CN102868374B - 多输入运算放大器及其输出电压的补偿方法 - Google Patents

Abstract

多输入运算放大器及其输出电压的补偿方法，该补偿方法的步骤包括：首先，针对差动对所接收的输入电压为特定电平组合的情况，以获得差动对分别具有的多个原始跨导值；并依据多个原始跨导值，获得差动对当中的多个需调整的差动对各自的一跨导差值；再依据跨导差值与原始跨导值，以获得需调整的差动对各自的一经调整的跨导值；最后，利用经调整的跨导值来分别调整需调整的差动对的跨导，以使输出电压在输入电压的多种组合的情况下均能符合期望值。

Description

多输入运算放大器及其输出电压的补偿方法

技术领域

本发明涉及一种多输入运算放大器，且特别涉及一种多输入运算放大器的输出误差的补偿方法。

背景技术

在减少集成电路(IntegratedCircuit，IC)的布局面积的考虑下，许多显示器驱动集成电路的输出缓冲器都会利用多输入运算放大器来建构。这种多输入运算放大器可以通过数个不同的电压值，通过内插来产生组合式的输出电压。

请参照图1绘示的已知的多输入运算放大器的输入级的内部电路图。如图1所示，多输入运算放大器的输入级具有K个差动对，其中K为大于1的正整数，譬如为4。每一差动输入对具有一输入端耦接至多输入运算放大器的一输出端以接收输出电压VO，以及具有另一输入端IN1～INK则分别接收输入电压V1～VK。每一差动对根据所接收的输入电压V1～VK来产生一差动信号V(+)与V(-)，以供后续的输出级电路产生该输出电压VO。

假设输入电压V1～VK只有两种电平的电压VH及VL，在输入电压V1～VK的电压分别为VH、VL、VL、...及VL时，多输入运算放大器100的输出端的输出电压VO等于VL+(VH-VL)/K。依此类推，可以获得如表1中所示的输入电压V1～VK与输出电压VO的关系。其中表1如下所示：

表1：

另外，根据理论计算，输出电压VO也可以如数学式1来表示：

$\mathrm{VO}=\frac{({\mathrm{Ngm}}_H\mathrm{VH}+{\mathrm{Ngm}}_L\mathrm{VL})}{({\mathrm{Ngm}}_H+{\mathrm{Mgm}}_L)}---\left(1\right)$

其中的N与M分别为输入端IN1～INK所接收的输入电压V1～VK的电压为VL及VH的个数，而gm_H以及gm_L分别为差动对接收的输入电压V1～VK的电压电平为VL及VH时的跨导。

由数学式(1)可以清楚得知，只有在gm_H以及gm_L相等的情况下，图1的多输入运算放大器的输出电压VO才能理想地如表1所示。然而，由图2绘示的跨导与差动输入对的两输入端的输入电压差±ΔV的关系图来看，跨导会随着输入电压差ΔV改变，所以gm_H以及gm_L不一定会相等。而这个gm_H以及gm_L间的差异，也造成了多输入运算放大器100的输出电压Vo在输入电压V1～VK的特定组合下，产生误差，而无法理想地如表1所示。譬如是当K＝4时，类型2(亦即V1～V4为VH、VL、VL、VL)的实际输出电压VO会比理想值来得低，而类型4(亦即V1～V4为VH、VH、VH、VL)的实际输出电压VO却比理想值来得高。

发明内容

本发明提供一种适用于多输入运算放大器的输出误差的补偿方法，用以补偿多输入运算放大器在输入电压的特定组合下所产生的输出误差。

本发明提供一种多输入运算放大器，有效补偿在不同电平的输入电压的条件下所产生的输出误差。

本发明提出一种适用于多输入运算放大器的输出误差的补偿方法。其中的多输入运算放大器具有多个差动对，且此些差动对当中每一个具有第一输入端耦接至多输入运算放大器的输出端，以及具有第二输入端用于接收输入电压，其中输入电压可落于多种电平。补偿方法包括：针对差动对的第二输入端所接收的输入电压为特定电平组合的情况，实行下述步骤(i)～(iv)，其中：(i)获得差动对分别具有的多个原始跨导值；(ii)依据多个原始跨导值，获得差动对当中的多个需调整的差动对各自的一跨导差值；(iii)依据跨导差值与原始跨导值，以获得需调整的差动对各自的一经调整的跨导值；(iv)利用经调整的跨导值来分别调整需调整的差动对的跨导，以使输出电压在输入电压的多种组合的情况下均能符合期望值。

