专利名称：可补偿输入失调电压的差分放大器及补偿方法
可补偿输入失调电压的差分放大器及补偿方法
技术领域：
本发明涉及电子领域，特别涉及一种由微调电阻引入微调电压来补偿差分放大器 中的输入失调电压的电路及方法。
背景技术：
差分放大器，也称差动放大器，是一种能够将两个输入电压的差值加以放大的电 路。差分放大器常用于直流放大，它可以是平衡输入和输出，也可以是单端(非平衡)输入 和输出，常用来实现平衡与不平衡电路的相互转换，是各种集成电路的一种基本单元。请参考图1，其示出了现有技术中的一种典型的差分放大器100的结构示意图。所 述差分放大器100包括由第一 NMOS管Ml和第三NMOS管M3形成的第一支路，和由第二 NMOS 管M2和第四NMOS管M4形成的第二支路。其中第三NMOS管M3和第四NMOS管M4的栅极 相连且第三NMOS管M3自身的栅极与漏极相连。其中第一 NMOS管Ml的栅极作为所述差分 放大器100的一个输入端Vp，所述第二 NMOS管M2的栅极作为所述差分放大器100的另一 个输入端\，所述第二 NMOS管M2的漏极和所述第四NMOS管M4的源极之间的电压作为所 述差分放大器100的输出端。理想的差分放大器，应当在输入电压为0时，输出电压也为0。但是由于实际情况 中，由于制造工艺和器件的不对称性等原因，很难做到所述差分放大器的两个输入级完全 对称，故会产生输入电压为0时，输出电压不为0的情况，此时，需要在所述差分放大器的输 入端输入一定的补偿电压来使得所述输出电压为0，所述补偿电压也称输入失调电压。在申 请号为200810003736. 9的中国专利《放大器直流失调电压的补偿方法与装置》中，提供了 一种放大器的直流失调电压的补偿方法与装置，其主要思想是通过调节如图1中所示第一 NMOS管Ml或者第二 NMOS管M2的宽长比来消除失调。但是该专利披露的直流失调电压的 补偿方法与装置存在两个缺点第一，该方法使得第一 NMOS管Ml或者第二 NMOS管M2具有 了不对称的结构，那么在温度变化时，会产生新的失调和温漂现象；第二，需要较为复杂的 控制电路，增加了电路复杂度和芯片面积。因此，有必要提出一种新的技术方案来解决上述问题。
发明内容本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施 例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部 分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。本发明的一个目的在于提供一种可补偿输入失调电压的差分放大器，其内部包括 有用于产生微调电压的电阻微调网络，并用该电阻微调网络产生的微调电压来校正输入失 调电压并且进行温度补偿。本发明的另一目的在于提供一种差分放大器的输入失调电压的补偿方法，其通过 调节电阻微调网络中的熔断器的导通和截止来产生合适的微调电压，并通过基于与微调电阻同一温度系数的电阻的电流镜电路产生微调电流。为了达到本发明的目的，根据本发明的一个方面，本发明提供一种可补偿输入失 调电压的差分放大器，所述差分放大器包括由第一晶体管和第二晶体管形成的差分输入 对管，所述第一晶体管的源极经由第一极性熔断器开关与一电流源相连，所述第二晶体管 的源极经由第二极性熔断器开关与所述电流源相连，所述第一晶体管的源极和第二晶体管 的源极之间串联有若干个微调电阻，每个微调电阻并联一个电阻熔断器开关。进一步地，所述第一晶体管和第二晶体管是NMOS管，所述第一晶体管和第二晶体 管的漏极与一恒流源相连，所述恒流源包括第三NMOS管和第四NMOS管，其中第三NMOS管 和第四NMOS管的漏极接电源，所述第三NMOS管和第四NMOS管的栅极相连且第三NMOS管 自身的栅极与漏极相连，所述第一晶体管的漏极接所述第三NMOS管的源极，所述第二晶体 管的漏极接所述第四NMOS管的源极。进一步地，所述若干个串联的微调电阻的阻值不同，与所述微调电阻并联的电阻 熔断器开关处于熔断或导通状态，所述第一极性熔断器开关和第二极性熔断器开关中的一 个处于熔断状态。进一步地，所述电流源提供的电流为由参考电压和偏置电阻产生的电流或者所述 电流的镜像电流，所述参考电压具有与所述差分输入对管的阈值电压差相同的温度系数， 所述偏置电阻具有与所述微调电阻相同的温度系数。