TWI600271B - 運算放大器及降低其偏移電壓的方法 - Google Patents

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Description

運算放大器及降低其偏移電壓的方法
本發明提供一種運算放大器及降低其偏移電壓的方法，特別是關於一種透過調整運算放大器中輸入級電路與輸出級電路之間的電流大小，以降低偏移電壓之運算放大器及其方法。
理想運算放大器具備下列特性：輸入阻抗無限大、輸出阻抗等於零、開迴路增益無限大、共模互斥比(Common Mode Rejection Ratio)無限大、頻寬無限大。對於真實運算放大器來說，由於半導體製程及積體電路技術的限制，運算放大器的輸入訊號即使是0伏特，亦無法產生0伏特的輸出訊號。為了表示真實運算放大器的特性，習知技術係以一偏移電壓(Offset Voltage)代表運算放大器的非理想性。
請參考圖1，其為習知運算放大器的示意圖。運算放大器10包含一輸入級電路12、一輸出級電路14及一偏移電壓Voff。運算放大器10由一正輸入端Vin+與一負輸入端Vin-接收差動訊號，且據此產生電流C1、C2至輸出級電路14，並由一輸出端Vout輸出放大後的結果。偏移電壓Voff用來表示運算放大器10的非理想性(不存在於實際電路上)，且偏移電壓Voff表示輸出端Vout耦接於負輸入端Vin-(形成單位增益迴授架構)時，輸出端Vout與正輸入端Vin+之間的電壓差。而偏移電壓Voff產生的原因有許多，如半 導體物理特性、製程瑕疵、元件不匹配等。
習知運算放大器10係利用多個電晶體來調整偏移電壓Voff。請同時參考圖2，其為圖1之輸入級電路12的示意圖。輸入級電路12包含有電晶體Sa、Sb、輔助電晶體Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、開關元件Fa1、Fa2、Fa3、Fa4、Fb1、Fb2、Fb3、Fb4與電流源Ia。電晶體Sa耦接於電流源Ia與輸出級電路14之間，且電晶體Sb耦接於電流源Ia與輸出級電路14之間。輔助電晶體Sa1-Sa4分別透過開關元件Fa1-Fa4耦接於電流源Ia與輸出級電路14之間，且電晶體Sa與輔助電晶體Sa1-Sa4並接。輔助電晶體Sb1-Sb4分別透過開關元件Fb1-Fb4耦接於電流源Ia與輸出級電路14之間，且電晶體Sb與輔助電晶體Sb1-Sb4並接。
正輸入端Vin+電連接電晶體Sa之控制端與輔助電晶體Sa1-Sa4之控制端，以及負輸入端Vin-電連接電晶體Sb之控制端與輔助電晶體Sb1-Sb4之控制端。輸入級電路12根據正輸入端Vin+以及負輸入端Vin-的電壓產生電流C1與C2至輸出級電路14。電晶體Sa與輔助電晶體Sa1-Sa4之寬長比(W/L)依序為W/L、W/2L、W/4L、W/8L、W/16L。電晶體Sb與輔助電晶體Sb1-Sb4之寬長比(W/L)依序為W/L、W/2L、W/4L、W/8L、W/16L。因此，使用者可透過開關元件Fa1-Fa4與Fb1-Fb4的開啟與關閉來調整正輸入端Vin+及負輸入端Vin-的電壓，以據此調整電流C1與C2，進而調整偏移電壓Voff至0伏特。
然而，受限於每個電晶體的尺寸不同而物理特性並非等比例改變，習知運算放大器利用多個電晶體來調整偏移電壓會造成較大的最低有效位元(Least Significant Bit,LSB)分布，使得調整偏移電壓Voff的誤差很大，進而降低調整偏移電壓的精確度。故如何準確地調整偏移電壓即成為業界所努力的課題之一。
本發明之目的在於提供一種運算放大器及降低其偏移電壓的方法，其利用電阻來調整偏移電壓，以降低最低有效位元(LSB)分布，進而提高偏移電壓的精確度。
