CN116073769B - 集成直流失调消除和切片阈值调整功能的二合一消除电路 - Google Patents

集成直流失调消除和切片阈值调整功能的二合一消除电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成直流失调消除和切片阈值调整功能的二合一消除电路，其包括直流失调消除电路和切片阈值调整电路，切片阈值调整电路的输入端用于连接差分放大器的放大电路输出级的差分输出端，切片阈值调整电路的输出端连接直流失调消除电路的差分输入端，直流失调消除电路的差分输出端连接差分放大器的放大电路输入级的输入端。本发明能实现直流失调消除电路和切片阈值调整电路的同时使用，既能消除校准差分放大器自身的失调，又能精确根据应用需求设定切片阈值调节。

Description

集成直流失调消除和切片阈值调整功能的二合一消除电路
技术领域
本发明涉及电子电路领域，特别是指一种集成直流失调消除和切片阈值调整功能的二合一消除电路。
背景技术
差分放大器被广泛应用于光通信***的接收机中，差分放大器主要有限幅放大器(Limiting Amplifier, LA)、可变增益放大器（VGA）、跨阻放大器（TIA）、连续时间线性均衡放大器（CTLE）等。其中，差分放大器的直流失调会导致经过其放大的信号交叉点发生偏移，直流失调过大时，差分放大器的输出幅度会被钳位在最大值，无法正常工作；而为了消除差分放大器的直流失调，差分放大器在设计时需要设计额外的直流失调消除(DC OffsetCancellation, DOC)电路来消除差分放大器的直流失调；另一方面，如果输入差分放大器的输入信号本身因经过长距离传输而发生失真，则差分放大器需要通过切片调整(SliceLevel Adjust, SLA)电路来补偿输入信号的失真，以改善***的性能。
配合图1所示，在现有的差分放大器中，直流失调消除电路和切片阈值调整电路是分开实现的，其中，直流失调消除电路是采用闭环负反馈的形式将差分放大器的直流失调电压调节到零；而切片阈值调整电路则工作在开环模式下；当切片阈值调整电路工作时，直流失调消除电路被关闭，切片阈值调整电路是通过调节差分放大器的放大电路的输入级的共模电压而给差分放大器设置一个固定的失调补偿电压。这种方案的缺陷在于：由于切片阈值调整电路工作在开环模式，且只是调节差分放大器的放大电路输入级的失调补偿电压，而差分放大器的放大电路后面的放大级和输出级由于差分通道器件、线路的失配产生的固有失调电压依然存在，并且由于芯片生产过程中存在工艺偏差，不同芯片间的失调电压并不相同，这就导致一个固定的失调补偿电压值并不适用于所有芯片，无法保证不同芯片间的一致性和精度，从而导致切片阈值调整电路的效果大打折扣或功能完全不实用。并且，由于直流失调消除电路通常工作在闭环模式，而切片阈值调整电路则工作在开环模式，这就造成直流失调消除电路和切片阈值调整电路通常不能同时使用，不能有效提高差分放大器的性能。
基于上述的缺陷，有必要研究一种集成直流失调消除和切片阈值调整功能的二合一消除电路，其能实现直流失调消除电路和切片阈值调整电路的同时使用，这样既能消除校准差分放大器自身的失调，又能精确根据应用需求设定切片阈值调节。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成直流失调消除和切片阈值调整功能的二合一消除电路，其能实现直流失调消除电路和切片阈值调整电路的同时使用，既能消除校准差分放大器自身的失调，又能精确根据应用需求设定切片阈值调节。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种集成直流失调消除和切片阈值调整功能的二合一消除电路，其包括直流失调消除电路和切片阈值调整电路；所述切片阈值调整电路的第一差分输入端和第二差分输入端用于分别连接差分放大器的放大电路的输出级的第一差分输出端和第二差分输出端，切片阈值调整电路的第一差分输出端和第二差分输出端则分别连接直流失调消除电路的第一差分输入端和第二差分输入端；所述直流失调消除电路的第一差分输出端和第二差分输出端用于分别连接差分放大器的放大电路的输入级的第一差分输入端和第二差分输入端；所述切片阈值调整电路包括隔离电阻R11、隔离电阻R12以及可变电流源It；隔离电阻R11的第一端连接切片阈值调整电路的第一差分输入端，隔离电阻R11的第二端和可变电流源It的第一电流供应端连接切片阈值调整电路的第一差分输出端，隔离电阻R12的第一端连接切片阈值调整电路的第二差分输入端，隔离电阻R12的第二端和可变电流源It的第二电流供应端连接切片阈值调整电路的第二差分输出端，可变电流源It能调节其第一电流供应端的电流和第二电流供应端的电流。
