КМОП-усилитель с чоппер-стабилизацией и способ калибровки Российский патент 2023 года по МПК H03F3/16 

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, аналого-цифровых преобразователях (АЦП) и преобразователях напряжения в частоту (ПНЧ).

Известно множество схем КМОП усилителей и схем их включения для уменьшения напряжения смещения нуля (далее смещения), основанные на выделении 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 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 усилителя предложены в патенте США № US 6,262,626 В1, МКИ H03F 1/02, от 17.07.2001г [3]. Известная блок-схема коррекции смещения приведена в обобщенном виде на Фиг. 1, где усилитель состоит из дифференциального входного усилителя 1 с дифференциальным же выходом и выходного усилителя 2 с дифференциальным входом и дифференциальным или однопроводным выходом. Между входами усилителя и входами входного усилителя 1, а также между выходами входного усилителя 1 и входами выходного усилителя 2 включены кросс-ключи 3 и 4, коммутирующие попарно входы и выходы входного усилителя прямо или перекрестно. Это, так называемый, метод «чоппер (chopper) стабилизации», при котором пары входов и выходов дифференциального входного усилителя синхронно перекоммутируются ключами прямо или перекрестно, в результате чего, ошибка на выходе дифференциального входного усилителя 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 входного усилителя, что приводит к сложности коррекции амплитудно-частотной характеристики. 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, эквивалентной смещению, увеличивающейся с частотой переключения.

Для уменьшения этого динамического смещения в первом варианте исполнения используется 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 входного усилителя для уменьшения смещения и шума, генерируемых при переключении ключей, введена обратная связь с выхода усилителя в входной усилитель, образуемую последовательно включенными АЦП цифровым процессором и ЦАП. Предлагается также ввести специальную фазу калибровки, при которой входы усилителя закорочены. В этой фазе АЦП преобразует выходное напряжение усилителя при закороченном входе в цифровой код, модифицируемый и подаваемый цифровым процессором на вход ЦАП. Аналоговый сигнал выхода ЦАП подается в входной усилитель, 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 усредненного динамического 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.

Частично отмеченные недостатки снимаются в прецизионном КМОП усилителе по патенту РФ №2310270 от 29.12.2005г [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 усилитель 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 усилителя 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 усилитель 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 n-канальный выходной кросс-ключ к затвору n-канального транзистора выходного усилителя (Mon), дифференциальные выходы части каскода с р-канальными транзисторами (стоки Мр3, Мр4) подключены через р-канальный выходной кросс-ключ к затвору р-канального транзистора выходного усилителя (Мор), а 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 усилителя 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.

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. Усложненная каскодная 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 [5].

Наиболее близким к заявляемому, является прецизионный КМОП усилитель по патенту РФ №2724989, пр. от 21.11.2019г [6].

В этом усилителе в дифференциальный каскод входного усилителя введены две пары токовых входов: первая пара для калибровки статического смещения нуля усилителя при статическом состоянии ключей чоппера и вторая пара для калибровки динамической составляющей смещения при переключении чоппера. Калибровка смещения осуществляется в специальной фазе при закороченных входах усилителя путем определения и задания в дифференциальный каскод входного усилителя токов статической и динамической калибровки, минимизирующих смещение.

В частном случае исполнения, в КМОП усилителе с чоппер стабилизацией и калибровкой смещения к первой паре входов калибровки подключены токовые выходы ЦАП статической калибровки, а ко второй паре входов калибровки подключены токовые выходы ЦАП динамической калибровки, причем оба ЦАП калибровки включают программируемый источник тока калибровки, пропорционального току смещения усилителя, и ключи, коммутирующие выход источника тока к одному из выходов ЦАПа, в зависимости от знака смещения усилителя.

Калибровку смещения усилителя проводят в специальной фазе при закороченном входе усилителя, при этом последовательно выполняют статическую калибровку смещения в статическом состоянии управляющих сигналов кросс-ключей и динамическую калибровку смещения при рабочей частоте переключения управляющих сигналов кросс-ключей. В процессе калибровки определяют токи источников статической и динамической калибровки, минимизирующие смещение усилителя, при задании их в один из входов пар статической и динамической калибровки, в зависимости от знака смещения. В рабочем режиме усилителя токи источников, определенные в фазе калибровки, задают в соответствующие входы статической и динамической калибровки.