本發明實施例提供一種運算放大器，上述運算放大器包括一輸入級電路、一電流調整電路與一輸出級電路。輸入級電路具有一正輸入端、一負輸入端、一第一端與一第二端，且根據正輸入端與負輸入端所接收之電壓分別輸出一第一電流與一第二電流至第一端與第二端。電流調整電路包括一輔助電路與二電阻調節器。輔助電路耦接第一端與第二端，且包括一正輔助端與一負輔助端。二電阻調節器分別透過正輔助端與負輔助端耦接一輔助電流源。二電阻調節器根據第一電流與第二電流調整正輔助端之電壓與負輔助端之電壓，以控制輔助電路分別傳送一第一輔助電流與一第二輔助電流至第一端與第二端。而正輔助端之電壓與負輔助端之電壓分別透過輔助電流源之一電流值與對應的電阻調節器之一電阻值調整。輸出級電路耦接第一端與第二端。輸出級電路由第一端接收第一電流與第一輔助電流以成為一調整後的第一電流，且輸出級電路由第二端接收第二電流與第二輔助電流以成為一調整後的第二電流。以及輸出級電路根據調整後的第一電流與調整後的第二電流產生一輸出電壓。
本發明實施例提供一種降低運算放大器偏移電壓的方法。運算放大器具有一輸入級電路、一電流調整電路與一輸出級電路。電流調整電路具有一輔助電路與二電阻調節器。輸入級電路透過一第一端與一第二端耦接輸出級電路與輔助電路。二電阻調節器分別耦接於輔助電路之一正輔助端與一負輔助端。降低運算放大器偏移電壓的方法包括如下步驟：根據輸入級電路之一正輸入端與一負輸入端所接收之電壓分別輸出一第一電流與一第二電流至第一端與第二端；於二電阻調節器中，根據第一電流與第二電流調整正輔助端與負輔助端之電壓，以控制輔助電路分別傳送一第 一輔助電流與一第二輔助電流至第一端與第二端，其中正輔助端之電壓與負輔助端之電壓分別透過輔助電流源之一電流值與對應的電阻調節器之一電阻值調整；以及於輸出級電路中，由第一端接收第一電流與第一輔助電流以成為一調整後的第一電流，由第二端接收第二電流與第二輔助電流以成為一調整後的第二電流，且根據調整後的第一電流與調整後的第二電流產生一輸出電壓。
綜合以上所述，本發明實施例所提供的運算放大器及降低其偏移電壓的方法，其透過調整電阻調節器之電阻值來控制輔助電路產生第一輔助電流與第二輔助電流，以據此調整輸入級電路所輸出的第一電流與第二電流，進而調整偏移電壓。據此，本發明實施例所提供的運算放大器及降低其偏移電壓的方法利用電阻來調整偏移電壓，由於電阻之匹配(matching)程度比電晶體之匹配程度高，所以可以降低最低有效位元(LSB)分布，進而提高偏移電壓的精確度。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
10、100、200‧‧‧運算放大器
102‧‧‧第一端
104‧‧‧第二端
106‧‧‧正輔助端
108‧‧‧負輔助端
12、120、220‧‧‧輸入級電路
14、140、240‧‧‧輸出級電路
160、260‧‧‧電流調整電路
162、262‧‧‧輔助電路
164、164a、264‧‧‧電阻調節器
166、166a、266‧‧‧電阻調節器
C1、C2‧‧‧電流
Ia‧‧‧電流源
Ib‧‧‧輔助電流源
I1‧‧‧第一電流
I2‧‧‧第二電流
I3‧‧‧第一輔助電流
I4‧‧‧第二輔助電流
M1‧‧‧第一電晶體
M2‧‧‧第二電晶體
M3‧‧‧第一輔助電晶體
M4‧‧‧第二輔助電晶體
R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻
W1、W2、W3、W4‧‧‧電阻
RS、RS1‧‧‧電阻
Sa、Sb‧‧‧電晶體
Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4‧‧‧輔助電晶體
Fa1、Fa2、Fa3、Fa4、Fb1、Fb2、Fb3、Fb4‧‧‧開關元件
