放大器的失调校准装置及其校准方法与流程

1.本技术涉及放大器领域，具体涉及放大器的失调校准装置及其校准方法。


背景技术：

2.放大器是模拟电路中非常重要的模块，放大器的性能指标会影响模拟模块的核心性能。其中限制放大器的指标，有一项是失调电压，这个通常是由于工艺加工偏差引起。为提升模拟电路的精度指标，对于放大器的失调电压需要作校准。
3.目前常用的放大器的失调电压优化方法有以下几种。
4.第一类是开关斩波调制放大器，通过斩波技术将低频噪声和失调电压调制到高频处，再经滤波处理来消除其影响。原理如图1所示，图中的vin是输入信号，vout是输出信号，a(f)是线性放大器的增益，m1(t)和m2(t)是对信号进行调制和解调的方波信号，vos和vn代表已确定的失调电压和噪声。其工作原理是先用一个方波信号m1(t)把输入信号vin调制到高频。为了不出现信号混叠现象，方波信号的频率应为输入信号截止频率ft的两倍以上，方波信号占空比为50％。这种方案的优点是失调消除效果好，缺点是时序控制复杂，不能处理连续信号，还需要较大的滤波电路。
5.第二类是加大放大器的关键放大管得尺寸。这种方案的优点是可以减小失调，缺点是需要更大的面积消耗。


技术实现要素：

6.基于此，本技术实施例提供一种放大器的失调校准装置，包括校准模块和控制模块，所述校准模块用于输出补偿电流到放大器，以抵消所述放大器的失调电压引起的电流偏差，消除所述放大器的失调电压；所述校准模块包括电压产生单元和电流校准单元，所述电压产生单元用于通过可调电阻进行电压调节，产生参考电压和调整电压；所述电流校准单元用于接收所述参考电压和所述调整电压，产生第一补偿电流和第二补偿电流，输出所述第一补偿电流和所述第二补偿电流到所述放大器，以抵消所述放大器的失调电压引起的电流偏差，消除所述放大器的失调电压；所述控制模块用于配置所述放大器进入校准模式，控制所述校准模块对所述放大器进行校准，并实时检测所述放大器的输出电压，以判断是否完成校准。
7.根据一些实施例，所述放大器的第一输入极和第二输入极短接，连接到所述电流校准单元接收所述参考电压的输入端。
8.根据一些实施例，所述电流校准单元包括辅助放大管。
9.根据一些实施例，所述辅助放大管与所述放大器类型相同。
10.根据一些实施例，所述电流校准单元还包括第一电流源，所述第一电流源的一端连接供电电源，另一端连接所述辅助放大管。
11.根据一些实施例，所述辅助放大管的源极连接所述第一电流源的另一端，所述辅助放大管的第一输入极输入所述参考电压且所述辅助共源放大器的第二输入极输入所述
调整电压，或者所述辅助共源放大器的第一输入极输入所述调整电压且所述辅助放大观的第二输入极输入所述参考电压，通过所述第一电流源和所述参考电压产生第一补偿电流，通过所述第一电流源和所述调整电压产生第二补偿电流。
12.根据一些实施例，所述电压产生单元包括第二电流源、可调电阻和电容，所述第二电流源的一端连接供电电源；所述可调电阻的一端连接所述第二电流源的另一端，所述可调电阻的另一端连接电源地，所述可调电阻的可调端的电压为所述调整电压；所述电容的一端连接所述可调电阻的固定抽头，所述电容的另一端连接所述电源地，所述电容的电压即为所述参考电压。
13.根据一些实施例，所述第一电流源或所述第二电流源为可调电流源。
14.根据一些实施例，所述可调电阻由所述控制模块来调节。
15.根据一些实施例，所述可调电阻的可调端包括n个可调抽头，所述n为大于1的自然数，所述可调电阻的一端与n个可调抽头通过n+1个调节开关连接所述辅助放大管的所述第一输入极或所述第二输入极。
16.根据一些实施例，所述辅助放大管包括第一放大管和第二放大管，所述第一放大管的栅极作为所述辅助放大管的第一输入极；所述第二放大管的栅极作为所述辅助放大管的第二输入极；所述第一放大管和所述第二放大管的源极连接所述第一电流源，所述第一放大管的漏极和所述第二放大管的漏极连接所述放大器。
17.根据一些实施例，所述放大器包括第三放大管和第四放大管，所述第三放大管的栅极作为所述放大器的第一输入极；所述第四放大管的栅极作为所述放大器的第二输入极；所述放大器的第一输入极连接第一开关的一端，所述放大器的第二输入极连接第二开关的一端，所述第一开关的另一端和所述第二开关的另一端短接，所述第三放大管和所述第四放大管的源极连接所述第三电流源，所述第三放大管的漏极连接所述第二放大管的漏极，所述第四放大管的漏极连接所述第一放大管的漏极。
18.根据一些实施例，所述控制模块包括开关控制电路和电压检测电路，所述开关控制电路控制所述放大器的第一输入极和第二输入极短接，依次控制n+1个所述调节开关的断开和闭合以调节所述补偿电流；所述电压检测电路实时检测所述放大器的输出电压，基于所述放大器的输出电压判定是否完成校准。
