本發(fā)明涉及一種運算放大電路，特別是涉及一種具有直流偏移消除技術(shù)的運算放大電路。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的運算放大器，由于生產(chǎn)過程中所存在的制程變異而造成其差動輸入級的晶體管間不匹配，使得量產(chǎn)后的每一個運算放大器各自有著不同的直流偏移。該直流偏移將不利于該運算放大器于高精度或是高規(guī)格的應用范疇?，F(xiàn)有的一種直流偏移的消除方式，乃是通過調(diào)整外部元件(例如可變電阻)來對每一個運算放大器進行該偏移的補償，然而這樣的方式不但需要增加該運算放大器的外部接腳因而增加封裝的成本，而且使用上也欠缺便利性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種通過內(nèi)部電路的控制而能補償并消除該直流偏移的具有直流偏移消除技術(shù)的運算放大電路。

本發(fā)明的具有直流偏移消除技術(shù)的運算放大電路包含：一個運算放大器，及一個偏移電壓補償器。該運算放大器包括一個反相輸入端、一個接收一個第一輸入電壓的第一非反相輸入端，及一個提供一個相關(guān)于該第一輸入電壓的輸出電壓的輸出端，當該反相輸入端與該第一非反相輸入端間不匹配時，該反相輸入端與該第一非反相輸入端間的共模電壓將存在一個偏移電壓。該偏移電壓補償器電 連接于該運算放大器的該反相輸入端、該第一非反相輸入端及該輸出端間，且復制該偏移電壓以得到一個相同于該偏移電壓的預存電壓，并根據(jù)該預存電壓補償該輸出電壓。

較佳地，該偏移電壓補償器包括一個用于儲存該預存電壓的儲能單元及一個電連接該儲能單元的切換單元，該儲能單元具有一個電連接該運算放大器的該反相輸入端的第一端及一個第二端，該切換單元受控制使該儲能單元的第二端浮接、電連接該第一非反相輸入端或該輸出端。

較佳地，該運算放大器還包括一個接收一個第二輸入電壓的第二非反相輸入端，該儲能單元還具有一個第三端、一個電連接于該第一端及該第二端間的第一電容，及一個電連接于該第一端與該第三端間的第二電容，且該切換單元具有一個第一開關(guān)、一個第二開關(guān)、一個第三開關(guān)、一個第四開關(guān)及一個第五開關(guān)，該第一開關(guān)電連接于該儲能單元的該第一端與該輸出端間，且受控制于導通與不導通間切換，該第二開關(guān)電連接于該儲能單元的該第三端與該第二非反相輸入端間，且受控制于導通與不導通間切換，該第三開關(guān)電連接于該儲能單元的該第二端與該第一非反相輸入端間，且受控制于導通與不導通間切換，該第四開關(guān)電連接于該儲能單元的該第三端與該輸出端間，且受控制于導通與不導通間切換，及該第五開關(guān)電連接于該儲能單元的該第二端與該輸出端間，且受控制于導通與不導通間切換。

較佳地，該偏移電壓補償器還包括一個電連接該切換單元的第一至第五開關(guān)的控制單元，且操作于一個緩沖模式、一個儲存模式及一個消除模式，當該控制單元操作于該緩沖模式時，該控制單元 控制該第一開關(guān)為導通、該第二開關(guān)為不導通、該第三開關(guān)為不導通、該第四開關(guān)為不導通，及該第五開關(guān)為不導通；當該控制單元操作于該儲存模式時，該控制單元控制該第一開關(guān)為導通、該第二開關(guān)為導通、該第三開關(guān)為導通、該第四開關(guān)為不導通，及該第五開關(guān)為不導通；當該控制單元操作于該消除模式時，該控制單元控制該第一開關(guān)為不導通、該第二開關(guān)為不導通、該第三開關(guān)為不導通、該第四開關(guān)為導通，及該第五開關(guān)為導通。

