CN101529719A

CN101529719A - 轮换自动归零放大器

Info

Publication number: CN101529719A
Application number: CNA2007800398498A
Authority: CN
Inventors: 安德鲁·斯蒂尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2027-10-19
Also published as: EP2078336A2; US20100045378A1; CN101529719B; US7907007B2; WO2008050270A2; WO2008050270A3

Abstract

轮换自动归零放大器系统，包括：第一放大器(A1)，第二放大器(A2)，和开关装置，开关装置用来限定两状态操作，在每个状态中，一个放大器处于输出模式来提供输出，另一个放大器处于调零模式。电容装置(Cof1，Cot1)储存偏移电压，缓冲放大器(B)将处于输出模式的放大器的输出耦接到处于调零模式的放大器的输入。这消除了放大器在操作模式之间切换时所导致的输出端电压波动。

Description

轮换自动归零放大器

技术领域

本发明整体涉及电子放大器，特别涉及轮换自动归零放大器。

背景技术

存在很多种需要低偏移放大器的应用，例如用作电流感测电路的一部分。

此类型放大器的典型目标规格是低的系统偏移电压，如低于1μV。通常采用CMOS技术来形成集成电路放大器，并且其偏移程度低于通过对基于制造电路工艺的CMOS器件进行匹配所达到的偏移程度。

的确，设计精密的CMOS运算放大器最大的一个难点是降低由MOS晶体管的不匹配所导致的误差。有多种方法可以用来将误差降至最低，每种方法都有自己的优势，但是所有方法都有其局限性。现有系统主要分三类：

1斩波放大器

此类系统提供非常低的噪声和系统偏移。但这种放大器要求高频率时钟以提供可用的频率响应。因此斩波放大器可能不适用于包括电流测量应用在内的很多应用。

2连续时间自动归零

此类系统提供低噪声和低系统偏移。此系统通过两个放大器，即主放大器和指零放大器来运行。这些放大器被用作运算放大器，它们串联工作以将偏移归零，但却是二级系统。这意味着它们与单级运算放大器相比具有较小的相位余量，这使得此系统不适用于包括电流测量应用在内的很多应用。

3轮换自动归零

主要优势是信号每次只由一个运算放大器处理。这意味着系统的响应与单级放大器相似。但是这类放大器具有很差的噪声性能。对电流测量功能来说，此系统的单级稳定性是理想的，但其噪声性能是个局限。

在这三类零偏移放大器中，只有轮换自动归零应用适用于电流测量应用。

因此本发明具体涉及轮换自动归零放大器，并致力于改进现有的设计。

发明内容

按照本发明，提供一种轮换自动归零放大器系统，其包括：

第一放大器；

第二放大器；

开关装置，用来限定两状态操作，在每个状态中，一个放大器处于提供输出的输出模式，另一个放大器处于调零模式；

电容器，用来存储偏移电压；

缓冲放大器，用来将处于输出模式的放大器的输出耦接到处于调零模式的放大器的输入。

由于良好的匹配阻抗，放大器将切换噪声最小化且更精确地消除偏移。这对使用模拟CMOS开关的电路特别有利。

缓冲放大器控制调零放大器的工作点，因此当放大器在输出模式和调零模式之间切换时，在放大器输出端的电压波动得以消除。

通过缓冲放大器的应用，本发明能够最小化自动归零轮换放大器的局限，特别是输出切换噪声和系统电压偏移，其中缓冲放大器将输出模式放大器的输出电压反馈到调零模式放大器。

优选的是，第一和第二放大器均有第一和第二差分输入。通过开关装置，第一差分输入可被连接到系统的主差分输入。通过这种方式，第一差分输入可以作为输出模式的放大器的主输入。第二差分输入可被连接至偏移存储电容网络的两端。从而第二差分输入提供校正功能。

当第一和第二放大器之一处于调零模式，系统的主差分输入中的一个优选地被提供给第一差分输入的两个输入端。这意味着处于调零模式的放大器的工作点接近于放大器使用地的工作点。因为偏移随输入电压电平变化，于是改进了系统性能。

当第一和第二放大器之一处于调零模式，第二差分输入的一个输入端可以耦接到该放大器的输出，并且另一个输入端通过缓冲放大器耦接到处于输出模式的放大器的输出，而偏移电压被存储到电容装置中。

电容装置可包括第一对串联电容器和第二对串联电容器，第一对串联电容器与第一放大器相关，第二对串联电容器与第二放大器相关，并且第一对电容器和第二对电容器之间的接头连接在一起。这样在两个主放大器之间提供了共模。

