CN109714007A - 一种用于消除电阻工艺误差的动态匹配电压放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于消除电阻工艺误差的动态匹配电压放大器，包括第一放大器、第二放大器及电阻旋转链：第一放大器的正输入端和第二放大器的正输入端均与信号输入端连接；电阻旋转链包括若干个首尾连接形成闭环的电阻，每相邻两个电阻之间均与开关组连接；每个开关组均包括六个并联的开关，且六个开关的内侧均与该相邻的两个电阻之间连通，六个开关的外侧分别与第一放大器的负输入端、第二个放大器的负输入端、电压正输出端、电压负输出端、第一放大器的输出端以及第二放大器的输出端连接。本发明具有广泛的适用性，可以避免使用针对电阻匹配误差所需要的修调技术，节省了修调所需时间和工艺成本，且可以达到长时间稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，具体的说，是涉及一种用于消除电阻工艺误差的动态匹配电压放大器。
背景技术
现有技术中，一般使用的电压反馈放大器由放大器A，反馈电阻R1和R2组成，如图1所示。因此，Vout=（1+R2/R1）Vin。Vout和Vin的比值由（1+R2/R1）精确定义。业界通常使用的精确运放也由上图实现，用了一个有源的开环放大器和无源器件负反馈网络组成的结构。
然而在此结构中，Vin到Vout的传输函数的低频准确度由器件R1和R2的工艺匹配度决定，而此匹配度对每个芯片，每个圆片而言都是随机的。即使使用了包括修调技术在内的方案，也不能保证长期工作的器件匹配度稳定性。
上述缺陷，值得解决。
发明内容
为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种用于消除电阻工艺误差的动态匹配电压放大器。
本发明技术方案如下所述：
一种用于消除电阻工艺误差的动态匹配电压放大器，其特征在于，包括第一放大器、第二放大器及电阻旋转链：
所述第一放大器的正输入端和所述第二放大器的正输入端均与信号输入端连接；
所述电阻旋转链包括若干个首尾连接形成闭环的电阻，每相邻两个所述电阻之间均与开关组连接；
每个所述开关组均包括六个并联的开关，且该六个开关的内侧均与该相邻的两个电阻之间连通，六个开关的外侧分别与所述第一放大器的负输入端、第二个放大器的负输入端、电压正输出端、电压负输出端、所述第一放大器的输出端以及所述第二放大器的输出端连接。
根据上述方案的本发明，其特征在于，在所述电阻旋转链中，各个所述电阻的阻值相等。
根据上述方案的本发明，其特征在于，在所述电阻旋转链中，所述电阻的个数不小于4个。
根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明可以实现任意比例的增益配置，具有广泛的适用性；在应用在规模化生产时，能减少精确运算放大器的增益准确度（1+R2/R1）受工艺的电阻R1和R2的随机匹配误差影响，同时器件在长期工作时，减少了精确运算放大器的增益准确度（1+R2/R1）受电阻R1和R2因长期储存/工作/外部压力变化造成的随机匹配误差影响；本发明将匹配失调引入的误差从百分之一级别减少到万分之一级别，显著提高了精度，使得整个增益精确度得到保证；本发明整个电路结构简单，可以避免使用针对电阻匹配误差所需要的修调技术，节省了修调所需时间和工艺成本，且可以达到使用修调技术也达不到的长时间稳定性。
附图说明
图1为现有技术中电压反馈放大器的电路图。
图2为增益为2时的动态反馈电路示意图。
图3为本发明具体实施例的结构示意图。
图4为本发明中CMOS互补开关的结构示意图。
图5为本发明具体实施例中第一个时钟周期内的电路连接示意图。
图6为本发明具体实施例中第一个时钟周期的等效电路图。
图7-15分别为本发明具体实施例中第二至第十个时钟周期内的电路连接示意图。
图16为本发明具体实施例中两个输入的电阻两个输出电阻的电路结构图。
图17为本发明11个电阻的一种电路结构图。
图18为本发明11个电阻的另一种电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：
如图2所示，两个阻值相等的电阻R1和R2与放大器A一同形成了动态反馈电路，并且Vout=（1+R2/R1）Vin，理想情况下Vout=2Vin。
在实际生产中，因为工艺上的不匹配以及长时间工作产生的随机匹配误差，R1≠R2。
假设R1=（1+x）R0，R2=（1-x）R0，X为匹配误差，那么：
在图1情况下，
Vout=（1+R2/R1）×Vin
=[1+(1-x)/(1+x)] ×Vin
=2Vin/(1+x)
≈2(1-x)Vin x<<1的情况下
Vout是随机误差x的一阶函数。
在图2情况下
由数字电路控制，相位为1时，Vout1=（1+R2/R1）×Vin；
相位为2时，Vout1=（1+R1/R2）×Vin。
平均增益G=（Vout1+Vout2）/2Vin
=[2Vin/(1+x)+ 2Vin/(1-x)]/2Vin
=1/(1+x)+ 1/(1-x)
=2/(1-x^2)
≈2(1+x^2) x<<1的情况下
因为x<<1，那么电阻R1和R2之间的不匹配被转到二阶效应上，相对于使用此原理之前的2（1-x），减少到了2(1+x^2)。