F1、F2、F3、F4‧‧‧開關元件
X1、X2、X3、X4‧‧‧開關元件
Vin+‧‧‧正輸入端
Vin-‧‧‧負輸入端
Vout‧‧‧輸出端
Voff‧‧‧偏移電壓
Vos‧‧‧偏移電壓
S610、S620、S630‧‧‧步驟
圖1是習知運算放大器的示意圖。
圖2是圖1之輸入級電路的示意圖。
圖3是本發明一實施例之運算放大器的示意圖。
圖4是圖3之運算放大器的細部架構圖。
圖5A是本發明一實施例之電阻調節器的示意圖。
圖5B是本發明另一實施例之電阻調節器的示意圖。
圖6是本發明一實施例之降低運算放大器之偏移電壓的流程圖。
圖7是本發明另一實施例之運算放大器的細部架構圖。
在下文中，將藉由圖式說明本發明之各種例示實施例來詳細描述本發明。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。此外，在圖式中相同參考數字可用以表示類似的元件。
首先，請參考圖3，其顯示本發明一實施例之運算放大器的示意圖。如圖3所示，運算放大器100包含有一輸入級電路120、一輸出級電路140與一電流調整電路160。輸入級電路120具有一正輸入端Vin+、一負輸入端Vin-、一第一端102與一第二端104，且根據正輸入端Vin+與負輸入端Vin-所接收之電壓分別輸出一第一電流I1與一第二電流I2至第一端102與第二端104。請同時參考圖4，在本實施例中，輸入級電路120包括一電流源Ia、一第一電晶體M1與一第二電晶體M2。第一電晶體M1耦接於電流源Ia與第一端102之間，且第一電晶體M1之一控制端耦接正輸入端Vin+。第二電晶體M2耦接於電流源Ia與第二端104之間，且第二電晶體M2之一控制端耦接負輸入端Vin-。因此，第一電晶體M1與第二電晶體M2將根據正輸入端Vin+與負輸入端Vin-所接收之電壓而導通，以分別輸出第一電流I1與第二電流I2至第一端102與第二端104。
輸出級電路140耦接第一端102與第二端104。且根據由第一端102與第二端104所接收到的電流由輸出端Vout輸出電壓放大的結果。另外，偏移電壓Vos係用來表示運算放大器100的非理想性(不存在於實際電路上)。電流調整電路160則用來調整輸入級電路120所輸出之第一電流I1與第二電流I2，以補償偏移電壓Vos的影響。因此，在運算放大器100中，電流調整電路160可透過調整第一電流I1與第二電流I2的電流大小來補償因半導體物理特性、製程瑕疵、元件不匹配等因素所產生的偏移電壓Vos的影響。
更進一步來說，輸入級電路12包括一輔助電路162與二電阻調節器164與166。輔助電路162耦接第一端102與第二端104，且包括一正輔助端106與一負輔助端108。二電阻調節器164與166分別耦接正輔助端106與負輔助端108，且根據第一電流I1與第二電流I2調整正輔助端106之電壓與負輔助端108之電壓，以控制輔助電路162分別傳送一第一輔助電流I3與一第二輔助電流I4至第一端102與第二端104。
在本實施例中，輔助電路162包括一電流源Ia、一第一輔助電晶體M3與一第二輔助電晶體M4。第一輔助電晶體M3耦接於電流源Ia與第一端102之間，且第一輔助電晶體M3之一控制端耦接正輔助端106。第二輔助電晶體M4耦接於電流源Ia與第二端104之間，且第二輔助電晶體M4之一控制端耦接負輔助端108。因此，二電阻調節器164與166之電阻值將根據第一電流I1與第二電流I2而調整以改變正輔助端106之電壓與負輔助端108之電壓。而第一輔助電晶體M3與第二輔助電晶體M4將根據正輔助端106與負輔助端108之電壓而導通，以分別輸出第一輔助電流I3與第二輔助電流I4至第一端102與第二端104。
