本發(fā)明涉及模擬集成電路領(lǐng)域，特別涉及一種可用于傳感器和數(shù)字模擬混合信號(hào)電路中跨導(dǎo)放大器輸出電流失調(diào)消除結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

各類(lèi)傳感器通過(guò)將自然界中的光信號(hào)，聲信號(hào)，壓力信號(hào)等各種信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)后級(jí)電路處理后變成人們可以處理的電信號(hào)，大大提高了人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然的能力。而傳感器信號(hào)讀出領(lǐng)域最初獲得的電信號(hào)常常是模擬信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)碾娐诽幚矸糯蟛拍軌虮缓罄m(xù)電路識(shí)別。因此對(duì)微弱電信號(hào)的降噪和放大方法一直是傳感器讀出電路研究熱點(diǎn)。

在SOI二極管型紅外圖像探測(cè)器中，二極管工作在正偏狀態(tài)下，光學(xué)系統(tǒng)將紅外輻射傳遞到探測(cè)器表面，造成探測(cè)器溫度升高，利用二極管的IV特性隨溫度變化的特點(diǎn)獲得電壓變化ΔV,如圖1所示。在讀出電路中輸入級(jí)往往采用跨導(dǎo)放大器模塊，先將ΔV轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)ΔI，再進(jìn)行積分，獲得放大后的可處理信號(hào)，最終經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化輸出。

然而最初獲得的電壓信號(hào)ΔV較微弱，相對(duì)信號(hào)ΔV，輸入級(jí)跨導(dǎo)放大器自身失調(diào)電壓較大，會(huì)減少后續(xù)電路輸出動(dòng)態(tài)范圍中真實(shí)信號(hào)成分所占比例，造成電路輸出范圍和噪聲特性嚴(yán)重下降。因此，需要采用跨導(dǎo)放大器失調(diào)消除方法，降低跨導(dǎo)放大器失調(diào)，提升電路性能。

傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)，存在的不足主要有以下兩條：

1.傳統(tǒng)跨導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)往往不具備失調(diào)消除功能，失調(diào)電流在輸出電流中占有較大比重，輸出動(dòng)態(tài)范圍中真實(shí)信號(hào)成分降低，降低了信噪比。

2.傳統(tǒng)失調(diào)消除結(jié)構(gòu)中的開(kāi)關(guān)電荷注入現(xiàn)象，會(huì)影響關(guān)鍵電荷守恒節(jié)點(diǎn)失調(diào)存儲(chǔ)精度，對(duì)失調(diào)消除效果影響較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，為了提高紅外讀出電路性能，實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)放大器輸出失調(diào)電路消除，本發(fā)明提出了一種基于輸出電流存儲(chǔ)的跨導(dǎo)放大器失調(diào)消除結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)的經(jīng)典跨導(dǎo)放大器的基礎(chǔ)上考慮失調(diào)電流，并對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)一步減小了開(kāi)關(guān)電荷注入現(xiàn)象的影響。本發(fā)明提出的電路結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑤斎腚妷盒盘?hào)ΔV轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)ΔI，并且消除電流信號(hào)ΔI中失調(diào)電流成分。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的一種基于輸出電流存儲(chǔ)的跨導(dǎo)放大器失調(diào)消除結(jié)構(gòu)，包括差分輸入跨導(dǎo)放大器、一個(gè)失調(diào)存儲(chǔ)電容C1和輸出失調(diào)電流消除結(jié)構(gòu)；所述差分輸入跨導(dǎo)放大器包含尾電流PMOS管MP5，由PMOS管MP1和MP2PMOS管構(gòu)成的PMOS輸入對(duì)管，共源共柵的PMOS管MP3和PMOS管MP4，由NMOS管MN3、NMOS管MN4、NMOS管MN5和NMOS管MN6共源共柵連接的負(fù)載管；所述失調(diào)存儲(chǔ)電容C1左極板連接NMOS管MN5的柵極，所述失調(diào)存儲(chǔ)電容C1右極板連接NMOS管MN6的柵極；所述輸出失調(diào)電流消除結(jié)構(gòu)包括四個(gè)開(kāi)關(guān)，四個(gè)開(kāi)關(guān)包括正相輸入支路上的開(kāi)關(guān)SW2、負(fù)向輸入支路上的開(kāi)關(guān)SW3、正負(fù)輸入端之間的開(kāi)關(guān)SW4和負(fù)向輸入通路上的開(kāi)關(guān)SW5；所述開(kāi)關(guān)SW2連接NMOS管MN3的漏極和NMOS管MN5的柵極、并保持常導(dǎo)通狀態(tài)；所述開(kāi)關(guān)SW3連接NMOS管MN4的漏極和MN6的柵極；開(kāi)關(guān)SW4連接PMOS管MP1和MP2PMOS管的柵極；開(kāi)關(guān)SW5連接差分輸入跨導(dǎo)放大器負(fù)向輸入端和負(fù)向端輸入信號(hào)VIN-；所述開(kāi)關(guān)SW3采用低電荷注入的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，所述低電荷注入的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)包括單管開(kāi)關(guān)NMOS管MN7，電荷注入補(bǔ)償NMOS管MN8，緩沖器BUF1和反相器INV1；其中，所述NMOS管MN7和補(bǔ)償NMOS管MN8尺寸比列為2:1，緩沖器BUF1和反相器INV1均采用低電壓VL供電。

