专利名称：一种数字自动校准运放失调电压电路及其方法
技术领域：
本发明涉及电子领域，具体地说，是一种数字自动校准运放失调电压电路及其方法。
背景技术：
失调电压是高性能CMOS电路设计中需要考虑的一个重要参数。在实际的信道中，电路的失调电压主要是由制造工艺的不确定性和封装后的机械压力引起的。如运放的失调电压大小，主要是由输入输出级差动对的差异决定。同时差分输入信号本生也可能含有失调电压。失调电压在一定程度上决定了产品的性能或成品率。
当不采用校准技术时，一个好的CMOS模拟电路在遵循版图设计规则的情况下，失调电压通常在±5my范围内。加大输入输出级差动对的尺寸可以减小失调电压，但这样设计的结果会使输入输出电容变得过高，严重的降低了电路的速度。因此，很多高精度系统需要用电子学方法来消除失调。通常自动归零的方法需要采用无源器件如电容和开关或需要特殊的运放架构来获得失调补偿。
正因如此，发明人有鉴于已知技术的缺点，经过试验与研究，开发出本发明“数字自动校准运放失调电压电路”。
发明内容
本发明的一目的在于不采用无源器件如电容和开关而实现校准运放失调电压且具有精度容易控制，功耗低的电路。
为了实现上述目的，本发明一种数字自动校准运放失调电压电路，包括比较器、控制逻辑和电流型数模转换器三个部分。其特征在于，其中
运算放大器第一级的输出电压输出到校准电路，同时接收校准电路提供的校准电流，使失调电压得到校准；运算放大器第二级接收运算放大器第一级的输出电压，并输出信号；一比较器，该比较器比较运放输入短接时的输出信号，给校准控制逻辑提供失调电压的校准信息是失调电压的极性；一控制逻辑，在时钟的控制下，记录比较器输出的信号，生成控制信息输入给电流型数模转换器；一电流型数模转换器，将控制信息转换成电流，用于校准运放的失调电压。
图1是自动校准运放失调电压的电路结构图；图2是校准电路的结构图；图3是采用自动校准控制逻辑校准一运放失调电压的电路结构图；图4是采用精度为6bit模数转换器校准的控制逻辑时序图；图5是校准过程中运算放大器和I_DAC的输出图；图6是不同输入失调电压经补偿后的仿真结果图。
具体实施例方式
自动校准运放失调电压的电路结构如图1所示，整个自动校准运放失调电压的电路由运算放大器1、比较器4、校准逻辑7组成，运算放大器1连接于比较器4，比较器4连接于校准逻辑7。而运算放大器1由运算放大器第一级2、运算放大器第二级3组成，运算放大器第一级2连接于运算放大器第二级3。校准逻辑7由控制逻辑5、电流型数模转换器6组成，控制逻辑5连接于电流型数模转换器6。运放第一级2的输出电压输出到比较器4，启动信号输入到比较器4和校准逻辑7，时钟信号输入到校准逻辑7。
首先将运算放大器1的输入端正和输入端负连接到共模电压，同时复位校准逻辑7；在启动信号为高的情况下，比较器4比较运算放大器第一级2的输出电压，生成Hold信号；在时钟的控制下，控制逻辑开始计数，计数值V<n:0>通过电流型数模转换器控制运算放大器第一级2的输出，将其输出电平控制在共模输出电压的水平，也即消除了运算放大器第一级2输入失调电压的影响。
其中，校准逻辑7结构如图2所示，它是由两相计数控制单元1、粗调计数单元2、细调计数单元3及电流型数模转换器4组成。可以看出图1中的控制逻辑5实际上就是两相计数控制单元1、粗调计数单元2、细调计数单元3组成的特殊计数器。首先粗调计数单元2开始计数，同时将计数值C_v<n:0>输入给数模转换器4；当其计数值满或比较信号出现翻转时，细调计数单元3开始计数，同时将计数值F_v<n:0>输入给数模转换器4，在此过程中，只要比较信号再次翻转，则校准结束。否则细调计数单元计数值满，说明运算放大器的输入失调电压过大，超出了校准能力。
图1中，校准电路的校准范围和精度与电流型模数转换器的输出电流范围及运算放大器的差分输入晶体管的跨导有关。
