專利名稱：儀器放大器校準(zhǔn)方法、系統(tǒng)及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路儀器放大器，且更特定而言，涉及集成電路儀器放大器的校準(zhǔn)。
背景技術(shù)：
集成電路正變得越來越復(fù)雜，但其價格卻在下降。集成電路裸片上制造或多芯片封裝(MCP)中封裝的模擬及數(shù)字功能兩者的組合正變得更普遍且進一步增加有用性及降低消費者及工業(yè)產(chǎn)品的成本。集成電路裸片上或MCP中的微控制器與模擬及數(shù)字電路功能的組合也已經(jīng)擴展應(yīng)用的有用范圍。消費者及商業(yè)產(chǎn)品(例如，舉例來說(但不限于)電器、電信裝置、汽車、安全系統(tǒng)、全家即熱式熱水器、恒溫器及類似物)是受控于集成電路微控制器。用于接收傳感器信息的模擬輸入及用于控制功能的模擬輸出是這些微控制器的應(yīng)用所必需的。迄今為止，使用分離及離散的模/數(shù)接口及數(shù)/模接口來將數(shù)字微控制器連接到外部的模擬世界。連同分離的運算放大器(op-amp) —起使用模擬輸入裝置(例如模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC))以將時變模擬信號轉(zhuǎn)換為其數(shù)字表示以用于耦合到數(shù)字輸入及由微控制器使用所述數(shù)字表示。當(dāng)某一模擬值在比較器的輸入上出現(xiàn)時，還由改變數(shù)字輸出狀態(tài)的離散集成電路電壓比較器來檢測電壓電平及電流電平。運算放大器(及比較器)通常為差動輸入(反相輸入及同相輸入)模擬裝置，且運算放大器的電路具有固有直流(DC)輸入偏移電壓，所述固有直流(DC)輸入偏移電壓造成在差動輸入之間零輸入電壓(舉例來說，輸入連接在一起)的情況下運算放大器的輸出非零。許多應(yīng)用要求具有非常小的輸入偏移電壓的運算放大器。為了達(dá)到小的輸入偏移電壓，在生產(chǎn)運算放大器中通常需要校準(zhǔn)步驟。此校準(zhǔn)步驟在制造/測試運算放大器期間需花費時間，且因此執(zhí)行時一般較昂貴。通常在一個操作點(舉例來說，溫度、共模電壓等)下執(zhí)行校準(zhǔn)，使得在運算放大器的制造/測試中不補償操作環(huán)境(舉例來說，溫度、電壓等等)的變化。現(xiàn)在技術(shù)已發(fā)展到可在其上還制造數(shù)字微控制器及數(shù)字微控制器的支持邏輯及存儲器的同一集成電路裸片上制造模擬輸入及輸出裝置的程度。這造成用于測試數(shù)字微控制器功能的設(shè)備不能有效地執(zhí)行模擬功能的在線校準(zhǔn)的額外問題。因此，在制造時需要額外測試設(shè)備及測試步驟。同樣，測試模式邏輯及介接/多路復(fù)用電路變得更復(fù)雜，在集成電路封裝的引腳數(shù)(外部連接)在數(shù)量上較少時尤為如此。儀器放大器具有包含偏移誤差、增益誤差及限制其性能的電路寄生效應(yīng)的誤差來源。儀器放大器的校準(zhǔn)期望減少這些誤差而使儀器放大器適于更廣范圍的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
因此，存在能夠自動減少模擬輸入裝置(舉例來說，儀器放大器)的偏移及增益誤差的需要。還期望可在最終用戶系統(tǒng)應(yīng)用中校準(zhǔn)模擬輸入裝置以滿足所期望的規(guī)格及可在正常操作及其任何變化期間遇到的所有操作條件(例如溫度、電壓、電流、速度、功率、壓力、濕度等)下的操作參數(shù)，且可大量生產(chǎn)所述模擬輸入裝置以減少整體產(chǎn)品成本?？稍诰哂心M及數(shù)字功能兩者的集成電路(舉例來說，混合信號裝置)上制造模擬輸入裝置。模擬輸入裝置可包含(但不限于)差動或單端輸入運算放大器、比較器、可編程增益 放大器(PGA)、儀器放大器(INA)、低噪聲放大器等等。在哈圖諾 迪瑪瓦斯基塔(HartonoDarmawaskita)、雷頓 伊格(Layton Eagar)及米格爾 莫雷諾(Miguel Moreno)的第6，459，335號名為“集成電路模擬輸入裝置中用于使輸入偏移電壓最小化的自動校準(zhǔn)電路(Auto-Calibration Circuit to Minimize Input Offset Voltage in an IntegratedCircuit Analog Input Device) ”的共同擁有美國專利中描述具有偏移電壓校準(zhǔn)的混合信號裝置的實例，且為了所有目的以引用的方式并入本文中。根據(jù)本發(fā)明的教示內(nèi)容，當(dāng)由用戶請求及/或發(fā)生事件時，用于模擬電路的增益及偏移兩者的自動校準(zhǔn)的設(shè)備及方法可滿足此需要。用戶可通過對混合信號集成電路的自動校準(zhǔn)(AqJ輸入而依需要來調(diào)用增益及/或偏移的自動校準(zhǔn)。參考電壓(VqJ校準(zhǔn)輸入可用于自動校準(zhǔn)混合信號集成電路到用戶供應(yīng)的共模電壓參考。