用于变化环境中使用的运算放大器的阻抗补偿的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本公开总体上涉及在电气电路和电子电路中使用的运算放大器，具体地，涉及调节运算放大器以补偿出现在某些环境中的性能变化的方法。
【背景技术】
[0002]运算放大器(“运放”)是通常在用于多种不同应用的电路中使用的通用差分电压放大器。例如，运放经常被用作具有复杂信号处理电路的音频系统的基本模块以放大声音。如图1A所示的理想运放100是三端子设备，该设备具有两个输入端，V+(非反相输入)，V_(反相输入)，及一个输出端Vwt。(额外的端子被设置为连接Vs+and Vs_处的电源(如电池))。待放大的差分输入电压为AV = V+-V_。理想运放100内部的组件使得差分输入电压Λ V出现在输出端，并被乘以放大系数，或增益，以使得Vrat= A Λ V。用于运放的放大系数可以在大约1000-100000的范围内。这一特性使得运放适合在多种应用中被用作传感器，其中小的信号可以被放大，因此信号的变化更容易被监控和感测。
[0003]如果固定参考电压VMf被应用到非反相输入，如图1B所示，运放作为比较器150，将反相输入处的输入电压与Vraf比较。如果输入电压约等于V Mf，则被放大的输出Vout依然很小。随着Vin小幅偏离V ref,该偏离被放大使得ν-变得很大并且可以作为下游设备的触发信号。
[0004]一种用于对用作传感器或比较器的运放的精确度进行测试的方法是人为地将差分输入电压AV设置为零(例如，通过将两个输入连在一起，或将两个输入都接地)，然后验证Vrat同样是零。然而，运放中多种内部组件的固有误差会混合并导致可感测到的零位误差，该零位误差被称为输入偏移电压V。,。如果非零电压Vtjs存在于两个输入之间，则V。3本身可以被放大，从而在输出产生一个明显错误的非零电压。与运放相关的零位误差可以认为和与天平相关的零位误差类似，犹如在天平上放置物体之前天平就显示非零重量。天平一般都配有机械零位调节器以更正这些零位误差。以类似的方法，通过将“偏置清零(offsetnull) ”级电耦合至运放的V_输入，可修正或消除运放的输入偏移电压V os。
[0005]图2示出了现有的电压补偿运放200的一个例子，其中常规运放202展现出输入偏移电压Vtjs特征，例如偏置清零级204。在本示例中，偏置清零级以电压源VnulJ^形式存在，其有效地将错误的输入偏移电压归零。待消除的输入偏移电压Vtjs通常在微伏(μ V)到毫伏(mV)范围内。偏置清零级204可以是其它形式，例如，一个或多个固定电阻器、可变电阻器、电位计、电流源或闸流管。如果输入偏移电压Vtjs已知为常量，则具有固定电阻(例如固定电阻器或固定电阻器网络)的偏置清零可被应用。如果输入偏移电压VtJI有波动，从而导致AVtjs，则包括可调节电阻或电位计的偏置清零可被应用。偏置清零可应用到一个或者两个连到运放的输入上，或者偏置清零可被设置为运放的内部的内置偏置清零级。
[0006]图3不出了电压补偿运放300的另一个实施方式,其中表现出输入偏移电压的常规运放302 (与其内部组件一起被示出)被设置为具有内置偏置清零级304。
[0007]参考图4，常规运放400被示出，其中在两个输入的电流1+和1-之间存在差异，称为输入偏移电流，Iitj= 11+-Li。这两个输入电流的平均值被称为偏置电流，Ibias=(I++IJ/2。在理想运放中，输入电阻很高以致于输入电流1+和I _是可以忽略的，因此I bias=O。任何出现在运放400的输入端的电流都是在多数应用中可以忽略的小的漏电流，即使那些将重点放在消除输入偏移电压的应用中也是如此。输入偏置电流通常在微安到皮安的范围内。然而，在一些应用中，非零的输入偏置电流Ibias带来了另外的环境依赖的、波动的误差源，Λ Ibias，其使得非零输入偏置电流的消除变得有必要。因此，当输入偏置电流出现时，使用偏置清零级简单消除Vtjs(或AVJ可能是不够的。输入偏置电流可以通过在电路中附加电阻消除，为了实现这一目的，电阻的阻值优选地被仔细选择以精确消除偏置电流而不额外影响电路性能。
【发明内容】
[0008]环境条件的改变，例如温度变化，会导致输入偏移电压的波动Λ Vtjs或输入偏置电流的波动AIbias，或导致两者。Λ I bias*的这些飘移的出现是因为运放内部电子组件材料性质(如电阻、迁移率)通常是温度依赖的。考虑到这些和其它环境依赖的特征，运放的输入偏移电压和输入偏置电流通常可以根据放大器的工作环境变化。在大多数应用中，温度引起的飘移可能不会有问题，因为电子设备中的运放通常维持在接近室温的中等温度，或者至少在一个被控制的温度环境中。然而，运放将被使用在汽车、飞机、航天器、轮船、潜艇等中，或者如果运放被期望根据军事规格和/或通常包含极端温度或大范围变化的温度或辐射条件的环境规格运转，则解决以下问题可能是必要的，即如何最好的消除或调节环境依赖的固有误差，或找出其它修正它们的方法。
[0009]一种避免AVtjJP Λ Ibias影响的方法是提高信号等级以减小输入偏置电流和输入偏移电压的变化对电流性能的影响。然而，这种方法会导致电路中不必要的高应力并会引起电能消耗过量。另一种解决方案是平衡每一个输入(如图4的R+和IT)的阻抗，该方案可以补偿Ibias，但是不能解决Mos。其它使用具有放大的温度依赖的热敏电阻以降低温度敏感度的解决方案不能解决辐射影响。而且，在许多应用中，例如在空间环境中，或真空腔中，辐射影响可能是不可忽略的。然而，设计者可能没有考虑来自于周围能量源的影响，例如高能电磁辐射，或其它在电离离子存在时遇到的电离辐射源。
[0010]表现出可变输入偏移电压和可变输入偏置电流的运算放大器可以通过使用双补偿阻抗来进行修正，从而消除这两个误差源，其中可变输入偏移电压和可变输入偏置电流会由于温度和其它周围能量水平的波动而出现，双补偿阻抗是UP Ibias的函数。双补偿阻抗可以是以下形式，例如，一个或多个电阻器、电位计、闸流管、电流源及电压源，或它们的组合。多种确定UP Ibias的方法提供了偏置或补偿这些误差的途径，这些误差出现在不同的目标环境中的运放预期的运行中，其中这些目标环境可能将设备置于极端的或波动的环境条件中。
【附图说明】
[0011]在附图中，相同的参考编号代表相似的元件或步骤。附图中元件的尺寸和相对位置不一定是按比例绘制的。例如，多种元件的形状和角度不是按比例绘制的，同时随意地放大并放置这些元件中的一些以提高附图的易读性。此外，如图所示的元件的具体形状并不旨在传达关于这些具体元件的实际形状的任何信息，只是为了在图中易于辨识而选择的。
[0012]图1A和IB分别是通用运放(差分放大器)和常规比较器的示意图。
[0013]图2是应用了内部偏置清零修正的常规运放的示意图，该常规运放表现出输入偏移电压。
[0014]图3是应用了内置偏置清零修正的常规运放的示意图，示出了其内部组件，其中该常规运放表现出输入偏移电压。
[0015]图4是表现出输入偏置电流的常规运放的