CMOS運放ICL7650的工作原理圖及輸出電壓關系等分析

動態校零CMOS運放ICL7650的工作原理

長期以來，集成電路設計人員在工藝技術、電路設計方面作不懈的努力，試圖解決集成運放在失調、漂移等方面存在的問題。通常，MOS集成運放的失調與漂移均比雙極型集成運放來得大；但是，經過合理的電路設計和版圖設計，并且采用新工藝（如離子注入工藝）之后，可以將MOS集成運放的失調控制在10毫伏之內，達到雙極型集成運放的水平。然而，這種MOS集成運放作為弱信號放大、高精度測量放大、積分器和高分辨率比較器等還存在一些問題，其主要原因是這種MOS集成運放的失調，漂移還太大。為此，人們致力于研究具有良好直流特性的放大器。80年代初，美國Intersil公司研制了用全MOS技術設計的動態較零CMOS運放ICL7650，其失調為0.01微伏，溫度漂移為0.01微伏/℃，開環增益達130分貝，共模抑制比為130分貝?？梢赃@樣說，動態校零的CMOS運放ICL7650，在直流特性方面已經接近于“理想”運放，從而使集成運放進入了第四代，并確立了MOS運放在模擬集成電路中的重要地位。本節將介紹動態校零CMOS集成運放ICL7650的設計思想，并給出電路結構，同時將要介紹目前在低失調MOS集成運放中所采用的失調電壓自動校零技術。

ICL7650的設計思想，實際上是吸取傳統的雙通道放大器所具有的低失調、低溫漂的優點，同時又從電路結構上加以改進，克服傳統電路的缺點，使電路適合于單片集成。這種所謂第四代運放設計思想的核心，是利用時鐘脈沖控制整個電路，使其分為兩個階段進行工作，第一階段為放大器誤差檢測與寄存，第二階段為校零與放大，從而實現低失調與低溫漂。

1、ICL7650的工作原理

圖3.8-1a示出了ICL7650的方框原理圖。

A1為主放大器，它用來放大輸入信號，并輸出經它放大后的信號，這個放大器具有較寬的頻帶和較強的負載能力。A1不僅具有普通運放那樣的兩個同相與反相輸入端；同時還另外設置了一個第三輸入端N1，其作用與同相輸入端相同，若從N1加入信號，將會在輸出端得到經A1放大后的同相信號。

A2為調零放大器；它用來降低主放大器A1的失調電壓，不直接對外輸出信號，僅作為一種輔助放大器使用。這個電路除有普通運放兩個輸入端外，與A1一樣，也有第三個輸入端N2，N2是倒相輸入端，即N2加入的信號經A2放大后反相出現在A2的輸出端。

開關SA、SB由MOS器件構成的模擬開關，它由雙相時鐘信號控制（圖3.8-1b）。若雙端時鐘信號分為A相位、B相位時鐘信號，當A相位為高電平時，開關SA接通，開關SB斷開；當B相位為高電平時，開關SB接通，開關SA斷開。時鐘信號由電路內部產生，也可從外部加入。

CA、CB是外接電容，它起寄存失調電壓的作用?，F在我們簡要介紹圖3.8-1a電路的工作原理。

當雙相時鐘信號的A相位處于高電平時，開關SA閉合，開關SB斷開。從圖可知，這一階段（稱第一階段），A2的輸入端閉合，其輸出電壓只與A2的失調電壓有關。在第三個輸入端N2則與輸出直接連接成全反饋，這時，電容CA寄存了A2放大器的失調電壓。當雙相時鐘信號的B相位處于高電平時，開關SB閉合，開關SA斷開，此時為第二工作階段。從圖可知，A2的差分輸入端接入了輸入信號，由于A2放大器失調電壓的存在，它與輸入信號一起放大，并送到A2的輸出端：與此同時，電容CA寄存的A2失調電壓也通過第三輸入端N2進行放大。由于A2的差分輸入端的等效失調電壓對輸出端的貢獻與N2端的A2的失調電壓對輸出端貢獻正好相消（大小相等，極性相反），因而在A2輸出端的信號只與輸入信號有關，與A2的失調電壓無關，也就是說，由于第一階段的工作結果，在第二階段時A2的輸出無失調電壓成分，即失調已被調零。

