CN116805859B - 一种运算放大器失调电压调控电路及方法 - Google Patents

一种运算放大器失调电压调控电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种运算放大器失调电压调控电路及方法，设置两个不同温度特性的可调电流源，在两个不同的温度条件下进行预修调及测试，通过运算得到将该两个温度条件下失调电压均能修正到接近0的修调控制字。此种技术方案能够有效实现失调电压温漂系数的校正，减小温度变化对运放失调电压的影响，提高放大器的精度，进而提高电子***测量结果的准确性。

Description

一种运算放大器失调电压调控电路及方法
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，特别涉及一种运算放大器失调电压调控电路及调控方法。
背景技术
运算放大器是电子电路中的常用元器件，其在工作过程中存在着失调电压随温度漂移（以下简称“温漂”）的现象，该现象会对电子***在不同环境温度条件下的精度特性造成影响，从而影响测量结果的准确性。
图1所示是一种通用的运算放大器电路结构，包括输入对管及尾电流、负载电路和共源放大电路，当存在输入失调电压时，在电路内部的电流通路上表现为流经输入对管PM1和PM2的电流大小及NM1和NM2的电流大小不再相等。现有的失调电压调控方法是在输入对管及尾电流和负载电路之间并联一个可调电流源A和两个开关S0、S1，额外提供一个电流至运算放大器的电流通路，进行补偿，使流经NM1和NM2的电流大小相等。当PM1和PM2之间存在失配的情况时，会导致运算放大器存在一个正的失调电压，那么当运算放大器正常工作时，流经PM1的电流总比流经PM2的电流大一些，那么流至NM1和NM2的大小不再相等，此时打开开关S0，通过可调电流源A提供一个电流去抵消流至NM1和NM2的电流差。如此一来便可抵消掉由于PM1和PM2之间的失配而导致的失调电压，实现失调电压的调控。
然而需要注意的是，现有的失调电压调控是在一个确定的温度下进行的，这时可以将该温度点下的失调电压调整到接近于0，但是由于器件的特性，以及尾电流源I0和可调电流源A都存在温度漂移特性，所以当温度发生变化以后，失调电压便会发生较大的偏移，该现象会对电子***在不同环境温度条件下的精度特性造成影响，有待改进。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种运算放大器失调电压调控电路及方法，能够有效实现失调电压温漂系数的校正，减小温度变化对运放失调电压的影响，提高放大器的精度，进而提高电子***测量结果的准确性。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种运算放大器失调电压调控电路，所述运算放大器包括PMOS输入对管及尾电流，具体包括第一PMOS管、第二PMOS管和第一尾电流源，第一PMOS管的栅极连接正向输入端INP，第二PMOS管的栅极连接反相输入端INN；第一PMOS管的源极与第二PMOS管的源极均连接至第一尾电流源的输出端，所述第一尾电流源的输入端连接电源；包括第一可调电流源、第二可调电流源和第一-第四开关，其中，第一可调电流源的一端与第二可调电流源的一端均连接至电源，第一可调电流源的另一端分别连接第一开关的一端和第二开关的一端，第一开关的另一端和第二开关的另一端分别连接第一PMOS管的漏极和第二PMOS管的漏极；第二可调电流源的另一端分别连接第三开关的一端和第四开关的一端，第三开关的另一端和第四开关的另一端分别连接第一PMOS管的漏极和第二PMOS管的漏极；所述第一可调电流源与第二可调电流源的温度特性不同。
如前所述的一种运算放大器失调电压调控电路的调控方法，包括如下步骤：
步骤A1，在温度T1条件下，分别测试第一可调电流源与第二可调电流源未工作时运算放大器的失调电压V10、第一可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压V11和第二可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压V12；