本發(fā)明基于輸出電流存儲(chǔ)的跨導(dǎo)放大器失調(diào)消除結(jié)構(gòu)，其中，電路的工作電壓為5V，所述低電荷注入的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)中緩沖器BUF1和反相器INV1所采用的低電壓VL為3.3V，保證開(kāi)關(guān)NMOS管MN7能夠開(kāi)啟導(dǎo)通即可。

使用本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)在輸入端短接的條件下，先通過(guò)輸出電流存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)失調(diào)電流進(jìn)行采樣存儲(chǔ)，之后在正常工作時(shí)，通過(guò)預(yù)先存儲(chǔ)的失調(diào)電流和工作時(shí)的包含失調(diào)的信號(hào)電流做減法，消除信號(hào)中失調(diào)成分。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

1、通過(guò)輸出失調(diào)電流存儲(chǔ)的方式對(duì)跨導(dǎo)放大器進(jìn)行失調(diào)消除，提高了有用信號(hào)在輸出電流中所占比例，效果顯著。

2、為了減小關(guān)鍵電荷守恒節(jié)點(diǎn)受開(kāi)關(guān)注入電荷的影響，通過(guò)改進(jìn)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，采用一種低電荷注入開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)溝道電荷注入和時(shí)鐘饋通現(xiàn)象的抑制，進(jìn)一步降低了失調(diào)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的誤差，提高了失調(diào)消除效果。

3、本發(fā)明只需對(duì)傳統(tǒng)的電路進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)改變即可實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有增加電路復(fù)雜度，沒(méi)有明顯增加額外功耗和面積開(kāi)銷(xiāo)，具有很高實(shí)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1是紅外圖像傳感器輸入級(jí)跨導(dǎo)放大器工作原理示意圖；

圖2是本發(fā)明使用的電流存儲(chǔ)基本原理；

圖3是傳統(tǒng)跨導(dǎo)放大器電路圖；

圖4是本發(fā)明提出的基于輸出電流存儲(chǔ)的跨導(dǎo)放大器失調(diào)消除結(jié)構(gòu)的電路圖；

圖5是本發(fā)明電路失調(diào)存儲(chǔ)狀態(tài)電路圖；

圖6是本發(fā)明提出的電路正常工作狀態(tài)電路圖；

圖7是本發(fā)明提出的新型抑制溝道電荷注入的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)；

圖8是不帶失調(diào)消除時(shí)經(jīng)典跨導(dǎo)放大器輸出失調(diào)電流分布；

圖9是使用本發(fā)明提出的失調(diào)消除方法之后，輸出失調(diào)電流分布；

圖10是采用新型低溝道電荷注入開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)失調(diào)消除后，輸出失調(diào)電流分布。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路是采用失調(diào)存儲(chǔ)方式為輸出電流失調(diào)存儲(chǔ)，其基本原理如圖2所示，首先圖2中開(kāi)關(guān)SW1導(dǎo)通，電流源I1驅(qū)動(dòng)NMOS管MN1和NMOS管MN2，在電容C1上極板存儲(chǔ)電壓V1，通路上電流為I1。之后開(kāi)關(guān)SW1斷開(kāi)，電流源I1變成負(fù)載RL，此時(shí)電容C1上極板電荷守恒，仍保持電壓為V1，通路上電流仍保持為I1，即負(fù)載RL上電流為I1。

