CN102820854A - 放大器及提高放大器精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种放大器及提高放大器精度的方法，该放大器包括第一放大器与第二放大器，第一放大器的输出端与第二放大器的输入端相连，该放大器还包括产生时钟信号的时钟振荡电路、根据时钟信号发出相应控制信号的时序和逻辑电路、根据时序和逻辑电路所产生的控制信号对所述放大器的输出结果进行存储的存储器、根据时序和逻辑电路所产生的控制信号对放大器的工作状态进行选择的多路开关控制电路及根据存储器的存储状态对第一放大器的输出进行不同补偿的误差补偿电路。该放大器及提高放大器精度的方法具有成本低与精度高的优点。

Description

放大器及提高放大器精度的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，特别是涉及一种放大器及提高放大器精度的方法。

背景技术

放大器是目前电子行业广泛使用的通用模拟器件之一，它大量地以集成电路的形式应用在工业控制系统、仪器仪表、医疗设备、安防监控、通讯、汽车、航空航天及家用电器等领域。放大器的主要技术指标之一，输入失调电压（inputoffset voltage），直接影响上述设备和系统的精度指标。失调电压越小，设备或系统的总体精度越高。

通用放大器的失调电压主要是由于其内部器件失配（mismatch）、芯片封装产生的芯片表面压力（stress）造成的，普通精度的通用放大器的失调电压一般在几个毫伏的量级。为了减小失调电压，通常的解决办法是在芯片加工过程中利用激光（laser trimming）或熔丝（fuse）等技术，通过修改内部电路的办法对失调电压进行调整。通过对内部电路修调可以将失调电压降低到几百微伏的量级（1毫伏等于1000微伏）。

针对放大器的失调电压，芯片生产厂家一般会在芯片封装之前，在晶圆（wafer）上利用激光或熔丝等技术对每个芯片（die）进行永久性的修改和调整（trimming）。激光修调所需要的特殊设备十分昂贵，能提供该服务的代工厂很少，因而该技术仅为世界上少数芯片公司采用。通过熔丝修调不需要特殊的激光切割设备，但需要在探针台（wafer probe station）上进行，并需要在芯片上预留出相应的探针接触点，增加了芯片面积，不适合要求修调分辨率高、熔丝数量多的高精度产品。

上述在晶圆上进行修调的方法不仅提高了芯片成本，而且由于增加了生产工序，生产周期会大幅增加，影响到芯片的供货周期。该方法的另一个缺陷是，修调好的芯片的失调电压经过封装后会再次变大，原因是封装材料会在芯片表面施加不对称的压力，而且该压力会随温度、湿度、时间等环境条件发生变化。因此，通过在芯片加工过程中对失调电压进行修调来提高放大器的精度，最终结果不是十分理想。由于生产成本高、生产周期长和精度不高，上述修调方法仅被少数放大器产品所采用。

发明内容

基于此，有必要提供一种成本较低但精度很高的放大器及提高放大器精度的方法。

一种放大器，包括第一放大器与第二放大器，所述第一放大器的输出端与所述第二放大器的输入端相连，所述放大器还包括产生时钟信号的时钟振荡电路、根据时钟信号发出相应控制信号的时序和逻辑电路、根据时序和逻辑电路所产生的控制信号对所述放大器的输出结果进行存储的存储器、根据时序和逻辑电路所产生的控制信号对所述放大器的工作状态进行选择的多路开关控制电路及根据存储器的存储状态对第一放大器的输出进行不同补偿的误差补偿电路，所述时序和逻辑电路在时钟振荡电路产生的时钟信号的控制下控制多路开关控制电路选择放大器的工作状态，所述存储器存储所述工作状态下的放大器的输出信号，所述误差补偿电路根据所述存储器的存储状态对所述第一放大器的输出进行误差补偿。

