CN107623498A - 一种运算放大器校准方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种运算放大器校准方法及电路，其中方法包括运算放大器获取输入第一信号和第二信号，并进行放大处理得到对应的输出第三信号和第四信号，并将第三信号和第四信号输入至积分器的输入端；积分器根据接收的第三信号和第四信号进行积分处理，生成对应的输出第五信号和第六信号，并反馈至运算放大器；运算放大器根据接收的第五信号和第六信号进行均衡处理，并控制运算放大器输出的第三信号和第四信号。系统包括运算放大器、积分器。本发明通过采用积分器构成反馈回路以调整运算放大器输入差分对晶体管衬底电压，实现消除运算放大器失调电压的目的。

Description

一种运算放大器校准方法及电路

技术领域

本发明涉及运算放大器参数校准技术领域，尤指一种运算放大器校准方法及电路。

背景技术

运算放大器的失调电压是指运放两个输入端为零时，输出会有一定数值，它被等效为一个与运放反向输入端串联的电压源。运算放大器的失调电压是由于制造工艺导致的输入对管不对称产生的，并且会随着温度的变化而改变。

在通讯接收机系统中，接收到的信号通常较小，需要经过很高的增益放大到便于测量的幅度。运算放大器失调电压会被高增益运算放大器本身放大，使得其输出端饱和，导致运算放大器不能正常工作。因此运算放大器失调电压校准在高增益系统中是非常关键的。

最经典的方法是在放大器与放大器之间加隔直电容，参见图9，此种方法在有低频信号时，需要非常大的隔直电容，而且，如果本级增益较大时，隔直电容不能解决本级由失调引起的输出端饱和的问题。另一种方法是采用数字校准技术，参见图10，此种方法是把运算放大器输出端失调经过模数转换器量化后反馈到主运算放大器，经过反馈收敛到一个较小的值。此种方法首先需要一个完整的放大、采样、量化系统，增加了实现的复杂度，同时需要额外的数字逻辑来保证该系统的负反馈稳定性，而且该反馈系统的最终校准效果受限于模数转换器的量化精度和反馈MOS管数目控制精度，不能得到一个很好的失调消除效果。

针对上述情况，本申请提供了一种解决以上技术问题的技术方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种运算放大器校准方法及电路，通过采用积分器构成反馈回路以调整运算放大器输入差分对晶体管衬底电压，实现消除运算放大器失调电压。

本发明提供的技术方案如下：

一种运算放大器校准方法，包括：步骤S100运算放大器获取输入第一信号和第二信号，并进行放大处理得到对应的输出第三信号和第四信号，并将所述第三信号和所述第四信号输入至积分器的输入端；步骤S200所述积分器根据接收的所述第三信号和所述第四信号进行积分处理，生成对应的输出第五信号和第六信号，并反馈至所述运算放大器；步骤S300所述运算放大器根据接收的所述第五信号和所述第六信号进行均衡处理，并控制所述运算放大器输出的所述第三信号和所述第四信号。

在本发明中，采用积分器构成反馈回路以调整运算放大器输入差分对晶体管衬底电压，从而消除运算放大器失调电压。

优选的，步骤S300包括：步骤S310所述运算放大器接收的所述第五信号反馈至所述运算放大器中的第一差分对晶体管M1的衬底端；步骤S320所述运算放大器接收的所述第六信号反馈至所述运算放大器中的第一差分对晶体管M2的衬底端；步骤S330所述运算放大器将所述第一差分对晶体管M1和M2的衬底端进行均衡处理，并控制所述运算放大器输出的所述第三信号和所述第四信号。

本发明还提供了一种运算放大器校准电路，其应用前述的运算放大器校准方法，所述电路包括：运算放大器、积分器；所述运算放大器用于获取输入端第一信号和第二信号，并进行放大处理得到对应的输出端第三信号和第四信号，并将所述第三信号和所述第四信号输入至积分器的输入端；所述积分器用于根据接收的所述第三信号和所述第四信号进行积分处理，生成对应的输出端第五信号和第六信号，并反馈至所述运算放大器；所述运算放大器还用于根据接收的所述第五信号和所述第六信号进行均衡处理，并控制所述运算放大器输出端输出的所述第三信号和所述第四信号。

在本发明中，采用积分器构成反馈回路以调整运算放大器输入差分对晶体管衬底电压，从而消除运算放大器失调电压。

优选的，所述运算放大器包括：第一差分对晶体管M1和M2、动态负载；所述运算放大器输入端第一信号与所述第一差分对晶体管M2的栅极电连接；所述第一差分对晶体管M2的漏极与所述动态负载电连接；所述积分器输出端第六信号与所述第一差分对晶体管M2的衬底端电连接；所述运算放大器输入端第二信号与所述第一差分对晶体管M1的栅极电连接；所述第一差分对晶体管M1的漏极与所述动态负载电连接；所述积分器输出端第五信号与所述第一差分对晶体管M1的衬底端电连接；所述动态负载分别与所述运算放大器输出端第三信号和第四信号电连接。

