КМОП усилитель с чоппер стабилизацией и способ калибровки Российский патент 2020 года по МПК H03F3/00 

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в микроэлектронных системах обработки аналоговых сигналов и преобразования аналоговой информации в цифровую, в частности в прецизионных КМОП усилителях, интеграторах, компараторах напряжения и аналого-цифровых преобразователях.

Известно множество схем КМОП усилителей и схем их включения для уменьшения напряжения смещения, основанные на выделении напряжения смещения во время специально выделенной фазы коррекции нуля, запоминание величины этого смещения на конденсаторе и вычитания его из входного сигнала в фазе обычной работы усилителя. Одна из таких схем включения усилителя приведена в патенте США № US 4,749,953, МКИ 4H03F 1/02, опубликованном 07.06.1988 г [1], вторая приведена в книге Я. Мулявки: «Схемы на операционных усилителях с переключаемыми конденсаторами», Москва, Мир, 1992 г., на стр. 386 (рис. 11.16) [2]. Обе указанные схемы включают конденсатор, для выделения и запоминания напряжения смещения и ключи, коммутирующие конденсатор в фазе коррекции нуля и рабочей фазе. Вышеупомянутые схемы имеют недостатки, связанные с тем, что для коррекции смещения требуется временная фаза, во время которой усилитель не выполняет своей функции обработки входного сигнала. Кроме того, в схемах запоминания смещения конденсатор подключен только к одному из входов усилителя, что нарушает симметрию входов и приводит к ошибкам коррекции, связанным с асимметрией прохождения помехи коммутации ключей на входы усилителя.

Другие методы и схемы коррекции смещения нуля усилителя предложены в патенте США № US 6,262,626 В1, МКИ H03F 1/02, от 17.07.2001 г [3]. Известная схема коррекции смещения приведена в обобщенном виде на Фиг. 1, где усилитель состоит из дифференциального предусилителя 1 с дифференциальным же выходом и выходного каскада 2 с дифференциальным входом и дифференциальным или униполярным выходом. Между входами усилителя и входами предусилителя 1, а также между выходами предусилителя 1 и входами выходного каскада 2 включены кросс-ключи 3, 4, коммутирующие попарно входы и выходы входного каскада прямо или перекрестно. Это, так называемый, метод «чоппер (chopper) стабилизации», при котором пары входов и выходов дифференциального предусилителя синхронно перекоммутируются ключами прямо или перекрестно, в результате чего, ошибка на выходе дифференциального предусилителя меняет знак. Если скважность коммутации 0.5, то усредненная во времени (на емкости нагрузки усилителя) ошибка выходного сигнала будет близка к нулю. При этом усилитель непрерывно выполняет свою функцию обработки входного сигнала, так как специальная фаза для выборки и запоминания смещения не требуется. Еще одним достоинством усилителя с чоппер стабилизацией смещения является подавление низкочастотного (1/f) шума, который эквивалентен смещению, изменяющемуся во времени с низкой частотой. Недостатком известной схемы является сложность реализации, так как для эффективной коррекции смещения необходим высокий коэффициент усиления предусилителя, что приводит к сложности коррекции амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Кроме того, переключение ключей чоппера приводит к инжекции заряда, увеличивающейся с увеличением частоты переключения. Инжекция заряда ключами чоппера и асимметрия переключения усилителя приводят к динамической ошибке усилителя, эквивалентной смещению, увеличивающейся с частотой переключения.

Для уменьшения этого смещения в первом варианте исполнения в предлагаемом изобретении предлагается использовать двойной чоппер, то есть по два последовательно включенных и переключающихся на разных частотах чоппер ключа на входе и на выходе.

