TWI398095B - 可補償偏移電壓的運算放大器 - Google Patents

Description

可補償偏移電壓的運算放大器

本發明係指一種可補償偏移電壓的運算放大器，尤指一種透過調整運算放大器中輸入級電路與輸出級電路間的電流大小，以補償偏移電壓所造成之影響的運算放大器。

運算放大器是各種電子裝置中一個重要的電路組成元件，其廣泛地應用於家電、工業及科學儀器等領域。電路設計者常可使用運算放大器來實現許多不同的運作功能，如緩衝器、濾波器、類比至數位轉換器等。

理想的運算放大器具備下列特性：輸入阻抗無限大、輸出阻抗等於零、開迴路增益無限大、共模互斥比(Common Mode Rejection Ratio)無限大、頻寬無限大。然而，由於半導體製程及積體電路技術的限制，實際上，理想運算放大器的實現有其困難度。為了表示真實運算放大器的特性，習知技術係以一偏移電壓(Offset Voltage)代表運算放大器的非理想性。

請參考第1圖，第1圖為一習知運算放大器10之示意圖。運算放大器10包含一輸入級電路100、一輸出級電路102及一等效電壓源104。運算放大器10由一正輸入端Vp及一負輸入端Vn接收差動訊號，並由一輸出端Vo輸出放大後的結果。等效電壓源104用來表示運算放大器10的非理想性(不存在於實際電路上)，其所產生的電壓Vos表示輸出端Vo耦接於負輸入端Vn(形成單位增益迴授架構)時，輸出端Vo與正輸入端Vp間的電壓差，即運算放大器10偏移電壓。偏移電壓產生的原因有許多，如半導體物理特性、製程瑕疵、元件不匹配等。

請參考第2圖，第2圖為第1圖中輸入級電路100之示意圖。輸入級電路100用以根據正輸入端Vp及負輸入端Vn的電壓，產生電流Id1、Id2至輸出級電路102，其包含有輸入電晶體P1、P2及一電流源200。輸入電晶體P1、P2皆為P型金屬氧化半導體電晶體，形成一共源差動對，其共模電壓為Vc。在理想情形下，輸入電晶體P1、P2的通道長度、通道寬度等特性完全相同，則電流源200所產生的電流Ib會平均地流至輸入電晶體P1、P2的源極，使得輸入電晶體P1、P2之源極至閘極的電壓完全相同，即電壓Vos為0，且電流Id1與Id2相等。然而，實際上，當輸入電晶體P1、P2因製程上的某些特性未完全匹配時，會造成輸入電晶體P1、P2的臨限電壓(Threshold Voltage)不相等，使得輸入電晶體P1、P2之源極至閘極的電壓不相等，則偏移電壓Vos不等於0，且電流Id1與Id2不相等。

簡言之，由於半導體物理特性、製程瑕疵、元件不匹配等因素，造成習知運算放大器的偏移電壓不等於0，影響其性能。因此，如何減少運算放大器偏移電壓的影響即成為業界所努力的課題之一。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種可補償偏移電壓的運算放大器。

本發明揭露一種可補償偏移電壓的運算放大器，包含有一輸入級電路，包含有一正輸入端、一負輸入端、一第一電流輸出端及一第二電流輸出端，用來根據該正輸入端與該負輸入端所接收之電壓，由該第一電流輸出端及該第二電流輸出端輸出對應的電流；一輸出級電路，耦接於該輸入級電路之該第一電流輸出端及該第二電流輸出端，用來根據該第一電流輸出端及該第二電流輸出端之電流，輸出電壓；以及一調整裝置，耦接於該輸入級電路與該輸出級電路之間，用來調整該第一電流輸出端及該第二電流輸出端之電流，以補償偏移電壓的影響。

