CN1050475A - 漂移电压均衡运算放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明的差动信号(ds)漂移均衡运算放大器由 一辅放大器(av)和一主放大器(mv)构成，每个放大 器有一差动输入(i1，i2)和自动归零输入(Z1，Z2)。为 了提供漂移均衡，自动归零输入端和两个集成的存储 电容(C1，C2)上的电压连接，辅放大器的差动输入可 以由第一和第二开关(S1，S2)短路，第一和第二存储电 容(C1，C2)由第三和第四开关和辅放大器输出相连， 自动归零输入(Z1，Z2)的灵敏度小于差动输入(i1，i2)的 灵敏度。

Description

源移电压均衡运算放大器
在直流电压信号或低频信号的处理过程中，直接耦合运算放大器，特别是MOS(金属氧化物半导体)工艺的运算放大器，由于输入漂移电压而产生误差。从电子学(Elektronik)杂志1988年9月30日第20期的97页至104页中可知一种在运算中借助主放大器和辅放大器消除漂移电压的方法，在常规测量间隔中，辅放大器与输入信号不连接，并在其输入端短路，其输出电压值在一个外接电容中存储。在第二个测量间隔中，辅放大器输入端和输入信号相连，输出端与第二个外接电容连接，存储在两个外接电容中的电压，加到主放大器和辅放大器的两个自动归零输入端，因此在运算过程中，主放大器输出端漂移电压误差的影响得以补偿。这种先有技术电路参照图1和图2的详细解释在下文给出。
先有技术电路配置的一个基本缺点是采用了体积相对较大的电容来存储辅放大器输出信号。因此，本发明提出的目标就是要提供一存储电容小的漂移电压均衡运算放大器电路配置，使得整个配置适于单片集成。下述本发明的优点直接来源于达到该目标的方法。
本发明的上述和进一步的优点与特征，可由下述与附图相联系的说明而更加清晰，其中：
图1，现有漂移电压均衡运算放大器的框图；
图2，图1电路的时序图；
图3，本发明的运算放大器框图。
图4，图3电路的时序图。
图5a和图5b，本发明的运算放大器另一实施例的电路图和其中的开关装置。
在图1的电路配置中，主放大器mv恒与输入差动信号ds以及输出相连，因而和通常的限幅放大器不同，在输出信号ds′中只产生很小尖锋。为提供漂移电压均衡，一个称为辅放大器av的内调零放大器先使自身后使主放大器归零。该电路运算过程参看图2，在(1)到(4)时间间隔如下：
在时间间隔(1)中，辅放大器av和差动信号ds断开，并在其差动输入端i1短路。为了这个目的，第一开关装置S1关闭，而第二开关装置S2打开。因而辅放大器av输出的电压仅由放大器的漂移电压误差决定。
在时间间隔(2)中，在辅放大器av瞬态恢复时间以后，第3开关装置S3关闭，以使第一外接存储电容C1和辅放大器av输出相连。这个第一存储电容C1和辅助电容C1′的电压作为补偿电压加在辅助放大器av的自动归零输入端Z1，两个电容C1、C1′必须在整个校准周期后半段保持电压。
在时间间隔(3)，第1和第3开关S1，S3打开而第二开关S2关闭，使辅助放大器差动输入i1和差动信号ds相连。在该时间间隔，差动输入i2恒与差动信号ds相连的主放大器输出信号ds′仍因放大器的漂移电压而失真。
在时间间隔(4)，主放大器mv得到补偿，在该时间间隔开始，其差动输入和差动信号ds相连的辅放大器av的输出处于稳态。然后第4开关S4关闭以使外接第2存储电容C2和辅助放大器av输出相连。通过两根引线，第1和第2存储电容的电压作为控制信号加在主放大器mv自动归零输入端22，使后者的漂移电压归零。
在前述中假定运算放大器和主放大器mv有很高的开环增益，差动信号ds的两个端点基本在同一电位，这相当于将强的负直流电压反馈通过外围电路加到运算放大器时，运算放大器的正常工作。
第2存储电容C2的电压因而同时依赖于主放大器mv和辅放大器av的漂移电压。通过把第1和第2存储电容的电压差加在主放大器mv的自动归零输入端Z2，后者的漂移电压除小的残余外被调零。
