CN106487404B - 一种用于消除输出直流失调的电路及方法 - Google Patents

一种用于消除输出直流失调的电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于消除输出直流失调的电路及方法。电路包括依次连接的前级放大电路、幅度检测电路、检波电路、调整电流产生电路以及直流修正电路；前级放大电路与直流修正电路相连接。本发明通过合理设置相关电阻的阻值，可以消除不同失调程度的差分信号的失调电压；由于采用先检测原信号的幅度，依据原信号的幅度来计算调整值，利用计算出的调整值来调整原信号，所以本发明在原信号幅度变化时也可实时调整，应用灵活广泛。

Description

一种用于消除输出直流失调的电路及方法
技术领域
本发明涉及集成电路设计，具体涉及一种用于消除输出直流失调的电路及方法。
背景技术
在集成电路设计中，对于差分输入的放大器电路，一般要求输入差分的两个信号的共模点偏置在一个电位VCM，如图1所示，这样可使放大器电路偏置在正常工作状态。
然而前级电路有时并不能产生相同共模点的差分信号，而会存在输出直流失调，比如差分跨阻放大器的输出波形，如图2所示，高频应用多用交流耦合的方式解决上述问题，即存在直流失调的两个差分信号，通过耦合电容后，加上后级的偏置电路，形成共模点偏置在一个电位的差分信号。
但是在低频应用时，要达到较好的隔直通交效果，需要非常大的耦合电容，这在片上集成是不可能的，若采用片外电容，则不能实现单片集成，同时增加了成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于较低频率下消除输出直流失调的电路及方法，通过合理设置电阻的阻值，可以消除不同失调程度的差分信号的失调电压。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种用于消除输出直流失调的电路，包括依次连接的前级放大电路、幅度检测电路、检波电路、调整电流产生电路以及直流修正电路；所述前级放大电路与直流修正电路相连接；
所述前级放大电路，用于输出带失调的差分信号，并传输给幅度检测电路以及直流修正电路；
所述幅度检测电路，用于将带失调的差分信号的最大摆幅检测出来，形成包含差分信号幅度值的单端信号,并传输给检波电路；
所述检波电路，用于将幅度检测电路的输出进行检波，将其所包含的差分信号幅度值转化为直流电压,并传输给调整电流产生电路；
所述调整电流产生电路，用于将检波电路输出的直流电压转变为与差分信号幅度值成正比的电流信号，并传输给直流修正电路；
所述直流修正电路，依据与差分信号幅度值成正比的电流信号将带失调的差分信号修正为无失调的输出差分信号。
本发明的有益效果是：本发明通过合理设置参数值，可以消除不同失调程度的差分信号的失调电压；由于采用先检测原信号的幅度，依据原信号的幅度来计算调整值，利用计算出的调整值来调整原信号，所以本发明在原信号幅度变化时也可实时调整，应用灵活广泛。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述幅度检测电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4以及第一放大器OP1；
第一电阻R1一端接VBIAS，另一端分别与第二电阻R2的一端以及第一放大器OP1的正相输入端连接；第二电阻R2的另一端与输入信号VIP连接；第三电阻R3的一端与另一个输入信号VIN连接，另一端与第一放大器OP1的反相输入端连接，同时与第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端与第一放大器OP1的输出端连接。
采用上述进一步方案的有益效果是，可将差分信号的最大摆幅检测出来，并形成包含差分信号幅度值的单端信号，通过设置R1、R2、R3和R4比例，可以比例增大或减少所包含的差分信号幅度值。
进一步，所述检波电路包括第二放大器OP2、第一三极管Q1、第一PMOS管PM1以及第一电容C1；