В частном случае исполнения, статическую и динамическую калибровки проводят последовательным приближением при включении усилителя в режим интегратора с емкостной обратной связью и закороченным входом, при этом на каждом шаге последовательного приближения закорачиванием конденсатора обратной связи обнуляют выход усилителя, через заданное время интегрирования после обнуления определяют знак выходного напряжения усилителя, и по знаку изменения выходного напряжения определяют направление изменения тока калибровки для следующего шага последовательного приближения.

Недостатком данного решения является необходимость специальной фазы калибровки с закороченными входами усилителя, которая должна повторяться при изменении температуры или напряжения питания, изменяющих как статическую, так и динамическую, составляющие смещения. Особенно большое время требуется для прецизионной (до уровня микровольта) калибровки динамического смещения при работе чоппера. Относительно большой ток калибровки статического смещения, вследствие рассогласования параметров транзисторов дифференциальных пар, вводимый в только в N-канальную (или только в Р-канальную часть) каскода входного усилителя, увеличивает динамическую составляющую смещения и ее нестабильность в диапазоне рабочих температур и напряжения питания, тем больше, чем больше величина тока калибровки. Также и ток калибровки динамического смещения, вводимый в только в N-канальную (или только в Р-канальную часть) каскода, увеличивает динамическую составляющую смещения и ее нестабильность в диапазоне рабочих температур и напряжения питания. Кроме того, относительно большие токи калибровки, сравнимые с постоянными токами и задаваемые в каскод ассиметрично, приводят к увеличению нелинейности выходного напряжения усилителя.

Целью настоящего изобретения является уменьшение динамического смещения усилителя с чоппер-стабилизацией, повышение его стабильности в диапазоне рабочих температур и напряжений питания.

Поставленная цель достигается тем, что в КМОП усилителе с чоппер стабилизацией и калибровкой смещения, включающем выходной усилитель на n- и р-канальных транзисторах с общим стоком, образующим выход усилителя, и входной дифференциальный каскодный усилитель, в котором входы усилителя подключены через входной кросс-ключ к затворам транзисторов входных n- и р- канальных дифференциальных пар, выходы n-канальной части каскода подключены через n-канальный выходной кросс-ключ к затвору n-канального транзистора выходного усилителя, выходы р-канальной части каскода подключены через р-канальный выходной кросс-ключ к затвору р-канального транзистора выходного усилителя, выходы n- и р- канальных выходных кросс-ключей соединены через транзисторы источников тока смещения, усилитель имеет пары входов статической и динамической калибровки, к которым подключены источники токов калибровки, пропорциональных току смещения усилителя, входной усилитель имеет, две пары входов статической калибровки, подключенных к входам выходных кросс-ключей и две пары входов динамической калибровки, подключенных к выходам выходных кросс-ключей, к двум парам входов статической калибровки подключены две пары выходов источника тока статической калибровки, к двум парам входов динамической калибровки подключены две пары выходов источника тока динамической калибровки.

В частном случае поставленная цель достигается тем, что источник тока калибровки с двумя парами выходов включает ЦАП с двумя токовыми выходами и токовые зеркала, повторяющие выходные токи ЦАП, на одну пару выходов источника и, инвертирующие их, на вторую пару выходов источника.

В другом частном случае поставленная цель достигается тем, что к каждому выходу источника тока калибровки подключены выходы двух токовых зеркал с противоположными направлениями тока, а выходы каждой пары имеют противоположные токи.

Поставленная цель также достигается применением способа калибровки смещения заявляемого КМОП усилителя, в котором последовательно выполняют статическую калибровку в статическом состоянии кросс-ключей и динамическую калибровку при переключающихся кросс-ключах, в процессе которых определяют токи источников, минимизирующие выходное напряжение усилителя при его закороченном входе, при этом во входы калибровки в каждой из пар задают противоположные по направлению токи.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

На Фиг. 1 представлена описанная ранее блок-схема усилителя, реализующая известный метод чоппер-стабилизации смещения.

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

На Фиг. 3 представлена упрощенная схема описанного ранее КМОП усилителя с чоппер стабилизацией по патенту РФ №2310270.

На Фиг. 4 представлена наиболее близкая к заявляемой схема КМОП усилителя с чоппер стабилизацией и калибровкой смещения по патенту РФ №2724989 [6], в которой в известный усилитель (Фиг.3) введены две пары входов калибровки, причем первая (sp, sn) пара входов калибровки подключена к выходам n- канальных транзисторов входного дифференциального усилителя, вторая (dp, dn) пара подключена к выходам n- канальных выходных кросс-ключей, а к входам калибровки подключены 2 пары программируемых источников токов калибровки: пара источников токов статической калибровки Isp, Isn и пара источников токов динамической калибровки Idp, Idn, пропорциональных току смещения усилителя.