下面我们举例说明一下采用数字校准运放失调电压的电路结构。对全差分运放第一级输入失调电压及本身的失调电压校准电路结构如图3所示。包括由电流源Iref、晶体管m1、m2、m3、m4组成的运放第一级，比较器3，控制逻辑1、2和电流型数模转换器4、5、6、7；其中，由比较器3，控制逻辑1和电流型数模转换器4、5组成的电路校准运放本身失调电压；由比较器3，控制逻辑2和电流型数模转换器6、7组成的电路校准运放输入失调电压。校准运放本身失调一种数字自动校准运放失调电压的方法，工作过程如下(1)将运算放大器的输入端连接到共模电压，同时复位校准电路；(2)利用比较器比较运放第一级输出，直到输出为零；(3)利用3-bit的粗调计数器产生一个粗调补偿电流；(4)当运放第一级输出翻转后，利用3-bit细调计数器产生一个细调补偿电流；
(5)断开输人；(6)重新执行1-4步骤，可以校准前一级输出的失调电压。
为便于说明，这里阐述一个电流型数模转换器精度为6bit，校准运放本身失调电压的功能。
控制逻辑是一个带数模转换器的计数器，如图2所示。其工作原理就是通过计数器控制数模转换器输出电流的大小来校准失调电压。校准时序如图4所示，当启动信号为高时，时钟信号(OP_CAL_CLK)有效。电路开始校准，粗调计数C_v<3:0>被置为“1”，细调计数F_v<2:0>被置为“0”。然后粗调计数C_v<2:0>开始计数，当比较信号翻转后，细调计数F_v<2:0>开始计数直到比较信号重新翻转。最后计数值将被储存在计数器中，校准过程结束。
运算放大器失调电压的补偿过程如图5所示，随着I-DAC吸收电流大小的不断调整，最终运算放大器输出的电压将会达到一个稳定值。10个输入失调电压Voff，in样本值被测试，其值范围为0到6mV。结果表名经补偿后最大等效输入失调电压小于100μV，如图6所示。
权利要求
1.一种数字自动校准运放失调电压电路，包括比较器、控制逻辑和电流型数模转换器三个部分，其特征在于，其中运算放大器第一级的输出电压输出到校准电路，同时接收校准电路提供的校准电流，使失调电压得到校准；运算放大器第二级接收运算放大器第一级的输出电压，并输出信号；一比较器，该比较器比较运放输入短接时的输出信号，给校准控制逻辑提供失调电压的校准信息；一控制逻辑，在时钟的控制下，记录比较器输出的信号，生成控制信息输入给电流型数模转换器；一电流型数模转换器，将控制信息转换成电流，用于校准运放的失调电压。
2.按照权利要求1所述的数字自动校准运放失调电压电路，其特在于，该电路可校准运放的输入失调电压或运放本身第一级的失调电压；比较器输出电平两次翻转后，校准结束。
3.按照权利要求1所述的数字自动校准运放失调电压电路，其特在于，校准控制逻辑提供失调电压的校准信息是失调电压的极性。
4.一种数字自动校准运放失调电压的方法，(1)将运算放大器的输入端连接到共模电压，同时复位校准电路；(2)利用比较器比较运放第一级输出，直到输出为零；(3)利用3-bit的粗调计数器产生一个粗调补偿电流；(4)当运放第一级输出翻转后，利用3-bit细调计数器产生一个细调补偿电流；(5)断开输入；(6)重新执行1-4步骤，可以校准前一级输出的失调电压。
全文摘要
本发明为一种自动校准运放失调电压电路，包括比较器、控制逻辑和电流型数模转换器三个部分。其特征在于，其中包括运放第一级的输出到校准电路，同时接收校准电路提供的校准电流，使失调电压得到校准；运算放大器第二级接收运算放大器第一级的输出电压，并输出信号；一比较器，比较运放输入短接时的输出信号，给校准控制逻辑提供失调电压的校准信息；一控制逻辑，在时钟的控制下，记录比较器输出的信号，生成控制信息输入给电流型模数转换器；一电流型模数转换器，将控制信息转换成电流，用于校准运放的失调电压。
文档编号H03F3/20GK101083451SQ20061001205
公开日2007年12月5日 申请日期2006年5月31日 优先权日2006年5月31日
发明者郭书苞, 赵冰, 仇玉林, 叶青 申请人:中国科学院微电子研究所