优选的，所述动态负载包括：第二差分对晶体管M3和M4；所述第二差分对晶体管M4的漏极与所述第一差分对晶体管M2的漏极共同与所述运算放大器输出端第四信号电连接；所述第二差分对晶体管M3的漏极与所述第一差分对晶体管M1的漏极共同与所述运算放大器输出端第三信号电连接。

优选的，所述动态负载还包括：第二差分对晶体管M3和M4、第三差分对晶体管M5和M6；所述第二差分对晶体管M4的漏极与所述第一差分对晶体管M2的漏极共同与所述第三差分对晶体管M6的栅极电连接；所述第三差分对晶体管M6的漏极与所述运算放大器输出端第三信号电连接；所述第二差分对晶体管M3的漏极与所述第一差分对晶体管M1的漏极共同与所述第三差分对晶体管M5的栅极电连接；所述第三差分对晶体管M5的漏极与所述运算放大器输出端第四信号电连接。

优选的，所述积分器包括：第四差分对晶体管M7和M8、第五差分对晶体管M9和M10；所述运算放大器输出端第三信号与所述第四差分对晶体管M8的栅极电连接；所述第四差分对晶体管M8的漏极与所述第五差分对晶体管M10的漏极共同与所述积分器输出端第五信号电连接；所述运算放大器输出端第四信号与所述第四差分对晶体管M7的栅极电连接；所述第四差分对晶体管M7的漏极与所述第五差分对晶体管M9的漏极共同与所述积分器输出端第六信号电连接。

在本发明中，积分器反馈回路是并联在信号通路上的，不会影响正常的信号传输。

通过本发明提供的一种运算放大器校准方法及电路，能够带来以下至少一种有益效果：

1、在本发明中，采用积分器构成反馈回路以调整运算放大器输入端差分对晶体管衬底电压，从而消除运算放大器失调电压。

2、在本发明中，积分器反馈回路是并联在信号通路上的，不会影响正常的信号传输。

3、在本发明中，采用负反馈来抑制运算放大器输出失调电压，可以自适应不同芯片的工艺偏差。

4、在本发明中，采用负反馈来抑制运算放大器输出失调电压，可以自适应由于温漂引起的输入失调电压的变化。

5、在本发明中，反馈回路在信号通路上会呈现一个高通特性，此特性可以进一步抑制运算放大器输入端的闪烁噪声，提高信号传输性能。

6、本发明结构简单，易于实现。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种运算放大器校准方法及电路的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明的一种运算放大器校准方法的一个实施例的流程图；

图2是本发明的一种运算放大器校准方法的另一实施例的流程图；

图3是本发明的一种运算放大器校准电路的一个实施例的结构示意图；

图4是本发明的一种运算放大器校准电路的另一实施例的结构示意图；

图5是本发明的一种运算放大器校准电路的另一实施例的结构示意图；

图6是本发明的一种运算放大器校准电路的另一实施例的结构示意图；

图7是本发明的一种运算放大器校准电路的另一实施例的结构示意图；

图8是本发明的一种运算放大器校准电路的另一实施例的结构示意图；

图9是运算放大器失调电压校准电路的一个结构示意图；

图10是运算放大器失调电压校准电路的另一结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

本发明提供了一种运算放大器校准方法的一个实施例，参见图1，在本实施例中包括：步骤S100运算放大器获取输入第一信号和第二信号，并进行放大处理得到对应的输出第三信号和第四信号，并将所述第三信号和所述第四信号输入至积分器的输入端；步骤S200所述积分器根据接收的所述第三信号和所述第四信号进行积分处理，生成对应的输出第五信号和第六信号，并反馈至所述运算放大器；步骤S300所述运算放大器根据接收的所述第五信号和所述第六信号进行均衡处理，并控制所述运算放大器输出的所述第三信号和所述第四信号。

具体的，在本实施例中，运算放大器的输入失调电压等效于在输入端串联一个电压源，步骤S100中运算放大器输入端第一信号和第二信号包含输入差分信号以及运算放大器的输入失调电压，输入差分信号以及运算放大器的输入失调电压经过运算放大器放大后，形成第三信号和第四信号，第三信号和第四信号包含输出差分信号和运算放大器的输出失调电压，并输入至积分器；步骤S200中积分器去除第三信号和第四信号中的输出差分信号，而将其中的运算放大器的输出失调电压经过积分处理后，生成对应的输出端第五信号和第六信号，即积分器正输出和负输出，并反馈至运算放大器；步骤S300中通过负反馈回路对积分器正输出和负输出的不断调整，并控制第三信号和第四信号以消除其中的运算放大器的输出失调电压。