开关装置可包括多个开关，每个开关具有受两状态控制信号之一控制的栅极信号。

本发明的系统尤其适用于实现为CMOS IC。

本发明也提供了轮换自动归零放大器系统的操作方法，包括：

在第一状态，使用第一放大器提供输出、使用缓冲放大器将第一放大器的输出耦接到第二放大器的输入、并且通过将偏移电压存储在电容装置中来将第二放大器调零；以及

在第二状态，使用第二放大器提供输出、使用缓冲放大器将第二放大器的输出耦接到第一放大器的输入、并且通过将偏移电压存储在电容装置中来将第一放大器调零。

附图说明

以下将参照附图具体描述本发明的示例，其中：

图1示出了已知的轮换自动归零放大器；图2示出了本发明的轮换自动归零放大器的一部分；并且

图3示出了本发明的轮换自动归零放大器的一个示例。

具体实施方式

图1示出已知的轮换自动归零放大器。

电路包括两个放大器，A1和A2，每个均可独立地由输出开关接至输出。每个放大器具有用于存储将被施加在放大器的同相端的偏移电压的电容器Cof1和Cof2。两个输入A和B定义了同相(正)和反相(负)主输入。

操作在两个主状态中进行，在每个状态中接通和断开各个CMOS开关。如图所示，存在两个针对CMOS晶体管的栅极的控制信号和

用这种方法，电路在两种模式间切换，其中一个运算放大器连接到输出(称为“输出模式”或“闭环模式”)，另一个运算放大器处于偏移校正模式(称为“调零模式”)。

当处于闭环输出模式时(

控制A1，

控制A2)，一个输入耦接至反向输入，另一个输入耦接至偏移电容的输入侧。

在偏移校正模式期间(

控制A1，

控制A2)，偏移被存储于电容器中，接着在闭环状态，此偏移接入放大器终端，因此抵消了偏移。由于在输出上的切换所存在的噪声，现有的轮换自动归零放大器的性能受到限制。

因为输入误差电压独立于输出电压，输出切换噪声相当严重。因此，每个单个的运算放大器的输出级必须在两个电压间切换，先切换到输入电压以校正偏移，然后切换回输出要求的电压以完成放大器的闭环。由于每个运算放大器的输出端的器件电容，在运算放大器切换到新的状态时存在很小的设定时间周期。

设定时间的长短随着输入输出电压间的差值变大而增大，因为运算放大器需要更长时间来驱动其输出达到正确的电平。

在校正/调零模式下不会影响到运算放大器，因为放大器未接入整个系统。但是，对于接回整个系统的放大器，两个输出(校正和闭环)之间的差别将直接表现为输出端噪声。该噪声比系统偏移严重许多倍并且将导致输出端的误差尖峰。

这些噪声尖峰在每次对运算放大器进行切换时发生。由于放大器的噪声底限现在是由这些尖峰来设置而不是由系统偏移来设置，因此限制了系统性能。

图2示出本发明的系统的操作原理。

图2仅例示了系统的一半。放大器A可以在输出模式和校正模式之间切换，并且在校正模式下，另一个放大器(图2中未示出)执行输出功能。

这种新的零偏移设计的优点可以参照图2中所示的一半系统来说明。所关心的特征是每个运算放大器的调零和返回(switch back)。正如所有的轮换自动归零放大器，系统交替使用当前放大器。一个被使用则另一个在进行校正。

图2所示的主放大器A有两个差分输入：一个是来自主输入A和B的差分输入、一个是来自由两个电容Cof和Cot构成的电容装置的两端。主输入A和B耦接到放大器A的主差分输入，其他两个输入端定义了Trim差分输入。

在图2的系统中，在开关设置到

时开始校正状态。这使得主放大器A的所有主差分输入端连接到一个输入，即输入B。

由于此时放大器有两组差分输入，该放大器的输出将驱动其输入来设置使输出平衡的工作点。此刻，系统偏移已经被调零并存储到电容器中。偏移电压被存储为Cof-Cot。

另一个运算放大器B具有两个作用。首先一个作用是缓冲轮换自动归零放大器另一半中的主放大器的输出。

因此，放大器B作为缓冲器来将电流输出电压提供到正在校正/调零的放大器。

于是，将运算放大器A的同相Trim输入设置为当前的闭环输出电压，该输出电压是从放大器系统的另一半得来的。

这就表示在一个运算放大器被校正时，校正放大器的输出被绑定为接近闭环运算放大器的输出电压。这意味着当前输出与校正运算放大器的输出之间的差值仅是放大器的偏移，通常为几毫伏，该偏移加到校正放大器的输出端以消除偏移。

这说明在从

到

的转换过程中，即从调零(校正)模式到输出模式的转换中，输出已经接近于期望的实际输出电压。因此，与标准轮换自动归零放大器相关联的切换噪声被消除。在标准结构中，输出在转换过程中会震荡很多伏。

