专利名称：具有输入失调修整的放大器和方法
技术领域：
本发明涉及运算放大器和仪表放大器的领域。
背景技术：
运算放大器的关键性能指标之一就是它的DC误差或失调电压(offsetvoltage)。 失调电压限制了放大器解决小DC输入电压的能力。总失调电压通常被指定为，假定是在输 入端子处的单个误差源。这种假想电压源的值表示放大器的输入参考失调电压。这个参数 的意义在于放大器将不能解决在其输入端小于输入参考失调电压的任何DC电压的事实。在单片集成运算放大器中，输入参考失调电压(也称为输入失调，失调电压或仅 简称失调)主要是由于电路中关键部件之间的统计失配(statisticalmismatch)的原因。 一般地，这些关键部件包括输入级晶体管，但其他器件也对失调起到相当大的作用。由于部 件失配的原因而引起的典型的失调电压处于若干毫伏量级。用以减小放大器的输入参考失调电压的众所周知的方法是通过在制造过程中对 每个放大器进行修整(trim)。在生产过程的某阶段——通常在针对缺陷对元件进行电气筛 选时——测量元件的原失调，并且对该元件进行相应的修正以补偿此失调。对该元件的修 正需要是永久性的，以使失调在产品生命期期间保持被补偿。过去已经提出并使用了许多对IC进行永久改变以便存储失调补偿电压的方法。 示例包括用激光对电阻进行修整、用激光烧断链接、通过高反向电压使齐纳二极管短路、用 大电流烧断金属熔线、用大电流修正多晶硅电阻的电阻率以及将数字位存储到非易失性存 储器(例如，闪速存储器)上。基于在生产过程中进行修整的时间选择，所有修整技术可被分到两大类之一类 中1.封装前修整2.封装后修整顾名思义，封装前修整包括在硅片被封装成其最终封装之前发生的所有修整技 术。相反地，封装后修整是在对元件进行封装之后进行的。由于封装过程可能导致元件相当大的失调偏移(offset shift)，所以封装前修整 和封装后修整之间的区别是关键的区别。尤其对于包括如今载装所有元件中的大部分元件 的塑料封装，其可能对硅片施加大的机械压力。硅的压电属性将该机械压力转换成电路的 失调电压偏移。在封装之后，这些失调漂移进而促使元件的输入参考失调电压随机改变。由 于封装的原因而造成的典型失调偏移为数百毫伏量级。在封装之前(封装前修整)进行零失调修整的元件在安装后将极有可能显示非零 失调。因此，封装前修整不能保证经修整的失调电压的极高精度。另一方面，封装后修整考虑了由于封装的原因而造成的失调偏移，并将对它进行 补偿。极高的修整精度可以通过这种方式来达到。尽管封装后修整具有高的最终精度，但存在与其相关联的两个主要缺点。封装后修整的第一缺点是需要某种片内非易失性存储器。用于制造运算放大器的大多数工艺技术 不提供非易失性存储器，并且如果提供非易失性存储器，则位单元(bit cell)倾向于并非 是非常面积有效。
第二缺点是需要提供用以外部控制修整状态和存储失调补偿值的装置。在许多情 况下将需要给封装增加管脚，就增加了成本。可选地，该元件可以采用某种复杂的多元方法 来重复利用现有管脚来控制失调修整算法。然而，这样的设置需要复杂的电路，就增加了芯 片的尺寸和成本。一种不需要非易失性存储器和修整算法的外部控制的封装后修整方法是号称的 开机校准(power-on calibration)。使用此技术，元件在制造过程中不予以修整，而是代 之以在每次元件通电时进行修整(参见“Circuit Techniques for Reducingthe Effects of Op-Amp Imperfections:Autozeroing, Correlated Double Sampling, and Chopper Stabilization", C. C. Enz and G.C. Temes, IEEE J.Solid-StateCircuits, vol.84,1996 年 11 月，pp. 1584_1614and "Ahigh-performance autozeroedCMOS opamp with 50 μ V offset", Krummenacher 等 人’ Solid-State CircuitsConference,1997, Digest of Technical Papers, pp. 350-351，483)。由于存储的失调补偿值仅在电源可用时需要保持， 所以开机校准就减轻了对非易失性存储器的需要。作为替代，可以使用易失性存储器。此 类型的存储器提供了小的芯片尺寸，并且可无所不在地用于以触发器形式的任何CMOS工 艺技术中。
