專(zhuān)利名稱(chēng)：輪換自動(dòng)歸零放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明整體涉及電子放大器，特別涉及輪換自動(dòng)歸零放大器。
背景技術(shù)：
存在很多種需要低偏移放大器的應(yīng)用，例如用作電流感測(cè)電路 的一部分。
此類(lèi)型放大器的典型目標(biāo)規(guī)格是低的系統(tǒng)偏移電壓，如低于
lpV。通常采用CMOS技術(shù)來(lái)形成集成電路放大器，并且其偏移程度低 于通過(guò)對(duì)基于制造電路工藝的CMOS器件進(jìn)行匹配所達(dá)到的偏移程 度。
的確，設(shè)計(jì)精密的CMOS運(yùn)算放大器最大的一個(gè)難點(diǎn)是降低由 M0S晶體管的不匹配所導(dǎo)致的誤差。有多種方法可以用來(lái)將誤差降至 最低，每種方法都有自己的優(yōu)勢(shì)，但是所有方法都有其局限性?，F(xiàn)有 系統(tǒng)主要分三類(lèi)
1斬波放大器
此類(lèi)系統(tǒng)提供非常低的噪聲和系統(tǒng)偏移。但這種放大器要求高 頻率時(shí)鐘以提供可用的頻率響應(yīng)。因此斬波放大器可能不適用于包括 電流測(cè)量應(yīng)用在內(nèi)的很多應(yīng)用。
2連續(xù)時(shí)間自動(dòng)歸零
此類(lèi)系統(tǒng)提供低噪聲和低系統(tǒng)偏移。此系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)放大器， 即主放大器和指零放大器來(lái)運(yùn)行。這些放大器被用作運(yùn)算放大器，它 們串聯(lián)工作以將偏移歸零，但卻是二級(jí)系統(tǒng)。這意味著它們與單級(jí)運(yùn) 算放大器相比具有較小的相位余量，這使得此系統(tǒng)不適用于包括電流 測(cè)量應(yīng)用在內(nèi)的很多應(yīng)用。
3輪換自動(dòng)歸零
主要優(yōu)勢(shì)是信號(hào)每次只由一個(gè)運(yùn)算放大器處理。這意味著系統(tǒng) 的響應(yīng)與單級(jí)放大器相似。但是這類(lèi)放大器具有很差的噪聲性能。對(duì)電流測(cè)量功能來(lái)說(shuō)，此系統(tǒng)的單級(jí)穩(wěn)定性是理想的，但其噪聲性能是 個(gè)局限。
在這三類(lèi)零偏移放大器中，只有輪換自動(dòng)歸零應(yīng)用適用于電流 測(cè)量應(yīng)用。
因此本發(fā)明具體涉及輪換自動(dòng)歸零放大器，并致力于改進(jìn)現(xiàn)有 的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明，提供一種輪換自動(dòng)歸零放大器系統(tǒng)，其包括 第一放大器；
第二放大器；
開(kāi)關(guān)裝置，用來(lái)限定兩狀態(tài)操作，在每個(gè)狀態(tài)中， 一個(gè)放大器
處于提供輸出的輸出模式，另一個(gè)放大器處于調(diào)零模式； 電容器，用來(lái)存儲(chǔ)偏移電壓；
緩沖放大器，用來(lái)將處于輸出模式的放大器的輸出耦接到處于 調(diào)零模式的放大器的輸入。
由于良好的匹配阻抗，放大器將切換噪聲最小化且更精確地消 除偏移。這對(duì)使用模擬CMOS開(kāi)關(guān)的電路特別有利。
緩沖放大器控制調(diào)零放大器的工作點(diǎn)，因此當(dāng)放大器在輸出模 式和調(diào)零模式之間切換時(shí)，在放大器輸出端的電壓波動(dòng)得以消除。
通過(guò)緩沖放大器的應(yīng)用，本發(fā)明能夠最小化自動(dòng)歸零輪換放大 器的局限，特別是輸出切換噪聲和系統(tǒng)電壓偏移，其中緩沖放大器將 輸出模式放大器的輸出電壓反饋到調(diào)零模式放大器。
優(yōu)選的是，第一和第二放大器均有第一和第二差分輸入。通過(guò) 開(kāi)關(guān)裝置，第一差分輸入可被連接到系統(tǒng)的主差分輸入。通過(guò)這種方 式，第一差分輸入可以作為輸出模式的放大器的主輸入。第二差分輸 入可被連接至偏移存儲(chǔ)電容網(wǎng)絡(luò)的兩端。從而第二差分輸入提供校正 功能。
