專利名稱:一種模擬平方電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及模擬集成電路,特別涉及一種輸出電壓為輸入電壓平方的模擬電路。
背景技術(shù):
目前,在各種模擬運(yùn)算電路中,所采取的方式通常是將兩個相同的電壓信號輸入希爾伯特單元,由它得到一個類似平方的輸出信號。該輸出信號是把電壓函數(shù)進(jìn)行泰勒級數(shù)展開后,只保留展開式的一階項而得到的近似值。這種處理方式精度不高(存在2% 5%的誤差),而且希爾伯特單元類似共源共柵結(jié)構(gòu),比簡單的差動放大器消耗更多的電壓余度,其最小輸出電壓Iniill為過驅(qū)動電壓Vot的兩倍(G_=2FOT,)■而不適用于低壓應(yīng)用。近幾年也出現(xiàn)過一些精度較高的板級的模擬平方電路,但是這種電路板結(jié)構(gòu)的平方電路,所用到的一些元件難以集成,且體積大,功耗大,限制了其更近一步的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題,就是提供一種模擬平方電路,提高輸出電壓精度,而且既便于集成,也能夠適用于低電壓應(yīng)用環(huán)境。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題,采用的技術(shù)方案是,一種模擬平方電路,包括電平位移模塊,減法器模塊、場效應(yīng)晶體管、電流鏡模塊和輸出電阻;所述電平位移模塊與輸入電壓Vin連接,根據(jù)所述輸入電壓Vin產(chǎn)生第一輸出電壓
V0Uti和第二輸出電壓Vrat2 ;所述減法器模塊與電平位移模塊連接,對其輸出的第一輸出電壓Vtjutl和第二輸出電壓Vtjut2進(jìn)行減法運(yùn)算,產(chǎn)生輸出電壓Vwt ;所述場效應(yīng)晶體管工作在飽和狀態(tài),用于根據(jù)所述減法器模塊輸出電壓Vrat產(chǎn)生漏極電流id,4=qU,參數(shù)a由場效應(yīng)晶體管參數(shù)決定;所述電流鏡模塊輸出端與輸出電阻連接,其輸出電流流過所述輸出電阻,形成對地電壓Vt5Z=G;所述輸出電阻連接在所述電流鏡輸出端和地之間。具體的,所述參數(shù);其中,I為所述場效應(yīng)晶體管溝道寬長比,U 為載
流子遷移率,Cox為柵絕緣層單位面積電容。 進(jìn)一步的,所述電流鏡模塊包括高精度電流鏡。進(jìn)一步的,所述減法器模塊包括電壓跟隨器和跨導(dǎo)運(yùn)算放大器。具體的,所述電壓跟隨器由高擺幅大增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。進(jìn)一步的,所述模擬平方電路通過集成電路工藝制作在基片上。進(jìn)一步的,所述基片上還集成有其他功能電路。本發(fā)明的有益效果是,輸出電壓為輸入電壓的高精度平方值,電路結(jié)構(gòu)簡單,損耗低、效率高??梢赃m用于低電壓環(huán)境,能在直流或者交流電壓輸入情況下工作,可很好地進(jìn)行單片集成。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2是實施例的電平位移模塊電路結(jié)構(gòu)示意圖;圖3是跨導(dǎo)放大器電路結(jié)構(gòu)示意圖;圖4高精度電流源電路結(jié)構(gòu)示意圖; 圖5是本發(fā)明的模擬平方電路仿真效果圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例,詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明的模擬平方電路包括電平位移模塊111,減法器模塊100、場效應(yīng)晶體管103、電流鏡模塊102和輸出電阻101,如圖1所示。電平位移模塊111輸入端與輸入電壓Vin連接,根據(jù)輸入電壓Vin產(chǎn)生兩個輸出電壓,第一輸出電壓命名為Vratl,第二輸出電壓命名為Vrat2t5 Voutl和Vrat2分別作為減法器模塊100的輸入信號。減法器模塊100與電平位移模塊111連接,對其輸出的第一輸出電壓Vtjutl和第二輸出電壓Vrat2進(jìn)行減法運(yùn)算,產(chǎn)生輸出電壓Vwt,即-.Vmt=Voutl-Vout2O場效應(yīng)晶體管103工作在飽和狀態(tài),能夠根據(jù)減法器模塊100輸出電壓Vtjut產(chǎn)生漏極電流ID,并且Id滿足關(guān)系式參數(shù)a與場效應(yīng)晶體管參數(shù)有關(guān),具體關(guān)系為