還可在發(fā)生以下事件中的任何一個或一個以上之后旋即起始混合信號集成電路裝置的增益及/或偏移的自動校準(zhǔn)，例如(但不限于)1)自動校準(zhǔn)數(shù)據(jù)損壞的檢測，舉例來說，以數(shù)字形式存儲于混合信號集成電路中的自動校準(zhǔn)數(shù)據(jù)值的奇偶校驗；2)在可編程的超時周期之后引起校準(zhǔn)請求的內(nèi)部定時器；3)由溫度傳感器確定的內(nèi)部集成電路裸片溫度的變化；及4)電源及/或來自內(nèi)部調(diào)節(jié)器(舉例來說，偏壓網(wǎng)絡(luò))的內(nèi)部供應(yīng)電壓的變化。此外，用戶可用模擬電路的增益及/或偏移的校準(zhǔn)進行補償以補償終端系統(tǒng)中的變動(包含操作點，舉例來說電源、共模等等)；環(huán)境變化(舉例來說，溫度、濕度等等)；且還補償隨著時間推移的組件漂移(舉例來說，老化效應(yīng)等等)。 在增益調(diào)整校準(zhǔn)期間，參考電壓Vm施加到模擬裝置的輸入且用電壓比較器比較模擬裝置的輸出與參考電壓Vm。使用數(shù)字控制電路以將數(shù)字字(digital word)施加到增益調(diào)整電路來確定表示所需增益調(diào)整校準(zhǔn)的數(shù)字值。在偏移校準(zhǔn)期間，模擬裝置的差動輸入被短接在一起且還連接到參考電壓(舉例來說，Vcal) 0用電壓比較器比較模擬裝置的輸出與參考電壓數(shù)字控制電路將數(shù)字字施加到輸入偏移補償電路以確定表示所需輸入偏移補償?shù)臄?shù)字值。可由數(shù)字控制電路使用數(shù)字字的各種數(shù)字值的線性搜索或二進制搜索以完成增益及偏移校準(zhǔn)兩者。電壓比較器比較模擬輸入裝置的輸出與電壓參考。當(dāng)模擬輸入裝置的輸出等于或大于電壓參考時，比較器輸出從第一邏輯電平切換到第二邏輯電平。比較器的輸出連接到數(shù)字控制電路且通過改變其輸出邏輯電平而發(fā)信號給數(shù)字控制電路。所述電壓參考是可編程的以選擇在增益及/或偏移校準(zhǔn)循環(huán)期間施加到模擬輸入裝置及比較器輸入的所期望的電壓值。這允許改變電壓參考以便促進與使用的應(yīng)用的電壓非常接近的共模電壓處的校準(zhǔn)?？稍谄鹗寄M輸入裝置的自動校準(zhǔn)之前，將適當(dāng)電壓參考值寫入到與電壓參考電路相關(guān)聯(lián)的控制寄存器。在模擬輸入裝置的增益及/或輸入偏移電壓補償校準(zhǔn)期間可針對不同模擬輸入裝置使用不同電壓參考值?？墒褂萌劢z鏈、可編程只讀存儲器等等以控制用于增益及輸入偏移調(diào)整的補償開關(guān)。然而，完成模擬輸入裝置的增益調(diào)整及/或輸入偏移電壓補償電路的優(yōu)選方式是使用至少一個存儲寄存器或存儲器，所述至少一個存儲寄存器或存儲器留存用于控制連接補償INA的增益及/或輸入偏移電壓所必需的差動模擬輸入電路中的恒定電流源及電流匯的開關(guān)的數(shù)字值。存儲寄存器可取決于所期望的應(yīng)用而為易失性或非易失性的。因此，在制造及/或測試期間不需要工廠校準(zhǔn)，可消除可編程熔絲鏈修整且增加最終用戶應(yīng)用靈活性。
多個模擬輸入裝置可通過在多個模擬輸入裝置中的每一者之間多路復(fù)用數(shù)字控制電路及比較器來校準(zhǔn)其增益及/或輸入偏移。因此，減少電路及裸片面積、節(jié)省成本及改進混合信號集成電路裝置的可靠性。根據(jù)本發(fā)明的特殊實例性實施例，一種具有使用恒定電流源及恒定電流匯的增益及偏移校準(zhǔn)的儀器放大器包括第一跨導(dǎo)級，其具有正電壓輸入及負(fù)電壓輸入及正電流輸出及負(fù)電流輸出；第二跨導(dǎo)級，其具有正電壓輸入及負(fù)電壓輸入及正電流輸出及負(fù)電流輸出；跨阻抗放大器，其具有正電流輸入及負(fù)電流輸入及電壓輸出；所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級的所述正電流輸出及所述跨阻抗放大器的所述正電流輸入耦合在一起；所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級的所述負(fù)電流輸出及所述跨阻抗放大器的所述負(fù)電流輸入耦合在一起；第一多個恒定電流源；第一多個開關(guān)，其中所述第一多個開關(guān)將所述第一多個恒定電流源中的某些恒定電流源可選擇地耦合到所述第一跨導(dǎo)級；第二多個恒定電流源；第二多個開關(guān)，其中所述第二多個開關(guān)將所述第二多個恒定電流源中的某些恒定電流源可選擇地耦合到所述第二跨導(dǎo)級；第三多個恒定電流匯；第三多個開關(guān)，其中所述第三多個開關(guān)將所述第三多個恒定電流匯中的某些恒定電流匯可選擇地連接到所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級的正電流輸出；第四多個恒定電流匯；及第四多個開關(guān)，其中所述第四多個開關(guān)將所述第四多個恒定電流匯中的某些恒定電流匯可選擇地耦合到所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級的負(fù)電流輸出；借此通過將所述第一多個恒定電流源及所述第二多個恒定電流源中的所述某些恒定電流源分別可選擇地耦合到所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級而提供所述儀器放大器的增益調(diào)整；及借此通過將所述第三多個恒定電流匯及所述第四多個恒定電流匯中的某些恒定電流匯分別可選擇地耦合到所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級的正電流輸出及負(fù)電流輸出而提供所述儀器放大器的輸入偏移調(diào)整。