Во втором варианте исполнения усилителя с одиночным чоппером на входе и выходе дифференциального предусилителя для уменьшения смещения и шума, генерируемых при переключении ключей, предлагается ввести обратную связь с выхода усилителя в предусилитель, образуемую последовательно включенными аналого-цифровым преобразователем (ADC), цифровым процессором (DPC) и цифро-аналоговым преобразователем (DAC). Предлагается также ввести специальную фазу калибровки, при которой входы усилителя закорочены. В этой фазе ADC преобразует выходное напряжение усилителя при закороченном входе в цифровой код, модифицируемый и подаваемый цифровым процессором DPC на вход DAC. Аналоговый сигнал выхода DAC подается в предусилитель, корректируя, например, ток одного из транзисторов входной дифференциальной пары и тем самым, изменяя смещение для приведения выходного напряжения усилителя к нулю.

Преимуществом данной схемы и способа калибровки смещения является возможность после окончания калибровки непрерывно обрабатывать входной сигнал, а также возможность перекалибровки при изменении условий эксплуатации, например напряжения питания или температуры.

Недостатками являются сложность реализации и невозможность одновременного устранения усредненной динамической ошибки (смещения), создаваемого переключением ключей чоппера и подавления шума выходного напряжения на частоте чоппера, обусловленного статическим (без чоппера) смещением усилителя, вследствие рассогласования транзисторов дифференциальных пар.

Действительно, для устранения шума выходного напряжения на частоте чоппера должно калиброваться (приводиться к нулю) статическое смещение усилителя при остановленном чоппере, а динамическое смещение от переключения ключей чоппера, которое, как правило, существенно меньше статического смещения, должно калиброваться при активном чоппере.

Наиболее близким к заявляемому, является прецизионный КМОП усилитель по патенту РФ №2310270 от 29.12.2005 г [4].

На Фиг. 2 заявки приведена блок схема КМОП усилителя с чоппер стабилизацией смещения по патенту [4], включающего входной дифференциальный усилитель 1 с дифференциальным входом и парой дифференциальных выходов (outp, noutp; outn, noutn), выходной каскад 2 на n- и р-канальных транзисторах, входной кросс-ключ 3, коммутирующий прямой (In) и инверсный (nIn) входы схемы прямо или перекрестно к входам дифференциального усилителя 1, два выходных кросс-ключа 4, коммутирующих дифференциальные выходы входного усилителя 1 прямо или перекрестно к входам выходного каскада 2. Входной и выходные кросс-ключи управляются парафазными сигналами Т0, Т1.

На Фиг. 3 приведена упрощенная схема КМОП усилителя с чоппер стабилизацией смещения по патенту [4], включающего выходной каскад на n- и р-канальных транзисторах (Mon, Мор) с общим стоком, подключенным к выходу усилителя (Out), и входной каскодный усилитель с дифференциальными входом и выходами, в котором входы усилителя (In, nIn) подключены через входной кросс-ключ к затворам дифференциальных пар n- и р-канальных входных транзисторов (Mipb, Mipa; Minb, Mina), дифференциальные выходы части каскода с n-канальными транзисторами (стоки Mn3, Mn4) подключены через первый n-канальный выходной кросс-ключ к затвору n-канального транзистора выходного каскада (Mon), дифференциальные выходы части каско да с р-канальными транзисторами (стоки Мр3, Мр4) подключены через второй р-канальный выходной кросс-ключ к затвору р-канального транзистора выходного каскада (Мор), а одноименные выходы первого и второго выходных кросс-ключей соединены через транзисторы источников токов смещения Mn5, Mn6, Mn5, Мр6. Стоки транзисторов n- и р-канальных дифференциальных пар подключены к стокам транзисторов внешних пар каскода противоположного типа. Цепи смещения, подключенные к затворам транзисторов с общим затвором и источников тока, обозначены на чертеже как Bias_xx. Цепи противофазных управляющих сигналов кросс-ключей обозначены как Т0, Т1. Цепи питания и земли обозначены соответственно Vdd и Vss.