在本发明中，采用积分器构成反馈回路以调整运算放大器输入差分对晶体管衬底电压，从而消除运算放大器失调电压。

在以上实施例的基础上，本发明还提供一个实施例，参照图2，步骤S300包括：步骤S310所述运算放大器接收的所述第五信号反馈至所述运算放大器中的第一差分对晶体管M1的衬底端；步骤S320所述运算放大器接收的所述第六信号反馈至所述运算放大器中的第一差分对晶体管M2的衬底端；步骤S330所述运算放大器将所述第一差分对晶体管M1和M2的衬底端进行均衡处理，并控制所述运算放大器输出的所述第三信号和所述第四信号。

具体的，在本实施例中，步骤S310中积分器正输出用作运算放大器其中一个输入差分对晶体管的衬底电压；步骤S320中积分器负输出用作另一个输入差分对晶体管的衬底电压；步骤S330中通过负反馈回路对积分器正输出和负输出的不断调整，均衡运算放大器输入差分对晶体管的衬底电压，直到他们的差值收敛到一个固定的值，此时运算放大器输出失调电压收敛到接近于零。

在以上实施例的基础上，本发明还提供一个实施例，参照图1-2所示，包括：步骤S100运算放大器获取输入第一信号和第二信号，并进行放大处理得到对应的输出第三信号和第四信号，并将所述第三信号和所述第四信号输入至积分器的输入端；步骤S200所述积分器根据接收的所述第三信号和所述第四信号进行积分处理，生成对应的输出第五信号和第六信号，并反馈至所述运算放大器；步骤S210当所述第三信号大于所述第四信号时，所述积分器输出的第五信号和第六信号的差值减小；步骤S220当所述第三信号小于等于所述第四信号时，所述积分器输出的第五信号和第六信号的差值增大；步骤S310所述运算放大器接收的所述第五信号反馈至所述运算放大器中的第一差分对晶体管M1的衬底端；步骤S320所述运算放大器接收的所述第六信号反馈至所述运算放大器中的第一差分对晶体管M2的衬底端；步骤S330所述运算放大器将所述第一差分对晶体管M1和M2的衬底端进行均衡处理，并控制所述运算放大器输出的所述第三信号和所述第四信号。

具体的，在本实施例中，输入差分信号以及运算放大器的输入失调电压经过运算放大器放大后，形成输出差分信号和运算放大器的输出失调电压，并输入至积分器；积分器将运算放大器的输出失调电压经过积分处理后，生成对应的积分器正输出和负输出，并反馈至运算放大器；积分器正输出和负输出分别用作运算放大器输入差分对晶体管的衬底电压，通过负反馈回路对积分器正输出和负输出的不断调整，均衡运算放大器输入差分对晶体管的衬底电压，消除运算放大器的输出失调电压。

本发明还提供了一种运算放大器校准电路的一个实施例，参照图3，包括：运算放大器、积分器；所述运算放大器用于获取输入端第一信号和第二信号，并进行放大处理得到对应的输出端第三信号和第四信号，并将所述第三信号和所述第四信号输入至积分器的输入端；所述积分器用于根据接收的所述第三信号和所述第四信号进行积分处理，生成对应的输出端第五信号和第六信号，并反馈至所述运算放大器；所述运算放大器还用于根据接收的所述第五信号和所述第六信号进行均衡处理，并控制所述运算放大器输出端输出的所述第三信号和所述第四信号。

具体的，在本实施例中，输入差分信号以及运算放大器的输入失调电压经过运算放大器放大后，形成输出差分信号和运算放大器的输出失调电压，并输入至积分器；积分器将运算放大器的输出失调电压经过积分处理后，生成对应的积分器正输出和负输出，并反馈至运算放大器；积分器正输出和负输出分别用作运算放大器输入差分对晶体管的衬底电压，通过负反馈回路对积分器正输出和负输出的不断调整，均衡运算放大器输入差分对晶体管的衬底电压，直到他们的差值收敛到一个固定的值，此时运算放大器输出失调电压收敛到接近于零。