根據(jù)本發(fā)明的另一個特殊實例性實施例，一種用于使用恒定電流源及恒定電流匯校準(zhǔn)儀器放大器的增益及偏移的方法包括以下步驟通過將多個恒定電流源中的某些恒定電流源可選擇地耦合到所述儀器放大器的第一跨導(dǎo)級及第二跨導(dǎo)級而調(diào)整儀器放大器的增益；及通過將多個恒定電流匯中的某些恒定電流匯可選擇地耦合到所述儀器放大器的所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級的正輸出及負(fù)輸出而調(diào)整所述儀器放大器的偏移。將所述儀器放大器的正輸入耦合到第一增益設(shè)定電阻器網(wǎng)絡(luò)及將所述儀器放大器的負(fù)輸入耦合到共同電源；將所述儀器放大器的反饋輸入耦合到第二增益設(shè)定電阻器網(wǎng)絡(luò)及將所述儀器放大器的參考輸入耦合到所述共同電源，其中所述第一增益設(shè)定電阻器網(wǎng)絡(luò)及所述第二增益設(shè)定電阻器網(wǎng)絡(luò)大致相同；比較所述儀器放大器的輸出電壓與參考電壓；及將多個恒定電流源中的某些恒定電流源可選擇地耦合到所述儀器放大器的第一跨導(dǎo)級及第二跨導(dǎo)級直到來自所述儀器放大器的輸出電壓與所述參考電壓大致相同。調(diào)整所述儀器放大器的偏移的步驟包括以下步驟將儀器放大器的正輸入及負(fù)輸入耦合到參考電壓；將儀器放大器的反饋輸入耦合到增益設(shè)定電阻器網(wǎng)絡(luò)及將儀器放大器的參考輸入耦合到參考電壓；比較儀器放大器的輸出電壓與參考電壓；及將多個恒定電流匯中的某些恒定電流匯可選擇地耦合到儀器放大器的第一跨導(dǎo)級及第二跨導(dǎo)級的正輸出與負(fù)輸出直到來自儀器放大器的輸出電壓與參考電壓大致相同。在調(diào)整所述偏移的步驟之前發(fā)生調(diào)整所述增益的步驟，因為增益調(diào)整可影響偏移，但反過來并不是這樣。



可由參考連同附圖進行的以下描述獲得本發(fā)明的更完整理解，其中圖I說明儀器放大器(INA)的基本架構(gòu)的示意性框圖；圖2說明根據(jù)本發(fā)明的特殊實例性實施例用于修整圖I的INA的增益及偏移的電路的不意圖；圖3說明根據(jù)本發(fā)明的教示內(nèi)容用于圖I的INA的增益校準(zhǔn)的切換布置的示意性電路圖；圖4說明根據(jù)本發(fā)明的教示內(nèi)容用于圖I的INA的偏移校準(zhǔn)的切換布置的示意性電路圖；及圖5說明根據(jù)本發(fā)明的教示內(nèi)容與圖2到4中所示的電路組合地使用的數(shù)字校準(zhǔn)電路的示意性方框電路圖。雖然本發(fā)明可具有各種修改及替代形式，但本發(fā)明的特殊實例性實施例已展示于圖式中且已在本文中作詳細(xì)描述。然而，應(yīng)理解，本文特殊實例性實施例的描述不打算將本發(fā)明限于本文揭示的特定形式，而是相反，本發(fā)明涵蓋由所附權(quán)利要求書界定的所有修改及等效物。
具體實施例方式現(xiàn)在參考圖式，示意性說明實例性實施例的細(xì)節(jié)。圖式中的相同元件將由相同數(shù)字表示，且類似元件將由具有不同小寫字母后綴的相同數(shù)字表示。參考圖1，所描繪的是儀器放大器(INA)的基本架構(gòu)的示意性框圖。具有間接電流反饋的儀器放大器(INA) 102包括第一跨導(dǎo)級104、第二跨導(dǎo)級110、跨阻抗放大器108及求和節(jié)點106。在求和節(jié)點106中添加來自第一跨導(dǎo)級104的輸出電流I1，及在求和節(jié)點106中減去來自第二跨導(dǎo)級110的輸出電流12。來自求和節(jié)點106的差動電流輸出施加于將此電流輸入轉(zhuǎn)換為電壓輸出的跨阻抗放大器108。電流求和操作提供間接電流反饋。理想地，來自跨導(dǎo)級104及110的兩個輸出電流應(yīng)總和為零，I1-I2 = O。根據(jù)公式，由電阻器112及114確定INA 102的增益
