CN102656798A - 仪器放大器校准方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种仪器放大器INA的增益及/或偏移的校准，所述校准是通过将适当数量的电流源及/或电流汇分别耦合到所述INA的第一及/或第二跨导级来完成。可在用户请求及/或发生事件时发生所述INA的增益及/或偏移校准。在确定所述电流源及电流汇中的哪些耦合到所述INA的所述第一及/或第二跨导级以用于所述INA的增益及/或偏移校准时与连续逼近寄存器模/数转换器组合地使用电压参考。在完成所述INA的所述增益及/或偏移校准之后，可将因此使用的所述恒定电流源及电流汇的选择存储于易失性或非易失性存储器中。可并入所述存储器的奇偶校验，且如果检测到奇偶错误，那么可起始所述INA的自动校准。
Description
相关专利申请案
本申请案主张2010年1月26日由詹姆斯·B·诺兰(James B.Nolan)及库门·布莱克(Kumen Blake)申请的第61/298,371号名为“仪器放大器校准方法、系统及设备(Instrumentation Amplifier Calibration Method，System and Apparatus)”的共同拥有美国临时专利申请案的优先权及2009年9月15日由詹姆斯·B·诺兰(James B.Nolan)及库门·布莱克(Kumen Blake)申请的第12/559,579号名为“混合信号集成电路装置中的模拟电路的自行自动校准(Self Auto-Calibration of Analog Circuits in a Mixed Signal IntegratedCircuit Device)”的美国专利申请案的优先权；其中为了所有目的，所述两个申请案以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及集成电路仪器放大器，且更特定而言，涉及集成电路仪器放大器的校准。
背景技术
集成电路正变得越来越复杂，但其价格却在下降。集成电路裸片上制造或多芯片封装(MCP)中封装的模拟及数字功能两者的组合正变得更普遍且进一步增加有用性及降低消费者及工业产品的成本。集成电路裸片上或MCP中的微控制器与模拟及数字电路功能的组合也已经扩展应用的有用范围。消费者及商业产品(例如，举例来说(但不限于)电器、电信装置、汽车、安全系统、全家即热式热水器、恒温器及类似物)是受控于集成电路微控制器。用于接收传感器信息的模拟输入及用于控制功能的模拟输出是这些微控制器的应用所必需的。迄今为止，使用分离及离散的模/数接口及数/模接口来将数字微控制器连接到外部的模拟世界。
连同分离的运算放大器(op-amp)一起使用模拟输入装置(例如模/数转换器(ADC))以将时变模拟信号转换为其数字表示以用于耦合到数字输入及由微控制器使用所述数字表示。当某一模拟值在比较器的输入上出现时，还由改变数字输出状态的离散集成电路电压比较器来检测电压电平及电流电平。
运算放大器(及比较器)通常为差动输入(反相输入及同相输入)模拟装置，且运算放大器的电路具有固有直流(DC)输入偏移电压，所述固有直流(DC)输入偏移电压造成在差动输入之间零输入电压(举例来说，输入连接在一起)的情况下运算放大器的输出非零。许多应用要求具有非常小的输入偏移电压的运算放大器。为了达到小的输入偏移电压，在生产运算放大器中通常需要校准步骤。此校准步骤在制造/测试运算放大器期间需花费时间，且因此执行时一般较昂贵。通常在一个操作点(举例来说，温度、共模电压等)下执行校准，使得在运算放大器的制造/测试中不补偿操作环境(举例来说，温度、电压等等)的变化。现在技术已发展到可在其上还制造数字微控制器及数字微控制器的支持逻辑及存储器的同一集成电路裸片上制造模拟输入及输出装置的程度。这造成用于测试数字微控制器功能的设备不能有效地执行模拟功能的在线校准的额外问题。因此，在制造时需要额外测试设备及测试步骤。同样，测试模式逻辑及介接/多路复用电路变得更复杂，在集成电路封装的引脚数(外部连接)在数量上较少时尤为如此。