19.本技术实施例还提供一种如上所述放大器的失调校准装置的校准方法，包括：调节所述校准模块输出到所述放大器的所述补偿电流；实时检测所述放大器的输出电压，基于所述放大器的输出电压判定是否完成校准。
20.根据一些实施例，所述调节所述校准模块输出到所述放大器的所述补偿电流，包括：控制短接所述放大器的第一输入极、第二输入极与所述电流校准单元接收所述参考电压的输入端；依次控制闭合n个可调开关，通过调节所述可调电阻的值调节所述调整电压，依此调节所述补偿电流，直到所述输出电压出现跳变。
21.本技术实施例提供的技术方案，通过附加较少的电路，实现放大器的失调校准，对于版图面积和功耗消耗较少，且校准后，放大器可以处理连续的信号，电路简单，校准方式简单，方便芯片集成。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本技术要求保护的范围。
23.图1是本技术实施例提供的一种放大器的失调校准装置的组成示意图。
24.图2是本技术实施例提供的一种电流校准单元的结构框图。
25.图3是本技术实施例提供的另一种电流校准单元的结构框图。
26.图4是本技术实施例提供的一种电压产生单元的结构框图。
27.图5是本技术实施例提供的一种控制模块的结构框图。
28.图6是本技术实施例提供的一种放大器的失调校准装置的校准方法流程示意图。
29.图7是本技术实施例提供的一种放大器的失调校准装置的时序示意图。
30.图8是本技术实施例提供的另一种放大器的失调校准装置的时序示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
32.应当理解，本技术的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本技术的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
33.图1是本技术实施例提供的一种放大器的失调校准装置的组成示意图，包括校准模块200和控制模块300。
34.校准模块200用于输出补偿电流到放大器100，以抵消放大器100的失调电压引起的电流偏差，消除放大器100的失调电压。控制模块300配置放大器100进入校准模式，控制校准模块200对放大器100进行校准，并实时检测放大器100的输出电压opa_out，以判断是否完成校准。
35.校准模块200包括电压产生单元201和电流校准单元202。
36.电压产生单元201用于通过可调电阻进行电压调节，产生参考电压和调整电压。此时，放大器100的第一输入极和第二输入极短接，连接到电流校准单元202接收参考电压的输入端。电流校准单元202用于接收参考电压和调整电压，产生第一补偿电流和第二补偿电流，输出第一补偿电流和第二补偿电流到放大器100，以抵消放大器100的失调电压引起的电流偏差，消除放大器100的失调电压。
37.图2是本技术实施例提供的一种电流校准单元的结构框图。
38.在图1实施例的基础上，电流校准单元202采用辅助共源放大器。
39.辅助共源放大器的第一输入极pm2a输入参考电压vcm且辅助共源放大器202的第二输入极pm2b输入调整电压vcm_trim，通过接收参考电压vcm和调整电压vcm_trim，产生第
一补偿电流i1_b和第二补偿电流i1_a，辅助共源放大器202的输出极输出第一补偿电流i1_b和第二补偿电流i1_a到放大器100，以抵消放大器100的失调电压引起的电流偏差，消除放大器100的失调电压。
40.在另一些实施例中，电压产生单元201产生参考电压和调整电压。辅助共源放大器202的第一输入极pm2a输入调整电压vcm_trim且辅助共源放大器202的第二输入极pm2b输入参考电压vcm，通过接收参考电压vcm和调整电压vcm_trim，产生第一补偿电流i1_b和第二补偿电流i1_a，辅助共源放大器202的输出极输出第一补偿电流i1_b和第二补偿电流i1_a到放大器100，以抵消放大器100的失调电压引起的电流偏差，消除放大器100的失调电压，如图3所示。
41.辅助共源放大器包括第一电流源i1和辅助放大管pm2。辅助放大管与放大器100类型相同。
42.第一电流源i1的一端连接供电电源。辅助放大管pm2的源极连接第一电流源i1的另一端，辅助放大管pm2的第一输入极pm2a输入参考电压vcm且辅助放大管pm2的第二输入极pm2b输入调整电压vcm_trim，通过第一电流源i1和参考电压vcm产生第一补偿电流i1_b且通过第一电流源i1和调整电压vcm_trim产生第二补偿电流i1_a，辅助放大管pm2的输出极输出第一补偿电流i1_b和第二补偿电流i1_a到放大器100，以抵消放大器100的失调电压引起的电流偏差，消除放大器100的失调电压。