На Фиг. 5 представлена схема заявляемого КМОП усилителя с чоппер стабилизацией и калибровкой смещения, аналогичного уже описанному усилителю, представленному на Фиг. 4. Заявляемый усилитель имеет четыре пары входов калибровки: две пары входов статической калибровки S1p, S1n и S4p, S4n, подключенных к входам выходных кросс-ключей и две пары входов динамической калибровки D2p, D2n и D3p, D3n, подключенных к выходам выходных кросс-ключей. Пары входов калибровки S1p, S1n и D2p, D2n подключены к n- канальному кросс-ключу, а пары входов калибровки D3p, D3n и S4p, S4n подключены к p- канальному кросс-ключу.

На Фиг. 6, 7 представлены схемы источников тока калибровки, подключаемых к соответствующим входам калибровки усилителя. Схемы источников тока статической и динамической калибровки эквивалентны и отличаются только диапазоном выходных токов ЦАП, который задается в ЦАП коэффициентом деления тока, поступающего на вход Ibs. Оба ЦАП статической (DACIs) и динамической (DACId) калибровок имеют по два токовых выхода, набор двоично-взвешенных источников тока, выбираемых в соответствии с входными кодами калибровки calS<9:0> и calD<9:0> и ключ, подключающий выбранный набор источников тока к одному из выходов каждого ЦАП (ISp, ISn и IDp, IDn). К выходам ЦАП подключены токовые зеркала, повторяющие выходные токи ЦАП и инвертирующие их направление.

На Фиг. 6. представлены схемы источников тока калибровки усилителя по п. 2 Формулы с двумя парами выходов статической калибровки S1n, S1p и S4n, S4p, и динамической калибровки D1n, D1p и D4n, D4p, подключаемых к соответствующим входам калибровки усилителя. Так выходы источников с вытекающими токами S1n, S1p и D1n, D1p, подключены к входам калибровки, соединенным с n- канальным выходным кросс-ключом, а выходы источников с втекающими токами S4n, S4p и D4n, D4p, подключены к входам калибровки, соединенным с p- канальным выходным кросс-ключом. Отметим, что в схеме усилителя на Фиг. 5 полярности (n и p) входов калибровки, подключенных к p- канальному кросс-ключу, и входов калибровки, подключенных к n- канальному кросс-ключу противоположны. Таким образом, если, например, смещение усилителя приводит к смещению его выхода в плюс, для компенсации этого смещения необходим ток на выходе Isn (Idn) ЦАП, подаваемый соответственно на входы калибровки S1n (D2n) и S4n (D3n).

На Фиг. 7 представлены схемы источников тока калибровки усилителя по п. 3 Формулы также с двумя парами выходов статической калибровки S1n, S1p и S4n, S4p, и динамической калибровки D1n, D1p и D4n, D4p, подключаемых к соответствующим входам калибровки усилителя. Однако в этой схеме к каждому выходу источника и соответственно к каждому входу калибровки усилителя подключены по два выхода токовых зеркал с противоположным направлением тока, что дает возможность в каждый вход калибровки усилителя задавать втекающий или вытекающий ток калибровки, в зависимости от знака смещения усилителя. При этом во входы калибровки в каждой из пар одновременно задаются противоположные по направлению токи, и в выходы каждой пары также задаются противоположные токи.

Отметим, что источник тока Ibs, задает ток смещения усилителя, размножаемый и масштабируемый токовыми зеркалами, так, что токи всех транзисторов усилителя, выполняющих функции источников тока, согласованы между собой. Выходные токи ЦАП калибровки DACIs, DACId, формируемые из того же тока Ibs и масштабируемые токовыми зеркалами в ЦАП, выполняющими функции программируемых источников тока, пропорциональны исходному току lbs в диапазоне рабочих напряжений питания и температуры, что необходимо для сохранения эффективности калибровки при изменениях температуры и напряжения питания.

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 усилителя.

Ошибки согласования параметров пар идентичных транзисторов усилителя, неизбежные при изготовлении, приводят к смещению. Ошибки согласования параметров пар идентичных транзисторов входного дифференциального усилителя вносят наибольший вклад в смещение и его зависимость от уровня синфазного входного сигнала, температуры и напряжения питания, а также его нестабильность во времени (низкочастотный 1/f шум).

