一種運(yùn)算放大器的制造方法
【專利摘要】一種運(yùn)算放大器，包括一個(gè)調(diào)零放大器和主放大器，并且在每個(gè)調(diào)零放大器和主放大器的輸入端都有兩個(gè)輸入差分放大器對(duì)。在調(diào)零放大器中，有一個(gè)雙輸入差分放大器選擇性地接收斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器的輸入信號(hào)，而其他兩個(gè)差分輸入放大器在直流反饋回路中為第一對(duì)放大器中雙輸入差分放大器的直流偏置提供零電壓。運(yùn)算放大器有一個(gè)三相時(shí)鐘，通過調(diào)零時(shí)間，穩(wěn)定時(shí)間和抽樣時(shí)間來采樣。
【專利說明】—種運(yùn)算放大器
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種普通的CMOS斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器，更特別地，本發(fā)明涉及一種輸入級(jí)使用兩對(duì)差分放大器的CMOS斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器。
【背景技術(shù)】:
[0002]斬波放大器通過把直流輸入轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)使高壓直流穩(wěn)定。交流增益級(jí)放大了這個(gè)信號(hào)。放大后轉(zhuǎn)換回直流作為放大器的輸出。交流放大器的輸入在輸入信號(hào)和反饋分壓器網(wǎng)絡(luò)之間交替切換。交流放大器的輸出振幅體現(xiàn)了反饋信號(hào)和電路的輸入之間的區(qū)另O。在輸入開關(guān)的同步帶動(dòng)下，此輸出被第二個(gè)開關(guān)組成的相敏解調(diào)器轉(zhuǎn)換回直流。集成輸出級(jí)緩和了開關(guān)輸出直流，并給出了最終的輸出。集成輸出級(jí)的漂移影響甚微，因?yàn)樗鼈冊(cè)诮涣髟鲆婕?jí)之前。在交流中的直流漂移也無關(guān)緊要，因?yàn)樗鼈兒婉詈想娙莘糯笃鞯钠溆嗖糠窒喔綦x。總的直流增益非常高，它是交流成分和直流成分增益的積分產(chǎn)生的結(jié)果。
[0003]經(jīng)典斬波穩(wěn)定放大器解決了斬波放大器的低帶寬問題。它采用并行路徑的方法，在提供更寬的帶寬的同時(shí)保持良好的直流特性。斬波類型的穩(wěn)定放大器為快速放大器的正極提供偏置，以強(qiáng)制總節(jié)點(diǎn)電壓為零。快速信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)交流放大器，而緩慢信號(hào)由穩(wěn)定斬波放大器處理。低頻切斷快速放大器必須配合高頻滾降穩(wěn)定放大器，以實(shí)現(xiàn)整體增益頻率的平穩(wěn)特性。
[0004]傳統(tǒng)的雙極型運(yùn)算放大器需要配套元件，以確保低輸入錯(cuò)誤，而傳統(tǒng)的CMOS斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器有電路補(bǔ)償偏移元件。在偏移元件補(bǔ)償中，數(shù)據(jù)采樣技術(shù)被用來定期短接兩個(gè)輸入端，使放大器周圍的循環(huán)閉合，迫使輸入錯(cuò)誤為零。糾錯(cuò)電壓被電容存儲(chǔ)，并提供一個(gè)偏置電壓給輸入級(jí)。主放大器和調(diào)零放大器都能置零。主放大器始終連接輸入端和輸出端，而調(diào)零放大器，斬波頻率振蕩器在時(shí)鐘電路交替控制下將自身和主放大器置零。
[0005]美國4622521號(hào)專利表明:斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器的調(diào)零放大器通過和負(fù)載晶體管并聯(lián)一個(gè)晶體管得以改善。偏移校正電壓施加到晶體管，從而改變負(fù)載。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種輸入級(jí)使用兩對(duì)差分放大器的CMOS斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器，它包括一個(gè)調(diào)零放大器和主放大器，每個(gè)放大器的輸入級(jí)用差分放大器對(duì)產(chǎn)生偏移校正電壓，并且此電壓存儲(chǔ)在電容中。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:
[0008]放大器在調(diào)零，穩(wěn)定，采樣階段有三相時(shí)鐘操作。調(diào)零放大器輸入級(jí)的一個(gè)差分對(duì)產(chǎn)生直流偏置電壓，而其他差分放大器的輸入短路。然后直流偏置電壓在穩(wěn)定階段抵消調(diào)零放大器的直流偏置，同時(shí)輸入信號(hào)也被應(yīng)用。經(jīng)過穩(wěn)定階段，當(dāng)調(diào)零放大器的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定好后，調(diào)零放大器提供了 一個(gè)主放大器的校正電壓。
[0009]主放大器或調(diào)零放大器可以有一對(duì)差分放大器作為輸入級(jí)，而其他的放大器有一個(gè)傳統(tǒng)的輸入級(jí)，如美國4622521號(hào)專利所示。[0010]本發(fā)明的一個(gè)特點(diǎn)是:每一個(gè)輸入級(jí)包括第一對(duì)晶體管，從而形成了第一個(gè)輸入差分放大器。第二對(duì)晶體管形成第二個(gè)輸入差分放大器，以將第一對(duì)放大器的偏置電壓置零。另一對(duì)晶體管為兩個(gè)晶體管對(duì)提供輸入級(jí)有源負(fù)載。
[0011]本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是:每個(gè)差分放大器對(duì)中晶體管的跨導(dǎo)是不等的，以盡量減少噪音。
[0012]根據(jù)下面附圖和詳細(xì)的描述，本發(fā)明的目的和特點(diǎn)將得到更充分的體現(xiàn)。
[0013]對(duì)比專利文獻(xiàn):CN202889292U —種運(yùn)算放大器電路201220526355.0
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0014]圖1是一種傳統(tǒng)的斬波穩(wěn)定放大器的示意圖。
[0015]圖2是根據(jù)本發(fā)明得到的一種輸入級(jí)使用兩對(duì)差分放大器的CMOS斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器的原理圖。
[0016]圖3是圖2中放大器的操作時(shí)序圖。
[0017]圖4是圖2中電路的調(diào)零放大器和正反饋放大器的輸入級(jí)簡化原理圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0018]圖1是一種傳統(tǒng)的斬波穩(wěn)定放大器的原理圖,包括一個(gè)主放大器10和調(diào)零放大器
12。主放大器在所有時(shí)間都連接輸入和輸出，在斬波頻率的振蕩器時(shí)鐘電路的控制下，調(diào)零放大器(圖一中未顯示)交替將自身和主放大器置零。并行路徑的方法提供了更寬的帶寬，同時(shí)保持良好的直流特性。斬波類型的穩(wěn)定放大器為快速放大器12的正極提供偏置，以強(qiáng)制總結(jié)點(diǎn)電壓為零。快速信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)放大器10，而緩慢的信號(hào)由穩(wěn)定斬波放大器12處理。
[0019]圖2是根據(jù)本發(fā)明得到的一種輸入級(jí)使用兩對(duì)差分放大器的CMOS斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器的原理圖。調(diào)零放大器包括兩個(gè)差分放大器16和18，總輸出20驅(qū)動(dòng)放大器22。同樣，主放大器包括兩個(gè)輸入差分放大器24和26，總輸出28用來驅(qū)動(dòng)放大器30。在調(diào)零放大器中，放大器18補(bǔ)償放大器16的直流偏移以驅(qū)動(dòng)放大器22。同樣，在主放大器中，放大器26補(bǔ)償放大器24的直流偏移以驅(qū)動(dòng)放大器30。
[0020]主放大器中放大器24接收兩個(gè)輸入信號(hào):正輸入電壓(+VIN)和負(fù)輸入電壓(-VIN)。調(diào)零放大器中的兩輸入差分放大器16通過開關(guān)S4接收輸入+VIN，并被開關(guān)S3定期短路。電容C2通過開關(guān)S5可以連接到網(wǎng)絡(luò)20或通過開關(guān)S6連接到直流偏置。
[0021]開關(guān)SI在反饋環(huán)路中定期連接放大器18，放大器16產(chǎn)生直流偏移電壓。偏移電壓的偏置存儲(chǔ)在一個(gè)放大器18輸入端的電容Ca上,而其他輸入接收一個(gè)直流偏置VBl。