較佳地，該儲能單元還具有一個第一晶體管、一個第一電流源、一個第二晶體管及一個第二電流源，該第一晶體管具有一個電連接一個第一偏壓源的第一端、一個第二端，及一個電連接于該第三開關(guān)的控制端；該第一電流源電連接該第一晶體管的第二端與一個第二偏壓源間，該第二偏壓源的電位小于該第一偏壓源的電位；該第二晶體管具有一個電連接該第一偏壓源的第一端、一個第二端，及一個電連接于該第二開關(guān)的控制端；該第二電流源電連接該第二晶體管的第二端與該第二偏壓源間。

較佳地，該偏移電壓補償器還包括一個電連接該切換單元的第一至第五開關(guān)的控制單元，且操作于一個儲存模式及一個消除模式，當該控制單元操作于該儲存模式時，該控制單元控制該第一開關(guān)為導通、該第二開關(guān)為導通、該第三開關(guān)為導通、該第四開關(guān)為不導通，及該第五開關(guān)為不導通；當該控制單元操作于該消除模式時，該控制單元控制該第一開關(guān)為不導通、該第二開關(guān)為不導通、該第三開關(guān)為不導通、該第四開關(guān)為導通，及該第五開關(guān)為導通。

較佳地，該切換單元具有一個第一開關(guān)、一個第三開關(guān)及一個第五開關(guān)。該第一開關(guān)電連接于該儲能單元的該第一端與該輸出端 間，且受控制于導通與不導通間切換；該第三開關(guān)電連接于該儲能單元的該第二端與該第一非反相輸入端間，且受控制于導通與不導通間切換；該第五開關(guān)電連接于該儲能單元的該第二端與該輸出端間，且受控制于導通與不導通間切換。該儲能單元還具有一個第一晶體管、一個第一電流源及一個第一電容。該第一晶體管具有一個電連接一個第一偏壓源的第一端、一個第二端，及一個電連接于該第三開關(guān)的控制端；該第一電流源電連接該第一晶體管的第二端與一個第二偏壓源間，該第二偏壓源的電位小于該第一偏壓源的電位；該第一電容電連接于該第一端與該第一晶體管的第二端。

較佳地，該偏移電壓補償器還包括一個控制單元，該控制單元電連接該切換單元的第一開關(guān)、第三開關(guān)及第五開關(guān)，且操作于一個儲存模式及一個消除模式。當該控制單元操作于該儲存模式時，該控制單元控制該第一開關(guān)為導通、該第三開關(guān)為導通，及該第五開關(guān)為不導通。當該控制單元操作于該消除模式時，該控制單元控制該第一開關(guān)為不導通、該第三開關(guān)為不導通，及該第五開關(guān)為導通。

本發(fā)明的有益效果在于：通過該偏移電壓補償器復制該偏移電壓以得到一個相同于該偏移電壓的預存電壓，并根據(jù)該預存電壓補償該輸出電壓，因而能消除該運算放大器的直流偏移電壓。