图1示出了具有开机校准的放大器的框图。它使用逐次逼近算法来抵消随机的输入参考失调电压V。s。放大器A的失调校准 通过开关S、比较器C0MP、逐次逼近状态机SAR，以及最后的向放大器A馈送失调校正电压的 数模转换器D/A来达到的。当放大器上电时，开关S闭合。这就迫使在放大器A的输入端 产生与输入参考失调电压V。s相等的差分输入电压。由于无反馈，放大器A运行在比较器模 式下如果差分输入电压大于零，则其输出端将跳至正端电压(positive rail)，反之亦然 (假设在端口 N的失调校正电压为零)图2示出了在校准过程中图1的放大器电路的简化表示。在校准时，图1的输入开关连接放大器A的两个差分输入端之间的失调源V。s。这 在图2中用失调源V。s来表示。由于在图1中，D/A输出电压Vda驱动放大器A1上的失调补 偿端口 N，所以Vda的影响可被看作是从放大器输入端的失调电压V。s中减去Vda。这在图2 中由针对电压V。s的加号，和针对电压Vda的减号指示。失调电压V。s和校正电压Vda之间的 差为误差电压ε。误差电压ε的信号(sign)通过放大器A和比较器COMP驱动逐次逼近 算法的决策。在电路通电之后将启动其逐次逼近状态机，以在次级输入端N获得使整个电 路的输入参考失调电压最小化的失调校正电压Vda的值。该逐次逼近运行如下(参 见 Analog-To-Digital and Digital-To-Analog Converters, R. J. van de Plassche, Springer, 1994) 0电路从数模转换器D/A的所有位设置为零开始。这促使把最小负电压 Vda设在失调补偿输入端N。如果失调补偿范围足够大，这个负电压将总是使放大器A的输 出为高(ε >0)。在下一个循环中，将测得D/A的最高有效位(1^8或1^为高。如果这促 使A的输出降低(ε <0)，在进行下一位之前，该位将返回到其低态。否则，如果由于设置MSB (ε >0)的原因A的输出不改变，那么该位将保持为高。MSB的状态将存入寄存器中并 在校准过程的其余过程期间不改变。在下面步骤中，将测得低于MSB的位(Iv1)为高，并将 所得位值存入寄存器中。对于所有位，从高到低接连地继续进行此过程，直到测了最低有效 位并将其值予以存储为止。表1示出了在失调电压V。s为零的简单情形下，用于3位SAR寄存器的失调校准过
程的示例。
权利要求
一种具有放大器系统输入和放大器系统输出的放大器系统包括第一放大器；比较器；逐次逼近寄存器，其具有耦合到所述比较器的输出端的输入端；第一开关，用于将所述第一放大器的输入端从所述放大器系统输入切换至短接所述第一放大器输入；第二开关，用于将所述第一放大器的输出端从所述放大器系统输出切换至所述比较器的输入端；所述逐次逼近寄存器的输出端耦合到N位数模(D/A)转换器；所述D/A转换器是至少在最高有效位使用小于2的基的非二进制转换器；所述D/A转换器的输出端耦合到所述第一放大器以控制所述第一放大器的输入失调。
2.如权利要求1所述的放大器系统，其中所述基近似为1.9。
3.如权利要求2所述的放大器系统，其中最低有效位的基为2。
4.如权利要求1所述的放大器系统，其中所述D/A转换器还包括一个附加位，其为所述 第一放大器的输入失调控制提供N位的最低有效位的一半。
5.如权利要求1所述的放大器系统，其中所述第一放大器具有耦合到所述第一放大器 输入端的第一跨导差分输入级，并且其中所述第一放大器还包括第二跨导差分输入级，所 述第一和第二跨导差分输入级的输出端并联耦合，所述D/A转换器的输出端耦合到所述第 二跨导差分输入级的输入端以使耦合到所述第一跨导差分输入级的差分输出端之间的所 述第二跨导差分输入级的电流源按比例分流以减小所述第一放大器的所述输入失调。
6.如权利要求5所述的放大器系统，其中所述第一放大器还包括中间级、提供所述第 一放大器输出的第一输出级、形成所述比较器的第二输出级、将所述中间级的输出端在所 述第一和第二输出级的输入端之间切换的第二开关，所述中间级具有耦合到所述第一和第 二跨导差分输入级的并联连接的输出端的输入端。
7.如权利要求6所述的放大器系统，其中当所述第二开关把所述第二输出级的输入端 耦合到所述中间级的输出端时，所述第二开关又将所述第一输出级设成高阻抗状态，并且， 当第所述二开关把所述第一输出级的输入端耦合到所述中间级的输出端时，把所述第二输 出级设成高阻抗状态。