當(dāng)?shù)谝缓偷诙糯笃髦惶幱谡{(diào)零模式，系統(tǒng)的主差分輸入中 的一個(gè)優(yōu)選地被提供給第一差分輸入的兩個(gè)輸入端。這意味著處于調(diào)零模式的放大器的工作點(diǎn)接近于放大器使用地的工作點(diǎn)。因?yàn)槠齐S 輸入電壓電平變化，于是改進(jìn)了系統(tǒng)性能。
當(dāng)?shù)谝缓偷诙糯笃髦惶幱谡{(diào)零模式，第二差分輸入的一個(gè) 輸入端可以耦接到該放大器的輸出，并且另一個(gè)輸入端通過(guò)緩沖放大 器耦接到處于輸出模式的放大器的輸出，而偏移電壓被存儲(chǔ)到電容裝 置中。
電容裝置可包括第一對(duì)串聯(lián)電容器和第二對(duì)串聯(lián)電容器，第一 對(duì)串聯(lián)電容器與第一放大器相關(guān)，第二對(duì)串聯(lián)電容器與第二放大器相 關(guān)，并且第一對(duì)電容器和第二對(duì)電容器之間的接頭連接在一起。這樣 在兩個(gè)主放大器之間提供了共模。
開(kāi)關(guān)裝置可包括多個(gè)開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)具有受兩狀態(tài)控制信號(hào)之 一控制的柵極信號(hào)。
本發(fā)明的系統(tǒng)尤其適用于實(shí)現(xiàn)為CMOS IC。
本發(fā)明也提供了輪換自動(dòng)歸零放大器系統(tǒng)的操作方法，包括 在第一狀態(tài)，使用第一放大器提供輸出、使用緩沖放大器將第
一放大器的輸出耦接到第二放大器的輸入、并且通過(guò)將偏移電壓存儲(chǔ)
在電容裝置中來(lái)將第二放大器調(diào)零；以及
在第二狀態(tài)，使用第二放大器提供輸出、使用緩沖放大器將第
二放大器的輸出耦接到第一放大器的輸入、并且通過(guò)將偏移電壓存儲(chǔ)
在電容裝置中來(lái)將第一放大器調(diào)零。


以下將參照附圖具體描述本發(fā)明的示例，其中
圖1示出了已知的輪換自動(dòng)歸零放大器；圖2示出了本發(fā)明的 輪換自動(dòng)歸零放大器的一部分；并且
圖3示出了本發(fā)明的輪換自動(dòng)歸零放大器的一個(gè)示例。
具體實(shí)施例方式
圖1示出己知的輪換自動(dòng)歸零放大器。
電路包括兩個(gè)放大器，A1和A2，每個(gè)均可獨(dú)立地由輸出開(kāi)關(guān)接至輸出。每個(gè)放大器具有用于存儲(chǔ)將被施加在放大器的同相端的偏移
電壓的電容器Cofl和Cof2。兩個(gè)輸入A和B定義了同相(正)和反 相(負(fù))主輸入。
操作在兩個(gè)主狀態(tài)中進(jìn)行，在每個(gè)狀態(tài)中接通和斷開(kāi)各個(gè)CMOS 開(kāi)關(guān)。如圖所示，存在兩個(gè)針對(duì)CMOS晶體管的柵極的控制信號(hào)01 禾口 02。
用這種方法，電路在兩種模式間切換，其中一個(gè)運(yùn)算放大器連 接到輸出(稱(chēng)為"輸出模式"或"閉環(huán)模式")，另一個(gè)運(yùn)算放大器 處于偏移校正模式(稱(chēng)為"調(diào)零模式")。
當(dāng)處于閉環(huán)輸出模式時(shí)(01控制A1， 02控制A2)， 一個(gè)輸入 耦接至反向輸入，另一個(gè)輸入耦接至偏移電容的輸入側(cè)。
在偏移校正模式期間(02控制A1， 01控制A2)，偏移被存儲(chǔ) 于電容器中，接著在閉環(huán)狀態(tài)，此偏移接入放大器終端，因此抵消了 偏移。由于在輸出上的切換所存在的噪聲，現(xiàn)有的輪換自動(dòng)歸零放大 器的性能受到限制。
因?yàn)檩斎胝`差電壓獨(dú)立于輸出電壓，輸出切換噪聲相當(dāng)嚴(yán)重。 因此，每個(gè)單個(gè)的運(yùn)算放大器的輸出級(jí)必須在兩個(gè)電壓間切換，先切
換到輸入電壓以校正偏移，然后切換回輸出要求的電壓以完成放大器 的閉環(huán)。由于每個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端的器件電容，在運(yùn)算放大器切 換到新的狀態(tài)時(shí)存在很小的設(shè)定時(shí)間周期。
設(shè)定時(shí)間的長(zhǎng)短隨著輸入輸出電壓間的差值變大而增大，因?yàn)?運(yùn)算放大器需要更長(zhǎng)時(shí)間來(lái)驅(qū)動(dòng)其輸出達(dá)到正確的電平。