更進一步來說，電阻調節器164透過正輔助端106耦接輔助電流源Ib。正輔助端106之電壓將根據輔助電流源Ib之一電流值與對應的電阻調節器164之一電阻值調整。電阻調節器166透過負輔助端108耦接輔助電流源Ib。負輔助端108之電壓將根據輔助電流源Ib之一電流值與對應的電阻調節器166之一電阻值調整。
請同時參考圖5A，其顯示本發明一實施例之電阻調節器的示意圖。在本實施例中，每一個電阻調節器164與166包括複數個電阻R1、R2、R3、R4，以及複數個開關元件F1、F2、F3、F4。如圖5A所示，電阻R1-R4彼此並接，且開關元件F1-F4分別耦接電阻R1-R4。開關元件F1-F4將根據第一電流I1與第二電流I2導 通或截止來調整每一個電阻調節器164與166之一電阻值。舉例來說，若使用者導通開關元件F1與F3，且截止開關元件F2與F4，電阻調節器164將產生電阻R1與R3並聯後的電阻值。
而在其他電阻調節器的實施例中，每一個電阻調節器164a與166a包括複數個電阻W1、W2、W3、W4，以及複數個開關元件X1、X2、X3、X4。圖5B所示，電阻W1-W4為彼此串接。開關元件X1-X4分別耦接電阻X1-X4之二端且彼此串接。開關元件X1-X4將根據第一電流I1與第二電流I2導通或截止，來調整每一個電阻調節器164a與166a之電阻值。舉例來說，若使用者導通開關元件X1與X3，且截止開關元件X2與X4，電阻調節器164將產生電阻X1與X3串聯後的電阻值。
相較於前一實施例之電阻R1-R4為彼此並接的結構，本實施例之電阻W1-W4為彼此串接的結構可以透過開關元件X1-X4來產生更多不同的電阻值。而開關元件F1-F4與X1-X4可為電晶體、保險絲或其他可選擇導通或截止的元件，以及電阻調節器164與166可以其他結構來實現，本發明同樣對此不作限制。
因此，若第一電流I1大於第二電流I2時，使用者調整電流調整電路160之電阻調節器164與166的電阻值(即電阻調節器164之電阻值大於電阻調節器166之電阻值)，以藉此調整正輔助端106之電壓與負輔助端108之電壓(即正輔助端106之電壓大於負輔助端108之電壓)。此時，第一輔助電晶體M3與第二輔助電晶體M4將產生第一輔助電流I3與一第二輔助電流I4至第一端102與第二端104，且第一輔助電流I3小於第二輔助電流I4，使得第一電流I1與第一輔助電流I3的電流總和(即調整後的第一電流)約等於第二電流I2與第二輔助電流I4的電流總和(即調整後的第二電流)。
反之，若第一電流I1小於第二電流I2時，使用者調整電流調整電路160之電阻調節器164與166的電阻值(即電阻調節器164之電阻值小於電阻調節器166之電阻值)，使得正輔助端106之電 壓小於負輔助端108之電壓。此時，第一輔助電晶體M3與第二輔助電晶體M4將產生第一輔助電流I3與一第二輔助電流I4至第一端102與第二端104，且第一輔助電流I3大於第二輔助電流I4，使得第一電流I1與第一輔助電流I3的電流總和(即調整後的第一電流)約等於第二電流I2與第二輔助電流I4的電流總和(即調整後的第二電流)。
由上述可知，運算放大器100透過電流調整電路160來補償偏移電壓Vos的影響，且特別是利用調整電阻調節器164與166之電阻值來控制輔助電路162產生第一輔助電流I3與第二輔助電流I4，以據此調整輸入級電路120所輸出的第一電流I1與第二電流I2，進而將偏移電壓Vos降低至接近0伏特。故相較於習知運算放大器利用多個電晶體調整偏移電壓會造成較大的最低有效位元(LSB)分布，使得調整偏移電壓的誤差很大。本發明之運算放大器100利用電阻來調整偏移電壓，由於電阻之匹配程度比電晶體之匹配程度高，所以可以降低最低有效位元(LSB)分布，進而可準確地調整偏移電壓Vos。
