CMOS运放ICL7650的工作原理图及输出电压关系等分析

动态校零CMOS运放ICL7650的工作原理

长期以来，集成电路设计人员在工艺技术、电路设计方面作不懈的努力，试图解决集成运放在失调、漂移等方面存在的问题。通常，MOS集成运放的失调与漂移均比双极型集成运放来得大；但是，经过合理的电路设计和版图设计，并且采用新工艺（如离子注入工艺）之后，可以将MOS集成运放的失调控制在10毫伏之内，达到双极型集成运放的水平。然而，这种MOS集成运放作为弱信号放大、高精度测量放大、积分器和高分辨率比较器等还存在一些问题，其主要原因是这种MOS集成运放的失调，漂移还太大。为此，人们致力于研究具有良好直流特性的放大器。80年代初，美国Intersil公司研制了用全MOS技术设计的动态较零CMOS运放ICL7650，其失调为0.01微伏，温度漂移为0.01微伏/℃，开环增益达130分贝，共模抑制比为130分贝。可以这样说，动态校零的CMOS运放ICL7650，在直流特性方面已经接近于“理想”运放，从而使集成运放进入了第四代，并确立了MOS运放在模拟集成电路中的重要地位。本节将介绍动态校零CMOS集成运放ICL7650的设计思想，并给出电路结构，同时将要介绍目前在低失调MOS集成运放中所采用的失调电压自动校零技术。

ICL7650的设计思想，实际上是吸取传统的双通道放大器所具有的低失调、低温漂的优点，同时又从电路结构上加以改进，克服传统电路的缺点，使电路适合于单片集成。这种所谓第四代运放设计思想的核心，是利用时钟脉冲控制整个电路，使其分为两个阶段进行工作，第一阶段为放大器误差检测与寄存，第二阶段为校零与放大，从而实现低失调与低温漂。

1、ICL7650的工作原理

图3.8-1a示出了ICL7650的方框原理图。

A1为主放大器，它用来放大输入信号，并输出经它放大后的信号，这个放大器具有较宽的频带和较强的负载能力。A1不仅具有普通运放那样的两个同相与反相输入端；同时还另外设置了一个第三输入端N1，其作用与同相输入端相同，若从N1加入信号，将会在输出端得到经A1放大后的同相信号。

A2为调零放大器；它用来降低主放大器A1的失调电压，不直接对外输出信号，仅作为一种辅助放大器使用。这个电路除有普通运放两个输入端外，与A1一样，也有第三个输入端N2，N2是倒相输入端，即N2加入的信号经A2放大后反相出现在A2的输出端。

开关SA、SB由MOS器件构成的模拟开关，它由双相时钟信号控制（图3.8-1b）。若双端时钟信号分为A相位、B相位时钟信号，当A相位为高电平时，开关SA接通，开关SB断开；当B相位为高电平时，开关SB接通，开关SA断开。时钟信号由电路内部产生，也可从外部加入。

CA、CB是外接电容，它起寄存失调电压的作用。现在我们简要介绍图3.8-1a电路的工作原理。

当双相时钟信号的A相位处于高电平时，开关SA闭合，开关SB断开。从图可知，这一阶段（称第一阶段），A2的输入端闭合，其输出电压只与A2的失调电压有关。在第三个输入端N2则与输出直接连接成全反馈，这时，电容CA寄存了A2放大器的失调电压。当双相时钟信号的B相位处于高电平时，开关SB闭合，开关SA断开，此时为第二工作阶段。从图可知，A2的差分输入端接入了输入信号，由于A2放大器失调电压的存在，它与输入信号一起放大，并送到A2的输出端：与此同时，电容CA寄存的A2失调电压也通过第三输入端N2进行放大。由于A2的差分输入端的等效失调电压对输出端的贡献与N2端的A2的失调电压对输出端贡献正好相消（大小相等，极性相反），因而在A2输出端的信号只与输入信号有关，与A2的失调电压无关，也就是说，由于第一阶段的工作结果，在第二阶段时A2的输出无失调电压成分，即失调已被调零。

