CN117318630B - 运算放大器及其输入电流补偿电路、芯片和电子设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种运算放大器及其输入电流补偿电路、芯片和电子设备，所述电路包括：补偿三极管的基极连接于补偿电流镜及电压电流产生单元，第一输入三极管、第二输入三极管的基极均连接于电压电流产生单元，补偿三极管、第一输入三极管、第二输入三极管的集电极、射极连接于电压电流产生单元，电压电流产生单元用于控制各三极管的基极电压、集电极电流、射极电流均分别相同，以使得三者的基极电流相同，补偿电流镜用于输出镜像电流到第一输入三极管、第二输入三极管的基极，第一输入三极管、第二输入三极管的基极还用于接收正向输入电流、负向输入电流。本公开实施例可以对运算放大器的输入电流进行高精度补偿，降低甚至消除输入电流。

Description

运算放大器及其输入电流补偿电路、芯片和电子设备

技术领域

本公开涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种运算放大器及其输入电流补偿电路、芯片和电子设备。

背景技术

运算放大器(Amplifier,AMP)的作用是将输入电压进行放大并输出。放大器是模拟电路的基础，大多数涉及模拟电路的应用都离不开放大器。

对理想的放大器而言，其有虚断的输入特性，即正负输入端口流过的电流为零。而对于输入差分对为双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor,BJT)的放大器，因为BJT存在基极电流，所以正负输入端口流过的电流不为零。为了降低输入偏置电流(InputBias Current,IB)，最直接、简单的方法就是选用金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor,MOS)作为输入管而非BJT，MOS的栅极无电流流过，从而放大器的输入偏置电流也近似为零。考虑到MOS的噪声等性能不如BJT，一些应用仍然需要用BJT作为输入管，因此，如何降低甚至消除输入偏置电流成为了一大急需解决的问题。

相关技术中，有利用特种工艺制造基极电流相比常规BJT小90％的特种BJT，以降低输入偏置电流，然而这种方式成本较高；抑或是利用达林顿结构改造输入管，但这会降低输入摆幅，并且相关技术难以实现高精度补偿。

发明内容

根据本公开的一方面，提供了一种运算放大器的输入电流补偿电路，所述电路包括：补偿三极管、补偿电流镜、电压电流产生单元及所述运算放大器的第一输入三极管、第二输入三极管，其中，

所述补偿三极管的基极连接于所述补偿电流镜及所述电压电流产生单元的电压产生端，所述第一输入三极管的基极、所述第二输入三极管的基极均连接于所述电压电流产生单元的相应电压产生端，

所述补偿三极管的集电极、所述第一输入三极管的集电极、所述第二输入三极管的集电极连接于所述电压电流产生单元的相应集电极电流产生端，

所述补偿三极管的射极、所述第一输入三极管的射极、所述第二输入三极管的射极连接于所述电压电流产生单元的相应射极电流产生端，

所述电压电流产生单元用于控制所述补偿三极管、所述第一输入三极管、所述第二输入三极管的基极电压、集电极电流、射极电流均分别相同，以使得所述补偿三极管的基极电流与所述第一输入三极管、所述第二输入三极管的基极电流相同，

所述补偿电流镜用于输出所述补偿三极管的基极电流的镜像电流到所述第一输入三极管的基极、所述第二输入三极管的基极，

所述第一输入三极管的基极还用于接收所述运算放大器的正向输入电流，所述第二输入三极管的基极还用于接收所述运算放大器的负向输入电流。

在一种可能的实施方式中，所述电流电压产生单元包括第一电流镜、第二电流镜、钳位放大器，其中，

所述第一电流镜连接于所述补偿三极管的集电极、所述第一输入三极管的集电极、所述第二输入三极管的集电极，用于产生相应的集电极电流，

所述第二电流镜连接于所述补偿三极管的射极、所述第一输入三极管的射极、所述第二输入三极管的射极，用于产生相应的射极电流，

所述钳位放大器的第一正向输入端连接于所述第一输入三极管的基极，所述钳位放大器的第二正向输入端连接于所述第二输入三极管的基极，所述钳位放大器的第一负向输入端连接于所述补偿三极管的基极及所述钳位放大器的输出端。

在一种可能的实施方式中，经补偿后，所述第一输入三极管的基极电流为所述正向输入电流与所述镜像电流之差，所述第二输入三极管的基极电流为所述负向输入电流与所述镜像电流之差。

