專利名稱：電流模式檢測儀表放大器的增益誤差校正電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及檢測儀表放大器(IA)領域，尤其涉及適用于減小IA增益誤差的電路和方法。
背景技術：
所有放大器都具有相應的增益指標。對于某些應用來說，重要的是要確切地知曉IC至IC間的增益的大小，并且該增益是可重復的。檢測儀表放大器(IA)就是這樣的一類應用。
許多技術被用于減小或消除可能影響IA增益的誤差源。“斬波自動穩零”技術就是這類技術中的一種。圖1顯示了典型的斬波自動穩零IA的拓撲圖；在共同待審批的專利申請TBD中詳細討論了該IA。該IA包括兩個輸入放大器輸入amp8和輸入amp17，其中輸入amp8是由FET MP1、MN1和NM3以及電流源10、12、14和16所構成，輸入amp17是由FET MP2、MN2和MN5以及電流源18、20、22和24所構成。假定這些器件都不存在著任何器件的失配，差分輸入電壓(VINP-VINN)出現在節點VO1和VO2之間，并且施加在具有電阻值為R1的電阻器26的兩端。除了靜態電流之外，R1中的隨著VINP-VINN而變化的電流(IR1)會流過MN1和MN2。這就導致在節點IO1和IO2上形成電流，此電流分別施加于FET MN4/MN3和MN6/MN5，從而形成在MN1和MN2中的電流變化返回到輸出節點28附近的虛地節點，其中輸出節點通過具有電阻值R2的電阻器30連接著接地點。因為FET MN4和MN6各自載有來自R1的信號電流，所以流入R2的電流是流入R1的電流的兩倍。因此，電流模式拓撲的電壓增益為G＝2*(R2/R1)。
這兩個輸入放大器都是斬波自動穩零的。通過使用開關32a/32b、34a/34b和36a/36b，兩個輸入放大器可以在開關被觸發時改變位置，從而消除在輸入放大器中的直流電壓失配。在電流源中的失配也會被隔斷，使之在沒有信號時R2中的平均電流為零。
然而，該拓撲也存在著缺點當將差分輸入信號施加在VINP和VINN上時，在IA的“增益設置”節點VO1和VO2上所出現的寄生電容(CP1、CP2)會導致增益誤差。例如，假設VINP為2V和VINN為1V。當最左側的放大器從1V輸入切換到2V輸入時，寄生電容CP1就一定被充電。這就減少了在NM1中的電流量，增大了在相互串聯連接的MN4和電流鏡FET MP3中的電流。所增加的電流就會鏡像到MP4，從而導致MP4電流的增大，其大小與寄生電容CP1和差分輸入電壓的大小成比例。同時，最右側的放大器從2V輸入切換到1V輸入。這時，寄生電容CP2就一定被放電，這增加了在MN2中的電流量并減小了在MN6中的電流量。這兩種效應一起增加了流入R2中的電流量。如果輸入電壓反向，則效果也是類似的，只是其結果是在MP4中的電流減小和在MN6中的電流增加。這就導致流入R2的電流減小。這種由于CP1和CP2所引起的R2電流中的變化導致增益誤差，該誤差與CP1和CP2以及斬波頻率的大小成比例。這種切換的寄生電容像一個阻值為Req＝1/(2*f*C)的電阻器，式中f是斬波頻率而C是寄生電容。該等效電阻與R1相平行。
為R1所選擇的數值必須是足夠大，以使得從輸入放大器中所分流的電流不會使放大器中的任何器件截止。這對于大的輸入信號來說就很成問題，這樣，R1的數值對小的G值就必須比高的G值選擇得大些，在高G值下輸入信號的范圍更受限制。因為R1的數值對于小的增益結構是較大的，所以當IA構成小的G值時等效電阻Req的效應就特別不利。
因斬波過程的結果而改變電壓的在任何其它片上或片外電路節點上的寄生電容都可在IA放大器增益中產生類似的誤差。例如，輸入放大器的晶體管、電容器、電阻器、金屬引線、粘合焊盤以及電感器都會具有相應的寄生電容，從而當IA斬波時就會產生增益誤差。
發明內容
本發明所提供的增益誤差校正電路可以在與斬波自動穩零電流模式IA相耦合時減小與寄生電容相關的增益誤差。
根據本發明的斬波自動穩零電流模式IA包括第一和第二輸入放大器，其中第一和第二輸入放大器與各自輸入節點相耦合，并設置成可響應于施加在輸入節點上的差分輸入電壓而產生各自的電流；所述電流耦合至輸出節點。各個輸入放大器包括多個具有相應的寄生電容的器件和/或結構。當IA被斬波時，這些器件和/或結構就會產生各自的電流，這些電流會引起IA的增益數值偏離所需要的數值。