仪器放大器具有包含偏移误差、增益误差及限制其性能的电路寄生效应的误差来源。仪器放大器的校准期望减少这些误差而使仪器放大器适于更广范围的应用。
发明内容
因此，存在能够自动减少模拟输入装置(举例来说，仪器放大器)的偏移及增益误差的需要。还期望可在最终用户系统应用中校准模拟输入装置以满足所期望的规格及可在正常操作及其任何变化期间遇到的所有操作条件(例如温度、电压、电流、速度、功率、压力、湿度等)下的操作参数，且可大量生产所述模拟输入装置以减少整体产品成本。可在具有模拟及数字功能两者的集成电路(举例来说，混合信号装置)上制造模拟输入装置。模拟输入装置可包含(但不限于)差动或单端输入运算放大器、比较器、可编程增益放大器(PGA)、仪器放大器(INA)、低噪声放大器等等。在哈图诺·迪玛瓦斯基塔(HartonoDarmawaskita)、雷顿·伊格(Layton Eagar)及米格尔·莫雷诺(Miguel Moreno)的第6,459,335号名为“集成电路模拟输入装置中用于使输入偏移电压最小化的自动校准电路(Auto-Calibration Circuit to Minimize Input Offset Voltage in an Integrated Circuit AnalogInput Device)”的共同拥有美国专利中描述具有偏移电压校准的混合信号装置的实例，且为了所有目的以引用的方式并入本文中。
根据本发明的教示内容，当由用户请求及/或发生事件时，用于模拟电路的增益及偏移两者的自动校准的设备及方法可满足此需要。用户可通过对混合信号集成电路的自动校准(ACAL)输入而依需要来调用增益及/或偏移的自动校准。参考电压(VCAL)校准输入可用于自动校准混合信号集成电路到用户供应的共模电压参考。还可在发生以下事件中的任何一个或一个以上之后旋即起始混合信号集成电路装置的增益及/或偏移的自动校准，例如(但不限于)：1)自动校准数据损坏的检测，举例来说，以数字形式存储于混合信号集成电路中的自动校准数据值的奇偶校验；2)在可编程的超时周期之后引起校准请求的内部定时器；3)由温度传感器确定的内部集成电路裸片温度的变化；及4)电源及/或来自内部调节器(举例来说，偏压网络)的内部供应电压的变化。
此外，用户可用模拟电路的增益及/或偏移的校准进行补偿以补偿终端系统中的变动(包含操作点，举例来说电源、共模等等)；环境变化(举例来说，温度、湿度等等)；且还补偿随着时间推移的组件漂移(举例来说，老化效应等等)。
在增益调整校准期间，参考电压VCAL施加到模拟装置的输入且用电压比较器比较模拟装置的输出与参考电压VCAL。使用数字控制电路以将数字字(digital word)施加到增益调整电路来确定表示所需增益调整校准的数字值。在偏移校准期间，模拟装置的差动输入被短接在一起且还连接到参考电压(举例来说，VCAL)。用电压比较器比较模拟装置的输出与参考电压VCAL。数字控制电路将数字字施加到输入偏移补偿电路以确定表示所需输入偏移补偿的数字值。可由数字控制电路使用数字字的各种数字值的线性搜索或二进制搜索以完成增益及偏移校准两者。
电压比较器比较模拟输入装置的输出与电压参考。当模拟输入装置的输出等于或大于电压参考时，比较器输出从第一逻辑电平切换到第二逻辑电平。比较器的输出连接到数字控制电路且通过改变其输出逻辑电平而发信号给数字控制电路。
所述电压参考是可编程的以选择在增益及/或偏移校准循环期间施加到模拟输入装置及比较器输入的所期望的电压值。这允许改变电压参考以便促进与使用的应用的电压非常接近的共模电压处的校准。可在起始模拟输入装置的自动校准之前，将适当电压参考值写入到与电压参考电路相关联的控制寄存器。在模拟输入装置的增益及/或输入偏移电压补偿校准期间可针对不同模拟输入装置使用不同电压参考值。
可使用熔丝链、可编程只读存储器等等以控制用于增益及输入偏移调整的补偿开关。然而，完成模拟输入装置的增益调整及/或输入偏移电压补偿电路的优选方式是使用至少一个存储寄存器或存储器，所述至少一个存储寄存器或存储器留存用于控制连接补偿INA的增益及/或输入偏移电压所必需的差动模拟输入电路中的恒定电流源及电流汇的开关的数字值。存储寄存器可取决于所期望的应用而为易失性或非易失性的。因此，在制造及/或测试期间不需要工厂校准，可消除可编程熔丝链修整且增加最终用户应用灵活性。