Представленный усилитель характеризуется расширенными до уровней положительного и отрицательного питания диапазонами входных синфазных сигналов и выходных сигналов, за счет использования двух входных дифференциальных пар разных типов проводимости и комплементарного выходного каскада с низким выходным сопротивлением. Каскодная схема входного усилителя обеспечивает высокий коэффициент усиления, а его симметрия с использованием комплементарных входных пар позволяет получить высокие и одинаковые скорости нарастания и спада выходного напряжения. Отметим, что при отсутствии необходимости в широком диапазоне входных синфазных сигналов, может быть использована только одна пара входных транзисторов, n- или р-типа, в зависимости от требуемого диапазона входных синфазных сигналов, при этом схема каскода может не изменяться.

Недостатком представленного усилителя при отсутствии чоппера являются повышенное смещение и его температурный и временной дрейф из-за рассогласования транзисторов двух входных дифференциальных пар и пар транзисторов каскода. Кроме того, смещение усилителя сильно зависит от синфазного уровня входных сигналов, особенно при синфазных входных напряжениях, приближающихся к напряжениям положительного или отрицательного питания на величину близкую к пороговому напряжению р- или n-канального транзисторов соответственно. Усложненная схема входного усилителя ведет также к повышенному уровню низкочастотных (1/f) шумов, на которые, помимо входных, влияют и транзисторы каскода. Использование чоппер стабилизации позволяет существенно уменьшить смещение и 1/f шум.

Аналогичный чоппер стабилизированный усилитель с каскодной схемой входного усилителя представлен также и в более позднем патенте США № US 7,310,016 В2, МКИ H03F 1/02 от 18.12.2007 г (Фиг. 2А, 4А, 7) [5].

Целью настоящего изобретения является уменьшение смещения, температурного и временного дрейфов смещения и низкочастотных шумов КМОП усилителя.

Поставленная цель достигается тем, что в КМОП усилителе с чоппер стабилизацией и калибровкой смещения, включающем выходной каскад на n- и р-канальных транзисторах с общим стоком, подключенным к выходу усилителя, и входной каскодный усилитель с дифференциальными входом и выходами, в котором входы усилителя подключены через входной кросс-ключ к затворам, по крайней мере, одной пары входных транзисторов, по крайней мере, одного типа, выходы части каскода с n-канальными транзисторами подключены через первый выходной кросс-ключ к затвору n-канального транзистора выходного каскада, выходы части каскода с р-канальными транзисторами подключены через второй выходной кросс-ключ к затвору р-канального транзистора выходного каскада, а одноименные выходы первого и второго выходных кросс-ключей соединены через транзисторы источников токов смещения, входной усилитель имеет две пары входов калибровки, причем первая пара входов калибровки подключена к стокам одной из пар входных транзисторов, вторая пара входов калибровки подключена к выходам одного из выходных кросс-ключей, а к входам калибровки подключены программируемые источники токов калибровки, пропорциональных току смещения усилителя.

В частном случае поставленная цель достигается тем, что к первой паре входов калибровки подключены токовые выходы первого ЦАП калибровки, а ко второй паре входов калибровки подключены токовые выходы второго ЦАП калибровки, причем ЦАП калибровки включает программируемый источник тока калибровки, пропорционального току смещения усилителя, и ключи, коммутирующие источник тока калибровки к одному из выходов ЦАП.

Поставленная цель также достигается применением способа калибровки смещения заявляемого КМОП усилителя, согласно которому при закороченном входе усилителя последовательно выполняют статическую калибровку смещения в статическом состоянии управляющих сигналов кросс-ключей заданием тока в один из входов калибровки первой пары и динамическую калибровку смещения при рабочей частоте переключения управляющих сигналов кросс-ключей заданием тока в один из входов калибровки второй пары, а при нормальной работе усилителя с чоппер стабилизацией токи, определенные при статической и динамической калибровках, задают во входы калибровки первой и второй пар соответственно.