本发明另提出一种多输入运算放大器，包括多个差动对。差动对当中每一个具有输入端耦接至多输入运算放大器的输出端。差动对具有另一输入端，用于接收输入电压，其中，输入电压可落于多种电平。其中，多个差动对当中的多个差动对的跨导经调整，而相较于多个差动对当中的其他差动对，在同样电平的该输入电压下具有跨导差值，藉以在多个差动对的输入电压的多种组合下，输出电压均能符合一期望值。

基于上述，本发明计算多输入运算放大器中的多个差动对接收输入电压时的跨导，并通过跨导的差来调整至少其中之一的差动对的跨导。使多输入运算放大器的输出误差可以得到补偿，提升多输入运算放大器输出的准确度。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1绘示的已知的多输入运算放大器100的示意图。

图2绘示的跨导与输入电压的差±ΔV的关系图。

图3绘示本发明的一实施例的输出误差的补偿方法的流程图。

图4绘示本发明的另一实施例的多输入运算放大器400的示意图。

图5绘示本发明的再一实施例的多输入运算放大器500的示意图。

【主要元件符号说明】

100、400、500：多输入运算放大器

411～414、511～514：差动对411～414

421～424、521～524：偏压电流产生器

V1～V4：输入电压

IN1～IN4：输入端

VO：输出电压

S310～S340：输出误差的补偿方法的步骤

M411～M442、M511～M542、BM41～BM44、BM51～BM54：晶体管

T1、T2：端点

具体实施方式

以下针对多输入运算放大器的输出误差的补偿方法提出多个实施范例来加以说明，期使本领域技术人员得以了解并具以实施。

图3为依据一实施例的输出误差的补偿方法的流程图。此输出误差的补偿方法300适用于如图1绘示的多输入运算放大器。图4则为一实施例的多输入运算放大器400的示意图。以下请一并参照图3与图4以便于理解。

值得注意的是，以下是利用输出误差的补偿方法300应用至图4的四输入运算放大器400来解释流程的细节。然实际上输出误差的补偿方法300可应用至各种输入数目的多输入运算放大器。只要多输入运算放大器具有多个差动对，且此些差动对当中每一个都具有第一输入端以及第二输入端。第一输入端可耦接至多输入运算放大器的输出端，而其第二输入端用于接收输入电压，其中输入电压可以落于不同的多种电平即可。

关于四输入运算放大器400的具体架构，请参照图4中。多输入运算放大器400包括多个差动对411～414以及偏压电流产生器421～424。差动对411～414的一输入端共同耦接至多输入运算放大器400的输出端以接收输出电压VO。而差动对411～414未耦接多输入运算放大器400输出端的输入端则分别接收输入电压V1～V4。

差动对411中包括晶体管M411及M412，差动对412包括晶体管M421及M422、差动对413包括晶体管M431及M432，差动对414包括晶体管M441及M442。以差动对411为范例，晶体管M411与晶体管M412各具有第一端、第二端以及控制端。其中，晶体管M411与晶体管M412的第一端相互耦接，晶体管M411的控制端接收输入电压V1，晶体管M412的控制端则耦接至多输入运算放大器400输出端以接收输出电压VO。另外，晶体管M411及M412的第二端则分别耦接至端点T1及T2。端点T1与T2可耦接至后级的放大级与输出级电路(未显示于图中)。

偏压电流产生器421～424分别耦接至差动对411～414以提供多个偏压电流至差动对411～414。在本实施例中，偏压电流产生器421耦接至晶体管M411及M412相互耦接的第一端，偏压电流产生器422耦接至晶体管M421及M422相互耦接的第一端，偏压电流产生器423耦接至晶体管M431及M432相互耦接的第一端，而偏压电流产生器424耦接至晶体管M441及M442相互耦接的第一端。在本实施例中，偏压电流产生器421～424分别由晶体管BM41～BM44建构。

在进行多输入运算放大器400的差动对411～414的跨导调整时，则需针对差动对411～414的输入端所接收的输入电压V1～V4为特定电平组合的情况，实行图3所绘示的步骤S310～S340。而此特定电平的组合，则为输出电压VO发生误差的情况。举例而言，为表1中的类型2(亦即V1～V4为VH、VL、VL、VL)与类型4(亦即V1～V4为VH、VH、VH、VL)当中的一个。在以下的说明中，将针对此特定电平的组合为类型2来说明，然可轻易类推类型4的情况。

