一种输入失调电压的补偿方法及电路与流程

1.本发明涉及运放电路领域，特别涉及一种输入失调电压的补偿方法及电路。


背景技术：

2.集成运算放大器(简称集成运放)是一种具有高放大倍数的集成电路，其包括输入级、中间级、输出级三部分。其中，输入级通常采用差分放大电路。理想情况下，当输入电压为0时，其输出电压也应为0v，但在实际应用中，由于输入级的差分放大电路很难做到完全对称，因此，在输入电压为0时，通常存在一定的输出电压，该电压称为输入失调电压。
3.受到集成电路制造工艺的限制，晶圆制造过程中存在梯度和压力不平衡，从而导致集成运放输入电路失配而产生的输入失调电压通常大于3mv，甚至高达10mv。但是，在仪器、电机驱动电路中，集成运算放大器的输入失调电压误差要求在3mv以内，有的甚至要求低于1mv，为了达到高精度运放的要求，在运放电路中加入输入失调补偿电路是常用的做法。
4.当前常用的输入失调补偿电路主要包括：调整输入管的阈值电压，补偿输出电流，或调整输入或负载mos管的尺寸。例如，专利cn108494371a提供了一种放大器输入失调电压的自动校正电路，其首先通过比较器自身失调电压校正来完成辅助校正，再对放大器内部的mos管输入级校正电路中mos管的宽长比进行调整，从而实现整个放大器的输入失调电压的校正，其中，nmos管输入级校正电路如图1所示。专利us4987327则提供了一种负载mos尺寸的校正电路，如图2所示。以及专利us9602089提供了一种输出电流的补偿电路，如图3所示。上述方法均能有效实现输入失调电压的补偿，但是从图中也可看出，这些方法均在负载电路中接入了众多支路，所述支路产生的寄生电容会严重影响运放的速度。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的部分或全部问题，本发明提供一种输入失调电压的补偿电路，其采用补偿电流的模式，通过电流数模转换器以及电流镜，对因输入失调电压产生的误差电流进行补偿，所述补偿电路包括：
6.第一电流镜，用于在输出端处复制在输入端处输入的电流，其中第一电流镜的输入端与第一电流数模转换器的电流输出端连接以接收第一补偿电流，其输出端与运放电路的第一电流输出端连接，使得第一补偿电流被输入到运放电路的第一电流输出端处输出的第一输出电流中；
7.第二电流镜，用于在输出端处复制在输入端处输入的电流，其中第二电流镜的输入端与第二电流数模转换器的电流输出端连接以接收第二补偿电流，其输出端与运放电路的第二电流输出端连接，使得第二补偿电流被输入到运放电路的第二电流输出端处输出的第二输出电流中；以及
8.第一电流数模转换器和第二电流数模转换器，其被配置为根据输入的数字值在电流输出端处提供相应电流，其中第一补偿电流和第二补偿电流的大小被设置为使得第一补
偿电流与第二补偿电流之差至少部分地抵消第一输出电流与第二输出电流之差。
9.进一步地，所述第一电流镜和第二电流镜为n型金属氧化物半导体场效应晶体管nmosfet电路，使得第一补偿电流和第二补偿电流的方向为分别流入第一输出电流和第二输出电流。
10.进一步地，第一电流镜和第二电流镜为p型金属氧化物半导体场效应晶体管pmosfet电路，使得第一补偿电流和第二补偿电流的方向为分别从第一输出电流和第二输出电流中流出。
11.进一步地，所述第一电流数模转换器和第二电流数模转换器为差分电流数模转换器的不同输出端。
12.基于所述补偿电路，本发明还提供一种输入失调电压的补偿方法，包括：
13.确定第一补偿电流和第二补偿电流的大小，使得第一补偿电流与第二补偿电流之差至少部分地抵消第一输出电流与第二输出电流之差；
14.根据第一补偿电流和第二补偿电流的大小分别确定要向第一电流数模转换器和第二电流数模转换器输入的数字值；以及
15.将所述数字值分别输入到第一电流数模转换器和第二电流数模转换器。
16.进一步地，所述第一补偿电流和第二补偿电流的大小的确定包括：
17.计算需要补偿的电流差值i
os
，
18.i
os
＝i
ds，m1-i
ds，m2
＝β((v
gs，m1-v
th，m1
)
2-(v
gs，m2-v
th，m2
)2)，
19.其中，
[0020]vgs，m1
为运放电路中第一晶体管的栅源极电压；
[0021]vth，m1
为运放电路中第一晶体管的阈值电压；
[0022]vgs，m2
为运放电路中第二晶体管的栅源极电压；
[0023]vth，m2