В частном случае поставленная цель достигается применением способа калибровки смещения заявляемого КМОП усилителя, согласно которому статическую калибровку смещения выполняют последовательно в одном статическом состоянии управляющих сигналов кросс-ключей и в другом статическом состоянии управляющих сигналов кросс ключей, а при нормальной работе усилителя с чоппер стабилизацией в первую пару входов калибровки задают среднее значение из двух токов, определенных при статической калибровке.

В частном случае поставленная цель достигается также применением способа калибровки смещения заявляемого КМОП усилителя, согласно которому включают усилитель с закороченными входами в режим интегратора с емкостной обратной связью и проводят статическую и динамическую калибровки последовательным приближением, при этом на каждом шаге последовательного приближения обнуляют выход усилителя закорачиванием конденсатора обратной связи, определяют знак выходного напряжения усилителя через заданное время интегрирования после обнуления, и по знаку изменения выходного напряжения определяют направление изменения тока калибровки для следующего шага последовательного приближения.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

На Фиг. 1 представлена описанная ранее блок-схема усилителя, реализующая известный метод чоппер-стабилизации смещения, в которой между входами усилителя и входами предусилителя включен входной кросс-ключ, а между выходами предусилителя и входами выходного усилителя включен выходной кросс-ключ.

На Фиг. 2 заявки приведена описанная ранее блок схема наиболее близкого заявляемому КМОП усилителя с чоппер стабилизацией смещения по патенту РФ №2310270.

На Фиг. 3 представлена схема описанного ранее КМОП усилителя с чоппер стабилизацией по патенту РФ №2310270, включающего выходной каскад на n- и р-канальных транзисторах (Mon, Мор) с общим стоком, подключенным к выходу усилителя (Out), и входной каскодный усилитель с дифференциальными входом и выходами, в котором входы усилителя (In, nIn) подключены через входной кросс-ключ к затворам дифференциальных пар n- и р-канальных входных транзисторов (Mipb, Mipa; Minb, Mina), дифференциальные выходы части каскода с n-канальными транзисторами (стоки Mn3, Mn4) подключены через первый n-канальный выходной кросс-ключ к затвору n-канального транзистора выходного каскада (Mon), дифференциальные выходы части каскода с р-канальными транзисторами (стоки Мр3, Мр4) подключены через второй р-канальный выходной кросс-ключ к затвору р-канального транзистора выходного каскада (Мор), а одноименные выходы первого и второго выходных кросс-ключей соединены через транзисторы источников токов смещения Mn5, Mn6, Мр5, Мр6.

На Фиг. 4 представлена схема заявляемого КМОП усилителя с чоппер стабилизацией и калибровкой смещения, в которой в известный усилитель в соответствии с п. 1, введены две пары входов калибровки смещения, причем первая пара входов калибровки подключена к стокам одной из пар входных транзисторов Mina, Minb, вторая пара подключена к выходам n-канального выходного кросс-ключа Outputn, а к входам калибровки подключены программируемые источники токов калибровки Isp, Isn, Idp, Idn, пропорциональных току смещения усилителя.

На Фиг. 5 представлен пример реализации заявляемого КМОП усилителя с чоппер стабилизацией и калибровкой смещения, в котором входной кросс-ключ, включает 4 КМОП ключа, а выходные кросс-ключи имеют по 4 МОП транзистора с каналом одинакового с коммутируемыми транзисторами каскода типа. В соответствии с п. 2, к первой паре входов калибровки смещения подключены токовые выходы первого ЦАП калибровки DACIs, а ко второй паре входов подключены токовые выходы второго ЦАП калибровки DACId. Приведенная схема включает все необходимые элементы, в том числе схемы формирования напряжений и токов смещения усилителя. Источник тока Ibs, подключенный к затвору и стоку транзистора Mn10 задает ток смещения усилителя, размножаемый и масштабируемый токовыми зеркалами, так, что токи всех транзисторов усилителя, выполняющих функции источников тока входных дифференциальных пар и каскода MspO, MsnO, Mn5, Mn6, Мр5, Мр6 согласованы между собой. Выходные токи ЦАП калибровки DACIs, DACId, формируемые также из тока Ibs и масштабируемые токовыми зеркалами на транзисторах Mn10, Msnc, Mspc, Msps, Mspd, а также токовыми зеркалами в ЦАП, выполняющими функции программируемого источника тока, пропорциональны исходному току lbs в диапазоне рабочих напряжений питания и температуры.