附圖說明

本發(fā)明的其他的特征及功效，將于參照附圖的實施方式中清楚地呈現(xiàn)，其中：

圖1是一個電路示意圖，說明本發(fā)明具有直流偏移消除技術(shù)的 運算放大電路的一個第一實施例；

圖2是一個電路示意圖，說明該第一實施例操作于一個緩沖模式；

圖3是一個電路示意圖，說明該第一實施例操作于一個儲存模式；

圖4是一個電路示意圖，說明該第一實施例操作于一個消除模式；

圖5是一個電路示意圖，說明本發(fā)明具有直流偏移消除技術(shù)的運算放大電路的一個第二實施例；

圖6是一個電路示意圖，說明該第二實施例的一個變化實施例；

圖7是一個電路示意圖，說明該第二實施例操作于一個儲存模式；

圖8是一個電路示意圖，說明該第二實施例操作于一個消除模式；

圖9是一個電路示意圖，說明本發(fā)明具有直流偏移消除技術(shù)的運算放大電路的一個第三實施例；

圖10是一個電路示意圖，說明該第三實施例的一個變化實施例。

具體實施方式

參閱圖1，本發(fā)明具有直流偏移消除技術(shù)的運算放大電路的一個第一實施例，包含一個運算放大器1，及一個偏移電壓補償器2。

該運算放大器1包括一個反相輸入端(－)、一個接收一個第一輸入電壓Vin1的第一非反相輸入端(+)、一個接收一個第二輸 入電壓Vin2的第二非反相輸入端(+)，及一個提供一個相關(guān)于該第一、第二輸入電壓Vin1、Vin2的輸出電壓Vout的輸出端。其中，本第一實施例所使用的該運算放大器1通過設計其輸入級對應于該第一、第二非反相輸入端的晶體管的寬長比，而使該第一、第二輸入電壓Vin1、Vin2根據(jù)各自的加權(quán)值相加得到一個輸入電壓Vin，此處以1：3的加權(quán)值為例(但不以此為限)進行說明，則Vin如式(1)所示：

當該反相輸入端與該第一、第二非反相輸入端間不匹配時，該反相輸入端與該第一、第二非反相輸入端間的共模電壓將存在一個偏移電壓(dc offset voltage)。

該偏移電壓補償器2電連接于該運算放大器1的該反相輸入端、該第一非反相輸入端、該第二非反相輸入端，及該輸出端間，且復制該偏移電壓以得到一個相同于該偏移電壓的預存電壓，并根據(jù)該預存電壓補償該輸出電壓Vout。

該偏移電壓補償器2包括一個儲能單元21、一個切換單元22，及一個控制單元23。

該儲能單元21具有一個電連接該運算放大器1的該反相輸入端的第一端211、一個第二端212，及一個第三端213，用于儲存該預存電壓。該儲能單元21還具有一個電連接于該第一端211與該第二端212間的第一電容C1，及一個電連接于該第一端211與該第三端213間的第二電容C2。其中，該第一實施例的該第二電容C2的電容值為該第一電容C1的電容值的3倍。但所述電容值的比例并不 以此為限。

該切換單元22電連接該儲能單元21且受控制于該控制單元23，使該儲能單元21的第二端212浮接、電連接該第一非反相輸入端或該輸出端，且使該儲能單元21的第三端213浮接、電連接該第二非反相輸入端或該輸出端。該切換單元22具有一個電連接于該儲能單元21的該第一端211與該輸出端間且受控制于導通與不導通間切換的第一開關(guān)S1、一個電連接于該儲能單元21的該第三端213與該第二非反相輸入端間且受控制于導通與不導通間切換的第二開關(guān)S2、一個電連接于該儲能單元21的該第二端212與該第一非反相輸入端間且受控制于導通與不導通間切換的第三開關(guān)S3、一個電連接于該儲能單元21的該第三端213與該輸出端間且受控制于導通與不導通間切換的第四開關(guān)S4，及一個電連接于該儲能單元21的該第二端212與該輸出端間且受控制于導通與不導通間切換的第五開關(guān)S5。

該控制單元23電連接該切換單元22的該第一至第五開關(guān)S1～S5，且操作于一個緩沖模式、一個儲存模式及一個消除模式。

參閱圖2，當該控制單元23操作于該緩沖模式時，該控制單元23控制該第一開關(guān)S1為導通、該第二開關(guān)S2為不導通、該第三開關(guān)S3為不導通、該第四開關(guān)S4為不導通，及該第五開關(guān)S5為不導通。因此，該輸出電壓Vout如式(2)所示，其中，參數(shù)Voff為偏移電壓的值。

Vout＝Vin+Voff …(2)

參閱圖3，當該控制單元23操作于該儲存模式時，該控制單元23控制該第一開關(guān)S1為導通、該第二開關(guān)S2為導通、該第三開關(guān) S3為導通、該第四開關(guān)S4為不導通，及該第五開關(guān)S5為不導通。因此，儲存于該第一電容C1的電荷Q1及儲存于該第二電容C2的電荷Q2分別如式(3)、(4)所示：

Q1＝C1×[(Vin+Voff)-Vin1] …(3)

Q2＝C2×[(Vin+Voff)-Vin2] …(4)

參閱圖4，當該控制單元23操作于該消除模式時，該控制單元23控制該第一開關(guān)S1為不導通、該第二開關(guān)S2為不導通、該第三開關(guān)S3為不導通、該第四開關(guān)S4為導通，及該第五開關(guān)S5為導通。因此，該第一電容C1及該第二電容C2呈并聯(lián)的電連接狀態(tài)且對應一個端電壓Vtotal如式(5)所示：

