可消除運(yùn)放失調(diào)電壓的高精度鏡像電流源設(shè)計

杭州士蘭微電子股份有限公司　陳幫勇

可消除運(yùn)放失調(diào)電壓的高精度鏡像電流源設(shè)計

杭州士蘭微電子股份有限公司陳幫勇

消除失調(diào)的方法有多種，本文采用的方法簡單且有效，其原理是將運(yùn)放輸入端的失調(diào)電壓先“轉(zhuǎn)移”到另外一組差分對的輸入端，并利用電容將失調(diào)電壓保持住，這樣只要加入這組差分對，失調(diào)電壓就轉(zhuǎn)由該差分對來承擔(dān)了，運(yùn)放輸入端的失調(diào)電壓就會消除。電容對失調(diào)電壓的保持只能短時間有效，需要周期性的“刷新”，因而需要周而復(fù)始的在“轉(zhuǎn)移”失調(diào)電壓和零失調(diào)工作這兩個狀態(tài)中不停切換。

消除失調(diào)；原理；LED驅(qū)動

當(dāng)前，在許多電子應(yīng)用領(lǐng)域，對電流源的電流精度有著很高的要求。就比如在LED驅(qū)動領(lǐng)域，由于人眼對LED亮度的均勻性非常敏感，因而對LED亮度起決定作用的驅(qū)動電流的精度也就變得尤為重要，根據(jù)實(shí)際測試，在LED亮度比較低時，±5%以上的電流差異就能引起人眼能感覺到的LED亮度不均勻現(xiàn)象。

一種常見的LED驅(qū)動IC的恒流源結(jié)構(gòu)如圖1所示，電阻R1將輸入的電流Iin轉(zhuǎn)換成電壓，NMOS管M10跟電阻R2構(gòu)成鏡像電流的輸出端。M1～M9和C1構(gòu)成的運(yùn)放，其正輸入端（M1的柵極）接R1的一端，運(yùn)放的輸出端接M10的柵極，于M10跟R2的連接處拉回到運(yùn)放的負(fù)輸入端（M2的柵極），構(gòu)成負(fù)反饋環(huán)路。根據(jù)運(yùn)放的兩個差分輸入端的“虛短”原理，可以得到電阻R1上的壓降跟R2上的壓降相等，從而得出R1跟R2的阻值之比就是輸出電流Iout跟輸入電流Iin的鏡像比，即Iout：Iin=R1：R2。

圖1

為了提高系統(tǒng)的有效功率，就要盡量降低消耗在IC內(nèi)部的功耗，就需要讓電流輸出端口的電壓盡量低，因而在設(shè)計時會讓電阻上的壓降盡量小，經(jīng)常會工作在100mV以下。由于受到集成電路流片工藝的影響，運(yùn)放的輸入端不可避免的存在失調(diào)電壓，這個失調(diào)通?？梢赃_(dá)到±10mV以上，對于100mV的共模輸入電壓來說，這個失調(diào)能造成不同驅(qū)動端之間的輸出電流存在±10%以上的差異，這會引起人眼能夠感覺到的LED之間的亮度差異，是實(shí)際應(yīng)用無法接受的。因而如何消除運(yùn)放的失調(diào)成為提高此鏡像電流源電流精度的關(guān)鍵。

消除失調(diào)的方法有多種，本文采用的方法簡單且有效，其原理是將運(yùn)放輸入端的失調(diào)電壓先“轉(zhuǎn)移”到另外一組差分對的輸入端，并利用電容將失調(diào)電壓保存住，這樣只要加入這組差分對，失調(diào)電壓就轉(zhuǎn)由該差分對來承擔(dān)了，運(yùn)放輸入端的失調(diào)電壓就會消除。具體電路見圖2。

圖2主要增加了三個MOS管M11～M13，二個電容C2～C3，五個作開關(guān)用的傳輸門T1～T5。其中M11和M12是新加入的差分對管，M11的柵極跟電容C2連接，并通過傳輸門T3跟一個電壓值為VREF的電壓源連接，M12的柵極跟電容C3連接，并通過傳輸門T4跟運(yùn)放輸出端連接。