為了減小可能是由構成輸入放大器的片上和/或片外器件和/或結構的寄生電容所引起的增益誤差，將增益校正電路耦合至IA。該增益誤差校正電路可設置成能夠復制至少部分寄生電容，并且向IA提供用于減小可能引起的輸入和輸出增益誤差的補償電流。
增益校正電路較佳地包括多個器件(例如，晶體管、電阻器、電容器)，這些器件各自對應于輸入放大器中的一個器件和/或結構，各個增益校正器件以及它所對應的輸入放大器器件或結構都具有類似的特性。
從以下結合附圖的詳細描述中，本領域的技術人員將能更加清晰地了解本發明的其它性能和優點。
圖1是斬波自動穩零電流模式IA的電路圖。
圖2是在斬波自動穩零電流模式IA中所使用的輸入放大器的電路圖，以及根據本發明的增益誤差校正電路。
具體實施例方式
本發明提供了一種適用于校正在斬波自動穩零電流模式IA中的與輸入和輸出有關的增益誤差的裝置。這是采用增益校正電路來實現的，該電路耦合至IA，并且包括可復制對應于IA部分的片上和/或片外器件和/或結構的寄生電容的器件。復制器件可用于產生反向注入給IA以便用于校正輸入和輸出參考增益誤差的補償電流。
本文所述的增益校正電路一般可用于校正與任何斬波自動穩零電流模式IA中的寄生電容相關的增益誤差。然而，盡管本發明的原理具有普遍的應用性，但是增益校正電路需要采用復制器件來產生所需的補償電流；所以增益校正電路的實現將取決于所需校正的IA的情況而變化。因此，為了達到說明的目的，本文只討論一特定的IA，以及適用于該特定IA使用的增益校正電路。然而，本發明的使用并不局限于所討論的IA和增益校正電路，從本發明的原理可以得出應用于任何給定的斬波自動穩零電流模式IA的合適的增益校正電路。
圖2顯示了對類似于圖1所示的放大器8和17的輸入放大器更加精確的實現方法。圖1所示的放大器FET MP1/MN1類似于圖2所示的FET MP10和MN10，而節點VO和IO類似于圖1所示的節點VO1(或VO2)和IO1(或IO2)。
通過與MP10的柵極和漏極相耦合的共射共基環路來設置MP10的漏極電壓并且可設置成MP10的Vgs基本上維持為恒定。FET MN12a、MN12b、MP12、MN13和MN14較佳地疊加以提供共射共基環路。為了實現共射共基，將一固定的電壓源100連接在VIN和MN12b的柵極之間。MN12b的源極連接著MN12a的源極，從而形成一個差分對。該差分對可控制在MN13中的電流，接著通過控制MN14來調節MP10的漏極電壓。使MP10的漏極電壓大致等于MN12b的柵極電壓。較佳地是包括共射共基的FET MN15-MN16，以使得MN14的漏極-源極間的電壓最小化。
正如以上所提到的，增益誤差是由在增益設置電阻器節點(VO)上的寄生電容所引起的。類似的增益誤差也可以由響應于輸入信號的斬波而改變電壓的其它節點(例如，在MP12源極上的節點102、在MN12a/MN12b的共同源極上的節點104，以及MP10的漏極)上的電容所引起的。當差分信號施加于IA的輸入上時，這些節點在兩個電壓之間被斬波，形成具有峰峰值幅度等于差分電壓輸入的方波波形。其它器件和/或結構，無論是片上或是片外的，包括(但并不局限于)晶體管、電容器、電阻器、金屬引線、粘合焊盤和電感器，當IA斬波時都能夠具有相應寄生電容且產生電流，因而使增益G偏離所需要的值。
為了減小這些與寄生電容相關的增益誤差，IA包括耦合至IA輸入放大器中的一個放大器的增益校正電路106；類同于電路106的增益校正電路將與IA的另一個輸入放大器相連接。電路106耦合至輸入放大器并且設置成可復制至少部分寄生電容以及向IA提供補償電流，具體說是，向對應于“反向”輸入放大器的信號路徑提供補償電流，從而減小可能由寄生電容所產生的增益誤差。增益校正電路包括多個器件，這些器件各自對應于具有相應寄生電容的輸入放大器器件和/或結構中的一個，各個增益校正電路器件以及它所對應的器件和或結構具有類似的特性。