8.如权利要求6所述的放大器系统，其中所述第一放大器还包括第三跨导差分输入 级，所述第一、第二和第三跨导差分输入级的输出端并联耦合，所述第一开关通过短接所述 第一跨导差分输入级的差分输入端并同时短接所述第三跨导差分输入级的差分输入端而 短接所述第一放大器输入端。
9.如权利要求1所述的放大器系统，还包括用于永久存储所述逐次逼近寄存器输出的 一次性可编程存储器，由此控制所述第一放大器的输入失调的D/A转换器的单个输出可被 永久保持。
10.如权利要求1所述的放大器系统，还包括第二放大器，当短接所述第一放大器的输 入端时所述第一开关把所述放大器系统输入耦合到所述第二放大器的输入端，当把所述第 一放大器的输出端从所述放大器系统输出切换至所述比较器的输入端时所述第二开关把 所述第二放大器的输出端耦合到所述放大器系统输出。
11.如权利要求1所述的放大器系统，其中所述D/A转换器包含公共参考线、至少部分 地关于所述公共参考线对称的电阻阶梯、以及第三开关，所述第三开关用于响应于所述逐 次逼近寄存器选择性地将相等的电流源切换到所述公共参考线任一侧上的阶梯节点，所述 电阻阶梯为R(P-I)，RP/(P-I)阶梯，其中P小于2。
12.如权利要求11所述的放大器系统，其中P近似为1.9。
13.一种具有放大器系统输入和放大器系统输出的放大器系统，包括放大器，其具有耦合到所述放大器输入的第一跨导差分输入级，以及第二跨导差分输 入级，所述第一和第二跨导差分输入级的输出端并联耦合，所述放大器还包括中间级、提供 所述第一放大器输出的第一输出级、形成所述比较器的第二输出级，所述中间级具有耦合 到所述第一和第二跨导差分输入级的并联连接的输出端的输入端；逐次逼近寄存器，其具有耦合到所述第二跨导差分输入级的输出端的输入端；第一开关，用于将所述第一跨导差分输入级的输入端从所述放大器系统输入切换至短 接所述第一跨导差分输入级的输入端；第二开关，用于将所述中间级的输出端在所述第一和第二输出级的输入端之间进行切换；所述逐次逼近寄存器的输出端耦合到N位数模(D/A)转换器；所述D/A转换器是至少在最高有效位使用小于2的基的非二进制转换器；所述D/A转换器的输出端耦合到所述第二跨导差分输入级以控制所述放大器的输入 失调。
14.如权利要求13所述的放大器系统，其中所述基近似为1.9。
15.如权利要求13所述的放大器系统，其中针对最低有效位的基为2。
16.如权利要求13所述的放大器系统，其中所述D/A转换器还包括一个附加位，其为第 一放大器的输入失调控制提供N位的最低有效位的一半。
17.如权利要求13所述的放大器系统，其中当所述第二开关将所述第二输出级的输入 端耦合到所述中间级的输出端时，所述第二开关还将所述第一输出级设成高阻抗状态，并 且，当所述第二开关将所述第一输出级的输入端耦合到所述中间级的输出端时，将所述第 二输出级设成高阻抗状态。
18.如权利要求13所述的放大器系统，其中所述放大器还包括第三跨导差分输入级， 所述第一、第二和第三跨导差分输入级的输出端并联耦合，所述第一开关通过短接所述第 一跨导差分输入级的差分输入并同时短接第三跨导差分输入级的差分输入来短接所述放 大器输入。
19.如权利要求13所述的放大器系统，其中所述D/A转换器包含公共参考线、至少部 分地关于所述公共参考线对称的电阻阶梯、以及用于响应于所述逐次逼近寄存器选择性 地将相等的电流源切换到公共参考线任一侧上的阶梯节点的第三开关，所述电阻阶梯为 R(p-l)，Rp/(P-I)阶梯，其中 P 小于 2。
20.如权利要求19所述的放大器系统，其中P近似为1.9。
全文摘要
本发明公开了一种具有输入失调修整的放大器和方法。一种具有开机修整的放大器和使用具有放大器系统的方法，该放大器系统包括放大器系统输入端和放大器系统输出端，放大器，比较器，具有耦合到比较器输出端的输入端的逐次逼近寄存器，用于将放大器的输入端从放大器系统输入切换至短接放大器输入的第一开关，用于将放大器的输出端从放大器系统输出切换至比较器输入端的第二开关，逐次逼近寄存器的输出端耦合到N位数模(D/A)转换器，该D/A转换器是至少在最高有效位使用小于2的基的非二进制转换器，以及该D/A转换器的输出端耦合到放大器以控制放大器的输入补偿。公开了放大器、比较器和D/A转换器的新颖实施例。
文档编号H03F1/30GK101958688SQ20101014214
公开日2011年1月26日 申请日期2010年2月22日 优先权日2009年2月23日
发明者N·范里恩, R·G·H·埃斯豪齐尔 申请人:14号公司