在一种可能的实施方式中，所述补偿电流镜、第一电流镜、第二电流镜为MOS电流镜、BJT电流镜、低压电流镜的至少一种。

在一种可能的实施方式中，所述补偿电流镜、第一电流镜、第二电流镜的匹配精度大于99％。

根据本公开的一方面，提供了一种运算放大器，所述运算放大器包括所述的运算放大器的输入电流补偿电路。

根据本公开的一方面，提供了一种芯片，所述芯片包括所述的运算放大器。

根据本公开的一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括所述的芯片。

在一种可能的实施方式中，所述电子设备包括显示器、智能手机、智能手表、智慧手环、平板电脑、笔记本电脑、一体式计算机、门禁装置、和电子式门锁的任意一种。

本公开实施例利用电压电流产生单元控制所述补偿三极管、所述第一输入三极管、所述第二输入三极管的基极电压、集电极电流、射极电流均分别相同，以使得所述补偿三极管的基极电流与所述第一输入三极管、所述第二输入三极管的基极电流相同，利用补偿电流镜输出所述补偿三极管的基极电流的镜像电流到所述第一输入三极管的基极、所述第二输入三极管的基极，以对运算放大器的第一输入三极管、第二输入三极管的输入电流进行高精度补偿，降低甚至消除输入电流。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开。根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于说明本公开的技术方案。

图1示出了根据本公开实施例的运算放大器的输入电流补偿电路的示意图。

图2示出了根据本公开实施例的运算放大器的输入电流补偿电路的示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。

另外，为了更好地说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

请参阅图1，图1示出了根据本公开实施例的运算放大器的输入电流补偿电路的示意图。

如图1所示，所述电路包括：补偿三极管Qc、补偿电流镜10、电压电流产生单元20及所述运算放大器的第一输入三极管Qip、第二输入三极管Qin，其中，

所述补偿三极管Qc的基极连接于所述补偿电流镜10及所述电压电流产生单元20的电压产生端，所述第一输入三极管Qip的基极、所述第二输入三极管Qin的基极均连接于所述电压电流产生单元20的相应电压产生端，

所述补偿三极管Qc的集电极、所述第一输入三极管Qip的集电极、所述第二输入三极管Qin的集电极连接于所述电压电流产生单元20的相应集电极电流产生端，

所述补偿三极管Qc的射极、所述第一输入三极管Qip的射极、所述第二输入三极管Qin的射极连接于所述电压电流产生单元20的相应射极电流产生端，

所述电压电流产生单元20用于控制所述补偿三极管Qc、所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin的基极电压、集电极电流、射极电流均分别相同，以使得所述补偿三极管Qc的基极电流Ibc与所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin的基极电流相同，

所述补偿电流镜10用于输出所述补偿三极管Qc的基极电流Ibc的镜像电流到所述第一输入三极管Qip的基极、所述第二输入三极管Qin的基极，

所述第一输入三极管Qip的基极还用于接收所述运算放大器的正向输入电流Ibp，所述第二输入三极管Qin的基极还用于接收所述运算放大器的负向输入电流Ibn。

本公开实施例利用电压电流产生单元20控制所述补偿三极管Qc、所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin的基极电压、集电极电流、射极电流均分别相同，以使得所述补偿三极管Qc的基极电流Ibc与所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin的基极电流相同，利用补偿电流镜10输出所述补偿三极管Qc的基极电流Ibc的镜像电流到所述第一输入三极管Qip的基极、所述第二输入三极管Qin的基极，以对运算放大器的第一输入三极管Qip、第二输入三极管Qin的输入电流进行高精度补偿，降低甚至消除输入电流。

本公开实施例对补偿电流镜10、电压电流产生单元20、运算放大器的具体实现方式不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况及需要实现，示例性的，本领域技术人员可以采用相关技术中任意一种电流镜实现补偿电流镜10，例如可以采用MOS电流镜、BJT电流镜、低压电流镜等的至少一种；示例性的，本公开实施例可以应用于任意的采用三极管作为输入级的运算放大器，以降低甚至消除运算放大器的输入偏置电流，实现输入偏置电流的高精度补偿。示例性的，电压电流产生单元20只要能够控制所述补偿三极管Qc、所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin的基极电压、集电极电流、射极电流均分别相同，以使得所述补偿三极管Qc的基极电流Ibc与所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin的基极电流相同即可，其具体实现方式本领域技术人员可以适应性确定。

