CN102035483A - 运算放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够对与输入端子连接的元件的偏置电压进行补偿的运算放大器。一种运算放大器，具备将输入端子共用地连接的主放大器和偏置补偿用放大器，其中，主放大器具备测定用的第一互导放大器、偏置补偿用的第二互导放大器、及与第二互导放大器的输入端子连接的第一电容，偏置补偿用放大器具备测定用的第三互导放大器、偏置补偿用的第四互导放大器、及与第四互导放大器的一个输入端子连接的第二电容，偏置补偿用放大器在第四互导放大器的另一输入端子设有偏置电压调整电路。

Description

运算放大器 
技术领域
本发明涉及运算放大器，更具体涉及运算放大器的偏置电压的消除。 
背景技术
在测量传感器元件等产生的微小电压的半导体装置中，为放大微小电压而使用运算放大器。为了高精度地测量，需要减小运算放大器的典型的误差因素即偏置电压的影响。作为减小偏置电压的技术，发明了具备自补偿偏置电压的功能的带偏置电压消除功能的运算放大器。 
传统的带偏置电压消除功能的运算放大器，具备主运算放大器和补偿用运算放大器，通过测量并补偿主运算放大器的偏置电压，实现偏置电压的补偿(例如，参照专利文献1)。 
图4是传统的偏置电压消除运算放大器的电路图。与非反相输入端子101及反相输入端子102连接的主放大器117包括互导放大器107及108和互阻(transimpedance)放大器113。互导放大器108中，非反相输入端子与电容器111连接。经由反相输入端子102及开关103连接至非反相输入端子101的补偿用放大器118，具备互导放大器109及110和互阻放大器114。在互导放大器109的二个输入端子之间连接有开关104。互导放大器110中，反相输入端子与电容器112连接。互阻放大器114的输出端子经由开关115连接至电容器111，并经由开关116连接至电容器112。主放大器117中，在输入端子存在偏置电压105。补偿用放大器118中，在输入端子存在偏置电压106。 
开关103及115在时钟Ф2模式时连接。开关104及116在时钟 Ф1模式时连接。时钟Ф1模式是对补偿用放大器118的偏置电压106进行补偿的模式。时钟Ф2模式是对主放大器117的偏置电压105进行补偿的模式。 
图4的偏置电压消除运算放大器通过交互地进行时钟Ф1模式与时钟Ф2模式，由补偿用放大器118对主放大器117的偏置电压进行补偿。 
接着，说明图4的偏置电压消除运算放大器的动作。在此，设互导放大器的互导为gm、互阻放大器的互阻为R。 
在时钟Ф1模式中，用互导放大器109测定补偿用放大器的偏置电压106(Voff，n)的值，并将其信息向电容器112保存。补偿用放大器118的输出端子120的输出电压(Vout，n)由下式表示。 
Figure BSA00000303405800021
Figure BSA00000303405800022
因而，在时钟Ф1模式中，对电容器112保存Voff，n×gm3/gm4的电压。 
在时钟Ф2模式中，用补偿用放大器118测定主放大器117的偏置电压105(Voff，m)的值，并将其信息向电容器111保存。这时，补偿用放大器118的偏置电压的值被保存在电容器112。当非反相输入端子101上被输入电压(Vin)，且以反馈比β从主放大器输出端子119反馈至反相输入端子102时，主放大器117的输出端子119的输出电压(Vout，m)由下式表示。 
Vout，m＝[(Vin-β×Vout，m+Voff，m)×gm1+[(Vin-β×Vout，m+Voff，n)×gm3-(Voff，n×gm3/gm4)×gm4]×Rn×gm2]×Rm
＝(gm1+gm2×gm3×Rn)×Rm×Vin/[1+β×Rm×(gm1+gm2×gm3×Rn)]+(gm1×Rm×Voff，m)/[1+β×Rm×(gm1+gm2×gm3×Rn)] 
在此，若设gm1＝gm2＝gm3＝gm4＝gm，则 
Figure BSA00000303405800023
Figure BSA00000303405800031