为运放电路中第二晶体管的阈值电压；以及
[0024]
其中，u0为晶体管沟道迁移率，cox为二氧化硅介电常数，以及为晶体管氧化层的宽长比；以及
[0025]
根据所述电流差值i
os
以及电流数模转换器的控制位数，确定第一补偿电流和第二补偿电流的大小。
[0026]
本发明提供的一种输入失调电压的补偿电路和方法，通过电流补偿电路实现对输入电压的有效补偿，使得补偿后的输入失调电压远远小于3mv，进而满足仪器、驱动电路中对集成运放的输入失调电压误差要求。本发明通过电流镜将电流输入至运放电路的输出端，整个补偿电路与所述运放电路仅存在两个接入点，大大减小了寄生电容对运放电路速度的影响。此外，本发明采用电流数模转换器输出电流，输出精度由所述电流数模转换器的控制位数决定，可以达到较高的调节精度。
附图说明
[0027]
为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似
的标记表示。
[0028]
图1示出现有技术中的一种放大器输入失调电压的自动校正电路示意图；
[0029]
图2示出现有技术中的又一种输入失调电压的自动校正电路示意图；
[0030]
图3示出现有技术中的再一种输入失调电压的自动校正电路示意图；
[0031]
图4示出本发明实施例中的一种输入失调电压的补偿电路示意图；以及
[0032]
图5示出本发明实施例中的一种输入失调电压的补偿方法的流程示意图。
具体实施方式
[0033]
以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。
[0034]
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
[0035]
需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
[0036]
下面阐述本发明所基于的原理。
[0037]
本发明基于发明人的如下洞察：本发明人通过研究发现，现有输入失调电压的补偿电路均存在众多的支路接入到运放负载电路中，而每个支路的连接点处都会产生寄生电容，这导致总寄生电容较多，而较多的寄生电容会严重地影响运放的速度。本发明人进一步研究发现，输入失调电压的存在使得集成运放电路输入级的两个晶体管m1及m2的源漏极电流i
ds，m1
及i
ds，m2
不相等，而产生电流差值i
os1
＝i
ds，m1-i
ds，m2
，若在两个晶体管m1及m2的输出端分别输入一个补偿电流i
trim1
、i
trim2
，并且使得两个补偿电流之间的差值i
os2
＝i
trim1-i
trim2
＝i
os1
＝i
ds，m1-i
ds，m2
，则此时有i
ds，m1-i
trim1
＝i
ds，m2-i
trim2
，即晶体管m1及m2的电流输出值将相等，这时，输入失调电压得到较好的补偿。为此，本发明人通过如下独创性方案解决了上述技术难题：首先，采用电流数模转换器输出补偿电流i
trim1
、i
trim2
，由此实现了更精确的调节精度(数模转换器可根据需要实现非常高的转换精度)；其次，独创地采用了电流镜将补偿电流输入至运放电路的输出端，使得补偿电路与所述运放主电路仅有两个连接点，这就使得寄生电容对运放电路速度的影响大大减小。由此，发明人在实现高精度的电流调节基础上，还保证了运放电路的速度。在本发明的实施例中，电流镜主要用于在其输出端处复制在其输入端处输入的电流。
[0038]
下面通过具体实施方式进一步阐述本发明。
[0039]
一种输入失调电压的补偿电路包括电流源以及第一电流镜、第二电流镜，所述电流源根据需求输出补偿电流，所述第一及第二电流镜则分别将相应的补偿电流输入至运放电路的输出端。所述电流源为电流数模转换器，第一补偿电流i
trim1
、第二补偿电流i
trim2
的
输出可以通过同一个差分输出的电流数模转换器的正负极来实现，也可以分别通过两个不同的电流数模转换器完成。
[0040]
图4示出本发明的一个实施例，在本实施例中，所述输入失调电压的补偿电路包括电流数模转换器401、第一电流镜402以及第二电流镜403，其中，所述第一补偿电流i
trim1
、第二补偿电流i
trim2
分别通过所述电流数模转换器401的正负极输出，且第一补偿电流i
trim1
和第二补偿电流i
trim2
的大小被设置为使得第一补偿电流i
trim1
与第二补偿电流i
trim2