在其中一个实施例中，所述放大器还包括将存储器与时序和逻辑电路清零的加电复位电路。

在其中一个实施例中，所述第二放大器为多级放大器。

在其中一个实施例中，所述放大器的第一放大器的输入端与放大器外部输入之间、第一放大器的输入端与电源之间及第二放大器的输出端与放大器的外部输出之间设有控制开关，所述控制开关在所述多路开关控制电路的控制下选择放大器的工作状态。

在其中一个实施例中，所述误差补偿电路包括多个对第一放大器的输出进行电流补偿的电流源，所述多个电流源具有不同的电流值。

在其中一个实施例中，所述第二放大器还包括控制所述第二放大器的频率补偿电路导通与断开的开关，所述开关控制电路控制所述第二放大器的频率补偿电路的导通与断开。

在其中一个实施例中，所述放大器还包括以所述第一放大器的输出或第二放大器的其中一级的输出为输入的辅助放大器，所述辅助放大器的器件尺寸比所述第二放大器的器件尺寸小，所述存储器存储所述辅助放大器的输出结果。

在其中一个实施例中，所述辅助放大器与所述第二放大器的电路结构相同。

在其中一个实施例中，所述放大器的第一放大器的输入端与放大器外部输入之间、第一放大器的输入端与电源之间、第一放大器的输出与第二放大器的输入之间及第一放大器的输出与辅助放大器的输入之间设有控制开关，所述控制开关在所述多路开关控制电路的控制下选择放大器的工作状态。

在其中一个实施例中，所述存储器为静态存储器。

一种提高放大器精度的方法，所述放大器包括第一放大器与第二放大器，其特征在于，包括如下步骤：将所述放大器的两输入端与外界电路断开并将所述放大器的两输入端短接到某一电压；根据所述放大器的输出结果的极性对所述第一放大器的输出进行相反极性的第一次电压或电流补偿；根据所述放大器的输出结果的极性对所述第一放大器的输出进行第二次电压或电流补偿，第二次电压或电流补偿的补偿量小于第一次电压或电流补偿的补偿量；如此根据所述放大器的输出结果的极性对所述第一放大器的输出进行总共M次电压或电流补偿，第N次电压或电流补偿的补偿量小于第N-1次电压或电流补偿的补偿量，其中M与N为大于1的自然数，N不大于M。

在其中一个实施例中，所述将所述放大器的输入端与外界电路断开并将所述放大器的输入端与电源相连接步骤之后包括将所述放大器的输出端的输出结果的极性所对应的逻辑信号存储起来。

在其中一个实施例中，所述第二放大器为多级放大器。

在其中一个实施例中，所述根据所述放大器的输出结果的极性对所述第一放大器的输出进行M次电压或电流补偿步骤中，第N次电压或电流补偿的补偿量为第N-1次电压或电流补偿的补偿量的一半。

在其中一个实施例中，所述将所述放大器的两输入端与外界电路断开并将所述放大器的两输入端短接到某一电压的步骤中的所述某一电压为所述放大器的电源电压。

上述放大器根据其输出端的输出结果是正电压还是负电压来控制误差补偿电路选择相应的负补偿量或正补偿量对放大器进行补偿，补偿后再接着判断该放大器的输出结果是正电压还是负电压以继续选择相应的较小的负补偿量或正补偿量对放大器进行补偿，这样通过不断缩小补偿量使放大器具有较高的精度。该提高放大器精度的方法相对于其它提高放大器的精度的方法具有成本低的优点。

附图说明

图1为一个实施例的放大器结构图；

图2为另一个实施例的放大器结构图；

图3为提高放大器精度的流程图。

具体实施方式

请参考图1，一个实施方式提供了一种放大器，该放大器包括第一放大器A1与第二放大器A2，第一放大器A1的输出端与第二放大器A2的输入端相连，该放大器还包括产生时钟信号的时钟振荡电路110、根据时钟信号发出相应控制信号的时序和逻辑电路130、根据时序和逻辑电路130所产生的控制信号对放大器的输出结果进行存储的存储器140、根据时序和逻辑电路130所产生的控制信号对放大器的工作状态进行选择的多路开关控制电路150及根据存储器140的存储状态对第一放大器A1的输出进行不同补偿的误差补偿电路160。

