MOS运放的自动调零及开关电容电路的技术方法

1、自动调零的一般方法

在MOS模拟大规模集成电路中，作为主要部件的MOS运放，其电路结构越简单越好，以减小芯片的面积；但一般的MOS运放其失调电压都较大，约10~20毫伏，这样限制了它的使用范围。为了减低一般结构的MOS运放失调和漂移，我们可采用便于集成的自动调零技术，具体阐述如下。

图3.8-3电路是失调电压自动调零的MOS放大器电路原理图。放大器A为差分输入、差分输出的MOS放大器，开关S1~S4由MOS器件构成的模拟开关，电容是用来寄存放大器的失调电。该电路工作分两个阶段，第一阶段，开关S1~S4闭台，输入为零，输出电压（即失调电压）寄存在电容和上，这个阶段称为失调调零阶段；第二阶段，开关S1~S4断开，输入信号经A放大后在输出端输出，假如输出端的阻抗很高，那么寄存在电容上的失调电压继续保持，而输出端的信号仅仅是输入信号经A放大后的信号，这样消除了放大器的失调电压，这个阶称为测量阶段。MOS运放的自动调零；上述两个阶段分别由节拍脉冲来进行控制。

采用自动调零技术的二级MOS差分放大器如图3.8-4所示。

开关S1~S2闭合时，第一级差分放大器输出的失调电压寄存在电容上，这时第二级输出电压仅仅是第二级的失调电压；当开关S1~S2断开时，输入信号经第一级、第二级放大后到输出端，由于这一阶段寄存在电容上的失调电压保持不变，这样，第一级差分放大器的失调电压对第二级差分放大器不产生影响，即消去了市级的失调电压，使二级差分放大器的总失调大大减小。设第一级增益为

A1、失调电压为Vos1，第二级增益为A2、失调电压为Vos2，那么输出电压Vo可写为

由上式可知，等效到输入端的失调电压Vos为

显然，放大器的失调电压是将缩二级失调电压减小A1倍。增大第一级的增益A1，使放大器的失调电压减小。

图3.8-5表示自动调零的MOS运放电路，图中运放正向输入端的电压为运放的失调电压。S1闭合，S2断开时，电容C1两端的电压为V1-Vos；MOS运放的自动调零；当S1断开、S2闭合时，输入端信号电压V1变为V2，而电容C1的二端电压不能变化，因此运放负向输入端的电压为V2-V1+Vos，根据运放输入与输出的关系式可得。

上式表明，运放输出端电压与失调电压无关，只与输入信号的差值有关，因此图3.8-5电路是自动调零的差分放大器。由图可知，若将V1输入端接地，构成倒相放大；若将V2输入端接地，构成同相放大。通常图3.8-5电路可作为比较器使用。

2、利用开关电容电路的调零技术

近年来，由MOS运放、MOS开关以及MOS电容组成的开关电容电路有了迅速的发展，成为当今MOS大规模模拟集成电路的主要电路形式之一。开关电答电路可以方使地采用失调自动调零技术，组成低失调的各种放大器、比较器和积分器。

图3.8-6电路是具有失调调零的闭环差分放大器，其工作原理如下：

当开关S1闭合、S2断开的时候，电容C1两端的电压为Vc1=V1-Vos；当开关S1断开，S2闭合时，电容C1两端的电压由V1-Vos变至V2-Vos，电容C2两端的电压为根据电荷守恒原理，得如下电荷方程式：

上式经整理得

上式表明，增益决定于C1与C2的比值。为获得一定增益，可选取C1与C2的比值。将运放的失调电压Vos除以C1与C2，即为放大器的失调电压。

图3.8-6电路的缺点是失调电压不能全部消除，为克服这一不足之处，在图3.8-6的基础上作些改进，可将失调电压全部消除，其电路形式如图3.8-7所示。其工作原理简述如下。

当开关S1闭合，而开关S2断开的时候，电容C1两端的电压，电容C2两端的电压；MOS运放的自动调零；当开关S1断开、S2闭合的时候，电容C1两端的电压由V1-Vos变为V2-Vos，电容C2两端的电压Vc，由变为Vos-Vo。根据电荷守恒原理，可以得到如下电荷方程式：

将上式整理得

（3.8-12）式表明，输出电压与运放的失调电压无关。

由于图3.8-7电路消除了失调，因此它的失调调零方式在开关电容电路中应用得十分广泛。图中的开关通常由MOS开关构成，其实际电路如图3.8-8所示。图中n沟MOS管构成模拟开关，ф1与ф2为双相时钟信号，当ф1为高电平时（ф2为低电平）M1、M3、M5管导通，M2、M4截止：当ф2为高电平时（ф1为低电平）M2、M4导通，M1、M3和M5管截止。

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