多个模拟输入装置可通过在多个模拟输入装置中的每一者之间多路复用数字控制电路及比较器来校准其增益及/或输入偏移。因此，减少电路及裸片面积、节省成本及改进混合信号集成电路装置的可靠性。
根据本发明的特殊实例性实施例，一种具有使用恒定电流源及恒定电流汇的增益及偏移校准的仪器放大器包括：第一跨导级，其具有正电压输入及负电压输入及正电流输出及负电流输出；第二跨导级，其具有正电压输入及负电压输入及正电流输出及负电流输出；跨阻抗放大器，其具有正电流输入及负电流输入及电压输出；所述第一跨导级及所述第二跨导级的所述正电流输出及所述跨阻抗放大器的所述正电流输入耦合在一起；所述第一跨导级及所述第二跨导级的所述负电流输出及所述跨阻抗放大器的所述负电流输入耦合在一起；第一多个恒定电流源；第一多个开关，其中所述第一多个开关将所述第一多个恒定电流源中的某些恒定电流源可选择地耦合到所述第一跨导级；第二多个恒定电流源；第二多个开关，其中所述第二多个开关将所述第二多个恒定电流源中的某些恒定电流源可选择地耦合到所述第二跨导级；第三多个恒定电流汇；第三多个开关，其中所述第三多个开关将所述第三多个恒定电流汇中的某些恒定电流汇可选择地连接到所述第一跨导级及所述第二跨导级的正电流输出；第四多个恒定电流汇；及第四多个开关，其中所述第四多个开关将所述第四多个恒定电流汇中的某些恒定电流汇可选择地耦合到所述第一跨导级及所述第二跨导级的负电流输出；借此通过将所述第一多个恒定电流源及所述第二多个恒定电流源中的所述某些恒定电流源分别可选择地耦合到所述第一跨导级及所述第二跨导级而提供所述仪器放大器的增益调整；及借此通过将所述第三多个恒定电流汇及所述第四多个恒定电流汇中的某些恒定电流汇分别可选择地耦合到所述第一跨导级及所述第二跨导级的正电流输出及负电流输出而提供所述仪器放大器的输入偏移调整。
根据本发明的另一个特殊实例性实施例，一种用于使用恒定电流源及恒定电流汇校准仪器放大器的增益及偏移的方法包括以下步骤：通过将多个恒定电流源中的某些恒定电流源可选择地耦合到所述仪器放大器的第一跨导级及第二跨导级而调整仪器放大器的增益；及通过将多个恒定电流汇中的某些恒定电流汇可选择地耦合到所述仪器放大器的所述第一跨导级及所述第二跨导级的正输出及负输出而调整所述仪器放大器的偏移。将所述仪器放大器的正输入耦合到第一增益设定电阻器网络及将所述仪器放大器的负输入耦合到共同电源；将所述仪器放大器的反馈输入耦合到第二增益设定电阻器网络及将所述仪器放大器的参考输入耦合到所述共同电源，其中所述第一增益设定电阻器网络及所述第二增益设定电阻器网络大致相同；比较所述仪器放大器的输出电压与参考电压；及将多个恒定电流源中的某些恒定电流源可选择地耦合到所述仪器放大器的第一跨导级及第二跨导级直到来自所述仪器放大器的输出电压与所述参考电压大致相同。调整所述仪器放大器的偏移的步骤包括以下步骤：将仪器放大器的正输入及负输入耦合到参考电压；将仪器放大器的反馈输入耦合到增益设定电阻器网络及将仪器放大器的参考输入耦合到参考电压；比较仪器放大器的输出电压与参考电压；及将多个恒定电流汇中的某些恒定电流汇可选择地耦合到仪器放大器的第一跨导级及第二跨导级的正输出与负输出直到来自仪器放大器的输出电压与参考电压大致相同。在调整所述偏移的步骤之前发生调整所述增益的步骤，因为增益调整可影响偏移，但反过来并不是这样。
附图说明
可由参考连同附图进行的以下描述获得本发明的更完整理解，其中：
图1说明仪器放大器(INA)的基本架构的示意性框图；
图2说明根据本发明的特殊实例性实施例用于修整图1的INA的增益及偏移的电路的示意图；
图3说明根据本发明的教示内容用于图1的INA的增益校准的切换布置的示意性电路图；
图4说明根据本发明的教示内容用于图1的INA的偏移校准的切换布置的示意性电路图；及
图5说明根据本发明的教示内容与图2到4中所示的电路组合地使用的数字校准电路的示意性方框电路图。
