该运算放大器的正端间；

一第二开关，连接于该信号输入端的负信号输入端与该运算放大器的负端间；及

一第三开关，该第三开关的一端连接于该第一开关与该运算放大器的正端，该第三开关的另一端连接于该第二开关与该运算放大器的负端。

7、根据权利要求6所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，该开关单元根据该工作模式切换信号使该第一开关及该第二开关为闭合状态on，该第三开关为断开的状态off，则该输入偏移电压校正装置的工作模式为一正常工作模式。

8、根据权利要求6所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，该开关单元根据该工作模式切换信号使该第一开关及该第三开关为闭合状态on，该第二开关为断开的状态off，则该输入偏移电压校正装置的工作模式为一正端校正模式。

9、根据权利要求6所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，该开关单元根据该工作模式切换信号使该第二开关及该第三开关为闭合状态on，该第一开关为断开的状态off，则该输入偏移电压校正装置的工作模式为一负端校正模式。

10、根据权利要求1所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，该偏移电压调整单元为一数字元的偏移电压调整单元，并将该运算放大器的输入偏移电压调整至一最低输入偏移电压。

11、根据权利要求1所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，该开关单元还包括：

一第一开关，连接于该信号输入端的正信号输入端与该运算放大器的正端间；及

一第三开关，该第三开关的一端连接于该第一开关及该运算放大器的正端，该第三开关的另一端连接于该信号输入端的负信号输入端及该运算放大器的负端。

12、根据权利要求11所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，根据该工作模式切换信号使该第一开关为闭合状态on，该第三开关为断开的状态off，则该输入偏移电压校正装置的工作模式为一正常工作模式。

13、根据权利要求11所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，根据该工作模式切换信号使该第一开关为断开状态off，该第三开关为闭合的状态on，则该输入偏移电压校正装置的工作模式为一负端校正模式。

14、根据权利要求1所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，该开关单元还包括：

一第二开关，连接于该信号输入端的负信号输入端与该运算放大器的负端间；及

一第三开关，该第三开关的一端连接于该第二开关及该运算放大器的负端，该第三开关的另一端连接于该信号输入端的正信号输入端及该运算放大器的正端。

15、根据权利要求14所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，根据该工作模式切换信号使该第二开关为闭合状态，该第三开关为断开的状态，则该输入偏移电压校正装置的工作模式为一正常工作模式。

16、根据权利要求14所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，根据该工作模式切换信号使该第二开关为断开状态，该第三开关为闭合的状态，则该输入偏移电压校正装置的工作模式为一正端校正模式。

17、根据权利要求1所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，该缓存器单元设于该微控制单元内。

18、根据权利要求1所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，该输入偏移电压校正装置应用于一比较器的电路。

19、根据权利要求1所述的输入偏移电压校正装置，其特征在于，该输入偏移电压校正装置应用于一放大器的电路。

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