可消除运放失调电压的高精度镜像电流源设计

杭州士兰微电子股份有限公司　陈帮勇

可消除运放失调电压的高精度镜像电流源设计

杭州士兰微电子股份有限公司陈帮勇

消除失调的方法有多种，本文采用的方法简单且有效，其原理是将运放输入端的失调电压先“转移”到另外一组差分对的输入端，并利用电容将失调电压保持住，这样只要加入这组差分对，失调电压就转由该差分对来承担了，运放输入端的失调电压就会消除。电容对失调电压的保持只能短时间有效，需要周期性的“刷新”，因而需要周而复始的在“转移”失调电压和零失调工作这两个状态中不停切换。

消除失调；原理；LED驱动

当前，在许多电子应用领域，对电流源的电流精度有着很高的要求。就比如在LED驱动领域，由于人眼对LED亮度的均匀性非常敏感，因而对LED亮度起决定作用的驱动电流的精度也就变得尤为重要，根据实际测试，在LED亮度比较低时，±5%以上的电流差异就能引起人眼能感觉到的LED亮度不均匀现象。

一种常见的LED驱动IC的恒流源结构如图1所示，电阻R1将输入的电流Iin转换成电压，NMOS管M10跟电阻R2构成镜像电流的输出端。M1～M9和C1构成的运放，其正输入端（M1的栅极）接R1的一端，运放的输出端接M10的栅极，于M10跟R2的连接处拉回到运放的负输入端（M2的栅极），构成负反馈环路。根据运放的两个差分输入端的“虚短”原理，可以得到电阻R1上的压降跟R2上的压降相等，从而得出R1跟R2的阻值之比就是输出电流Iout跟输入电流Iin的镜像比，即Iout：Iin=R1：R2。

图1

为了提高系统的有效功率，就要尽量降低消耗在IC内部的功耗，就需要让电流输出端口的电压尽量低，因而在设计时会让电阻上的压降尽量小，经常会工作在100mV以下。由于受到集成电路流片工艺的影响，运放的输入端不可避免的存在失调电压，这个失调通常可以达到±10mV以上，对于100mV的共模输入电压来说，这个失调能造成不同驱动端之间的输出电流存在±10%以上的差异，这会引起人眼能够感觉到的LED之间的亮度差异，是实际应用无法接受的。因而如何消除运放的失调成为提高此镜像电流源电流精度的关键。

消除失调的方法有多种，本文采用的方法简单且有效，其原理是将运放输入端的失调电压先“转移”到另外一组差分对的输入端，并利用电容将失调电压保存住，这样只要加入这组差分对，失调电压就转由该差分对来承担了，运放输入端的失调电压就会消除。具体电路见图2。

图2主要增加了三个MOS管M11～M13，二个电容C2～C3，五个作开关用的传输门T1～T5。其中M11和M12是新加入的差分对管，M11的栅极跟电容C2连接，并通过传输门T3跟一个电压值为VREF的电压源连接，M12的栅极跟电容C3连接，并通过传输门T4跟运放输出端连接。

图2

图2的电路是周期性工作的，每个周期分两步工作：第一步，S1=1，S2=0，则传输门T2、T5断开，T1、T3、T4闭合，在这种状态下，运放的输出端跟M10断开连接，转为跟M12的栅极连接，M2的栅极跟R2的电压采样点断开连接，运放的两个差分输入管M1、M2的栅极接到一起，M11的栅极跟电压源连接；第二步，S1=0，S2=1，则传输门T1、T3、T4断开，T2、T5闭合，在这种状态下，运放的输出端跟M12断开，恢复为跟M10的栅极连接，M1、M2也断开连接，M2恢复为跟R2的电压采样点连接。这两步周而复始的循环工作。

在以上的第一步工作状态中，由于运放的两个输入端（M1、M2的栅极）接在一起，且运放的输出端跟M12的栅极连接构成负反馈环路，M11的栅极跟电压源连接，合适的VREF电压值可确保M7和M9工作在饱和区，这样的结构可以让运放的两个差分输入端在电压相等的情况下确保运放的输出管工作在饱和区，根据运放失调电压的定义可知，其本质就是运放的输入端失调电压为0。那么运放输入端的失调电压去哪里了呢？实际上这个输入失调电压是转由新增加的差分对管M11和M12的栅极上的差模电压来补偿了，可以说这个结构把运放输入端的失调电压“转移”到M11和M12的栅极差分电压上去了。由于M10的管子尺寸比较大，其栅极跟有源区之间的寄生电容比较大，可以将M10栅极上的电压保持住，因而只要这个工作状态时间持续的不要太长，其输出电流可以保持不变。

在上面的第二步工作状态中，运放的工作状态恢复到图1的结构，M12的栅极跟运放的输出端断开，M11的栅极跟参考电压VREF断开，由于电容C2、C3能将电压短时间内保持住，因而M11 和M12的差分输入端仍然保持着运放的失调电压，即运放的差分输入端（M1、M2的栅极）可以认为是零失调电压，在这样的结构中，没有了运放失调电压的影响，电流精度由运放的增益以及R1、R2的匹配度来决定，电流离散度可以保证在±3%以内，满足LED驱动对电流精度的要求。

以上由于第二步工作状态中电容C2、C3只能短时间内保持住电压，需要周期性的切换到第一步进行“刷新”，因而以上两步需要周而复始的不停切换。

下面通过spectre仿真来验证本设计的效果，设Iin=100uA，R1=1KΩ，R2=10Ω，理论计算结果Iout=10mA。在运放的负输入端人为加入一个10mV的失调电压，当采用图1的结构时，仿真得到输出电流值为8.96mA，跟理论值相差10.4%；当采用图2的结构时，S1、S2接互为反相的频率为1MHz的方波信号，同样在运放的负输入端人为加入一个10mV的失调电压，仿真得到输出电流值为9.96mA，根理论值只相差了0.4%，这个仿真结果很好的验证了本论文所采用的设计方案对消除运放失调电压与提升镜像电流源匹配精度的有效性。成电路设计［M］.西安：西安交通大学出版社，2003：364-389.

［2］王化锋.温度及电流对LED显示屏色度一致性的影响［J］.现代显示，2008，（87）：85-87.

［3］［美］PAUL R.GRAY等著，张晓林等译.模拟集成电路的分析与设计［M］.北京：高等教育出版社，2005：240-249.

［1］［美］毕查德.拉扎维著，陈贵灿，程军，张瑞智等译.模拟CMOS集

陈帮勇（1976－），男，浙江杭州人，大学本科，工程师，研究方向：LED驱动。