CN203813741U - 一种双输入运算放大器的调节电路 - Google Patents

Abstract

一种双输入运算放大器的调节电路，在输入级有一对互补差分放大器。每个差分放大器可以超过共模输入的范围以便提供一个包含正负供给电源电压的共模输入范围。本实用新型是一个能够调节运算放大器以减少每个差分放大器输入级输入补偿电压的电路，上述差分放大器能够减少整个运算放大器的输入补偿电压。

Description

一种双输入运算放大器的调节电路

技术领域：

本发明涉及一种运算放大器集成电路。特别的是，运算放大器具有两个差分输入级并且提供一种能够调节输入级以实现减少输入补偿电压的电路。 

背景技术：

在许多模拟电子电路中，运算放大器是一个基本构件。因为商业运算放大器的设备是廉价的、简单并且广泛使用的，所以它们可以在很广泛的电子设备中，从医疗设备到消费性电子产品都有存在。商业运算放大器设备通常受到一个或多个非理想的性能限制。例如，实际运放的电压增益有有限值、输入阻抗、带宽和非零输出阻抗。此外，运算放大器制造时的公差可能导致其他非理想特性，如存在输入补偿电压。许多运算放大器电路已经被设计并且性能十分接近理想运算放大器。常见性能被提高时，另一个方面的性能可能会下降。 

常规设计的运算放大器有一个输入级，该输入级由一对晶体管组成的具有两个对称电路分支的差分放大器构成，上述每一个分支包含一个耦合连接到输入终端的晶体管。在每一个分支上，晶体管产生一个与输入终端上的电压成正比的信号。输入级的输出与差分放大器的每一个分支上的信号都不相同。理想情况下，两个分支上的相对应的元件的值是相同的，这样当每个输入端供以相同电压时，即共模输入电压，每个支路上的信号也是相同的并且输入级的输出是零。 

实际上，支路是不完全相同的。制造时的公差可能导致输入级的分支电路上的元件大小与另一个分支上相对应的元件的大小不完全相同。由于缺乏对称性，差分放大器的分支有不同的特性，这样共模输入电压会在差分放大器的每个分支上产生不等信号。因此，输出信号符合两个分支信号之间的不同，可能是非零的共模输入信号。为了弥补由共模输入导致的非零输出，输入电压间的一个很小的电压差可以被采用以输出一个零电压。当运算放大器的输入补偿变化时，一个特殊的运算放大器设计与之相关的特点是输入补偿电压的大小，如典型的与或门的最大值。具有较低的输入补偿电压特征值运算放大器的设计是更精确的。 

运算放大器的输入补偿电压的存在引进了一个直流补偿到输出信号。在一些应用中，如设计仪表放大器时，放大信号为非常小的值是必须的。特别的是，在这些应用中，通过降低运算放大器的输入补偿电压来减少输出直流补偿在运算放大器设计中是令人满意的。使用先前所知道的技术来调节输入级电路中的 不同组件的值是可行的。通常电阻元件用来恢复差分放大器的分支的对称性从而减小输入补偿电压的大小。 

常规设计的运算放大器的另一个特点是共模输入电压被限制在一定范围内。一个共模输入电压大致是或接近电源电压(+V_CC到-V_EE)会驱动输入级的晶体管进入饱和或截止状态。这限制了共模输入电压的有效范围，因为他们必须不是接近或超过运算放大器的任何一个供给电源电压。传统的规则是输入信号必须不是+V_CC或-V_EE上下几伏特。对于许多应用而言，运算放大器输入信号的共模输入电压范围包含+V_CC和-V_EE是被允许的。这可以通过利用一个拥有两个耦合并联的互补差分放大器的输入级实现，其中一个差分放大器在输入信号达到或接近+V_CC时能够工作并且另一个差分放大器在输入信号达到或接近-V_EE时能够工作。两个差分放大器的输出被合并以获得一个输入级的输出。因为输入信号不接近电源电压，所以两个差分放大器能够工作在不同程度上。一个额外的电路将会被采用以提供一个平滑的转变过程。该过程为一个或两个差分放大器工作时的共模输入电压从一个电源电压变为另一个电源电压的过程。在这种方法下，共模输入范围被扩展到包含电源电压。但是，输入级拥有两个差分放大器的运算放大器更复杂，在制造过程中可能增加了一些错误。单一差分输入级的分支之间的对称性的变化会产生一个常规设计的运算放大器的输入补偿电压特征值，一个拥有双输入级的差分放大器的运算放大器设计受每个差分放大器的分支之间的对称性的变化的影响。一个含有双差分放大器的运算放大器通常有一个输入补偿电压，该电压取决于输入级是否为基极。 

