JPH02141010A - 精密オペアンプ - Google Patents

精密オペアンプ

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JPH02141010A
JPH02141010A JP1116232A JP11623289A JPH02141010A JP H02141010 A JPH02141010 A JP H02141010A JP 1116232 A JP1116232 A JP 1116232A JP 11623289 A JP11623289 A JP 11623289A JP H02141010 A JPH02141010 A JP H02141010A
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JP
Japan
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stage
offset voltage
correction signal
amplifier
output
Prior art date
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Pending
Application number
JP1116232A
Other languages
English (en)
Inventor
Gregory Schaffer
グレゴリー シャファー
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Maxim Integrated Products Inc
Original Assignee
Maxim Integrated Products Inc
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F1/00Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/30Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters
    • H03F1/303Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters using a switching device
    • H03F1/304Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters using a switching device and using digital means

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 艮先分互 本発明は、オペアンプ即ち演算増幅器に関するものであ
って、更に詳細には、精密オペアンプに関するものであ
る。
災米技先 非常に低いレベルの信号の正確な増幅を行うことが必要
な場合に、高精度で低ノイズの増幅器が必要とされる。
典型的な低レベル適用としては。
熱電対やストレインゲージ測定系等があり、その場合に
は典型的に非常に低い信号レベルを有している。測定す
べき信号は、20乃至60ミリボルトの範囲内の場合が
ある。40,000回の内で1回のエラーの如く低い測
定エラーであることが所望されることが屡々ある。この
ことは、1マイクロボルト以下の信号分解能を必要とす
る。
増幅器エラーの主要源はオフセット電圧にある。
オフセット電圧は、ゼロボルトの出力信号を与える為に
必要とされる、増幅器の非反転端子と反転端子との間の
電圧差である。低コストの市販されている増幅器におい
て、これらのオフセット電圧は数ミリボルトである場合
がある。精密オペアンプは、通常、オフセット電圧を約
100マイクロボルトに維持する。最良のものは10マ
イクロのオフセット電圧を達成することが可能であり、
且つチョッパー安定型オペアンプは、通常、5ボルト以
下のオフセット電圧を持っている。
従って、チョッパー安定型増幅器が、低レベル精密利得
適用の場合に選択される増幅器であった。
チョッパー増幅器のオフセット温度ドリフトは殆ど存在
せず、従ってそれは非常に好適なものである。然し乍ら
、これらの増幅器は、オーバーロード即ち過負荷からの
回復時間が長く、典型的に低速で動作し、且つクロック
及び1/fノイズを持っており、それらは深刻な欠点を
構成している。
I−崖 本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述
した如き従来技術の欠点を解消し、チョッパー安定型増
幅器の全ての利点を有するにも拘らず事実上1/fノイ
ズを除去した精密オペアンプを提供することを目的とす
る。更に1本発明の別の目的とするところは、オーバー
ロードから迅速に回復することが可能であり且つ適宜の
速度の信号を増幅する為の適宜の帯域幅を有する精密オ
ペアンプを提供することである。本発明の更に別の目的
とするところは、アンプのノイズを増加させることなし
にオフセット電圧を減少させることである。
構成 本発明の精密オペアンプは、第1入力差動段を有すると
共に、該第1段の出力端に結合した入力段を持った第2
高利得段を有している。第2段の出力端へ結合したデジ
タル制御回路は、該第1段へ補正信号を供給し、該補正
信号は該第1段のオフセット電圧を補償すべく計算され
ている。
従来技術においては、オートゼロ化即ち自動ゼロ化技術
を使用してオフセット電圧を減少させていた。この様な
従来技術においては、オフセット電圧は、特別のオート
ゼロ化サイクルの期間中に等しく且つ反対の電圧によっ
て相殺されている。
補正電圧はコンデンサ上に格納され、従ってそれは、オ
ートゼロ化サイクル期間中に、ピックアップされ且つ相
殺電圧として使用される。
これらの従来技術は、集積回路において使用することは
困難であった。オフセット電圧用の格納コンデンサは、
集積回路内に組み込むのには通常大き過ぎる。従って、
外部コンデンサを使用せねばならず、それは−層高価で
あり且つプリント回路基板レイアウト上に付加的なスペ
ースを必要とする。更に、このコンデンサは外部的なも
のであるから、それはアンテナとして作用する傾向があ
り且つ低レベル信号を容易にピックアップして増幅器の
ノイズを増加させる。更に重要なこととしては、該コン
デンサ上の電圧は、電荷がプリント回路基板内に漏れ出
て且つ増幅器内にトランジスタの接合部を介して漏れ出
るにつれて1時間と共に減衰する。高温において、この
様な漏れは、外部コンデンサを正確な値に充電させてお
く為に頻繁なオートゼロ化動作(1秒に1度又はそれ以
上)を行うことを必要とするのに十分なものである場合
がある。
これらの困難性を解消する為に、本発明の精密増幅器(
オペアンプ)は、補正信号のデジタル表示を格納する技
術と共にスイッチング増幅器を使用しており、従って該
補正信号は第1段へ継続的に印加されてオフセット電圧
を減少させ、且つ該減少は長期間に渡って維持すること
が可能である。
このことは、オフセット電圧をコンデンサ上に格納して
いた場合には可能ではなかった。スイッチング増幅器は
従来公知である。その1例は、1981年IEEEイン
ターナショナルソリッドステートサーキッツコンファレ
ンスのテクニカルペーパーのダイジェスト、60−61
頁に記載されている。
デジタル補正回路も第2独立補正信号を該増幅器の第2
段へ供給し、且つその補正信号も格納されてそれが第2