,其中,f為所述場效應(yīng)晶體管溝道寬長比,Un為載流子遷移率,Cm為柵絕緣層
單位面積電容。電流鏡模塊102輸入端與場效應(yīng)晶體管103漏極連接,其輸出端通過輸出電阻101連接到地。流過輸出電阻101的電流產(chǎn)生的電壓V。(對地電壓),為本發(fā)明模擬平方電路的輸出電壓V。,該輸出電壓V。滿足關(guān)系式。這樣本發(fā)明的模擬平方電路就完成了對輸入電壓Vin進(jìn)行平方運(yùn)算的功能。實施例本發(fā)明的電平位移模塊111如圖2所示,場效應(yīng)晶體管1101漏極的偏置電流Ibl為場效應(yīng)晶體管1102、1103、1104提供大小相等的電流,為保證電路精度,選用溝道長度L足夠大且尺寸一致的場效應(yīng)晶體管1102、1103和1104,以減小溝道長度調(diào)制效應(yīng)。本例選定場效應(yīng)晶體管1105、1106不同的寬長比,即場效應(yīng)晶體管1106溝道長度L是場效應(yīng)晶體管1105的4倍,這樣可以使場效應(yīng)晶體管1106和場效應(yīng)晶體管1105得到不同的過驅(qū)動電壓,并且使第一輸出電壓Vratl在偏置電流Ibl固定的情況下為一個固定不變的電壓。場效應(yīng)晶體管1106的源極與場效應(yīng)晶體管1107的漏極相連,場效應(yīng)晶體管1107起到隔離的作用,場效應(yīng)晶體管1107的柵極連接到場效應(yīng)晶體管1106的漏極,這兩個場效應(yīng)晶體管形成負(fù)反饋,穩(wěn)定了輸出電壓V。,輸入電壓Vin從場效應(yīng)晶體管1108的源極輸入,場效應(yīng)晶體管1108做成二極管連接的形式,它的漏極則是電平位移模塊的另外一個輸出第二輸出電壓 Vout2。
本例減法器模塊由電壓跟隨器109和110、跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(簡稱跨導(dǎo)運(yùn)放)104以及四只阻值相等的電阻105、106、107和108構(gòu)成,如圖I中虛線框所示。電壓跟隨器109、110采用高擺幅大增益運(yùn)算放大器構(gòu)成,他們的輸入端分別連接電平位移模塊的兩個輸出電壓Vtjutl和Vwt2。采用高擺幅大增益運(yùn)算放大器,高擺幅大增益有利于減小輸出阻抗并使之相等,提高電壓跟隨的效果。這里要求兩個運(yùn)算放大器的輸入范圍達(dá)到0V,本例采用60dB的增益以供使用。 減法運(yùn)算由跨導(dǎo)運(yùn)算放大器104和電阻105、106、107、108共同完成,其作用是求出電平位移模塊111的兩個輸出電壓Vwtl和Vrat2的差,該差值提供到場效應(yīng)晶體管103的柵極,進(jìn)行下一步的平方運(yùn)算。本例減法器模塊中,電阻105 108的電阻值有兩個方面的綜合要求。首先,電阻106的電阻值必須足夠大,這樣才能保證輸入阻抗足夠大,從而確保模塊的精度。其次,電路的噪聲和電阻值是成正比關(guān)系的,這里又必須減小電阻來降低它們對電路噪聲的影響,保證電路的抗干擾能力??紤]到上述問題,謹(jǐn)慎選擇電阻值是有必要的。本例采用跨導(dǎo)放大器104的原因在于這里需要很大的增益來達(dá)到差動放大的作用,以確保電路的精度,跨導(dǎo)放大器104結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中,采用PMOS管406、405作為差分對的輸入管,經(jīng)過電阻412和三極管408的作用,406的輸入范圍可以降低到OV以下,采用對稱結(jié)構(gòu)的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器可以使一級增益達(dá)到60dB,滿足電路要求??鐚?dǎo)運(yùn)算放大器104的輸出值補(bǔ)償了場效應(yīng)晶體管103的柵極電壓,使得下一級輸入達(dá)到平方電路的要求。本例場效應(yīng)管103工作在飽和區(qū),利用場效應(yīng)晶體管103飽和區(qū)伏安特性曲線,得到輸出電壓是輸入電壓平方關(guān)系的效果。本發(fā)明的模擬平方電路,輸入電壓通過電位平移模塊111產(chǎn)生兩個輸出電壓Vratl和Vtjut2,兩個輸出電壓分別通過各自的電壓緩沖器110、109輸入由電阻105 108和跨導(dǎo)運(yùn)算放大器104組成的減法電路。減法電路輸入精確的電壓值(Vin+VT,Vt為場效應(yīng)晶體管的閾值電壓)到場效應(yīng)晶體管103的柵極,這個柵極電壓補(bǔ)償了 MOS管IV特性里的