然而，此系统仍保持为两状态系统，不需要额外的状态。这使得运算放大器的切换保持最小。

本设计的另一个优点是，如果放大器A和B被设计为具有相似的输出特性，则连接了差分偏移存储电容器的CMOS开关面对相同的阻抗负载。因此，由于偏移被差分存储起来，从而将消除由CMOS开关的电荷注入所引起的任何误差。这改善了系统的系统性偏移，因为现在消除了任何电荷注入误差。

以上阐述了半部分轮换自动归零放大器的操作。全部系统需要另一个相同的电路，该电路反相运行。这意味着当一个电路运行在校正状态时另一个在进行闭环操作。

但是整个系统只需要一个输出跟随放大器(图2中的放大器B)。这是因为每个放大器的公模输入是相同的，并且正是当前的闭环输出电压。

图3例示了整个系统，其中带有共用的输出跟随放大器B。

本发明的系统能够得到诸多优点：

-与其他轮换零偏移放大器相比，此器件具有较低的噪声。

-由于来自CMOS开关的电荷注入得到了较好补偿，系统性偏移将得到改善。

-此系统给出的噪声和偏移与基于连续时间自动归零和斩波放大器的系统所能达到的相似。然而避免了这些设计的局限，比如较小的相位余量和有限带宽。

本发明的一个应用是比例电流测量系统，比如汽车开关。

本发明能够得到低于1μV响应的单级系统的状态响应。总的来说，本发明提供具有低输出噪声和改进的精度的轮换自动归零放大器。本发明特别适用于为控制系统设计的集成电路，这些控制系统需要工作在高精度条件下并能够耐受稳定性问题。

本系统可以应用在很多不同的应用领域。与已有的斩波放大器和连续时间自动归零放大器系统相比，此电路的整体偏移和噪声性能更佳。本发明的电路为采用这些设计的已有系统提供了简单的解决方案。

对该领域的技术人员来说显然可以进行各种其它修改。

Claims

1.轮换自动归零放大器系统，包括：

第一放大器；

第二放大器；

电容装置，用于储存偏移电压；和

缓冲放大器，将处于输出模式的放大器的输出耦接到处于调零模式的放大器的输入。

2.如权利要求1所述的系统，其中，第一放大器和第二放大器均具有第一差分输入和第二差分输入。

3.如权利要求2所述的系统，其中第一差分输入通过开关装置连接到系统的主差分输入。

4.如权利要求2或3所述的系统，其中第二差分输入连接到偏移存储电容网络的两端。

5.如权利要求2至4中任意一项所述的系统，其中，当第一放大器和第二放大器之一处于调零模式时，系统的主差分输入中的单独一个被提供给第一差分输入的两个输入端。

6.如权利要求5所述的系统，其中，当第一放大器和第二放大器之一处于调零模式时，第二差分输入中的一个输入端耦接到该放大器的输出，另一个输入端通过缓冲放大器被耦接到处于输出模式的放大器的输出，并且将偏移电压存储在电容装置中。

7.如前述任一权利要求所述的系统，其中，电容装置包括与第一放大器相关联的第一对串联电容器，和与第二放大器相关联的第二对串联电容器，并且其中第一对电容器和第二对电容器间的接头被连接在一起。

8.如前述任一权利所述的系统，其中开关装置包括多个开关，每个开关具有受两状态控制信号之一控制的栅极信号。

9.如前述任一权利要求所述的系统，其被构成为CMOS IC。

10.一种操作轮换自动归零放大器系统的方法，包括：

在第一状态，使用第一放大器提供输出，使用缓冲放大器将第一放大器的输出耦接到第二放大器的输入，并且通过将偏移电压存储在电容装置中来将第二放大器调零；

在第二状态，使用第二放大器提供输出，使用缓冲放大器将第二放大器的输出耦接到第一放大器的输入，并且通过将偏移电压存储在电容装置中来将第一放大器调零。

11.如权利要求10所述的方法，其中，第一放大器和第二放大器均具有第一差分输入和第二差分输入。

12.如权利要求11所述的方法，其中，通过开关装置将第一差分输入连接到系统的主差分输入。

13.如权利要求11或12所述的方法，其中第二差分输入连接到偏移存储电容网络的两端。

14.如权利要求11至13中任意一项所述的方法，其中，当第一放大器和第二放大器之一处于调零模式时，系统的主差分输入中的单独一个被提供给第一差分输入的两个输入端。

15.如权利要求14所述的方法，其中，当第一放大器和第二放大器之一处于调零模式时，第二差分输入中的一个输入端被耦接到该放大器的输出，另一个输入端通过缓冲放大器被耦接到处于输出模式的放大器的输出，并且偏移电压被存储在电容装置中。

16.如前述任一权利要求所述的方法，其中，控制系统以在两个状态之间切换的步骤包括通过两状态控制信号之一来控制开关装置的开关。