进一步地，所述电流源包括由参考电压和偏置电阻产生第一电流的第一支路、镜 像第一电流以产生第二电流的第二支路、和镜像所述第二电流的第三支路，所述第一支路包括串联的第八NMOS管、第九NMOS管和偏置电阻，所述第八NMOS 管的漏极接电源，所述第八NMOS管的源极与第九NMOS管的漏极相连，所述第九NMOS管的 源极与所述偏置电阻的一端相连，所述偏置电阻的另一端接地，所述第一支路还包括一个 比较器，所述比较器的一个输入端输入参考电压，所述比较器的另一个输入端连接与所述 第九NMOS管的源极与所述偏置电阻的一端之间，所述比较器的输出端连接所述第九NMOS 管的栅极，所述第二支路包括串联的第七NMOS管和第六NMOS管，所述第七NMOS管的漏极接 电源，所述第七NMOS管的源极与所述第六NMOS管的漏极相连，所述第七NMOS管的栅极与 所述第八NMOS管的栅极相连，且所述第八NMOS管的栅极与自身源极相连，所述第三支路包括第五NMOS管，所述第五NMOS管的漏极连接于所述第一极性熔 断器开关和第二极性熔断器开关，所述第五NMOS管的源极接地，所述第五NMOS管的栅极与 所述第六NMOS管的栅极相连，且所述第六NMOS管的漏极与自身栅极相连。进一步地，所述差分输入对管工作在亚阈值区，所述第一晶体管的宽长比与所述 第二晶体管的宽长比相同。根据本发明的另一方面，本发明提供一种输入失调电压的补偿方法，所述补偿方 法包括测量所述差分放大器的输入失调电压；根据所述输入失调电压的大小来确定需要 熔断的电阻熔断器开关；根据所述输入失调电压的极性来确定熔断第一极性熔断器开关或 者第二极性熔断器开关中的某一个，使得所述差分放大器的输入失调电压等于或者趋近于 O0进一步地，所述补偿方法还包括在所述差分放大器的设计阶段，设置所述差分输入对管的宽长比，使得所述差分输入对管工作在亚阈值区，此时所述差分输入对管的栅源 电压接近阈值电压，因此所述差分输入对管的栅源电压失配由阈值电压主导。进一步地，所述根据所述输入失调电压的大小来确定需要熔断的电阻熔断器开关 包括根据所述输入失调电压的电压值和所述电流源内电流的电流值的二分之一的商 决定所需要的微调电阻总阻值；和根据所需要的微调电阻总阻值和每个微调电阻的阻值来决定需要熔断的电阻熔 断器开关。进一步地，所述补偿方法还包括采用基于一参考电压作用于偏置电阻生成的电流 及其镜像电流提供所述差分放大器的电流源，所述参考电压具有与所述差分输入对管的阈 值电压差相同的温度系数，所述偏置电阻具有与所述微调电阻相同的温度系数。与现有技术相比，本发明中的可补偿输入失调电压的差分放大器及校正方法具有 以下优点第一，采用电阻微调网络来引入微调电阻进而产生微调电压以补偿所述输入失调 电压，通过调整所述电阻微调网络中的电阻熔断器开关、第一极性熔断器开关和第二极性 熔断器开关的熔断与导通，可以实现不同阻值和处于不同支路的微调电阻，进而产生不同 大小和极性的微调电压来补偿所述输入失调电压；第二，采用同一材质制造的偏置电阻和微调电阻，可以使所述微调电压和参考电 压具有相同的温度系数；第三，通过设置差分输入对管工作在亚阈值区，使得输入失调电压由失配阈值电 压差主导。根据具体的制造工艺选用具有合适温度系数的参考电压以补偿输入失调电压的
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结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记 对应同样的结构部件，其中图1为现有技术中的一种典型的差分放大器的结构示意图；图2为本发明中的差分放大器在一个实施例中的等效电路图；图3为本发明中的差分放大器在另一个实施例中的等效电路图；图4为本发明中的差分放大器在一个实施例中的电路示意图；图5为本发明中的电阻微调网络在一个实施例中的电路示意图；图6为本发明中的差分放大器在另一个实施例中的电路示意图；和图7为本发明中的输入失调电压的补偿方法在一个实施例中的方法流程图。