开关S1………，S4由4个控制信号P1′………P4′控制，这4个信号由控制电路St′的时钟信号Cl′导出。控制信号必须限定至少二个不重叠时间间隔，即分别在时间间隔(2)和(4)中的第一和第二测量间隔m1、m2，参见图2。
图3是本发明的漂移电压均衡运算放大器的一个实施例，和图1中具有相同功能的部分用相同的符号标出。辅放大器av由第一和第二放大器V1、V2和第一减法器sb1构成。五个放大器V1………，V5可以由双极或MOS工艺制成。它们可以是电流或电压控制，因而相应的输出可以设计成电流源或电压源。
主放大器由第三、第四和第五放大器V3、V4、V5以及第二减法器sb2构成。第一放大器V1具有第一个预置的灵敏度(＝第一灵敏度值e1)。在电压或电流放大器的情况下，一个限定的有限增益对应于该预置灵敏度，第一放大器V1构成了辅助放大器av的差动输入i1。第二放大器V2具有第二个预量的灵敏度(＝第二灵敏值e2)并构成自动归零输入Z1。第一和第二放大器V1，V2的输出分别与第一减法器sb1的被减数和减数输入相连，其输出是辅助放大器输出。
第一减法器sb1的输出通过第三开关S3与第一存储电容C1以及第二放大器V2的输入相连，第三开关S3由第三控制信号P3控制。由于第二放大器的灵敏值e2小于第二放大器的灵敏值e1至多5倍，最好是10O到200倍，在第一个测量周期m1中，第一存储电容器C1上的电压值增加了对应灵敏值差的倍数，因而第二放大器V2的输出电压几乎不受该放大器的漂移电压误差的影响。然而该测量的基本优点是第一存储电容器所需的电容量可以很小，即10到60微微法(pf)，该值的电容可以不占太多的芯片面积而实现。
第一减法器sb1的输出也和第四开关S4相连，S4受第四控制信号P4控制，其输出和第二存储电容C2以及第四放大器V4的输入相耦合。由于第四放大器灵敏值e4和第二灵敏值e2相等，第三灵敏值e3和第一灵敏值e1相等，在第二测量周期m2中，第二存储电容C2之上的电压也比相同灵敏值情况下增加第三和第四灵敏值e3，e4之差倍。在第二放大器V2中，第四放大器V4的漂移电压因而可以被忽略。在这里，基本的优点也是第二存储电容器C2只需10到60微微法的电容量，因而它很适于单片集成。
第二减法器sb2的输出被送到第五放大器V5的输入，它通过其很高的开环增益提供运算放大器的精确的放大。为了提供运算放大器充分的负反馈能力，第五放大器V5包括常用的
Figure 9010783800091
频率衰减，在图3中由和第五放大器相连的RC部分标出。—个分开的表示控制器st的电路框图提供了四个受时钟信号Cl控制的用于四个开关S1，………S4的控制信号P1………P4。
如果变化率例如差动信号ds的频率相对于完全测量周期，例如1KHZ很小，所述控制电路可以使残余漂移误差变得很小。
如果差动信号ds的值在第二测量周期m2发生变化，电路的工作情况就会不同，这时通过主放大器mv的外接控制环路在第二测量周期m2中试图补偿可能的漂移误差并提供和正确信号不同的输出信号ds′。该差别随着差动信号ds的变化率增加而增加。
为了解决这个问题，第五放大器V5的输出通过补偿电路K1反馈到第一减法器sb1的补偿输入端。补偿输入端是例如带有一个加法器的附加的被减输入在加法器中两个被减信号相加。由于误差来源于第二测量间隔m2，反馈线路只在第二测量间隔通过附加的第四开关S4′接通，S4′受第四控制信号P4控制。反馈电路K1具有和第五放大器V5相反的频率响应。它保证了在运算放大器 频率衰减范围内满意地进行补偿。
图5a是用CMOS工艺制造的漂移电压均衡运算放大器的另一实施例的电路图，其第一，第二，第三和第四放大器采用第一，第二，第三和第四运算互导放大器(OTA)OP1，OP2，OP3，OP4形式设计，第一和第二OTA(OP1，OP2)的差动输出和第一电流差分级sd1的第一和第二输入点g1，g2相连，它的作用是第一减法器sb1。
第一电流差分级sd1含有—共阴共栅电流镜面Cm，其工作如下。电流镜面Cm为通过第一和第二输入点g1，g2被供以等量恒流I3，在第二输入点g2和电流镜面Cm输出端之间的馈出点Kl，一个单极的第一差分电流d1可以做为电流差分级sd1的输出信号取出，如果在恒流I3之外没有进—步的不等电流加在两个输入点g1，g2上，电流镜面Cm的输出电流将精确地等于加在第二输入端g2的电流。在这种情况下，差分电流d1值为零。然而，如果不等电流加在两个输入点g1，g2上，它们的差将作为同级第一差分电流d1出现在馈出点Kl上。