虽然本发明可具有各种修改及替代形式，但本发明的特殊实例性实施例已展示于图式中且已在本文中作详细描述。然而，应理解，本文特殊实例性实施例的描述不打算将本发明限于本文揭示的特定形式，而是相反，本发明涵盖由所附权利要求书界定的所有修改及等效物。
具体实施方式
现在参考图式，示意性说明实例性实施例的细节。图式中的相同元件将由相同数字表示，且类似元件将由具有不同小写字母后缀的相同数字表示。
参考图1，所描绘的是仪器放大器(INA)的基本架构的示意性框图。具有间接电流反馈的仪器放大器(INA)102包括第一跨导级104、第二跨导级110、跨阻抗放大器108及求和节点106。在求和节点106中添加来自第一跨导级104的输出电流I1，及在求和节点106中减去来自第二跨导级110的输出电流I2。来自求和节点106的差动电流输出施加于将此电流输入转换为电压输出的跨阻抗放大器108。电流求和操作提供间接电流反馈。理想地，来自跨导级104及110的两个输出电流应总和为零，I1-I2＝0。根据公式，由电阻器112及114确定INA 102的增益：
G＝GM1/GM2*(1+RF/RG)
其中G是INA 102的增益，GM1是第一跨导级104的增益，GM2是第二跨导级110的增益，RF是电阻器112的电阻值，及RG是电阻器114的电阻值。
参考图2，所描绘的是根据本发明的特殊实例性实施例用于修整图1的INA的增益及偏移的电路的示意图。第一跨导级104包括连接为差动输入对的晶体管260及264、退化电阻器262、多个恒定电流源230及232及分别与多个恒定电流源230及232相关联的多个开关236及238。第二跨导级110包括连接为差动输入对的晶体管266及270、退化电阻器268、多个恒定电流源240及242及分别与多个恒定电流源240及242相关联的多个开关246及248。跨导级104及110两者共享多个恒定电流汇234及244及分别与多个恒定电流汇234及244相关联的多个开关252及224。使用多个恒定电流汇234及244来修整INA 102的偏移。用于偏移修整的多个恒定电流汇234与到跨阻抗放大器108的负载的正(+)电流轨相关联，且用于偏移修整的多个恒定电流汇244与到跨阻抗放大器108的负载的负(-)电流轨相关联。晶体管260、264、266及270可为(举例来说，但不限于)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，举例来说P沟道或N沟道。
通过改变跨导级104的尾恒定电流源230及232及/或改变跨导级110的尾恒定电流源240及242来调整INA 102的增益。
通过调整差动对负载的任一侧(+及-)上的多个恒定电流汇234及244而完成偏移修整。修整差动对负载处的偏移的优点是其不影响INA 102的增益。因此，优选的是，可首先调整INA 102的增益，接着将INA 102的偏移修整到大致为零。因此可在偏移修整操作期间补偿由增益调整引入的任何额外偏移。
参考图3，所描绘的是根据本发明的教示内容用于图1的INA的增益校准的切换布置的示意性电路图。校准开关356到364展示为连接于位置“b”中且增益/偏移校准开关372a及372b展示为连接于位置“c”中以用于增益校准。对于INA 102的正常操作，校准开关356到364将连接于位置“a”中。在INA 102的正常操作期间，增益/偏移校准开关372a及372b的位置是不相关的。
在增益校准期间，当校准开关356到364是在位置“b”中且增益/偏移校准开关372a及372b是在位置“c”中时，INA 102的正输入连接到内部反馈电阻器112a(RF)及内部增益设定电阻器114a(RG)的接点。内部反馈电阻器112a(RF)的另一端连接到来自校准电压参考354的参考电压370(VCAL)，且内部增益设定电阻器114a(RG)114a的另一端连接到共同参考电势374(举例来说，接地)。INA 102的负输入连接到共同参考电势374(举例来说，接地)；切断外部节点116(OUT)、118(IN+)、120(IN-)、122(FB)及124(REF)与INA 102的连接。INA 102的参考输入380连接到共同参考电势374(举例来说，接地)。INA 102的反馈输入382连接到内部反馈电阻器112a(RF)及内部增益设定电阻器114(RG)的接点。