則該輸出端產(chǎn)生一個新的輸出電壓Vout_new如式(6)所示：

Vout_new＝Vin+Voff-Vtotal …(6)

結(jié)合式(3)～式(5)，可以得到

結(jié)合式(1)、式(6)及式(7)，可以得到

也就是說，于完成該消除模式后，該輸出端的該輸出電壓Vout_new會相同于該輸入電壓Vin而不受該偏移電壓Voff的影響。

參閱圖5，本發(fā)明具有直流偏移消除技術(shù)的運算放大電路的一個第二實施例，大致相同于該第一實施例，不同的地方在于：該第 二實施例的該儲能單元21還具有一個第一晶體管M1、一個第一電流源IS1、一個第二晶體管M2，及一個第二電流源IS2。該第二實施例的該控制單元23電連接該切換單元22的該第一至第五開關(guān)S1～S5且操作于一個儲存模式及一個消除模式。

該第一晶體管M1具有一個電連接一個第一偏壓源VDD的第一端、一個第二端，及一個電連接于該第三開關(guān)S3的控制端。該第一電流源IS1電連接該第一晶體管M1的第二端與一個第二偏壓源VSS間，該第二偏壓源VSS的電位小于該第一偏壓源VDD的電位。該第二晶體管M2具有一個電連接該第一偏壓源VDD的第一端、一個第二端，及一個電連接于該第二開關(guān)S2的控制端。該第二電流源IS2電連接該第二晶體管M2的第二端與該第二偏壓源VSS間。

又在該第二實施例，該第一晶體管M1及該第二晶體管M2分別為一個N型金屬氧化物半導體晶體管(NMOS)，且其第一端是漏極、其第二端是源極，及其控制端是柵極。且該第一、第二晶體管M1、M2分別與該第一、第二電流源IS1、IS2形成一個第一、第二源極跟隨器(Source Follower)。該第二實施例是以該第一、第二晶體管M1、M2分別為一個N型金屬氧化物半導體晶體管(NMOS)為例進行說明，需要注意的是該第一、第二晶體管M1、M2也可以如圖6所示是一個P型金屬氧化物半導體晶體管(PMOS)。

參閱圖7，當該控制單元23操作于該儲存模式時，該控制單元23控制該第一開關(guān)S1為導通、該第二開關(guān)S2為導通、該第三開關(guān)S3為導通、該第四開關(guān)S4為不導通，及該第五開關(guān)S5為不導通。因此，該輸出電壓Vout如式(9)所示：

Vout＝Vin+Voff …(9)

參閱圖8，當該控制單元23操作于該消除模式時，該控制單元23控制該第一開關(guān)S1為不導通、該第二開關(guān)S2為不導通、該第三開關(guān)S3為不導通、該第四開關(guān)S4為導通，及該第五開關(guān)S5為導通。定義該第一、第二晶體管M1、M2的柵極電壓自該儲存模式進入該消除模式所產(chǎn)生的電壓增量分別為ΔVg1、-ΔVg2，則該輸出端所對應的新的輸出電壓Vout_new如式(10)所示：

Vout_new＝Vin1+ΔVg1＝Vin2-ΔVg2 …(10)

且該第一、第二晶體管M1、M2的源極電壓增量分別如式(11)、(12)所示：

ΔVs1＝ΔVg1×Gsf1 …(11)

ΔVs2＝-ΔVg2×Gsf2 …(12)

其中，Gsf1、Gsf2分別為該第一、第二源極跟隨器的源極與柵極間的電壓增益。由于該運算放大器1的該反相輸入端在該消除模式時沒有充放電路徑，因此呈電荷守恒而如式(13)所示：

C1×ΔVg1×Gsf1-C2×ΔVg2×Gsf2＝0 …(13)

再者，由于所述源極跟隨器的源極與柵極間的電壓增益約等于1，因此式(13)能被近似如式(14)所示：

C1×ΔVg1＝C2×ΔVg2 …(14)