在校正/調(diào)零模式下不會(huì)影響到運(yùn)算放大器，因?yàn)榉糯笃魑唇尤?整個(gè)系統(tǒng)。但是，對(duì)于接回整個(gè)系統(tǒng)的放大器，兩個(gè)輸出(校正和閉 環(huán))之間的差別將直接表現(xiàn)為輸出端噪聲。該噪聲比系統(tǒng)偏移嚴(yán)重許 多倍并且將導(dǎo)致輸出端的誤差尖峰。
這些噪聲尖峰在每次對(duì)運(yùn)算放大器進(jìn)行切換時(shí)發(fā)生。由于放大 器的噪聲底限現(xiàn)在是由這些尖峰來(lái)設(shè)置而不是由系統(tǒng)偏移來(lái)設(shè)置，因 此限制了系統(tǒng)性能。
圖2示出本發(fā)明的系統(tǒng)的操作原理。圖2僅例示了系統(tǒng)的一半。放大器A可以在輸出模式和校正模 式之間切換，并且在校正模式下，另一個(gè)放大器(圖2中未示出)執(zhí)
行輸出功能。
這種新的零偏移設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)可以參照?qǐng)D2中所示的一半系統(tǒng)來(lái) 說(shuō)明。所關(guān)心的特征是每個(gè)運(yùn)算放大器的調(diào)零和返回(switch back)。 正如所有的輪換自動(dòng)歸零放大器，系統(tǒng)交替使用當(dāng)前放大器。 一個(gè)被 使用則另一個(gè)在進(jìn)行校正。
圖2所示的主放大器A有兩個(gè)差分輸入 一個(gè)是來(lái)自主輸入A 和B的差分輸入、一個(gè)是來(lái)自由兩個(gè)電容Cof和Cot構(gòu)成的電容裝置 的兩端。主輸入A和B耦接到放大器A的主差分輸入，其他兩個(gè)輸入 端定義了 Trim差分輸入。
在圖2的系統(tǒng)中，在開(kāi)關(guān)設(shè)置到01時(shí)開(kāi)始校正狀態(tài)。這使得主 放大器A的所有主差分輸入端連接到一個(gè)輸入，即輸入B。
由于此時(shí)放大器有兩組差分輸入，該放大器的輸出將驅(qū)動(dòng)其輸 入來(lái)設(shè)置使輸出平衡的工作點(diǎn)。此刻，系統(tǒng)偏移已經(jīng)被調(diào)零并存儲(chǔ)到 電容器中。偏移電壓被存儲(chǔ)為Cof-Cot。
另一個(gè)運(yùn)算放大器B具有兩個(gè)作用。首先一個(gè)作用是緩沖輪換 自動(dòng)歸零放大器另一半中的主放大器的輸出。
因此，放大器B作為緩沖器來(lái)將電流輸出電壓提供到正在校正/ 調(diào)零的放大器。
于是，將運(yùn)算放大器A的同相Trim輸入設(shè)置為當(dāng)前的閉環(huán)輸出 電壓，該輸出電壓是從放大器系統(tǒng)的另一半得來(lái)的。
這就表示在一個(gè)運(yùn)算放大器被校正時(shí)，校正放大器的輸出被綁 定為接近閉環(huán)運(yùn)算放大器的輸出電壓。這意味著當(dāng)前輸出與校正運(yùn)算 放大器的輸出之間的差值僅是放大器的偏移，通常為幾毫伏，該偏移 加到校正放大器的輸出端以消除偏移。
這說(shuō)明在從01到02的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，即從調(diào)零(校正)模式到 輸出模式的轉(zhuǎn)換中，輸出已經(jīng)接近于期望的實(shí)際輸出電壓。因此，與 標(biāo)準(zhǔn)輪換自動(dòng)歸零放大器相關(guān)聯(lián)的切換噪聲被消除。在標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)中， 輸出在轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)震蕩很多伏。然而，此系統(tǒng)仍保持為兩狀態(tài)系統(tǒng)，不需要額外的狀態(tài)。這使 得運(yùn)算放大器的切換保持最小。
本設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，如果放大器A和B被設(shè)計(jì)為具有相似