鉴于上述情况，最好能提供一个共模输入范围包含电源电压的运算放大器并且该放大器具有低输入补偿电压特征值。 

提供具有双输入级的差分放大器来提高运算放大器的精度的方法是可取的。 

此外，运算放大器的两个差分放大器可以被平衡，差分放大器具有双输入级以便利用现有方式来给调节。 

发明内容：

本发明的目的是提供一种共模输入范围包含电源电压并且具有低输入补偿电压特征值的运算放大器。 

本发明的另一个目的是提供一种可以提高具有双输入级差分放大器的运算放大器精度的电路。 

本发明的另一个目的是提供一种可以调节两个差分放大器以使运算放大器的精度提高的电路。 

本发明的技术解决方案： 

根据以上发明目的，本发明包含一个互补输入级差分放大器。一个电流调节电路产生一个恒定的偏置电流以一定比例提供给差分放大器，该比例由运算放大器的共模输入电压决定。通过运算放大器的输入级来控制每一个差分放大器。所提供的电阻元件可以被调整以提高每个差分放大器分支的对称性并使两个差分放大器间的差距最小。一个合并和转换电路也被提供来合并每个差分放大器上的信号并将该合并信号转化为一个单端输出信号。 

本发明提出一种双输入运算放大器，其输入级电路包含两个输入终端，一号和二号差分放大器的输入端耦合并联在上述两个输入终端上；控制电路耦合连接在一号和二号差分放大器之间并给予一个参考电压，该控制电路用来控制在两个输入终端的共模电压达到参考电压时通过一号和二号差分放大器的工作电流的比例；一号微调电阻耦合连接在一号和二号差分放大器的输出端和一号电压源之间，通过选择上述一号微调电阻的大小以使一号和二号差分放大器的补偿电压基本相同；二号微调电阻耦合连接到一号和二号差分放大器和二号电压源之间，通过选择上述二号微调电阻的大小以使一号和二号差分放大器的补偿电压大幅度减小；输入级电路进一步包含耦合连接到一号和二号差分放大器的输出端的合并和转换电路；该电路将一号和二号差分放大器的输出端信号合并，将该合并后的信号转变为一个单端输出信号；输入级电路还包含耦合连接到输入终端的一号差分放大器，耦合连接到一号差分放大器和一号偏置电压之间的一号电流镜，耦合连接到输入终端并与一号差分放大器并联的二号差分放大器，耦合连接到二号偏置电压和二号差分放大器之间以给二号差分放大器提供一个偏置电流的一号电流源；输入级电路耦合连接到一号电流源、一号电流镜和二号差分放大器；该电路将由一号电流源产生的电流有选择性地通过一号电流镜或二号差分放大器；输入级电路还包含一个耦合连接到一号和二号微调电阻之间将一号和二号差分放大器的输出端合并然后将该组合输出转变为单端输出的电路。 

进一步，所述双输入运算放大器的调节电路包含一号和二号差分放大器，这两个差分放大器的输入终端耦合连接到运算放大器集成电路的输入终端；一号电阻比值的电流镜包含一号和二号电阻元件，该电流镜耦合连接到一号和二号差分放大器的输出端，通过选择上述一号和二号电阻元件的阻值大小来使一号和二号差分放大器的补偿电压基本相同；二号电阻比值的电流镜包含三号和四号微调电阻元件，该电流镜耦合连接到一号和二号差分放大器的输出端，通 过选择上述三号和四号电阻元件的阻值大小来使一号和二号差分放大器的补偿电压大幅度减小；一个电流源耦合连接到二号差分放大器上；控制电路耦合连接到一号和二号差分放大器之间并给该控制电路一个参考信号，该控制电路根据共模输入信号和参考信号之间的关系来控制由上述电流源产生的通过一号和二号差分放大器的电流比值。 

进一步，一号差分放大器由基极连接到一号输入终端的一号NPN晶体管和基极耦合连接到二号输入终端并且发射极耦合连接到一号NPN晶体管的发射极的二号NPN晶体管组成；二号差分放大器由基极连接到一号输入终端的一号PNP晶体管和基极耦合连接到二号输入终端并且发射极耦合连接到一号PNP晶体管的发射极的二号PNP晶体管组成；一号和二号电阻可以被调节，一号和二号电阻分别被耦合连接到一号偏置电压和一号、二号PNP晶体管的集电极之间，上述一号和二号电阻导致一号和二号差分放大器的补偿电压大致相等；三号和四号微调电阻元件分别被耦合连接到二号偏置电压和一号、二号NPN晶体管的集电极之间，上述三号电阻和四号电阻导致一号和二号差分放大器的补偿电压达到最小值；一个电流控制电路耦合连接到一号和二号差分放大器的发射极电路之间以便控制一号和二号差分放大器响应一号和二号终端上的共模电压的工作电流的比值；一个转换电路被耦合连接到一号和二号NPN晶体管的集电极和一号、二号PNP晶体管之间，该连接点被耦合连接到输出节点；这个输出电路能够产生一个输出电流，该电流的大小与一号和二号NPN晶体管集电极电流的电流差异以及一号和二号PNP晶体管的集电极电流的电流差异有关。 