第二放大器OP2的正相输入端与第一放大器OP1的输出端连接，反相输入端分别与第一PMOS管PM1的源极、恒流源一端、调整电流产生电路的第五电阻R5的一端连接，输出端与第一三极管Q1的基极连接；第一PMOS管PM1的漏极与地连接，栅极分别与第一三极管Q1的发射极以及第一电容C1的一端连接；第一电容C1的另一端与地连接；第一三极管Q1的集电极与电源连接。
采用上述进一步方案的有益效果是，将幅度检测电路输出的带有差分信号幅度值的单端信号的高电平检波出来，此高电平将反映差分信号的幅度值。
进一步，所述调整电流产生电路包括第五电阻R5、第三放大器OP3以及第二PMOS管PM2；
第五电阻R5的另一端分别与第三放大器OP3的反相输入端以及第二PMOS管PM2的源极连接；第三放大器OP3的正相输入端接VBIAS，输出端接第二PMOS管PM2的栅极；第二PMOS管PM2的漏极分别与直流点调整电路的第二三极管Q2的集电极、第三PMOS管PM3的栅极以及恒流源的一端连接。
采用上述进一步方案的有益效果是，通过设置R5电阻，将检波电路检测输出的反映差分信号幅度值的电平转换为与幅度值成比例的电流信号。
进一步，所述直流修正电路包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5、第六三极管Q6、第七三极管Q7、第八三极管Q8以及第九三极管Q9；
第二三极管Q2的发射极与第六电阻R6的一端连接，基极分别与第三三极管Q3的发射极、恒流源的一端、第七三极管Q7的基极以及第八三极管Q8的基极连接，第六电阻R6的另一端接地；第三PMOS管PM3的漏极接地，源极分别与恒流源的一端以及第三三极管Q3的基极连接；第三三极管Q3的集电极接电源；第四三极管Q4的发射极与第六电阻R7的一端连接，集电极分别与恒流源的一端以及第四PMOS管PM4的栅极连接，基极分别与第五三极管Q5的发射极、恒流源的一端、第六三极管Q6的基极以及第九三极管Q9的基极连接；第七电阻R7的另一端接地，第四PMOS管PM4的漏极接地，源极分别与恒流源的一端以及第五三极管Q5的基极连接；第五三极管Q5的集电极接电源；第六三极管Q6的发射极与第八电阻R8的一端连接，集电极分别与第十二电阻R12的一端以及输入信号VIP连接；第七三极管Q7的发射极与第九电阻R9的一端连接，集电极分别与第十二电阻R12的另一端以及输出端VON连接；第八三极管Q8的发射极与第十电阻R10的一端连接，集电极分别与第十三电阻R12的一端以及另一个输入信号VIN连接；第九三极管Q9的发射极与第十一电阻R11的一端连接，集电极分别与第十三电阻R13的另一端以及输出端VOP连接；第八电阻R8另一端接地，第九电阻R9另一端接地，第十电阻R10另一端接地，第十一电阻R11另一端接地。
采用上述进一步方案的有益效果是，通过设置R6、R7、R8、R9、R10、R11的阻值可以进一步更改调整电流产生电路产生的电流信号，通过设置R12和R13的阻值，可以更改用于修正差分失调的电压值。
本发明还提供了一种用于消除输出直流失调的方法，包括步骤，
(1)前级放大电路输出带失调的差分信号，并传输给幅度检测电路以及直流修正电路；
(2)幅度检测电路将带失调的差分信号的最大摆幅检测出来，形成包含差分信号幅度值的单端信号,并传输给检波电路；
(3)检波电路将幅度检测电路的输出进行检波，将其所包含的差分信号幅度值转化为直流电压,并传输给调整电流产生电路；
(4)调整电流产生电路将将检波电路输出的直流电压转变为与差分信号幅度值成正比的电流信号，并传输给直流修正电路；
(5)直流修正电路依据与差分信号幅度值成正比的电流信号将带失调的差分信号修正为无失调的输出差分信号。
采用上述进一步方案的有益效果是，本发明通过合理设置R1～R13的阻值，可以消除不同失调程度的差分信号的失调电压；由于采用先检测原信号的幅度，依据原信号的幅度来计算调整值，利用计算出的调整值来调整原信号，所以本发明在原信号幅度变化时也可实时调整，应用灵活广泛。
附图说明
图1为本发明差分放大器理想的输入信号；
图2为本发明差分跨阻放大器的差分输出波形；
图3为本发明消除输出直流失调的电路框图；