G = GM1/GM2*(1+RF/RG)其中G是INA 102的增益，Gmi是第一跨導(dǎo)級104的增益，Gm2是第二跨導(dǎo)級110的增益，Rf是電阻器112的電阻值，及Rtj是電阻器114的電阻值。參考圖2，所描繪的是根據(jù)本發(fā)明的特殊實例性實施例用于修整圖I的INA的增益及偏移的電路的示意圖。第一跨導(dǎo)級104包括連接為差動輸入對的晶體管260及264、退化電阻器262、多個恒定電流源230及232及分別與多個恒定電流源230及232相關(guān)聯(lián)的多個開關(guān)236及238。第二跨導(dǎo)級110包括連接為差動輸入對的晶體管266及270、退化電阻器268、多個恒定電流源240及242及分別與多個恒定電流源240及242相關(guān)聯(lián)的多個開關(guān)246及248?？鐚?dǎo)級104及110兩者共享多個恒定電流匯234及244及分別與多個恒定電流匯234及244相關(guān)聯(lián)的多個開關(guān)252及224。使用多個恒定電流匯234及244來修整INA 102的偏移。用于偏移修整的多個恒定電流匯234與到跨阻抗放大器108的負(fù)載的
正(+)電流軌相關(guān)聯(lián)，且用于偏移修整的多個恒定電流匯244與到跨阻抗放大器108的負(fù)載的負(fù)(_)電流軌相關(guān)聯(lián)。晶體管260、264、266及270可為(舉例來說，但不限于)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，舉例來說P溝道或N溝道。通過改變跨導(dǎo)級104的尾恒定電流源230及232及/或改變跨導(dǎo)級110的尾恒定電流源240及242來調(diào)整INA 102的增益。通過調(diào)整差動對負(fù)載的任一側(cè)(+及_)上的多個恒定電流匯234及244而完成偏移修整。修整差動對負(fù)載處的偏移的優(yōu)點是其不影響INA 102的增益。因此，優(yōu)選的是，可首先調(diào)整INA 102的增益，接著將INA 102的偏移修整到大致為零。因此可在偏移修整操作期間補償由增益調(diào)整引入的任何額外偏移。參考圖3，所描繪的是根據(jù)本發(fā)明的教示內(nèi)容用于圖I的INA的增益校準(zhǔn)的切換布置的示意性電路圖。校準(zhǔn)開關(guān)356到364展示為連接于位置“b”中且增益/偏移校準(zhǔn)開關(guān)372a及372b展示為連接于位置“c”中以用于增益校準(zhǔn)。對于INA 102的正常操作，校準(zhǔn)開關(guān)356到364將連接于位置“a”中。在INA 102的正常操作期間，增益/偏移校準(zhǔn)開關(guān)372a及372b的位置是不相關(guān)的。在增益校準(zhǔn)期間，當(dāng)校準(zhǔn)開關(guān)356到364是在位置“b”中且增益/偏移校準(zhǔn)開關(guān)372a及372b是在位置“c”中時，INA 102的正輸入連接到內(nèi)部反饋電阻器112a(Rf)及內(nèi)部增益設(shè)定電阻器IMa(Rc)的接點。內(nèi)部反饋電阻器112a(RF)的另一端連接到來自校準(zhǔn)電壓參考354的參考電壓370 (VqJ，且內(nèi)部增益設(shè)定電阻器IMa(Rs) 114a的另一端連接到共同參考電勢374(舉例來說，接地)。INA 102的負(fù)輸入連接到共同參考電勢374(舉例來說，接地);切斷外部節(jié)點 116 (OUT)、118 (IN+)、120 (IN-)、122 (FB) R 124 (REF)與 INA 102的連接。INA 102的參考輸入380連接到共同參考電勢374 (舉例來說，接地)。INA 102的反饋輸入382連接到內(nèi)部反饋電阻器112a(Rf)及內(nèi)部增益設(shè)定電阻器114(Re)的接點。內(nèi)部增益設(shè)定電阻器114及114a(Re)及內(nèi)部反饋電阻器112及112a(Rf)在增益校準(zhǔn)操作期間連接到INA 102。內(nèi)部增益設(shè)定電阻器114及114a(Re)及內(nèi)部反饋電阻器112及112a(Rf)將INA 102配置為具有高增益以用于更精確的增益校準(zhǔn)。內(nèi)部增益設(shè)定電阻器114及114a(Re)被匹配為具有大致相同的電阻。類似地，內(nèi)部反饋電阻器112及112a(Rf)被匹配為具有大致相同的電阻。因此，INA 102輸出將是與參考電壓370 (VqJ大約相同的電壓值。
切斷輸出節(jié)點116與INA 102的輸出的連接，使得INA 102的輸出可連接到比較器352的正輸入(INA 102的三態(tài)輸出可用作相同目的)。來自校準(zhǔn)電壓參考354的參考電SVm可大約在(舉例來說，但不限于)供應(yīng)電壓Vdd(未展示)與共同參考電勢374之間的中間位置。