由上述的實施例，本發明可以歸納出一種降低運算放大器偏移電壓的方法，適用於上述實施例所述之運算放大器100。而有關運算放大器100之內部元件結構大致上已於前一實施例中說明，故在此不再贅述。請參考圖6，並同時參考圖3-5，首先，運算放大器100根據輸入級電路120之一正輸入端Vin+與一負輸入端Vin-所接收之電壓分別輸出一第一電流I1與一第二電流I2至第一端102與第二端104(步驟S610)。
接著，運算放大器100之二電阻調節器164與166將根據第一電流I1與第二電流I2調整正輔助端106與負輔助端108之電壓，以控制輔助電路162分別傳送一第一輔助電流I3與一第二輔助電流I4至第一端102與第二端104(步驟S620)。更進一步來說，運算放大器100根據輔助電流源Ib之一電流值與對應的電阻調節 器164之一電阻值調整正輔助端106之電壓，以及根據輔助電流源Ib之電流值與對應的電阻調節器166之一電阻值調整負輔助端108之電壓。而每一個電阻調節器164與166之電阻值將根據第一電流I1與第二電流I2導通或截止開關元件F1-F4，以對應產生所需的電阻值。有關電阻調節器164與166如何根據第一電流I1與第二電流I2產生不同的電阻值大致上已於圖5之實施例中說明，故在此不再贅述。
最後，運算放大器100之輸出級電路140將由第一端102接收第一電流I1與第一輔助電流I3以成為一調整後的第一電流，以及由第二端104接收第二電流I2與第二輔助電流I4以成為一調整後的第二電流。而輸出級電路140將根據調整後的第一電流與調整後的第二電流產生一輸出電壓(步驟S630)。
接下來，請參考圖7，其顯示本發明另一實施例之運算放大器的細部架構圖。相較於圖4之運算放大器100，本實施例之運算放大器200不同的地方在於輸入級電路220更包括有二電阻RS。其中一個電阻RS耦接於電流源Ia與第一電晶體M1之間。另一個電阻RS耦接於電流源Ia與第二電晶體M2之間。此外，電流調整電路260之輔助電路262同樣具有二電阻RS1。其中一個電阻RS1耦接於電流源Ia與第一輔助電晶體M3之間。另一個電阻RS1耦接於電流源Ia與第二輔助電晶體M4之間。而有關運算放大器200之電阻調節器264、266以及輸出及電路240之內部結構與實施方式大致上與前一實施例之運算放大器100之電阻調節器164、166以及輸出及電路140之內部結構與實施方式相同，故在此不再贅述。
據此，在運算放大器200的架構下，其轉換增益(gm)可透過電阻RS與RS1線性調整。而較佳地，電阻RS與RS1設定為相同，例如皆設定為電阻RS之電阻值，使得轉換增益(gm)可僅透過電阻RS線性調整，如關係式：gm=1/RS。相較於前一實施例之運算放 大器100無法線性調整轉換增益(gm)，本實施例之運算放大器200可以有較準確的轉換增益(gm)。
綜上所述，本發明實施例所提供的運算放大器及降低其偏移電壓的方法，其利用電阻來調整偏移電壓，以降低最低有效位元(LSB)分布，進而提高偏移電壓的精確度。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。
100‧‧‧運算放大器
102‧‧‧第一端
104‧‧‧第二端
106‧‧‧正輔助端
108‧‧‧負輔助端
120‧‧‧輸入級電路
140‧‧‧輸出級電路
160‧‧‧電流調整電路
162‧‧‧輔助電路
164‧‧‧電阻調節器
166‧‧‧電阻調節器
Ia‧‧‧電流源
Ib‧‧‧輔助電流源
I1‧‧‧第一電流
I2‧‧‧第二電流
I3‧‧‧第一輔助電流
I4‧‧‧第二輔助電流
M1‧‧‧第一電晶體
M2‧‧‧第二電晶體
M3‧‧‧第一輔助電晶體
M4‧‧‧第二輔助電晶體
Vin+‧‧‧正輸入端
Vin-‧‧‧負輸入端
Vout‧‧‧輸出端

Claims (9)

