TWI509982B - Operational Amplifier - Google Patents

Description

運算放大器

本發明，係有關於運算放大器，更詳細而言，係有關於運算放大器之偏位電壓抵消。

在對於從感測元件等所產生之微小的電壓作計測之半導體裝置中，係為了對微小電壓作放大的目的，而使用有運算放大器。為了以良好精確度來作計測，係有必要將身為運算放大器之代表性的誤差原因之偏位電壓的影響縮小。作為將偏位電壓縮小的技術，係發明有：具備將偏位電壓作自我修正之功能的附有偏位電壓抵消功能之運算放大器。

先前技術中之附有偏位電壓抵消功能之運算放大器，係具備有主要之運算放大器和修正用之運算放大器，並藉由對於主要的運算放大器之偏位電壓作計測並作修正，而實現偏位電壓之修正(例如，參考專利文獻1)。

圖4，係為先前技術之偏位電壓抵消運算放大器的電路圖。被與非反轉輸入端子101以及反轉輸入端子102作了連接之主運算放大器117，係具備有跨導放大器107以及108、和轉阻放大器(Transimpedance Amplifier)113。跨導放大器108，係在非反轉輸入端子處被連接有電容器111。經由反轉輸入端子102以及開關103而被與非反轉輸入端子101作了連接之修正用放大器118，係具備有跨導放大器109以及110、和轉阻放大器114。在跨導放大器109之2個的輸入端子間，係被連接有開關104。跨導放大器110，係在反轉輸入端子處被連接有電容器112。轉阻放大器114之輸出端子，係經由開關115而被與電容器111作連接，並經由開關116而被與電容器112作連接。主放大器117，係在輸入端子處存在有偏位電壓105。修正用放大器118，係在輸入端子處存在有偏位電壓106。

開關103以及115，係在時脈Φ2模式時被作連接。開關104以及116，係在時脈Φ1模式時被作連接。時脈Φ1模式，係為對於修正用放大器118之偏位電壓106作修正的模式。時脈Φ2模式，係為對於主放大器117之偏位電壓105作修正的模式。

圖4之偏位電壓抵消運算放大器，係藉由交互進行時脈Φ1模式與時脈Φ2模式，而經由修正用放大器118來對於主放大器117之偏位電壓作修正。

接下來，對於圖4之偏位電壓抵消運算放大器的動作作說明。於此，係將跨導放大器之跨導設為gm，並將轉阻放大器之轉阻設為R。

在時脈Φ1模式中，係將修正用放大器之偏位電壓106(Voff,n)之值，藉由跨導放大器109來作測定，並將該資訊保存至電容器112處。修正用放大器118之輸出端子120的輸出電壓(Vout,n)，係藉由下式而作表示。

Vout,n=(Voff,n×gm3-Vout,n×gm4)×Rn=Voff,n×gm3×Rn/(1+gm4×Rn)≒Voff,n×gm3/gm4

故而，在時脈Φ1模式中，Voff,n×gm3/gm4之電壓係被保存至電容器112處。

在時脈Φ2模式中，係將主放大器117之偏位電壓105(Voff,m)之值，藉由修正用放大器118來作測定，並將該資訊保存至電容器111處。此時，修正用放大器118之偏位電壓之值，係被保存在電容器112中。當在非反轉輸入端子101中被輸入有電壓(Vin)，而在反轉輸入端子102處係從主放大器輸出端子119而被以回歸率β而作了反饋的情況時，主放大器117之輸出端子119的輸出電壓(Vout,m)，係藉由下式而作表示。

Vout,m=[(Vin-β×Vout,m+Voff,m)×gm1+[(Vin-β×Vout,m+Voff,n)×gm3-(Voff,n×gm3/gm4)×gm4]×Rn×gm2]×Rm=(gm1+gm2×gm3×Rn)×Rm×Vin/[1+β×Rm×(gm1+gm2×gm3×Rn)]+(gm1×Rm×Voff,m)/[1+β×Rm×(gm1+gm2×gm3×Rn)]

於此，若是設為gm1=gm2=gm3=gm4=gm，則係成為Vout,m≒[Vin+Voff,m/(gm×Rn)]/β。由上式，可以得知，修正用放大器118之偏位電壓106(Voff,n)的影響係消失，主放大器117之偏位電壓105(Voff,m)，係成為1/(gm×Rn)，而影響係成為非常小。

故而，先前技術之偏位電壓抵消運算放大器，係能夠將自身之偏位電壓作抵消。又，雖然偏位電壓係具備有溫度特性，但是，該溫度特性，亦同樣的能夠作抵消。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]　日本特開平3-117908號公報