请参阅图2，图2示出了根据本公开实施例的运算放大器的输入电流补偿电路的示意图。

在一种可能的实施方式中，如图2所示，所述电流电压产生单元包括第一电流镜210、第二电流镜220、钳位放大器Amp1，其中，

所述第一电流镜210连接于所述补偿三极管Qc的集电极、所述第一输入三极管Qip的集电极、所述第二输入三极管Qin的集电极，用于产生相应的集电极电流，

所述第二电流镜220连接于所述补偿三极管Qc的射极、所述第一输入三极管Qip的射极、所述第二输入三极管Qin的射极，用于产生相应的射极电流，

所述钳位放大器Amp1的第一正向输入端连接于所述第一输入三极管Qip的基极，所述钳位放大器Amp1的第二正向输入端连接于所述第二输入三极管Qin的基极，所述钳位放大器Amp1的第一负向输入端连接于所述补偿三极管Qc的基极及所述钳位放大器Amp1的输出端。

本公开实施例对第一电流镜210、第二电流镜220的具体实现方式不做限定，本领域技术人员可以采用相关技术中任意一种电流镜实现第一电流镜210、第二电流镜220，例如可以采用MOS电流镜、BJT电流镜、低压电流镜等的至少一种。

示例性的，如图2所述，补偿三极管Qc的基极电压通过一单位负反馈连接形式的钳位放大器Amp1实现，钳位放大器Amp1的输出连接到补偿三极管Qc的基极，钳位放大器Amp1的三个输入端分别为所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin和补偿三极管Qc的基极电压。由于钳位放大器Amp1具有虚短特性，所以其3个输入端口电压相同，从而令补偿三极管Qc的基极电压与所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin的基极电压相等。

通过第一电流镜210连接于所述补偿三极管Qc的集电极、所述第一输入三极管Qip的集电极、所述第二输入三极管Qin的集电极，可以使得所述补偿三极管Qc、所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin的集电极电流相等，并且，通过所述第二电流镜220连接于所述补偿三极管Qc的射极、所述第一输入三极管Qip的射极、所述第二输入三极管Qin的射极，可以使得所述补偿三极管Qc、所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin的射极电流相等，至此，补偿三极管Qc的基极电压、集电极电流、射极电流分别与所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin基极电压、集电极电流、射极电流相等，以使得所述补偿三极管Qc的基极电流Ibc与所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin的基极电流相同，从而可以实现所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin输入电流的高精度补偿，最大程度减小甚至几乎消除了输入偏置电流。

当然，以上介绍的电压电流产生单元20的实现方式仅为本公开提出的一种优选的方式，在其他的实施方式中，本领域技术人员可以采用其他的技术手段实现电压电流产生单元20，以使得补偿三极管Qc的基极电压、集电极电流、射极电流分别与所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin基极电压、集电极电流、射极电流相等。

在一种可能的实施方式中，经补偿后，所述第一输入三极管Qip的基极电流Iip为所述正向输入电流Ibp与所述镜像电流Ic之差，所述第二输入三极管Qin的基极电流Iin为所述负向输入电流Ibn与所述镜像电流Ic之差。

本公开实施例通过电压电流产生单元20约束补偿三极管Qc的射极电流、集电极电流和基极电压与所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin一致，从而得到与所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin一致的基极电流Ibc。基极电流Ibc经过补偿电流镜10后得到两路补偿镜像电流Ic，与所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin的输入电流Ibp、Ibn分别相减，从而得到非常小的所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin的基极电流Iip＝Ibp-Ic、Iin＝Ibn-Ic，其中Iip、Iin的定义是放大器正向输入电流和负向输入电流。值得指出的是，在使用本公开实施例的技术方案前，运算放大器的所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin输入电流是Iip＝Ibp、Iin＝Ibn，而在采用本公开实施例的技术方案对输入电流进行补偿后，所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin的基极电流分别是Iip＝Ibp-Ic、Iin＝Ibn-Ic，可见，运算放大器的所述第一输入三极管Qip、所述第二输入三极管Qin的输入电流被显著减小。

本公开实施例对所述补偿电流镜10、第一电流镜210、第二电流镜220的匹配精度的具体大小不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况及需要设置，在一种可能的实施方式中，所述补偿电流镜10、第一电流镜210、第二电流镜220的匹配精度大于99％，以降低至少99％的输入电流。

