MOS運放的自動調零及開關電容電路的技術方法

1、自動調零的一般方法

在MOS模擬大規模集成電路中，作為主要部件的MOS運放，其電路結構越簡單越好，以減小芯片的面積；但一般的MOS運放其失調電壓都較大，約10~20毫伏，這樣限制了它的使用范圍。為了減低一般結構的MOS運放失調和漂移，我們可采用便于集成的自動調零技術，具體闡述如下。

圖3.8-3電路是失調電壓自動調零的MOS放大器電路原理圖。放大器A為差分輸入、差分輸出的MOS放大器，開關S1~S4由MOS器件構成的模擬開關，電容是用來寄存放大器的失調電。該電路工作分兩個階段，第一階段，開關S1~S4閉臺，輸入為零，輸出電壓（即失調電壓）寄存在電容和上，這個階段稱為失調調零階段；第二階段，開關S1~S4斷開，輸入信號經A放大后在輸出端輸出，假如輸出端的阻抗很高，那么寄存在電容上的失調電壓繼續保持，而輸出端的信號僅僅是輸入信號經A放大后的信號，這樣消除了放大器的失調電壓，這個階稱為測量階段。MOS運放的自動調零；上述兩個階段分別由節拍脈沖來進行控制。

采用自動調零技術的二級MOS差分放大器如圖3.8-4所示。

開關S1~S2閉合時，第一級差分放大器輸出的失調電壓寄存在電容上，這時第二級輸出電壓僅僅是第二級的失調電壓；當開關S1~S2斷開時，輸入信號經第一級、第二級放大后到輸出端，由于這一階段寄存在電容上的失調電壓保持不變，這樣，第一級差分放大器的失調電壓對第二級差分放大器不產生影響，即消去了市級的失調電壓，使二級差分放大器的總失調大大減小。設第一級增益為

A1、失調電壓為Vos1，第二級增益為A2、失調電壓為Vos2，那么輸出電壓Vo可寫為

由上式可知，等效到輸入端的失調電壓Vos為

顯然，放大器的失調電壓是將縮二級失調電壓減小A1倍。增大第一級的增益A1，使放大器的失調電壓減小。

圖3.8-5表示自動調零的MOS運放電路，圖中運放正向輸入端的電壓為運放的失調電壓。S1閉合，S2斷開時，電容C1兩端的電壓為V1-Vos；MOS運放的自動調零；當S1斷開、S2閉合時，輸入端信號電壓V1變為V2，而電容C1的二端電壓不能變化，因此運放負向輸入端的電壓為V2-V1+Vos，根據運放輸入與輸出的關系式可得。

上式表明，運放輸出端電壓與失調電壓無關，只與輸入信號的差值有關，因此圖3.8-5電路是自動調零的差分放大器。由圖可知，若將V1輸入端接地，構成倒相放大；若將V2輸入端接地，構成同相放大。通常圖3.8-5電路可作為比較器使用。

2、利用開關電容電路的調零技術

近年來，由MOS運放、MOS開關以及MOS電容組成的開關電容電路有了迅速的發展，成為當今MOS大規模模擬集成電路的主要電路形式之一。開關電答電路可以方使地采用失調自動調零技術，組成低失調的各種放大器、比較器和積分器。

圖3.8-6電路是具有失調調零的閉環差分放大器，其工作原理如下：

當開關S1閉合、S2斷開的時候，電容C1兩端的電壓為Vc1=V1-Vos；當開關S1斷開，S2閉合時，電容C1兩端的電壓由V1-Vos變至V2-Vos，電容C2兩端的電壓為根據電荷守恒原理，得如下電荷方程式：

上式經整理得

上式表明，增益決定于C1與C2的比值。為獲得一定增益，可選取C1與C2的比值。將運放的失調電壓Vos除以C1與C2，即為放大器的失調電壓。

圖3.8-6電路的缺點是失調電壓不能全部消除，為克服這一不足之處，在圖3.8-6的基礎上作些改進，可將失調電壓全部消除，其電路形式如圖3.8-7所示。其工作原理簡述如下。

當開關S1閉合，而開關S2斷開的時候，電容C1兩端的電壓，電容C2兩端的電壓；MOS運放的自動調零；當開關S1斷開、S2閉合的時候，電容C1兩端的電壓由V1-Vos變為V2-Vos，電容C2兩端的電壓Vc，由變為Vos-Vo。根據電荷守恒原理，可以得到如下電荷方程式：

將上式整理得

（3.8-12）式表明，輸出電壓與運放的失調電壓無關。

由于圖3.8-7電路消除了失調，因此它的失調調零方式在開關電容電路中應用得十分廣泛。圖中的開關通常由MOS開關構成，其實際電路如圖3.8-8所示。圖中n溝MOS管構成模擬開關，ф1與ф2為雙相時鐘信號，當ф1為高電平時（ф2為低電平）M1、M3、M5管導通，M2、M4截止：當ф2為高電平時（ф1為低電平）M2、M4導通，M1、M3和M5管截止。

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