[0022]對(duì)于圖2中的輸入級(jí)使用兩對(duì)差分放大器的CMOS斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器，三相時(shí)鐘由調(diào)零階段(Tl)，穩(wěn)定階段(T2)和采樣階段(T3)組成，如圖3所示。在調(diào)零階段Tl中，開關(guān)S1、S3和S6閉合，開關(guān)S2、S4和S5是打開的。放大器18和22形成一個(gè)封閉的單位增益自動(dòng)調(diào)零循環(huán)，將調(diào)零放大器的失調(diào)電壓置零。下述的穩(wěn)定和采樣周期打開時(shí)，環(huán)路自動(dòng)調(diào)零，偏移校正電壓儲(chǔ)存在電容Ca上。在穩(wěn)定階段T2中，開關(guān)S1、S2、S3和S6打開，而開關(guān)S4和S5閉合。這段時(shí)間內(nèi)，調(diào)零放大器的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定，并準(zhǔn)備采樣階段T3。在采樣階段T3中，開關(guān)S2閉合，以建立一個(gè)放大器16、22、26和30組成的高增益信號(hào)路徑。放大器26 一個(gè)輸入端的電壓存儲(chǔ)在電容Cb上，通過調(diào)整信號(hào)路徑周圍的外部反饋回路，主放大器的偏移可以被校正。
[0023]圖4是圖2中電路的調(diào)零放大器和正反饋放大器的輸入級(jí)簡化原理圖。在調(diào)零時(shí)間內(nèi)，開關(guān)被移除以簡化操作原理。P溝道晶體管Pl和P2的第一個(gè)輸入差分放大器對(duì)正常輸入。P溝道晶體管P3和P4構(gòu)成的第二個(gè)差分放大器對(duì)將第一對(duì)偏置電壓調(diào)零。N溝道晶體管NI和N2是兩對(duì)P溝道晶體管輸入級(jí)的有源負(fù)載。在調(diào)零階段，Pl和P2的晶體管短接在一起。晶體管P4的柵極連接到偏置電壓，晶體管P3的柵極連接到采樣和保持電容Ca，并且被第二階段的輸出驅(qū)動(dòng)。如果放大器完美地平衡，儲(chǔ)存在Ca的電壓將和晶體管P4的柵極偏置電壓相同。如果放大器的偏置電壓存在，存儲(chǔ)在電容器Ca上的電壓會(huì)高于或低于晶體管P4的柵極偏置電壓，以抵消放大器的偏置電壓。當(dāng)電容Ca的電壓向晶體管P4的柵極偏置電壓傾斜，末端偏置電流IB2不均等地分給晶體管P3和P4，以補(bǔ)償晶體管Pl和P2之間由放大器偏置電壓引起的電流差異。電容Ca上的電壓和P3或P4關(guān)閉時(shí)接近，超出這個(gè)程度放大器可以不再被歸零。因此，任意一個(gè)極性可以調(diào)零的放大器的偏移范圍由放大器的跨導(dǎo)分流出的偏置電流IB2決定。
[0024]如圖4所示電路，晶體管P3和P4的寬長比(W/L)明顯比晶體管Pl和P2低。末端偏置電流IB2比IBl少得多。這兩個(gè)因素導(dǎo)致晶體管P3和P4的跨導(dǎo)比晶體管Pl和P2低得多，最大限度地減小放大器中晶體管P3和P4的噪聲影響。通過把晶體管P3和P4的內(nèi)在器件置于一個(gè)P良導(dǎo)的N型襯底上，噪聲影響可以進(jìn)一步減小。這優(yōu)越于之前用噪音N溝道晶體管并聯(lián)有源負(fù)載作為反饋負(fù)載晶體管的技術(shù)方法。相比于傳統(tǒng)斬波穩(wěn)定放大器所使用的外部電容器，本發(fā)明電容的大小可以顯著減少。這使得在芯片集成的過程中可以消除采樣和保持電容器的引腳，并克服了外部元件的可靠性問題。此外，使用小型電容器允許第二級(jí)電路在一個(gè)較低的電流下運(yùn)行，同時(shí)可以改善電源接通，并節(jié)省電力、穩(wěn)定和過載恢復(fù)時(shí)間。
[0025]調(diào)零放大器和高增益信號(hào)路徑環(huán)路的帶寬由增益晶體管給定，假設(shè)G16等于G24，G18等于G26，Rl等于R2，上述帶寬由晶體管18的增益乘以晶體管22的增益乘以電阻Rl的阻值除以電容器Ca的電容值得到。然而，在現(xiàn)實(shí)中，因?yàn)楦咴鲆嫘盘?hào)路徑比歸零放大器環(huán)路有更多的有源設(shè)備，以及寄生電容，高增益環(huán)路帶寬比歸零放大器環(huán)路窄。尤其是高增益環(huán)路階段的相位容限比調(diào)零放大器差得很多。因此，采樣階段需要更長的時(shí)間，允許高增益回路穩(wěn)定歸零放大器環(huán)路相同的精度限制。RC時(shí)間常數(shù)的穩(wěn)定階段與調(diào)零回路相比特別小。為了最有效地利用斬波周期，采樣階段被設(shè)計(jì)為持續(xù)階段最長，而穩(wěn)定階段最短。