图4为本发明消除输出直流失调的电路原理图；
图5为本发明消除输出直流失调方法流程图；
图6为本发明消除输出直流失调每个步骤输出的波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明旨在提供一种应用于较低频率下，消除输出直流失调的方法，并给出电路实现。
如图3所示，一种用于消除输出直流失调的电路，包括依次连接的前级放大电路、幅度检测电路、检波电路、调整电流产生电路以及直流修正电路；前级放大电路与直流修正电路相连接；
前级放大电路，用于输出带失调的差分信号，并传输给幅度检测电路以及直流修正电路；
幅度检测电路，用于将带失调的差分信号的最大摆幅检测出来，形成包含差分信号幅度值的单端信号,并传输给检波电路；
检波电路，用于将幅度检测电路的输出进行检波，将其所包含的差分信号幅度值转化为直流电压,并传输给调整电流产生电路；
调整电流产生电路，用于将检波电路输出的直流电压转变为与差分信号幅度值成正比的电流信号，并传输给直流修正电路；
直流修正电路依据与差分信号幅度值成正比的电流信号将带失调的差分信号修正为无失调的输出差分信号。
如图4所示，本发明中，幅度检测电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4以及第一放大器OP1；
第一电阻R1一端接VBIAS，另一端分别与第二电阻R2的一端以及第一放大器OP1的正相输入端连接；第二电阻R2的另一端与输入信号VIP连接；第三电阻R3的一端与另一个输入信号VIN连接，另一端与第一放大器OP1的反相输入端连接，同时与第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端与第一放大器OP1的输出端连接。
幅度检测电路可将差分信号的最大摆幅检测出来，并形成包含差分信号幅度值的单端信号，通过设置R1、R2、R3和R4比例，可以比例增大或减少所包含的差分信号幅度值。
本发明中，检波电路包括第二放大器OP2、第一三极管Q1、第一PMOS管PM1以及第一电容C1；
第二放大器OP2的正相输入端与第一放大器OP1的输出端连接，反相输入端分别与第一PMOS管PM1的源极、恒流源一端、调整电流产生电路的第五电阻R5的一端连接，输出端与第一三极管Q1的基极连接；第一PMOS管PM1的漏极与地连接，栅极分别与第一三极管Q1的发射极以及第一电容C1的一端连接；第一电容C1的另一端与地连接；第一三极管Q1的集电极与电源连接。
检波电路将幅度检测电路输出的带有差分信号幅度值的单端信号的高电平检波出来，此高电平将反映差分信号的幅度值。
本发明中，调整电流产生电路包括第五电阻R5、第三放大器OP3以及第二PMOS管PM2；
第五电阻R5的另一端分别与第三放大器OP3的反相输入端以及第二PMOS管PM2的源极连接；第三放大器OP3的正相输入端接VBIAS，输出端接第二PMOS管PM2的栅极；第二PMOS管PM2的漏极分别与直流点调整电路的第二三极管Q2的集电极、第三PMOS管PM3的栅极以及恒流源的一端连接。
调整电流产生电路中通过设置R5电阻，将检波电路检测输出的反映差分信号幅度值的电平转换为与幅度值成比例的电流信号。
本发明中，直流修正电路包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5、第六三极管Q6、第七三极管Q7、第八三极管Q8以及第九三极管Q9；
第二三极管Q2的发射极与第六电阻R6的一端连接，基极分别与第三三极管Q3的发射极、恒流源的一端、第七三极管Q7的基极以及第八三极管Q8的基极连接，第六电阻R6的另一端接地；第三PMOS管PM3的漏极接地，源极分别与恒流源的一端以及第三三极管Q3的基极连接；第三三极管Q3的集电极接电源；第四三极管Q4的发射极与第六电阻R7的一端连接，集电极分别与恒流源的一端以及第四PMOS管PM4的栅极连接，基极分别与第五三极管Q5的发射极、恒流源的一端、第六三极管Q6的基极以及第九三极管Q9的基极连接；第七电阻R7的另一端接地，第四PMOS管PM4的漏极接