Для работы усилителя с широким диапазоном входных сигналов входной кросс-ключ должен быть КМОП типа для уменьшения искажения входного сигнала. Выходные же кросс-ключи могут быть выполнены на транзисторах с каналом одного типа с коммутируемыми транзисторами каскода, так как транзисторы с каналом противоположного типа здесь будут не эффективны.

Отметим, что в частных случаях реализации, если не требуется расширенный диапазон входного синфазного сигнала, входной дифференциальный усилитель может иметь только одну пару входных транзисторов, при этом для обеспечения симметричного выхода схема каскода не изменяется.

Заявляемый КМОП усилитель с калибровкой смещения работает описанным ниже образом. Входной дифференциальный сигнал усиливается каскодным дифференциальным усилителем, при этом каскод также реализует функции расщепления усиленного дифференциального сигнала на два уровня и преобразования их в униполярные для управления комплементарными транзисторами выходного каскада.

Смещение имеет место даже для усилителя с идеально сбалансированными парами идентичных транзисторов за счет ошибок схем расщепления и преобразования сигнала на выходе дифференциального каскада в униполярный. Для уменьшения влияния этих ошибок в прецизионных усилителях необходимо увеличивать коэффициент усиления дифференциального каскада, так как напряжение смещения, вызванное ошибками в последующих каскадах усилителя, делится на коэффициент усиления дифференциального каскада. В заявляемом усилителе обеспечивается высокий коэффициент усиления дифференциального каскада за счет каскодной схемы. Кроме того, любые ошибки согласования параметров пар идентичных транзисторов входного дифференциального усилителя, которые неизбежны при изготовлении, также приводят к смещению. Ошибки согласования параметров пар идентичных транзисторов входного дифференциального усилителя оказывают наибольшее влияние на смещения нуля и его зависимости от уровня синфазного входного сигнала и температуры, а также его нестабильности во времени. Причем, временная нестабильность смещения обычно характеризуется приведенным к входу низкочастотным (1/f) шумом в диапазоне частот 0.01 до 1000 Гц и временным дрейфом смещения в течение часов, дней и месяцев работы усилителя. И низкочастотный входной шум, и временный дрейф смещения определяются временными флуктуациями пороговых напряжений и крутизны МОП транзисторов, вследствие временной нестабильности эффективного заряда ловушек подзатворного диэлектрика и границы кремний - диэлектрик МОП транзисторов. Естественно, что и низкочастотный входной шум и временная нестабильность смещения определяются в основном входным дифференциальным каскадом, так как влияние последующих каскадов усилителя делится на коэффициент усиления дифференциального каскада.

Уменьшение напряжения смещения, его температурного и временного дрейфа, а также низкочастотного шума достигается использованием чоппер стабилизации. При этом на выходе усилителя формируется временная функция выходного сигнала в зависимости от входного:

Vout(t)=Ku*{Vin(t)+n(t)*Voffs_diff(t)+Voffs_out(t)/Kudiff},

где Ku - коэффициент усиления всего усилителя, охваченного обратной связью;

Vin(t), Vout(t) - временные функции входного и выходного сигналов;

функция n(t) - принимает значения +1 при прямой коммутации кросс-ключей или -1 при перекрестной коммутации кросс-ключей;

Voffs_diff(t) - функция части напряжения смещения, созданного ошибками согласования во входном дифференциальном каскаде;

Voffs out(t) - функция части напряжения смещения, созданного ошибками согласования источников тока каскода и выходным усилителем;

Kudiff - коэффициент усиления входного дифференциального усилителя.