段へ継続的に印加させることが可能であり、その際に第
2段のオフセット電圧を実質的に減少させ且つこの様な
減少を長期間に渡って維持する場合に、−層良好な制御
を得ることが可能である。
補正信号は、低レベルデジタル・アナログ信号変換器(
DAC)によって供給される。これらの変換器は、0.
1マイクロボルト以下を分解するのに十分な精度である
。従って、本発明の増幅器のオフセット電圧は、0.1
マイクロボルトレベルへ減少させることが可能である。
オートゼロ化動作はデジタル的に行われるので、コンデ
ンサ漏洩問題は存在しない。補正信号の精度は、D A
 C’の精度によってのみ制限される。DACは、短期
間に対しては、コンデンサよりも一層安定している。デ
ジタル格納技術を使用することにより、オフセット電圧
の補正の必要性はその頻度は一層低くなり、1分当たり
1度かそれよりも一層低い頻度となっている。本発明の
精密増幅器を使用する幾つかの適用例の場合、オートゼ
ロ化サイクルを1時間に1度行うことが必要であるに過
ぎない。
所望により、本発明の精密増幅器は、又、入力端を第2
段の出力端へ結合させた第3増幅段を有することも可能
である。
最後に、大型のコンデンサを使用する従来の回路と異な
り、本発明の回路は単一のモノリシックIC上に容易に
集積化させることが可能である。
災適■ 以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実施の態様
に付いて詳細に説明する。
第1図を参照すると、第1段、第2段、及び第3段を有
する3段スイッチング増幅器が示されている。第1段は
、従来の差動スイッチング増幅器であり、そこにおいて
、図示した如く、プラス及びマイナスの入力電圧がMO
Sトランジスタ10及び11のゲートへ夫々印加される
。第1段は、更に、MOSトランジスタ12及び13を
有しており、それらは差動利得段の活性負荷トランジス
タである。トランジスタ12のソースは抵抗14及び1
5を介して直列結合乃至は直列接続されている。抵抗1
4は、該増幅器段のトリム調節を行う為に使用され、且
つ抵抗15はDACの一部である。DAC15からの電
流は、抵抗15に電圧を発生させ、それは実効的にオフ
セット電圧を相殺させる。MOSトランジスタ13のソ
ースは抵抗16及び17を介して直列接続されている。
スイッチ18が開成であると1本発明の精密増幅器の第
1段がライン19を介して第2段へ結合され、その一端
は第1段のトランジスタ10及び12の間に接続されて
おり、且つその他端は第2段におけるトランジスタ20
のゲートへ接続されている。
第2増幅段は、トランジスタ20及び抵抗21及び22
を有しており、それらはMoSトランジスタ20のソー
スと直列接続されている。通常の動作期間中、第2段の
出力端はスイッチ23を介して第3段中の増幅器24の
正入力端へ接続されている。増幅器24の出力端は、2
個の直列接続された抵抗25及び26を介して、接地接
続されている0図示した如く、本発明の精密増幅器の出
力は、増幅器24の出力端及び抵抗25の接続部に表わ
れる。コンデンサ27は、増幅器の正常動作期間中に第
2増幅段の周波数補償を行うことに貢献すべく使用され
る。
本発明の新規なオートゼロ化技術に付いて第1図を参照
して詳細に説明する。オートゼロ化サイクルの期間中、
増幅器の第1段への2個の入力端28及び29は、夫々
、スイッチ30及び31を介して接地接続されている。
増幅器の正常動作期間中、これらのスイッチは入力信号
、+IN及び−INへ接続されている。更に、オートゼ
ロ化すイクル期間中に、スイッチ23は開成であり、そ
の際に第3段を増幅器から切断させる。然し乍ら、それ
が切断されたとしても、コンデンサ27は、オートゼロ
化サイクル期間中、増幅器24へのアナログ入力電圧を
保持する。この様に、出力電圧Voutはオートゼロサ
イクル期間中に維持され、それは1秒の1/8のオーダ
ーで持続する。
本発明の増幅器の第1段及び第2段の両方は、オートゼ
ロ化サイクルの期間中にオートゼロ化される。第2段が
最初にオートゼロ化される。スイッチ18が閉成され、
その際に増幅器の第1段の出力端を短絡させる。このこ
とは、トランジスタ20のゲートで測定される如く、第
2段をいずれかの第1段利得オフセットエラーに対し影
響を受けることがないようにさせる。
このオートゼロ動作は、制御回路40によって制御され
る。第2段からの出力信号は比較器40へ供給され、そ
の出力端は回路40を制御する為に接続されている。制
御回路内の論理は、比較器41への入力端43における
電圧を最小とさせるべくDAC42の電流を調節する。
このことは。
従来の逐次近似レジスタ(SAR)を使用して制御回路
40において達成される。DAC42の分解能は8ビツ
トであれば足り、第2段のオフセット電圧を50マイク
ロボルト以下に減少させるのに十分であれば良い。
制御回路40は、比較器41からの信号を取り、且つ逐
次近似によってアナログ・デジタル変換を実施する。制
御回路からの出力はデジタルコードであり、それは第2
段のオートゼロ動作期間中にDAC42を制御する。D
AC42は、第2段のオフセット出力を相殺するのに十
分な相殺電圧を発生する。
第2段がオートゼロ化された後に、第1段がオートゼロ
化される。第1段をオートゼロ化する為に、スイッチ2
3は開閉状態を維持し且つスイッチ18は閉成される。
制御回路40は、補正信号をDAC44及び45へ供給
し、それは、次いで、補正信号を抵抗16と17の間及
び抵抗14と15の間の夫々の間の端子へ供給する。こ
れらの補正電流は、第1段のオフセット電圧エラーを相
殺する為に注意深く測定される。好適実施例において、
DAC44及び45は、第1図に示した如く、第1段の
各側部に1つづつ、差動出力端を具備する16ビツトD
ACである。8ビツトDAC42は第2段のオフセット
電圧を制御する。8ビツトのみの制御が必要であるに過
ぎない、何故ならば、第2段におけるエラーは、第1段
の利得によって既に減少されているからである。好適実
施例において、DAC44及び45からの2つの電流の
和は約36マイクロアンペアである。これらのDACの
高分解能の為に、第1段の入力参照オフセット電圧は約
50ナノボルトへ減少させることが可能である。実際的
な観点から、この過度に低いオフセット電圧は、入力段
のノイズレベルと比較可能であり、そうであるから、完
全に妥当なオフセット電圧補正である。
第1段がオートゼロ化されるオートゼロサイクルの部分
の期間中、オフセットエラーは増幅器の第1段及び第2
段の両方によって増幅される。従って、50ナノボルト
のオフセットでさえも、最低で100マイクロボルトの
信号を検知することの可能な比較器41によって検知す
るのに十分に増幅される。
オートゼロサイクルの完了時に、スイッチ23は再度閉
成され且つスイッチ30及び31が開成され、従ってM
OSゲート10及び11への増幅器入力端は端子28及
び29における入力信号へ再度接続される。
以上1本発明の具体的実施の態様に付いて詳細に説明し
たが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
では無く1本発明の技術的範囲を逸脱すること無しに種
々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の1実施例に基づいて構成した精密オペ
アンプ(演算増幅器)を示した概略回路図である。 (符号の説明) 18.23.30:スイッチ 24:増幅器 40:制御回路 41:比較器 42:デジタル・アナログ変換器