被與運算放大器作連接之感測元件，係在各個的感測元件之每一者處，而具備有相異之偏位電壓或溫度特性。故而，為了將測定精確度提升，係必須要將感測元件之偏位電壓或者是溫度特性作抵消。

然而，先前技術之偏位電壓抵消運算放大器，雖然係能夠將自身之偏位電壓或者是溫度特性減少，但是，係無法將感測元件之偏位電壓或者是溫度特性作抵消。

本發明，係為了解決上述一般之課題而進行者，其目的，係在於實現一種能夠將感測元件之偏位電壓或者是溫度特性作抵消且測定精確度為佳之偏位電壓抵消放大器。

為了解決先前技術之課題，本發明之偏位電壓抵消運算放大器，係設為下述一般之構成。

一種運算放大器，係為具備有將輸入端子作了共通連接之主放大器和偏位修正用放大器的運算放大器，主放大器，係具備有：測定用之第1跨導放大器、和偏位修正用之第2跨導放大器、和被與第2跨導放大器之輸入端子相連接之第1電容，偏位修正用放大器，係具備有：測定用之第3跨導放大器、和偏位修正用之第4跨導放大器、和被與第4跨導放大器之其中一方的輸入端子相連接之第2電容，偏位修正用放大器，係在第4跨導放大器之另外一方的輸入端子處，具備有偏位電壓調整電路，並對於被連接於輸入端子處之元件的偏位作修正。

若依據本發明之偏位電壓抵消運算放大器，則係能夠配合於被作連接之感測元件的偏位電壓或者是溫度特性，而將偏位電壓作抵消，並成為能夠實現一種測定精確度為佳之偏位電壓抵消運算放大器。

以下，參考所添附之圖面，對本發明之偏位電壓抵消運算放大器作說明。

圖1，係為本發明之偏位電壓抵消運算放大器的電路圖。被與非反轉輸入端子101以及反轉輸入端子102作了連接之主運算放大器117，係具備有跨導放大器107以及108、和轉阻放大器(Transimpedance Amplifier)113。跨導放大器108，係在非反轉輸入端子處被連接有電容器111。經由反轉輸入端子102以及開關103而被與非反轉輸入端子101作了連接之修正用放大器118，係具備有跨導放大器109以及110、和轉阻放大器114。在跨導放大器109之2個的輸入端子間，係被連接有開關104。跨導放大器110，係在非反轉輸入端子處被連接有偏位電壓調整電路124，並在反轉輸入端子處被連接有電容器112。轉阻放大器114之輸出端子，係經由開關115而被與電容器111作連接，並經由開關116而被與電容器112作連接。主放大器117，係在輸入端子處存在有偏位電壓105。修正用放大器118，係在輸入端子處存在有偏位電壓106。

偏位電壓調整電路124，係具備有開關121以及122、和電壓源123。電壓源123，係經由開關121而被與偏位電壓調整電路124之輸出端子作連接。開關122，係被連接於GND與輸出端子之間。故而，藉由對於開關121以及122作切換，在跨導放大器110之非反轉輸入端子處，係被輸入有電壓源123之電壓或者是GND之電壓。

開關103、115以及121，係在時脈Φ2模式時被作連接。開關104、116以及122，係在時脈Φ1模式時被作連接。時脈Φ1模式，係為對於修正用放大器118之偏位電壓106作修正的模式。時脈Φ2模式，係為對於主放大器117之偏位電壓105作修正的模式。

圖1之偏位電壓抵消運算放大器，係藉由交互進行時脈Φ1模式與時脈Φ2模式，而經由修正用放大器118來對於主放大器117之偏位電壓作修正。

接下來，對於圖1之偏位電壓抵消運算放大器的動作作說明。於此，係將跨導放大器之跨導設為gm，並將轉阻放大器之轉阻設為R。

圖2，係為對於時脈Φ1模式作展示之電路圖。在時脈Φ1模式中，係將修正用放大器之偏位電壓106(Voff,n)之值，藉由跨導放大器109來作測定，並將該資訊保存至電容器112處。

修正用放大器118之輸出端子120的輸出電壓(Vott,n)，係藉由下式而作表示。

Vout,n=(Voff,n×gm3-Vout,n×gm4)×Rn=Voff,n×gm3×Rn/(1+gm4×Rn)≒Voff,n×gm3/gm4

故而，在時脈Φ1模式中，Voff,n×gm3/gm4之電壓係被保存至電容器112處。

圖3，係為對於時脈Φ2模式作展示之電路圖。在時脈Φ2模式中，係將主放大器117之偏位電壓105(Voff,m)之值，藉由修正用放大器118來作測定，並將該資訊保存至電容器111處。此時，修正用放大器118之偏位電壓之值，係被保存在電容器112中。在跨導放大器110之非反轉輸入端子處，係被連接有電壓源123之電壓(Vc)。