具体实施方式本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描述来直接 或间接地模拟本发明技术方案的运作。为透彻的理解本发明，在接下来的描述中陈述了很 多特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明则可能仍可实现。所属领域内的技术人员 使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员有效的介绍他们的工作本质。换句话说，为避免混淆本发明的目的，由于熟知的方法、程序、成分和电路已经很容易理解，因 此它们并未被详细描述。此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中 的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一 个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。此外，表示一个或多 个实施例的方法、流程图或功能框图中的模块顺序并非固定的指代任何特定顺序，也不构 成对本发明的限制。本发明中的差分放大器弓I入了微调电压来补偿输入失调电压，所述微调电压由差 分输入级中引入的微调电阻和流经所述微调电阻的电流产生，所述流经所述微调电阻的电 流由一电流源提供。一方面，本发明采用电阻微调网络来实现所述微调电阻，通过调整所述 电阻微调网络中的电阻熔断器开关、第一极性熔断器开关和第二极性熔断器开关的熔断与 导通，可以实现不同阻值和处于不同支路的微调电阻，进而产生不同大小和极性的微调电 压来补偿所述输入失调电压。另一方面，本发明中的电流源基于一参考电压作用于偏置电 阻生成的电流及其镜像电流生成，所述参考电压具有与所述差分输入对管的阈值电压差相 同的温度系数，所述偏置电阻具有与所述微调电阻相同的温度系数，以达到补偿所述输入 失调电压的温漂。请参考图2和图3，其示出了本发明中的差分放大器在一个实施例200中的等效示 意图。所述差分放大器200包括由第一 NMOS管Ml和第三NMOS管M3形成的第一支路，和 由第二 NMOS管M2和第四NMOS管M4形成的第二支路。其中第三NMOS管M3和第四NMOS 管M4的漏极接电源VCC，所述第三NMOS管M3和第四NMOS管M4的栅极相连且第三NMOS管 M3自身的栅极与源极相连。所述第一 NMOS管Ml的漏极接所述第三NMOS管M3的源极，所 述第二 NMOS管M2的漏极接所述第四NMOS管M4的源极，所述第一 NMOS管Ml和所述第二 NMOS管M2的源极同时经由一个可变电流源Is接地。其中第一 NMOS管Ml的栅极作为所述 差分放大器200的一个输入端Vp，所述第二 NMOS管M2的栅极作为所述差分放大器200的 另一个输入端Vn，所述第二 NMOS管M2的漏极和所述第四NMOS管M4的源极之间的电压作 为所述差分放大器200的输出端V。。为了补偿所述差分放大器200的输入失调电压V。s，可以根据所述输入失调电压V。s 的正负及大小在所述第一支路或者第二支路中串联一个微调电阻I teim，通过所述微调电阻 Rtrim和流经所述微调电阻的电流Iteim可以产生微调电压Vteim = Rteim*Iteim来补偿所述输入 失调电压V。s。使得所述差分放大器200的输出电压为0。具体地讲，所述微调电阻RtHm由电阻微调网络(Trimming Network)实现。请结合 图2和图3继续参考图4，其示出了本发明中的差分放大器在一个实施例400中的实施示意 图。所述差分放大器400中包含有电阻微调网络420，所述电阻微调网络420包括串联在所 述第一 NMOS管Ml的源极和所述第二 NMOS管M2的源极之间的若干对微调电阻组合422， 每对微调电阻组合422包括并联在一起的微调电阻和电阻熔断器开关。易于思及的，通过 控制所述若干对微调电阻组合422中的电阻熔断器开关的连通和熔断，可以改变所述第一 NMOS管Ml的源极和所述第二 NMOS管M2的源极之间串联的电阻阻值，比如在一个实施例 中，所述若干对微调电阻组合422中包含有三对微调电阻组合，如图5所示，其中第一对微 调电阻组合中的微调电阻Rteiml、第二对微调电阻组合中的微调电阻Rteim2和第三对微调电阻组合中的微调电阻Rteim3的阻值比为1 2 4。