由该式可知，补偿用放大器118的偏置电压106(Voff，n)的影响消失，主放大器117的偏置电压105(Voff，m)成为1/(gm×Rn)，其影响非常小。 
因而，传统的偏置电压消除运算放大器可消除自己的偏置电压。此外，偏置电压具有温度特性，但其温度特性也同样可以消除。 
专利文献1：日本特开平3-117908号公报 
连接到运算放大器的传感器元件具有按每个传感器元件不同的偏置电压或温度特性。因而，为了提高测定精度，必须消除传感器元件的偏置电压和/或温度特性。 
但是，传统的偏置电压消除运算放大器可以减少自己的偏置电压和/或温度特性，但不能消除传感器元件的偏置电压和/或温度特性。 
发明内容
本发明为了解决以上那样的课题而构思，用于实现能够消除传感器元件的偏置电压和/或温度特性且测定精度良好的偏置电压消除运算放大器。 
为了解决传统技术的课题，本发明的偏置电压消除运算放大器采用如下结构。 
一种运算放大器，具备将输入端子共用地连接的主放大器和偏置补偿用放大器，其中，主放大器具备测定用的第一互导放大器、偏置补偿用的第二互导放大器、及与第二互导放大器的输入端子连接的第一电容，偏置补偿用放大器具备测定用的第三互导放大器、偏置补偿用的第四互导放大器、及与第四互导放大器的一个输入端子连接的第二电容，偏置补偿用放大器在第四互导放大器的另一输入端子具备偏置电压调整电路，对与输入端子连接的元件的偏置进行补偿。 
(发明效果) 
依据本发明的偏置电压消除运算放大器，可以实现能够与所连接的传感器元件的偏置电压和/或温度特性一并消除偏置电压且测定精 度良好的偏置电压消除运算放大器。 
附图说明
图1是本发明的偏置电压消除运算放大器的电路图。 
图2是表示图1的偏置电压消除运算放大器的时钟Ф1模式的电路图。 
图3是表示图1的偏置电压消除运算放大器的时钟Ф2模式的电路图。 
图4是表示传统偏置电压消除运算放大器的电路图。 
具体实施方式
以下参照附图，对本发明的偏置电压消除运算放大器进行说明。 
图1是本发明的偏置电压消除运算放大器的电路图。与非反相输入端子101及反相输入端子102连接的主放大器117具备互导放大器107及108和互阻放大器113。互导放大器108中，非反相输入端子与电容器111连接。经由反相输入端子102及开关103而与非反相输入端子101连接的补偿用放大器118，具备互导放大器109及110和互阻放大器114。在互导放大器109的两个输入端子之间连接有开关104。互导放大器110中，非反相输入端子与偏置电压调整电路124连接，反相输入端子与电容器112连接。互阻放大器114的输出端子经由开关115连接至电容器111，并经由开关116连接至电容器112。主放大器117中，输入端子上存在偏置电压105。补偿用放大器118中，输入端子上存在偏置电压106。 
偏置电压调整电路124具备开关121及122和电压源123。电压源123经由开关121连接至偏置电压调整电路124的输出端子。开关122在接地(GND)与输出端子之间连接。因而，通过切换开关121及122，对互导放大器110的非反相输入端子输入电压源123的电压或接地(GND)的电压。 
开关103、115及121在时钟Ф2模式时连接。开关104、116及122在时钟Ф1模式时连接。时钟Ф1模式是对补偿用放大器118的偏置电压106进行补偿的模式。时钟Ф2模式是对主放大器117的偏置电压105进行补偿的模式。 
图1的偏置电压消除运算放大器通过交互地进行时钟Ф1模式与时钟Ф2模式，用补偿用放大器118来对主放大器117的偏置电压进行补偿。 
接着，对图1的偏置电压消除运算放大器的动作进行说明。在此，设互导放大器的互导为gm、互阻放大器的互阻为R。 
图2是表示时钟Ф1模式的电路图。在时钟Ф1模式中，用互导放大器109测定补偿用放大器的偏置电压106(Voff，n)的值，并将其信息向电容器112保存。补偿用放大器118的输出端子120的输出电压(Vout，n)由下式表示。 
Figure BSA00000303405800051
Figure BSA00000303405800052
因而，在时钟Ф1模式中，对电容器112保存Voff，n×gm3/gm4的电压。 