如图3所示，基于以上原理，本发明提供一种用于消除电阻工艺误差的动态匹配电压放大器，包括第一放大器、第二放大器及电阻旋转链，第一放大器的正输入端和第二放大器的正输入端均与信号输入端连接。
电阻旋转链包括若干个电阻阻值相等的电阻首尾连接形成闭环的链状，并且在两个运算放大器之间周期性的旋转遍历。
每相邻两个电阻之间均与开关组连接，每个开关组均包括六个并联的开关，且该六个开关的内侧均与该相邻的两个电阻之间连通，六个开关的外侧分别与第一放大器的负输入端、第二个放大器的负输入端、电压正输出端、电压负输出端、第一放大器的输出端以及第二放大器的输出端连接。
电阻旋转链的控制中，每一个电阻需要6个开关。因此对于N个电阻组成的电阻旋转链中，需要的开关数为6N。在本实施例中，各个开关组之间开关的连接方式相似（从左到右的分布方式相同，在其他实施例中也可设置不同的分布方式）：第一个开关的外侧与第一放大器的负输入端连接，第二个开关的外侧与第二放大器的负输入端连接，第三个开关的外侧与电压正输出端连接，第四个开关的外侧与电压负输出端连接，第五个开关的外侧与第一放大器的输出端连接，第六个开关的外侧与第二放大器的输出端连接。
在本发明的实施例中，沿着电阻旋转链的旋转方向（即图中顺时针方向）：作为负载的电阻（电阻串）的前侧第三个开关和第五个开关为闭合状态，其后侧第四个开关和第六个开关为闭合状态，即作为负载的电阻（电阻串）前侧分别与输出+、第一放大器的输出端连接其后侧分别与输出-、第二放大器的输出端连接；作为输入电阻（电阻串）的前侧第二个开关为闭合状态，其后侧的第一个开关为闭合状态，即输入电阻（电阻串）的前侧与第一放大器的负输入端连接，其后侧与第二放大器的负输入端连接；其余开关为打开状态。
在本实施例的电阻旋转链中，电阻的个数不小于4个，所以上面的电路增益大于等于3。由于作为负载的电阻不参与增益的计算，因此在每个时钟周期，电阻链移动一个位置，电阻串含有N个电阻且只有一个电阻作为负载、一个电阻作为输入电阻时，在N个时钟周期内，平均的增益Vout/Vin=N-1。
包括N个周期的完整链状开关状态，实现动态匹配需要N个周期内将N个电阻分别遍历一遍。在各个周期中，开关可由CMOS互补开关实现，如图4所示，CMOS互补开关包括一个PMOS管和一个NMOS管对接组成。
如图5至图15所示，在一个10个电阻组成的电阻旋转链，设10个电阻的阻值均为R，且只有一个电阻作为负载、一个电阻作为输入电阻，则电路的增益为（10R-1R）/1R=9。
其增益为9的动态匹配电压放大器电路图中，包括10个周期的完整链状开关状态，实现动态匹配需要10个周期内将10个电阻分别遍历一遍。作为增益为9的电压放大器，电阻链中始终有一个电阻是作为负载电阻的，假设第一个时钟周期定为T1，在T1周期开始时，将R1设为负载电阻，6个开关接通的结构如图5所示，其等效的电路连接图及电压分布如图6所示。
T1周期结束后，T2周期开始，电阻链的动态匹配要求R2作为负载电阻，那么，T2周期的开关接通的结构如图6所示，依次类推。全部10个周期遍历后，我们可以看到，60个开关各接通一次。然后新一轮的10个时钟周期开始，新的第一个时钟周期继续R1做负载。
本发明的电路结构中无对时钟的限制，从每时钟周期1小时，到每时钟周期1ns根据实际应用环境需求，均可适用。
在本发明的具体实施例中10个电阻组成的电阻旋转链中，根据开关逻辑控制的不同，增益配置不同。在图图5至图15的图示中，一个负载电阻、一个输入电阻的情况下，增益为（10R-1R）/1R=9；如图16所示，两个负载电阻、两个输入电阻的情况下，增益为（10R-2R）/2R=5；在其他开关逻辑控制情况下，还可以形成的增益配置包括7/1、8/2、7/3、6/4、8/4、5/5、4/6、3/7、2/8、1/9等。
如图17、图18所示，在一个11个电阻组成的电阻旋转链中，根据开关逻辑控制不同，可以实现不同的增益配置。例如设11个电阻的阻值均为R，在图17中，增益为（11R-1R）/2R=5；在图18中，增益为（11R-2R）/1R=9。
因此，根据电阻链中含有的单位电阻N的数量及开关配置不同，可以实现任意比例的增益配置，具有广泛的适用性。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种用于消除电阻工艺误差的动态匹配电压放大器，其特征在于，包括第一放大器、第二放大器及电阻旋转链：
所述第一放大器的正输入端和所述第二放大器的正输入端均与信号输入端连接；
所述电阻旋转链包括若干个首尾连接形成闭环的电阻，每相邻两个所述电阻之间均与开关组连接；
每个所述开关组均包括六个并联的开关，且该六个开关的内侧均与该相邻的两个电阻之间连通，六个开关的外侧分别与所述第一放大器的负输入端、所述第二个放大器的负输入端、电压正输出端、电压负输出端、所述第一放大器的输出端以及所述第二放大器的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的用于消除电阻工艺误差的动态匹配电压放大器，其特征在于，在所述电阻旋转链中，所述电阻的个数不小于4个。
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