傳統(tǒng)的經(jīng)典跨導(dǎo)放大器如圖3所示，若不考慮失調(diào)電流，PMOS管MP1電流為i，NMOS管MN5電流為i，NMOS管MN6鏡像MN5得到的電流也為i，PMOS管MP2電流為-i，最終輸出電流為2i。若正向和負(fù)向支路上存在失調(diào)電流ios，PMOS管MP1電流為i+ios，NMOS管MN5電流為i+ios，NMOS管MN6鏡像MN5得到的電流也為i+ios，PMOS管MP2電流為-i-ios，最終輸出電流為2i+2ios，包含了正向和負(fù)向支路失調(diào)電流之和2ios。

本發(fā)明提出的一種基于輸出電流存儲(chǔ)的跨導(dǎo)放大器失調(diào)消除結(jié)構(gòu)，包括差分輸入跨導(dǎo)放大器、一個(gè)失調(diào)存儲(chǔ)電容C1和由四個(gè)開(kāi)關(guān)(開(kāi)關(guān)SW2、SW3、SW4和SW5)構(gòu)成的輸出失調(diào)電流消除結(jié)構(gòu)。

如圖4所示，所述差分輸入跨導(dǎo)放大器包含尾電流PMOS管MP5，由PMOS管MP1和MP2PMOS管構(gòu)成的PMOS輸入對(duì)管，共源共柵的PMOS管MP3和PMOS管MP4，由NMOS管MN3、NMOS管MN4、NMOS管MN5和NMOS管MN6共源共柵連接的負(fù)載管；所述失調(diào)存儲(chǔ)電容C1左極板連接NMOS管MN5的柵極，所述失調(diào)存儲(chǔ)電容C1右極板連接NMOS管MN6的柵極。

所述輸出失調(diào)電流消除結(jié)構(gòu)包括四個(gè)開(kāi)關(guān)，四個(gè)開(kāi)關(guān)包括正相輸入支路上的開(kāi)關(guān)SW2、負(fù)向輸入支路上的開(kāi)關(guān)SW3、正負(fù)輸入端之間的開(kāi)關(guān)SW4和負(fù)向輸入通路上的開(kāi)關(guān)SW5。所述開(kāi)關(guān)SW2連接NMOS管MN3的漏極和NMOS管MN5的柵極、并保持常導(dǎo)通狀態(tài)，用來(lái)和開(kāi)關(guān)SW3匹配，減小正負(fù)兩條支路匹配誤差。所述開(kāi)關(guān)SW3連接NMOS管MN4的漏極和MN6的柵極，在失調(diào)存儲(chǔ)階段導(dǎo)通，將負(fù)向輸入支路電流對(duì)應(yīng)電壓值存儲(chǔ)在失調(diào)存儲(chǔ)電容C1右極板，開(kāi)關(guān)SW3在工作階段斷開(kāi)，此時(shí)失調(diào)存儲(chǔ)電容C1右極板電荷守恒。開(kāi)關(guān)SW4連接PMOS管MP1和MP2PMOS管的柵極，在失調(diào)存儲(chǔ)階段開(kāi)關(guān)SW4導(dǎo)通，差分輸入跨導(dǎo)放大器輸入端短接到VIN+，在正常工作階段，開(kāi)關(guān)SW4斷開(kāi)。開(kāi)關(guān)SW5連接差分輸入跨導(dǎo)放大器負(fù)向輸入端和負(fù)向端輸入信號(hào)VIN-，在失調(diào)存儲(chǔ)階段，開(kāi)關(guān)SW5斷開(kāi)，隔斷VIN-和負(fù)向輸入端的連接，正常工作階段，開(kāi)關(guān)SW5閉合，VIN+和VIN-分別連接差分輸入跨導(dǎo)放大器正負(fù)輸入端。失調(diào)存儲(chǔ)采樣和正常工作狀態(tài)分別為圖5和圖6所示。