當(dāng)比較器352的正輸入處的電壓的值與比較器352的負(fù)輸入處的參考電壓Vm的值大致相同時，校準(zhǔn)INA 102的增益。比較器352的輸出將為邏輯1(高)或邏輯0(低)，取決于正輸入上的電壓是否大于或者小于或等于校準(zhǔn)電壓。比較器352的輸出368可耦合到圖5中的連續(xù)逼近寄存器(SAR)，且為在如本文對圖2及5中所示的數(shù)字校準(zhǔn)電路更完全描述的確定多個恒定電流源230、232、240及/或242中的哪些將連接于INA 102電路(圖2)中時使用的連續(xù)逼近模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的部分。優(yōu)選的是，可首先執(zhí)行增益校準(zhǔn)，因為增益調(diào)整大致并不影響偏移，然而如果在增益設(shè)定恒定電流源230、232、240及/或242 (圖2)的選擇期間引入INA 102的任何偏移，那么接著在偏移校準(zhǔn)期間，增益設(shè)定引入的偏移將被大致抵消。參考圖4，所描繪的是根據(jù)本發(fā)明的教示內(nèi)容用于圖I的INA的偏移校準(zhǔn)的切換布置的示意性電路圖。校準(zhǔn)開關(guān)356到364展示為連接于位置“b”中且增益/偏移校準(zhǔn)開關(guān)372a及372b展示為連接于位置“d”中以用于偏移校準(zhǔn)。對于INA 102的正常操作，校準(zhǔn)開關(guān)356到364將連接于位置“a”中。在INA 102的正常操作期間，增益/偏移校準(zhǔn)開關(guān)372a及372b的位置是不相關(guān)的。在偏移校準(zhǔn)期間，當(dāng)校準(zhǔn)開關(guān)356到364是在位置“b”中且增益/偏移校準(zhǔn)開關(guān)372a及372b是在位置“d”中時，INA 102的差動輸入連接到校準(zhǔn)電壓參考354。來自校準(zhǔn)電壓參考354的參考電壓370(^1)可大約在(舉例來說，但不限于)供應(yīng)電壓Vdd(未展示)與共同參考電勢374之間的中間位置。切斷外部節(jié)點116 (OUT)、118 (IN+)、120 (IN-)、122 (FB)及124 (REF)與INA 102的連接，其中在偏移校準(zhǔn)操作期間在INA 102中使用內(nèi)部增益設(shè)定電阻器114(Re)及內(nèi)部反饋電阻器112(Rf)。內(nèi)部增益設(shè)定電阻器114(Re)及內(nèi)部反饋電阻器112 (Rf)將INA 102的操作配置為具有高增益以用于更精確的偏移校準(zhǔn)。切斷輸出節(jié)點116與INA 102的輸出的連接，使得INA 102的輸出可連接到比較器352的正輸入(INA 102的三態(tài)輸出可用作相同目的)。比較器352的負(fù)輸入連接到校準(zhǔn)電壓參考354 (舉例來說，參考電壓370)。優(yōu)選的是，期望在INA 102的差動輸入連接在一起及連接到參考電壓370^1)時，INA 102的輸出應(yīng)約等于參考電壓370 (Vm)。此輸出條件將在INA 102的正常操作期間隨著差動輸入電壓而變而給定輸出的正擺動與負(fù)擺動之間的最均等(最佳)范圍。比較器352的輸出將為邏輯I (高)或邏輯0 (低)，取決于正輸入上的電壓是否大于或者小于或等于校準(zhǔn)電壓。比較器352的輸出368可耦合到圖5中的連續(xù)逼近寄存器(SAR)，且為在如本文對圖2及5中所示的數(shù)字校準(zhǔn)電路更完全描述的確定多個恒定電流匯234及/或244中的哪些將連接于INA 102電路(圖2)中時使用的連續(xù)逼近模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的部分。參考圖5，所描述的是根據(jù)本發(fā)明的教示內(nèi)容與圖2到4中所示的電路組合地使用的數(shù)字校準(zhǔn)電路的示意性方框電路圖。通常由數(shù)字500表示的數(shù)字校準(zhǔn)電路包括定時器502、校準(zhǔn)邏輯狀態(tài)機504、連續(xù)逼近寄存器(SAR) 506、增益修整寄存器510、增益修整寄存器奇偶檢測電路512、偏移修整寄存器514、偏移修整寄存器奇偶檢測電路516、用于邏輯上指示來自修整寄存器奇偶檢測電路512及514中的任一者的誤差的“或(OR)”門508、上電復(fù)位(POR) 530及時鐘振蕩器524。根據(jù)本發(fā)明的教示內(nèi)容，無論修整寄存器內(nèi)容的奇偶校驗何時檢測到其中的奇偶錯誤，均可起始自行自動校準(zhǔn)循環(huán)。此可通過使用增益修整寄存器奇偶檢測電路512來實施以檢測增益修整寄存器510的修整數(shù)據(jù)內(nèi)容中的奇偶錯誤。當(dāng)檢測到奇偶錯誤時，增益修整寄存器奇偶檢測電路512確證檢測到奇偶錯誤的信號且POR 530將起始新的自行自動校準(zhǔn)循環(huán)的開始。同樣地，當(dāng)在偏移修整寄存器514中檢測到奇偶錯誤時，偏移修整寄存器 奇偶檢測電路516確證檢測到奇偶錯誤的信號且POR 530將起始新的自行自動校準(zhǔn)循環(huán)的開始?？墒褂谩盎颉遍T508組合來自增益修整寄存器奇偶檢測電路512或偏移修整寄存器奇偶檢測電路516的檢測到奇偶誤差的信號?？商娲盎颉遍T508實施其它邏輯組合且本文預(yù)期有其它邏輯組合。在自行自動校準(zhǔn)循環(huán)期間，奇偶位可由校準(zhǔn)邏輯狀態(tài)機504自動確定且存儲于修整寄存器510或514的奇偶位位置中。在此實例中，對于每一修整寄存器510及514，存在一個奇偶位。