Очевидно, что выходной сигнал, усредненный за время кратное целому числу периодов коммутации кросс-ключей чоппера, равен:

Vout(t)=Ku*{Vin(t)+Voffsout(t)/Kudiff}

Следовательно, выходное напряжение усилителя уже не зависит от смещения, вызванного входным усилителем, и включает только смещение, связанное с ошибками согласования источников тока каскода и выходного усилителя и поделенное на коэффициент усиления входного усилителя. Например, при коэффициенте усиления входного усилителя 1000 (60 дБ), смещение 20 мВ, вызываемое ошибкой согласования источников тока каскода и выходного усилителя, приведет только к 20 мкВ смещению усилителя, приведенного к входу. Подобным же образом, за счет временного усреднения уменьшаются температурный и временной дрейфы смещения и низкочастотный входной шум, связанные с рассогласованием параметров идентичных транзисторов во входном усилителе между входными и выходными кросс-ключами.

На практике, однако, всегда будет иметь место остаточное смещение, связанное с его неполной компенсацией, например, из-за асимметрии скважности управляющих сигналов кросс-ключей, асимметрии скорости роста и спада выходного напряжения усилителя, определяемых выходными транзисторами разного типа (n- и р-), проникновения управляющих сигналов кросс-ключей в коммутируемые цепи. Это ограничивает предельные возможности уменьшения смещения простым увеличением коэффициента усиления входного дифференциального каскада.

Временная функция выходного сигнала усилителя с чоппер стабилизацией имеет форму меандра с частотой переключения ключей чоппера и амплитудой, равной произведению удвоенного смещения входного усилителя на коэффициент усиления обратной связи (Vout_pp=2*Ku*Voffs_diff), поэтому на выходе таких усилителей обычно используют сглаживающий низкочастотный фильтр, ограничивающий частоту сигналов.

Существенно уменьшить амплитуду пульсаций выходного сигнала можно калибровкой смещения усилителя в статическом состоянии чоппера, для чего входной усилитель имеет пару входов для статической калибровки, к которым подключены источники тока Isp, Isn или токовые выходы первого ЦАП DACIs. В фазе калибровки входы усилителя замыкаются, и в статическом состоянии чоппера подбирается ток Isp, или Isn, при котором выходное напряжение усилителя близко к нулю. При нормальной работе усилителя с активной чоппер стабилизацией и задании ранее определенного тока статической калибровки Isp, или Isn в выходном напряжении усилителя уже не будет пульсаций, связанных со смещением входного каскада. Однако, смещение, связанное с выходным каскадом, хотя и поделенное на коэффициент усиления входного каскада, приведет к некоторой ошибке статической калибровки, поэтому для повышения точности статическую калибровку целесообразно провести при двух разных состояниях ключей чоппера в соответствии с п. 4 формулы и при нормальной работе усилителя использовать среднее значение из двух токов статической калибровки.

Важным для обеспечения точности статической калибровки является условие пропорциональности тока калибровки и тока смещения усилителя, задающего режим входного усилителя по постоянному току, что уменьшает погрешность статической калибровки смещения в диапазоне напряжения питания и температуры.

Для компенсации остаточного смещения усилителя с чоппер стабилизацией предусмотрена вторая пара входов для динамической калибровки, к которым подключены источники тока Idp, Idn или токовые выходы второго ЦАП DACId. В фазе калибровки входы усилителя замыкаются, и при переключающихся с заданной частотой ключах чоппера подбирается ток Idp, или Idn, при котором выходное напряжение усилителя близко к нулю. При нормальной работе усилителя с активной чоппер стабилизацией и одновременном задании токов статической Isp, или Isn и динамической Idp, или Idn калибровок усилитель уже не будет иметь пульсаций на частоте чоппера и смещения, вызванного переключением ключей чоппера.