内部增益设定电阻器114及114a(RG)及内部反馈电阻器112及112a(RF)在增益校准操作期间连接到INA 102。内部增益设定电阻器114及114a(RG)及内部反馈电阻器112及112a(RF)将INA 102配置为具有高增益以用于更精确的增益校准。内部增益设定电阻器114及114a(RG)被匹配为具有大致相同的电阻。类似地，内部反馈电阻器112及112a(RF)被匹配为具有大致相同的电阻。因此，INA 102输出将是与参考电压370(VCAL)大约相同的电压值。
切断输出节点116与INA 102的输出的连接，使得INA 102的输出可连接到比较器352的正输入(INA 102的三态输出可用作相同目的)。来自校准电压参考354的参考电压VCAL可大约在(举例来说，但不限于)供应电压VDD(未展示)与共同参考电势374之间的中间位置。
当比较器352的正输入处的电压的值与比较器352的负输入处的参考电压VCAL的值大致相同时，校准INA 102的增益。比较器352的输出将为逻辑1(高)或逻辑0(低)，取决于正输入上的电压是否大于或者小于或等于校准电压。比较器352的输出368可耦合到图5中的连续逼近寄存器(SAR)，且为在如本文对图2及5中所示的数字校准电路更完全描述的确定多个恒定电流源230、232、240及/或242中的哪些将连接于INA 102电路(图2)中时使用的连续逼近模/数转换器(ADC)的部分。
优选的是，可首先执行增益校准，因为增益调整大致并不影响偏移，然而如果在增益设定恒定电流源230、232、240及/或242(图2)的选择期间引入INA 102的任何偏移，那么接着在偏移校准期间，增益设定引入的偏移将被大致抵消。
参考图4，所描绘的是根据本发明的教示内容用于图1的INA的偏移校准的切换布置的示意性电路图。校准开关356到364展示为连接于位置“b”中且增益/偏移校准开关372a及372b展示为连接于位置“d”中以用于偏移校准。对于INA 102的正常操作，校准开关356到364将连接于位置“a”中。在INA 102的正常操作期间，增益/偏移校准开关372a及372b的位置是不相关的。
在偏移校准期间，当校准开关356到364是在位置“b”中且增益/偏移校准开关372a及372b是在位置“d”中时，INA 102的差动输入连接到校准电压参考354。来自校准电压参考354的参考电压370(VCAL)可大约在(举例来说，但不限于)供应电压VDD(未展示)与共同参考电势374之间的中间位置。切断外部节点116(OUT)、118(IN+)、120(IN-)、122(FB)及124(REF)与INA 102的连接，其中在偏移校准操作期间在INA 102中使用内部增益设定电阻器114(RG)及内部反馈电阻器112(RF)。内部增益设定电阻器114(RG)及内部反馈电阻器112(RF)将INA 102的操作配置为具有高增益以用于更精确的偏移校准。切断输出节点116与INA 102的输出的连接，使得INA 102的输出可连接到比较器352的正输入(INA 102的三态输出可用作相同目的)。比较器352的负输入连接到校准电压参考354(举例来说，参考电压370)。
优选的是，期望在INA 102的差动输入连接在一起及连接到参考电压370(VCAL)时，INA 102的输出应约等于参考电压370(VCAL)。此输出条件将在INA 102的正常操作期间随着差动输入电压而变而给定输出的正摆动与负摆动之间的最均等(最佳)范围。比较器352的输出将为逻辑1(高)或逻辑0(低)，取决于正输入上的电压是否大于或者小于或等于校准电压。比较器352的输出368可耦合到图5中的连续逼近寄存器(SAR)，且为在如本文对图2及5中所示的数字校准电路更完全描述的确定多个恒定电流汇234及/或244中的哪些将连接于INA 102电路(图2)中时使用的连续逼近模/数转换器(ADC)的部分。