在主放大器mv中，第三和第四OTA(OP3，OP4)的差分输出分别与作为第二减法器并传送第二差分电流d2的第二电流差分级sd2的第三和第四馈入点g3，g4连接。其第四馈入点g4作为馈出端点，第二差分电流d2驱动第五放大器V5，以提供输出信号ds′，所有四个OTA都在其输入端包含一个P沟道差动放大器。第一和第三OTA(OP1，OP3)在其输出线分别含有附加的共阴共栅结构的P沟道晶体管t1，t2和t3，t4。第二电流差分级sd2含有一由两个n沟道晶体管构成的简单电流镜面，其电流镜面的输入端和输出端分别与第三输入端g3和第四输入端g4相连。
第二和第四OTA(OP2，OP4)的小灵敏值e2，e4通过使P沟道晶体管对在输入端沟道长度大于第一和第三OTA(OP1，OP3)而得到。此外，驱动第二和第四OTA(OP2，OP4)的P沟道晶体管对其共源端的电流I2要比支持第一和第三OTA(OP1，OP3)的共源端的电流I1小大约一个数量级。灵敏值e2，e4也通过使P沟道晶体管对在输入端有效栅源间电压增加而减小。这样利于使这些P沟道晶体管的阱区和衬底端的连接。
如果电路采用图5a所示CMOS工艺制作，每个开关S1…………S6，(参见图5b)Si是一个有反相控制信号Pi，Pig的传输门，第三、第四控制信号P3，P4到第一和第二存储电容C1，C2的电容耦合受到第一和第二均衡电路n1，n2的分别补偿。每个均衡电路n1，n2由与各存储电容C1，C2的检测线并联的短线组成，并分别含有一电抗性的第三或第四开关装置形式的均衡元件，后者分别被馈给第三和第四控制信号P3，P4。
圈5a中的补偿电路K2包含两个高通滤波器，其频率响应和第五放大器V5上的
Figure 9010783800121
负反馈相反，并且其两个输出分别与第一和第二馈入点g1，g2相连，笫五和第六开关S5，S6使补偿电路只在第二测量间隔m2作用于第一差分电流d1。
在第一测量间隔m1，辅放大器av的控制电路，即第一差分电流d1使加在第一存储电容上的电压变化直到第一OTA(OP1)含有漂移误差的电流输出被第二OTA(OP2)相反的漂移补偿。在这种情况下，第一差分电流d1变为零，而且第一存储电容C1上的电压不再变化。辅放大器av的控制环因而采用积分控制。在第二测量期间m2，所需的第二OTA(OP2)的漂移通过第一存储电容器C1上的电压而得到保持。
在第二测量期间m2，第三OTA(OP3)的含漂移误差的输出电流被第四OTA(OP4)相应的漂移补偿。第四OTA(OP4)的相应漂移受存储电容C2上的电压控制，该电压由第一差分电流d1改变直到辅放大器av不能再探测出其差动输入端电压差为止。因而这种第二控制环路也采用积分控制。

Claims (10)

1.用于差动信号(ds)的漂移电压均衡运算放大器包括：
—一个有可以由第一和第二电子开关装置(S1，S2)短路的自动归零输入(Z1)和差动输入(i1)的辅放大器(av)，
—一个具有差动输入(i2)和自动归零输入(Z2)的主放大器(mv)，
—一个通过第三电子开关装置(S3)和辅放大器(av)输出耦合的第一存储电容(C1)，用于改变其电荷极性，其电压加在辅放大器(av)的自动归零输入端(Z1)，
—一个通过第四电子开关装置(S4)和辅放大器(av)输出耦合的第二存储电容(C2)，用于改变电荷极性，其电压加在主放大器(mv)的自动归零输入端(Z2)，
—一个控制器(st；st′)提供四个开关装置(S1，……S4)的控制信号(P1′……P4′；P1……P4)，所述控制信号，决定辅放大器(av)在输入端短路的第一测量间隔和辅放大器(av)与主放大器(mv)被馈入差动信号(ds)的不重合的第二测量间隔，
其特征在于：
—具有第一预定灵敏度(＝第一灵敏值e1)的第一放大器V1构成辅放大器(av)的差动输入(i1)；
