CN102594273B

CN102594273B - 直流偏移跟踪电路及相关方法

Info

Publication number: CN102594273B
Application number: CN201210012702.2A
Authority: CN
Inventors: A·M·约尔丹; H·加萨
Original assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: KR20120082848A; US20120182068A1; CN202696550U; KR101893856B1; US8829991B2; CN102594273A

Abstract

本发明涉及直流偏移跟踪电路及相关方法。本文，除其他以外，探讨一种包括第一和第二放大器的放大器电路，该第一和第二放大器配置成接收输入信号并且使用包括跨导放大器的反馈回路提供差分输出信号。第一放大器的非反相输入端可配置成接收输入信号。反馈回路可配置成从第一和第二放大器中接收输出并且向第二放大器的非反相输入端提供反馈信号，举例来说，以降低直流偏移误差或者增大放大器电路的动态范围。

Description

直流偏移跟踪电路及相关方法

技术领域

本发明总体上涉及放大器，更具体地说，涉及在单端到差分输出放大器内进行直流偏移跟踪。

背景技术

传感器电路通常从换能器中接收电信号。然后，传感器电路将所接收的信号放大到处理所需电平。在一些传感器电路中，信号被偏置并且放大以提供差分输出。电源上的噪音，例如用于偏置信号的共模电源上的噪音，可干扰所接收的传感器信号的接收和放大。在一些传感器电路中，使用滤波器来传递具有感兴趣的特定频率的信号。在集成电路芯片上结合或接近电源或其他电路提供的传统滤波器，会因电源或其他电路造成的失真，而限制滤波器的信号处理质量，并限制滤波器提供低频极点的能力。

发明内容

在某些示例中，放大器电路可包括第一和第二放大器，该第一和第二放大器配置成接收输入信号并使用包括跨导放大器的反馈回路提供差分输出信号。第一放大器的非反相输入端可配置成接收输入信号。反馈回路可配置成从第一和第二放大器中接收输出并且向第二放大器的非反相输入提供反馈信号，举例来说，以降低直流偏移误差或增大放大器电路的动态范围。在某些示例中，反馈回路可包括耦合在第一和第二放大器的输出端与第二放大器的非反相输入端之间的跨导放大器，和耦合在第二放大器的非反相输入端与地之间的电容器。

在某些示例中，一种放大方法，包括：在单端到差分放大器电路的第一放大器的非反相输入端处接收单端输入信号；在反馈回路处接收该单端到差分放大器电路的第二放大器的输出以及该第一放大器的输出，该反馈回路包括跨导放大器；使用该跨导放大器向该第二放大器的非反相输入端提供反馈信号；以及在所述第一和第二放大器的输出端处提供差分输出信号。

此概述的目的在于提供本专利申请的主题的概览，而非提供对本发明的排他性或穷尽性阐释。包括有详细说明以提供与本专利申请有关的更多信息。

附图说明

附图不一定按比例绘制，且不同附图中的类似部件可用相同的数字指代。具有不同字母后缀的相同数字可表示类似部件的不同示例。总的来说，附图是通过举例(而非限制)的方式来说明本文中所探讨之诸实施例。

图1和图2总体上显示了单端到差分放大器电路的示例，该单端到差分放大器电路包括第一和第二放大器(AMP₁、AMP₂)以及配置成以共模电压(V_CM)偏置第一和第二放大器的直流电平的输入偏置网络(Z_IN1、Z_IN2)；

图3总体上显示了单端到差分放大器电路的示例，该单端到差分放大器电路包括第一和第二放大器(AMP₁、AMP₂)、输入偏置网络(Z_IN)、跨导(G_M)放大器以及电容器(C_LPF)。

具体实施方式

发明人已经认识到，除其他以外，一种用于消除放大器(例如用于信号路径数字麦克风内的放大器)或者一种或更多种其他放大器应用中的直流偏移误差的系统和方法。在一个示例中，放大器的输入端处的直流值可用于将电路偏置为仅放大通频带内的信号。因此，信号的直流值不放大，使得在低电源应用中工作的电路具有较大的动态范围。

某些电路要求输入阻抗具有很高的值(例如，在1-100GΩ的范围内)。产生该阻抗值的电路会对负载敏感，这可造成工作电压的偏移。在一个示例中，可检测到工作电压的偏移，并且可校正该偏移，以使该电路在工作时对外部负载(例如，泄露)具有良好的耐受性。