本發明另揭露一種可補償偏移電壓的軌對軌式運算放大器，包含有一輸入級電路，包含有一正輸入端、一負輸入端、一第一電流輸出端、一第二電流輸出端、一第一電流接收端及一第二電流接收端，用來根據該正輸入端與該負輸入端所接收之電壓，由該第一電流輸出端及該第二電流輸出端輸出電流，並由該第一電流接收端及該第二電流接收端接收電流；一輸出級電路，耦接於該第一電流輸出端、該第二電流輸出端、該第一電流接收端及該第二電流接收端，用來根據該第一電流輸出端、該第二電流輸出端、該第一電流接收端及該第二電流接收端之電流，產生對應的電壓；以及一調整裝置，耦接於該輸入級電路與該輸出級電路之間，用來調整該第一電流輸出端及該第二電流輸出端所輸出之電流及該第一電流接收端及該第二電流接收端所接收之電流，以補償偏移電壓的影響。

請參考第3圖，第3圖為本發明一實施例可補償偏移電壓之運算放大器30之示意圖。運算放大器30包含有一輸入級電路300、一輸出級電路302及一調整裝置304。輸入級電路300由一正輸入端Vp及一負輸入端Vn接收電壓訊號後，透過一第一電流輸出端306及一第二電流輸出端308輸出對應的電流Id1、Id2至輸出級電路302。輸出級電路302則根據第一電流輸出端306及第二電流輸出端308之電流Id1、Id2，由一輸出端Vo輸出電壓放大結果。另外，在第3圖中，一等效電壓源310用來表示運算放大器30的非理想性(不存在於實際電路上)，其所產生的電壓Vos表示運算放大器30之偏移電壓。調整裝置304則用來調整第一電流輸出端306及第二電流輸出端308所輸出之電流Id1、Id2，以補償偏移電壓的影響。

因此，在運算放大器30中，調整裝置304可透過調整電流Id1、Id2，補償因半導體物理特性、製程瑕疵、元件不匹配等因素所產生之偏移電壓的影響。舉例來說，若電流Id1大於電流Id2時，調整裝置304可由第一電流輸出端306汲取電流或輸出電流至第二電流輸出端308，使得電流Id1約等於電流Id2。相反地，當電流Id1小於電流Id2時，調整裝置304可輸出電流至第一電流輸出端306或由第二電流輸出端308汲取電流，以使電流Id1約等於電流Id2。在此情形下，即使運算放大器30因半導體物理特性、製程瑕疵、元件不匹配等因素而產生偏移電壓時，本發明不需改變輸入級電路300及輸出級電路302的設計，即可透過調整裝置304補償偏移電壓的影響。

請參考第4圖，第4圖顯示第3圖中調整裝置304之功能方塊圖。調整裝置304包含一第一電流模式數位至類比轉換器400、一第二電流模式數位至類比轉換器402及一控制單元404。第一電流模式數位至類比轉換器400與第二電流模式數位至類比轉換器402分別耦接於第一電流輸出端306及第二電流輸出端308，用來根據控制單元404所輸出之控制訊號Vctrl，透過第一電流輸出端306及第二電流輸出端308輸出或接收電流。控制單元404可根據第一電流輸出端306與第二電流輸出端308之電流差，輸出控制訊號Vctrl，以控制第一電流模式數位至類比轉換器400透過第一電流輸出端306所輸出或接收之電流大小與第二電流模式數位至類比轉換器402透過第二電流輸出端308所輸出或接收之電流大小。因此，當運算放大器30因偏移電壓導致電流Id1與Id2不相等時，控制單元404可透過控制訊號Vctrl控制第一電流模式數位至類比轉換器400及第二電流模式數位至類比轉換器402，以調整輸入至輸出級電路302的電流，使得電流(Id1±dI)與(Id2±dI)相等。如此一來，偏移電壓所造成的影響得以有效地被補償。

特別注意的是，第4圖僅為調整裝置304之功能方塊圖，本領域具通常知識者當可配合其它元件，設計出具相同功能之電路。舉例來說，如第5圖所示，第一電流模式數位至類比轉換器400可由開關SW1~SWn及電流源CS1~CSn所組成。開關SW1~SWn可根據控制訊號Vctrl，導通第一電流輸出端306與對應之電流源的連結，從而調整透過第一電流輸出端306汲取或輸出之電流大小。因此，當電流Id1與Id2不相等時，控制單元404可控制開關SW1~SWn，導通電流源CS1~CSn中特定電流源與第一電流輸出端306之連結，以使電流Id1與Id2相等。