所述可变电流源It包括偏置电流源Ib、MOS管M11、MOS管M12、MOS管M13、MOS管M14、开关K1、开关K2、开关K3、开关K4和开关K5；偏置电流源Ib的输入端连接控制电源，偏置电流源Ib的输出端连接MOS管M11的栅极和漏极、以及MOS管M12的栅极、MOS管M13的栅极和MOS管M14的栅极，MOS管M12的漏极、MOS管M13的漏极和MOS管M14的漏极共同连接开关K1的第一端和开关K2的第一端，开关K1的第二端和开关K2的第二端分别连接可变电流源It的第一电流供应端和第二电流供应端，MOS管M11的源极接地，MOS管M12的源极通过开关K3接地，MOS管M13的源极通过开关K4接地，MOS管M14的源极通过开关K5接地。
所述放大电路的输出级包括输出管M01、输出管M02、负载电阻R01、负载电阻R02以及尾电流源I0，输出管M01的栅极和输出管M02的栅极分别连接输出级的第二差分输入端和第一差分输入端，输出管M01的源极和输出管M02的源极共同通过尾电流源I0接地，输出管M01的漏极和负载电阻R01的第一端连接输出级的第一差分输出端，输出管M02的漏极和负载电阻R02的第一端连接输出级的第二差分输出端，负载电阻R01的第二端和负载电阻R02的第二端连接控制电源；所述放大电路的输出级的第一差分输入端和第二差分输入端连接放大电路的放大级。
所述直流失调消除电路包括误差放大器EA、积分电阻R21、积分电阻R22、积分电容C21和积分电容C22；积分电阻R21的第一端和积分电阻R22的第一端连接直流失调消除电路的第一差分输入端和第二差分输入端，积分电阻R21的第二端连接误差放大器EA的同相输入端和积分电容C21的第一端，积分电阻R22的第二端连接误差放大器EA的反相输入端和积分电容C22的第一端，误差放大器EA的反相输出端和积分电容C21的第二端连接直流失调消除电路的第一差分输出端，误差放大器EA的同相输出端和积分电容C22的第二端连接直流失调消除电路的第二差分输出端。
采用上述方案后，本发明的切片阈值调整电路和直流失调消除电路会共同处在一个闭环负反馈环路中，使得切片阈值调整电路和直流失调消除电路能同时工作，这样既能消除校准差分放大器自身的失调，又能精确根据应用需求设定切片阈值调节（即调节失调补偿电压）。
附图说明
图1为现有的差分放大器的电路原理图；
图2为本发明的整体电路原理图；
图3为本发明的可变电流源It的电路原理图；
图4为本发明的输出级的电路原理图。
实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
如图2至图4所示，本发明揭示了一种集成直流失调消除和切片阈值调整功能的二合一消除电路，其包括直流失调消除电路和切片阈值调整电路；其中，所述切片阈值调整电路的第一差分输入端和第二差分输入端用于分别连接差分放大器的放大电路的输出级的第一差分输出端和第二差分输出端，切片阈值调整电路的第一差分输出端和第二差分输出端则分别连接直流失调消除电路的第一差分输入端和第二差分输入端；所述直流失调消除电路的第一差分输出端和第二差分输出端用于分别连接差分放大器的放大电路的输入级的第一差分输入端和第二差分输入端。在本发明中，所述切片阈值调整电路和直流失调消除电路会共同处在一个闭环负反馈环路中，使得切片阈值调整电路和直流失调消除电路能同时工作；同时，切片阈值调整电路工作在闭环负反馈环路中，能使得切片阈值调整电路克服芯片生产中的工艺偏差，使得切片阈值调整电路对不同芯片的调节的一致性好。
在本发明的实施例中，所述放大电路具体包括依次连接的输入级、放大级和输出级；其中，输出级包括输出管M01、输出管M02、负载电阻R01、负载电阻R02以及尾电流源I0，输出管M01的栅极和输出管M02的栅极分别连接输出级的第二差分输入端和第一差分输入端，输出管M01的源极和输出管M02的源极共同通过尾电流源I0接地，输出管M01的漏极和负载电阻R01的第一端连接输出级的第一差分输出端，输出管M02的漏极和负载电阻R02的第一端连接输出级的第二差分输出端，负载电阻R01的第二端和负载电阻R02的第二端连接控制电源；所述放大电路的输出级的第一差分输入端和第二差分输入端连接放大电路的放大级，输出级的第一差分输入端和第二差分输入端用于分别接入放大级输出的差分交流放大信号Vipo、Vino。
