TWI573387B - 儀器放大器校準方法、系統及裝置 - Google Patents

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Description

儀器放大器校準方法、系統及裝置
本發明係關於積體電路儀器放大器，且更特定而言，係關於積體電路儀器放大器之校準。
本申請案主張2010年1月26日申請由James B. Nolan及Kumen Blake共同擁有的美國臨時專利申請案第61/298,371號名為「Instrumentation Amplifier Calibration Method,System and Apparatus」的優先權及2009年9月15日申請James B. Nolan及Kumen Blake的美國專利申請案第12/559,579號名為「Self Auto-Calibration of Analog Circuits in a Mixed Signal Integrated Circuit Device」的優先權；其中為了所有目的，該兩個申請案以引用方式併入本文中。
積體電路正變得越發複雜，但其等價格卻在下降。一積體電路晶粒上製造或多晶片封裝(MCP)中封裝之類比與數位功能二者的組合正變得更普遍且進一步增加有用性及降低消費性及工業產品的成本。一積體電路晶粒上或一MCP中的微控制器及類比與數位電路功能之組合亦已擴展有用的應用範圍。消費性及商業產品(諸如，例如(但不限於)器具、電信器件、汽車、安全系統、全家即熱式熱水器、恆溫器及類似物)係受控於積體電路微控制器。用於接收感測器資訊之類比輸入及用於控制功能之類比輸出係此等微控制器之應用所必需的。迄今為止，使用分離及離散的類比轉數位介面及數位轉類比介面以將數位微控制器連接至外部的類比物件。
連同分離之運算放大器(op-amp)一起使用類比輸入器件(諸如一類比轉數位轉換器(ADC))以將時變類比信號轉換為其數位表示而耦合至數位輸入且由微控制器使用該等數位表示。亦由在某一類比值存在於比較器之輸入上時改變一數位輸出狀態的離散積體電路電壓比較器來偵測電壓及電流位準。
運算放大器(及比較器)通常為一差動輸入(反相輸入及非反相輸入)類比器件，且運算放大器之電路具有固有直流(DC)輸入偏移電壓，該固有直流(DC)輸入偏移電壓造成介於差動輸入之間零輸入電壓(舉例來說，輸入連接在一起)之情況下運算放大器之輸出。許多應用要求具有非常小之輸入偏移電壓的運算放大器。為了達成一非常小之輸入偏移電壓，在生產運算放大器中通常需要一校準步驟。此校準步驟在製造/測試運算放大器期間需花費時間，且因此執行時通常較昂貴。通常在一操作點(舉例來說，溫度、共模電壓等)下執行校準，使得在運算放大器之製造/測試中不補償操作環境(舉例來說，溫度、電壓等)之變化。現在技術已發展至可在其上亦製造數位控制器及數位控制器之支援邏輯與記憶體的相同積體電路晶粒上製造類比輸入及輸出器件的程度。此產生用於測試數位微控制器功能之設備不能有效地執行類比功能之線上校準的額外問題。因此，在製造時需要額外測試設備及測試步驟。同樣，測試模式邏輯及介接/多工電路變得更複雜，在積體電路封裝之接針數(外部連接)在數量上較少時尤為如此。
一儀器放大器具有包含偏移誤差、增益誤差及限制其效能之電路寄生效應的誤差來源。意欲儀器放大器之校準減少此等誤差而使儀器放大器適於更廣範圍之應用。
因此，存在可自動減少一類比輸入器件(舉例來說，一儀器放大器)之偏移及增益誤差的需要。亦期望可在一終端使用者系統應用中校準一類比輸入器件以滿足所期望之規格及可在正常操作及其任何變化期間遇到的所有操作條件(諸如溫度、電壓、電流、速度、功率、壓力、濕度等)下之操作參數，且可大量生產該類比輸入器件以減少整體產品成本。可在具有類比與數位功能之一積體電路(舉例來說，混合信號器件)上製造類比輸入器件。類比輸入器件可包含(但不限於)一差動或單端輸入運算放大器、一比較器、一可程式化增益放大器(PGA)、一儀器放大器(INA)、低雜訊放大器等。在由Hartono Darmawaskita、Layton Eagar及Miguel Moreno共同擁有的美國專利案第6,459,335號名為「Auto-Calibration Circuit to Minimize Input Offset Voltage in an Integrated Circuit Analog Input Device」中描述具有偏移電壓校準的一混合信號器件之一實例，且為了所有目的，該案以引用方式併入本文中。
可根據本發明之教示，用由一使用者請求及/或發生一(若干)事件時自動校準類比電路之增益及/或偏移二者的一裝置及方法滿足此需要。使用者透過至混合信號積體電路之一自動校準(ACAL)輸入而依需要調用增益及/或偏移之自動校準。一參考電壓(VCAL)校準輸入可用於自動校準混合信號積體電路至使用者供應之共模電壓參考。亦可在發生以下事件之任何一或多者之後起始混合信號積體電路器件的增益及/或偏移之自動校準，諸如(但不限於)：1)自動校準資料損壞之偵測，舉例來說，以數位形式儲存於混合信號積體電路中之自動校準資料值的同位檢查；2)在可程式化逾時週期之後可引起校準請求的一內部計時器；3)由溫度感測器決定之內部積體電路晶粒溫度的變化；及4)電源供應器及/或來自(若干)內部調節器(舉例來說，偏壓網路)之(若干)內部供應電壓的變化。
此外，一使用者可運用類比電路之增益及/或偏移的校準進行補償以補償終端系統之變動(包含操作點，舉例來說電源供應、共模等)；環境變化(舉例來說，溫度、濕度等)；且亦補償隨著時間推移的組件漂移(舉例來說，老化效應等)。