参考图5，所描述的是根据本发明的教示内容与图2到4中所示的电路组合地使用的数字校准电路的示意性方框电路图。通常由数字500表示的数字校准电路包括定时器502、校准逻辑状态机504、连续逼近寄存器(SAR)506、增益修整寄存器510、增益修整寄存器奇偶检测电路512、偏移修整寄存器514、偏移修整寄存器奇偶检测电路516、用于逻辑上指示来自修整寄存器奇偶检测电路512及514中的任一者的误差的“或(OR)”门508、上电复位(POR)530及时钟振荡器524。
根据本发明的教示内容，无论修整寄存器内容的奇偶校验何时检测到其中的奇偶错误，均可起始自行自动校准循环。此可通过使用增益修整寄存器奇偶检测电路512来实施以检测增益修整寄存器510的修整数据内容中的奇偶错误。当检测到奇偶错误时，增益修整寄存器奇偶检测电路512确证检测到奇偶错误的信号且POR 530将起始新的自行自动校准循环的开始。同样地，当在偏移修整寄存器514中检测到奇偶错误时，偏移修整寄存器奇偶检测电路516确证检测到奇偶错误的信号且POR 530将起始新的自行自动校准循环的开始。可使用“或”门508组合来自增益修整寄存器奇偶检测电路512或偏移修整寄存器奇偶检测电路516的检测到奇偶误差的信号。可替代“或”门508实施其它逻辑组合且本文预期有其它逻辑组合。
在自行自动校准循环期间，奇偶位可由校准逻辑状态机504自动确定且存储于修整寄存器510或514的奇偶位位置中。在此实例中，对于每一修整寄存器510及514，存在一个奇偶位。如果发生奇偶错误(在INA 102的正常操作期间)，那么强制执行从POR530的上电复位且发生新的自动校准循环。这是重要的，因为修整寄存器内容可能存储于易失性寄存器(存储器)中，且在电力故障期间可使包含于其中的修整数据损坏。同样，可因宇宙辐射(举例来说，太空用途(space application))发生软数据错误。因此，对修整寄存器510及514内容的奇偶校验提供一些保护以防易失性存储器配置中的增益及偏移修整值数据存储遭到损坏。另一方面，修整寄存器内容可存储于非易失性存储器中，且在非易失性存储器配置中可不需要奇偶位及奇偶校验。预期且在本发明的范围内，修整数据可在具有或不具有奇偶位及奇偶校验的情况下存储于易失性及/或非易失性存储器中。
还可通过触发用户编程的自动校准输入ACAL来起始自动校准。此特征避免了不得不使混合信号集成电路装置断电以重新校准其中的INA 102。这也节省了时间，因为延迟时间比需要完全电力开启的情况短得多(举例来说，约1毫秒相对150毫秒)。在电力开启时，延迟长得多，因为定时器超时经设计以等待系统电源安定(稳定)。如果由自动校准输入ACAL起始校准，那么无需此长延迟。
具有ACAL校准输入使得来自微控制器的应用程序(举例来说，控制信号)容易通过触发逻辑电平到ACAL校准输入而引起自行自动校准。自行自动校准集成电路装置(未展示)内的微控制器及/或电路可基于系统条件(举例来说，电源电压、温度及/或固定时间间隔)中的任何变化，根据本发明的教示内容来调用自行自动校准。
虽然已描绘、描述本发明的实施例及通过参考本发明的实例性实施例界定本发明的实施例，但是这种参考并不意味对本发明的限制，且不可推断出这种限制。所属相关领域及获益于本发明的技术人员将想到所揭示的标的物能够在形式及功能上具有相当多的修改、变更及等效物。本发明所描绘及描述的实施例仅为实例，且并非为本发明的详尽范围。
附图翻译
图1
INA 仪器放大器
图2
To Trans-impedance Amp。108 到跨阻抗放大器108
图3
354 校准电压参考
From Fig.5SAR 506 来自图5的连续逼近寄存器506
To Fig.5SAR 506 到图5的连续逼近寄存器506
INA 仪器放大器
Comp 比较器
图4
354 校准电压参考
From Fig.5SAR 506 来自图5的连续逼近寄存器506
To Fig.5SAR 506 到图5的连续逼近寄存器506