图3是表示时钟Ф2模式的电路图。在时钟Ф2模式中，用补偿用放大器118测定主放大器117的偏置电压105(Voff，m)的值，并将其信息向电容器111保存。这时，补偿用放大器118的偏置电压的值被保存于电容器112。互导放大器110的非反相输入端子上连接有电压源123的电压(Vc)。 
当电压(Vin)输入至非反相输入端子101，且以反馈比β从主放大器输出端子119反馈至反相输入端子102时，主放大器117的输出端子119的输出电压(Vout，m)由下式表示。 
Vout，m＝[(Vin-β×Vout，m+Voff，m)×gm1+[(Vin-β×Vout，m+Voff，n)×gm3-(Voff，n×gm3/gm4-Vc)×gm4]×Rn×gm2]×Rm 
＝(gm1+gm2×gm3×Rn)×Rm×Vin/[1+β×Rm×(gm1+gm2×gm3×Rn)]+(gm1×Rm×Voff，m+Vc×gm2×gm3×Rn)/[1+β×Rm×(gm1+gm2×gm3×Rn)] 
在此，若设gm1＝gm2＝gm3＝gm4＝gm，则 
Figure BSA00000303405800061
Figure BSA00000303405800062
由该式可知，补偿用放大器118的偏置电压106(Voff，n)的影响消失，主放大器117的偏置电压105(Voff，m)的影响非常小。然后，电压源123的电压(Vc)相加到偏置电压105。由此，通过变更电压源123的电压(Vc)，可以对偏置电压消除运算放大器附加偏置电压调整功能。 
如以上说明的那样，通过改变电压源123的电压(Vc)，能够调整偏置电压的值，并且可以消除所连接的传感器元件的偏置电压。此外，将电压源123的电压(Vc)的温度特性设定为能够消除所连接的传感器元件的温度特性，这样就能消除传感器元件的温度特性。 
此外，图1中电压源123连接至互导放大器110的非反相输入端子，但对于与反相输入端子连接的电容器112中也可以采用同样的构思。在时钟Ф2模式中，通过使电容器112存取电荷而变更电压，可以消除传感器元件的偏置电压及温度特性。 
附图标记说明 
101非反相输入端子 
102反相输入端子 
105、106偏置电压 
107、108、109、110互导放大器 
113、114互阻放大器 
117主放大器 
118补偿用放大器 
123电压源 
124偏置电压调整电路。 

Claims (3)

1.一种运算放大器，具备将输入端子共用地连接的主放大器和偏置补偿用放大器，其特征在于：
所述主放大器具备测定用的第一互导放大器、偏置补偿用的第二互导放大器、及与所述第二互导放大器的输入端子连接的第一电容，
所述偏置补偿用放大器具备测定用的第三互导放大器、偏置补偿用的第四互导放大器、及与所述第四互导放大器的一个输入端子连接的第二电容，使输出端子连接至所述第一电容，
在所述偏置补偿用放大器的所述第四互导放大器的另一输入端子具备偏置电压调整电路，对与所述输入端子连接的元件的偏置进行补偿。
2.如权利要求1所述的运算放大器，其特征在于：
所述运算放大器具备：在所述第三互导放大器的一个输入端子与另一输入端子之间设置的第一开关；以及在所述第一互导放大器的一个输入端子与所述第三互导放大器的一个输入端子之间设置的第二开关，
所述偏置补偿用放大器具备：在所述输出端子与所述第二电容之间设置的第三开关；以及在所述输出端子与所述第一电容之间设置的第四开关，
所述偏置电压调整电路具备：电压源、与接地连接的第五开关、及与所述电压源连接的第六开关，
所述第一开关和所述第三开关和所述第五开关同时开合，所述第二开关和所述第四开关和所述第六开关同时开合。
3.一种运算放大器，具备将输入端子共用地连接的主放大器和偏置补偿用放大器，其特征在于：
所述主放大器具备测定用的第一互导放大器、偏置补偿用的第二互导放大器、及与所述第二互导放大器的输入端子连接的第一电容，
所述偏置补偿用放大器具备测定用的第三互导放大器、偏置补偿用的第四互导放大器、及与所述第四互导放大器的一个输入端子连接的第二电容，使输出端子连接至所述第一电容，
具备与所述第二电容连接的偏置电压调整电路，对与所述输入端子连接的元件的偏置进行补偿。
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