Уменьшение смещения, его температурного и временного дрейфа, а также низкочастотного шума достигается использованием чоппер стабилизации входного усилителя. При этом, 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, поделенное на коэффициент усиления входного усилителя. 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.

Однако, на практике всегда имеет место эффективное динамическое смещение, из-за асимметрии скважности и фронтов 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.

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 используют сглаживающий низкочастотный фильтр, существенно ограничивающий частоту сигналов.

Амплитуду пульсаций выходного сигнала уменьшают калибровкой смещения усилителя в статическом состоянии чоппера, для чего входной усилитель имеет входы S1p, S1n, S4p, S4n статической калибровки, к которым подключены выходы источника тока статической калибровки. В фазе калибровки входы усилителя замыкаются, и в статическом состоянии чоппера определяются токи IS1p, IS4p, и (или) IS1n, IS4n, при которых минимизируется выходное напряжение смещения усилителя. В каскодной схеме входного усилителя с комплементарными дифференциальными парами работают 2 канала усиления входного сигнала: PMOS вход с NMOS нагрузкой и NMOS вход с PMOS нагрузкой, причем согласованные пары транзисторов в каждом канале усиления будут иметь разные случайные рассогласования параметров, поэтому в общем случае наилучшая компенсация средне-статистического статического смещения усилителя достигается его калибровкой по двум каналам усиления, что достигается одновременным введением токов статической калибровки в n- и p- канальные части каскода. В простейшем случае эти токи (втекающие и вытекающие), различаются по направлению, и равны или близки по абсолютной величине. Одновременное задание в каскод 2-х токов статической калибровки в один из входов каждой из двух пар (по п.2 Формулы и Фиг. 5А), по сравнению с одним током статической калибровки в известном усилителе (Фиг. 4), уменьшает величину тока статической калибровки в 2 раза и приводит к меньшей асимметрии динамических характеристик выходного сигнала при переключении ключей чоппера. Это существенно уменьшает динамическое смещение и улучшает его стабильность при изменении температуры и (или) напряжения питания. Одновременное задание в каскод 4-х токов статической калибровки в каждый из входов каждой из двух пар (по п.3 и 4 Формулы и Фиг. 7), по сравнению с одним током статической калибровки в известном усилителе (Фиг. 4), уменьшает величину тока статической калибровки более, чем в 4 раза, и приводит к еще меньшей асимметрии динамических характеристик выходного сигнала при переключении ключей чоппера. Уменьшение величины относительно больших токов статической калибровки и их симметричное задание в 4 входа калибровки также уменьшает нелинейность усилителя.

При нормальной работе усилителя с активной чоппер стабилизацией и задании во входы статической калибровки ранее определенных токов статической калибровки пульсации выходного напряжения усилителя, связанные со смещением входного усилителя значительно уменьшены.

Для компенсации остаточного динамического смещения усилителя с чоппер стабилизацией предусмотрены две пары входов динамической калибровки (D1p, D1n D4p, D4n), к которым подключены две пары выходов источника тока динамической калибровки. В фазе калибровки с замкнутыми входами усилителя определяются токи динамической калибровки, минимизирующие выходное напряжение усилителя, при переключающихся с заданной частотой ключах чоппера.

При нормальной работе усилителя с активной чоппер стабилизацией и одновременном задании токов статической и динамической калибровок пульсации выходного напряжения усилителя на частоте чоппера и его динамическое смещение, вызванное переключением ключей чоппера, будут минимизированы.

В простейшем частном случае 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 знак выходного напряжения усилителя. Выдержка в режиме интегрирования определенное время после обнуления приведет к возрастанию или уменьшению напряжения на выходе интегратора на величину, достаточную для надежной фиксации направления изменения выходного напряжения. По знаку изменения выходного напряжения определяют направление изменения тока для следующего шага последовательного приближения.

В таблице 1 приведено сравнение расчетных параметров заявляемого усилителя с двумя парами входов статической и динамической калибровки, приведенного на Фиг. 5, с источниками токов калибровки, приведенными на Фиг. 7, и известного усилителя приведенного на Фиг. 5, с одной парой входов статической и динамической калибровки.

Комментарии к таблице 1:

- под смещением, понимается смещение нуля усилителя, приведенное к входу.

- под эффективным смещением (Voffs) при работе чоппера (Fchop=100кГц) понимается приведенное к входу усредненное смещение нуля.

- в рассогласованном усилителе вводятся перекосы ширины каналов в парах согласованных транзисторов во входных дифференциальных парах, каскоде, кросс-ключах, причем подобраны худшие комбинации перекосов всех согласованных пар, соответствующие приблизительно одной сигме рассогласования в каждой паре.