在本发明的实施例中，所述直流失调消除电路包括误差放大器EA、积分电阻R21、积分电阻R22、积分电容C21和积分电容C22，积分电阻R21的第一端和积分电阻R22的第一端连接直流失调消除电路的第一差分输入端和第二差分输入端，积分电阻R21的第二端连接误差放大器EA的同相输入端和积分电容C21的第一端，积分电阻R22的第二端连接误差放大器EA的反相输入端和积分电容C22的第一端，误差放大器EA的反相输出端和积分电容C21的第二端连接直流失调消除电路的第一差分输出端，误差放大器EA的同相输出端和积分电容C22的第二端连接直流失调消除电路的第二差分输出端。
在本发明的实施例中，所述直流失调消除电路的工作原理为：差分放大器的放大电路输出级的第一差分输出端和第二差分输出端分别输出差分交流输出信号Vop、Von，差分交流输出信号Vop、Von中会包含差分放大器的直流失调电压，差分交流输出信号Vop、Von经过切片阈值调整电路送入直流失调消除电路，直流失调消除电路的误差放大器EA、积分电阻R21、积分电阻R22、积分电容C21和积分电容C22组成一个积分器而对差分交流输出信号Vop、Von进行低通滤波，进而提取出差分交流输出信号Vop、Von中包含的直流失调电压，该直流失调电压经过误差放大器EA放大后被送回差分放大器的放大电路输入级的第一差分输入端和第二差分输入端，从而实现形成一个负反馈调节，进而迫使差分放大器的放大电路输出级的第一差分输出端和第二差分输出端的直流失调电压变为零。
在本发明的实施例中，所述切片阈值调整电路包括隔离电阻R11、隔离电阻R12以及可变电流源It；隔离电阻R11的第一端连接切片阈值调整电路的第一差分输入端，隔离电阻R11的第二端和可变电流源It的第一电流供应端连接切片阈值调整电路的第一差分输出端，隔离电阻R12的第一端连接切片阈值调整电路的第二差分输入端，隔离电阻R12的第二端和可变电流源It的第二电流供应端连接切片阈值调整电路的第二差分输出端，可变电流源It可调节其第一电流供应端的电流和第二电流供应端的电流。
在本发明的实施例中，所述切片阈值调整电路的工作原理为：在直流失调消除电路正常工作的基础上，若差分放大器的放大电路输入级的第一差分输入端和第二差分输入端输入的差分输入信号Vip、Vin交叉点存在偏移，相当于差分放大器的放大电路输入级的第一差分输入端和第二差分输入端存在失真电压，此时希望差分放大器能提供一个反相的失调补偿电压以中和失真电压，这时可以调节可变电流源It第一电流供应端的电流和第二电流供应端的电流至中和失真电压。具体地，当可变电流源It的第一电流供应端的电流和第二电流供应端的电流不为零时，可变电流源It的第一电流供应端的电流流过隔离电阻R11和负载电阻R01，可变电流源It的第二电流供应端的电流流过隔离电阻R12和负载电阻R02，此时切片阈值调整电路的第一差分输出端和第二差分输出端之间的电压Vsla=Vslap-Vslan=I2*（R12+R02）-I1*(R11+R01)，其中Vslap和Vslan分别为切片阈值调整电路的第一差分输出端电压和第二差分输出端电压，I1为可变电流源It的第一电流供应端的电流值，I2为可变电流源It的第二电流供应端的电流值，R11为电阻R11的电阻值，R12为电阻R12的电阻值，R01为电阻R01的电阻值，R02为电阻R02的电阻值；而切片阈值调整电路的第一差分输出端和第二差分输出端之间的电压会通过直流失调消除电路输入至差分放大器的放大电路输入级的第一差分输入端和第二差分输入端而迫使放大电路的输出级的第一差分输出端和第二差分输出端之间的电压Vout=Vop-Von=I2*R02-I1*R01，那么等效到输入到差分放大器的放大电路输入级的失调补偿电压Vinoffset=Vout/A0=（I2*R02-I1*R01）/A0，其中A0为差分放大器的放大电路的直流增益，Vop和Von分别为差分放大器的放大电路输出级的第一差分输出端电压和第二差分输出端电压。由前述可知，只要确定了I2、I1、R02、R01和A0的大小，即可得到确定失调补偿电压Vinoffset，一般情况下R02、R01和A0是根据差分放大器的设计要求确定的，那么就可以通过改变I2、I1来精确调节Vinoffse。在直流失调消除电路单独工作时，可以将I2、I1调节成相等。