采用失調(diào)存儲(chǔ)方法消除跨導(dǎo)放大器失調(diào)電流時(shí)存在一個(gè)問(wèn)題。開(kāi)關(guān)導(dǎo)致的電荷注入和時(shí)鐘饋通效應(yīng)會(huì)降低存儲(chǔ)精度，影響校正效果。而電路中電荷守恒節(jié)點(diǎn)受到的開(kāi)關(guān)影響最大，對(duì)于上述電路結(jié)構(gòu)，失調(diào)存儲(chǔ)電容C1右極板和NMOS管MN6柵極相連，電路正常工作時(shí)，此節(jié)點(diǎn)為電荷守恒節(jié)點(diǎn)，需要對(duì)開(kāi)關(guān)SW3進(jìn)行優(yōu)化，其他開(kāi)關(guān)(開(kāi)關(guān)SW2、SW4和SW5)使用普通開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)即可。本發(fā)明中提出了一種新型開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)電荷注入和時(shí)鐘饋通進(jìn)行了抑制，開(kāi)關(guān)SW3采用這種新型的低電荷注入的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，如圖7所示，所述低電荷注入的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)包括單管開(kāi)關(guān)NMOS管MN7，電荷注入補(bǔ)償NMOS管MN8，緩沖器BUF1和反相器INV1；其中，所述NMOS管MN7和補(bǔ)償NMOS管MN8尺寸比列為2:1，NMOS管MN7尺寸是NMOS管MN8的兩倍。

如圖7所示，假設(shè)時(shí)鐘CLK翻轉(zhuǎn)時(shí)，NMOS管MN7上柵電容存儲(chǔ)的電荷有一半轉(zhuǎn)移到了B點(diǎn)，則電荷經(jīng)過(guò)一個(gè)反相器延時(shí)后時(shí)鐘CKN發(fā)生翻轉(zhuǎn)，NMOS管MN8從B點(diǎn)吸收的電荷為了使B點(diǎn)變化的電荷△q1和△q2完全抵消，使W₈＝0.5W₇，L₈＝L₇。此時(shí)，可以完全抵消時(shí)鐘饋通效應(yīng)。

實(shí)際上，NMOS管MN7源極和漏極等分電荷的假設(shè)一般是不成立的，所以采用這種方法消除電荷注入的效果并不十分理想。注意到△q1、△q2分別和V_CK、V_CKN成正比。因此采用降低V_CK、V_CKN的方法可以減小△q1、△q2，從而實(shí)現(xiàn)抑制溝道電荷注入的效果。本發(fā)明中通過(guò)減小緩沖器BUF1和反相器INV1供電電壓的方法，減小V_CK、V_CKN，顯著減小了溝道電荷注入效應(yīng)的影響。本發(fā)明中，緩沖器BUF1和反相器INV1均采用低電壓VL供電，電路工作電壓為5V，該低電壓VL根據(jù)開(kāi)關(guān)兩端實(shí)際電壓取值3.3V，保證開(kāi)關(guān)NMOS管MN7能夠開(kāi)啟導(dǎo)通即可。

采用本發(fā)明提出了一種基于輸出電流存儲(chǔ)的跨導(dǎo)放大器失調(diào)消除結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)放大器失調(diào)消除方法，通過(guò)失調(diào)存儲(chǔ)階段，將失調(diào)電流存在電路節(jié)點(diǎn)上，在正常工作階段，從信號(hào)電流中減去失調(diào)電流。

失調(diào)存儲(chǔ)階段電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，此時(shí)開(kāi)關(guān)SW2保持常通，開(kāi)關(guān)SW3導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)SW4導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)SW5斷開(kāi)。此時(shí)，跨導(dǎo)放大器輸入短接，輸入信號(hào)電壓為0，正向輸入端支路失調(diào)電流為ios，負(fù)向輸入支路失調(diào)電流為-ios。此時(shí)，失調(diào)存儲(chǔ)電容C1左極板電壓為VGS5＝V1+VOS，其中，V1是不含失調(diào)成分的NMOS管MN5的柵極電壓，VOS為失調(diào)導(dǎo)致的NMOS管MN5柵極電壓變化量，失調(diào)存儲(chǔ)電容C1右極板電壓為VGS6＝V1—VOS，失調(diào)存儲(chǔ)電容C1上存儲(chǔ)失調(diào)電壓2VOS。NMOS管MN5和NMOS管MN6跨導(dǎo)值為gm，則i+ios＝gm(V1+VOS)，i-ios＝gm(V1-VOS)，其中，i是跨導(dǎo)放大器靜態(tài)電流成分，ios是失調(diào)導(dǎo)致的電流成分。