在增益調整校準期間，一參考電壓VCAL施加至類比器件之一輸入且用一電壓比較器比較類比器件之輸出與參考電壓VCAL。使用一數位控制電路以將一數位字(digital word)施加至增益調整電路來決定表示所需增益調整校準的數位值。在偏移校準期間，類比器件之差動輸入被一起短路且亦連接至參考電壓(舉例來說，VCAL)。用電壓比較器比較類比器件之輸出與參考電壓VCAL。數位控制電路將一數位字施加至輸入偏移補償電路以決定表示所需輸入偏移補償之數位值。可由數位控制電路使用數位字之多種數位值的一線性搜尋或二進位搜尋以完成增益及偏移校準二者。
一電壓比較器比較類比輸入器件之輸出與電壓參考。當類比輸入器件之輸出等於或大於電壓參考時，比較器輸出從一第一邏輯位準切換至一第二邏輯位準。比較器之輸出連接至數位控制電路且藉由改變其輸出邏輯位準而發信號給數位控制電路。
可程式化電壓參考以選擇待於(若干)增益及/或偏移校準循環期間施加至類比輸入器件及比較器輸入的一所期望之電壓值。此容許改變電壓參考以便促進離使用施加之參考電壓非常近之共模電壓處的校準的能力。可在起始類比輸入器件之自動校準之前，將適當電壓參考值寫入至與電壓參考電路相關聯之控制暫存器。在類比輸入器件之增益及/或輸入偏移電壓補償校準期間可針對不同類比輸入器件使用不同電壓參考值。
可使用熔絲鏈、可程式化唯讀記憶體等以控制用於增益及輸入偏移調整之補償開關。但是，完成類比輸入器件之增益調整及/或輸入偏移電壓補償電路的一較佳方式係使用至少一儲存暫存器或記憶體，該至少一儲存暫存器或記憶體留存用於控制連接補償儀器放大器之增益及/或輸入偏移電壓所必需之差動類比輸入電路中之恆定電流源及電流槽之開關的(若干)數位值。取決於所期望之應用，(若干)儲存暫存器可為揮發性或非揮發性。因此，在製造及/或測試期間不需要工廠校準，可消除可程式化熔絲鏈修整且增加終端使用者應用靈活性。
複數個類比輸入器件可具有藉由在複數個類比輸入器件之每一者之間多工使數位控制電路及比較而校準之該等類比輸入器件的增益及/或輸入偏移。因此，減少電路與晶粒面積、節省成本且改良混合信號積體電路器之可靠性。
根據本發明之一特性實例實施例，一種具有使用恆定電流源及恆定電流槽之增益及偏移校準的儀器放大器包括：一第一跨導級，其具有正與負電壓輸入及正與負電流輸出；一第二跨導級，其具有正與負電壓輸入及正與負電流輸出；一跨阻抗放大器，其具有正與負電流輸入及一電壓輸出；該第一跨導級及該第二跨導級之該等正電流輸出及該跨阻抗放大器之該正電流輸入係耦合在一起；該第一跨導級及該第二跨導級之該等負電流輸出及該跨阻抗放大器之該負電流輸入係耦合在一起；第一複數個恆定電流源；第一複數個開關，其中該第一複數個開關將該第一複數個恆定電流源之某些者可選擇地耦合至該第一跨導級；第二複數個恆定電流源；第二複數個開關，其中該第二複數個開關將該第二複數個恆定電流源之某些者可選擇地耦合至該第二跨導級；第三複數個恆定電流槽；第三複數個開關，其中該第三複數個開關將該第三複數個恆定電流槽之某些者可選擇地連接至該第一跨導級及該第二跨導級之該等正電流輸出；第四複數個恆定電流槽；及第四複數個開關，其中該第四複數個開關將該第四複數個恆定電流槽之某些者可選擇地耦合至該第一跨導級及該第二跨導級之該等負電流輸出；藉此藉由將該第一複數個恆定電流源及該第二複數個恆定電流源之該等某些者分別可選擇地耦合至該第一跨導級及該第二跨導級而提供該儀器放大器之增益調整；及藉此藉由將該第三複數個恆定電流槽及該第四複數個恆定電流槽之該等某些者分別可選擇地耦合至該第一跨導級及該第二跨導級之該等正電流輸出及該等負電流輸出而提供該儀器放大器之輸入偏移調整。
根據本發明之另一特定實例實施例，一種用於使用恆定電流源及恆定電流槽校準一儀器放大器之增益及偏移的方法包括以下步驟：藉由將複數個恆定電流源之某些者可選擇地耦合至該儀器放大器之第一跨導級及第二跨導級而調整一儀器放大器之增益；及藉由將複數個恆定電流槽之某些者可選擇地耦合至該儀器放大器之該第一跨導級及該第二跨導級的正與負輸出而調整該儀器放大器之偏移。將該儀器放大器之一正輸入耦合至一第一增益設定電阻器網路且將該儀器放大器之一負輸入耦合至一共同電源；將該儀器放大器之一回饋輸入耦合至一第二增益設定電阻器網路且將該儀器放大器之一參考輸入耦合至該共同電源，其中該第一增益設定電阻器網路及該第二增益設定電阻器網路係實質上相同；比較該儀器放大器之一輸出電壓與該參考電壓；及將該複數個恆定電流源之某些者可選擇地耦合至該儀器放大器之該第一跨導級及該第二跨導級直至來自該儀器放大器之該輸出電壓實質上相同於該參考電壓。調整該儀器放大器之該偏移的步驟包括以下步驟：將該儀器放大器之正與負輸入耦合至一參考電壓；將該儀器放大器之一回饋輸入耦合至一增益設定電阻器網路且將該儀器放大器之一參考輸入耦合至該參考電壓；比較該儀器放大器之一輸出電壓與一參考電壓；及將該複數個恆定電流槽之某些者可選擇地耦合至該儀器放大器之該第一跨導級及該第二跨導級的該等正與負輸出直至來自該儀器放大器之該輸出電壓實質上相同於該參考電壓。在調整該偏移之步驟之前發生調整該增益之步驟，此係因為增益調整可影響偏移，但反之並非亦然。
可藉由參考連同附圖進行之以下描述獲得本發明之本揭示內容的更完整瞭解。
雖然本發明可具有多種修改及替代形式，但本發明之特定實例實施例已展示於圖式中且已在本文中作詳細描述。但是，應理解，本文特定實例實施例之描述並非意欲將本發明限於本文揭示之特定形式，而是相反，本發明將涵蓋隨附請求項定義之所有修改及等效例。
現在參考圖式，示意性圖解說明實例實施例之細節。圖式中之相似元件將由相似數字表示，且類似元件將由具有不同小寫字母後綴的相似數字表示。