进一步，一号输入级差分放大器，该放大器的一号和二号输入耦合并联到一号和二号输入终端；二号输入级差分放大器，该放大器的一号和二号输入耦合并联到一号和二号输入终端；一个控制电路耦合连接到一号和二号输入级差分放大器，该控制电路能够根据应用于一号和二号输入终端上的输入信号来控制传导在一号和二号输入级差分放大器上的工作电流；至少一个一号微调电阻元件被耦合连接到一号和二号输入级差分放大器，上述电阻导致一号和二号输入级差分放大器的补偿电压大致相等；至少一个二号微调电阻被耦合连接到一号和二号输入级差分放大器，上述电阻导致一号和二号输入级差分放大器的补偿电压大幅度减少；上述电路进一步包含一个合并和转换电路，该电路被耦合连接到一号和二号输入级差分放大器的输出端，上述合并电路将一号和二号输入级差分放大器的输出端上的信号合并然后通过转换电路将该合并信号转换为一个单端输出信号；上述至少一个一号微调电阻包含一个多元化的电阻元件； 上述至少一个二号微调电阻包含一个多元化的电阻元件。 

进一步，一号差分放大器被耦合连接到两个输入终端上；一号驱动电路被耦合连接到一号差分放大器上以便通过一号偏置电压来驱动一号差分放大器；二号差分放大器耦合连接到两个输入终端上；二号驱动电路被耦合连接到二号差分放大器上以便通过二号偏置电压驱动二号差分放大器；一个调节电路耦合连接到一号和二号驱动电路以便有选择地调节在驱动电路驱动它们各自的差分放大器时的电流比值；至少一个一号微调电阻元件耦合连接到一号和二号差分放大器，通过选择该电阻元件的阻值来使一号和二号差分放大器的补偿点达到大致相等；至少一个二号微调电阻耦合连接到一号和二号差分放大器，通过选择该电阻元件的阻值来使一号和二号差分放大器的补偿电压达到最小值；上述至少一个一号和二号微调电阻各自包含一个多元化电阻元件和开关，该开关可以长时间地保持短路，上述电阻元件和开关被耦合连接在一起通过开关短路选择多元化电阻中的一个电阻从而达到调节电阻元件的目的。 

进一步，输入补偿电压的调节步骤包含提供一个耦合连接到一号和二号差分放大器输出端的一号微调电阻元件，调节该电阻的阻值大小使其对一号和二号差分放大器的输入补偿电压的影响大致一致；提供一个耦合连接到一号和二号差分放大器输出端的二号微调电阻，调节该电阻的阻值大小使其对一号差分放大器的输入补偿电压影响大于对二号差分放大器的输入补偿电压的影响；然后测量一号和二号差分放大器的输入补偿电压并调节二号微调电阻元件的阻值以使一号和二号差分放大器的输入补偿电压大致相同；然后调节一号微调电阻元件的阻值以使一号和二号差分放大器的输入补偿电压大幅度减小。 

进一步，一号和二号微调电阻元件分别包含一号和二号电阻以及开关网络，有选择性地打开或关闭一个开关调节一号和二号电阻元件的阻值从而使调节整个开关和电阻网络；上述开关由晶体管构成，通过使晶体管的基极和发射极间短路来有选择性地关闭一个开关；该开关由金属链接组成，通过融化金属链接来实现有选择性地打开一个开关；一号和二号微调电阻元件由薄膜电阻组成，通过激光微调薄膜电阻来实现调节电阻元件的阻值；上述测量和调节步骤包含粗调一号和二号电阻元件阻值，通过重复测量和调节步骤以便实现电阻阻值的微调节；一号和二号电阻元件由多个电阻和晶体管耦合连接构成，每一个晶体管可以有选择地短路以使整个网络的电阻值改变；调节电阻阻值的步骤进一步包含分析测量补充的差分放大器的输入补偿电压以及根据分析调节电阻阻值。 

进一步，提供一个运算放大器集成电路；运算放大器的一个输入级包含互 补差动放大器、耦合连接到互补差动放大器输出端的一号和二号电阻元件(调节一号和二号电阻阻值大小，对互补差动放大器的补偿电压的影响不同)；三号和四号电阻元件耦合连接到互补差动放大器的输出端以便通过调节三号和四号电阻阻值使其对互补差动放大器的输入补偿电压的影响大致相同；测量每个互补差动放大器的输入补偿电压，根据互补差动放大器的输入补偿电压的大小不同调节至少一个一号和二号电阻元件的阻值大小；根据互补差动放大器的输入补偿电压实质上为非零调节至少一个二号和三号电阻元件的阻值大小。 

对比专利文献：CN202406355U基于双运算放大器的电源201120548714.8，CN202524364U双运算放大器带通有源了滤波器201220209572.7 

附图说明：

采用图形对发明进行详细描述，本项发明相对于其他发明的目的和特性会更加显而易见。 

图1是可调节的双输入级运算放大器的输入级电路的原理图。 

图2和3是依照本发明原则对图1中部分调整的原理图。 

图4、图5、图6是本发明的最好的模型。 

具体实施方式：

图1显示了一个已知的具有双输入级的运算放大器的输入级电路100。电路100包含一对互补差分放大器12和14，它们耦合并联到正输入终端24和负输入终端26之间。差分放大器12由NPN晶体管16和18构成，差分放大器14由PNP晶体管20和22构成。晶体管20和22由恒流源28提供偏置，这样由晶体管20和22控制的整个电路基本不变。只要晶体管20和22基极上的电压保持相等，它们各自的集电极电流也会保持相等。但是，如果它们的基极电压间存在差别，一个相应的差别会产生在这两个晶体管的集电极电流上。晶体管30给晶体管16和18提供一个恒定电流槽。类似于晶体管20和22，晶体管16和18集电极电流上产生一个差别，会导致它们基极电压上产生相应的差别。差分放大器12和14的差异集电极电流被合并并被转化为一个单端输出电流，该电流通过电阻比值电流镜34和36由节点32输出。 