在步骤S310中，先获得差动对411～414分别具有的原始跨导值。由于特定电平的组合为类型2，因此差动对411～414的原始跨导值分别为gm_H、gm_L、gm_L以及gm_L。在此，gm_H为接收上述特定组合的输入电压V1～V4下的差动对411的原始跨导值，gm_L则为上述特定组合的输入电压V1～V4下差动对412～414当中每一个的原始跨导值

原始跨导值的计算，通常可以利用电路模拟的方式，或是对实体的差动对411～414进行直接测量来获得。举例来说，可以直接将多输入运算放大器400的输出端所产生的输出电压VO输入至差动对411～414的一输入端(也就是晶体管M412～M442的栅极)上，并且分别对差动对411～414的另一输入端提供上述特定组合的输入电压V1～V4为VH、VL、VL、VL来进行计算。或者，也可以针对单一个输入对，直接在各差动对411～414的两个输入端间提供特定的电压差ΔV来计算。在类型2的输入电压V1～V4分别为VH、VL、VL、VL，而输出电压VO可假设为因此，可分别提供差动对411～414的差动电压为ΔV₁～ΔV₄， 来计算其原始跨导gm_H、gm_L、gm_L以及gm_L。

接着，在步骤S320中，则依据步骤S310中所获得的多个原始跨导值，来获得差动对411～414当中的多个需调整的差动对的各自的跨导差值。在此，并不需要针对所有的差动对411～414进行跨导差值的调整，可以选择其中的数个(例如2个)差动对的跨导差值来进行个别的调整。

在此实施例中，选择其中的差动对412及413来针对其跨导值进行跨导差值Δgm的调整；并且，可设定差动对412及413的跨导差值是相等的。换句话说，调整后差动对411～414所提供的跨导值分别为gm_H、gm_L-Δgm、gm_L-Δgm以及gm_L。在一实施例中，跨导差值-Δgm等于＝-3/2(gm_L-gm_H)。以下将详细说明跨导差值的推导原理。

由于在差动对411～414所接收的输入电压V1～V4分别为VH、VL、VL及VL的情况下，理想的输出电压VO应等于VL+(VH-VL)/4。也就是说，差动对411～414所接收的输入电压的差V1～V4分别如下数学式(2)所示：

$\mathrm{\ΔV}1=\frac{3}{4}(\mathrm{VH}-\mathrm{VL})$

$\mathrm{\ΔV}2=\mathrm{\ΔV}3=\mathrm{\ΔV}4=-\frac{1}{4}(\mathrm{VH}-\mathrm{VL})---\left(2\right)$

也因此，端点T2以及T1上的电流i(+)以及i(-)可以表示如下所示的数学式(3)：

$i(+)=\frac{1}{2}g{m}_H\mathrm{\ΔV}1+\frac{1}{2}({\mathrm{gm}}_L-\mathrm{\Δgm})\mathrm{\ΔV}3+\frac{1}{2}({\mathrm{gm}}_L-\mathrm{\Δgm})\mathrm{\ΔV}3+\frac{1}{2}g{m}_L\mathrm{\ΔV}4$

$=\frac{1}{2}(\mathrm{VH}-\mathrm{VL})[\frac{3}{4}{\mathrm{gm}}_H-\frac{1}{4}({\mathrm{gm}}_L-\mathrm{\Δgm})-\frac{1}{4}({\mathrm{gm}}_L-\mathrm{\Δgm})-\frac{1}{4}g{m}_L]$

$i(-)=-\frac{1}{2}g{m}_H\mathrm{\ΔV}1-\frac{1}{2}({\mathrm{gm}}_L-\mathrm{\Δgm})\mathrm{\ΔV}2-\frac{1}{2}({\mathrm{gm}}_L-\mathrm{\Δgm})\mathrm{\ΔV}3-\frac{1}{2}g{m}_L\mathrm{\ΔV}4$

$=-\frac{1}{2}(\mathrm{VH}-\mathrm{VL})[\frac{3}{4}g{m}_H-\frac{1}{4}({\mathrm{gm}}_L-\mathrm{\Δgm})-\frac{1}{4}({\mathrm{gm}}_L-\mathrm{\Δgm})-\frac{1}{4}g{m}_L]---\left(3\right)$

在符合输出电压VO等于VL+(VH-VL)/4的要求下，上述数学式(3)中的i(+)与i(-)应都等于0。在此条件下计算上述的数学式(3)后可以得到如下所示的数学式(4)：