參考圖1，所描繪的是一儀器放大器(INA)之一基本架構的一示意性方塊圖。具有間接電流回饋之一儀器放大器(INA) 102包括一第一跨導級104、一第二跨導級110、一跨阻抗放大器108及一求和節點106。在求和節點106中加來自第一跨導級104之輸出電流I1，且在求和節點106中減去來自第二跨導級110之輸出電流I2。來自求和節點106之差動電流施加於將此電流輸入轉換為電壓輸出的跨阻抗放大器108。電流求和操作為間接電流回饋提供必要條件。理想地，來自跨導級104及110之兩個輸出電流應總和為零，I1-I2=0。根據公式，由電阻器112及114判定儀器放大器102之增益：
G=GM1/GM2*(1+RF/RG)
其中G係儀器放大器102之增益，GM1係第一跨導級104之增益，GM2係第二跨導級110之增益，RF係電阻器112之電阻值，且RG係電阻器114之電阻值。
參考圖2，所描繪的是根據本發明之一特定實例實施例用於修整圖1之儀器放大器的增益及偏移的一電路之示意圖。第一跨導級104包括連接為差動輸入對的電晶體260及264、一退化電阻器262、複數個恆定電流源230及232及分別與複數個恆定電流源230及232相關聯的複數個開關236及238。第二跨導級110包括連接為差動輸入對的電晶體266及270、一退化電阻器268、複數個恆定電流源240及242及分別與複數個恆定電流源240及242相關聯的複數個開關246及248。跨導級104及110二者共用複數個恆定電流槽234及244及分別與複數個恆定電流槽234及244相關聯的複數個開關252及254。使用複數個恆定電流槽234及244以修整儀器放大器102之偏移。用於偏移修整之複數個恆定電流槽234係與至跨阻抗放大器108的一負載之正(+)電流軌相關聯，且用於偏移修整之複數個恆定電流槽244係與至跨阻抗放大器108的一負載之負(-)電流軌相關聯。電晶體260、264、266及270可為(例如，但不限於)金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)，舉例來說P通道或N通道。
藉由改變跨導級104之尾恆定電流源230及232及/或改變跨導級110之尾恆定電流源240及242而調整儀器放大器102之增益。
藉由調整差動對負載之任一側(+及-)上的複數個恆定電流槽234及244而完成偏移修整。修整差動對負載處之偏移的一優點係其不影響儀器放大器102之增益。因此，較佳的是，可首先調整儀器放大器102之增益，接著將該儀器放大器102之偏移修整至實質上為零。藉此可在偏移修整操作期間補償由增益調整引入之任何額外偏移。
參考圖3，所描繪的是根據本發明之教示用於圖1之儀器放大器的增益校準之一切換配置的示意性電路圖。校準開關356至364係展示為連接於位置「b」中且增益/偏移校準開關372a及372b展示為連接於位置「c」中以用於增益校準。對於儀器放大器102之正常操作，校準開關356至364將連接於位置「a」中。在儀器放大器102之正常操作期間，增益/偏移校準開關372a及372b之位置是不相關的。
在增益校準期間，當校準開關356至364係在位置「b」中且增益/偏移校準開關372a及372b係在位置「c」中時，儀器放大器102之正輸入連接至內部回饋電阻器112a(RF)及內部增益設定電阻器114a(RG)之接點。內部回饋電阻器112a(RF)之另一端連接至來自校準電壓參考354之參考電壓370(VCAL)，且內部增益設定電阻器114a(RG)之另一端連接至共同參考電位374(舉例來說，接地)。儀器放大器102之負輸入連接至共同參考電位374(舉例來說，接地)；切斷外部節點116(OUT)、118(IN+)、120(IN-)、122(FB)及124(REF)與儀器放大器102之連接。儀器放大器102之參考輸入380連接至共同參考電位374(舉例來說，接地)。儀器放大器102之回饋輸入382連接至內部回饋電阻器112a(RF)及內部增益設定電阻器114(RG)之接點。
內部增益設定電阻器114與114a(RG)及內部回饋電阻器112與112a(RF)係在增益校準操作期間連接至儀器放大器102。內部增益設定電阻器114與114a(RG)及內部回饋電阻器112與112a(RF)將儀器放大器102組態為具有高增益以作更精確的增益校準。內部增益設定電阻器114及114a(RG)被匹配為具有實質上相同之電阻。類似地，內部回饋電阻器112及112a(RF)被匹配為具有實質上相同之電阻。因此，儀器放大器102輸出係與參考電壓370(VCAL)大約相同之電壓值。
切斷輸出節點116與儀器放大器102之輸出的連接，使得儀器放大器102之輸出可連接至比較器352之正輸入(儀器放大器102之三態輸出可用作相同目的)。來自校準電壓參考354之參考電壓VCAL可大約在(例如，但不限於)供應電壓VDD(未展示)與共同參考電位374之間的中間位置。
當比較器352之正輸入處的電壓之值實質上相同於與比較器352之負輸入處之參考電壓VCAL之值時，校準儀器放大器102之增益。取決於正輸入上之電壓是否大於或小於或等於校準電壓，比較器352之輸出將為邏輯1(高)或邏輯0(低)。比較器352之輸出368可耦合至圖5中之逐次逼近暫存器(SAR)，且為在如本文對圖2及圖5中所示之數位校準電路更完全描述的判定複數個恆定電流源230、232、240及/或242之哪些將連接於儀器放大器102電路(圖2)中使用的一逐次逼近類比轉數位轉換器(ADC)之部分。
較佳的是，可首先執行增益校準，此係因為增益調整實質上並不影響偏移，但是若在增益設定恆定電流源230、232、240及/或242(圖2)之選擇期間引入儀器放大器102的任何偏移，則在偏移校準期間，將實質上使增益設定引入之偏移抵消。