步骤A2，在温度T2条件下，分别测试第一可调电流源与第二可调电流源未工作时运算放大器的失调电压V20、第一可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压V21和第二可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压V22；其中，T1≠T2；
步骤A3，计算下式
LSBA1=（V11-V10）/Q, LSBB1=（V12-V10）/Q
LSBA2=（V21-V20）/Q, LSBB2=（V22-V20）/Q
其中，LSBA1为温度T1条件下第一可调电流源的最小修调位可修调范围，LSBB1为温度T1条件下第二可调电流源的最小修调位可修调范围，LSBA2为温度T2条件下第一可调电流源的最小修调位可修调范围，LSBB2为温度T2条件下第二可调电流源的最小修调位可修调范围；Q为定值；
则联立以下方程求解控制字：
M*LSBA1+N* LSBB1= V10
M*LSBA2+N* LSBB2= V20
其中，M为第一可调电流源的修调控制字，N为第二可调电流源的修调控制字。
上述温度T1设为0℃，温度T2设为70℃。
上述步骤A1中，测试第一可调电流源与第二可调电流源未工作时运算放大器的失调电压V10时，同时控制第一至第四开关断开；
所述步骤A2中，测试第一可调电流源与第二可调电流源未工作时运算放大器的失调电压V20时，同时控制第一至第四开关断开；
所述步骤A1和步骤A2中，测试第一可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压时，控制第一开关闭合，控制第二开关、第三开关、第四开关断开，并使第一可调电流源工作于MSB预修调模式；
所述步骤A1和步骤A2中，测试第二可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压时，控制第三开关闭合，控制第一开关、第二开关、第四开关断开，并使第二可调电流源工作于MSB预修调模式。
一种运算放大器失调电压调控电路，所述运算放大器包括NMOS输入对管及尾电流，具体包括第一NMOS管、第二NMOS管和第二尾电流源，第一NMOS管的栅极连接反相输入端INN，第二NMOS管的栅极连接正向输入端INP；第一NMOS管的源极与第二NMOS管的源极均连接至第二尾电流源的输入端，所述第二尾电流源的输出端接地；包括第三可调电流源、第四可调电流源和第五-第八开关，其中，第三可调电流源的一端与第四可调电流源的一端均接地，第三可调电流源的另一端分别连接第五开关的一端和第六开关的一端，第五开关的另一端和第六开关的另一端分别连接第一NMOS管的漏极和第二NMOS管的漏极；第四可调电流源的另一端分别连接第七开关的一端和第八开关的一端，第七开关的另一端和第八开关的另一端分别连接第一NMOS管的漏极和第二NMOS管的漏极；所述第三可调电流源与第四可调电流源的温度特性不同。
如前所述的一种运算放大器失调电压调控电路的调控方法，包括如下步骤：
步骤B1，在温度T3条件下，分别测试第三可调电流源与第四可调电流源未工作时运算放大器的失调电压V30、第三可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压V31和第四可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压V32；
步骤B2，在温度T4条件下，分别测试第三可调电流源与第四可调电流源未工作时运算放大器的失调电压V40、第三可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压V41和第四可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压V42；其中，T3≠T4；
步骤B3，计算下式
LSBA3=（V31-V30）/Q, LSB(B3)=（V32-V30）/Q
LSBA4=（V41-V40）/Q, LSB(B4)=（V42-V40）/Q
其中，LSBA3为温度T3条件下第三可调电流源的最小修调位可修调范围，LSBB3为温度T3条件下第四可调电流源的最小修调位可修调范围，LSBA4为温度T4条件下第三可调电流源的最小修调位可修调范围，LSBB4为温度T4条件下第四可调电流源的最小修调位可修调范围；Q为定值；
则联立以下方程求解控制字：
M*LSBA3+N* LSBB3= V30
M*LSBA4+N* LSBB4= V40
其中，M为第三可调电流源的修调控制字，N为第四可调电流源的修调控制字。