示例性的，如图2所示，进一步分析本发明的补偿效果，以运算放大器的正向输入端为例，理想情况下补偿镜像电流Ic完全等于正向输入电流Ibp，考虑到实际生产制造中电流镜有匹配误差，所以补偿电流也不能和正向输入电流Ibp完全匹配，补偿效果受限于补偿电流镜10、第一电流镜210、第二电流镜220的匹配精准度。本公开实施例中补偿电流镜10、第一电流镜210、第二电流镜220的匹配精度会控制在99％以上，以将正向输入电流Ibp的99％补偿掉，即使用本公开提到的技术方案后的放大器输入电流降低了99％，与之对应的输入阻抗提升了100倍。当然具体的数值跟电流镜的设计精度有关，电流镜约精准，补偿效果越好。

根据本公开的一方面，提供了一种运算放大器，所述运算放大器包括所述的运算放大器的输入电流补偿电路。

根据本公开的一方面，提供了一种芯片，所述芯片包括所述的运算放大器。

所述芯片可以为包括运算放大器的任意类型的芯片，包括但不限于单独的处理器，或者分立元器件，或者处理器与分立元器件的组合。所述处理器可以包括电子设备中具有执行指令功能的控制器，所述处理器可以按任何适当的方式实现，例如，被一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现。在所述处理器内部，可以通过逻辑门、开关、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等硬件电路。

根据本公开的一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括所述的芯片。

在一种可能的实施方式中，所述电子设备包括显示器、智能手机、智能手表、智慧手环、平板电脑、笔记本电脑、一体式计算机、门禁装置、和电子式门锁等的任意一种。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种运算放大器的输入电流补偿电路，其特征在于，所述电路包括：补偿三极管、补偿电流镜、电压电流产生单元及所述运算放大器的第一输入三极管、第二输入三极管，其中，

所述补偿三极管的基极连接于所述补偿电流镜及所述电压电流产生单元的电压产生端，所述第一输入三极管的基极、所述第二输入三极管的基极均连接于所述电压电流产生单元的相应电压产生端，

所述补偿三极管的集电极、所述第一输入三极管的集电极、所述第二输入三极管的集电极连接于所述电压电流产生单元的相应集电极电流产生端，

所述补偿三极管的射极、所述第一输入三极管的射极、所述第二输入三极管的射极连接于所述电压电流产生单元的相应射极电流产生端，

所述电压电流产生单元用于控制所述补偿三极管、所述第一输入三极管、所述第二输入三极管的基极电压、集电极电流、射极电流均分别相同，以使得所述补偿三极管的基极电流与所述第一输入三极管、所述第二输入三极管的基极电流相同，

所述补偿电流镜用于输出所述补偿三极管的基极电流的镜像电流到所述第一输入三极管的基极、所述第二输入三极管的基极，

所述第一输入三极管的基极还用于接收所述运算放大器的正向输入电流，所述第二输入三极管的基极还用于接收所述运算放大器的负向输入电流，

所述电流电压产生单元包括第一电流镜、第二电流镜、钳位放大器，其中，

所述第一电流镜连接于所述补偿三极管的集电极、所述第一输入三极管的集电极、所述第二输入三极管的集电极，用于产生相应的集电极电流，

所述第二电流镜连接于所述补偿三极管的射极、所述第一输入三极管的射极、所述第二输入三极管的射极，用于产生相应的射极电流，

所述钳位放大器的第一正向输入端连接于所述第一输入三极管的基极，所述钳位放大器的第二正向输入端连接于所述第二输入三极管的基极，所述钳位放大器的第一负向输入端连接于所述补偿三极管的基极及所述钳位放大器的输出端。

2.根据权利要求1所述的输入电流补偿电路，其特征在于，经补偿后，所述第一输入三极管的基极电流为所述正向输入电流与所述镜像电流之差，所述第二输入三极管的基极电流为所述负向输入电流与所述镜像电流之差。

3.根据权利要求1或2所述的输入电流补偿电路，其特征在于，所述补偿电流镜、第一电流镜、第二电流镜为MOS电流镜、BJT电流镜、低压电流镜的至少一种。

4.根据权利要求1或2所述的输入电流补偿电路，其特征在于，所述补偿电流镜、第一电流镜、第二电流镜的匹配精度大于99％。

5.一种运算放大器，其特征在于，所述运算放大器包括如权利要求1-4任一项所述的运算放大器的输入电流补偿电路。

6.一种芯片，其特征在于，所述芯片包括如权利要求5所述的运算放大器。

7.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求6所述的芯片。

8.根据权利要求7所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备包括显示器、智能手机、智能手表、智慧手环、平板电脑、笔记本电脑、一体式计算机、门禁装置、和电子式门锁的任意一种。