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、第1入力差動段、前記第1段の出力端へ結合した入
    力端を持った第2高利得段、前記第2段の出力端へ結合
    されており前記第1段のオフセット電圧を補償すべく計
    算された補正信号を前記第1段へ供給するデジタル制御
    回路、前記第1段へ継続的に印加されることが可能であ
    る様に前記補正信号のデジタル表示を格納する手段、を
    有しており、前記第1段のオフセット電圧が実質的に減
    少され且つこの様な減少を長期間の間維持することが可
    能であることを特徴とする精密オペアンプ。 2、特許請求の範囲第1項において、前記デジタル回路
    は前記第2段へ第2独立補正信号を供給し且つ前記格納
    手段は前記第2補正信号が前記第2段へ継続的に印加さ
    れる様に前記第2補正信号を格納し、その際に前記第2
    段のオフセット電圧が実質的に減少され且つこの様な減
    少を長期間維持することが可能であることを特徴とする
    精密オペアンプ。 3、特許請求の範囲第1項において、前記第2段の出力
    端へ結合されている入力端を持った第3増幅段を有する
    ことを特徴とする精密オペアンプ。 4、特許請求の範囲第2項において、前記第2段の出力
    端へ結合されている入力端を持った第3増幅段を有する
    ことを特徴とする精密オペアンプ。 5、特許請求の範囲第1項において、全ての構成要素が
    単一のモノリシック集積回路内に設けられていることを
    特徴とする精密オペアンプ。
JP1116232A 1988-05-11 1989-05-11 精密オペアンプ Pending JPH02141010A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/193,258 US4806875A (en) 1988-05-11 1988-05-11 Precision operational amplifier
US193258 1988-05-11

Publications (1)

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JPH02141010A true JPH02141010A (ja) 1990-05-30

Family

ID=22712868

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JP1116232A Pending JPH02141010A (ja) 1988-05-11 1989-05-11 精密オペアンプ

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EP (1) EP0341363A3 (ja)
JP (1) JPH02141010A (ja)

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