參考圖4，所描繪的是根據本發明之教示用於圖1之儀器放大器的偏移校準之一切換配置的示意性電路圖。校準開關356至364展示為連接於位置「b」中且增益/偏移校準開關372a及372b展示為連接於位置「d」中以用於偏移校準。對於儀器放大器102之正常操作，校準開關356至364將連接於位置「a」中。在儀器放大器102之正常操作期間，增益/偏移校準開關372a及372b之位置是不相關的。
在偏移校準期間，當校準開關356至364係在位置「b」中且增益/偏移校準開關372a及372b係在位置「d」中時，儀器放大器102之差動輸入連接至校準電壓參考354。來自校準電壓參考354之參考電壓370(VCAL)可大約在(例如，但不限於)供應電壓VDD(未展示)與共同參考電位374之間的中間。切斷外部節點116(OUT)、118(IN+)、120(IN-)、122(FB)及124(REF)與儀器放大器102的連接，其中在偏移校準操作期間於儀器放大器102中使用一內部增益設定電阻器114a(RG)及一內部回饋電阻器112a(RF)。內部增益設定電阻器114a(RG)及內部回饋電阻器112(RF)將儀器放大器102之操作組態為具有高增益以作更精確的偏移校準。切斷輸出節點116與儀器放大器102之輸出的連接，使得儀器放大器102之輸出可連接至比較器352之正輸入(儀器放大器102之三態輸出可用作相同目的)。比較器352之負輸入連接至校準電壓參考354(舉例來說，參考電壓370)。
較佳的是，期望在儀器放大器102之差動輸入連接在一起且連接至參考電壓370(VCAL)時，儀器放大器102之輸出應約等於參考電壓370(VCAL)。此輸出條件將在儀器放大器102之正常操作期間給定輸出之正擺幅與負擺幅之間的最均等(最佳)範圍以作為差動輸入電壓之一函數。取決於正輸入上之電壓是否大於或小於或等於校準電壓，比較器352之輸出將為邏輯1(高)或邏輯0(低)。比較器352之輸出368可耦合至圖5中之逐次逼近暫存器(SAR)，且為在如本文對圖2及圖5中所示之數位校準電路更完全描述的判定複數個恆定電流槽234及/或244之哪些將連接於儀器放大器102電路(圖2)中使用的一逐次逼近類比轉數位轉換器(ADC)之部分。
參考圖5，所描述的是根據本發明之教示與圖2至圖4中所示之電路組合地使用之一數位校準電路的一示意性方塊電路圖。通常由數字500表示之一數位校準電路包括一計時器502、一校準邏輯狀態機504、一逐次逼近暫存器(SAR) 506、一增益修整暫存器510、一增益修整暫存器同位偵測電路512、一偏移修整暫存器514、一偏移修整暫存器同位偵測電路516、用於邏輯上指示來自修整暫存器同位偵測電路512及514之任一者之誤差的一「或(OR)」閘508、一開機重設(POR) 530及一時脈振盪器524。
根據本發明之教示，無論修整暫存器內容之同位檢查何時偵測到其中之同位錯誤，可起始自行自動校準循環。此可藉由使用增益修整暫存器同位偵測電路512實施以偵測增益修整暫存器510之修整資料內容中的同位錯誤。當偵測到同位錯誤時，增益修整暫存器同位偵測電路512確證一同位錯誤偵測信號且開機重設530將起始新自行自動校準循環之開始。同樣地，當在偏移修整暫存器514中偵測到同位錯誤時，偏移修整暫存器同位偵測電路516確證一同位錯誤偵測信號且開機重設530將起始新自行自動校準循環之開始。可使用一「或」閘508以組合來自增益修整暫存器同位偵測電路512或偏移修整暫存器同位偵測電路516之同位錯誤偵測信號。可替代「或」閘508實施其他邏輯組合且本文預期其他邏輯組合。
在自行自動校準循環期間，同位位元可由校準邏輯狀態機504自動判定且儲存於修整暫存器510或514之同位位元位置中。在此實例中，對於每一修整暫存器510及514，存在一同位位元。若發生一同位錯誤(在儀器放大器102之正常操作期間)，由開機重設530強制執行開機重設且發生新自動校準循環。此非常重要，此係因為修整暫存器內容可儲存於揮發性暫存器(記憶體)中，且在電力故障期間使包含於其中之修整資料損壞。同樣，可因宇宙輻射(舉例來說，太空用途(space application))發生軟資料錯誤。因此，修整暫存器510及514內容之同位檢查提供一些保護以防儲存於揮發性記憶體組態中之增益及偏移修整值資料的損壞。另一方面，修整暫存器內容可儲存於非揮發性記憶體中，且在非揮發性記憶體組態中可不需要同位位元及同位檢查。預期在本發明之範疇內，修整資料可在具有或不具有一同位位元及同位檢查下儲存於揮發性及/或非揮發性記憶體中。
亦可藉由觸發一使用者程式化自動校準輸入ACAL來起始自動校準。此特徵避免不得不使混合信號積體電路器件斷電以重新校準其中的儀器放大器102。此亦節省時間，此係因為延遲時間比需要完全電力開啟之情況更短(舉例來說，約1毫秒相對150毫秒)。在電力開啟時，延遲較長，此係因為計時器超時經設計為等待系統電源供應安定(穩定)。若藉由自動校準輸入ACAL起始校準，則無需此長延遲。
具有ACAL校準輸入使易於來自微控制器之應用程式(舉例來說，控制信號)藉由觸發一邏輯位準至ACAL校準輸入而引起自行自動校準。自行自動校準積體電路器件(未展示)內之微控制器及/或電路可基於系統條件(舉例來說，電源供應電壓、溫度及/或固定時間間隔)中之任何變化，根據本發明之教示調用自行自動校準。
雖然已描繪、描述本發明之實施例且藉由參考本發明之實例實施例定義本發明之實施例，但是此等參考並不意謂著對本發明之限制，且不可推斷出此限制。一般程度地熟悉有關技術且獲益於本發明的人員將瞭解，所揭示之標的能夠在形式及功能上具有相當多的修改、變更及等效例。本發明所描繪及描述的僅為實例，且並非為本發明之範疇的詳盡描述。