適用于圖2所示的IA輸入放大器使用的一種可能的增益校正電路包括第一部分108和第二部分110。無論共模輸入電壓如何，部分108都十分有用。部分108包括FET MP13，其柵極連接于輸入電壓VIN，該輸入電壓施加于輸入放大器的輸入端(即，MP10的柵極)，以及將其源極連接于固定電流源112的輸出。當如此設置時，在MP13的源極(節點114)上的電壓是一個方波，它與在節點VO、102、104和MP10的漏極所看到的波形基本相匹配。連接于節點114的各個器件復制存在于跟隨輸入信號的輸入放大器節點之一上的器件電容。其結果是，可以由MP13來產生補償電流并且復制器件的電容。該電流應該基本等于在輸入放大器中所產生的誤差電流。來自MP13漏極的電流(在標記為“X2”的節點上所提供的)用作為增益校正電路部分108的輸出，以所提供的電流注入跟隨“反向”輸入放大器(未顯示)的IO節點的電流源來校正該誤差項，并且形成注入虛地接地節點的電流(假定IA實現方法類似于圖1所示)；注入的點將對應于圖2中標記為X1的節點。該電流包含饋入節點114的DC電流加上流入或流出寄生電容的電流。因為這是電流模式的拓撲，通過校正電路從反向輸入放大器所消除的電荷只需要與在第一輸入放大器的寄生電容中所存儲的電荷相匹配就可以。
在該典型實施例中，復制器件和輸入放大器的器件或結構具有下列對應關系-MP13對應于IA器件MP10-MN19對應于MN12a-MN20對應于MN12b-MP14對應于MP12-電阻器R4對應于R3-電容器C1對應于在節點VO上由于PC板和增益電阻器R1所引起的典型電容-MP15對應于向MP12提供電流的電流源FET MP16的電容-MN23對應于MN15漏極，并且可以提供少量的額外電容，它是使MN15有時候會移動的原因。值得注意的是，復制器件的特性及其它們所對應的器件或結構的特性都應該盡可能地相類似。
特別有利于增益校正電路的另一個工作條件是當IA輸入中的一個或兩個都為低時。在一定的輸入電平，MN15和MN16的漏極電壓將使這些器件處于的三極管工作區域中。當發生這一現象時，在施加一差分輸入電壓時，在MN16的源極和漏極上的電壓就會以時鐘速率變化。這就需要在這些節點上的寄生電容能夠周期性地充電和放電。這導致不需要的與輸出有關的電流流動。另外一個不利的效應是額外的電流流動調制在輸入器件(MP10)中的電流并從而調制MP10的Vgs。這就出現了在輸入放大器中的與輸入有關的電壓誤差。增益校正電路部分110就需要考慮這一工作條件。
增益校正電路部分110包括FET MN24，它連接著在輸入放大器中的MN16的源極。在MN24源極上的節點120連接著固定的電流源124，使得MN24的源極電壓跟隨著MN16的源極電壓。FET MN25和MN26復制在MN16源極處的電容，并具有下列對應關系-MN25對應于MN16-MN26對應于MN14正如以上所提到的，復制器件的特性以及它們所對應器件或結構的特性應該盡可能地相類似。
當如此設置時，在節點Y2上就會出現在MN24中流過的DC偏置電流和電容器充電電流，這是向“反向”輸入放大器(未顯示)的FET MP12所提供的注入尾隨電流；注入點對應于圖2中標記為Y1的節點。這就產生了流過反向放大器的輸入器件MP10的校正電流。該電流可以以類似于增益校正電路部分108的方法來校正增益誤差。
校正電流流過反向輸入器件的事實也有助于抵消輸入器件漏極電流的Vgs調制效應。在第一輸入放大器的輸入器件Vgs中的任何變化都應該在第二輸入放大器的輸入器件中得到復制，因為校正電流也流過反向放大器的輸入器件。于是，校正電流增加或減小流過反向放大器的MP10的電流，并依次增加或減小流出反向放大器的IO節點的電流。這是十分重要的，因為輸入和輸出有關的增益誤差都可以由增益校正電路部分110來校正。
因此，來自增益校正電路部分110的誤差校正電流可以抵消與輸入有關的增益誤差以及由該電流所引起的相應輸出誤差電壓，而增益校正電路部分108可以校正與輸出有關的增益誤差。
值得注意的是，本文所討論的輸入放大器實現方法和增益校正電路的實現方法僅僅是一個實例。斬波自動穩零電流模式IA的輸入放大器可以各種各樣的方法來實現，并且校正由于寄生電容所引起的與輸入和輸出有關的增益誤差所需要的增益校正電路取決于特定輸入放大器的實現方法。重要的是，將增益校正電路耦合至IA并設置成可復制至少部分輸入放大器的內在寄生電容以及向IA提供補償電流以減小由于寄生電容所引起的增益誤差。
還要值得注意的是，盡管本文所討論的輸入放大器和增益校正電路是采用FET來實現的，但是也可以采用雙極型晶體管，只要放大器的器件和/或結構以及對應于復制器件的器件和/或結構都具有類似的特性。
雖然在上面討論了本發明的特殊實施例，本技術領域內的技術人士也可以采用眾多稍有變化和變型的實施例。因此，本發明只受所附權利要求的內容的限制。