之差至少部分地抵消晶体管m1及m2源漏极电流之差。
[0041]
所述第一电流镜402的输入端与所述电流数模转换器401的正级电流输出端连接以接收第一补偿电流i
trim1
，其输出端与运放电路的第一电流输出端连接，两者连接点记为b
′
，则第一补偿电流i
trim1
被输入到运放电路的第一电流输出端处输出的第一输出电流i
out1
中，在附图所示的实施例中，所述第一电流镜为n型金属氧化物半导体场效应晶体管nmosfet电路，因此，第一补偿电流i
trim1
的方向为流入第一输出电流i
out1
，进而有i
out1
＝i
ds，m1-i
trim1
；在本发明的其他实施例中，所述第一电流镜也可以为p型金属氧化物半导体场效应晶体管pmosfet电路，使得第一补偿电流i
trim1
的方向为从第一输出电流i
out1
中流出，进而有i
out1
＝i
ds，m1
i
trim1
。
[0042]
所述第二电流镜403的输入端与电流数模转换器401的负极电流输出端连接以接收第二补偿电流i
trim2
，其输出端与运放电路的第二电流输出端连接，使得第二补偿电流被输入到运放电路的第二电流输出端处输出的第二输出电流i
out2
中，在附图所示的实施例中，所述第二电流镜为n型金属氧化物半导体场效应晶体管nmosfet电路，因此，第二补偿电流i
trim2
的方向为流入第二输出电流i
out2
，进而有i
out2
＝i
ds，m2-i
trim2
；在本发明的其他实施例中，所述第二电流镜也可以为p型金属氧化物半导体场效应晶体管pmosfet电路，使得第二补偿电流i
trim2
的方向为从第二输出电流i
out2
中流出，进而有i
out2
＝i
ds，m2
i
trim2
。
[0043]
图5示出基于所述补偿电路的输入失调电压的补偿方法，包括：
[0044]
首先，在步骤501，确定补偿电流大小。确定第一补偿电流和第二补偿电流的大小，使得第一补偿电流与第二补偿电流之差至少部分地抵消第一输出电流与第二输出电流之差。在本发明的一个实施例中，所述第一补偿电流和第二补偿电流的大小的确定包括：
[0045]
计算需要补偿的电流差值i
os
，
[0046]ios
＝i
ds，m1-i
ds，m2
＝β((v
gs，m1-v
th，m1
)
2-(v
gs，m2-v
th，m2
)2)，
[0047]
其中，
[0048]vgs，m1
为运放电路中第一晶体管的栅源极电压；
[0049]vth，m1
为运放电路中第一晶体管的阈值电压；
[0050]vgs，m2
为运放电路中第二晶体管的栅源极电压；
[0051]vth，m2
为运放电路中第二晶体管的阈值电压；以及
[0052]
其中，u0为晶体管沟道迁移率，cox为二氧化硅介电常数，以及为晶体管氧化层的宽长比；以及
[0053]
根据所述电流值i
os
，确定第一补偿电流和第二补偿电流的大小，若采用差分输出的电流数模转换器，则其输出差分电流为
±
0.5*i
os
，即，所述电流数模转换器的正极输出第
一补偿电流i
trim1
＝0.5*i
os
，负极输出第二补偿电流i
trim2
＝-0.5*i
os
；
[0054]
在本发明的其他实施例中，也可以通过采用电流计等，测量运放电路输出i1及i2的大小来确定需要补偿的电流差值i
os
：
[0055]ios
＝i
1-i2，
[0056]
进而使得第一补偿电流与第二补偿电流之差至少部分地抵消所述电流差值i
os
；
[0057]
接下来，在步骤502，确定电流数模转换器的输入。根据第一补偿电流和第二补偿电流的大小分别确定要向第一电流数模转换器和第二电流数模转换器输入的数字值；所述数字值主要通过所述电流数模转换器的控制位数n决定，所述电流数模转换器的控制位数也进一步决定了所述补偿方法的调节精度，调节精度v
lsb，trimming
＝v
os
/(2
n-1)，其中v
os
为输入失调电压，当输入失调电压v
os
＝10mv时，若采用7位的电流数模转换器，则调节精度可见所述补偿方法可达到很高的调节精度；以及
[0058]
最后，在步骤503，设置电流数模转换器的输入。将所述数字值分别输入到第一电流数模转换器和第二电流数模转换器，实现电流补偿，若采用的为差分输出的电流数模转换器，则分别设置其正负极输出。
[0059]
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。