102．．．儀器放大器(INA)
104．．．第一跨導級
106．．．求和節點
108．．．跨阻抗放大器
110．．．第二跨導級
112、112a．．．內部回饋電阻器
114、114a．．．內部增益設定電阻器
116、118、120、122、124．．．外部節點
230、232．．．恆定電流源
234、244．．．恆定電流槽
236、238．．．開關
240、242．．．恆定電流源
246、248．．．開關
252、254．．．開關
260、264．．．電晶體
262．．．退化電阻器
266、270．．．電晶體
268．．．退化電阻器
352．．．比較器
354．．．校準電壓參考
356、358、360、362、364．．．校準開關
368．．．比較器之輸出
372a、372b．．．增益/偏移校準開關
374．．．共同參考電位
380．．．參考輸入
382．．．回饋輸入
500．．．數位校準電路
502．．．計時器
504．．．校準邏輯狀態機
506．．．逐次逼近暫存器(SAR)
508．．．「或」閘
510．．．增益修整暫存器
512．．．增益修整暫存器同位偵測電路
514．．．偏移修整暫存器
516．．．偏移修整暫存器同位偵測電路
524．．．時脈振盪器
530．．．開機重設(POR)
G．．．儀器放大器之增益
GM1．．．第一跨導級之增益
GM2．．．第二跨導級之增益
I1．．．第一跨導級之輸出電流
I2．．．第二跨導級之輸出電流
RF．．．電阻器之電阻值
RG．．．電阻器之電阻值
VCAL/370．．．參考電壓
VDD．．．供應電壓
圖1圖解說明一儀器放大器(INA)之一基本架構的一示意性方塊圖；
圖2圖解說明根據本發明之一特定實例實施例用於修整圖1之儀器放大器的增益及偏移的一電路之示意圖；
圖3圖解說明根據本發明之教示用於圖1之儀器放大器的增益校準之一切換配置的示意性電路圖；
圖4圖解說明根據本發明之教示用於圖1之儀器放大器的偏移校準之一切換配置的示意性電路圖；及
圖5圖解說明根據本發明之教示與圖2至圖4中所示之電路組合地使用之一數位校準電路的一示意性方塊電路圖。
104．．．第一跨導級
110．．．第二跨導級
118、120、122、124．．．外部節點
230、232．．．恆定電流源
234、244．．．恆定電流槽
236、238．．．開關
240、242．．．恆定電流源
246、248．．．開關
252、254．．．開關
260、264．．．電晶體
262．．．退化電阻器
266、270．．．電晶體
268．．．退化電阻器
374．．．共同參考電位
GM1．．．第一跨導級之增益
GM2．．．第二跨導級之增益

Claims (18)

  1. 一種具有使用恆定電流源及恆定電流槽之增益及偏移校準的儀器放大器，該儀器放大器包括：一第一跨導級，其具有正與負電壓輸入及正與負電流輸出；一第二跨導級，其具有正與負電壓輸入及正與負電流輸出；一跨阻抗放大器，其具有正與負電流輸入及一電壓輸出；該第一跨導級及該第二跨導級之該等正電流輸出及該跨阻抗放大器之該正電流輸入係耦合在一起；該第一跨導級及該第二跨導級之該等負電流輸出及該跨阻抗放大器之該負電流輸入係耦合在一起；第一複數個恆定電流源；第一複數個開關，其中該第一複數個開關將該第一複數個恆定電流源之某些者可選擇地耦合至該第一跨導級；第二複數個恆定電流源；第二複數個開關，其中該第二複數個開關將該第二複數個恆定電流源之某些者可選擇地耦合至該第二跨導級；第三複數個恆定電流槽；第三複數個開關，其中該第三複數個開關將該第三複數個恆定電流槽之某些者可選擇地連接至該第一跨導級 及該第二跨導級之該等正電流輸出；第四複數個恆定電流槽；及第四複數個開關，其中該第四複數個開關將該第四複數個恆定電流槽之某些者可選擇地耦合至該第一跨導級及該第二跨導級之該等負電流輸出；藉此藉由將該第一複數個恆定電流源及該第二複數個恆定電流源之該等某些者分別可選擇地耦合至該第一跨導級及該第二跨導級而提供該儀器放大器之增益調整；及藉此藉由將該第三複數個恆定電流槽及該第四複數個恆定電流槽之該等某些者分別可選擇地耦合至該第一跨導級及該第二跨導級之該等正電流輸出及該等負電流輸出而提供該儀器放大器之輸入偏移調整。
  2. 如請求項1之儀器放大器，其中該第一跨導級包括：一第一金屬氧化物場效應電晶體(MOSFET)，其具有一源極、閘極及汲極；一第二MOSFET，其具有一源極、閘極及汲極；其中該第一MOSFET及該第二MOSFET之該等源極係可選擇地耦合至該第一複數個恆定電流源之該等某些者；其中該第一MOSFET之該汲極係該第一跨導級之該正電流輸出；及其中該第二MOSFET之該汲極係該第一跨導級之該負電流輸出。
  3. 如請求項2之儀器放大器，其中該第一MOSFET及第二該 MOSFET係P通道MOSFET。
  4. 如請求項2之儀器放大器，其中該第一MOSFET及該第二MOSFET係N通道MOSFET。
  5. 如請求項1之儀器放大器，其中該第二跨導級包括：一第三金屬氧化物場效應電晶體(MOSFET)，其具有一源極、閘極及汲極；一第四MOSFET，其具有一源極、閘極及汲極；其中該第三MOSFET及該第四MOSFET之該等源極係可選擇地耦合至該第二複數個恆定電流源之該等某些者；其中該第三MOSFET之該汲極係該第二跨導級之該正電流輸出；及其中該第四MOSFET之該汲極係該第二跨導級之該負電流輸出。
  6. 如請求項5之儀器放大器，其中該第三MOSFET及該第四MOSFET係P通道MOSFET。