图1总体上显示了单端到差分放大器电路100的示例，该单端到差分放大器电路100包括第一和第二放大器(AMP₁、AMP₂)105、110，输入偏置网络(例如，第一和第二输入偏置网络(Z_IN1、Z_IN2)115、120)，以及第一、第二和第三电阻器(R1、R2、R3)135、140、145。电路100可配置成从单端源(INPUT)130中接收输入、从共模电源(V_CM)125中接收共模电压，以及提供正、负输出节点(OUT_P、OUT_N)之间的差分输出。在一个示例中，该单端源130可包括相关联的输入电容(C_IN)131。在一个示例中，该输入偏置网络可配置成以共模电压(V_CM)125偏置第一和第二放大器105、110的直流电平。

在一个示例中，该输入偏置网络可概念化为很高值的电阻器。电路100的传递函数可表示为：

V_{OUTp} - V_{OUTn} = (V_{NODEin} - V_{NODE 1}) * ((1 + \frac{R_{1}}{R_{3}}) + \frac{R_{2}}{R_{3}})

(等式1)

其中，V_VODEl＝V_CM(等式2)

在一个示例中，在电路100的制造过程中，输入节点(NODE_IN)有可能接收到会引起输入偏置网络供应电流的寄生电阻。

在一个示例中，该输入偏置网络可包括输入偏置网络或高阻抗网络，例如由Thomson等人共同转让的美国专利申请系列第12/874,832号中所描述的网络，该美国专利申请的全文以引用的方式并入本文中，包括对具有单端到差分放大器的一个或更多个高阻抗网络的使用所作描述。

图2总体上显示了单端到差分放大器电路200的示例，正如图1中所示，但此外还包括来自输入节点(NODE_IN)的寄生电阻(R_LEAK)150。

例如，如果V_CM125的值为0.75V，并且寄生电阻150的值为50GΩ，那么输入偏置网络必须供应12.5pA。如果输入偏置网络合成10GΩ，则NODE_IN的直流电平须偏移125mV。在这种情况下，第一节点(NODE₁)可处于直流偏置V_CM，NODE_IN可处于V_CM-125mV。假设差分增益为5，那么第一和第二放大器105、110的输出(V_OUTp、V_OUTn)(例如，输出节点OUT_P,、OUT_N处的电压)可表示为：

V_{OUTp} = V_{CM} - 0.125 * (1 + \frac{R_{1}}{{R_{3}}}) = V_{CM} - 0.3125

(等式3)

V_{OUTn} = V_{CM} + 0.125 * \frac{R_{2}}{R_{3}} = V_{CM} + 0.3125

(等式4)

其中，

(1 + \frac{R_{1}}{R_{3}}) = \frac{R_{2}}{R_{3}} = 2.5

(等式5)

V_OUTp-V_OUTn＝-0.625(等式6)

在此，即使没有输入信号，寄生电阻150的影响也可造成电路200产生负输出-0.625V。如果电路200在±1.2V的动态范围内工作，那么会由于该偏置而造成损失该范围的52％，在某些示例中甚至更多。此外，发明人已经认识到，除其他以外，上述用于消除寄生电阻150的影响的系统和方法。

图3总体上显示了单端到差分放大器电路300的示例，该单端到差分放大器电路300包括第一和第二放大器(AMP₁、AMP₂)105、110，输入偏置网络(Z_IN)121，第一、第二和第三电阻器(R1、R2、R3)135、140、145，跨导(G_M)放大器155以及电容器(C_LPF)160。

在图3的示例中，与图1到图2中所示示例形成对比的是，第一和第二放大器105、110的输出可馈入跨导放大器155以及电容器160中，总称为“G_MC块”或者反馈回路，形成下列传递函数：

V_{OUTn} (s) = (V_{+} - V_{-}) * \frac{G_{M}}{s C_{LPF}}

(等式7)

其中，

ω_{TI} = \frac{G_{M}}{C_{LPF}}

(等式8)