假设所述微调电阻Rteiml的阻值为一个 标准单位(该标准单位可以由设计人员具体设定)，当第一电阻熔断器开关F1熔断、第二电 阻熔断器开关F2和第三电阻熔断器开关F3导通时，所述第一 NMOS管Ml的源极和所述第二 NMOS管M2的源极之间串联的电阻阻值就为一个标准单位；当第二电阻熔断器开关F2熔断、 第一电阻熔断器开关F1和第三电阻熔断器开关F3导通时，所述第一 NMOS管Ml的源极和所 述第二 NMOS管M2的源极之间串联的电阻阻值就为二个标准单位；当第一电阻熔断器开关 F1和第二电阻熔断器开关F2熔断、第三电阻熔断器开关F3导通时，所述第一 NMOS管Ml的 源极和所述第二 NMOS管M2的源极之间串联的电阻阻值就为三个标准单位；当第一电阻熔 断器开关F1和第二电阻熔断器开关F2导通、第三电阻熔断器开关F3熔断时，所述第一 NMOS 管Ml的源极和所述第二 NMOS管M2的源极之间串联的电阻阻值就为四个标准单位，...，依 次类推，所述第一 NMOS管Ml的源极和所述第二 NMOS管M2的源极之间串联的电阻阻值可 以是一至七个标准单位中的任一一个。当然，所述若干对微调电阻组合422中的组合数不 一定只为三对，所述微调电阻组合422中的各对微调电阻的阻值也不一定非得相同或者不 同，视具体实施例而定。所述电阻微调网络420还包括串联在所述第一 NMOS管Ml的源极与电流源Is之间 的第一极性熔断器开关Fp，以及串联在所述第二 NMOS管M2的源极与电流源430之间的第 二极性熔断器开关!V所述第一极性熔断器开关Fp和第二极性熔断器开关&的导通和熔 断决定由所述若干对微调电阻组合422产生的微调电压VMm。比如，所述第一极性熔断器 开关Fp熔断，且第二极性熔断器开关&导通时，所述差分放大器400等效于如图2所述的 差分放大器200 ；而当所述第一极性熔断器开关Fp导通，且第二极性熔断器开关&熔断时， 所述差分放大器400等效于如图3所述的差分放大器200。综上所述，本发明中的差分放大器创造性地引入了电阻微调网络来产生微调电压 Vteim。其中，电阻微调网络中的若干对微调电阻组合可以实现调整所述微调电阻Rteim的阻 值的大小的作用；所述第一极性熔断器开关Fp和第二极性熔断器开关&可以实现调整所 述微调电压Vteim的极性作用。由于本发明中的差分放大器保持了差分对管的对称型，所以 在温度变化时，所述差分对管不会产生新的失调，同时为了补偿所述差分对管和微调电阻 Rtrim的温度漂移，本发明还提供了所述电流源Is的产生电路，所述电流源Is可以基于一参 考电压Vref作用于偏置电阻Rbias生成的电流的镜像电流生成，所述参考电压VMf具有与所 述差分输入对管的阈值电压差AVth相同的温度系数，所述偏置电阻Rbias具有与所述微调 电阻Rteim相同的温度系数，以达到补偿所述输入失调电压V。s的温漂。请参考图6，其示出了本发明中的差分放大器在另一个实施例600中的实施示意 图。所述差分放大器600不仅包括图4中所述差分放大器的基本结构，还包括一电流源产 生电路620，所述电流源产生电路620包括比较器622，由串联的第八NMOS管M8、第九NMOS 管M9和偏置电阻Rbias形成的第三支路、由串联的第七NMOS管M7和第六NMOS管M6形成的 第四支路、和连接于所述第一极性熔断器开关Fp和第二极性熔断器开关&与接地GND之间 的第五NMOS管M5。其中第三支路和第四支路、第六NMOS管M6和第五NMOS管M5之间互相 构成电流镜电路。其中第八NMOS管M8和第七NMOS管M7的栅极相连，且第八NMOS管M8 的栅极与源极相连；所述第六NMOS管M6和第五NMOS管M5的栅极相连，且第六NMOS管M8 的栅极与漏极相连。
所述比较器622的输出端连接于所述第九NMOS管M9的栅极，所述比较器622的 一个输入端连接与所述第九NMOS管M9的源极。藉由上述构造，所述比较器622的另一个 输入端输入参考电压时，在所述第九NMOS管M9的源极和所述偏置电阻Rbias之间的电 压值也等于参考电压的电压值。所述流经所述偏置电阻Rbias的电流Ib = Vref/Rbias°经 过包含所述第三支路、第四支路等的电流镜电路镜像复制给所述第五NMOS管M5，则流经
所述第五NMOS管M5的电流为
权利要求
1.一种可补偿输入失调电压的差分放大器，其特征在于，其包括由第一晶体管和第二晶体管形成的差分输入对管，所述第一晶体管的源极经由第一极 性熔断器开关与一电流源相连，所述第二晶体管的源极经由第二极性熔断器开关与所述电 流源相连，所述第一晶体管的源极和第二晶体管的源极之间串联有若干个微调电阻，每个微调电 阻并联一个电阻熔断器开关。