PNP晶体管38构成可电流调节电路的一部分，调节电路在差分放大器12和14为活跃时控制电路。一个偏置电压V_ref提供给晶体管38的基极以规定在晶体 管由差分放大器从一个状态变为另一个状态时的共模输入信号。共模输入电压比V_ref小时，晶体管38偏置并且由电流源28产生的电流穿过晶体管20和22，进而保持差分放大器14活跃。相反，共模输入信号大于V_ref时，晶体管38完全偏置并且由电流源28产生的电流传导在晶体管40，此时偏置的晶体管20和22变为截止，进而差分放大器14变为无效。 

晶体管30和40组成单位电流镜41以便通过晶体管40的参考电流使晶体管30上电流下降达到与之相等，该参考电流来自于晶体管16和18。通过以上过程保持差分放大器12活跃。在共模输入的中间阶段，电压晶体管38表现为一个平滑的过程，该过程处于只有晶体管16和18为活跃状态和只有晶体管20和22为活跃状态之间。 

由晶体管54和56、电阻50和44组成电阻成比例电流镜34的一部分。在运行过程中，晶体管56有足够的集电极电流使穿过电阻44的电压达到大致等于电阻50上的电压。因为晶体管54是一个二极管外形，通过电阻50的电流近似等于晶体挂54的发射极至集电极间电流，该电流也等于由电流源52产生的电流槽。除非另有标注，否则数字电路中电流被假定为从左到右或从顶部到底部。根据欧姆定律，图1中电阻50上的电压等于电阻值与电流的乘积(I₅₂·R₅₀)。因此，通过电阻44的电流为： 

I_R44＝I₅₂·R₅₀/R₄₄    (1) 

因此，通过电阻44的电流近似等于通过晶体管54的参考电流，该电流大小由电阻50和电阻44的阻值比决定。同样，晶体管58有足够大的集电极电流使电阻42上的电压等于电阻50上的压降。通过电阻42的电流为： 

I_R42＝I₅₂·R₅₀/R₄₂    (2) 

电阻成比例电流镜36由晶体管60和62、电阻46和48构成，它的功能类似于电流镜34。通过晶体管62的集电极电流与传导在晶体管60集电极上的参考电流大致相等，该电流由电阻46和电阻48的阻值比决定。 

I_E62＝I_E60·R₆₀/R₄₈    (3) 

其次，运用基尔霍夫电流法计算图1中节点64，在晶体管62和56的集电极电流差为输出电流。 

I_out＝I_C62-I_C56    (4) 

参照图1，电阻42、44、46、48都是可变电阻。特别的是，图1中电路的电阻42、44、46、48是虚构的，这样可以在制造过程中修改它们的阻值。因此，电阻阻值可以在一个很小的范围内变化。本发明中的微调集成电路电阻可依照现有的技术，如“齐纳切换”、烧断金属焊接、激光微调薄膜电阻。通过仔细微调图1中的电阻42、44、46、48，能够将输入级差分放大器的输入补偿电压调节为最小。更详细的介绍可以从图2到图6中了解到。 

图2到图6说明分别微调电阻42和44或者46和47的影响。在分析图1中电路的运行时，不同阻值的电阻42、44、46、48都是独立的。此外，这个分析功能最初由晶体管16和18活跃来实现，然后由晶体管20和22活跃来实现。整个电路的运行状态由叠加决定，即完整的电路的响应是四个独立响应的总和。 

首先，不同阻值的电阻42和44的影响在电阻46和48阻值不变时是相同的。假设图2中晶体管16和18为活跃而图3中晶体管20和22为截止。分析图2和图3，电流源28和52被假设分别产生2I的电流。 

参考图2，当共模输入电压足够高时，晶体管38完全偏置并且电流源28产生的电流指向由晶体管30和40构成的电流镜41的单边参考电流。因此，晶体管30被迫下沉电流使之等于电流源28的电流。因为输入被假设为共模电压，晶体管16和18工作状态一致。因此，每个晶体管产生一个集电极电流： 

I_C16＝I_C18＝I₂₈/2    (5) 

如上所述，晶体管56传导足够大的电流，该电流通过电阻44且大小可以由公式(1)求得。然而，当晶体管16和18是活跃时，部分电流通过电阻44流至晶体管16的集电极，这会降低晶体管56的集电极电流。假设当前由电流源28提供的电流为2I，结合方程(1)和(5)，晶体管56的集电极电流为： 

I_C56≈I_E56＝2I·R₅₀/R₄₄-I    (6) 

同样，通过结合方程式(2)和(5)，晶体管58集电极电流为： 

I_C58≈I_E58＝2I·R₅₀/R₄₂-I    (7) 