上述温度T3设为0℃，温度T4设为70℃。
上述步骤B1中，测试第三可调电流源与第四可调电流源未工作时运算放大器的失调电压V30时，同时控制第五至第八开关断开；
所述步骤B2中，测试第三可调电流源与第四可调电流源未工作时运算放大器的失调电压V40时，同时控制第五至第八开关断开；
所述步骤B1和步骤B2中，测试第三可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压时，控制第五开关闭合，控制第六开关、第七开关、第八开关断开，并使第三可调电流源工作于MSB预修调模式；
所述步骤B1和步骤B2中，测试第四可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压时，控制第七开关闭合，控制第五开关、第六开关、第八开关断开，并使第四可调电流源工作于MSB预修调模式。
采用上述方案后，本发明通过设置两个不同温度特性的可调电流源，在两个不同的温度条件下进行预修调及测试，可运算得到将该两个温度条件下失调电压均能修正到接近0的修调控制字，从而实现失调电压温漂系数的校正，减小温度变化对运放失调电压的影响，从而提高运算放大器的精度，提高电子***测量结果的准确性。
附图说明
图1是现有的失调电压调控电路示意图；
图2是本发明提供的应用于PMOS输入对管的失调电压调控电路示意图；
图3是本发明提供的失调电压调控方法的流程图；
图4是本发明图2所示实施例与现有修调方式的效果对比图；
图5是本发明提供的应用于NMOS输入对管的失调电压调控电路示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图2所示，本发明提供一种运算放大器失调电压调控电路，其中的运算放大器包括依次连接的PMOS输入对管及尾电流、负载电路和共源放大电路，其中，输入对管由两个PMOS管PM1、PM2构成，PM1、PM2的源极均连接至电流源I0的输出端，电流源I0的输入端连接电源；PM1、PM2的漏极分别连接至负载电路；此为运算放大器的常见结构，不再赘述。
本发明的改进点在于：还包括可调电流源A、可调电流源B和4个开关S0、S1、S2、S3，其中，可调电流源A、B的一端均连接至电源，可调电流源A的另一端分别连接开关S0、S1的一端，开关S0、S1的另一端分别连接输入对管中PM1、PM2的漏极；可调电流源B的另一端分别连接开关S2、S3的一端，开关S2、S3的另一端分别连接输入对管中PM1、PM2的漏极。本发明通过不同温度特性的可调电流源A和可调电流源B，在两个不同的温度条件下进行预修调及测试，可运算得到将该两个温度条件下失调电压均能修正到接近0的修调控制字，从而实现失调电压温漂系数的校正。
本发明还提供一种运算放大器失调电压调控方法，配合图3所示，包括如下步骤：
（1）进行温度T1下的失调电压测试：断开开关S0～S3，此时可调电流源A、B均不参与工作，在温度T1条件下测试运算放大器的失调电压，记为V10；温度T1可根据实际情况进行设定，在本实施例中，可设置温度T1为0℃；
（2）仍然在温度T1条件下，控制开关S0闭合，开关S1～S3断开，并控制可调电流源A进入到MSB预修调模式，测试在该情况下运算放大器的失调电压，记为V11；然后保持温度T1条件不变，控制开关S2闭合，开关S0、S1、S3断开，进入到可调电流源B的MSB预修调模式，再次测试运算放大器的失调电压，记为V12；
（3）进行温度T2下的失调电压测试：改变温度条件，在温度T2条件下，首先在开关S0～S3均断开的情况下测试运算放大器的失调电压，记为V20；温度T2可根据实际情况进行设定，在本实施例中，可设置温度T2为70℃；
（4）保持温度T2条件不变，同（2），首先控制开关S0闭合，开关S1～S3断开，进入到可调电流源A的MSB预修调模式，测试此时运算放大器的失调电压，记为V21；然后同样在温度T2条件下，控制开关S2闭合，开关S0、S1、S3断开，进入到可调电流源B的MSB预修调模式，测试运算放大器的失调电压，记为V22；
（5）基于以上参数，根据以下方法计算得到可调电流源A的修调控制字M和可调电流源B的修调控制字N；
温度T1下的可调电流源A的LSB记为LSBA1，温度T1下的可调电流源B的LSB记为LSBB1；
温度T2下的可调电流源A的LSB记为LSBA2，温度T2下的可调电流源B的LSB记为LSBB2；
有：