  7. 如請求項5之儀器放大器，其中該第三MOSFET及該第四MOSFET係N通道MOSFET。
  8. 如請求項1之儀器放大器，其中該等第一、第二、第三及第四複數個開關包括電晶體。
  9. 如請求項1之儀器放大器，其中在一積體電路晶粒上製造該儀器放大器。
  10. 如請求項1之儀器放大器，其中在一積體電路晶粒上製造複數個儀器放大器。
  11. 如請求項1之儀器放大器，其進一步包括用於校準該儀器放大器之增益及偏移的一自動校準電路。
  12. 如請求項11之儀器放大器，其中該自動校準電路包括：一電壓參考，其提供一參考電壓；一電壓比較器，其具有第一及第二類比輸入及一數位輸出，該第一類比輸入係耦合至來自該跨阻抗放大器之該輸出的一電壓且該第二類比輸入係耦合至來自該電壓參考之該參考電壓，其中當該第一類比輸入上之該電壓大於該第二類比輸入上之該參考電壓時，該數位輸出係處於一第一邏輯位準，且當該第一類比輸入上之該電壓係小於或等於該第二類比輸入上之該參考電壓時，該數位輸出係處於一第二邏輯位準；一逐次逼近暫存器(SAR)，其具有耦合至該電壓比較器之該數位輸出之一數位輸入及耦合至該等第一、第二、第三及第四複數個開關之輸出；及校準邏輯，其中當該第一跨導級之該正輸入係耦合至該參考電壓且該第一跨導級及該第二跨導級係經組態以提供該儀器放大器之一所期望增益時，該校準邏輯控制該第一複數個開關及該第二複數個開關以可選擇地耦合該第一複數個恆定電流源及該第二複數個恆定電流源之該等某些者，以便校準該儀器放大器之該增益，及其中當該第一跨導級之該等正與負輸入係耦合在一起且耦合至一參考電壓且該第二跨導級之該等正與負 輸入係經組態以提供該儀器放大器之一所期望增益時，該校準邏輯控制該第三複數個開關及該第四複數個開關以選擇性耦合該第三複數個恆定電流槽及該第四複數個恆定電流槽之該等某些者，以便校準該儀器放大器之該輸入偏移。
  13. 如請求項12之儀器放大器，其進一步包括第一、第二、第三及第四暫存器，該等第一、第二、第三及第四暫存器分別耦合於該逐次逼近暫存器與該等第一、第二、第三及第四複數個開關之間，用於儲存來自該逐次逼近暫存器之自動校準值。
  14. 如請求項12之儀器放大器，其進一步包括該等第一、第二、第三及第四暫存器之同位檢查。
  15. 一種用於使用恆定電流源及恆定電流槽校準一儀器放大器之增益及偏移的方法，該方法包括以下步驟：藉由將複數個恆定電流源之某些者可選擇地耦合至該儀器放大器之第一跨導級及第二跨導級而調整一儀器放大器之增益；及藉由將複數個恆定電流槽之某些者可選擇地耦合至該儀器放大器之該第一跨導級及該第二跨導級的正與負輸出而調整該儀器放大器之偏移，其中該複數個恆定電流源耦合至該第一跨導級及該第二跨導級中之若干電晶體的源極。
  16. 如請求項15之方法，其中調整該儀器放大器之該增益之該步驟包括以下步驟： 將該儀器放大器之一正輸入耦合至一第一增益設定電阻器網路且將該儀器放大器之一負輸入耦合至一共同電源；將該儀器放大器之一回饋輸入耦合至一第二增益設定電阻器網路且將該儀器放大器之一參考輸入耦合至該共同電源，其中該第一增益設定電阻器網路及該第二增益設定電阻器網路係實質上相同；比較該儀器放大器之一輸出電壓與該參考電壓；及將該複數個恆定電流源之某些者可選擇地耦合至該儀器放大器之該第一跨導級及該第二跨導級直至來自該儀器放大器之該輸出電壓實質上相同於該參考電壓。
  17. 如請求項15之方法，其中調整該儀器放大器之該偏移的步驟包括以下步驟：將該儀器放大器之正與負輸入耦合至一參考電壓；將該儀器放大器之一回饋輸入耦合至一增益設定電阻器網路且將該儀器放大器之一參考輸入耦合至該參考電壓；比較該儀器放大器之一輸出電壓與一參考電壓；及將該複數個恆定電流槽之某些者可選擇地耦合至該儀器放大器之該第一跨導級及該第二跨導級的該等正與負輸出直至來自該儀器放大器之該輸出電壓實質上相同於該參考電壓。
  18. 如請求項15之方法，其中在調整該偏移之該步驟之前發生調整該增益之該步驟。
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Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8878608B2 (en) 2011-11-03 2014-11-04 Mediatek Inc. Comparator and amplifier
US9069369B1 (en) * 2012-03-30 2015-06-30 Altera Corporation Voltage regulator and a method to operate the voltage regulator
CN103631295B (zh) * 2013-12-12 2016-08-17 杭州士兰微电子股份有限公司 惠斯通电桥装置及其调试方法
US9432004B2 (en) * 2014-04-17 2016-08-30 Stmicroelectronics, Inc. Automatic gain and offset compensation for an electronic circuit
US9444660B2 (en) * 2014-04-28 2016-09-13 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Simplified and effective offset calibration circuit for RxLOS in serdes