的輸出特性，則連接了差分偏移存儲(chǔ)電容器的CMOS開(kāi)關(guān)面對(duì)相同的 阻抗負(fù)載。因此，由于偏移被差分存儲(chǔ)起來(lái)，從而將消除由CMOS開(kāi) 關(guān)的電荷注入所引起的任何誤差。這改善了系統(tǒng)的系統(tǒng)性偏移，因?yàn)?現(xiàn)在消除了任何電荷注入誤差。
以上闡述了半部分輪換自動(dòng)歸零放大器的操作。全部系統(tǒng)需要 另一個(gè)相同的電路，該電路反相運(yùn)行。這意味著當(dāng)一個(gè)電路運(yùn)行在校 正狀態(tài)時(shí)另一個(gè)在進(jìn)行閉環(huán)操作。
但是整個(gè)系統(tǒng)只需要一個(gè)輸出跟隨放大器(圖2中的放大器B)。 這是因?yàn)槊總€(gè)放大器的公模輸入是相同的，并且正是當(dāng)前的閉環(huán)輸出 電壓。
圖3例示了整個(gè)系統(tǒng)，其中帶有共用的輸出跟隨放大器B。 本發(fā)明的系統(tǒng)能夠得到諸多優(yōu)點(diǎn)
-與其他輪換零偏移放大器相比，此器件具有較低的噪聲。 -由于來(lái)自CMOS開(kāi)關(guān)的電荷注入得到了較好補(bǔ)償，系統(tǒng)性偏移 將得到改善。
-此系統(tǒng)給出的噪聲和偏移與基于連續(xù)時(shí)間自動(dòng)歸零和斬波放 大器的系統(tǒng)所能達(dá)到的相似。然而避免了這些設(shè)計(jì)的局限，比如較小 的相位余量和有限帶寬。
本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用是比例電流測(cè)量系統(tǒng)，比如汽車(chē)開(kāi)關(guān)。
本發(fā)明能夠得到低于lpV響應(yīng)的單級(jí)系統(tǒng)的狀態(tài)響應(yīng)?？偟膩?lái) 說(shuō)，本發(fā)明提供具有低輸出噪聲和改進(jìn)的精度的輪換自動(dòng)歸零放大 器。本發(fā)明特別適用于為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的集成電路，這些控制系統(tǒng)需 要工作在高精度條件下并能夠耐受穩(wěn)定性問(wèn)題。
本系統(tǒng)可以應(yīng)用在很多不同的應(yīng)用領(lǐng)域。與已有的斬波放大器 和連續(xù)時(shí)間自動(dòng)歸零放大器系統(tǒng)相比，此電路的整體偏移和噪聲性能 更佳。本發(fā)明的電路為采用這些設(shè)計(jì)的已有系統(tǒng)提供了簡(jiǎn)單的解決方 案。對(duì)該領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯然可以進(jìn)行各種其它修改。
權(quán)利要求
1.輪換自動(dòng)歸零放大器系統(tǒng)，包括第一放大器；第二放大器；開(kāi)關(guān)裝置，用來(lái)限定兩狀態(tài)操作，在每個(gè)狀態(tài)中，一個(gè)放大器處于提供輸出的輸出模式，另一個(gè)放大器處于調(diào)零模式；電容裝置，用于儲(chǔ)存偏移電壓；和緩沖放大器，將處于輸出模式的放大器的輸出耦接到處于調(diào)零模式的放大器的輸入。
2. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中，第一放大器和第二放大器均 具有第一差分輸入和第二差分輸入。
3. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中第一差分輸入通過(guò)開(kāi)關(guān)裝置連 接到系統(tǒng)的主差分輸入。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的系統(tǒng)，其中第二差分輸入連接到偏移 存儲(chǔ)電容網(wǎng)絡(luò)的兩端。
5. 如權(quán)利要求2至4中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，當(dāng)?shù)谝环糯?器和第二放大器之一處于調(diào)零模式時(shí)，系統(tǒng)的主差分輸入中的單獨(dú)一 個(gè)被提供給第一差分輸入的兩個(gè)輸入端。
6. 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，當(dāng)?shù)谝环糯笃骱偷诙糯笃?之一處于調(diào)零模式時(shí)，第二差分輸入中的一個(gè)輸入端耦接到該放大器 的輸出，另一個(gè)輸入端通過(guò)緩沖放大器被耦接到處于輸出模式的放大 器的輸出，并且將偏移電壓存儲(chǔ)在電容裝置中。