穿越频率ω_TI为增益低过零的点。通过正确地选择这些值，G_MC块可对第一和第二放大器105、110的输出进行低通过滤，并且提供从第一和第二放大器的输出端到第二放大器110的非反相输入端的反馈回路。在一个示例中，包括G_MC块的回路可驱动NODE₁，直至跨导放大器155的输入在滤波器的低通响应内的差值为零。若未施加信号，但是存在寄生电阻150，那么仅仅当NODE₁＝＝NODE_IN时，才满足该回路。在某些示例中，施加信号时，G_MC块可忽略滤波器转折频率，并且仅仅从直流的角度伺服该回路。

在此，如同在图2中所述示例一样，NODE_IN为V_CM-125mV。G_MC块的回路可将NODE₁驱动到V_CM-100mV。虽然输入动态范围已损失125mV，但是因为不再有动态偏移，故而已经获得了放大器输出端处的范围。在图3所述的示例中，输入动态范围已经从±0.75V下降到±0.625V，或者说下降了16％，其中前述的示例(包括图2中所述的示例)，动态范围降低了50％以上。而且，在图3的示例中，无论寄生电阻150的值为多少，电路300都稳定。

补充注释

在示例1中，一种配置成接收输入信号并且提供差分输出信号的放大器电路，包括：第一和第二放大器，所述各放大器都包括反相输入端、非反相输入端以及输出端；反馈回路，耦合在所述第一和第二放大器的输出端与该第二放大器的非反相输入端之间，该反馈回路包括跨导放大器，其中该第一放大器的非反相输入端配置成接收所述输入信号，并且其中所述第一和第二放大器的输出端配置为提供所述差分输出信号，其中该反馈回路配置成从所述第一和第二放大器中接收所述输出并且向该第二放大器的非反相输入端提供反馈信号。

在示例2中，示例1的反馈回路可选地配置成向该第二放大器的非反相输入端提供该反馈信号以降低直流偏移误差并增大该放大器电路的动态范围。

在示例3中，示例1到2中任一个或更多个示例的放大器电路可选地包括单端到差分放大器电路，其中示例1到2中任一个或更多个示例的输入信号可选地包括单端输入信号。

在示例4中，示例1到3中任一个或更多个示例可选地包括耦合到所述第一放大器的非反相输入端的单端源。

在示例5中，示例1到4中任一个或更多个示例可选地包括输入偏置网络，其中示例1到4中任一个或更多个示例的第一放大器的非反相输入端可选地配置成经该输入偏置网络接收共模电压。

在示例6中，示例1到5中任一个或更多个示例可选地包括经所述输入偏置网络耦合到所述第一放大器的共模电源。

在示例7中，示例1到6中任一个或更多个示例的第一放大器的反相输入端可选地经第一阻抗耦合到所述第一放大器的输出端，示例1到6中任一个或更多个示例的第二放大器的反相输入端可选地经第二阻抗耦合到所述第二放大器的输出端，示例1到6中任一个或更多个示例的第一放大器的反相输入端可选地经第三阻抗耦合到所述第二放大器的反相输入端。

在示例8中，示例1到7中任一个或更多个示例的跨导放大器可选地包括反相输入端、非反相输入端以及输出端，其中示例1到7中任一个或更多个示例的跨导放大器的输出端可选地耦合到第二放大器的非反相输入端。

在示例9中，示例1到8中任一个或更多个示例的反馈回路可选地包括耦合到所述第二放大器的非反相输入端并且耦合到所述跨导放大器的输出端的电容器。

在示例10中，示例1到9中任一个或更多个示例的反馈回路可选地包括耦合在第二放大器的非反相输入与地之间的电容器。

在示例11中，示例1到10中任一个或更多个示例可选地包括集成电路，该集成电路包括所述第一和第二放大器以及所述反馈回路。

在示例12中，示例1到11中任一个或更多个示例的跨导放大器的非反相输入端可选地配置成接收所述第一放大器的输出，其中，示例1到11中任一个或更多个示例的跨导放大器的反相输入端可选地配置成接收所述第二放大器的输出。

在示例13中，示例1到12中任一个或更多个示例可选地包括集成电路，该集成电路包括所述第一和第二放大器以及所述跨导放大器。

在示例14中，一种放大方法，包括：在放大器电路的第一放大器的非反相输入端接收输入信号；在反馈回路处接收该放大器电路的第二放大器的输出以及该第一放大器的输出，该反馈回路包括跨导放大器；使用跨导放大器向该第二放大器的非反相输入端提供反馈信号；以及，在所述第一和第二放大器的输出端处提供差分输出信号。