- в колонках min, max приведены минимальные и максимальные значения параметров в полном диапазоне условий эксплуатации (range T, Vdd, Vss).

- статическая и динамическая калибровки проводились только в нормальных условиях (Т= 25°С, Vdd=3В, Vss= 1,8В).

Высокий коэффициент усиления входного усилителя обуславливает низкое смещение (менее 1 мкВ) согласованного усилителя даже при отсутствии чоппер - стабилизации (частота коммутации кросс-ключей Fchop=0, строка 1 таблицы).

Введение в усилитель ошибок согласования транзисторов при отсутствии чоппер - стабилизации ведет к резкому возрастанию смещения (до 3600 мкВ, строка 2 таблицы). Включение чоппер - стабилизации уменьшает эффективное смещение нуля до 3-4 мкВ (строка 3 таблицы). При этом значительно уменьшается температурный дрейф смещения: до 0,008 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 7200 мкВ, которые в результате статической калибровки уменьшаются до 20-40 мкВ.

Таблицa 1 № Условия работы,
параметр Ед. измер. min typ max Delta
(max-min) 01 Положительное питание, Vdd, range от 2,8 до 3,15 В range 3,0 range range 02 Отрицательное питание, Vss,
range от 1,7 до 1,9 В range -1,8 range range 03 Температура, Т, range от -60 до 125 °С range -60 25 125 range range Общие параметры усилителя без калибровки 1 Смещение согласованного усилителя при Fchop=0 мкВ -0,76 -0,028 0,2 0,96 2 Смещение усилителя с рассогласованием при Fchop=0 мкВ -3211 -2670 -2073 1138 3 Эффективное смещение усилителя с рассогласованием при Fchop=100кГц мкВ -4,42 -2,94 -3,27 -4,34 -2,8 1,62 Известный усилитель (Фиг. 4) 4 Ток статической калибровки мкА 11,12 5 Смещение усилителя с рассогласованием после статической калибровки при Fchop=0 мкВ 6 Эффективное смещение усилителя с рассогласованием после статической калибровки при Fchop=100кГц мкВ -21,26 -14,99 -17,6 -20,99 -14,35 6,91 7 Ток динамической калибровки нА 42,1 8 Эффективное смещение усилителя с рассогласованием после динамической калибровки при Fchop=100кГц мкВ -1,74 0,57 0,15 -1,23 0,57 2,26 9 Температурный коэффициент смещения мкВ/°С -0,01 10 Нелинейность выхода интегратора % 0,045 Заявляемый усилитель (Фиг. 5, 7) 14 Ток статической калибровки мкА 2,729 15 Смещение усилителя с рассогласованием после статической калибровки при Fchop=0 мкВ 16 Эффективное смещение усилителя с рассогласованием после статической калибровки при Fchop=100кГц мкВ -4,82 -2,89 -3,29 -4,66 -2,78 2,04 17 Ток динамической калибровки нА 2,25 18 Эффективное смещение усилителя с рассогласованием после динамической калибровки при Fchop=100кГц мкВ -1,097 0,04 -0,14 -0,87 0,144 1,24 19 Температурный коэффициент смещения мкВ/°С -0,005 20 Нелинейность выхода интегратора % 0,03

Применение динамической калибровки уменьшает типовое эффективное смещение нуля усилителя с чоппер - стабилизацией до 0,15 мкВ в известном усилителе (строка 8 таблицы) и до 0,14 мкВ в заявляемом усилителе (строка 18 таблицы).

Отметим, что калибровка в известном и заявляемом усилителях в конкретных условиях эксплуатации (температура и напряжения питания) приводит к одинаковой погрешности компенсации смещения, определяемой разрядностью ЦАП калибровки и дискретностью его выходного тока. Основным преимуществом калибровки в заявляемом усилителе, по сравнению с прототипом, является значительное уменьшение токов калибровки: статического с 11 мкА в прототипе до 2,7 мкА в заявляемом и динамического соответственно с 42 мкА до 2,3 мкА, а также их симметричное задание в плечи каскода, в результате чего существенно уменьшается зависимость смещения усилителя, откалиброванного только при нормальных условиях, от температуры и напряжения питания, а также улучшается линейность выходного напряжения усилителя в режиме интегратора.