正常工作階段電路結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，此時(shí)開(kāi)關(guān)SW2保持常通，開(kāi)關(guān)SW3斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)SW4斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)SW5導(dǎo)通，此時(shí)放大器正負(fù)輸入端存在信號(hào)電壓2Vsig，正相輸入端PMOS管MP1電流為

ID1＝i+ios+△i (1)

其中，i是跨導(dǎo)放大器靜態(tài)電流成分，ios是失調(diào)導(dǎo)致的電流成分，△i是跨導(dǎo)放大器輸入電壓信號(hào)產(chǎn)生的信號(hào)電流。

負(fù)相輸入端PMOS管MP2電流為

ID2＝i-ios-△i (2)

此時(shí)，失調(diào)存儲(chǔ)電容C1左極板電壓變?yōu)閂GS5＝V1+VOS+△V，△V是由于跨導(dǎo)放大器輸入電壓信號(hào)導(dǎo)致的NMOS管MN5柵極電壓的變化。失調(diào)存儲(chǔ)電容C1上電荷守恒，失調(diào)存儲(chǔ)電容C1左右極板電壓差保持2VOS不變，和失調(diào)存儲(chǔ)階段一致。在失調(diào)存儲(chǔ)電容C1驅(qū)動(dòng)下，失調(diào)存儲(chǔ)電容C1右極板電壓變成VGS6＝V1-VOS+△V。由于信號(hào)較小，導(dǎo)致的跨導(dǎo)變化較小，可以認(rèn)為NMOS管MN5和NMOS管MN6跨導(dǎo)始終不變，為gm。則NMOS管MN5和NMOS管MN6上電流分別為

ID5＝gm×VGS5＝gm×(V1+VOS+△V)＝i+ios+△i (3)

ID6＝gm×VGS6＝gm×(V1-VOS+△V)＝i-ios+△i (4)

由公式(2)和公式(4)可知，最終IOUT輸出電流為

IOUT＝ID6-ID2＝2△i (5)

通過(guò)本發(fā)明電路實(shí)現(xiàn)的失調(diào)消除方法，使輸出電流中不含有失調(diào)電流成分。

實(shí)際工作時(shí)，開(kāi)關(guān)溝道電荷注入也對(duì)失調(diào)消除的效果產(chǎn)生影響。工作過(guò)程中，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是NMOS管MN6的柵極，此節(jié)點(diǎn)是電荷守恒節(jié)點(diǎn)，如果受到開(kāi)關(guān)溝道電荷注入的影響，會(huì)導(dǎo)致電荷守恒不成立，影響失調(diào)消除效果。因此，需要對(duì)此節(jié)點(diǎn)相關(guān)器件進(jìn)行特殊處理。開(kāi)關(guān)SW3使用本發(fā)明中提出的低電荷注入的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，CLK上升沿到來(lái)時(shí)開(kāi)關(guān)管NMOS管MN7導(dǎo)通，此時(shí)不需要考慮夠到電荷注入；CLK下降沿到來(lái)時(shí)，開(kāi)關(guān)管NMOS管MN7斷開(kāi)，對(duì)節(jié)點(diǎn)B產(chǎn)生溝道電荷注入。此時(shí)CKN上升沿到來(lái)，通過(guò)補(bǔ)償管NMOS管MN8吸收一部分開(kāi)關(guān)管NMOS管MN7注入到B點(diǎn)的電荷，但是難以全部吸收。通過(guò)降低CK和CKN的電壓，進(jìn)一步減小了殘余的電荷。

不進(jìn)行失調(diào)消除時(shí)候，輸入短接時(shí)，輸出電流失調(diào)分布如圖8所示，最多大約1uA失調(diào)電流；采用普通開(kāi)關(guān)進(jìn)行失調(diào)消除之后，輸出電流失調(diào)分布如圖9所示，最多大約6nA，采用本發(fā)明中提出的低電荷注入開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行失調(diào)消除之后，輸出電流失調(diào)分布如圖10所示，最多大約3.5nA。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的失調(diào)消除方法和所采用的低電荷注入開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)都能夠?qū)崿F(xiàn)很好的效果。

盡管上面結(jié)合圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。