如果發(fā)生奇偶錯誤(在INA 102的正常操作期間)，那么強制執(zhí)行從P0R530的上電復(fù)位且發(fā)生新的自動校準(zhǔn)循環(huán)。這是重要的，因為修整寄存器內(nèi)容可能存儲于易失性寄存器(存儲器)中，且在電力故障期間可使包含于其中的修整數(shù)據(jù)損壞。同樣，可因宇宙福射(舉例來說，太空用途(space application))發(fā)生軟數(shù)據(jù)錯誤。因此,對修整寄存器510及514內(nèi)容的奇偶校驗提供一些保護以防易失性存儲器配置中的增益及偏移修整值數(shù)據(jù)存儲遭到損壞。另一方面，修整寄存器內(nèi)容可存儲于非易失性存儲器中，且在非易失性存儲器配置中可不需要奇偶位及奇偶校驗。預(yù)期且在本發(fā)明的范圍內(nèi)，修整數(shù)據(jù)可在具有或不具有奇偶位及奇偶校驗的情況下存儲于易失性及/或非易失性存儲器中。還可通過觸發(fā)用戶編程的自動校準(zhǔn)輸入Am來起始自動校準(zhǔn)。此特征避免了不得不使混合信號集成電路裝置斷電以重新校準(zhǔn)其中的INA 102。這也節(jié)省了時間，因為延遲時間比需要完全電力開啟的情況短得多(舉例來說，約I毫秒相對150毫秒)。在電力開啟時，延遲長得多，因為定時器超時經(jīng)設(shè)計以等待系統(tǒng)電源安定(穩(wěn)定)。如果由自動校準(zhǔn)輸A Acal起始校準(zhǔn)，那么無需此長延遲。具有Am校準(zhǔn)輸入使得來自微控制器的應(yīng)用程序(舉例來說，控制信號)容易通過觸發(fā)邏輯電平到校準(zhǔn)輸入而引起自行自動校準(zhǔn)。自行自動校準(zhǔn)集成電路裝置(未展示)內(nèi)的微控制器及/或電路可基于系統(tǒng)條件(舉例來說，電源電壓、溫度及/或固定時間間隔)中的任何變化，根據(jù)本發(fā)明的教示內(nèi)容來調(diào)用自行自動校準(zhǔn)。雖然已描繪、描述本發(fā)明的實施例及通過參考本發(fā)明的實例性實施例界定本發(fā)明的實施例，但是這種參考并不意味對本發(fā)明的限制，且不可推斷出這種限制。所屬相關(guān)領(lǐng)域及獲益于本發(fā)明的技術(shù)人員將想到所揭示的標(biāo)的物能夠在形式及功能上具有相當(dāng)多的修改、變更及等效物。本發(fā)明所描繪及描述的實施例僅為實例，且并非為本發(fā)明的詳盡范圍。附圖翻譯圖IINA儀器放大器圖2To Trans-impedance Amp。108 到跨阻抗放大器 108
圖3354校準(zhǔn)電壓參考From Fig. 5SAR 506來自圖5的連續(xù)逼近寄存器506To Fig. 5SAR 506 到圖5的連續(xù)逼近寄存器506
INA儀器放大器Comp 比較器圖4354校準(zhǔn)電壓參考From Fig. 5SAR 506來自圖5的連續(xù)逼近寄存器506To Fig. 5SAR 506 到圖5的連續(xù)逼近寄存器506INA儀器放大器Comp 比較器圖5502 定時器504校準(zhǔn)邏輯狀態(tài)機506連續(xù)逼近寄存器510增益修整寄存器512增益修整奇偶514偏移修整寄存器516偏移修整奇偶524時鐘振蕩器530上電復(fù)位PERR奇偶錯誤To Figs. 3 & 4 Switches 356-364 & 462 到圖 3 和 4 的開關(guān) 356-364 和 462From Figs. 3 & 4Comp. 352 來自圖 3 和 4 的比較器 352To Fig2. Gain Trim Switches 236,238,246 & 248到圖2的增益修整開關(guān)236、238、246和248To Fig2. Offset Trim Switches 252 & 254到圖2的偏移修整開關(guān)252和25權(quán)利要求
1.一種具有使用恒定電流源及恒定電流匯的增益及偏移校準(zhǔn)的儀器放大器，其包括 第一跨導(dǎo)級，其具有正與負(fù)電壓輸入及正與負(fù)電流輸出； 第二跨導(dǎo)級，其具有正與負(fù)電壓輸入及正與負(fù)電流輸出； 跨阻抗放大器，其具有正與負(fù)電流輸入及電壓輸出； 所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級的所述正電流輸出及所述跨阻抗放大器的所述正電流輸入稱合在一起； 所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級的所述負(fù)電流輸出及所述跨阻抗放大器的所述負(fù)電流輸入稱合在一起； 第一多個恒定電流源； 第一多個開關(guān)，其中所述第一多個開關(guān)將所述第一多個恒定電流源中的某些恒定電流源可選擇地耦合到所述第一跨導(dǎo)級； 第二多個恒定電流源； 第二多個開關(guān)，其中所述第二多個開關(guān)將所述第二多個恒定電流源中的某些恒定電流源可選擇地耦合到所述第二跨導(dǎo)級； 第三多個恒定電流匯； 第三多個開關(guān)，其中所述第三多個開關(guān)將所述第三多個恒定電流匯中的某些恒定電流匯可選擇地連接到所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級的所述正電流輸出； 