在本发明的实施例中，所述可变电流源It包括偏置电流源Ib、MOS管M11、MOS管M12、MOS管M13、MOS管M14、开关K1、开关K2、开关K3、开关K4和开关K5；偏置电流源Ib的输入端连接控制电源，偏置电流源Ib的输出端连接MOS管M11的栅极和漏极、以及MOS管M12的栅极、MOS管M13的栅极和MOS管M14的栅极，MOS管M12的漏极、MOS管M13的漏极和MOS管M14的漏极共同连接开关K1的第一端和开关K2的第一端，开关K1的第二端和开关K2的第二端分别连接可变电流源It的第一电流供应端和第二电流供应端，MOS管M11的源极接地，MOS管M12的源极通过开关K3接地，MOS管M13的源极通过开关K4接地，MOS管M14的源极通过开关K5接地。本发明可以通过控制开关K3-K5的开合可以调节可变电流源It的第一电流供应端电流大小和第二电流供应端电流大小，而通过开关K1和开关K2则能选择可变电流源It的第一电流供应端的最终电流大小和第二电流供应端的最终电流大小；其中，当开关K1和开关K2同时导通或同时关断时，可变电流源It的第一电流供应端的电流和第二电流供应端的电流相等；而当开关K1和开关K2中一个导通且另一个关断时，则分别对应于往正负两个方向调节失真电压。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (4)

1.一种集成直流失调消除和切片阈值调整功能的二合一消除电路，其特征在于：包括直流失调消除电路和切片阈值调整电路；
所述切片阈值调整电路的第一差分输入端和第二差分输入端用于分别连接差分放大器的放大电路的输出级的第一差分输出端和第二差分输出端，切片阈值调整电路的第一差分输出端和第二差分输出端则分别连接直流失调消除电路的第一差分输入端和第二差分输入端；所述直流失调消除电路的第一差分输出端和第二差分输出端用于分别连接差分放大器的放大电路的输入级的第一差分输入端和第二差分输入端；
所述切片阈值调整电路包括隔离电阻R11、隔离电阻R12以及可变电流源It；隔离电阻R11的第一端连接切片阈值调整电路的第一差分输入端，隔离电阻R11的第二端和可变电流源It的第一电流供应端连接切片阈值调整电路的第一差分输出端，隔离电阻R12的第一端连接切片阈值调整电路的第二差分输入端，隔离电阻R12的第二端和可变电流源It的第二电流供应端连接切片阈值调整电路的第二差分输出端，可变电流源It能调节其第一电流供应端的电流和第二电流供应端的电流。
2.如权利要求1所述的集成直流失调消除和切片阈值调整功能的二合一消除电路，其特征在于：所述可变电流源It包括偏置电流源Ib、MOS管M11、MOS管M12、MOS管M13、MOS管M14、开关K1、开关K2、开关K3、开关K4和开关K5；
偏置电流源Ib的输入端连接控制电源，偏置电流源Ib的输出端连接MOS管M11的栅极和漏极、以及MOS管M12的栅极、MOS管M13的栅极和MOS管M14的栅极，MOS管M12的漏极、MOS管M13的漏极和MOS管M14的漏极共同连接开关K1的第一端和开关K2的第一端，开关K1的第二端和开关K2的第二端分别连接可变电流源It的第一电流供应端和第二电流供应端，MOS管M11的源极接地，MOS管M12的源极通过开关K3接地，MOS管M13的源极通过开关K4接地，MOS管M14的源极通过开关K5接地。
3.如权利要求1或2所述的集成直流失调消除和切片阈值调整功能的二合一消除电路，其特征在于：所述放大电路的输出级包括输出管M01、输出管M02、负载电阻R01、负载电阻R02以及尾电流源I0，输出管M01的栅极和输出管M02的栅极分别连接输出级的第二差分输入端和第一差分输入端，输出管M01的源极和输出管M02的源极共同通过尾电流源I0接地，输出管M01的漏极和负载电阻R01的第一端连接输出级的第一差分输出端，输出管M02的漏极和负载电阻R02的第一端连接输出级的第二差分输出端，负载电阻R01的第二端和负载电阻R02的第二端连接控制电源；
所述放大电路的输出级的第一差分输入端和第二差分输入端连接放大电路的放大级。
4.如权利要求1所述的集成直流失调消除和切片阈值调整功能的二合一消除电路，其特征在于：所述直流失调消除电路包括误差放大器EA、积分电阻R21、积分电阻R22、积分电容C21和积分电容C22；
积分电阻R21的第一端和积分电阻R22的第一端连接直流失调消除电路的第一差分输入端和第二差分输入端，积分电阻R21的第二端连接误差放大器EA的同相输入端和积分电容C21的第一端，积分电阻R22的第二端连接误差放大器EA的反相输入端和积分电容C22的第一端，误差放大器EA的反相输出端和积分电容C21的第二端连接直流失调消除电路的第一差分输出端，误差放大器EA的同相输出端和积分电容C22的第二端连接直流失调消除电路的第二差分输出端。
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