时序和逻辑电路130在时钟振荡电路110产生的时钟信号的控制下控制多路开关控制电路150选择放大器的工作状态，存储器140存储该工作状态下的放大器的输出信号，误差补偿电路160根据存储器140的存储状态对第一放大器A1的输出进行误差补偿。

此处的放大器的工作状态是指放大器的第一放大器A1与第二放大器A2与外界或者电源不同连接关系所产生的不同的工作情况。例如，第一放大器A1的两个输入端与外界断开，只与电压VDD相连，第二放大器A2的输出端与外界断开，这就是该放大器的一种工作状态，此处的VDD为正电源；或者第一放大器A1的两个输入端与外界断开，只与电压VSS相连，第二放大器A2的输出端与外界断开，这是该放大器的另一种工作状态，此处的VSS为负电源。

该放大器的第一放大器A1的输入端与放大器外部输入之间、第一放大器A1的输入端与电源VDD、VSS之间及第二放大器A2的输出端与放大器的外部输出之间设有控制开关，这些控制开关在多路开关控制电路150的控制下选择放大器的工作状态。

此处该放大器所采用的存储器140为静态存储器，如寄存器，该寄存器的存储位数为M，M为大于1的自然数。当然存储器140也可以为其它存储器。

该放大器的误差补偿电路160包括多个对第一放大器A1的输出进行电流补偿的电流源，该多个电流源具有不同的电流值。这些电流源的电流值呈递减，例如可以是第二个电流源的电流值是第一个电流源的电流值的一半，第N个电流源的电流值是第N-1个电流源的电流值的一半，此处的N为大于1的自然数。

该第二放大器A2的输入端与输出端连接有频率补偿电路。第二放大器A2还包括控制第二放大器A2的频率补偿电路导通与断开的开关，多路开关控制电路150控制第二放大器A2的频率补偿电路的导通与断开。当该放大器开始校正工作时，可以将第二放大器A2的频率补偿电路断开，这样第二放大器A2的速度就会变快，放大器的校正速度就会很高。

下面将介绍一下该放大器的失调电压调整过程。

该放大器还包括将存储器140与时序和逻辑电路130清零的加电复位电路120。当该放大器加电后，加电复位电路120检测到输入的电压的变化，产生一个复位信号，该复位信号将存储器140与时序和逻辑电路130清零，时钟振荡电路110开始工作并产生时钟信号。当然，此处也可以没有加电复位电路120，有电源电压时，该放大器外部会有复位信号进来，将存储器140与时序和逻辑电路130清零，时钟振荡电路110接着开始工作并产生时钟信号。

时序和逻辑电路130在时钟振荡电路110产生的时钟信号控制下产生控制存储器140工作的控制信号，并产生控制多路开关控制电路150工作的控制信号。

多路开关控制电路150在时序和逻辑电路130产生的控制信号的控制下工作。控制开关将放大器的输入和输出与外界断开（即与输入、输出管脚断开），并且正负两个输入端被连接到包括正电源VDD或负电源VSS在内的某任意电压，放大器处于开环工作状态，其作用变为一个电压比较器，所比较的信号即为其输入失调电压。当输入失调电压为正，放大器的输出也为正，当输入失调电压为负，放大器的输出也为负。

失调电压的校正过程从控制开关断开放大器的输入、输出端并将输入端短路到某一电压（比如正电源VDD或负电源VSS）后开始。此时，放大器处于开环工作状态（即比较器状态），并将输入失调电压进行高增益放大。放大器的输出取决于失调电压的符号，放大器输出为正电源电压（对应逻辑信号‘1’）或负电源电压（对应逻辑信号‘0’）。在时序和逻辑电路130的控制下，当某个时钟周期到来时，该放大器的输出状态（也就是‘0’或‘1’）被锁存到存储器140的某一位寄存器中，比如说对应于最高位的寄存器。误差补偿电路根据存储器140中的寄存器的存储状态对放大器进行补偿以对失调电压进行校正。当下一个时钟周期到来时，该放大器新的输出状态（也就是‘0’或‘1’）被锁存到存储器140的下一位寄存器中。如此循环，M个时钟周期后，存储器140中的M个寄存器就会都有数据存储。