43.在另一些实施例中，如图3所示，第一电流源i1的一端连接供电电源。辅助放大管pm2的源极连接第一电流源i1的另一端，辅助放大管pm2的第一输入极pm2a输入调整电压vcm_trim且辅助放大管pm2的第二输入极pm2b输入参考电压vcm，通过第一电流源i1和调整电压vcm_trim产生第一补偿电流i1_b且通过第一电流源i1和参考电压vcm产生第二补偿电流i1_a，辅助放大管pm2的输出极输出第一补偿电流i1_b和第二补偿电流i1_a到放大器100，以抵消放大器100的失调电压引起的电流偏差，消除放大器100的失调电压。
44.第一电流源i1和第二电流源i2均为可调电流源。
45.辅助放大管pm2包括第一放大管pm2a和第二放大管pm2b。
46.第一放大管pm2a的栅极作为辅助放大管的第一输入极。第二放大管pm2b的栅极作为辅助放大管pm2的第二输入极。第一放大管pm2a和第二放大管pm2b的源极连接第一电流源i1，第一放大管pm2a的漏极和第二放大管pm2b的漏极连接放大器100。
47.放大器100包括第三放大管pm1a、第四放大管pm1b。
48.第三放大管pm1a的栅极通过第一开关sw1连接辅助放大管pm2的第一输入极。第四放大管pm1b的栅极通过第二开关sw2连接辅助放大管pm2的第一输入极。第一开关sw1和第二开关sw2联动，第三放大管pm1a和第四放大管pm1b的源极连接第三电流源i0，第三放大管pm1a的漏极连接第二放大管pm2b的漏极，第四放大管pm1b的漏极连接第一放大管pm2a的漏极。放大管pm3、pm4、nm1构成放大器100的共源共栅的推挽输出级。pm3包括放大管pm3a和pm3b，pm4包括放大管pm4a和pm4b，nm1包括放大管nm1a和nm1b，i3和i4是两个电流源。
49.控制模块300用于配置放大器100进入校准模式，控制校准模块200对放大器100进行校准，并实时检测放大器100的输出电压opa_out，以判断是否完成校准。
50.本实施例提供的技术方案，通过附加较少的电路，实现放大器的失调校准，对于版图面积和功耗消耗较少，且校准后，放大器可以处理连续的信号，电路简单，校准方式简单，
方便芯片集成。
51.图4是本技术实施例提供的一种电压产生单元的结构框图。
52.电压产生单元201包括第二电流源i2、可调电阻、电容c1。第二电流源i2的一端连接供电电源。可调电阻的一端连接第二电流源i2的另一端，可调电阻的另一端连接电源地，可调端的电压为调整电压vcm_trim。电容c1的一端连接可调电阻的固定抽头，另一端连接电源地，电容c1的电压即为参考电压vcm。
53.控制模块300调节可调电阻的大小。可调电阻的可调端包括n个可调抽头，n为大于1的自然数，可调电阻的一端与n个可调抽头通过n+1个调节开关s
0-sn连接辅助放大管pm2的第二输入极pm2b。
54.控制模块300包括开关控制电路301和电压检测电路302。
55.开关控制电路301控制第一开关sw1及第二开关sw2的断开和闭合，配置放大器100进入校准模式，依次控制n+1个调节开关s
0-sn的断开和闭合以调节补偿电流。电压检测电路302实时检测放大器100的输出电压opa_out，根据输出电压opa_out判定是否完成校准。
56.本实施例提供的技术方案，校准电路简单易于实现，功耗少，且校准后，放大器可以处理连续的信号，电路简单，校准方式简单，方便芯片集成。
57.图5是本技术实施例提供的一种控制模块的结构框图。
58.控制模块300包括控制器、输入电路。输入电路用于输入可调开关信号s0-sn以及输出电压检测信号。
59.图6是本技术实施例提供的一种放大器的失调校准装置的校准方法流程示意图。
60.在s110中，控制模块300调节校准模块200输出到放大器100的补偿电流。
61.控制模块300的使能信号cal_en、时钟信号cal_clock为高电平，第一开关sw1和第二开关sw2联动，控制第一开关sw1和第二开关sw2闭合，使放大器100的差分放大管的第一输入极和第二输入极短路。控制模块300依次控制闭合电压产生单元201的n+1个可调开关s
0-sn或s
n-s0，通过调节可调电阻的值调节调整电压vcm_trim，依此调节补偿电流，直到输出电压opa_out的电平发生跳变，具体时序图如图7、图8所示。
62.在电压产生单元201中，vcm_trim＝vcm+a
×
i2×
r_delt。