US9641186B2 (en) 2015-06-06 2017-05-02 Silicon Laboratories Inc. Apparatus for digital-to-analog conversion with improved performance and associated methods
US9647622B1 (en) * 2015-10-22 2017-05-09 Futurewei Technologies, Inc. System and method for offset voltage calibration
CN107750420B (zh) * 2015-12-07 2020-04-17 富士电机株式会社 电压生成电路及过电流检测电路
US10003353B2 (en) * 2016-07-19 2018-06-19 Microchip Technology Incorporated Time-based delay line analog comparator
US10250198B2 (en) * 2017-05-02 2019-04-02 Microchip Technology Incorporated Methods of adjusting gain error in instrumentation amplifiers
US10454438B2 (en) 2017-05-02 2019-10-22 Microchip Technology Incorporated Dynamic correction of gain error in current-feedback instrumentation amplifiers
US10651803B2 (en) * 2017-11-17 2020-05-12 Texas Instruments Incorporated Transconductance shifted differential difference amplifier
US10511275B2 (en) * 2018-01-16 2019-12-17 Microchip Technology Incorporated Common mode sensing architecture
EP3546975A1 (en) * 2018-03-29 2019-10-02 Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG Test arrangement and test method for characterizing a differential probe
US10418954B1 (en) 2018-04-20 2019-09-17 Qualcomm Incorporated Single controller automatic calibrating circuits for reducing or canceling offset voltages in operational amplifiers in an instrumentation amplifier
CN108880547A (zh) * 2018-08-21 2018-11-23 中国船舶重工集团公司第七0四研究所 基于电流注入的电桥电路零位偏置在线校正方法
US10924066B2 (en) * 2018-10-11 2021-02-16 Semiconductor Components Industries, Llc Offset voltage trimming for operational amplifiers
JP2020150523A (ja) * 2019-03-15 2020-09-17 キオクシア株式会社 半導体回路
KR20210024863A (ko) 2019-08-26 2021-03-08 삼성전자주식회사 오프셋 교정을 제공하는 비교기 및 이를 포함하는 집적 회로
US11736069B2 (en) * 2021-02-11 2023-08-22 Qualcomm Incorporated Ultra-high bandwidth inductorless amplifier
CN116192144B (zh) * 2023-02-13 2024-04-02 集益威半导体(上海)有限公司 异步逐次逼近式模数转换器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6559720B1 (en) * 2001-10-26 2003-05-06 Maxim Integrated Products, Inc. GM-controlled current-isolated indirect-feedback instrumentation amplifier
US7368968B1 (en) * 2005-12-29 2008-05-06 Altera Corporation Signal offset cancellation
US20080224768A1 (en) * 2007-03-14 2008-09-18 Chih-Jen Yen Operational Amplifier Capable of Compensating Offset Voltage
TW200903990A (en) * 2007-05-17 2009-01-16 Nat Semiconductor Corp Autozeroing current feedback instrumentation amplifier