地，源极分别与恒流源的一端以及第五三极管Q5的基极连接；第五三极管Q5的集电极接电源；第六三极管Q6的发射极与第八电阻R8的一端连接，集电极分别与第十二电阻R12的一端以及输入信号VIP连接；第七三极管Q7的发射极与第九电阻R9的一端连接，集电极分别与第十二电阻R12的另一端以及输出端VON连接；第八三极管Q8的发射极与第十电阻R10的一端连接，集电极分别与第十三电阻R12的一端以及另一个输入信号VIN连接；第九三极管Q9的发射极与第十一电阻R11的一端连接，集电极分别与第十三电阻R13的另一端以及输出端VOP连接；第八电阻R8另一端接地，第九电阻R9另一端接地，第十电阻R10另一端接地，第十一电阻R11另一端接地。
直流修正电路中通过设置R6、R7、R8、R9、R10、R11的阻值可以进一步更改调整电流产生电路产生的电流信号，通过设置R12和R13的阻值，可以更改用于修正差分失调的电压值。
本电路原理图的工作过程为：
当带失调的差分信号分别输入到幅度检测电路的VIP端和VIN端，设置R1＝R2＝R3＝R4＝R时，其输出VO1＝VBIAS+VIP-VIN，
VO1输出到检波电路，当OP2的正端电压大于负端电压，由于三极管Q1充电能力很强，可以迅速将OP2的负端调整至与正端相等，当OP2的正端电压小于负端电压，A点将保持原来的值，VO2也将保持原来的值，假定VIP-VIN的最大摆幅为2V，即VO2＝VBIAS+2V；
VO2输出到调整电流产生电路，由于OP3的正端和负端值相等，那么经过PM2的电流I1由R5和其两端压降决定，设置R5＝2R，即为：
I1＝(VBIAS+2V-VBIAS)/2R＝V/R，
I1输出到直流修正电路34的Q2，通过PM3和Q3转换为基极电压偏置到Q7、Q8，导致流过R12的电流I2比流过R13的电流I3大I1，即I2-I3＝I1＝V/R，设置R12＝R13＝R,那么VIN将比VIP多下拉V的电位，从而将VIN和VIP调整为无失调的输出差分信号VON和VOP，
通过设置R1、R2、R3、R4电阻的比例，可以放大或缩小原失调差分信号的最大摆幅，通过设置R5的阻值可以改变调整电流I1、通过设置R6、R7与R8、R9、R10、R11的电阻比例，可以改变调整电流I2、通过设置R12、R13的电阻值，可以改变调整电压的大小。通过以上电阻的合理设置，可以消除不同失调程度的差分信号的失调电压。
如图5所示，本发明还提供了一种用于消除输出直流失调的方法，包括步骤，
(1)前级放大电路输出带失调的差分信号，并传输给幅度检测电路以及直流修正电路；
(2)幅度检测电路将带失调的差分信号的最大摆幅检测出来，形成包含差分信号幅度值的单端信号,并传输给检波电路；
(3)检波电路将幅度检测电路的输出进行检波，将其所包含的差分信号幅度值转化为直流电压,并传输给调整电流产生电路；
(4)调整电流产生电路将检波电路输出的直流电压转变为与差分信号幅度值成正比的电流信号，并传输给直流修正电路；
(5)直流修正电路依据与差分信号幅度值成正比的电流信号将带失调的差分信号修正为无失调的输出差分信号。
如图6所示，为本发明消除输出直流失调每个步骤输出的波形图，前级放大电路的输出为带失调的差分信号，如图6(a),幅度检测电路将带失调的差分信号的最大摆幅检测出来，形成包含差分信号幅度值的单端信号，如图6(b),检波电路将幅度检测电路输出所包含的差分信号幅度值转化为直流电压，如图6(c),调整电流产生电路将反映差分信号幅度值的直流电压转变为与差分信号幅度值成正比的电流信号，如图6(d)，直流修正电路依据与差分信号幅度值成正比的电流信号将带失调的差分信号修正为无失调的输出差分信号，如图6(e)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于消除输出直流失调的电路，其特征在于，包括依次连接的前级放大电路、幅度检测电路、检波电路、调整电流产生电路以及直流修正电路；所述前级放大电路与直流修正电路相连接；
所述前级放大电路，用于输出带失调的差分信号，并传输给幅度检测电路以及直流修正电路；