所得的MOS管103漏極電流值Id經(jīng)過高精度電流源102最后加到測試電阻101上,實現(xiàn)平方運(yùn)算的要求。得到電路輸入與輸出的關(guān)系V=V^下面描述本例各電路具體工作過程。圖2電路中,由于寬長比不同,即場效應(yīng)晶體管1106是1105的4倍,這樣可以使得兩個場效應(yīng)晶體管得到不同的過驅(qū)動電壓Vot,在Vratl固定的條件下,存在如下的關(guān)系式
V = 孤- W
\人
\ LVGS=VT+Vov其中Ibl為漏極電流,K為與器件有關(guān)的參數(shù)K=ii nCM/2, Vt為閾值電壓為溝道寬長比,為柵源電壓。由于電流鏡的存在,效應(yīng)晶體管1106和1105的漏極電流Ibl是相同的,由場效應(yīng)晶體管1105的寬長比是場效應(yīng)晶體管1106的4倍,可知場效應(yīng)晶體管1106的過驅(qū)動電壓Vov是1105的2倍,得到場效應(yīng)晶體管1106的Ves=V^Vtjv,場效應(yīng)晶體管1105的Ves=VfVtjv,Voutl=Vov0場效應(yīng)晶體管1106的源極與場效應(yīng)晶體管1107的漏極相連,場效應(yīng)晶體管1107起到隔離的作用,場效應(yīng)晶體管1107的柵極與場效應(yīng)晶體管1106的漏極相連,形成一個負(fù)反饋,即當(dāng)場效應(yīng)晶體管1107柵電壓升高時,Vwtl減小,使得場效應(yīng)晶體管1106的Vffi減小,由于漏極電流恒定,場效應(yīng)晶體管1106的Vds (漏源電壓)減小,于是場效應(yīng)晶體管1106的漏極電壓減小,即場效應(yīng)晶體管1107的柵極電壓隨之減小。這個負(fù)反饋穩(wěn)定了 Vratl。輸入電壓Vin從場效應(yīng)晶體管1108的源極輸入,1108做成二極管連接的形式,它的漏極則是模塊的另外一個輸出,同理可以得到V0Ut2=Vin+VGS=Vin+VT+V0vO圖3是圖I中跨導(dǎo)運(yùn)算放大器104的一種實現(xiàn)方式,其中400為偏置電流,401 406為場效應(yīng)晶體管,407 410為雙極型晶體管,411 414為電阻。經(jīng)過電阻105 108的反饋作用和電壓跟隨器109、110的電壓跟隨作用,以及跨導(dǎo)運(yùn)算放大器104的作用,可以 實現(xiàn)減法器功能,即Vout=Voutl-Vout2圖3中,Vinl和Vin2為跨導(dǎo)放大器104的輸入電壓。跨導(dǎo)放大器104的最低輸入電壓可以通過三極管408、電阻412來調(diào)節(jié),我們可以通過下面的關(guān)系將匕最小輸入電壓)調(diào)節(jié)到OV。+0Vk為電阻412上的壓降,可見這種結(jié)構(gòu)可以輕易達(dá)到要求,對于要求的高增益,可以通過下面的關(guān)系推導(dǎo),即A=gmiJ0 其中,AvS跨導(dǎo)放大器的增益?力場效應(yīng)晶體管406的跨導(dǎo)A4m為場效應(yīng)晶體管402的輸出阻抗。調(diào)整上面的參數(shù),跨導(dǎo)放大器的增益可達(dá)60dB以上。最后得到精確的輸出電壓V0Ut=Vin+VT>VT這樣也保證了場效應(yīng)晶體管103保持IV特性而得到需要的關(guān)系。于是場效應(yīng)晶體管103的伏安特性得到了補(bǔ)償,其漏極電流Id為