在本发明中，采用积分器构成反馈回路以调整运算放大器输入差分对晶体管衬底电压，从而消除运算放大器失调电压。

在以上实施例的基础上，本发明还提供一个实施例，参照图4-6，所述运算放大器包括：第一差分对晶体管M1和M2、动态负载；所述运算放大器输入端第一信号与所述第一差分对晶体管M2的栅极电连接；所述第一差分对晶体管M2的漏极与所述动态负载电连接；所述积分器输出端第六信号与所述第一差分对晶体管M2的衬底端电连接；所述运算放大器输入端第二信号与所述第一差分对晶体管M1的栅极电连接；所述第一差分对晶体管M1的漏极与所述动态负载电连接；所述积分器输出端第五信号与所述第一差分对晶体管M1的衬底端电连接；所述动态负载分别与所述运算放大器输出端第三信号和第四信号电连接；所述积分器包括：第四差分对晶体管M7和M8、第五差分对晶体管M9和M10；所述运算放大器输出端第三信号与所述第四差分对晶体管M8的栅极电连接；所述第四差分对晶体管M8的漏极与所述第五差分对晶体管M10的漏极共同与所述积分器输出端第五信号电连接；所述运算放大器输出端第四信号与所述第四差分对晶体管M7的栅极电连接；所述第四差分对晶体管M7的漏极与所述第五差分对晶体管M9的漏极共同与所述积分器输出端第六信号电连接。

具体的，在本实施例中，等效到运算放大器输入端有一个失调电压Vos，输入失调电压经过运算放大器放大后，在输出端形成一个gm1*ro1*Vos的失调电压，其中gm1为运算放大器输入差分对晶体管M1的跨导，ro1为运算放大器输入差分对晶体管M1的输出阻抗；运算放大器输出端失调电压作为积分器的输入信号，其差分信号Vop-Von为正，从而积分器输出信号Vbn-Vbp为正。对于小信号而言，积分器直流增益为gm7*ro7，其中gm7为积分器输入差分对晶体管M7的跨导，ro7为积分器输入差分对晶体管M7的输出阻抗7。反馈信号Vbp和Vbn连接到7运算放大器输入差分对晶体管M1和M2的衬底端。由于晶体管衬底端会有衬底跨导gmbs2和gmbs1，在Vbp、Vbn和Vop、Von之间形成负反馈回路。该负反馈回路的直流环路增益为gmbs1*ro1*gm7*ro7。由于运算放大器输出端初始失调电压幅值较大，积分器输出端饱和，积分器7没有工作在正常状态，从而其增益较小，在状态开始时建立时间较慢。随着失调电压的减小，运算放大器工作状态趋于正常，负反馈系统的收敛速度会加快。当经过一段足够的时间过后，运算放大器输出端失调电压收敛到接近于0，积分器差分输出收敛到一个固定的值。对于整个负反馈回路而言，运算放大器输出失调电压被衰减到gm1*ro1*Vos/(gmbs1*ro1*gm7*ro7)＝Vos*gm1/(gmbs1*gm7*ro7)，其收敛过程如图6所示。

本发明实施例中的提供的方法可以应用于单级、两级或更高级运算放大器中。增大运算放大器或者积分器的直流增益，可以显著提高本发明对运算放大器输出端失调电压的抑制效果。

在以上实施例的基础上，本发明还提供一个实施例，参照图7，所述动态负载包括：第二差分对晶体管M3和M4；所述第二差分对晶体管M4的漏极与所述第一差分对晶体管M2的漏极共同与所述运算放大器输出端第四信号电连接；所述第二差分对晶体管M3的漏极与所述第一差分对晶体管M1的漏极共同与所述运算放大器输出端第三信号电连接。

具体的，在本实施例中，为一个单级运算放大器。该运算放大器为全差分结构，左右是对称的；M1和M2为输入差分对晶体管，该处产生极点Vop和Von；M3和M4为负载；R1和R2为全差分运算放大器共模反馈电阻，用来确定输出端共模电压；当M1和M2为P型晶体管时，M3和M4为N型晶体管；反之，当M1和M2为N型晶体管时，M3和M4为P型晶体管。

在以上实施例的基础上，本发明还提供一个实施例，参照图8，所述动态负载还包括：第二差分对晶体管M3和M4、第三差分对晶体管M5和M6；所述第二差分对晶体管M4的漏极与所述第一差分对晶体管M2的漏极共同与所述第三差分对晶体管M6的栅极电连接；所述第三差分对晶体管M6的漏极与所述运算放大器输出端第三信号电连接；所述第二差分对晶体管M3的漏极与所述第一差分对晶体管M1的漏极共同与所述第三差分对晶体管M5的栅极电连接；所述第三差分对晶体管M5的漏极与所述运算放大器输出端第四信号电连接。