權利要求
1.一種斬波自動穩零電流模式檢測儀表放大器(IA)，它包括第一和第二輸入節點；輸出節點；第一和第二輸入放大器，它們耦合至所述第一和第二輸入節點并設置成可響應施加于所述第一和第二輸入節點的差分輸入電壓產生各自的電流，所述電流耦合至所述輸出節點，所述IA具有相關的所需要的增益值G，所述輸入放大器各自包括多個具有相關寄生電容的片上和/或片外的器件和/或結構，所述IA斬波時該寄生電容產生各自的電流，因而使增益G偏離所需要的值，以及，增益校正電路，耦合至所述IA，并設置成可復制至少部分所述寄生電容且可向所述IA提供補償電流，以減小由于所述寄生電容所引起的增益誤差。
2.如權利要求1所述的IA，其特征在于，至少一些寄生電容會在所述相關的增益數值G中產生與輸入有關的誤差，所述增益校正電路設置成減小所述與輸入有關的增益誤差。
3.如權利要求1所述的IA，其特征在于，至少一些所述相關的寄生電容會在所述需要的增益數值G中產生與輸出有關的誤差，所述增益校正電路設置成減小所述與輸出有關的增益誤差。
4.如權利要求1所述的IA，其特征在于，所述增益校正電路包括多個器件且各自對應于所述輸入放大器中具有相關寄生電容的器件和/或結構中的各個器件，各個增益校正電路及其所對應的器件和/或結構都具有類似的特性。
5.如權利要求4所述的IA，其特征在于，所述增益校正電路包括第一校正電路，它耦合至所述第一輸入放大器并向與所述第二輸入放大器相關的信號路徑提供補償電流，以減小由于所述第一輸入放大器的寄生電容所引起的增益誤差；以及，第二校正電路，它與所述第二輸入放大器相耦合并向與所述第一輸入放大器相關的信號路徑提供補償電流，以減小由于所述第二輸入放大器的寄生電容所引起的增益誤差。
6.如權利要求5所述的IA，其特征在于，所述第一輸入放大器包括輸入場效應晶體管(FET)MP1，其柵極耦合至所述第一和第二輸入節點中的反向節點，而其源極連接著節點VO1；所述第二輸入放大器包括輸入FET MP2，其柵極耦合至所述第一和第二輸入節點中的另一個節點，而其源極連接著節點VO2；所述IA還包括電阻器R1，它連接在所述節點VO1和VO2之間，所述IA設置成使得R1流過一電流IR1，此電流隨著施加于所述第一和第二輸入節點的電壓之間差值而變化，所述第一和第二輸入放大器設置成可在第一和第二輸出電流節點上提供各自隨IR1變化的電流，在所述第一和第二輸出電流節點上的電流耦合至輸出節點。
7.如權利要求6所述的IA，其特征在于，所述第一校正電路在輸入端連接著MP1的柵極并設置成提供耦合至所述第二輸出電流節點的補償電流，以及所述第二校正電路在輸入端連接著MP2的柵極并設置成提供耦合至所述第一輸出電流節點相耦合的補償電流，以減小可能由于所述寄生電容所引起的與輸出有關的增益誤差。
8.如權利要求6所述的IA，其特征在于，所述第一校正電路在輸入端耦合至MP1的漏極并設置成提供調制MP2中的電流的補償電流，以減小可能由于所述寄生電容所引起的與輸入和輸出有關的增益誤差；所述第二校正電路在輸入端耦合至MP2的漏極并設置成提供調制MP1中的電流的補償電流，以減小可能由于所述寄生電容所引起的與輸入和輸出有關的增益誤差。
9.如權利要求6所述的IA，其特征在于，還包括耦合至MP1的柵極和漏極的共射共基環路并設置成使得MP1的柵極一源極之間的電壓基本上維持恒定；所述級聯環路包括多個FET，所述增益校正電路包括多個FET且各自對應于所述共射共基環路中的各個FET，各個所述增益校正電路中的FET及其所對應的共射共基環路中的FET都具有相類似的器件特性。
全文摘要
斬波自動穩零電流模式檢測儀表放大器，它包括與各自與輸入節點相耦合的第一和第二輸入放大器并設置成可響應施加于輸入節點的差分輸入電壓產生各自的電流，該電流與輸出節點相耦合。為了減小可能由于構成輸入放大器的片上和/或片外的器件和/或結構的寄生電容所引起的增益誤差，本發明包括與IA相耦合的增益校正電路。該增益校正電路可復制至少部分寄生電容并且向IA提供補償電流，以減小可能產生與輸入和輸出有關的增益誤差。
文檔編號H03F3/38GK1981432SQ200580022605
公開日2007年6月13日 申請日期2005年6月15日 優先權日2004年6月15日
發明者B·A·道茨, T·L·博特克 申請人:模擬設備股份有限公司