[发明专利]运算和测量放大器中的低噪声、低功率、低漂移偏移校正

说明书

技术领域

本发明涉及运算和测量放大器(instrumentation amplifier)的领域。

背景技术

运算放大器的一个关键性能规格就是其直流误差或偏移电压(offset voltage)。偏移电压限制了放大器处理小直流输入电压的能力。总偏移电压通常指定为在输入端假定(assume)的单个误差源。这个虚电压源的值代表放大器的输入参考(input referred)偏移电压。这个参数的意义在于以下事实：放大器将不能处理其输入端上的小于输入参考偏移电压的任何直流电压。

在单片集成运算放大器中，输入参考偏移电压(也称输入偏移，偏移电压或简称为偏移)主要归因于电路中关键部件之间统计失配。一般来说，这些关键部件包括输入级晶体管，但是其它装置也会明显导致偏移。因部件失配引起的典型偏移电压约为几毫伏。

过去，提出并实施了许多技术用来限制统计失配对输入参考偏移电压的影响。这些技术属于两种类型之一(参见“Circuit Techniques for Reducing the Effects of Op-Amp Imperfections：Autozeroing，Correlated Double Sampling，and Chopper Stabilization”，C.C.Enz and GC.Temes，IEEE J.Solid-State Circuits，vol.84，Nov.1996，pp.1584-1614)。

1、斩波稳定(Chopper Stabilization)

2、自动调零

下面将结合各自的优缺点对这些技术一一介绍。

斩波稳定

斩波稳定取决于周期性地对放大器正负输入端的信号通道进行交换。平均起来，这使得两端之间的偏移整平(even out)(参见“Circuit Techniques forReducing the Effects of Op-Amp Imperfections：Autozeroing，Correlated Double Sampling，and Chopper Stabilization”，C.C.Enz and GC.Temes，IEEE J.Solid-StateCircuits，vol.84，Nov.1996，pp.1584-1614)。图1示出了斩波稳定式(chopper stabilized)放大器的框图。

输入级g_m1的输入参考偏移电压用电压源V_os表示。斩波器的行为在于根据时钟相位Φ₂的状态，将它们的输入信号乘以+1或-1。在差分信号(例如，斩波器chop₁)的情况下，乘以-1简单表示交换输入信号。乘以+1表示输入和输出之间的直接连接。

需要注意的是，对于一个时钟相位而言，输入偏移源(offset source)V_os将如何在输出端上引起负误差电压，而对于其它相位来说，效果将是正电压。随着时间的推移，平均的净输出误差电压将为零。

对于输入信号而言情况有所不同。信号通过斩波器chop₁和chop₂的情况下，输出信号的极性不变。因此，输出信号将由未改变的输入信号以及斩波器chop₂对输入偏移电压V_os进行斩波而引起的纹波电压构成。

可替换地，在斩波器chop₁和chop₂可视为乘法器或混频器的频域下，使输入频率漂移斩波器频率f_chop。从这点来看，斩波器chop₁将直流输入信号上转换成斩波器频率f_chop。接着输入级g_m1以f_chop放大所得到的信号，而斩波器chop₂将该信号转换回直流。注意，直流输入信号再次作为直流信号出现在斩波器chop₂的输出。这是因为在这个点上信号通过两个斩波器，对输入信号进行上转换(up conversion)和下转换(down conversion)。