7. 如前述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中，電容裝置包括與第一放大器相關(guān)聯(lián)的第一對(duì)串聯(lián)電容器，和與第二放大器相關(guān)聯(lián)的第二 對(duì)串聯(lián)電容器，并且其中第一對(duì)電容器和第二對(duì)電容器間的接頭被連 接在一起。
8. 如前述任一權(quán)利所述的系統(tǒng)，其中開(kāi)關(guān)裝置包括多個(gè)開(kāi)關(guān)，每 個(gè)開(kāi)關(guān)具有受兩狀態(tài)控制信號(hào)之一控制的柵極信號(hào)。
9. 如前述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其被構(gòu)成為CMOSIC。
10. —種操作輪換自動(dòng)歸零放大器系統(tǒng)的方法，包括在第一狀態(tài)，使用第一放大器提供輸出，使用緩沖放大器將第一放大器的輸出耦接到第二放大器的輸入，并且通過(guò)將偏移電壓存儲(chǔ) 在電容裝置中來(lái)將第二放大器調(diào)零；在第二狀態(tài)，使用第二放大器提供輸出，使用緩沖放大器將第 二放大器的輸出耦接到第一放大器的輸入，并且通過(guò)將偏移電壓存儲(chǔ) 在電容裝置中來(lái)將第一放大器調(diào)零。
11. 如權(quán)利要求io所述的方法，其中，第一放大器和第二放大器均具有第一差分輸入和第二差分輸入。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中，通過(guò)開(kāi)關(guān)裝置將第一差分輸入連接到系統(tǒng)的主差分輸入。
13. 如權(quán)利要求11或12所述的方法，其中第二差分輸入連接到 偏移存儲(chǔ)電容網(wǎng)絡(luò)的兩端。
14. 如權(quán)利要求11至13中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，當(dāng)?shù)谝?放大器和第二放大器之一處于調(diào)零模式時(shí)，系統(tǒng)的主差分輸入中的單 獨(dú)一個(gè)被提供給第一差分輸入的兩個(gè)輸入端。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中，當(dāng)?shù)谝环糯笃骱偷诙糯?器之一處于調(diào)零模式時(shí)，第二差分輸入中的一個(gè)輸入端被耦接到該放 大器的輸出，另一個(gè)輸入端通過(guò)緩沖放大器被耦接到處于輸出模式的 放大器的輸出，并且偏移電壓被存儲(chǔ)在電容裝置中。
16. 如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，控制系統(tǒng)以在兩個(gè)狀態(tài)之間切換的步驟包括通過(guò)兩狀態(tài)控制信號(hào)之一來(lái)控制開(kāi)關(guān)裝置的 開(kāi)關(guān)。
全文摘要
輪換自動(dòng)歸零放大器系統(tǒng)，包括第一放大器(A1)，第二放大器(A2)，和開(kāi)關(guān)裝置，開(kāi)關(guān)裝置用來(lái)限定兩狀態(tài)操作，在每個(gè)狀態(tài)中，一個(gè)放大器處于輸出模式來(lái)提供輸出，另一個(gè)放大器處于調(diào)零模式。電容裝置(Cof1，Cot1)儲(chǔ)存偏移電壓，緩沖放大器(B)將處于輸出模式的放大器的輸出耦接到處于調(diào)零模式的放大器的輸入。這消除了放大器在操作模式之間切換時(shí)所導(dǎo)致的輸出端電壓波動(dòng)。
文檔編號(hào)H03F3/45GK101529719SQ200780039849
公開(kāi)日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2007年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日
發(fā)明者安德魯·斯蒂爾 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司