  1. 一種運算放大器，包括：一輸入級電路，具有一正輸入端、一負輸入端、一第一端與一第二端，且根據該正輸入端與該負輸入端所接收之電壓分別輸出一第一電流與一第二電流至該第一端與該第二端；一電流調整電路，包括：一輔助電路，耦接該第一端與該第二端，且包括一正輔助端與一負輔助端；二電阻調節器，分別透過該正輔助端與該負輔助端耦接一輔助電流源，且根據該第一電流與該第二電流調整該正輔助端之電壓與該負輔助端之電壓，以控制該輔助電路分別傳送一第一輔助電流與一第二輔助電流至該第一端與該第二端，其中該正輔助端之電壓與該負輔助端之電壓分別透過該輔助電流源之一電流值與對應的該電阻調節器之一電阻值調整；以及一輸出級電路，耦接該第一端與該第二端，由該第一端接收該第一電流與該第一輔助電流以成為一調整後的第一電流，由該第二端接收該第二電流與該第二輔助電流以成為一調整後的第二電流，且根據該調整後的第一電流與該調整後的第二電流產生一輸出電壓；其中，每一該電阻調節器包括複數個電阻與複數個開關元件，該些開關元件分別耦接該些電阻，且該些開關元件根據該第一電流與該第二電流導通或截止，以調整每一該電阻調節器之該電阻值。
  2. 如請求項1之運算放大器，其中，該調整後的第一電流等於該調整後的第二電流。
  3. 如請求項1之運算放大器，其中，該輸入級電路包括： 一電流源；一第一電晶體，耦接於該電流源與該第一端之間，且該第一電晶體之一控制端耦接該正輸入端；以及一第二電晶體，耦接於該電流源與該第二端之間，且該第二電晶體之一控制端耦接該負輸入端。
  4. 如請求項3之運算放大器，其中，該輸入級電路更包括二電阻，該二電阻其中之一耦接於該電流源與該第一電晶體之間，且該二電阻其中之另一耦接於該電流源與該第二電晶體之間。
  5. 如請求項1之運算放大器，其中，該輔助電路更包括：一電流源；一第一輔助電晶體，耦接於該電流源與該第一端之間，且該第一輔助電晶體之一控制端耦接該正輔助端；以及一第二輔助電晶體，耦接於該電流源與該第二端之間，且該第二輔助電晶體之一控制端耦接該負輔助端。
  6. 如請求項5之運算放大器，其中，該輔助電路更包括二電阻，該二電阻其中之一耦接於該電流源與該第一輔助電晶體之間，且該二電阻其中之另一耦接於該電流源與該第二輔助電晶體之間。
  7. 如請求項1之運算放大器，其中，每一該電阻調節器之該些電阻彼此並接。
  8. 如請求項1之運算放大器，其中，每一該電阻調節器之該些電阻彼此串接。
  9. 一種降低運算放大器偏移電壓的方法，該運算放大器具有一輸入級電路、一電流調整電路與一輸出級電路，該電流調整電路具有一輔助電路與二電阻調節器，該輸入級電路透過一第一端與一第二端耦接該輸出級電路與該輔助電路，該二電阻調節器分別透過該輔助電路之一正輔助端與一負輔助端耦接一輔助電流源，且該方法包括：根據該輸入級電路之一正輸入端與一負輸入端所接收之電壓分別輸出一第一電流與一第二電流至該第一端與該第二端；於該二電阻調節器中，根據該第一電流與該第二電流調整該正輔助端之電壓與該負輔助端之電壓，以控制該輔助電路分別傳送一第一輔助電流與一第二輔助電流至該第一端與該第二端，其中該正輔助端之電壓與該負輔助端之電壓分別透過該輔助電流源之一電流值與對應的該電阻調節器之一電阻值調整；以及於該輸出級電路中，由該第一端接收該第一電流與該第一輔助電流以成為一調整後的第一電流，由該第二端接收該第二電流與該第二輔助電流以成為一調整後的第二電流，且根據該調整後的第一電流與該調整後的第二電流產生一輸出電壓；其中，每一該電阻調節器包括複數個電阻與複數個開關元件，該些開關元件分別耦接該些電阻，且於調整該正輔助端與該負輔助端之電壓的步驟中，更包括：根據該第一電流與該第二電流導通或截止該些開關元件，以調整每一該電阻調節器之該電阻值。
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