第四多個恒定電流匯；及 第四多個開關(guān)，其中所述第四多個開關(guān)將所述第四多個恒定電流匯中的某些恒定電流匯可選擇地耦合到所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級的所述負(fù)電流輸出； 借此通過將所述第一多個恒定電流源及所述第二多個恒定電流源中的所述某些恒定電流源分別可選擇地耦合到所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級而提供所述儀器放大器的增益調(diào)整 '及 借此通過將所述第三多個恒定電流匯及所述第四多個恒定電流匯中的所述某些恒定電流匯分別可選擇地耦合到所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級的所述正電流輸出及所述負(fù)電流輸出而提供所述儀器放大器的輸入偏移調(diào)整。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的儀器放大器，其中所述第一跨導(dǎo)級包括 第一金屬氧化物場效應(yīng)晶體管MOSFET，其具有源極、柵極及漏極； 第二 MOSFET，其具有源極、柵極及漏極； 其中所述第一 MOSFET及所述第二 MOSFET的所述源極可選擇地耦合到所述第一多個恒定電流源中的所述某些恒定電流源； 其中所述第一 MOSFET的所述漏極是所述第一跨導(dǎo)級的所述正電流輸出 '及 其中所述第二 MOSFET的所述漏極是所述第一跨導(dǎo)級的所述負(fù)電流輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的儀器放大器，其中所述第一MOSFET及所述第二 MOSFET是P溝道 MOSFET。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的儀器放大器，其中所述第一MOSFET及所述第二 MOSFET是N溝道 MOSFET。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的儀器放大器，其中所述第二跨導(dǎo)級包括 第三金屬氧化物場效應(yīng)晶體管M0SFET，其具有源極、柵極及漏極；第四MOSFET，其具有源極、柵極及漏極； 其中所述第三MOSFET及所述第四MOSFET的所述源極可選擇地耦合到所述第二多個恒定電流源中的所述某些恒定電流源； 其中所述第三MOSFET的所述漏極是所述第二跨導(dǎo)級的所述正電流輸出 '及 其中所述第四MOSFET的所述漏極是所述第二跨導(dǎo)級的所述負(fù)電流輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的儀器放大器，其中所述第三MOSFET及所述第四MOSFET是P溝道 MOSFET。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的儀器放大器，其中所述第三MOSFET及所述第四MOSFET是N溝道 MOSFET。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的儀器放大器，其中所述第一、第二、第三及第四多個開關(guān)包括晶體管。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的儀器放大器，其中所述儀器放大器制造在集成電路裸片上。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的儀器放大器，其中多個儀器放大器制造在集成電路裸片上。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的儀器放大器，其進一步包括用于校準(zhǔn)所述儀器放大器的增益及偏移的自動校準(zhǔn)電路。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的儀器放大器，其中所述自動校準(zhǔn)電路包括 電壓參考，其提供參考電壓； 電壓比較器，其具有第一及第二模擬輸入及一數(shù)字輸出，所述第一模擬輸入耦合到來自所述跨阻抗放大器的輸出的電壓且所述第二模擬輸入耦合到來自所述電壓參考的所述參考電壓，其中當(dāng)所述第一模擬輸入上的電壓大于所述第二模擬輸入上的所述參考電壓時，所述數(shù)字輸出處于第一邏輯電平，且當(dāng)所述第一模擬輸入上的電壓小于或等于所述第二模擬輸入上的所述參考電壓時，所述數(shù)字輸出處于第二邏輯電平； 連續(xù)逼近寄存器SAR，其具有耦合到所述電壓比較器的所述數(shù)字輸出的數(shù)字輸入及耦合到所述第一、第二、第三及第四多個開關(guān)的輸出 '及 校準(zhǔn)邏輯， 