因此，在運算放大器30中，調整裝置304可調整電流Id1與Id2，使得流入輸出級電路302的電流相等，以補償偏移電壓的影響。當然，本領域具通常知識者可根據所需的輸入級電路，設計適當的調整裝置304。舉例來說，請參考第6圖及第7圖，第6圖及第7圖分別顯示本發明實施例運算放大器60及70之示意圖。運算放大器60及70皆為運算放大器30之衍生，其中，運算放大器60之輸入級電路600係由P型金屬氧化半導體電晶體P1、P2所組成，而運算放大器70之輸入級電路700則由N型金屬氧化半導體電晶體N1、N2所組成，兩者之調整單元606及706則根據第5圖之第一電流模式數位至類比轉換器400所設計，其運作原理如前所述。舉例來說，以運算放大器60為例，當電晶體P1、P2的某些特性未完全匹配時，會造成電晶體P1、P2的臨限電壓不相等，因而導致電流Id1與Id2不相等。在此情形下，調整單元606可透過開啟電流源，以使電流Id1與Id2趨近於相等。

第6圖及第7圖所示之運算放大器60及70為根據運算放大器30所衍生之實施例，而非用以限制本發明之涵蓋範圍，設計者當可作適當之變化。例如，調整單元606及706中的電流源數目可根據所需精確度調整，而每一電流源所產生之電流可設為一致或步階式遞減等。

此外，對於軌對軌式運算放大器，本發明另提供一實施例，用以補償偏移電壓之影響。請參考第8圖，第8圖為本發明實施例可補償偏移電壓之軌對軌式運算放大器80之示意圖。軌對軌式運算放大器80包含有一輸入級電路800、一輸出級電路802及一調整裝置804。輸入級電路800由一正輸入端Vp及一負輸入端Vn接收電壓訊號後，透過一第一電流輸出端806及一第二電流輸出端808輸出對應的電流Id1、Id2至輸出級電路802，並由一第一電流接收端810及一第二電流接收端812接收輸出級電路302所輸出之電流Id3、Id4。輸出級電路802則根據第一電流輸出端806、第二電流輸出端808、第一電流接收端810或第二電流接收端812之電流Id1、Id2、Id3、Id4，由一輸出端Vo輸出電壓放大結果。另外，在第8圖中，一等效電壓源814用來表示軌對軌式運算放大器80的非理想性(不存在於實際電路上)，其所產生的電壓Vos表示軌對軌式運算放大器80之偏移電壓。調整裝置804用來調整第一電流輸出端806、第二電流輸出端808所輸出之電流Id1、Id2或第一電流接收端810、第二電流接收端812所接收之電流Id3、Id4，以補償偏移電壓的影響。

軌對軌式運算放大器80運作方式與運算放大器30相似，不同之處在於軌對軌式運算放大器80較運算放大器30多了第一電流接收端810及第二電流接收端812，用來接收輸出級電路802所輸出之電流Id3、Id4。因此，只要將運算放大器30適當修改後，即可補償軌對軌式運算放大器80之偏移電壓。

首先，請參考第9圖，第9圖為輸入級電路800之示意圖。輸入級電路800包含P型金屬氧化半導體電晶體P1、P2所組成之差動對及N型金屬氧化半導體電晶體N1、N2所組成之差動對。電晶體P1、P2所組成之差動對可透過第一電流輸出端806及第二電流輸出端808輸出電流Id1、Id2至輸出級電路802，而電晶體N1、N2所組成之差動對則透過第一電流接收端810及第二電流接收端812接收輸出級電路802所輸出之電流Id3、Id4。