Tfzr,VII0=-MnCm (Fgsim-Vt )- =a(Vm+VT-VTy =aV;圖4是圖I中電流鏡模塊102的一種實現(xiàn)方式,這是模擬平方電路實現(xiàn)高精度的關(guān)鍵模塊,偏置電流Ib2為電路提供偏置,晶體管206、207和電阻209、210提供鏡像電流的作用,當(dāng)場效應(yīng)晶體管103柵極輸入電壓為閾值電壓Vt時,兩路的電流值是相等。晶體管201,202,203組成的反饋環(huán)路,場效應(yīng)晶體管103柵極電壓升高時,電阻205流過的電流增加,A點電壓降低,同時使得C點電壓減小,經(jīng)過三極管201的BE結(jié)反饋,使得B點電壓減小,電阻204流過的電流增加,同時輸出電阻101上的電壓隨著場效應(yīng)晶體管103的柵極電壓增加而增加。反饋的精度很高,通過這個反饋,可以使的A,B兩節(jié)點的電壓相同,流過電阻204、205上的電流相等,從而實現(xiàn)了高精度的電流鏡。圖5是本例電路的仿真效果圖,電阻101的阻值補(bǔ)償了系數(shù)a,這里繪制出輸出電阻101的電壓隨輸入電壓的變化曲線,取5V的供電電壓,可以明顯看出電路的平方特性,并且精度很高。通過圖5可以驗證,本發(fā)明實現(xiàn)了低壓模擬平方電路的設(shè)計要求。從圖5中可知,該電路還可以實現(xiàn)在零電壓輸入情況下,輸出零伏,且精度很高(±1%)。下面是輸入電壓Vin的幾個典型值的仿真數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.一種模擬平方電路,包括電平位移模塊,減法器模塊、場效應(yīng)晶體管、電流鏡模塊和輸出電阻; 所述電平位移模塊與輸入電壓Vin連接,根據(jù)所述輸入電壓Vin產(chǎn)生第一輸出電壓VratI和第二輸出電壓Vrat2 ; 所述減法器模塊與電平位移模塊連接,對其輸出的第一輸出電壓Vtjutl和第二輸出電壓Vout2進(jìn)行減法運(yùn)算,產(chǎn)生輸出電壓Vtjut ; 所述場效應(yīng)晶體管工作在飽和狀態(tài),用于根據(jù)所述減法器模塊輸出電壓Vrat產(chǎn)生漏極電流Idα由場效應(yīng)晶體管參數(shù)決定; 所述電流鏡模塊輸出端與輸出電阻連接,其輸出電流流過所述輸出電阻,形成對地電壓V0,F(xiàn)o《; 所述輸出電阻連接在所述電流鏡輸出端和地之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種模擬平方電路,其特征在于,所述參數(shù)(こ.;其中,·^為所述場效應(yīng)晶體管溝道寬長比,μ η為載流子遷移率,Cm為柵絕緣層單位面積電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種模擬平方電路,其特征在于,所述電流鏡模塊包括高精度電流鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種模擬平方電路,其特征在于,所述減法器模塊包括電壓跟隨器和跨導(dǎo)運(yùn)算放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種模擬平方電路,其特征在于,所述電壓跟隨器由高擺幅大增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I 5任意一項所述的一種模擬平方電路,其特征在于,所述模擬平方電路通過集成電路エ藝制作在基片上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的ー種模擬平方電路,其特征在于,所述基片上還集成有其他功能電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及模擬集成電路。本發(fā)明公開了一種模擬平方電路,用于提高輸出電壓精度。本發(fā)明的技術(shù)方案是,一種模擬平方電路,包括電平位移模塊,減法器模塊、場效應(yīng)晶體管、電流鏡模塊和輸出電阻;所述電平位移模塊與輸入電壓Vin連接,根據(jù)所述輸入電壓Vin產(chǎn)生第一輸出電壓Vout1和第二輸出電壓Vout2;所述減法器模塊與電平位移模塊連接,對其輸出的第一輸出電壓Vout1和第二輸出電壓Vout2進(jìn)行減法運(yùn)算,產(chǎn)生輸出電壓Vout;所述場效應(yīng)晶體管工作在飽和狀態(tài),用于根據(jù)所述減法器模塊輸出電壓Vout產(chǎn)生漏極電流ID,參數(shù)α由場效應(yīng)晶體管參數(shù)決定;所述電流鏡模塊輸出端與輸出電阻連接,其輸出電流流過所述輸出電阻,形成對地電壓Vo,所述輸出電阻連接在所述電流鏡輸出端和地之間。
文檔編號H03K19/094GK102983853SQ201210487258
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者李澤宏, 曾智, 蔣匯, 劉廣濤, 吳明進(jìn), 張仁輝 申請人:電子科技大學(xué)