所述幅度检测电路，用于将带失调的差分信号的最大摆幅检测出来，形成包含差分信号幅度值的单端信号,并传输给检波电路；
所述检波电路，用于对幅度检测电路的输出进行检波，将其所包含的差分信号幅度值转化为直流电压，并传输给调整电流产生电路；
所述调整电流产生电路，用于将检波电路输出的直流电压转变为与差分信号幅度值成正比的电流信号，并传输给直流修正电路；
所述直流修正电路，依据与差分信号幅度值成正比的电流信号将带失调的差分信号修正为无失调的输出差分信号；
所述幅度检测电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4以及第一放大器OP1；
第一电阻R1一端接VBIAS，另一端分别与第二电阻R2的一端以及第一放大器OP1的正相输入端连接；第二电阻R2的另一端与输入信号VIP连接；第三电阻R3的一端与另一个输入信号VIN连接，另一端与第一放大器OP1的反相输入端连接，同时与第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端与第一放大器OP1的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的用于消除输出直流失调的电路，其特征在于，
所述检波电路包括第二放大器OP2、第一三极管Q1、第一PMOS管PM1以及第一电容C1；
第二放大器OP2的正相输入端与第一放大器OP1的输出端连接，反相输入端分别与第一PMOS管PM1的源极、恒流源一端、调整电流产生电路的第五电阻R5的一端连接，输出端与第一三极管Q1的基极连接；第一PMOS管PM1的漏极与地连接，栅极分别与第一三极管Q1的发射极以及第一电容C1的一端连接；第一电容C1的另一端与地连接；第一三极管Q1的集电极与电源连接。
3.根据权利要求2所述的用于消除输出直流失调的电路，其特征在于，所述调整电流产生电路包括第五电阻R5、第三放大器OP3以及第二PMOS管PM2；
第五电阻R5的另一端分别与第三放大器OP3的反相输入端以及第二PMOS管PM2的源极连接；第三放大器OP3的正相输入端接VBIAS，输出端接第二PMOS管PM2的栅极；第二PMOS管PM2的漏极分别与直流点调整电路的第二三极管Q2的集电极、第三PMOS管PM3的栅极以及恒流源的一端连接。
4.根据权利要求3所述的用于消除输出直流失调的电路，其特征在于，所述直流修正电路包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5、第六三极管Q6、第七三极管Q7、第八三极管Q8以及第九三极管Q9；
第二三极管Q2的发射极与第六电阻R6的一端连接，基极分别与第三三极管Q3的发射极、恒流源的一端、第七三极管Q7的基极以及第八三极管Q8的基极连接，第六电阻R6的另一端接地；第三PMOS管PM3的漏极接地，源极分别与恒流源的一端以及第三三极管Q3的基极连接；第三三极管Q3的集电极接电源；第四三极管Q4的发射极与第六电阻R7的一端连接，集电极分别与恒流源的一端以及第四PMOS管PM4的栅极连接，基极分别与第五三极管Q5的发射极、恒流源的一端、第六三极管Q6的基极以及第九三极管Q9的基极连接；第七电阻R7的另一端接地，第四PMOS管PM4的漏极接地，源极分别与恒流源的一端以及第五三极管Q5的基极连接；第五三极管Q5的集电极接电源；第六三极管Q6的发射极与第八电阻R8的一端连接，集电极分别与第十二电阻R12的一端以及输入信号VIP连接；第七三极管Q7的发射极与第九电阻R9的一端连接，集电极分别与第十二电阻R12的另一端以及输出端VON连接；第八三极管Q8的发射极与第十电阻R10的一端连接，集电极分别与第十三电阻R12的一端以及另一个输入信号VIN连接；第九三极管Q9的发射极与第十一电阻R11的一端连接，集电极分别与第十三电阻R13的另一端以及输出端VOP连接；第八电阻R8另一端接地，第九电阻R9另一端接地，第十电阻R10另一端接地，第十一电阻R11另一端接地。
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