为了更加清晰的分析图3和4，电阻46和48被假设有相等阻值。将R₄₆＝R₄₈带入方程(3)，晶体管60和62的基极电流相对于它们的发射极和集电极电流比较小。晶体管62的集电极电流能被证明等于晶体管60的集电极电流。由图2可知，晶体管58的集电极电流流入晶体管60的集电极，因此晶体管62的集电极电流与晶体管58的集电极电流相等，即： 

I_C62＝2I·R₅₀/R₄₂-I    (8) 

当电阻46和48被固定后并结合方程(1)、(4)、(8)可求得图2中输出电流：I_OUT＝(2I·R₅₀/R₄₂-I)-(2I·R₅₀/R₄₄-I) 

上式可以简化为： 

I_OUT＝2I·R₅₀(1/R₄₂-1/R₄₄)    (9) 

由图1可知，当共模输入电压足够低，晶体管38截止并且没有电流流至电流镜41。因此晶体管16和18也都截止，它们各自的集电极电流为零。因为晶体管的集电极电流为零，所以晶体管56和58的集电极电流分别等于通过电阻44和42的电流，它们的大小可由方程(1)(2)求得。参照图3，晶体管58的集电极电流流至晶体管60和电阻46。此外，晶体管22的集电极电流也通过电阻46，所以通过电阻46的电流总和为：2I·R₅₀/R₄₂+I。如上所述，晶体管62产生足够的电流使电阻48和46上的电压降相等。由于电阻48和46被假设相等并且它们的压降也相等，所以它们上的电流也相等。因为晶体管20的集电极电流给电阻48提供一个电流I，晶体管62的集电极电流必须为： 

I_C62＝(2I·R₅₀/R₄₂+I)-I    (10) 

将方程(4)、(10)合并并简化，输出电流为： 

I_OUT＝2I·R₅₀(1/R₄₂-1/R₄₄)    (11) 

当晶体管对16-18都为活跃时，输出电流是相同的(可见方程(9))。因此，对输出电流的影响因素是可变的，即可调整的。电阻42和44的阻值大小可以选择是晶体管对16-18或晶体管对20-22为活跃。 

再次参考图2和3，调整电阻46和48阻值的影响将会被分析，一号晶体管对16-18为活跃并且晶体管对20-22也为活跃。现在假设电阻42、44、50为固定值并且阻值相等，电流源I₁和I₂汇合成一个电流2I。由于电阻42、44、50阻值相等，由晶体管54、56、58和电阻42、44、50组成的电流镜使通过电阻42、44的电流等于通过电阻50的参考电流，或2I。正如上面图1所提及的，当晶体管对16-18为活跃，晶体管16和18的集电极电流都为I，从而使晶体管56和58的集电极电流为2I-I或I。晶体管58的集电极电流为参考电流并提供给由晶体管60、62和电阻46、48组成的电流镜。晶体管62产生的足够大的集电极电流使电阻48和电阻46上的压降相等，大小为I·R₄₆/R₄₈。输出电流为晶体管56和62集电极电流差，大小为： 

I_OUT＝I·R₄₆/R₄₈-I    (12) 

或 

I_OUT＝I(R₄₆/R₄₈-I)    (13) 

当晶体管对16-18为活跃，并晶体管20和22也活跃且晶体管16和18截止，没有电流通过晶体管16和18的集电极，这样通过电阻42的电流也通过晶体管58和60且大小为2I。大小为2I的电流源28给晶体管20和22集电极提供一个电流I。通过电阻46的电流包含通过晶体管60的电流2I和通过晶体管22的电流I，即总和为3I。如上所述，通过电阻R₄₈的电流为3I·R₄₆/R₄₈。因为提供给晶体管20的电流为I，所以晶体管62的发射极电流为3I·R₄₆/R₄₈-I并且输出电流为： 

I_OUT＝(3I·R₄₆/R₄₈-I)-2I    (14) 

简化后： 

I_OUT＝3I(R₄₆/R₄₈-1)    (15) 

当晶体管对20-22为活跃时的I_OUT不同于晶体管对16-18活跃时的值。 

根据上述情况并利用上述方程，调节电阻42、44、46、48可以调节I_OUT。当晶体管对16-18为活跃时，输出电流为： 

I_OUT＝2I·R₅₀(1/R₄₂-1/R₄₄)+I(R₄₆/R₄₈-1)    (16) 

当晶体管20-22为活跃时，输出电流为： 

I_OUT＝2I·R₅₀(1/R₄₂-1/R₄₄)+3I(R₄₆/R₄₈-1)    (17) 

从方程(16)、(17)可以看出，电阻42和44的阻值对输出电流I_OUT有独立的影响。电阻46和48的比值也对输出电流I_OUT有影响。如上描述的一种运算放大器可以通过两个步骤调节。一，调节电阻46与48的比值直到输入补偿电压在无论使哪个差分放大器为活跃时值都相等。二，调节电阻42和44的阻值以同时减少两个级的输入补偿。 

基于上述推导，调整电阻42、44、46、48是独立的。然而，上述推导是基于一些假设之上以便分析的并且有一些相互作用会产生在调增之间。在晶体管对16-18活跃时，一个更加严格的推导方程为： 