在示例15中，示例1到14中任一个或更多个示例所述的提供反馈信号可选地包括降低直流偏移误差以及增大所述放大器电路的动态范围。

在示例16中，示例1到15中任一个或更多个示例的放大器电路可选地包括单端到差分放大器电路，其中，示例1到15中任一个或更多个示例的输入信号可选地包括单端输入信号。

在示例17中，示例1到16中任一个或更多个示例可选地包括：通过经偏置网络在所述第一放大器的非反相输入端处接收共模电压。

在示例18中，示例1到17中任一个或更多个示例可选地包括：使用第一阻抗将所述第一放大器的反相输入耦合到所述第一放大器的输出端，使用第二阻抗将所述第二放大器的反相输入端耦合到所述第二放大器的输出端，以及使用第三阻抗将所述第一放大器的反相端输入耦合到所述第二放大器的反相输入端。

在示例19中，示例1到18中任一个或更多个示例可选地包括：在所述跨导放大器的第一和第二输入端处接收所述第一和第二放大器的输出，以及将所述跨导放大器的输出提供给所述第二放大器的非反相输入端。

在示例20中，示例1到19中任一个或更多个示例可选地包括在所述第二放大器的非反相输入端与地之间耦合电容器，其中示例1到19中任一个或更多个示例的所述反馈回路可选地包括电容器。

在示例21中，一种配置成接收单端输入信号并且提供差分输出信号的单端到差分放大器电路，包括：第一和第二放大器，所述各放大器都包括反相输入端、非反相输入端以及输出端；反馈回路，耦合在所述第一和第二放大器的输出端与所述第二放大器的非反相输入端之间；以及输入偏置网络。所述反馈回路包括跨导放大器以及电容器。所述第一放大器的非反相输入端配置成接收所述输入信号并且经所述输入偏置网络接收共模电压。所述第一和第二放大器的输出端配置为提供所述差分输出信号。所述第一放大器的反相输入端经第一阻抗耦合到所述第一放大器的输出端，所述第二放大器的反相输入端经第二阻抗耦合到所述第二放大器的输出端，且所述第一放大器的反相输入端经第三阻抗耦合到所述第二放大器的反相输入端。所述反馈回路配置成从所述第一和第二放大器中接收所述输出并且向所述第二放大器的非反相输入端提供反馈信号，以降低直流偏移误差并且增大该单端到差分放大器电路的动态范围。所述跨导放大器的非反相输入端配置成接收所述第一放大器的输出，所述跨导放大器的反相输入端配置成接收所述第二放大器的输出，且所述跨导放大器的输出端耦合到所述第二放大器的非反相输入端。

在示例22中，系统或设备可包括示例1到20中任一个或更多个示例的任何部分或者任何部分的组合，或者可选地与任何部分或者任何部分的组合相结合，以包括用于实施示例1到20中的任一个或更多个功能的装置或者机器可读介质，用机器实施时，该机器可读介质包含促使该机器实施示例1到20中的任一个或更多个功能的指令。

上述详细说明书参照了附图，附图也是所述详细说明书的一部分。附图以图解的方式显示了可应用本发明的具体实施例。这些实施例在本发明中被称作“示例”。本发明所涉及的所有出版物、专利及专利文件全部作为本发明的参考内容，尽管它们是分别加以参考的。如果本发明与参考文件之间存在用途差异，则将参考文件的用途视作本发明的用途的补充，若两者之间存在不可调和的差异，则以本发明的用途为准。

在本发明中，与专利文件通常使用的一样，术语“一”或“某一”表示包括一个或多个，但其他情况或在使用“至少一个”或“一个或多个”时应除外。在本发明中，除非另外指明，否则使用术语“或”指无排他性的或者，使得“A或B”包括：“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”。在所附权利要求中，术语“包含”和“在其中”等同于各个术语“包括”和“其中”的通俗英语。同样，在下面的权利要求中，术语“包含”和“包括”是开放性的，即，系统、装置、物品或步骤包括除了权利要求中这种术语之后所列出的那些元件以外的部件的，依然视为落在该条权利要求的范围之内。而且，在下面的权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标签，并非对对象有数量要求。本发明所述的方法示例可至少部分地由机器或电脑执行。

