CN108092628A - 一种具有失调消除结构的运算放大器及放大器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种具有失调消除结构的运算放大器,第四PMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极分别连接第一电容的两侧,且第三PMOS管的栅极与第三PMOS管的漏极和第一NMOS管的漏极相连接,第四PMOS管的栅极通过第一开关与第四PMOS管的漏极和第二NMOS管的漏极相连接;第二NMOS管的栅极接反向输入端,第一NMOS管的栅极接正向输入端;所述正向输入端通过第二开关与反向输入端相连接。本发明公开的一种具有失调消除结构的放大器电路,使得整个放大器电路的失调电压存储在五管运算放大器电路中的第一电容C1上,避免了传统的输入失调消除结构的精度损失,也避免了传统输出失调消除结构由于增加预放大电路而带来的面积和功耗的增加。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路领域,具体涉及一种具有失调消除结构的放大器电路。
背景技术
运算放大器电路是现在众多模拟电路的核心电路,其能达到的性能指标通常决定了整个模拟电路的性能指标,因而高性能的放大器电路的设计是模拟电路设计中必须面对的问题。限制放大器性能的一个指标就是放大器电路的失调,可表现为失调电压和失调电流,由于模拟电路中放大器电路通常用来放大电压,本文档中的失调主要指失调电压。
为了提升模拟电路的精度,放大器电路失调消除结构被提出。传统的失调消除结构主要有输入失调消除结构和输出失调消除结构。
图1为传统的输入失调消除结构,图中以单端结构为例。工作时,第一开关S1为高电平,控制相应的开关导通,放大器接成负反馈形式,放大器反向输入端VN节点由于放大器电路的虚短特性与VIN2节点电压相同,若考虑放大器电路的失调电压,则此时VN 节点电压为VIN2电压加上放大器电路的等效输入失调电压,而电容C1左端极板连接到输入VIN1,电容两端的电压差为VIN1-VN,由于VN包含了放大器电路的等效输入失调电压,所以电容C1上存储了失调电压,相当于从输入节点VIN1、VIN2看不到放大器电路的失调电压,从而达到了消除失调电压的目的。当图1所示的比较器电路正常工作时, S1断开,VIN1节点开始变化,其电压的变化通过电容C1耦合到VN节点,通常VIN1 电压先会下降,使得VN节点下降,从而使VOUT上升为高电平,然后VIN1节点电压上升,使得VN节点上升,从而使VOUT下降为低电平,完成比较器的翻转。然而,此结构在具体实现时由于电容C1的加入,不可避免地会增加VN节点对地的寄生电容Cp,这样VIN1的变化反应在VN节点会有幅度损失,即ΔVN=ΔVIN1*C1/(C1+Cp),有ΔVN< ΔVIN1,这样导致整个比较器的增益损失,增大了比较器的等效输入噪声。
图2所示为传统的输出失调消除结构,图中以差分结构为例。此结构的工作原理与图1所示的输入失调消除结构类似,但其是将放大器电路的失调存储在输出端所接的电容C1、C2上。相比于输入失调消除结构,此输出失调消除结构没有在输入端增加电容,从而没有在输入端引入寄生电容,但由于放大器电路的输出失调电压通常较大,超出放大器电路的输出范围,这样会导致失调电压不能完全消除,所以图2所示的输出失调消除结构一般用在放大器电路放大倍数很小(一般不超过十倍)的情况,然后再在后面再接一级放大器电路以增大整个放大器电路的放大倍数。这样两级结构的放大器电路前一级低放大倍数的放大器电路称为预放大器电路,显而易见,两级结构会消耗更多的功耗和面积。
输入失调消除结构面临的精度损失和输出失调消除结构的大的面积和功耗需求是现在失调消除结构面临的主要问题。设计更高精度、更小面积和功耗的失调消除结构有着切实的需求。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供了一种具有失调消除结构的放大器电路,避免了传统的输入失调消除结构的精度损失,也避免了传统输出失调消除结构由于增加预放大电路而带来的面积和功耗的增加。