LSBA1=（V11-V10）/Q, LSBB1=（V12-V10）/Q
LSBA2=（V21-V20）/Q, LSBB2=（V22-V20）/Q
其中，Q为定值，可根据实际情况进行设定；需要说明的是，若可调电流源A在温度T1、T2下的最大修调位可修调范围分别是MSBA1、MSBA2，则有MSBA1=Q*LSBA1，MSBA2=Q*LSBA2；若可调电流源B在温度T1、T2下的最大修调位可修调范围分别是MSBB1、MSBB2，则有MSBB1=Q*LSBB1，MSBB2=Q*LSBB2；
则控制字由以下方程联立求出：
M*LSBA1+N* LSBB1= V10
M*LSBA2+N* LSBB2= V20
对于同一个运算放大器，图4示出了采用现有调控方式以及采用本发明的对比效果，可以看到本发明能够很好地控制失调电压带来的温漂现象。
以上所述的可调电流源的MSB预修调模式，是指将可调电流源调节至控制字中的一位能够修调范围最大的模式。
需要说明的是，本发明实施例提供了应用于以PMOS管构成输入对管的运算放大器的失调电压调控电路，同理可得，对于以NMOS管构成输入对管的运算放大器，所述调控电路同样可设置两个可调电流源及两对开关，可配合图5，其中，尾电流源的输入端连接NMOS输入对管，尾电流源的输出端接地，则两个可调电流源的一端均接地，另一端分别对应连接一对开关的一端，同一对开关中的两个开关的另一端分别连接两个NMOS管的漏极。采用前述调控方法，同样能够得到两个可调电流源的修调控制字。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种运算放大器失调电压调控电路的调控方法，所述运算放大器包括PMOS输入对管及尾电流，具体包括第一PMOS管、第二PMOS管和第一尾电流源，第一PMOS管的栅极连接正向输入端INP，第二PMOS管的栅极连接反相输入端INN；第一PMOS管的源极与第二PMOS管的源极均连接至第一尾电流源的输出端，所述第一尾电流源的输入端连接电源；所述运算放大器失调电压调控电路包括第一可调电流源、第二可调电流源和第一-第四开关，其中，第一可调电流源的一端与第二可调电流源的一端均连接至电源，第一可调电流源的另一端分别连接第一开关的一端和第二开关的一端，第一开关的另一端和第二开关的另一端分别连接第一PMOS管的漏极和第二PMOS管的漏极；第二可调电流源的另一端分别连接第三开关的一端和第四开关的一端，第三开关的另一端和第四开关的另一端分别连接第一PMOS管的漏极和第二PMOS管的漏极；所述第一可调电流源与第二可调电流源的温度特性不同；
其特征在于，所述调控方法包括如下步骤：
步骤A1，在温度T1条件下，分别测试第一可调电流源与第二可调电流源未工作时运算放大器的失调电压V10、第一可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压V11和第二可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压V12；
步骤A2，在温度T2条件下，分别测试第一可调电流源与第二可调电流源未工作时运算放大器的失调电压V20、第一可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压V21和第二可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压V22；其中，T1≠T2；
步骤A3，计算下式
LSBA1=（V11-V10）/Q, LSBB1=（V12-V10）/Q
LSBA2=（V21-V20）/Q, LSBB2=（V22-V20）/Q
其中，LSBA1为温度T1条件下第一可调电流源的最小修调位可修调范围，LSBB1为温度T1条件下第二可调电流源的最小修调位可修调范围，LSBA2为温度T2条件下第一可调电流源的最小修调位可修调范围，LSBB2为温度T2条件下第二可调电流源的最小修调位可修调范围；Q为定值；
则联立以下方程求解控制字：
M*LSBA1+N* LSBB1= V10
M*LSBA2+N* LSBB2= V20
其中，M为第一可调电流源的修调控制字，N为第二可调电流源的修调控制字。
2.如权利要求1所述的调控方法，其特征在于：所述温度T1设为0℃，温度T2设为70℃。
3.如权利要求1所述的调控方法，其特征在于：所述步骤A1中，测试第一可调电流源与第二可调电流源未工作时运算放大器的失调电压V10时，同时控制第一至第四开关断开；