請繼續參考第10圖，第10圖為調整裝置804之示意圖。如同第4圖所示之調整裝置304，調整裝置804亦包含一第一電流模式數位至類比轉換器900、一第二電流模式數位至類比轉換器902及一控制單元904。第一電流模式數位至類比轉換器900耦接於第一電流輸出端806與第一電流接收端810之間，用以根據控制單元904所輸出之控制訊號Vctrl，透過第一電流輸出端806輸出電流及透過第一電流接收端810接收電流。第二電流模式數位至類比轉換器902則耦接於第二電流輸出端808與第二電流接收端812之間，用以根據控制單元904所輸出之控制訊號Vctrl，透過第二電流輸出端808輸出電流及透過第二電流接收端812接收電流。因此，當軌對軌式運算放大器80因偏移電壓導致電流Id1與Id2及Id3與Id4不相等時，控制單元904可透過控制訊號Vctrl控制第一電流模式數位至類比轉換器900及第二電流模式數位至類比轉換器902，以調整輸入至輸出級電路802的電流，及輸入至輸入級電路800的電流。如此一來，偏移電壓所造成的影響得以有效地被補償。

當然，調整裝置804可以是任何具相同功能之電路，本領域具通常知識者當可配合其它元件，設計出具相同功能之電路。舉例來說，如第11圖所示，第一電流模式數位至類比轉換器900可由開關SWU1~SWUn、SWD1~SWDn及電流源CSU1~CSUn、CSD1~CSDn所組成。開關SWU1~SWUn可根據控制訊號Vctrl，導通第一電流輸出端806與對應之電流源的連結，從而調整輸入級電路800透過第一電流輸出端806所輸出之電流大小；而開關SWD1~SWDn則可根據控制訊號Vctrl，導通第一電流接收端810與對應之電流源的連結，從而調整輸入級電路800透過第一電流接收端810所接收之電流大小。同樣地，第二電流模式數位至類比轉換器902亦可以第11圖所示之架構實現。如此一來，控制單元904可透過輸出控制訊號Vctrl，使Id1等於或趨近於Id2，Id3等於或趨近於Id4，則偏移電壓所造成的影響得以有效地被補償。當然，電流源CSU1~CSUn、CSD1~CSDn的數目可根據所需精確度調整，而每一電流源所產生之電流可設為一致或步階式遞減等。

綜上所述，本發明係透過調整運算放大器中輸入級電路與輸出級電路間的電流大小，以補償偏移電壓所造成的影響。因此，不需改變輸入級電路與輸出級電路，本發明即可補償偏移電壓所造成的影響，從而改善電路性能。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10、30、60、70、80．．．運算放大器

100、300、600、700、800．．．輸入級電路

102、302、802．．．輸出級電路

104、310、814．．．等效電壓源

Vp．．．正輸入端

Vn．．．負輸入端

Vo．．．輸出端

Id1、Id2、Id3、Id4．．．電流

Vos．．．偏移電壓

Vc．．．共模電壓

P1、P2、N1、N2．．．電晶體

200．．．電流源

304、606、706、804．．．調整裝置

306、806．．．第一電流輸出端

308、808．．．第二電流輸出端

Vctrl．．．控制訊號

400、900．．．第一電流模式數位至類比轉換器

402、902．．．第二電流模式數位至類比轉換器

404、904．．．控制單元

SW1~SWn、SWU1~SWUn、SWD1~SWDn．．．開關

CS1~CSn、CSU1~CSUn、CSD1~CSDn．．．電流源

810．．．第一電流接收端

812．．．第二電流接收端

第1圖為一習知運算放大器10之示意圖。

第2圖為第1圖中輸入級電路100之示意圖。

第3圖為本發明一實施例可補償偏移電壓之運算放大器30之示意圖。

第4圖顯示第3圖中調整裝置304之功能方塊圖。

第5圖為第4圖中第一電流模式數位至類比轉換器之示意圖。

第6圖及第7圖分別顯示本發明實施例運算放大器60及70之示意圖。

第8圖為本發明一實施例可補償偏移電壓之軌對軌式運算放大器80之示意圖。

第9圖為第8圖中輸入級電路800之示意圖。

第10圖顯示第8圖中調整裝置804之功能方塊圖。

第11圖為第10圖中第一電流模式數位至類比轉換器之示意圖。

30．．．運算放大器

300．．．輸入級電路

302．．．輸出級電路

Vp．．．正輸入端

Vn．．．負輸入端

Vo．．．輸出端

Id1、Id2．．．電流

Vos．．．偏移電壓

304．．．調整裝置

306．．．第一電流輸出端

308．．．第二電流輸出端

310．．．等效電壓源

Claims (23)