US7541857B1 (en) * 2005-12-29 2009-06-02 Altera Corporation Comparator offset cancellation assisted by PLD resources

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6141169A (en) 1997-10-23 2000-10-31 Cirrus Logic, Inc. System and method for control of low frequency input levels to an amplifier and compensation of input offsets of the amplifier
US6034569A (en) 1998-06-11 2000-03-07 Capella Microsystems, Inc. Amplifier offset cancellation system
US6459335B1 (en) 2000-09-29 2002-10-01 Microchip Technology Incorporated Auto-calibration circuit to minimize input offset voltage in an integrated circuit analog input device
US6538507B2 (en) * 2001-02-28 2003-03-25 Intersil Americas, Inc. Automatic gain control circuit with high linearity and monotonically correlated offset voltage

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6559720B1 (en) * 2001-10-26 2003-05-06 Maxim Integrated Products, Inc. GM-controlled current-isolated indirect-feedback instrumentation amplifier
US7368968B1 (en) * 2005-12-29 2008-05-06 Altera Corporation Signal offset cancellation
US7541857B1 (en) * 2005-12-29 2009-06-02 Altera Corporation Comparator offset cancellation assisted by PLD resources
US20080224768A1 (en) * 2007-03-14 2008-09-18 Chih-Jen Yen Operational Amplifier Capable of Compensating Offset Voltage
TW200903990A (en) * 2007-05-17 2009-01-16 Nat Semiconductor Corp Autozeroing current feedback instrumentation amplifier

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ahuja, B.K., "An improved frequency compensation technique for CMOS operational amplifiers," Solid-State Circuits, IEEE Journal of , vol.18, no.6, pp.629,633, Dec. 1983. *
Rong Wu; Makinwa, K.A.A.; Huijsing, J.H., "A Chopper Current-Feedback Instrumentation Amplifier With a 1 mHz Noise Corner and an AC-Coupled Ripple Reduction Loop," Solid-State Circuits, IEEE Journal of , vol.44, no.12, pp.3232,3243, Dec. 2009. *
van de Plassche, R.J., "A wide-band monolithic instrumentation amplifier [application of voltage-current convertor]," Solid-State Circuits, IEEE Journal of , vol.10, no.6, pp.424,431, Dec. 1975. *
Witte, J.F.; Huijsing, J.H.; Makinwa, K.A.A., "A Current-Feedback Instrumentation Amplifier With 5 Offset for Bidirectional High-Side Current-Sensing," Solid-State Circuits, IEEE Journal of , vol.43, no.12, pp.2769,2775, Dec. 2008. *

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