其中當(dāng)所述第一跨導(dǎo)級的所述正輸入耦合到所述參考電壓且所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級經(jīng)配置以提供所述儀器放大器的所期望增益時，所述校準(zhǔn)邏輯控制所述第一多個開關(guān)及所述第二多個開關(guān)以可選擇地耦合所述第一多個恒定電流源及所述第二多個恒定電流源中的所述某些恒定電流源，以便校準(zhǔn)所述儀器放大器的所述增益，及 其中當(dāng)所述第一跨導(dǎo)級的所述正輸入及負(fù)輸入耦合在一起且耦合到參考電壓且所述第二跨導(dǎo)級的所述正輸入及負(fù)輸入經(jīng)配置以提供所述儀器放大器的所期望增益時，所述校準(zhǔn)邏輯控制所述第三多個開關(guān)及所述第四多個開關(guān)以可選擇地耦合所述第三多個恒定電流匯及所述第四多個恒定電流匯中的所述某些恒定電流匯，以便校準(zhǔn)所述儀器放大器的所述輸入偏移。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的儀器放大器，其進一步包括第一、第二、第三及第四寄存器，所述第一、第二、第三及第四寄存器分別耦合于所述SAR與所述第一、第二、第三及第四多個開關(guān)之間，用于存儲來自所述SAR的自動校準(zhǔn)值。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的儀器放大器，其進一步包括所述第一、第二、第三及第四寄存器的奇偶校驗。
15.一種用于使用恒定電流源及恒定電流匯校準(zhǔn)儀器放大器的增益及偏移的方法，所述方法包括以下步驟 通過將多個恒定電流源中的某些恒定電流源可選擇地耦合到所述儀器放大器的第一跨導(dǎo)級及第二跨導(dǎo)級而調(diào)整儀器放大器的增益；及 通過將多個恒定電流匯中的某些恒定電流匯可選擇地耦合到所述儀器放大器的所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級的正輸出及負(fù)輸出而調(diào)整所述儀器放大器的偏移。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述調(diào)整所述儀器放大器的所述增益的步驟包括以下步驟 將所述儀器放大器的正輸入耦合到第一增益設(shè)定電阻器網(wǎng)絡(luò)且將所述儀器放大器的負(fù)輸入耦合到共同電源； 將所述儀器放大器的反饋輸入耦合到第二增益設(shè)定電阻器網(wǎng)絡(luò)且將所述儀器放大器的參考輸入耦合到所述共同電源，其中所述第一增益設(shè)定電阻器網(wǎng)絡(luò)及所述第二增益設(shè)定電阻器網(wǎng)絡(luò)大致相同； 比較所述儀器放大器的輸出電壓與所述參考電壓；及 將所述多個恒定電流源中的某些恒定電流源可選擇地耦合到所述儀器放大器的所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級直到來自所述儀器放大器的所述輸出電壓大致與所述參考電壓相同。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述調(diào)整所述儀器放大器的所述偏移的步驟包括以下步驟 將所述儀器放大器的正輸入及負(fù)輸入耦合到參考電壓； 將所述儀器放大器的反饋輸入耦合到增益設(shè)定電阻器網(wǎng)絡(luò)且將所述儀器放大器的參考輸入耦合到所述參考電壓； 比較所述儀器放大器的輸出電壓與參考電壓；及 將所述多個恒定電流匯中的某些恒定電流匯可選擇地耦合到所述儀器放大器的所述第一跨導(dǎo)級及所述第二跨導(dǎo)級的所述正輸出及負(fù)輸出直到來自所述儀器放大器的所述輸出電壓大致與所述參考電壓相同。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中在所述調(diào)整所述偏移的步驟之前發(fā)生所述調(diào)整所述增益的步驟。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種儀器放大器INA的增益及/或偏移的校準(zhǔn)，所述校準(zhǔn)是通過將適當(dāng)數(shù)量的電流源及/或電流匯分別耦合到所述INA的第一及/或第二跨導(dǎo)級來完成。可在用戶請求及/或發(fā)生事件時發(fā)生所述INA的增益及/或偏移校準(zhǔn)。在確定所述電流源及電流匯中的哪些耦合到所述INA的所述第一及/或第二跨導(dǎo)級以用于所述INA的增益及/或偏移校準(zhǔn)時與連續(xù)逼近寄存器模/數(shù)轉(zhuǎn)換器組合地使用電壓參考。在完成所述INA的所述增益及/或偏移校準(zhǔn)之后，可將因此使用的所述恒定電流源及電流匯的選擇存儲于易失性或非易失性存儲器中?？刹⑷胨龃鎯ζ鞯钠媾夹ｒ?，且如果檢測到奇偶錯誤，那么可起始所述INA的自動校準(zhǔn)。
文檔編號H03F1/30GK102656798SQ201180004831
公開日2012年9月5日 申請日期2011年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月26日
發(fā)明者庫門·布萊克, 詹姆斯·B·諾蘭 申請人:密克羅奇普技術(shù)公司