INA 仪器放大器
Comp 比较器
图5
502 定时器
504 校准逻辑状态机
506 连续逼近寄存器
510 增益修整寄存器
512 增益修整奇偶
514 偏移修整寄存器
516 偏移修整奇偶
524 时钟振荡器
530 上电复位
PERR 奇偶错误
To Figs.3 & 4 Switches 356-364 & 462 到图3和4的开关356-364和462
From Figs.3 & 4Comp.352 来自图3和4的比较器352
To Fig2.Gain Trim Switches 236，238，246 & 248
到图2的增益修整开关236、238、246和248
To Fig2.Offset Trim Switches 252 & 254
到图2的偏移修整开关252和254
Claims (18)
1.一种具有使用恒定电流源及恒定电流汇的增益及偏移校准的仪器放大器，其包括：
第一跨导级，其具有正与负电压输入及正与负电流输出；
第二跨导级，其具有正与负电压输入及正与负电流输出；
跨阻抗放大器，其具有正与负电流输入及电压输出；
所述第一跨导级及所述第二跨导级的所述正电流输出及所述跨阻抗放大器的所述正电流输入耦合在一起；
所述第一跨导级及所述第二跨导级的所述负电流输出及所述跨阻抗放大器的所述负电流输入耦合在一起；
第一多个恒定电流源；
第一多个开关，其中所述第一多个开关将所述第一多个恒定电流源中的某些恒定电流源可选择地耦合到所述第一跨导级；
第二多个恒定电流源；
第二多个开关，其中所述第二多个开关将所述第二多个恒定电流源中的某些恒定电流源可选择地耦合到所述第二跨导级；
第三多个恒定电流汇；
第三多个开关，其中所述第三多个开关将所述第三多个恒定电流汇中的某些恒定电流汇可选择地连接到所述第一跨导级及所述第二跨导级的所述正电流输出；
第四多个恒定电流汇；及
第四多个开关，其中所述第四多个开关将所述第四多个恒定电流汇中的某些恒定电流汇可选择地耦合到所述第一跨导级及所述第二跨导级的所述负电流输出；
借此通过将所述第一多个恒定电流源及所述第二多个恒定电流源中的所述某些恒定电流源分别可选择地耦合到所述第一跨导级及所述第二跨导级而提供所述仪器放大器的增益调整；及
借此通过将所述第三多个恒定电流汇及所述第四多个恒定电流汇中的所述某些恒定电流汇分别可选择地耦合到所述第一跨导级及所述第二跨导级的所述正电流输出及所述负电流输出而提供所述仪器放大器的输入偏移调整。
2.根据权利要求1所述的仪器放大器，其中所述第一跨导级包括：
第一金属氧化物场效应晶体管MOSFET，其具有源极、栅极及漏极；
第二MOSFET，其具有源极、栅极及漏极；
其中所述第一MOSFET及所述第二MOSFET的所述源极可选择地耦合到所述第一多个恒定电流源中的所述某些恒定电流源；
其中所述第一MOSFET的所述漏极是所述第一跨导级的所述正电流输出；及
其中所述第二MOSFET的所述漏极是所述第一跨导级的所述负电流输出。
3.根据权利要求2所述的仪器放大器，其中所述第一MOSFET及所述第二MOSFET是P沟道MOSFET。
4.根据权利要求2所述的仪器放大器，其中所述第一MOSFET及所述第二MOSFET是N沟道MOSFET。
5.根据权利要求1所述的仪器放大器，其中所述第二跨导级包括：
第三金属氧化物场效应晶体管MOSFET，其具有源极、栅极及漏极；
第四MOSFET，其具有源极、栅极及漏极；
其中所述第三MOSFET及所述第四MOSFET的所述源极可选择地耦合到所述第二多个恒定电流源中的所述某些恒定电流源；
其中所述第三MOSFET的所述漏极是所述第二跨导级的所述正电流输出；及
其中所述第四MOSFET的所述漏极是所述第二跨导级的所述负电流输出。
6.根据权利要求5所述的仪器放大器，其中所述第三MOSFET及所述第四MOSFET是P沟道MOSFET。
7.根据权利要求5所述的仪器放大器，其中所述第三MOSFET及所述第四MOSFET是N沟道MOSFET。
8.根据权利要求1所述的仪器放大器，其中所述第一、第二、第三及第四多个开关包括晶体管。