I_OUT＝2I【(R₅₀R₄₆)/(R₄₂R₄₈)-R₅₀/R₄₄】-I(R₄₆/R₄₈-1)    (18) 

当晶体管对20-22为活跃时 

I_OUT＝2I【(R₅₀R₄₆)/(R₄₂R₄₈)-R₅₀/R₄₄】+I(R₄₆/R₄₈-1)    (19) 

在简化方程时，电阻42、44、50的调节对两个输入级差分放大器的影响相似，但是，电阻46和48的调节对输入级差分放大器的影响刚好相反。 

图4、5、6是依照本发明原则的最好的一个双输入运算放大器具体体现。图4中，所使用的电路元件与图1和2中使用的元件相同，运行过程如上所述。晶体管80和82在电阻88和90阻值确定时允许终端24和26上的输入电压略微超过V_CC，相似的也允许输入电压略低于V_EE。晶体管92和晶体管54协调工作以产生V_ref,该V_ref被用于晶体管38的基极以控制输入差分放大器状态转变时的输入共模电压。当微调节图5、6中的网络阻值时，一个大电压差提供到“活跃衬垫”100、102、104、106，这可能损坏电路元件。晶体管94和96在微调操作时用来分流掉可能对电路造成伤害的电流。晶体管98和99在微调和转换操作时被提供来补偿这个被泄漏的电流。晶体管108和110给晶体管60和62提供一个偏置而晶体管112和113被用来确保晶体管60和62的集电极电压相等。晶体管114为使回路稳定作用类似一个电容器。一个额外的电路被耦合连接到E以确保晶体管56和58的集电极电压相等。在F和G点提供一个恒定电流偏置。图4中的微调电阻元件是图1和2中的电阻42和44。电阻42的阻值是电阻42A、42AA、42B、42C和42D之和。通过应用一个适当的V_CC和V_EE和适当电压脉冲“活跃”衬垫100，晶体管120和122可以被选择并永久短路，从而改变总电阻42的阻值。例如，短路晶体管122和短路电阻42D有效地清楚了电流路径，从而能通过电阻42D来减少电阻42的阻值。电阻44的阻值由图5中的电阻44A、44B、44C和44D确定。电阻46和48的阻值分别由图6中的电阻46A、46AA、46B、46C、46D和电阻48A、48B、48C、48D确定。电阻44、46、48的阻值可以通过微调电阻42的方式微调。 

在运算放大器集成电路芯片的制造过程中，输入级被测试以决定每个差分放大器的输入补偿电压。每个输入级差分放大器的输入补偿电压特征值通过一号共模输入电压确定，这样只有差分放大器12是活跃的并同时测量它的输入补偿电压。然后采用选择的二号共模输入电压，这样只有差分放大器14是活跃的并 同时测量输入补偿电压。 

下一个敏感的调节网络也被确定。活跃衬垫100和102被短接在一起并且差分放大器12和14的输入补偿通过上述方法测量。当活跃衬垫被短接后，输入补偿电压的变化后面会计算。活跃衬垫100和102的短接被移除，活跃衬垫104和106被短接并且放大器12和14输入补偿电压被再次测量。通过以上几个步骤计算D_NA、D_NB、D_PA、D_PB。其中下标N和P分别是指NPN差分放大器12和PNP差分放大器14。下标A是短接在一起的活跃衬垫100和102，下标B是短接在一起的活跃衬垫104和106。 

在图3电路中，微调位数可以通过下列方程计算： 

$V_{{\mathrm{OS}}_N}=V_{{\mathrm{OS}}_{\mathrm{NO}}}+D_{\mathrm{NA}}(2+N_A)+D_{\mathrm{NB}}(2+N_B)---\left(20\right)$

和 

$V_{{\mathrm{OS}}_p}=V_{{\mathrm{OS}}_{\mathrm{po}}}+D_{\mathrm{PA}}(2+N_A)+D_{\mathrm{PB}}(2+N_B)---\left(21\right)$

＝没有短路活跃衬底NPN差分放大器12。 

＝没有短路活跃衬底PNP差分放大器14。 

N_A＝图5中电阻网络的微调位数。 

N_B＝图6中电阻网络微调位数。 

表1 

在理想情况下，那么方程(20)、(21)可以被设置相等以求出N_A和N_B的值。N_A和N_B通常是实数且必须通过四舍五入为一个整数。因此有四对可能的N_A和N_B的整数值，一对使方程(20)(21)结果最小的值被选来微调集成电路。其中建立在N_A值基础上的晶体管120、122、124、126和以N_B值为基础的晶体管128、130、132、134满足表1活跃关系。 

为使晶体管120活跃，V_CC被设置为0伏特，V_EE被设置为-35伏特，一个-25伏特的电压被提供到活跃衬垫100上。另外，图1中的电阻42、44、46、48可以由薄膜电阻组成，它们可以通过激光微调技术来调节。每个输入级差分放大器的补偿电压V_OS被测量，且可以由下式计算： 