误差补偿电路160根据存储器140中的寄存器的存储状态对放大器进行补偿以对失调电压进行校正。失调电压的校正是通过M个以2进制编码的信号（比如电流、电压等物理量，此处为电流）进行的。M个2进制校正信号被依次引入放大器的第一放大器的输出端，以逐渐改变其输入失调电压直到接近于零。2进制信号的某一位对放大器失调电压的影响取决于对应于该信号的寄存器的存储状态。如果该寄存器输出为‘1’，则该位校正信号加入后会使得失调电压向负方向变化，如果该寄存器输出为‘0’，失调电压则向正方向变化。

该存储器140的某一位寄存器控制相应的校正量，对放大器的失调电压进行修正。放大器的输出取决于该次校正前的失调电压，当放大器经过某一固定的校正量修正后，其输出可能保持原来状态（校正不足），或改变符号（校正过量）。由于校正量是以2进制方式编码的，即每次的校正量是上一次校正量的一半，因此该校正过程是收敛的，也就是说，经过M个时钟周期后失调电压会逐次减小并趋向于零。

在时序和逻辑电路130控制下，经过M个时钟周期后，失调电压校正过程停止。此时，控制开关将放大器的输入和输出端重新与外界电路连接（即与芯片的输入、输出管脚连接），放大器恢复到闭环工作状态（闭环是由用户提供的芯片的外部电路实现的），时钟振荡电路110在时序和逻辑电路130的控制下停止工作，放大器恢复到正常工作状态。失调电压校正过程结束。

经过上述校正过程，理论上放大器的失调电压可以降低到2进制最低位所对应的失调电压变化量的一半。当放大器的电源电压被去掉后，存储在存储器140中的代表校正量大小的2进制编码（即存储数据）会随之消失。放大器再次加电时，上述自动校正过程会重复进行。当然也可以设计成掉电后存储器140中的数据不消失，这样下次加电时就无需再重复进行校正过程，提高放大器的启动速度。上述校正过程可以在芯片加电后立即进行，也可以在芯片工作过程中通过外部信号进行控制，使其进行失调电压校正。本发明不以此为限。

请参考图2，在另一个实施例中，该放大器的第二放大器A2也可以为多级放大器，该放大器还包括以第一放大器A1的输出或第二放大器A2的其中一级的输出为输入的辅助放大器A3，该辅助放大器A3的器件尺寸比第二放大器A2的器件尺寸小，存储器140存储该辅助放大器A3的输出结果。辅助放大器A3的器件尺寸比第二放大器A2的器件尺寸小是为了提高该放大器的校正速度。

进一步的，该辅助放大器A3与第二放大器A2的电路结构相同。

该放大器的第一放大器A1的输入端与放大器外部输入之间、第一放大器A1的输入端与电源之间、第一放大器A1的输出与第二放大器A2的输入之间及第一放大器A1的输出与辅助放大器A3的输入之间设有控制开关，这些控制开关在多路开关控制电路150的控制下选择放大器的工作状态。

该实施例与上一个实施例的区别在于：采用一个辅助放大器A3来替代第二放大器A2。因为该辅助放大器A3的器件尺寸比第二放大器A2的器件尺寸小，所以该辅助放大器A3的速度就会比第二放大器A2的速度快，该放大器也因此具有较高的校正速度。