[0026]目前已描述了一個(gè)改進(jìn)的斬波穩(wěn)定放大器，包括一個(gè)調(diào)零放大器和一個(gè)主放大器，且都包括一對(duì)差分放大器作為其輸入級(jí)。同時(shí)，本發(fā)明已由一個(gè)具體的例子體現(xiàn)，需要指出的是，上述例子只是為了說明本發(fā)明而不應(yīng)限制本發(fā)明。例如，無論是主放大器或調(diào)零放大器都可以有一個(gè)傳統(tǒng)的輸入級(jí)，而另一個(gè)放大器有一對(duì)差分放大器作為輸入級(jí)。因此，只要沒有脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)并且符合權(quán)利要求中的定義，在上述例子上做適當(dāng)修改仍屬本發(fā)明的范疇。
【權(quán)利要求】
1.一種運(yùn)算放大器，其特征是:第一和第二輸入端接收兩個(gè)輸入信號(hào)(+vin，-Vin); 一個(gè)雙輸入放大器從第一和第二輸入端接收輸入信號(hào)；一個(gè)調(diào)零放大器用來產(chǎn)生一個(gè)偏置電壓，以補(bǔ)償調(diào)零放大器和主放大器產(chǎn)生的偏移電壓，一個(gè)電容用來存儲(chǔ)零校正電壓；上述調(diào)零放大器包括作為輸入級(jí)的第一對(duì)差分放大器；第一對(duì)放大器中的一個(gè)差分放大器包括兩個(gè)輸入端，并且能將輸入連接在一起，用以接收兩個(gè)輸入信號(hào)；第一對(duì)放大器中的另一個(gè)差分放大器連接到電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種運(yùn)算放大器，其特征是:主放大器包括第二對(duì)放大器作為輸入級(jí)，第二對(duì)放大器有兩個(gè)輸入差分放大器，其中一個(gè)放大器有兩個(gè)輸入端，連接輸入級(jí)以接收兩個(gè)輸入信號(hào)，另一個(gè)放大器只有一個(gè)輸入端，用來接收偏置電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種運(yùn)算放大器，其特征是:放大器有調(diào)零時(shí)間，穩(wěn)定時(shí)間和采樣時(shí)間，并且在這個(gè)三相時(shí)鐘的控制下工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種運(yùn)算放大器，其特征是:穩(wěn)定時(shí)間和采樣時(shí)間有不同的定義。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種運(yùn)算放大器，其特征是:在一個(gè)調(diào)零時(shí)間內(nèi)，第一對(duì)放大器中的兩輸入差分放大器連接在一起，并在穩(wěn)定時(shí)間和米樣時(shí)間接收兩個(gè)輸入信號(hào)，第一對(duì)放大器中的另一個(gè)差分放大器在調(diào)零時(shí)間連接反饋回路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種運(yùn)算放大器，其特征是:第一對(duì)放大器中的一個(gè)差分放大器包括第一對(duì)場效應(yīng)晶體管，第二對(duì)放大器中的另一個(gè)差分放大器包括第二對(duì)場效應(yīng)晶體管，一對(duì)相反類型的場效應(yīng)晶體管相連作為每對(duì)場效應(yīng)晶體管的負(fù)載。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種運(yùn)算放大器，其特征是:第一對(duì)和第二對(duì)場效應(yīng)晶體管是P溝道晶體管，一對(duì)相反類型的場效應(yīng)晶體管是N溝道晶體管。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種運(yùn)算放大器，其特征是:第二對(duì)場效應(yīng)晶體管溝道的寬度與長度的比值低于第一對(duì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種運(yùn)算放大器，其特征是:第一對(duì)場效應(yīng)晶體管的跨導(dǎo)和第二對(duì)場效應(yīng)晶體管的跨導(dǎo)不同。
【文檔編號(hào)】H03F3/45GK103618510SQ201310616671
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請(qǐng)人:蘇州貝克微電子有限公司