Из таблицы видно, что в заявляемом усилителе, откалиброванном только в нормальных условиях, по сравнению с аналогичным усилителем по прототипу, изменение смещения в диапазоне условий эксплуатации после статической калибровки уменьшено с 6,91 до 2,04 мкВ, а после динамической калибровки с 2,26 до 1,24 мкВ, температурный коэффициент смещения уменьшен с 0,01 до 0,005 мкВ/°С, а нелинейность выходного напряжения усилителя в режиме интегратора уменьшена с 0,045% до 0,03%.

Следует отметить, что приведенное улучшение параметров получено для типовых моделей с рассогласованием параметров транзисторов, соответствующим одной сигме. Для других моделей и при большем рассогласовании транзисторов исходное смещение и токи калибровки увеличатся, что приведет к еще большему преимуществу заявляемого усилителя.

Таким образом, для заявляемого усилителя существенно расширяется диапазон условий эксплуатации, в которых можно не проводить перекалибровку, требующую специальной фазы, во время которой усилитель не выполняет свою рабочую функцию.

Заявляемый усилитель может быть использован, например, в прецизионных интеграторах АЦП и ПНЧ, или 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 смещение нуля, его температурный и временной дрейф, а также низкочастотный шум в расширенном диапазоне условий эксплуатации.

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.

6. Патент РФ №2724989.

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в микроэлектронных системах обработки сигналов. Технический результат - уменьшение динамического смещения усилителя с чоппер-стабилизацией, повышение его стабильности в диапазоне рабочих температур и напряжений питания. Такой результат достигается тем, что в КМОП-усилителе входной усилитель имеет две пары входов статической калибровки, подключенных к входам выходных кросс-ключей, и две пары входов динамической калибровки, подключенных к выходам выходных кросс-ключей, а к двум парам входов статической калибровки подключены две пары выходов источника тока статической калибровки и к двум парам входов динамической калибровки подключены две пары выходов источника тока динамической калибровки, при этом во входы калибровки в каждой из пар задают противоположные по направлению токи и во входы калибровки каждой пары задают противоположные токи. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. КМОП-усилитель с чоппер-стабилизацией и калибровкой смещения, включающий выходной усилитель на n- и р-канальных транзисторах с общим стоком, образующим выход усилителя, и входной дифференциальный каскодный усилитель, в котором входы усилителя подключены через входной кросс-ключ к затворам транзисторов входных n- и р-канальных дифференциальных пар, выходы n-канальной части каскода подключены через n-канальный выходной кросс-ключ к затвору n-канального транзистора выходного усилителя, выходы р-канальной части каскода подключены через р-канальный выходной кросс-ключ к затвору р-канального транзистора выходного усилителя, выходы n- и р-канальных выходных кросс-ключей соединены через транзисторы источников тока смещения, усилитель имеет пары входов статической и динамической калибровки, к которым подключены источники токов калибровки, пропорциональных току смещения усилителя, отличающийся тем, что входной усилитель имеет две пары входов статической калибровки, подключенных к входам выходных кросс-ключей, и две пары входов динамической калибровки, подключенных к выходам выходных кросс-ключей, к двум парам входов статической калибровки подключены две пары выходов источника тока статической калибровки, к двум парам входов динамической калибровки подключены две пары выходов источника тока динамической калибровки.

2. КМОП-усилитель с чоппер-стабилизацией и калибровкой смещения по п. 1, источник тока калибровки которого включает ЦАП с матрицей двоично-взвешенных МОП-транзисторов источников тока с общим стоком и ключами, коммутирующими сток матрицы МОП-транзисторов к одному из двух токовых выходов ЦАП, отличающийся тем, что к каждому выходу ЦАП подключены токовые зеркала, повторяющие выходные токи ЦАП, на одну пару выходов источника и, инвертирующие их, на вторую пару выходов источника.

3. КМОП-усилитель с чоппер стабилизацией и калибровкой смещения по п. 2, отличающийся тем, что к каждому выходу ЦАП подключены токовые зеркала, повторяющие выходные токи ЦАП и инвертирующие их так, что к каждому выходу источника тока калибровки подключены выходы двух токовых зеркал с противоположными направлениями тока, а выходы каждой пары имеют противоположные токи.

4. Способ калибровки смещения КМОП-усилителя по п. 1 или 3, в котором последовательно выполняют статическую калибровку в статическом состоянии кросс-ключей и динамическую калибровку при переключающихся кросс-ключах, в процессе которых определяют токи источников токов калибровки, минимизирующие выходное напряжение усилителя при его закороченном входе, отличающийся тем, что во входы калибровки в каждой из пар задают противоположные по направлению токи и во входы калибровки каждой пары задают противоположные токи.