—具有第二预定灵敏度(＝第二灵敏值e2)的第二辅放大器(av)的自动归零输入(Z1)，其中e2小于e1；
—第一和第二放大器(V1，V2)的输出分别与第一减法器(Sb1)的被减和减输入端相连，其输出构成辅放大器输出；
—具有第三预定灵敏度(＝第三灵敏值＝e3)的第三放大器(V3)构成主放大器(mv)的差动输入(i2)；
—具有第四预定灵敏度(＝第四灵敏值＝e4)的第四放大器(V4)构成主放大器(mv)的自动归零输入(Z2)，其中e4小于e3；
—第三和第四放大器(V3，V4)的输出分别与第二减法器(Sb2)的被减输入端相连，第二减法器输出和具有高开环增益的第五放大器耦合，其输出作为主放大器输出。
2.权利要求1的运算放大器，其特征在于：
—第五放大器(V5)的输出通过附加第四开关装置(S4′)与一补偿电路(K1)相连，补偿电路(K1)的输出与第一减法器(Sb1)的补偿输入耦合；
—补偿电路(K1)具有和第五放大器(V5)相反的频率响应；
—由附加第四开关(S4′)在第二测量间隔接通反馈回路。
3.权利要求2的运算放大器，其特征在于采用MOS工艺集成，并且其第一，第二，第三和第四放大器(V1………V4)分别为第一，第二，第三，第四运算互导放大器(OTA)(OP1，OP2，OP3，OP4)。
4.权利要求3的运算放大器，特征在于：
—第二和第四OTA(OP2，OP4)的灵敏值(e2，e4)分别小于第一和第三OTA(OP1，OP3)的灵敏值至少5倍，最好是大约10的二次方倍；
—第一和第三OTA(OP1，OP3)的灵敏值相等，而且第二和第四OTA(OP2，OP4)的灵敏值相等；
—采用单片集成电路工艺实现第一和笫二存储电容(C1，C2)。
5.权利要求4的运算放大器，特征在于：
—第一减法器(Sb1)是一第一电流差分级(Sd1)具有笫一和第二馈入点(g1，g2)，第一和第二OTA(OP1，OP2)的反相电流输出与其相连。
—第二减法器(Sb2)是一第二电流差分级(Sd2)具有第三和第四馈入点(g3，g4)，第三和第四OTA(OP3，OP4)的反相电流输出与其相连。
—第一电流差分级(Sd1)的输出端(Kl)和第二电流差分级(Sd2)的输出端(g4)以同极输出电流形式分别传送第一差分电流(d1)和第二差分电流(d2)。
6.权利要求5的运算放大器，特征如下：
—采用 负反馈的第五放大器(V5)；
—和第5放大器(V5)输出相连的补偿电路(K2)含两个高通滤波器，其频率响应与第五放大器的 负反馈相反。它们的两个输出由第5和第6开关(S5，S6)与第一电流差分级(Sd1)的两个馈入端(g1，g2)耦合。第五与第六开关装置由补偿电路(K2)组成，分别受第一和第二控制信号(P1，P2)控制，使补偿电路(K2)只在第二测量间隔作用于第一差分电流(d1)。
7.权利要求4的运算放大器，其特征在于一个第一均衡电路(n1)包括：插入第一存储电容(C1)读出线和辅放大器自动归零输入端(Z1)之间的一电抗性第三开关方式。馈入第三控制信号(P3)，第二均衡电路(n2)插入在第二存储电容(C2)的读出端和主放大器(mv)自动归零输入(Z2)之间组成一电抗性第四开关装置，馈入第4控制信号(P4)。
8.权利要求6和7的运算放大器，其特征为该放大器由CMOS工艺制成，并在六个开关装置(S1………S6)和两个均衡电路(n1，n2)的电抗性开关装置的每一个上面加入反相控制信号(Pi，Pig)。
9.权利要求4的运算放大器，其特征为各OTA(OP1………，OP4)的灵敏值由场效应管差分级输入端的沟道长度，有效栅一源电压以及分别由恒流源传送的电流值(I1，I2)调整。
10.权利要求5的运算放大器，其特征在于：
—第一OTA(OP1)差分输出包括以共源共栅组合构成的第一场效应晶体管(t1)和第二场效应管(t2)，第三OTA(OP3)差分输出包括以共源共栅组合构成的第三场效应管(t3)和第四场效应管(t4)；
—第一电流差分级(Sd1)包括由共源共栅组合构成的电流镜面(Cm)组成。
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