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:一种具有失调消除结构的运算放大器,所述运算放大器的电路结构包括:第一NMOS管、第二NMOS管、第三PMOS管、第四 PMOS管和尾电流NMOS管;其中,第四PMOS管的源极和第三PMOS管的源极均接电源(VDD);第四PMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极分别连接第一电容(C1)的两侧,且第三PMOS管的栅极与第三PMOS管的漏极和第一NMOS管的漏极相连接,第四 PMOS管的栅极通过第一开关(S1)与第四PMOS管的漏极和第二NMOS管的漏极相连接;第四PMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极相连且共同连接至输出端(VOUT);第二NMOS管的源极和第一NMOS管的源极相连接且共同连接至尾电流NMOS管的漏极;第二NMOS管的栅极接反向输入端(VIN),第一NMOS管的栅极接正向输入端(VIP);尾电流NMOS管的栅极连接偏置电压(VBN),尾电流NMOS管的源极接地(VSS),所述正向输入端(VIP)通过第二开关(S2)与反向输入端(VIN)相连接。
进一步地,所述第一NMOS管、第二NMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管和尾电流NMOS管中源极和漏极可以互换。
进一步地,所述第一开关(S1)和第二开关(S2)由单向导通晶体管来实现。
进一步地,所述第一开关(S1)和第二开关(S2)为单刀开关。
进一步地,所述运算放大器为五管运算放大器。
本发明还提供了一种具有失调消除结构的放大器电路,所述放大器电路结构具体包括:运算放大器(OTA)、输入端(VIN)、输出端(VOUT)、采样电容(Cs)、反馈电容(Cf)、总开关(SW),其中,所述反馈电容(Cf)的一端与所述采样电容(Cs) 连接,另一端与所述输出端(VOUT)连接;所述总开关(SW)一端连接所述采样电容 (Cs),另一端与所述输出端(VOUT)连接;所述采样电容(Cs)的另一端连接所述输入端(VIN);所述运算放大器(OTA)的反向输入端连接采样电容(Cs),正向输入端连接共模电压(VCM),另一端连接输出端(VOUT)。
进一步地,所述第二开关(S2)断开的时间比第一开关(S1)断开的时间晚,所述总开关(SW)导通的时间比第二开关(S2)断开的时间晚,从而使得所述放大器电路最终输出端(VOUT)的电压值VOUT’等于VCM’与ΔVIN’之和,其中,ΔVIN’=VIN1’ -VIN2’,为输入端(VIN)的输入电压变化差值,VCM’为共模电压的电压值。
进一步地,所述放大器电路中的反馈系数β=Cf’/(Cs’+Cf’),其中,Cs’为采样电容的电容值,Cf’为反馈电容的电容值。
本发明的有益效果为:本发明提出的具有失调消除结构的运算放大器将作为电流镜负载管的第三PMOS管、第四PMOS管原来相连的栅极断开,加入第一电容C1,在第四 PMOS管的栅极V2节点与第四PMOS管的漏端VOUT节点间加入开关S1,从而使得整个运算放大器电路的失调电压存储在第一电容C1上。本发明的结构设计没有在放大器电路输入端增加电容,从而避免了传统的输入失调消除结构的精度损失,同时没有在放大器电路输出端加电容,避免了传统输出失调消除结构由于输出饱和问题而需要增加预放大电路,由此带来的面积和功耗的增加。本发明提出的失调消除结构有利于提高电路的精度,减小总的面积和功耗。
附图说明
图1为一种传统的输入失调消除结构示意图。
图2为一种传统的输出失调消除结构示意图。
图3为本发明放大器电路采用的五管运算放大器电路的结构示意图。
图4为本发明一种具有失调消除结构的放大器电路的结构示意图。
图5为本发明一种具有失调消除结构的放大器电路的工作时序示意图。
图6为本发明一种具有失调消除结构的放大器电路的仿真电路示意图