В соответствии с п. 5 формулы для проведения калибровок включают усилитель в режиме интегратора с емкостной обратной связью. Статическую и динамическую калибровки проводят последовательным приближением, при этом на каждом шаге последовательного приближения сначала обнуляют выход усилителя, например, кратковременной закороткой конденсатора обратной связи, и через заданное время интегрирования определяют направление изменения выходного напряжения усилителя. Выдержка определенное время в режиме интегрирования после обнуления приведет к возрастанию или уменьшению напряжения на выходе интегратора на величину, достаточную для надежной фиксации направления изменения выходного напряжения. По направлению изменения выходного напряжения определяют направление изменения тока для следующего шага последовательного приближения.

В таблице 1 приведены расчетные параметры усилителя, приведенного на Фиг. 5.

Примечание: 5% рассогласование N- и Р-канальных транзисторов дифференциальных пар входного каскодного усилителя вводится умножением ширины каналов на коэффициенты MN=1.05 и МР=0.95.

Как можно видеть, усилитель имеет очень высокий коэффициент усиления, что необходимо для прецизионных усилителей, при этом коэффициент усиления на выходах входного каскодного усилителя (узлы nb2, pb2) также достаточно высок. Высокий коэффициент усиления входного каскада обуславливает низкое напряжение смещения (менее 8 мкВ) согласованного усилителя даже при отсутствии чоппер - стабилизации (частота коммутации кросс-ключей Fch=0).

Введение ошибки согласования пар входных транзисторов усилителя, что всегда имеет место при изготовлении, приводит при отсутствии чоппер - стабилизации к резкому возрастанию смещения нуля (2,5 мВ) и температурного дрейфа смещения (до 5,75 мкВ/град). Включение чоппер - стабилизации уменьшает эффективное смещение нуля: в 36 раз (до 70 мкВ). При этом значительно, в 21 раз, уменьшается температурный дрейф смещения: до 0,27 мкВ/град. Так же чоппер - стабилизация уменьшает временной дрейф смещения и низкочастотный шум.

Однако, при чоппер - стабилизации на выходе усилителя при включении с единичной обратной связью имеют место пульсации с частотой чоппера и амплитудой до +/- 2394 мкВ (при температуре 125°С), которые при токе статической калибровки Isn=2,2628 мкА уменьшатся в 50000 раз до +/- 0,048 мкВ.

Применение динамической калибровки с током Idn=6,6 нА уменьшает максимальное смещение нуля рассогласованного усилителя с чоппер - стабилизацией более чем в 2000 раз с 70 мкВ до 0,03 мкВ. При этом максимальный температурный коэффициент смещения может быть уменьшен в 20 раз с 0,27 мкВ до 0,013 мкВ.

Также заявляемый усилитель может быть использован и в качестве предусилителя прецизионного компаратора напряжений для обеспечения низкого напряжения смещения и повышения его температурной и временной стабильности.

Таким образом, заявляемый КМОП усилитель с чоппер стабилизацией и калибровкой смещения обладает новизной, может быть реализован и позволяет существенно уменьшить напряжение смещения нуля, его температурный и временной дрейф, а также низкочастотный шум.

Литература

1. Патент США № US 4,749,953.

2. «Схемы на операционных усилителях с переключаемыми конденсаторами» Я. Мулявки, Москва, Мир, 1992 г., стр. 386 (рис. 11.16).

3. Патент США № US 6,262,626.

4. Патент РФ №2310270.

5. Патент США № US 7,310,016.

