可消除運放失調電壓的高精度鏡像電流源設計

杭州士蘭微電子股份有限公司　陳幫勇

可消除運放失調電壓的高精度鏡像電流源設計

杭州士蘭微電子股份有限公司陳幫勇

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

消除失調；原理；LED驅動

當前，在許多電子應用領域，對電流源的電流精度有著很高的要求。就比如在LED驅動領域，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動電流的精度也就變得尤為重要，根據實際測試，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亮度不均勻現象。

一種常見的LED驅動IC的恒流源結構如圖1所示，電阻R1將輸入的電流Iin轉換成電壓，NMOS管M10跟電阻R2構成鏡像電流的輸出端。M1～M9和C1構成的運放，其正輸入端（M1的柵極）接R1的一端，運放的輸出端接M10的柵極，于M10跟R2的連接處拉回到運放的負輸入端（M2的柵極），構成負反饋環路。根據運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

為了提高系統的有效功率，就要盡量降低消耗在IC內部的功耗，就需要讓電流輸出端口的電壓盡量低，因而在設計時會讓電阻上的壓降盡量小，經常會工作在100mV以下。由于受到集成電路流片工藝的影響，運放的輸入端不可避免的存在失調電壓，這個失調通常可以達到±10mV以上，對于100mV的共模輸入電壓來說，這個失調能造成不同驅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，是實際應用無法接受的。因而如何消除運放的失調成為提高此鏡像電流源電流精度的關鍵。

消除失調的方法有多種，本文采用的方法簡單且有效，其原理是將運放輸入端的失調電壓先“轉移”到另外一組差分對的輸入端，并利用電容將失調電壓保存住，這樣只要加入這組差分對，失調電壓就轉由該差分對來承擔了，運放輸入端的失調電壓就會消除。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，在這種狀態下，運放的輸出端跟M10斷開連接，轉為跟M12的柵極連接，M2的柵極跟R2的電壓采樣點斷開連接，運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，在這種狀態下，運放的輸出端跟M12斷開，恢復為跟M10的柵極連接，M1、M2也斷開連接，M2恢復為跟R2的電壓采樣點連接。這兩步周而復始的循環工作。

在以上的第一步工作狀態中，由于運放的兩個輸入端（M1、M2的柵極）接在一起，且運放的輸出端跟M12的柵極連接構成負反饋環路，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，這樣的結構可以讓運放的兩個差分輸入端在電壓相等的情況下確保運放的輸出管工作在飽和區，根據運放失調電壓的定義可知，其本質就是運放的輸入端失調電壓為0。那么運放輸入端的失調電壓去哪里了呢？實際上這個輸入失調電壓是轉由新增加的差分對管M11和M12的柵極上的差模電壓來補償了，可以說這個結構把運放輸入端的失調電壓“轉移”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時間持續的不要太長，其輸出電流可以保持不變。

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

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

下面通過spectre仿真來驗證本設計的效果，設Iin=100uA，R1=1KΩ，R2=10Ω，理論計算結果Iout=10mA。在運放的負輸入端人為加入一個10mV的失調電壓，當采用圖1的結構時，仿真得到輸出電流值為8.96mA，跟理論值相差10.4%；當采用圖2的結構時，S1、S2接互為反相的頻率為1MHz的方波信號，同樣在運放的負輸入端人為加入一個10mV的失調電壓，仿真得到輸出電流值為9.96mA，根理論值只相差了0.4%，這個仿真結果很好的驗證了本論文所采用的設計方案對消除運放失調電壓與提升鏡像電流源匹配精度的有效性。成電路設計［M］.西安：西安交通大學出版社，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，大學本科，工程師，研究方向：LED驅動。