图7为本发明一种具有失调消除结构的放大器电路的仿真结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明提供了一种具有失调消除结构的运算放大器,本实施例中采用五管运算放大器,具体运算放大器的电路结构如附图3所示,包括:第一NMOS管M1、第二NMOS 管M2、第三PMOS管M3、第四PMOS管M4、尾电流NMOS管M0;其中,第四PMOS 管M4的源极和第三PMOS管M3的源极均接电源VDD;第四PMOS管M4的栅极和第三PMOS管M3的栅极分别连接第一电容C1的两侧,且第三PMOS管M3的栅极与第三 PMOS管M3的漏极和第一NMOS管M1的漏极相连接,第四PMOS管M4的栅极通过第一开关S1与第四PMOS管M4的漏极和第二NMOS管M2的漏极相连接;第四PMOS 管M4的漏极与第二NMOS管M2的漏极相连且共同连接至输出端VOUT;第二NMOS 管M2的源极和第一NMOS管M1的源极相连接且共同连接至尾电流NMOS管M0的漏极;第二NMOS管M2的栅极接反向输入端VIN,第一NMOS管M1的栅极接正向输入端VIP;尾电流NMOS管M0的栅极连接偏置电压VBN,尾电流NMOS管的源极接地 VSS。与传统的五管运算放大器电路相比,本发明将电流镜负载管M3、M4原来相连的栅极断开,加入第一电容C1,在M4的栅极V2节点与M4的漏端VOUT节点间加入开关S1,且运算放大器电路的反向输入端VIN和正向输入端VIP之间通过第二开关S2连接。其中,五管运算放大器电路中第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三PMOS 管M3、第四PMOS管M4、尾电流NMOS管M0中的源极和漏极可以互换。
本发明提供的一种具有失调消除结构的放大器电路,包括上述运算放大器、输入端、输出端、采样电容、反馈电容、总开关和第二开关,其中,反馈电容的一端与采样电容连接,另一端与输出端连接;总开关一端连接采样电容,另一端与输出端连接;采样电容的另一端连接输入端;运算放大器电路的反向输入端连接采样电容,正向输入端连接共模电压,另一端连接输出端。
如附图4所示,本发明提供的具有失调消除结构的放大器电路使得反馈电容Cf的一端与采样电容Cs连接,另一端与输出端VOUT连接;总开关SW一端连接采样电容连接,另一端与输出端VOUT连接;采样电容Cs的另一端连接输入端VIN;运算放大器OTA 的反向输入端VIN连接采样电容Cs,正向输入端VIP连接共模电压VCM,另一端连接输出端VOUT,且运算放大器电路OTA的反向输入端VIN和正向输入端VIP之间通过第二开关S2连接。本发明中第一开关S1和第二开关S2由单向导通晶体管来实现,且第一开关S1和第二开关S2为单刀开关。本发明中放大器电路中的反馈系数β=Cf’/(Cs’+Cf’),其中,Cs’为采样电容的电容值,Cf’为反馈电容的电容值。
如附图5所示,整体放大器电路工作周期分为失调消除阶段和正常的工作阶段,其中,VIN’为输入端VIN输入的电压值,VOUT’为输出端VOUT输出的电压值。在失调消除阶段:S1、S2为高电平,控制相应的开关导通,则放大器电路的输入端VIP、VIN短接在一起,共同接共模电压VCM,S1控制M4的栅极V2节点与输出端VOUT节点短接,理想情况下M3管的栅极V1节点和M4管栅极V2节点电压应相同,但由于失调的存在,流过放大器电路两支路的电流I1、I2不相等,表现为V1、V2节点电压不相等,V1、V2 节点的电压差与整个放大器电路的失调相关,其存储在电容C1上;然后S1为低,相应开关断开,然后S2为低,结束失调消除阶段。然后PGA的SW信号变为高,开始正常的PGA工作时序:将输入信号VIN’的变化按Cs’/Cf’倍数放大至输出端,输出端VOUT 输出在失调消除期间电压VOUT0’,为电源电压VDD’减去M4的栅级电压Vgs,即VOUT0’=VDD’-Vgs,当SW为高时,输出电压值VOUT’等于VCM’,而后输入电压值VIN’开始变化,由VIN1’变化为VIN2’,输出电压值VOUT’跟随变化,最终输出电压值VOUT’为VOUT’=VCM’+VIN1’-VIN2’。
图6所示为本发明一种具有失调消除结构的放大器电路的仿真电路示意图,在放大器电路反向输入端增加一个直流源,电压大小设为Vos,以此Vos电压来模拟放大器电路的实际失调电压,仿真时扫描Vos从-40mV到40mV,每10mV一个扫描点。图6所示仿真电路的仿真结构如图7所示,图7中SW信号与图5中描述的SW信号时序稍有不同,但不影响本例中的仿真结果。图7中输出端VOUT在A、B两点的电压波形放大后可以看到,在放大器电路失调电压Vos从-40mV扫描到40mV时,VOUT’的变化在A、B两点分别为约172uV和882uV,远小于失调电压Vos的80mV的变化,仿真结果表明本发明提出的放大器电路失调消除结构有效地减小电路的失调电压,大大提升了电路的精度。