63.其中，vcm_trim为调整电压，vcm为参考电压，a为系数。vcm_trim大于vcm时，a为+1。vcm_trim小于vcm时，a为-1。i2为第二电流源的电流，r_delt为vcm_trim输出端到vcm输出端之间的电阻和。
64.放大器100和辅助放大管200都包含差分对放大管，差分对放大管包括两个参数相同的放大管，差分对放大管的电流差计算公式如下。
[0065][0066]
其中，i
delt
为差分对放大管的电流差，vin1为差分对放大管一端栅极输入电压，vin2为差分对放大管另一端栅极输入电压，iss为差分对放大管的尾电流。
[0067]
k＝u
×cox
×
w/l。
[0068]
其中，k为放大管的系数，u为放大管的沟道迁移率，c
ox
为栅氧化层电容，w为放大管的沟道宽度width，l为放大管的有效沟道长度length。
[0069]
当放大器输入极短接时，由于放大管pm1a/pm1b失调电压vos的影响，会引入一个
失调电压引起的失调电流i
delt_vos_100
。
[0070][0071]
其中，i
delt_vos_100
为失调电压引起的失调电流，v
os
为失调电压，i0为差分放大管的尾电流，k
100
为放大器100的放大管的系数。
[0072]
通过调节调整电压vcm_trim，通过辅助放大管pm2a/pm2b引入一个电压差vos_cal＝vcm_trim-vcm＝a
×
i2×
r_delt，产生补偿电流ios_cal_200＝i1a-i1b，来抵消由于放大管pm1a/pm1b的失调电压vos引起的idelt_vos_100失调电流。
[0073][0074]
其中，i1为第一电流源的电流，k
200
为辅助放大管200的放大管的系数。
[0075]
在s120中，控制模块300实时检测放大器100的输出电压opa_out的电平是否发生跳变，输出电压opa_out的电平发生跳变则判定完成校准。
[0076]
在如图2所示的方案中，辅助放大管的第一输入极pm2a输入参考电压vcm，辅助放大管的第二输入极pm2b输入调整电压vcm_trim，控制模块300依次控制闭合电压产生单元201的n+1个可调开关s
0-sn，输出电压opa_out的初始电平为低电平，通过调节可调电阻的值调节调整电压vcm_trim，依此调节补偿电流，检测到输出电压opa_out的电平为高电平时判定完成校准，时序图如图7所示。
[0077]
在如图2所示的方案中，辅助放大管的第一输入极pm2a输入参考电压vcm，辅助放大管的第二输入极pm2b输入调整电压vcm_trim，控制模块300依次控制闭合电压产生单元201的n+1个可调开关s
n-s0，输出电压opa_out的初始电平为高电平，通过调节可调电阻的值调节调整电压vcm_trim，依此调节补偿电流，检测到输出电压opa_out的电平为低电平时判定完成校准，时序图如图8所示。
[0078]
在如图3所示的方案中，辅助放大管的第一输入极pm2a输入调整电压vcm_trim，辅助放大管的第二输入极pm2b输入参考电压vcm，控制模块300依次控制闭合电压产生单元201的n+1个可调开关s
0-sn，输出电压opa_out的初始电平为高电平，通过调节可调电阻的值调节调整电压vcm_trim，依此调节补偿电流，检测到输出电压opa_out的电平为低电平时判定完成校准，时序图如图8所示。
[0079]
在如图3所示的方案中，辅助放大管的第一输入极pm2a输入调整电压vcm_trim，辅助放大管的第二输入极pm2b输入参考电压vcm，控制模块300依次控制闭合电压产生单元201的n+1个可调开关s
n-s0，输出电压opa_out的初始电平为低电平，通过调节可调电阻的值调节调整电压vcm_trim，依此调节补偿电流，检测到输出电压opa_out的电平为高电平时判定完成校准，时序图如图7所示。
[0080]
放大管pm3、pm4、nm1构成放大器100的共源共栅的推挽输出级。pm3包括放大管pm3a和pm3b，pm4包括放大管pm4a和pm4b，nm1包括放大管nm1a和nm1b，i3和i4是两个电流源。
[0081]
本实施例提供的技术方案，在上述实施例基础上，通过简单的校准方式，实现放大器的失调校准，且校准后，放大器可以处理连续的信号。
[0082]
以上对本技术实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本技术的思想，基于本技术的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本技术保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。