$V_{\mathrm{OS}}=\frac{m1[\mathrm{mo}\·V_{{\mathrm{OS}}_{\mathrm{NO}}}-V_{{\mathrm{OS}}_{\mathrm{PO}}}]}{[\mathrm{mo}-m1]}---\left(22\right)$

m0＝3.00 

m1＝0.88 

常数m0和m1最初由分析或电路模拟微调每个输入级差分放大器上电阻的影响来确定。它们的值随后根据实际集成电子电路微调影响的统计分析来调整。一个0伏特的共模输入提供给电路并被调节且电阻46和48的阻值也被调整直到得到目的V_OS或补偿电压和已被测量。然后电阻42和44被粗调直到补偿电压大致上为零。 

下面是对电阻42和44的粗调节，差分放大器的输入电压和再次被测量并且新的m0和m1可以被计算： 

$m0=\frac{V_{{\mathrm{OS}}_{P0}}-V_{{\mathrm{OS}}_{P1}}}{V_{{\mathrm{OS}}_{N0}}-V_{{\mathrm{OS}}_{N1}}}---\left(23\right)$

$m1=\frac{V_{{\mathrm{OS}}_{P1}}-V_{{\mathrm{OS}}_{P2}}}{V_{{\mathrm{OS}}_{N1}}-V_{{\mathrm{OS}}_{N2}}}---\left(24\right)$

目标V_OS通过新的m0和m1被重新计算并且电阻42、44、46、48的微调使用相同的粗调方式。 

Claims (8)

1.一种双输入运算放大器的调节电压，其特征是：输入级电路包含两个输入终端，一号和二号差分放大器的输入端耦合并联在上述两个输入终端上；控制电路耦合连接在一号和二号差分放大器之间并给予一个参考电压，该控制电路用来控制在两个输入终端的共模电压达到参考电压时通过一号和二号差分放大器的工作电流的比例；一号微调电阻耦合连接在一号和二号差分放大器的输出端和一号电压源之间，通过选择上述一号微调电阻的大小以使一号和二号差分放大器的补偿电压基本相同；二号微调电阻耦合连接到一号和二号差分放大器和二号电压源之间，通过选择上述二号微调电阻的大小以使一号和二号差分放大器的补偿电压大幅度减小；输入级电路进一步包含耦合连接到一号和二号差分放大器的输出端的合并和转换电路；该电路将一号和二号差分放大器的输出端信号合并，将该合并后的信号转变为一个单端输出信号；输入级电路还包含耦合连接到输入终端的一号差分放大器，耦合连接到一号差分放大器和一号偏置电压之间的一号电流镜，耦合连接到输入终端并与一号差分放大器并联的二号差分放大器，耦合连接到二号偏置电压和二号差分放大器之间以给二号差分放大器提供一个偏置电流的一号电流源；输入级电路耦合连接到一号电流源、一号电流镜和二号差分放大器；该电路将由一号电流源产生的电流有选择性地通过一号电流镜或二号差分放大器；输入级电路还包含一个耦合连接到一号和二号微调电阻之间将一号和二号差分放大器的输出端合并然后将该组合输出转变为单端输出的电路。

2.根据权利要求1所述的一种双输入运算放大器的调节电路，其特征是：包含一号和二号差分放大器，这两个差分放大器的输入终端耦合连接到运算放大器集成电路的输入终端；一号电阻比值的电流镜包含一号和二号电阻元件，该电流镜耦合连接到一号和二号差分放大器的输出端，通过选择上述一号和二号电阻元件的阻值大小来使一号和二号差分放大器的补偿电压基本相同；二号电阻比值的电流镜包含三号和四号微调电阻元件，该电流镜耦合连接到一号和二号差分放大器的输出端，通过选择上述三号和四号电阻元件的阻值大小来使一号和二号差分放大器的补偿电压大幅度减小；一个电流源耦合连接到二号差分放大器上；控制电路耦合连接到一号和二号差分放大器之间并给该控制电路一个参考信号，该控制电路根据共模输入信号和参考信号之间的关系来控制由上述电流源产生的通过一号和二号差分放大器的电流比值。

3.根据权利要求2所述的一种双输入运算放大器的调节电路，其特征是：一号差分放大器由基极连接到一号输入终端的一号NPN晶体管和基极耦合连接到二号输入终端并且发射极耦合连接到一号NPN晶体管的发射极的二号NPN晶体管组成；二号差分放大器由基极连接到一号输入终端的一号PNP晶体管和基极耦合连接到二号输入终端并且发射极耦合连接到一号PNP晶体管的发射极的二号PNP晶体管组成；一号和二号电阻可以被调节，一号和二号电阻分别被耦合连接到一号偏置电压和一号、二号PNP晶体管的集电极之间，上述一号和二号电阻导致一号和二号差分放大器的补偿电压大致相等；三号和四号微调电阻元件分别被耦合连接到二号偏置电压和一号、二号NPN晶体管的集电极之间，上述三号电阻和四号电阻导致一号和二号差分放大器的补偿电压达到最小值；一个电流控制电路耦合连接到一号和二号差分放大器的发射极电路之间以便控制一号和二号差分放大器响应一号和二号终端上的共模电压的工作电流的比值；一个转换电路被耦合连接到一号和二号NPN晶体管的集电极和一号、二号PNP晶体管之间，该连接点被耦合连接到输出节点；这个输出电路能够产生一个输出电流，该电流的大小与一号和二号NPN晶体管集电极电流的电流差异以及一号和二号PNP晶体管的集电极电流的电流差异有关。