由以上描述可知,本发明提出的放大器电路失调消除结构没有在放大器电路输入端增加电容,从而避免了传统的输入失调消除结构的精度损失,同时没有在放大器电路输出端加电容,避免了传统输出失调消除结构由于输出饱和问题而需要增加预放大电路,由此带来的面积和功耗的增加。本发明提出的失调消除结构有利于提高电路的精度,减小总的面积和功耗。
以上所述仅为本发明的优选实施例,所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围,因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化,同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种具有失调消除结构的运算放大器,其特征在于,所述运算放大器的电路结构包括:第一NMOS管、第二NMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管和尾电流NMOS管;其中,第四PMOS管的源极和第三PMOS管的源极均接电源(VDD);第四PMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极分别连接第一电容(C1)的两侧,且第三PMOS管的栅极与第三PMOS管的漏极和第一NMOS管的漏极相连接,第四PMOS管的栅极通过第一开关(S1)与第四PMOS管的漏极和第二NMOS管的漏极相连接;第四PMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极相连且共同连接至输出端(VOUT);第二NMOS管的源极和第一NMOS管的源极相连接且共同连接至尾电流NMOS管的漏极;第二NMOS管的栅极接反向输入端(VIN),第一NMOS管的栅极接正向输入端(VIP);尾电流NMOS管的栅极连接偏置电压(VBN),尾电流NMOS管的源极接地(VSS),所述正向输入端(VIP)通过第二开关(S2)与反向输入端(VIN)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有失调消除结构的运算放大器,其特征在于,所述第一NMOS管、第二NMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管和尾电流NMOS管中源极和漏极可以互换。
3.根据权利要求1所述的一种具有失调消除结构的运算放大器,其特征在于,所述第一开关(S1)和第二开关(S2)由单向导通晶体管来实现。
4.根据权利要求1所述的一种具有失调消除结构的运算放大器,其特征在于,所述第一开关(S1)和第二开关(S2)为单刀开关。
5.根据权利要求1所述的一种具有失调消除结构的运算放大器,其特征在于,所述运算放大器为五管运算放大器。
6.采用权利要求1所述的具有失调消除结构的运算放大器构成的放大器电路,其特征在于,所述放大器电路结构具体包括:运算放大器(OTA)、输入端(VIN)、输出端(VOUT)、采样电容(Cs)、反馈电容(Cf)、总开关(SW),其中,所述反馈电容(Cf)的一端与所述采样电容(Cs)连接,另一端与所述输出端(VOUT)连接;所述总开关(SW)一端连接所述采样电容(Cs),另一端与所述输出端(VOUT)连接;所述采样电容(Cs)的另一端连接所述输入端(VIN);所述运算放大器(OTA)的反向输入端连接采样电容(Cs),正向输入端连接共模电压(VCM),另一端连接输出端(VOUT)。
7.根据权利要求6所述的一种具有失调消除结构的放大器电路,其特征在于,所述第二开关(S2)断开的时间比第一开关(S1)断开的时间晚,所述总开关(SW)导通的时间比第二开关(S2)断开的时间晚,从而使得所述放大器电路最终输出端(VOUT)的电压值VOUT’等于VCM’与ΔVIN’之和,其中,ΔVIN’=VIN1’-VIN2’,为输入端(VIN)的输入电压变化差值,VCM’为共模电压的电压值。
8.根据权利要求6所述的一种具有失调消除结构的放大器电路,其特征在于,所述放大器电路中的反馈系数β=Cf’/(Cs’+Cf’),其中,Cs’为采样电容的电容值,Cf’为反馈电容的电容值。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180529 |
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