$\mathrm{\Δgm}=\frac{3}{2}({\mathrm{gm}}_L-{\mathrm{gm}}_H)---\left(4\right)$

接下来，在步骤S330中，则依据跨导差值与原始跨导值，来获得需调整的差动对的各自的经调整后的跨导值。如前所述，差动对411～414的各自的经调整后的跨导值为：gm_H、gmL’＝gm_L-Δgm、gmL’＝gmL-Δgm以及gm_L，亦即为gm_H、1/2gm_L、1/2gm_L以及gm_L。换句话说，在同样接收VL的输入电压下，差动对411～414当中的特定差动对412与413经过跨导调整后的跨导值为gm_L’，相较于差动对414的跨导值为gm_L，就相差有一跨导差值gm_H为该第一差动对411的跨导值，而gm_L为第四差动对414的跨导值。

最后，在步骤S340中，利用经调整的跨导值来分别调整需调整的差动对的跨导，以使输出电压VO在输入电压V1～V4的多种组合的情况下均能符合期望值。

在此所述的输入电压V1～V4的多种组合，可以是分别针对差动对411～414的未接收输出电压的输入端输入相对高电平的输入电压VH或相对低电平的输入电压VL。以图4绘示的多输入运算放大器400为范例，输入至差动对411～414的输入电压V1～V4的组合的可以是(VH、VH、VH、VH)、(VH、VH、VH、VL)、(VL、VH、VH、VH)以及(VL、VL、VL、VL)，或是其中的一部分。而上述组合，对应当中每一种的输入电压V1～V4的期望值实质上等于表1所列示的值，亦即等于(N×VH+M×VL)/(N+M)，N与M为在该组合下的输入电压为相对高电平的输入电压VH与相对低电平的输入电压VL的个数，其中的N+M等于4。

值得注意的是，在进行步骤S340时，调整需调整的差动对的跨导的做法则可以通过调整需调整的差动对412及413的输入晶体管M421、M422、M431及M432的宽长比(widthlengthratio，W/L)，或是调整需调整的差动对412及413所接收的偏压电流的电流值。

假设跨导值gm_H以及跨导值gm_L的比是2：3，跨导差值Δgm将可推得等于gm_L/2。也就是说，在本范例中需要针对跨导值gm_L进行调整，而调整的值等于gm_L/2。

因此，在选择差动对412及413进行调整的条件下，可以利用使差动对412及413中的晶体管M411～M422的长宽比(W/L)调小为原来的四分之一(W/(4L))。或是，通过调整偏压电流产生器422及423所提供的偏压电流为四分之一。

接着请参照图5，图5绘示本发明的再一实施例的多输入运算放大器500的示意图。与前一实施例的多输入运算放大器400不相同的是，多输入运算放大器500中所包括的差动对511～514以及偏压电流产生器521～524分别是利用P型晶体管M511～M542及BM51～BM54来建构，与多输入运算放大器400中所包括的差动对411～414以及偏压电流产生器421～424分别是利用N型晶体管M411～M442及BM41～BM44来建构的不相同。

在此请特别注意，不论是利用N型晶体管或P晶体管或是P、N型晶体管混合建构的多输入运算放大器都可以应用调整跨导的方式来进行其输出电压的补偿。因此，可同样应用图3所示的流程来进行补偿，细节在此为简明之故不再赘述。

值得一提的是，上述实施例中所提出的多输入运算放大器400与500为四输入的运算放大器，仅只是范例，并非用来限说本发明的多输入运算放大器所可以提供的输入数量。在其他实施例中，可应用至更多输入的多输入放大器。

上述实施例的独特特征在于，通过调整特定差动对的跨导值，能够补偿其他差动对因为差动电压所造成的跨导值改变，进而使得输出电压VO仍够达到期望值。此外，虽然仅针对差动对411～414的输入端所接收的输入电压V1～V4为某一特定电平组合的情况来仅针对步骤S310～S340的调整，然而经调整的跨导值，却能让在输入电压V1～V4的各种组合下，输出电压VO都能够达到理想。

综上所述，本发明利用接收差动对接收输入电压时所提供的跨导，再针对上述的跨导计算出跨导差值，来进行差动对的跨导的调整。并藉以达到多输入运算放大器的输出电压的误差补偿，提升多输入运算放大器的输出电压的精确度。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种输出误差的补偿方法，适用于一多输入运算放大器，该多输入运算放大器具有多数个差动对，这些差动对当中每一个具有一第一输入端耦接至该多输入运算放大器的输出端，以及具有一第二输入端用于接收一输入电压，其中这些输入电压可分别落于多种电平，该方法包括：