4.根据权利要求3所述的一种双输入运算调节电路，其特征是：一号输入级差分放大器，该放大器的一号和二号输入耦合并联到一号和二号输入终端；二号输入级差分放大器，该放大器的一号和二号输入耦合并联到一号和二号输入终端；一个控制电路耦合连接到一号和二号输入级差分放大器，该控制电路能够根据应用于一号和二号输入终端上的输入信号来控制传导在一号和二号输入级差分放大器上的工作电流；至少一个一号微调电阻元件被耦合连接到一号和二号输入级差分放大器，上述电阻导致一号和二号输入级差分放大器的补偿电压大致相等；至少一个二号微调电阻被耦合连接到一号和二号输入级差分放大器，上述电阻导致一号和二号输入级差分放大器的补偿电压大幅度减少；上述电路进一步包含一个合并和转换电路，该电路被耦合连接到一号和二号输入级差分放大器的输出端，上述合并电路将一号和二号输入级差分放大器的输出端上的信号合并然后通过转换电路将该合并信号转换为一个单端输出信号；上述至少一个一号微调电阻包含一个多元化的电阻元件；上述至少一个二号微调电阻包含一个多元化的电阻元件。

5.根据权利要求1所述的一种双输入运算放大器的调节电路，其特征是：一号差分放大器被耦合连接到两个输入终端上；一号驱动电路被耦合连接到一号差分放大器上以便通过一号偏置电压来驱动一号差分放大器；二号差分放大器耦合连接到两个输入终端上；二号驱动电路被耦合连接到二号差分放大器上以便通过二号偏置电压驱动二号差分放大器；一个调节电路耦合连接到一号和二号驱动电路以便有选择地调节在驱动电路驱动它们各自的差分放大器时的电流比值；至少一个一号微调电阻元件耦合连接到一号和二号差分放大器，通过选择该电阻元件的阻值来使一号和二号差分放大器的补偿点达到大致相等；至少一个二号微调电阻耦合连接到一号和二号差分放大器，通过选择该电阻元件的阻值来使一号和二号差分放大器的补偿电压达到最小值；上述至少一个一号和二号微调电阻各自包含一个多元化电阻元件和开关，该开关可以长时间地保持短路，上述电阻元件和开关被耦合连接在一起通过开关短路选择多元化电阻中的一个电阻从而达到调节电阻元件的目的。

6.根据权利要求5所述的一种双输入运算放大器的调节电路，其特征是：输入补偿电压的调节步骤包含提供一个耦合连接到一号和二号差分放大器输出端的一号微调电阻元件，调节该电阻的阻值大小使其对一号和二号差分放大器的输入补偿电压的影响大致一致；提供一个耦合连接到一号和二号差分放大器输出端的二号微调电阻，调节该电阻的阻值大小使其对一号差分放大器的输入补偿电压影响大于对二号差分放大器的输入补偿电压的影响；然后测量一号和二号差分放大器的输入补偿电压并调节二号微调电阻元件的阻值以使一号和二号差分放大器的输入补偿电压大致相同；然后调节一号微调电阻元件的阻值以使一号和二号差分放大器的输入补偿电压大幅度减小。

7.根据权利要求6所述的一种双端输入运算放大器的调节电路，其特征是：一号和二号微调电阻元件分别包含一号和二号电阻以及开关网络，有选择性地打开或关闭一个开关调节一号和二号电阻元件的阻值从而使调节整个开关和电阻网络；上述开关由晶体管构成，通过使晶体管的基极和发射极间短路来有选择性地关闭一个开关；该开关由金属链接组成，通过融化金属链接来实现有选择性地打开一个开关；一号和二号微调电阻元件由薄膜电阻组成，通过激光微调薄膜电阻来实现调节电阻元件的阻值；上述测量和调节步骤包含粗调一号和二号电阻元件阻值，通过重复测量和调节步骤以便实现电阻阻值的微调节；一号和二号电阻元件由多个电阻和晶体管耦合连接构成，每一个晶体管可以有选择地短路以使整个网络的电阻值改变；调节电阻阻值的步骤进一步包含分析测量补充的差分放大器的输入补偿电压以及根据分析调节电阻阻值。

8.根据权利要求7所述的一种双输入运算放大器的调节电路，其特征是：提供一个运算放大器集成电路；运算放大器的一个输入级包含互补差动放大器、耦合连接到互补差动放大器输出端的一号和二号电阻元件（调节一号和二号电阻阻值大小，对互补差动放大器的补偿电压的影响不同）；三号和四号电阻元件耦合连接到互补差动放大器的输出端以便通过调节三号和四号电阻阻值使其对互补差动放大器的输入补偿电压的影响大致相同；测量每个互补差动放大器的输入补偿电压，根据互补差动放大器的输入补偿电压的大小不同调节至少一个一号和二号电阻元件的阻值大小；根据互补差动放大器的输入补偿电压实质上为非零调节至少一个二号和三号电阻元件的阻值大小。