具体的，在本实施例中，为一个两级运算放大器。该运算放大器为全差分结构，左右是对称的；M1和M2为输入差分对晶体管，该处产生第一级极点Vop1和Von1；M5和M6为第二级放大晶体管，该处产生第二级极点Von和Vop；M3和M4为第一级的负载，等效于第二级的理想电流源；R1和R2为全差分运算放大器共模反馈电阻，用来确定输出端共模电压。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种运算放大器校准方法，其特征在于，包括：

步骤S100运算放大器获取输入第一信号和第二信号，并进行放大处理得到对应的输出第三信号和第四信号，并将所述第三信号和所述第四信号输入至积分器的输入端；

步骤S200所述积分器根据接收的所述第三信号和所述第四信号进行积分处理，生成对应的输出第五信号和第六信号，并反馈至所述运算放大器；

步骤S300所述运算放大器根据接收的所述第五信号和所述第六信号进行均衡处理，并控制所述运算放大器输出的所述第三信号和所述第四信号。

2.根据权利要求1所述的运算放大器校准方法，其特征在于，步骤S300包括：

步骤S310所述运算放大器接收的所述第五信号反馈至所述运算放大器中的第一差分对晶体管M1的衬底端；

步骤S320所述运算放大器接收的所述第六信号反馈至所述运算放大器中的第一差分对晶体管M2的衬底端；

步骤S330所述运算放大器将所述第一差分对晶体管M1和M2的衬底端进行均衡处理，并控制所述运算放大器输出的所述第三信号和所述第四信号。

3.一种应用于权利要求1-2任一所述的运算放大器校准方法的运算放大器校准电路，其特征在于，包括：

运算放大器、积分器；

所述运算放大器用于获取输入端第一信号和第二信号，并进行放大处理得到对应的输出端第三信号和第四信号，并将所述第三信号和所述第四信号输入至积分器的输入端；

所述积分器用于根据接收的所述第三信号和所述第四信号进行积分处理，生成对应的输出端第五信号和第六信号，并反馈至所述运算放大器；

所述运算放大器还用于根据接收的所述第五信号和所述第六信号进行均衡处理，并控制所述运算放大器输出端输出的所述第三信号和所述第四信号。

4.根据权利要求3所述的运算放大器校准电路，其特征在于，所述运算放大器包括：

第一差分对晶体管M1和M2、动态负载；

所述运算放大器输入端第一信号与所述第一差分对晶体管M2的栅极电连接；

所述第一差分对晶体管M2的漏极与所述动态负载电连接；

所述积分器输出端第六信号与所述第一差分对晶体管M2的衬底端电连接；

所述运算放大器输入端第二信号与所述第一差分对晶体管M1的栅极电连接；

所述第一差分对晶体管M1的漏极与所述动态负载电连接；

所述积分器输出端第五信号与所述第一差分对晶体管M1的衬底端电连接；

所述动态负载分别与所述运算放大器输出端第三信号和第四信号电连接。

5.根据权利要求4所述的运算放大器校准电路，其特征在于，所述动态负载包括：

第二差分对晶体管M3和M4；

所述第二差分对晶体管M4的漏极与所述第一差分对晶体管M2的漏极共同与所述运算放大器输出端第三信号电连接；

所述第二差分对晶体管M3的漏极与所述第一差分对晶体管M1的漏极共同与所述运算放大器输出端第四信号电连接。

6.根据权利要求4所述的运算放大器校准电路，其特征在于，所述动态负载还包括：

第二差分对晶体管M3和M4、第三差分对晶体管M5和M6；

所述第二差分对晶体管M4的漏极与所述第一差分对晶体管M2的漏极共同与所述第三差分对晶体管M6的栅极电连接；

所述第三差分对晶体管M6的漏极与所述运算放大器输出端第四信号电连接；

所述第二差分对晶体管M3的漏极与所述第一差分对晶体管M1的漏极共同与所述第三差分对晶体管M5的栅极电连接；

所述第三差分对晶体管M5的漏极与所述运算放大器输出端第三信号电连接。

7.根据权利要求4所述的运算放大器校准电路，其特征在于，所述积分器包括：

第四差分对晶体管M7和M8、第五差分对晶体管M9和M10；

所述运算放大器输出端第三信号与所述第四差分对晶体管M8的栅极电连接；

所述第四差分对晶体管M8的漏极与所述第五差分对晶体管M10的漏极共同与所述积分器输出端第五信号电连接；

所述运算放大器输出端第四信号与所述第四差分对晶体管M7的栅极电连接；

所述第四差分对晶体管M7的漏极与所述第五差分对晶体管M9的漏极共同与所述积分器输出端第六信号电连接。