所述步骤A2中，测试第一可调电流源与第二可调电流源未工作时运算放大器的失调电压V20时，同时控制第一至第四开关断开；
所述步骤A1和步骤A2中，测试第一可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压时，控制第一开关闭合，控制第二开关、第三开关、第四开关断开，并使第一可调电流源工作于MSB预修调模式；
所述步骤A1和步骤A2中，测试第二可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压时，控制第三开关闭合，控制第一开关、第二开关、第四开关断开，并使第二可调电流源工作于MSB预修调模式。
4.一种运算放大器失调电压调控电路的调控方法，所述运算放大器包括NMOS输入对管及尾电流，具体包括第一NMOS管、第二NMOS管和第二尾电流源，第一NMOS管的栅极连接反相输入端INN，第二NMOS管的栅极连接正向输入端INP；第一NMOS管的源极与第二NMOS管的源极均连接至第二尾电流源的输入端，所述第二尾电流源的输出端接地；所述运算放大器失调电压调控电路包括第三可调电流源、第四可调电流源和第五-第八开关，其中，第三可调电流源的一端与第四可调电流源的一端均接地，第三可调电流源的另一端分别连接第五开关的一端和第六开关的一端，第五开关的另一端和第六开关的另一端分别连接第一NMOS管的漏极和第二NMOS管的漏极；第四可调电流源的另一端分别连接第七开关的一端和第八开关的一端，第七开关的另一端和第八开关的另一端分别连接第一NMOS管的漏极和第二NMOS管的漏极；所述第三可调电流源与第四可调电流源的温度特性不同；
其特征在于，所述调控方法包括如下步骤：
步骤B1，在温度T3条件下，分别测试第三可调电流源与第四可调电流源未工作时运算放大器的失调电压V30、第三可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压V31和第四可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压V32；
步骤B2，在温度T4条件下，分别测试第三可调电流源与第四可调电流源未工作时运算放大器的失调电压V40、第三可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压V41和第四可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压V42；其中，T3≠T4；
步骤B3，计算下式
LSBA3=（V31-V30）/Q, LSBB3=（V32-V30）/Q
LSBA4=（V41-V40）/Q, LSBB4=（V42-V40）/Q
其中，LSBA3为温度T3条件下第三可调电流源的最小修调位可修调范围，LSBB3为温度T3条件下第四可调电流源的最小修调位可修调范围，LSBA4为温度T4条件下第三可调电流源的最小修调位可修调范围，LSBB4为温度T4条件下第四可调电流源的最小修调位可修调范围；Q为定值；
则联立以下方程求解控制字：
M*LSBA3+N* LSBB3= V30
M*LSBA4+N* LSBB4= V40
其中，M为第三可调电流源的修调控制字，N为第四可调电流源的修调控制字。
5.如权利要求4所述的调控方法，其特征在于：所述温度T3设为0℃，温度T4设为70℃。
6.如权利要求4所述的调控方法，其特征在于：所述步骤B1中，测试第三可调电流源与第四可调电流源未工作时运算放大器的失调电压V30时，同时控制第五至第八开关断开；
所述步骤B2中，测试第三可调电流源与第四可调电流源未工作时运算放大器的失调电压V40时，同时控制第五至第八开关断开；
所述步骤B1和步骤B2中，测试第三可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压时，控制第五开关闭合，控制第六开关、第七开关、第八开关断开，并使第三可调电流源工作于MSB预修调模式；
所述步骤B1和步骤B2中，测试第四可调电流源MSB预修调模式下运算放大器的失调电压时，控制第七开关闭合，控制第五开关、第六开关、第八开关断开，并使第四可调电流源工作于MSB预修调模式。
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