分析与降低模拟集成电路运放的失调电压

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输入失调电压的概念

输入失调电压：严格的定义就是在理想情况下，两个输入端的输入电压相同时，输出电压应该也为0。但是实际情况下，即使两端输入电压相同，放大电路仍然会有一个很小的输出。所以为了运放的输入端电压差为0，使得输出为0，必须在输入端加上一个小小的电压，即输入失调电压。举个例子，电子秤在没有任何称重物体的情况下，仍然有小重量显示，这就是由失调引起的。

如何减小运放的输入失调？

由上述运放得出，由于阈值电压、几何尺寸和负载电阻失配引起的输入失调电压，可以表示为：

我们可以定义阈值电压、负载电阻和几何尺寸的差值与均值分别为：∆VTHN (即 VTHN1 – VTHN2) 、VTHN(即VTHN1和VTHN2的平均值)；∆RL（即RL1 – RL2） 、RL（即RL1和RL2的均值）；∆（W/L）（即W1/L2 – W2/L2）; (W/L) (即W1/L1和W2/L2的均值)。另外，要求ID1RL1 = ID2RL2,替换上式的结果可得：
（式2）

由公式可以分析，阈值电压所造成的失配需要通过版图技术来减小。版图技术可以优化氧化层梯度和其它工艺偏差所引起的失配的一阶效应，采用共质心版图的方法，画运放的输入对管。如图所示，这样就可以使得两个输入对管以完全一样的方式曝光在热源中从而减少一阶效应。

对于负载电阻和几何尺寸的差异引起的失配，采用较小的VGS（使VGS接近VTHN，即VOV过驱动电压）可以减小。但是较小的VGS会导致镜像电流差异变较大。

对于经典的以电流源为负载的五管差分放大器存在失调电压（因为器件并非完美匹配，），由其差模增益公式得：
（式3）
结合式1可得五管差分运放的失调电压公式：
（式4）

从式子可以看出，要想减小输入失调电压，只要设计足够大的增益的差分放大器即可。跟式2相同，为减小失调，我们进行小VGS的设计。如果我们保持差分运放的偏置电流恒定并减小VGS（增大M1和M2的宽度W），实际上我们就是在增加gm。

总结

通过上述的分析，输入失调电压的无法避免，通过版图技术(比如共质心版图)减小由阈值电压造成的失配。使用大器件（更大宽度的MOSFET）能够减小器件上的特性变化，从而实现更好的匹配。

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