9.根据权利要求1所述的仪器放大器，其中所述仪器放大器制造在集成电路裸片上。
10.根据权利要求1所述的仪器放大器，其中多个仪器放大器制造在集成电路裸片上。
11.根据权利要求1所述的仪器放大器，其进一步包括用于校准所述仪器放大器的增益及偏移的自动校准电路。
12.根据权利要求11所述的仪器放大器，其中所述自动校准电路包括：
电压参考，其提供参考电压；
电压比较器，其具有第一及第二模拟输入及一数字输出，所述第一模拟输入耦合到来自所述跨阻抗放大器的输出的电压且所述第二模拟输入耦合到来自所述电压参考的所述参考电压，其中当所述第一模拟输入上的电压大于所述第二模拟输入上的所述参考电压时，所述数字输出处于第一逻辑电平，且当所述第一模拟输入上的电压小于或等于所述第二模拟输入上的所述参考电压时，所述数字输出处于第二逻辑电平；
连续逼近寄存器SAR，其具有耦合到所述电压比较器的所述数字输出的数字输入及耦合到所述第一、第二、第三及第四多个开关的输出；及
校准逻辑，
其中当所述第一跨导级的所述正输入耦合到所述参考电压且所述第一跨导级及所述第二跨导级经配置以提供所述仪器放大器的所期望增益时，所述校准逻辑控制所述第一多个开关及所述第二多个开关以可选择地耦合所述第一多个恒定电流源及所述第二多个恒定电流源中的所述某些恒定电流源，以便校准所述仪器放大器的所述增益，及
其中当所述第一跨导级的所述正输入及负输入耦合在一起且耦合到参考电压且所述第二跨导级的所述正输入及负输入经配置以提供所述仪器放大器的所期望增益时，所述校准逻辑控制所述第三多个开关及所述第四多个开关以可选择地耦合所述第三多个恒定电流汇及所述第四多个恒定电流汇中的所述某些恒定电流汇，以便校准所述仪器放大器的所述输入偏移。
13.根据权利要求12所述的仪器放大器，其进一步包括第一、第二、第三及第四寄存器，所述第一、第二、第三及第四寄存器分别耦合于所述SAR与所述第一、第二、第三及第四多个开关之间，用于存储来自所述SAR的自动校准值。
14.根据权利要求12所述的仪器放大器，其进一步包括所述第一、第二、第三及第四寄存器的奇偶校验。
15.一种用于使用恒定电流源及恒定电流汇校准仪器放大器的增益及偏移的方法，所述方法包括以下步骤：
通过将多个恒定电流源中的某些恒定电流源可选择地耦合到所述仪器放大器的第一跨导级及第二跨导级而调整仪器放大器的增益；及
通过将多个恒定电流汇中的某些恒定电流汇可选择地耦合到所述仪器放大器的所述第一跨导级及所述第二跨导级的正输出及负输出而调整所述仪器放大器的偏移。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述调整所述仪器放大器的所述增益的步骤包括以下步骤：
将所述仪器放大器的正输入耦合到第一增益设定电阻器网络且将所述仪器放大器的负输入耦合到共同电源；
将所述仪器放大器的反馈输入耦合到第二增益设定电阻器网络且将所述仪器放大器的参考输入耦合到所述共同电源，其中所述第一增益设定电阻器网络及所述第二增益设定电阻器网络大致相同；
比较所述仪器放大器的输出电压与所述参考电压；及
将所述多个恒定电流源中的某些恒定电流源可选择地耦合到所述仪器放大器的所述第一跨导级及所述第二跨导级直到来自所述仪器放大器的所述输出电压大致与所述参考电压相同。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述调整所述仪器放大器的所述偏移的步骤包括以下步骤：
将所述仪器放大器的正输入及负输入耦合到参考电压；
将所述仪器放大器的反馈输入耦合到增益设定电阻器网络且将所述仪器放大器的参考输入耦合到所述参考电压；
比较所述仪器放大器的输出电压与参考电压；及
将所述多个恒定电流汇中的某些恒定电流汇可选择地耦合到所述仪器放大器的所述第一跨导级及所述第二跨导级的所述正输出及负输出直到来自所述仪器放大器的所述输出电压大致与所述参考电压相同。
18.根据权利要求15所述的方法，其中在所述调整所述偏移的步骤之前发生所述调整所述增益的步骤。
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