結(jié)合式(1)、式(10)及式(14)，可以得到

也就是說，于完成該消除模式后，該輸出端的該輸出電壓Vout_new會相同于該輸入電壓Vin而不受該偏移電壓Voff的影響。

值得一提的是，相較于該第一實施例，由于該第二實施例分別于該第一、第二電容C1、C2與該第三、第二開關(guān)S3、S2間更電連接該第一、第二源極跟隨器，使得該第二實施例操作于該儲存模式時該第一、第二電容C1、C2的端電壓相較于該第一實施例分別增加Vgs1、Vgs2，其中Vgs1、Vgs2分別為該第一、第二晶體管M1、M2的柵源極電壓。所述電容的端電壓增量Vgs1、Vgs2特別適用于該第一輸入電壓Vin1相近于該第二輸入電壓Vin2，且該第一、第二電容C1、C2為金屬氧化物半導體電容(MOS-cap)的操作條件。進一步說明，當該第一、第二輸入電壓Vin1、Vin2相近時，該第一、第二電容C1、C2的端電壓分別如式(16)、(17)所示：

VC1＝(Vin+Voff)-(Vin1-Vgs1)≈Voff+Vgs1 …(16)

VC2＝(Vin+Voff)-(Vin2-Vgs2)≈Voff+Vgs2 …(17)

從而使所述金屬氧化物半導體電容具有充足的端電壓而能正常運作，且利用金屬氧化物半導體電容具有單位面積容值較大的特性來縮減芯片面積。

參閱圖9及圖10，本發(fā)明具有直流偏移消除技術(shù)的運算放大電路的一個第三實施例，在操作上大致相同于該第二實施例，不同的地方在于：該第三實施例的運算放大器1包括一個第一非反相輸入端、該儲能單元21具有一個第一電容C1、一個第一晶體管M1，及一個第一電流源IS1，且該切換單元22具有一個第一開關(guān)S1、一個第三開關(guān)S3及一個第五開關(guān)S5。該控制單元23電連接該切換單元22的該第一、第三及第五開關(guān)S1、S3、S5且操作于一個儲存模式及一個消除模式。

經(jīng)由以上的說明，上述實施例具有以下優(yōu)點：

一、通過該偏移電壓補償器2復制該偏移電壓以得到一個相同于該偏移電壓的預存電壓，并根據(jù)該預存電壓補償該輸出電壓Vout，因而能消除該運算放大器1的直流偏移電壓。

二、通過該切換單元22的所述開關(guān)受該控制單元23控制，從而使該儲能單元21在該儲存模式時利用其電容以儲存該預存電壓，并在該消除模式時補償該輸出電壓Vout并消除該運算放大器1的直流偏移電壓。

三、通過該儲能單元21的該第一、第二電容C1、C2兩者的電容值比例而決定該輸出電壓Vout的電壓值，能提升該電壓值的穩(wěn)定性。進一步說明，由于所述電容是被動元件，在制程變異性的表現(xiàn)上會優(yōu)于主動元件，而且由于同一個芯片中的兩電容不論是在制程或溫度變化上都有著相連動的關(guān)系，從而使得兩者間的比例更不易受到制程或溫度變化的影響。也因此，決定于該第一、第二電容C1、C2兩者的電容值比例的該輸出電壓Vout同樣地更不受制程或溫度變化的影響。

四、通過該輸出電壓Vout由該第一、第二電容C1、C2兩者的電容值比例而決定從而不會受到該運算放大器1輸入級的電導(gm)變異所影響，因此即使操作于該第一、第二輸入電壓Vin1、Vin2兩者間具有較大壓差的條件下，仍能使該輸出電壓Vout不受其影響而穩(wěn)定地維持于設計值。

五、通過該第一、第二晶體管M1、M2分別與該第一、第二電流源IS1、IS2形成的該第一、第二源極跟隨器為該第一、第二電容C1、C2所提供的端電壓增量Vgs1、Vgs2，能使該第一、第二電容C1、C2以單位面積容值較大的金屬氧化物半導體電容來實施進而 縮減芯片面積。

綜上所述，所以確實能達成本發(fā)明的目的。