该放大器的失调电压校正过程可以是针对某一个工作状态或工作环境下（比如在某一输入共模电压下）的失调电压进行的。然而，当放大器的工作环境或工作状态不同时其失调电压会有所不同。针对这种情况，该放大器采用在不同工作条件下重复进行上述校正过程的办法来实现不同工作环境或工作状态下的失调电压校正。比如，放大器的失调电压会随着其输入共模电压发生变化，特别是轨到轨输入的放大器，其输入级由两对互补型晶体管组成。当输入共模电压低于某个电压值时，P型晶体管工作；当输入共模电压高于该电压值时N型晶体管工作，这种切换是靠内部电路自动实现的。因为两对晶体管对输入失调电压的贡献完全不相关，所以针对低共模电压工作情况时失调电压的校正不能消除高共模电压情况时的失调电压。因此要对两种工作情况分别进行校正，即在放大器与外部电路断开后，先将输入端同时接到低电位（如负电源或零电位），对放大器进行第一次校正，校正得到的2进制编码存储到第一组寄存器当中；然后再将输入端同时接到高电位（正电源），对放大器进行第二次校正，得到的结果存储到第二组寄存器当中。此处的存储器140包括两组寄存器。这样就可以实现两种工作状态下对失调电压进行校正。

请参考图3，另外提供一种提高放大器精度的方法，该放大器包括第一放大器与第二放大器，该提高放大器精度的方法包括如下步骤：

步骤S110，将所述放大器的两输入端与外界电路断开并将所述放大器的两输入端短接到某一电压；

步骤S130，根据所述放大器的输出结果的极性对所述第一放大器的输出进行相反极性的第一次电压或电流补偿；

步骤S140，根据所述放大器的输出结果的极性对所述第一放大器的输出进行第二次电压或电流补偿，第二次电压或电流补偿的补偿量小于第一次电压或电流补偿的补偿量；

步骤S150，如此根据所述放大器的输出结果的极性对所述第一放大器的输出进行共M次电压或电流补偿，第N次电压或电流补偿的补偿量小于第N-1次电压或电流补偿的补偿量，其中M与N为大于1的自然数，N不大于M。

经过M次电压或电流补偿，放大器的精度就会得到显著提高。

在步骤S110，将放大器的输入端与外界电路断开并将放大器的输入端与电源相连接步骤中，某一电压可以为该放大器的电源电压，该电源电压包括正电源电压与负电源电压。该放大器的第二放大器可以为多级放大器。

在步骤S110，将放大器的输入端与外界电路断开并将放大器的输入端与电源相连接步骤之后包括步骤S120将放大器的输出端的输出结果的极性所对应的逻辑信号存储起来。这样，对该放大器进行补偿时可以根据存储起来的逻辑信号进行补偿。

在步骤S150，根据放大器的输出结果的极性对第一放大器的输出进行M次电压或电流补偿步骤中，第N次电压或电流补偿的补偿量为第N-1次电压或电流补偿的补偿量的一半。即后面一次电压或电流补偿的补偿量为前面一次电压或电流补偿的补偿量的一半，这样可以使校正过程效率更高。

本发明所提供的放大器及提高放大器精度的方法使得放大器能够以相对较低的成本来实现很高的精度。

与在晶圆上进行修调以提高精度相比，该放大器及提高放大器精度的方法省略了一整道工序。既不需要特殊的激光修调（laser trimming）和探针台（waferprobe station）等设备，也不存在熔丝修调分辨率低和封装带来的应力等问题。在节省成本的同时可以达到更高的精度。

该放大器及提高放大器精度的方法与封装后进行修调的方法相比，其控制逻辑相对简单，因而放大器的芯片面积也会相对减小。并且其不需要特殊的成品测试流程、特殊半导体工艺或者高精度测试仪器，因而成本较低。由于该放大器及提高放大器精度的方法不依赖于高精度的误差测量方法和高精度测试设备，从而消除了由于测试设备带来的误差。

因此该放大器及提高放大器精度的方法具有以成本低实现高精度的优点。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (15)