2.根据权利要求1所述的差分放大器，其特征在于，所述第一晶体管和第二晶体管是 NMOS管，所述第一晶体管和第二晶体管的漏极与一恒流源相连，所述恒流源包括第三NMOS 管和第四NMOS管，其中第三NMOS管和第四NMOS管的漏极接电源，所述第三NMOS管和第四 NMOS管的栅极相连且第三NMOS管自身的栅极与漏极相连，所述第一晶体管的漏极接所述 第三NMOS管的源极，所述第二晶体管的漏极接所述第四NMOS管的源极。
3.根据权利要求1所述的差分放大器，其特征在于，所述若干个串联的微调电阻的阻 值不同，与所述微调电阻并联的电阻熔断器开关处于熔断或导通状态，所述第一极性熔断 器开关和第二极性熔断器开关中的一个处于熔断状态。
4.根据权利要求1所述的差分放大器，其特征在于，所述电流源提供的电流为由参考 电压和偏置电阻产生的电流或者所述电流的镜像电流，所述参考电压具有与所述差分输入 对管的阈值电压差相同的温度系数，所述偏置电阻具有与所述微调电阻相同的温度系数。
5.根据权利要求4所述的差分放大器，其特征在于，所述电流源包括由参考电压和偏 置电阻产生第一电流的第一支路、镜像第一电流以产生第二电流的第二支路、和镜像所述 第二电流的第三支路，所述第一支路包括串联的第八NMOS管、第九NMOS管和偏置电阻，所述第八NMOS管的 漏极接电源，所述第八NMOS管的源极与第九NMOS管的漏极相连，所述第九NMOS管的源极 与所述偏置电阻的一端相连，所述偏置电阻的另一端接地，所述第一支路还包括一个比较 器，所述比较器的一个输入端输入参考电压，所述比较器的另一个输入端连接与所述第九 NMOS管的源极与所述偏置电阻的一端之间，所述比较器的输出端连接所述第九NMOS管的 栅极，所述第二支路包括串联的第七NMOS管和第六NMOS管，所述第七NMOS管的漏极接电 源，所述第七NMOS管的源极与所述第六NMOS管的漏极相连，所述第七NMOS管的栅极与所 述第八NMOS管的栅极相连，且所述第八匪OS管的栅极与自身源极相连，所述第三支路包括第五NMOS管，所述第五NMOS管的漏极连接于所述第一极性熔断器 开关和第二极性熔断器开关，所述第五NMOS管的源极接地，所述第五NMOS管的栅极与所述 第六NMOS管的栅极相连，且所述第六NMOS管的漏极与自身栅极相连。
6.根据权利要求1至5任一所述的差分放大器，其特征在于，所述差分输入对管工作在 亚阈值区，所述第一晶体管的宽长比与所述第二晶体管的宽长比相同。
7.一种输入失调电压的补偿方法，应用于如权利要求1所述的差分放大器中，其特征 在于，其包括测量所述差分放大器的输入失调电压；根据所述输入失调电压的大小来确定需要熔断的电阻熔断器开关；根据所述输入失调 电压的极性来确定熔断第一极性熔断器开关或者第二极性熔断器开关中的某一个，使得所述差分放大器的输入失调电压等于或者趋近于0。
8.根据权利要求7所述的补偿方法，其特征在于，所述补偿方法还包括在所述差分放 大器的设计阶段，设置所述差分输入对管的宽长比，使得所述差分输入对管工作在亚阈值 区，此时所述差分输入对管的栅源电压接近阈值电压，因此所述差分输入对管的栅源电压 失配由阈值电压主导。
9.根据权利要求7所述的补偿方法，其特征在于，所述根据所述输入失调电压的大小 来确定需要熔断的电阻熔断器开关包括根据所述输入失调电压的电压值和所述电流源内电流的电流值的二分之一的商决定 所需要的微调电阻总阻值；和根据所需要的微调电阻总阻值和每个微调电阻的阻值来决定需要熔断的电阻熔断器 开关。
10.根据权利要求7所述的补偿方法，其特征在于，所述补偿方法还包括采用基于一参 考电压作用于偏置电阻生成的电流及其镜像电流提供所述差分放大器的电流源，所述参考 电压具有与所述差分输入对管的阈值电压差相同的温度系数，所述偏置电阻具有与所述微 调电阻相同的温度系数。
全文摘要
本发明揭露了一种可补偿输入失调电压的差分放大器，其包括由第一晶体管和第二晶体管形成的差分输入对管，所述第一晶体管的源极经由第一极性熔断器开关与一电流源相连，所述第二晶体管的源极经由第二极性熔断器开关与所述电流源相连，所述第一晶体管的源极和第二晶体管的源极之间串联有若干个微调电阻，每个微调电阻并联一个电阻熔断器开关。本发明同时还提供了一种输入失调电压的补偿方法，本发明中的可补偿输入失调电压的差分放大器及补偿方法采用电阻微调网络来补偿输入失调电压，保持了差分对管的对称型，同时还提供了温漂补偿机制。
文档编号H03F3/45GK102136827SQ20111011956
公开日2011年7月27日 申请日期2011年5月10日 优先权日2011年5月10日
发明者覃超 申请人:覃超