當在非反轉輸入端子101中被輸入有電壓(Vin)，而在反轉輸入端子102處係從主放大器輸出端子119而被以回歸率β而作了反饋的情況時，主放大器117之輸出端子119的輸出電壓(Vout,m)，係藉由下式而作表示。

Vout,m=[(Vin-β×Vout,m+Voff,m)×gm1+[(Vin-β×Vout,m+Voff,n)×gm3-(Voff,n×gm3/gm4-Vc)×gm4]×Rn×gm2]×Rm=(gm1+gm2×gm3×Rn)×Rm×Vin/[1+β×Rm×(gm1+gm2×gm3×Rn)]+(gm1×Rm×Voff,m+Vc×gm2×gm3×Rn)/[1+β×Rm×(gm1+gm2×gm3×Rn)]

於此，若是設為gm1=gm2=gm3=gm4=gm，則係成為

Vout,m≒[Vin+Voff,m/(gm×Rn)+Vc]/β

由上式，可以得知，修正用放大器118之偏位電壓106(Voff,n)的影響係消失，主放大器117之偏位電壓105(Voff,m)的影響係成為非常小。而，電壓源123之電壓(Vc)係被加算至偏位電壓105處。藉由此，而成為能夠藉由將電壓源123之電壓(Vc)作變更來對於偏位電壓抵消運算放大器附加偏位電壓調整功能。

如同以上所說明一般，藉由將電壓源123之電壓(Vc)作變更，係成為能夠對於偏位電壓之值作調整，並成為能夠將被作連接之感測元件的偏位電壓作抵消。又，若是將電壓源123之電壓(Vc)的溫度特性，設定為能夠對於被作連接之感測元件的溫度特性作抵消，則係成為能夠將感測元件之溫度特性作抵消。

另外，在圖1中，雖係在跨導放大器110之非反轉輸入端子處被連接有電壓源123，但是，在被連接於反轉輸入端子處之電容器112處，係亦可採用相同的想法。在時脈Φ2模式中，經由使電荷在電容器112中作進出並對於電壓作變更，係成為能夠將感測元件之偏位電壓以及溫度特性作抵消。

101．．．非反轉輸入端子

102．．．反轉輸入端子

105、106．．．偏位電壓

107、108、109、110．．．跨導放大器

113、114．．．轉阻放大器

117．．．主放大器

118．．．修正用放大器

123．．．電壓源

124．．．偏位電壓調整電路

[圖1]本發明之偏位電壓抵消運算放大器的電路圖。

[圖2]對於圖1之偏位電壓抵消運算放大器的時脈Φ1模式作展示的電路圖。

[圖3]對於圖1之偏位電壓抵消運算放大器的時脈Φ2模式作展示的電路圖。

[圖4]對於先前技術之偏位電壓抵消運算放大器作展示的電路圖。

101．．．非反轉輸入端子

102．．．反轉輸入端子

103．．．開關

104．．．開關

105、106．．．偏位電壓

107、108、109、110．．．跨導放大器

111、112．．．電容器

113、114．．．轉阻放大器

115、116．．．開關

117．．．主放大器

118．．．修正用放大器

119．．．輸出端子

120．．．輸出端子

121、122．．．開關

123．．．電壓源

124．．．偏位電壓調整電路

Claims (2)

1. 一種運算放大器，係為具備有將輸入端子作了共通連接之主放大器和偏位修正用放大器的運算放大器，其特徵為：前述主放大器，係具備有：測定用之第1跨導放大器、和偏位修正用之第2跨導放大器、和被與前述第2跨導放大器之輸入端子相連接之第1電容，前述偏位修正用放大器，係具備有：測定用之第3跨導放大器、和偏位修正用之第4跨導放大器、和被與前述第4跨導放大器之其中一方的輸入端子相連接之第2電容，並將輸出端子連接於前述第1電容所成，並且，係具備有：第1開關，係被設置在前述第3跨導放大器之其中一方的輸入端子與另外一方的輸入端子間；和第2開關，係被設置在前述第1跨導放大器之其中一方的輸入端子與前述第3跨導放大器之其中一方的輸入端子間；和第3開關，係被設置在前述輸出端子與前述第2電容間；和第4開關，係被設置在前述輸出端子與前述第1電容間；和偏位電壓調整電路，係被連接於前述第4跨導放大器之另外一方之連接端子處，並具備有電壓源、和被與GND作連接之第5開關、以及被與前述電壓源作連接之第6開 關，對於被連接於前述運算放大器之輸入端子處之元件的偏位作修正。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之運算放大器，其中，前述運算放大器，係前述第1開關與前述第3開關以及前述第5開關係同時作開閉，前述第2開關與前述第4開關以及前述第6開關係同時作開閉。