再看放大器A1的工作情況，此時A1不僅放大差分輸入端的輸入信號，而且還放大A1的失調電壓；與此同時，A2輸出端的信號加到A1放大器的N1端，因而A1輸出端得到三部分信號，其中兩部分與輸入信號有關，一部分與A1的失調電壓有關，與輸入信號有關的成分大于失調電壓成分，這樣使放大器的失調電壓大大降低。

2、ICL7650的輸出電壓與輸入信號、失調電壓的關系

為了便于分析，我們作如下四點假設：

（1）Ao1和Ao2分別為主放大器A1和調零放大器A2的放大倍數（從差分輸入端輸入到輸出端）；

（2）Ao′1和Ao′2分別為從N1和N2作為輸入端時放大器A1和A2的放大倍數；

（3）分別為A1和A2等效在輸入端的失調電壓；

（4）暫不考慮共模抑制比（CMRR）對放大器的影響。

時鐘的第一階段；開關SA閉合，開關SB斷開，調零放大器A2輸入電壓，此時A2的輸出電壓Vo2由下式表示：

化簡后得

此時，A2的輸出電壓Vo2全部寄存在電容CA中，即電容CA的電壓VCA為

時鐘的第二階段：開關SB閉合，開關SA斷開，輸入信號分二個通路進行放大，一部分從A1輸入端輸入進行放大，這也說明A1對輸入信號是連續放大的，輸入信號的另一部分被加到A2進行放大，此時，A2的輸出電壓V0′2由下式給出：

由于SA斷開，上半周期充入電容CA中的失調電壓Vos，又從調零輸入端N2進入A2進行放大，這部分的輸出電壓V0′2′為

以上兩部分輸出電壓在A2輸出端的貢獻為

上述A2的輸出電壓寄存在電容CB中，同時也被加到A1的同相輸入端N1進行放大，此時主放大器A1的輸出電壓Vo可表示為

式中（A01+A′01A02）為整個放大器的增益，而A01Vos，為失調電壓的誤差項，該誤差項折合到輸入端的失調電壓Vos為

由于A01～A′01，所以

由上式可知，電路的失調電壓VDS是將A1放大器的失調電壓縮小了A02倍。只要使調零放大器A2有足夠大的增益，那么失調電壓Vos就很小。例如：Vos，為10毫伏，而調零放大器的增益A02=10000倍，則失調電壓Vos只有1微伏。

由（3.8-6）式可知，電路的開環電壓增益是很高的，可達130分貝左右。

若考慮共模抑制比的影響，那么，通過計算，圖3.8-1a電路的共模抑制比為

式中CMRR1為A1放大器的共模抑制比。

因此，圖3.8-1a電路的共模抑制比是A1放大器共模抑制比的Ao2倍。若CMRR1=60分貝，A02=70分貝，則電路的共模抑制比CMRR為130分貝。

綜上所述，ICL7650集成運放是具有高增益、高共模抑制比、低失調和低漂移的高性能運放。

3、ICL7650中的放大器的具體電路

圖3.8-1a電路中的A1和A2放大器，其具體電路如圖3.8-2所示。

調零放大器A2由M1、M2、M4、M5、M7，和M8，組成，其中M1、M2為輸入級差分對管，M4、M5為差分放大器的有源負載，M7、M8為輸出級電路。主放大器A1由M2、M3、M5，M6和M9~M14組成，其中M2、M3為輸入級差分對管，M5、M6為M2、M3的有源負載，M9~M14推挽式輸出級電路。由圖可知，M2的柵極作為二個放大器共用的反相輸入端。

從圖上又可看出，調零放大器A2的N2輸入端是M6的襯底（背柵），通常襯底電位與源極相連，或低于源極電壓，這里，M5的襯底是浮置的，并作為控制柵，它的電壓略高于源極電壓。當N2端輸入一個正電壓，由于襯底調制效應，使M5管的閾值電壓減小，因M5電流不變，則M5的VGS電壓減小，M4的電流減小，從而使M7的電流增大，輸出V02下降，因此N2是屬于反相輸入端。主放大器A1的N1端是M6的襯底（背柵）。同樣分析可知，N1是同相輸入端。顆便指出，利用襯底作為控制柵極這是ICL7650的比較新穎的設計方法，使電路結構簡化。ICL7650的主要參數如表3.8-1所示。

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