上述说明的作用在于解说而非限制。例如上述示例(或示例的一个或多个方面)可结合使用。可以在理解上述说明书的基础上，利用现有技术的某种常规技术来执行其他实施例。遵照37C.F.R.§1.72(b)的规定提供摘要，允许读者快速确定本技术公开的性质。提交本摘要时要理解的是该摘要不用于解释或限制权利要求的范围或意义。同样，在上面的具体实施方式中，各种特征可归类成将本公开合理化。这不应理解成未要求的公开特征对任何权利要求必不可少。相反，本发明的主题可在于的特征少于特定公开的实施例的所有特征。因此，下面的权利要求据此并入具体实施方式中，每个权利要求均作为一个单独的实施例。应参看所附的权利要求，以及这些权利要求所享有的等同物的所有范围，来确定本发明的范围。

Claims

1.一种单端到差分放大器电路，配置成接收单端输入信号并且提供差分输出信号，所述放大器电路包括：

第一和第二放大器，所述各放大器都包括反相输入端、非反相输入端以及输出端；

反馈回路，耦合在所述第一和第二放大器的输出端与该第二放大器的非反相输入端之间，该反馈回路包括跨导放大器；

其中该第一放大器的非反相输入端配置成接收所述输入信号，并且其中所述第一和第二放大器的输出端配置为提供所述差分输出信号；且

其中该反馈回路配置成从所述第一和第二放大器中接收所述输出并且向该第二放大器的非反相输入端提供反馈信号。

2.根据权利要求1所述的单端到差分放大器电路，其中所述反馈回路配置成向该第二放大器的非反相输入端提供该反馈信号以降低直流偏移误差并增大该放大器电路的动态范围。

3.根据权利要求1所述的单端到差分放大器电路，包括：

输入偏置网络；且

其中所述第一放大器的非反相输入端配置成经该输入偏置网络接收共模电压。

4.根据权利要求1所述的单端到差分放大器电路，其中所述第一放大器的反相输入端经第一阻抗耦合到所述第一放大器的输出端；

其中所述第二放大器的反相输入端经第二阻抗耦合到所述第二放大器的输出端；以及

其中所述第一放大器的反相输入端经第三阻抗耦合到所述第二放大器的反相输入端。

5.根据权利要求1所述的单端到差分放大器电路，其中所述跨导放大器包括反相输入端、非反相输入端以及输出端；以及

其中所述跨导放大器的输出端耦合到所述第二放大器的非反相输入端。

6.根据权利要求5所述的单端到差分放大器电路，其中所述反馈回路包括耦合在所述第二放大器的非反相输入端与地之间的电容器。

7.根据权利要求1所述的单端到差分放大器电路，包括集成电路，该集成电路包括所述第一和第二放大器以及所述跨导放大器。

8.一种放大方法，包括：

在单端到差分放大器电路的第一放大器的非反相输入端处接收单端输入信号；

在反馈回路处接收该单端到差分放大器电路的第二放大器的输出以及该第一放大器的输出，该反馈回路包括跨导放大器；

使用该跨导放大器向该第二放大器的非反相输入端提供反馈信号；以及

在所述第一和第二放大器的输出端处提供差分输出信号。

9.根据权利要求8所述的放大方法，其中所述提供反馈信号包括：降低直流偏移误差以及增大该单端到差分放大器电路的动态范围。

10.根据权利要求8所述的放大方法，包括经输入偏置网络在所述第一放大器的非反相输入端处接收共模电压。

11.根据权利要求8所述的放大方法，包括：

使用第一阻抗将所述第一放大器的反相输入端耦合到所述第一放大器的输出端；

使用第二阻抗将所述第二放大器的反相输入端耦合到所述第二放大器的输出端；以及

使用第三阻抗将所述第一放大器的反相输入端耦合到所述第二放大器的反相输入端。

12.根据权利要求8所述的放大方法，包括：

在所述跨导放大器的非反相输入端处接收所述第一放大器的输出，在所述跨导放大器的反相输入端处接收所述第二放大器的输出；

将所述跨导放大器的输出提供给所述第二放大器的非反相输入端；以及

在所述第二放大器的非反相输入端与地之间耦合电容器，其中所述反馈回路包括该电容器。