1. 一種可補償偏移電壓的運算放大器，包含有：一輸入級電路，包含有一正輸入端、一負輸入端、一第一電流輸出端及一第二電流輸出端，用來根據該正輸入端與該負輸入端所接收之電壓，由該第一電流輸出端及該第二電流輸出端輸出對應的電流；一輸出級電路，耦接於該輸入級電路之該第一電流輸出端及該第二電流輸出端，用來根據該第一電流輸出端及該第二電流輸出端之電流，輸出電壓；以及一調整裝置，包含有：一第一電流模式數位至類比轉換器，耦接於該第一電流輸出端，用來根據一控制訊號，透過該第一電流輸出端輸出或接收電流；一第二電流模式數位至類比轉換器，耦接於該第二電流輸出端，用來根據該控制訊號，透過該第二電流輸出端輸出或接收電流；以及一控制單元，耦接於該第一電流模式數位至類比轉換器及該第二電流模式數位至類比轉換器，用來根據該第一電流輸出端與該第二電流輸出端之電流差，輸出該控制訊號，以控制該第一電流模式數位至類比轉換器透過該第一電流輸出端所輸出或接收之電流大小與該第二電流模式數位至類比轉換器透過該第二電流輸出端所輸出或接收之電流大小。
2. 如請求項1所述之運算放大器，其中該輸入級電路包含有：一電流源；一第一電晶體，包含有一汲極，耦接於該第一電流輸出端，一源極，耦接於該電流源，及一閘極，耦接於該正輸入端；以及一第二電晶體，包含有一汲極，耦接於該第二電流輸出端，一源極，耦接於該電流源，及一閘極，耦接於該負輸入端。
3. 如請求項2所述之運算放大器，其中該第一電晶體與該第二電晶體皆為P型金屬氧化半導體電晶體。
4. 如請求項2所述之運算放大器，其中該第一電晶體與該第二電晶體皆為N型金屬氧化半導體電晶體。
5. 如請求項1所述之運算放大器，其中該第一電流模式數位至類比轉換器包含有：複數個電流源；以及複數個開關，每一開關包含有一第一端耦接於該第一電流輸出端，一第二端耦接於該控制單元，及一第三端耦接於該複數個電流源之一電流源，用來根據該第二端所接收之該控制訊號，控制該第一端至該第三端之連結。
6. 如請求項5所述之運算放大器，其中該複數個電流源所輸出之電流大小皆相同。
7. 如請求項5所述之運算放大器，其中該複數個電流源所輸出之電流大小呈一步階關係。
8. 如請求項1所述之運算放大器，其中該第二電流模式數位至類比轉換器包含有：複數個電流源；以及複數個開關，每一開關包含有一第一端耦接於該第二電流輸出端，一第二端耦接於該控制單元，及一第三端耦接於該複數個電流源之一電流源，用來根據該第二端所接收之該控制訊號，控制該第一端至該第三端之連結。
9. 如請求項8所述之運算放大器，其中該複數個電流源所輸出之電流大小皆相同。
10. 如請求項8所述之運算放大器，其中該複數個電流源所輸出之電流大小呈一步階關係。
11. 一種可補償偏移電壓的軌對軌式運算放大器，包含有：一輸入級電路，包含有一正輸入端、一負輸入端、一第一電流輸出端、一第二電流輸出端、一第一電流接收端及一第二電流接收端，用來根據該正輸入端與該負輸入端所接收之電壓，由該第一電流輸出端及該第二電流輸出端輸出電流，並由該第一電流接收端及該第二電流接收端接 