再看放大器A1的工作情况，此时A1不仅放大差分输入端的输入信号，而且还放大A1的失调电压；与此同时，A2输出端的信号加到A1放大器的N1端，因而A1输出端得到三部分信号，其中两部分与输入信号有关，一部分与A1的失调电压有关，与输入信号有关的成分大于失调电压成分，这样使放大器的失调电压大大降低。

2、ICL7650的输出电压与输入信号、失调电压的关系

为了便于分析，我们作如下四点假设：

（1）Ao1和Ao2分别为主放大器A1和调零放大器A2的放大倍数（从差分输入端输入到输出端）；

（2）Ao′1和Ao′2分别为从N1和N2作为输入端时放大器A1和A2的放大倍数；

（3）分别为A1和A2等效在输入端的失调电压；

（4）暂不考虑共模抑制比（CMRR）对放大器的影响。

时钟的第一阶段；开关SA闭合，开关SB断开，调零放大器A2输入电压，此时A2的输出电压Vo2由下式表示：

化简后得

此时，A2的输出电压Vo2全部寄存在电容CA中，即电容CA的电压VCA为

时钟的第二阶段：开关SB闭合，开关SA断开，输入信号分二个通路进行放大，一部分从A1输入端输入进行放大，这也说明A1对输入信号是连续放大的，输入信号的另一部分被加到A2进行放大，此时，A2的输出电压V0′2由下式给出：

由于SA断开，上半周期充入电容CA中的失调电压Vos，又从调零输入端N2进入A2进行放大，这部分的输出电压V0′2′为

以上两部分输出电压在A2输出端的贡献为

上述A2的输出电压寄存在电容CB中，同时也被加到A1的同相输入端N1进行放大，此时主放大器A1的输出电压Vo可表示为

式中（A01+A′01A02）为整个放大器的增益，而A01Vos，为失调电压的误差项，该误差项折合到输入端的失调电压Vos为

由于A01～A′01，所以

由上式可知，电路的失调电压VDS是将A1放大器的失调电压缩小了A02倍。只要使调零放大器A2有足够大的增益，那么失调电压Vos就很小。例如：Vos，为10毫伏，而调零放大器的增益A02=10000倍，则失调电压Vos只有1微伏。

由（3.8-6）式可知，电路的开环电压增益是很高的，可达130分贝左右。

若考虑共模抑制比的影响，那么，通过计算，图3.8-1a电路的共模抑制比为

式中CMRR1为A1放大器的共模抑制比。

因此，图3.8-1a电路的共模抑制比是A1放大器共模抑制比的Ao2倍。若CMRR1=60分贝，A02=70分贝，则电路的共模抑制比CMRR为130分贝。

综上所述，ICL7650集成运放是具有高增益、高共模抑制比、低失调和低漂移的高性能运放。

3、ICL7650中的放大器的具体电路

图3.8-1a电路中的A1和A2放大器，其具体电路如图3.8-2所示。

调零放大器A2由M1、M2、M4、M5、M7，和M8，组成，其中M1、M2为输入级差分对管，M4、M5为差分放大器的有源负载，M7、M8为输出级电路。主放大器A1由M2、M3、M5，M6和M9~M14组成，其中M2、M3为输入级差分对管，M5、M6为M2、M3的有源负载，M9~M14推挽式输出级电路。由图可知，M2的栅极作为二个放大器共用的反相输入端。

从图上又可看出，调零放大器A2的N2输入端是M6的衬底（背栅），通常衬底电位与源极相连，或低于源极电压，这里，M5的衬底是浮置的，并作为控制栅，它的电压略高于源极电压。当N2端输入一个正电压，由于衬底调制效应，使M5管的阈值电压减小，因M5电流不变，则M5的VGS电压减小，M4的电流减小，从而使M7的电流增大，输出V02下降，因此N2是属于反相输入端。主放大器A1的N1端是M6的衬底（背栅）。同样分析可知，N1是同相输入端。颗便指出，利用衬底作为控制栅极这是ICL7650的比较新颖的设计方法，使电路结构简化。ICL7650的主要参数如表3.8-1所示。

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