针对这些差动对的这些第二输入端所接收的这些输入电压为特定电平组合的情况，实行下述步骤(i)～(iv)

(i)获得这些差动对分别具有的多个原始跨导值；

(ii)依据该多个原始跨导值，获得这些差动对当中的多个需调整的差动对各自的一跨导差值；

(iii)依据这些跨导差值与这些原始跨导值，获得这些需调整的差动对各自的一经调整的跨导值；以及

(iv)利用这些经调整的跨导值来分别调整这些需调整的差动对的跨导，以使该输出电压在这些输入电压为该特定电平组合的情况下均能符合一期望值，

其中这些差动对包括第一至第四差动对，以及该第一至第四差动对的这些第二输入端所接收的这些输入电压的该特定电平组合为(VH、VL、VL、VL)或(VH、VH、VH、VL)时，该第二与第三差动对是这些需经调整的差动对，且该第二与第三差动对当中每一个的该跨导差值等于以及该第二与第三差动对的这些经调整的跨导值分别为gm_L-Δgm，其中gm_H为该特定电平组合下该第一差动对的该原始跨导值，gm_L为该特定电平组合下该第二至第四差动对当中每一个的该原始跨导值，其中VH与VL分别为该多种电平当中的一高电平与一低电平。

2.如权利要求1所述的补偿方法，其中这些差动对的数目为4，以及该特定电平组合下该输出电压的该期望值实质上等于(NVH+MVL)/(N+M)，N与M为在该特定电平组合下这些输入电压为该高电平与该低电平的个数。

3.如权利要求1所述的补偿方法，其中步骤(iv)包括：

依据这些需调整的差动对的这些经调整的跨导值，来调整这些需调整的差动对当中每一个内的多个输入晶体管的宽长比。

4.如权利要求1所述的补偿方法，其中步骤(iv)包括：

依据这些需调整的差动对的这些经调整的跨导值，来调整这些需调整的差动对当中每一个内的一偏压电流的电流值。

5.如权利要求1所述的补偿方法，其中这些差动对包括第一至第四差动对，以及该第一至第四差动对的这些第二输入端所接收的这些输入电压的该特定电平组合为：(VH、VH、VH、VH)、(VH、VL、VL、VL)、(VH、VH、VL、VL)、(VH、VH、VH、VL)或(VL、VL、VL、VL)。

6.一种多输入运算放大器，包括：

多个差动对，这些差动对当中每一个具有一第一输入端耦接至该多输入运算放大器的一输出端，以及具有一第二输入端，用于接收一输入电压，其中这些输入电压可分别落于多种电平；

其中这些差动对当中的一组差动对的跨导经调整，而相较于该多个差动对当中的其他差动对，在同样电平的这些输入电压下具有一跨导差值，藉以在该多个差动对的这些输入电压为特定电平组合，该输出电压均能符合一期望值，

其中这些差动对包括第一至第四差动对，以及该第一至第四差动对的这些第二输入端所接收的这些输入电压的该特定电平组合为(VH、VL、VL、VL)或(VH、VH、VH、VL)时，以及该第二与第三差动对是这些需经调整的差动对，该第二与第三差动对的该跨导差值相等，且该第二与第三差动对的跨导值分别为gm_L-Δgm，该第四差动对的跨导值为gm_L，其中-Δgm为该第二与第三差动对的该跨导差值且gm_H为该第一差动对的跨导值，其中VH与VL分别为该多种电平当中的一高电平与一低电平。

7.如权利要求6所述的多输入运算放大器，其中该一组差动对当中每一个内的多个输入晶体管的宽长比依据各自的跨导差值来调整。

8.如权利要求6所述的多输入运算放大器，其中该一组差动对当中每一个内的一偏压电流的电流值依据各自的跨导差值来调整。

9.如权利要求6所述的多输入运算放大器，其中这些差动对包括第一至第四差动对，以及该第一至第四差动对的这些第二输入端所接收的这些输入电压的该特定电平组合为：(VH、VH、VH、VH)、(VH、VL、VL、VL)、(VH、VH、VL、VL)、(VH、VH、VH、VL)或(VL、VL、VL、VL)。