圖2

圖2的電路是周期性工作的，每個周期分兩步工作：第一步，S1=1，S2=0，則傳輸門T2、T5斷開，T1、T3、T4閉合，在這種狀態(tài)下，運(yùn)放的輸出端跟M10斷開連接，轉(zhuǎn)為跟M12的柵極連接，M2的柵極跟R2的電壓采樣點(diǎn)斷開連接，運(yùn)放的兩個差分輸入管M1、M2的柵極接到一起，M11的柵極跟電壓源連接；第二步，S1=0，S2=1，則傳輸門T1、T3、T4斷開，T2、T5閉合，在這種狀態(tài)下，運(yùn)放的輸出端跟M12斷開，恢復(fù)為跟M10的柵極連接，M1、M2也斷開連接，M2恢復(fù)為跟R2的電壓采樣點(diǎn)連接。這兩步周而復(fù)始的循環(huán)工作。

在以上的第一步工作狀態(tài)中，由于運(yùn)放的兩個輸入端（M1、M2的柵極）接在一起，且運(yùn)放的輸出端跟M12的柵極連接構(gòu)成負(fù)反饋環(huán)路，M11的柵極跟電壓源連接，合適的VREF電壓值可確保M7和M9工作在飽和區(qū)，這樣的結(jié)構(gòu)可以讓運(yùn)放的兩個差分輸入端在電壓相等的情況下確保運(yùn)放的輸出管工作在飽和區(qū)，根據(jù)運(yùn)放失調(diào)電壓的定義可知，其本質(zhì)就是運(yùn)放的輸入端失調(diào)電壓為0。那么運(yùn)放輸入端的失調(diào)電壓去哪里了呢？實(shí)際上這個輸入失調(diào)電壓是轉(zhuǎn)由新增加的差分對管M11和M12的柵極上的差模電壓來補(bǔ)償了，可以說這個結(jié)構(gòu)把運(yùn)放輸入端的失調(diào)電壓“轉(zhuǎn)移”到M11和M12的柵極差分電壓上去了。由于M10的管子尺寸比較大，其柵極跟有源區(qū)之間的寄生電容比較大，可以將M10柵極上的電壓保持住，因而只要這個工作狀態(tài)時間持續(xù)的不要太長，其輸出電流可以保持不變。

在上面的第二步工作狀態(tài)中，運(yùn)放的工作狀態(tài)恢復(fù)到圖1的結(jié)構(gòu)，M12的柵極跟運(yùn)放的輸出端斷開，M11的柵極跟參考電壓VREF斷開，由于電容C2、C3能將電壓短時間內(nèi)保持住，因而M11 和M12的差分輸入端仍然保持著運(yùn)放的失調(diào)電壓，即運(yùn)放的差分輸入端（M1、M2的柵極）可以認(rèn)為是零失調(diào)電壓，在這樣的結(jié)構(gòu)中，沒有了運(yùn)放失調(diào)電壓的影響，電流精度由運(yùn)放的增益以及R1、R2的匹配度來決定，電流離散度可以保證在±3%以內(nèi)，滿足LED驅(qū)動對電流精度的要求。

以上由于第二步工作狀態(tài)中電容C2、C3只能短時間內(nèi)保持住電壓，需要周期性的切換到第一步進(jìn)行“刷新”，因而以上兩步需要周而復(fù)始的不停切換。

下面通過spectre仿真來驗(yàn)證本設(shè)計的效果，設(shè)Iin=100uA，R1=1KΩ，R2=10Ω，理論計算結(jié)果Iout=10mA。在運(yùn)放的負(fù)輸入端人為加入一個10mV的失調(diào)電壓，當(dāng)采用圖1的結(jié)構(gòu)時，仿真得到輸出電流值為8.96mA，跟理論值相差10.4%；當(dāng)采用圖2的結(jié)構(gòu)時，S1、S2接互為反相的頻率為1MHz的方波信號，同樣在運(yùn)放的負(fù)輸入端人為加入一個10mV的失調(diào)電壓，仿真得到輸出電流值為9.96mA，根理論值只相差了0.4%，這個仿真結(jié)果很好的驗(yàn)證了本論文所采用的設(shè)計方案對消除運(yùn)放失調(diào)電壓與提升鏡像電流源匹配精度的有效性。成電路設(shè)計［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003：364-389.

［2］王化鋒.溫度及電流對LED顯示屏色度一致性的影響［J］.現(xiàn)代顯示，2008，（87）：85-87.

［3］［美］PAUL R.GRAY等著，張曉林等譯.模擬集成電路的分析與設(shè)計［M］.北京：高等教育出版社，2005：240-249.

［1］［美］畢查德.拉扎維著，陳貴燦，程軍，張瑞智等譯.模擬CMOS集

陳幫勇（1976－），男，浙江杭州人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：LED驅(qū)動。