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в микроэлектронных системах обработки сигналов, в частности в прецизионных КМОП усилителях, интеграторах, компараторах и аналого-цифровых преобразователях. Технический результат заключается в уменьшении напряжения смещения, его температурного и временного дрейфа, а также уменьшении уровня низкочастотных шумов КМОП усилителей и схем на их основе. Поставленная цель достигается тем, что в КМОП усилителе с чоппер стабилизацией, включающем КМОП выходной каскад и входной каскодный усилитель с дифференциальными входом и выходами, в котором входы усилителя подключены через входной кросс-ключ к затворам по крайней мере, одной пары входных транзисторов, выходы части каскода с n-канальными транзисторами подключены через первый выходной кросс-ключ к затвору n-канального транзистора выходного каскада, выходы части каскода с р-канальными транзисторами подключены через второй выходной кросс-ключ к затвору р-канального транзистора выходного каскада, входной усилитель имеет две пары входов калибровки, причем первая пара входов калибровки подключена к стокам одной из пар входных транзисторов, а вторая пара входов калибровки подключена к выходам одного из выходных кросс-ключей. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

1. КМОП усилитель с чоппер стабилизацией и калибровкой смещения, включающий выходной каскад с парой n- и р-канальных транзисторов с общим стоком, подключенным к выходу усилителя, и входной каскодный усилитель с дифференциальными входом и выходами, в котором входы усилителя подключены через входной кросс-ключ к затворам по крайней мере одной пары входных транзисторов по крайней мере одного типа, выходы части каскода с n-канальными транзисторами подключены через первый выходной кросс-ключ к затвору n-канального транзистора выходного каскада, выходы части каскода с р-канальными транзисторами подключены через второй выходной кросс-ключ к затвору р-канального транзистора выходного каскада, а одноименные выходы первого и второго выходных кросс-ключей соединены через транзисторы источников тока смещения,

отличающийся тем, что входной усилитель имеет две пары входов калибровки, причем первая пара входов калибровки подключена к стокам одной из пар входных транзисторов, вторая пара входов калибровки подключена к выходам одного из выходных кросс-ключей, а к входам калибровки подключены программируемые источники токов калибровки, пропорциональных току смещения усилителя.

2. КМОП усилитель с чоппер стабилизацией и калибровкой смещения по п. 1, отличающийся тем, что к первой паре входов калибровки подключены токовые выходы первого ЦАП калибровки, а ко второй паре входов калибровки подключены токовые выходы второго ЦАП калибровки, причем ЦАП калибровки включает программируемый источник тока калибровки, пропорционального току смещения усилителя, и ключи, коммутирующие источник тока калибровки к одному из выходов ЦАП.

3. Способ калибровки смещения КМОП усилителя по п. 1, отличающийся тем, что при закороченном входе усилителя последовательно выполняют статическую калибровку смещения в статическом состоянии управляющих сигналов кросс-ключей заданием тока в один из входов калибровки первой пары и динамическую калибровку смещения нуля при рабочей частоте переключения управляющих сигналов кросс-ключей заданием тока в один из входов калибровки второй пары, а при нормальной работе усилителя с чоппер стабилизацией токи, определенные при статической и динамической калибровках, задают во входы калибровки первой и второй пар соответственно.

4. Способ калибровки смещения КМОП усилителя по п. 3, отличающийся тем, что статическую калибровку смещения выполняют последовательно в одном статическом состоянии управляющих сигналов кросс-ключей и в другом статическом состоянии управляющих сигналов кросс-ключей, а при нормальной работе усилителя с чоппер стабилизацией в первую пару входов калибровки задают среднее значение из двух токов, определенных при статической калибровке.

5. Способ калибровки смещения КМОП усилителя по пп. 3, 4, отличающийся тем, что включают усилитель в режим интегратора с емкостной обратной связью и проводят статическую и динамическую калибровки последовательным приближением, при этом на каждом шаге последовательного приближения обнуляют выход усилителя закорачиванием конденсатора обратной связи, определяют знак выходного напряжения усилителя через заданное время интегрирования после обнуления и по знаку изменения выходного напряжения определяют направление изменения тока калибровки для следующего шага последовательного приближения.