收電流；一輸出級電路，耦接於該第一電流輸出端、該第二電流輸出端、該第一電流接收端及該第二電流接收端，用來根據該第一電流輸出端、該第二電流輸出端、該第一電流接收端或該第二電流接收端之電流，產生對應的電壓；以及一調整裝置，包含有：一第一電流模式數位至類比轉換器，耦接於該第一電流輸出端與該第一電流接收端之間，用來根據一控制訊號，透過該第一電流輸出端及該第一電流接收端輸出或接收電流；一第二電流模式數位至類比轉換器，耦接於該第二電流輸出端與該第二電流接收端之間，用來根據該控制訊號，透過該第二電流輸出端及該第二電流接收端輸出或接收電流；以及一控制單元，耦接於該第一電流模式數位至類比轉換器及該第二電流模式數位至類比轉換器，用來根據該第一電流輸出端與該第二電流輸出端之電流差及該第一電流接收端與該第二電流接收端之電流差，輸出該控制訊號，以控制該第一電流模式數位至類比轉換器透過該第一電流輸出端及該第一電流接收端所輸出或接收之電流大小與該第二電流模式數位至類比轉換器透過該第二電流輸出端及該第二電流接收端所輸出或接收之電流大小。
12. 如請求項11所述之軌對軌式運算放大器，其中該輸入級電路包含有：一第一電流源；一第一電晶體，包含有一汲極，耦接於該第一電流輸出端，一源極，耦接於該第一電流源，及一閘極，耦接於該正輸入端；一第二電晶體，包含有一汲極，耦接於該第二電流輸出端，一源極，耦接於該第一電流源，及一閘極，耦接於該負輸入端；一第二電流源；一第三電晶體，包含有一汲極，耦接於該第一電流接收端，一源極，耦接於該第二電流源，及一閘極，耦接於該正輸入端；以及一第四電晶體，包含有一汲極，耦接於該第二電流接收端，一源極，耦接於該第二電流源，及一閘極，耦接於該負輸入端。
13. 如請求項12所述之軌對軌式運算放大器，其中該第一電晶體與該第二電晶體皆為P型金屬氧化半導體電晶體，該第三電晶體與該第四電晶體皆為N型金屬氧化半導體電晶體。
14. 如請求項11所述之軌對軌式運算放大器，其中該第一電流模式數位至類比轉換器包含有： 複數個第一電流源；複數個第一開關，每一第一開關包含有一第一端耦接於該第一電流輸出端，一第二端耦接於該控制單元，及一第三端耦接於該複數個第一電流源之一第一電流源，用來根據該第二端所接收之該控制訊號，控制該第一端至該第三端之連結；複數個第二電流源；複數個第二開關，每一第二開關包含有一第一端耦接於該第一電流接收端，一第二端耦接於該控制單元，及一第三端耦接於該複數個第二電流源之一第二電流源，用來根據該第二端所接收之該控制訊號，控制該第一端至該第三端之連結。
15. 如請求項14所述之軌對軌式運算放大器，其中該複數個第一電流源所輸出之電流大小皆相同。
16. 如請求項14所述之軌對軌式運算放大器，其中該複數個第一電流源所輸出之電流大小呈一步階關係。
17. 如請求項14所述之軌對軌式運算放大器，其中該複數個第二電流源所輸出之電流大小皆相同。
18. 如請求項14所述之軌對軌式運算放大器，其中該複數個第二電流源所輸出之電流大小呈一步階關係。
19. 如請求項11所述之軌對軌式運算放大器，其中該第二電流模式數位至類比轉換器包含有：複數個第一電流源；複數個第一開關，每一第一開關包含有一第一端耦接於該第二電流輸出端，一第二端耦接於該控制單元，及一第三端耦接於該複數個第一電流源之一第一電流源，用來根據該第二端所接收之該控制訊號，控制該第一端至該第三端之連結；複數個第二電流源；複數個第二開關，每一第二開關包含有一第一端耦接於該第二電流接收端，一第二端耦接於該控制單元，及一第三端耦接於該複數個第二電流源之一第二電流源，用來根據該第二端所接收之該控制訊號，控制該第一端至該第三端之連結。
20. 如請求項19所述之軌對軌式運算放大器，其中該複數個第一電流源所輸出之電流大小皆相同。
21. 如請求項19所述之軌對軌式運算放大器，其中該複數個第一電流源所輸出之電流大小呈一步階關係。
22. 如請求項19所述之軌對軌式運算放大器，其中該複數個第二電流源所輸出之電流大小皆相同。
23. 如請求項19所述之軌對軌式運算放大器，其中該複數個第二電流源所輸出之電流大小呈一步階關係。