1.一种放大器，包括第一放大器与第二放大器，所述第一放大器的输出端与所述第二放大器的输入端相连，其特征在于，所述放大器还包括产生时钟信号的时钟振荡电路、根据时钟信号发出相应控制信号的时序和逻辑电路、根据时序和逻辑电路所产生的控制信号对所述放大器的输出结果进行存储的存储器、根据时序和逻辑电路所产生的控制信号对所述放大器的工作状态进行选择的多路开关控制电路及根据存储器的存储状态对第一放大器的输出进行不同补偿的误差补偿电路，

所述时序和逻辑电路在时钟振荡电路产生的时钟信号的控制下控制多路开关控制电路选择放大器的工作状态，所述存储器存储所述工作状态下的放大器的输出信号，所述误差补偿电路根据所述存储器的存储状态对所述第一放大器的输出进行误差补偿。

2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述放大器还包括将存储器与时序和逻辑电路清零的加电复位电路。

3.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第二放大器为多级放大器。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的放大器，其特征在于，所述放大器的第一放大器的输入端与放大器外部输入之间、第一放大器的输入端与电源之间及第二放大器的输出端与放大器的外部输出之间设有控制开关，所述控制开关在所述多路开关控制电路的控制下选择放大器的工作状态。

5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的放大器，其特征在于，所述误差补偿电路包括多个对第一放大器的输出进行电流补偿的电流源，所述多个电流源具有不同的电流值。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的放大器，其特征在于，所述第二放大器还包括控制所述第二放大器的频率补偿电路导通与断开的开关，所述开关控制电路控制所述第二放大器的频率补偿电路的导通与断开。

7.根据权利要求3所述的放大器，其特征在于，所述放大器还包括以所述第一放大器的输出或第二放大器的其中一级的输出为输入的辅助放大器，所述辅助放大器的器件尺寸比所述第二放大器的器件尺寸小，所述存储器存储所述辅助放大器的输出结果。

8.根据权利要求7所述的放大器，其特征在于，所述辅助放大器与所述第二放大器的电路结构相同。

9.根据权利要求7所述的放大器，其特征在于，所述放大器的第一放大器的输入端与放大器外部输入之间、第一放大器的输入端与电源之间、第一放大器的输出与第二放大器的输入之间及第一放大器的输出与辅助放大器的输入之间设有控制开关，所述控制开关在所述多路开关控制电路的控制下选择放大器的工作状态。

10.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的放大器，其特征在于，所述存储器为静态存储器。

11.一种提高放大器精度的方法，所述放大器包括第一放大器与第二放大器，其特征在于，包括如下步骤：

将所述放大器的两输入端与外界电路断开并将所述放大器的两输入端短接到某一电压；

根据所述放大器的输出结果的极性对所述第一放大器的输出进行相反极性的第一次电压或电流补偿；

根据所述放大器的输出结果的极性对所述第一放大器的输出进行第二次电压或电流补偿，第二次电压或电流补偿的补偿量小于第一次电压或电流补偿的补偿量；

如此根据所述放大器的输出结果的极性对所述第一放大器的输出进行总共M次电压或电流补偿，第N次电压或电流补偿的补偿量小于第N-1次电压或电流补偿的补偿量，其中M与N为大于1的自然数，N不大于M。

12.根据权利要求11所述的提高放大器精度的方法，其特征在于，所述将所述放大器的输入端与外界电路断开并将所述放大器的输入端与电源相连接步骤之后包括将所述放大器的输出端的输出结果的极性所对应的逻辑信号存储起来。

13.根据权利要求11所述的提高放大器精度的方法，其特征在于，所述第二放大器为多级放大器。

14.根据权利要求11至13任一项权利要求所述的提高放大器精度的方法，其特征在于，所述根据所述放大器的输出结果的极性对所述第一放大器的输出进行M次电压或电流补偿步骤中，第N次电压或电流补偿的补偿量为第N-1次电压或电流补偿的补偿量的一半。

15.根据权利要求11至13任一项权利要求所述的提高放大器精度的方法，其特征在于，所述将所述放大器的两输入端与外界电路断开并将所述放大器的两输入端短接到某一电压的步骤中的所述某一电压为所述放大器的电源电压。

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