專利名稱：一種基于cmos工藝的低溫度系數(shù)對數(shù)放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫度系數(shù)的對數(shù)放大器?；谪?fù)反饋理論中的主從控制思想， 用來自帶隙基準(zhǔn)的與絕對溫度成正比的偏置電流的溫度特性補(bǔ)償基本對數(shù)放大器的系數(shù)的與絕對溫度成正比的特性，實現(xiàn)一種低溫度系數(shù)的對數(shù)放大器的設(shè)計。電路結(jié)構(gòu)簡單，可以在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中實現(xiàn)，同時還具有低電壓(I. 2V)下工作的特點。
背景技術(shù)：
對數(shù)放大器的輸出信號和輸入信號之間具有對數(shù)關(guān)系。盡管數(shù)字集成電路已經(jīng)幾乎能夠涵蓋所有的信號計算，但是在信號壓縮等方面，對數(shù)放大器卻一直扮演著重要角色。 利用對數(shù)函數(shù)的壓縮特性可以對寬動態(tài)范圍的信號進(jìn)行壓縮，因而可以降低對量化模擬信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率要求，進(jìn)而降低系統(tǒng)成本。因此，對數(shù)放大器仍然是許多醫(yī)療設(shè)備、視頻信號處理、測試、射頻收發(fā)等系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊。
一般利用雙極型晶體管中集電極電流與基極_發(fā)射極電壓的指數(shù)關(guān)系來實現(xiàn)對數(shù)運算。輸入電壓信號通過一個電阻轉(zhuǎn)換成電流信號，運算放大器的反饋作用可以確保幾乎所有電流信號由雙極型晶體管的集電極吸入，進(jìn)而在雙極型晶體管的發(fā)射極產(chǎn)生對數(shù)關(guān)系的電壓信號。但是這里會有兩個問題，一個是反向飽和電流的大小受溫度和工藝變化影響；另一個是輸出信號中含有一個大小為熱電壓的系數(shù)，它是與絕對溫度成正比的。前者可以通過雙極型晶體管對管的反向飽和電流相互抵消來解決，對管可以在工藝上實現(xiàn)很高的匹配性；后者的傳統(tǒng)解決辦法是通過選擇合適的電阻溫度探測器和設(shè)置放大器的反饋電阻來盡量消除系數(shù)的溫度特性，但是這涉及很多片外元件，而且需要額外的溫度監(jiān)視電路，并利用復(fù)雜的數(shù)字集成電路進(jìn)行校正。雖然這樣可以實現(xiàn)很精確的輸出與輸入的對數(shù)特性， 但是卻以極大的硬件開銷和系統(tǒng)復(fù)雜化為代價。在諸如無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的射頻收發(fā)電路設(shè)計中，由于追求低功耗、低成本以及單片集成等特點，傳統(tǒng)的對數(shù)電路的應(yīng)用受到限制。
本設(shè)計以模擬集成電路的方式實現(xiàn)了對數(shù)放大器的溫度補(bǔ)償。結(jié)構(gòu)簡單，標(biāo)準(zhǔn) CMOS工藝下即可實現(xiàn)；可在低電壓(I. 2V)環(huán)境下應(yīng)用，不包括帶隙基準(zhǔn)的靜態(tài)電流消耗僅 300微安?？蓱?yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點射頻收發(fā)機(jī)芯片中的接收信號強(qiáng)度檢測器設(shè)計中。
對于恒包絡(luò)解調(diào)的射頻信號接收系統(tǒng)，其信號接收鏈路的增益需要根據(jù)接收信號強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，以使送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基帶模擬信號具有恒定的幅度。盡管接收信號強(qiáng)度檢測可以在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)，但是步驟復(fù)雜，檢測范圍小，精度差。目前接收信號強(qiáng)度檢測主要采用模擬電路的方法實現(xiàn)，但是大多數(shù)模擬電路實現(xiàn)的接收信號強(qiáng)度檢測器的檢測結(jié)果是與輸入信號幅度呈線性關(guān)系的，因此對于特定分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可檢測的信號動態(tài)范圍有限。如果我們利用對數(shù)函數(shù)的壓縮特性對檢測器結(jié)果進(jìn)行處理，則可大大提高檢測信號的動態(tài)范圍，提聞自動增益控制環(huán)路的響應(yīng)時間。發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提供一種基于CMOS工藝的低溫度系數(shù)對數(shù)放大器， 本發(fā)明用簡單的電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了溫度補(bǔ)償，功耗低。
技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于CMOS工藝的低溫度系數(shù)對數(shù)放大器，該對數(shù)放大器包括基本對數(shù)電路、溫度補(bǔ)償放大電路、感應(yīng)溫度變化電路和基準(zhǔn)與偏置產(chǎn)生電路；其中，
基本對數(shù)電路，對輸入信號作對數(shù)轉(zhuǎn)化，獲得對數(shù)信號并輸出給溫度補(bǔ)償放大電路，該對數(shù)信號具有與絕對溫度成正比的溫度系數(shù)；
感應(yīng)溫度變化電路，用于產(chǎn)生控制信號，以控制溫度補(bǔ)償放大電路的工作；
溫度補(bǔ)償放大電路，實現(xiàn)對上述對數(shù)信號的溫度系數(shù)的消除；
基準(zhǔn)和偏置產(chǎn)生電路，給基本對數(shù)電路和感應(yīng)溫度變化電路提供基準(zhǔn)電壓、電流， 并給感應(yīng)溫度變化電路提供所需要的與絕對溫度成正比的電流。
優(yōu)選的，基本對數(shù)電路包括第一電阻，第一運算跨導(dǎo)放大器，第一 NPN型雙極晶體管和第二 NPN型雙極晶體管，第一緩沖器，第一恒流源以及第四恒流源；
溫度補(bǔ)償放大電路包括第二 PMOS管和第三PMOS管，第三電阻以及第二運算跨導(dǎo)放大器；
感應(yīng)溫度變化電路包括第二電阻，第三運算跨導(dǎo)放大器，第二恒流源和第三恒流源以及第一 PMOS管，其中12是與絕對溫度成正比的電流源；
其連接關(guān)系如下第一電阻的正端接輸入信號，其負(fù)端接第一運算跨導(dǎo)放大器的負(fù)相輸入端；第一 NPN型雙極晶體管的集電極分別與其基極、第一運算跨導(dǎo)放大器的負(fù)相輸入端以及第四恒流源相連；第一 NPN型雙極晶體管的發(fā)射極接第一運算跨導(dǎo)放大器的輸出端，同時第一 NPN型雙極晶體管的發(fā)射極經(jīng)第一緩沖器與第二 NPN型雙極晶體管的發(fā)射極相連接；第一運算跨導(dǎo)放大器的正相輸入端接共同偏置電壓；第二 NPN型雙極晶體管的基極和集電極相連，并分別與第二運算跨導(dǎo)放大器的正相輸入端、第一恒流源連接；第二 PMOS管的源極接共同偏置電壓，其漏極接第二運算跨導(dǎo)放大器的負(fù)相輸入端和第三PMOS 管的源極；第三PMOS管的柵極接第二運算跨導(dǎo)放大器的輸出端；第三PMOS管的漏極接第三電阻的正端，同時接輸出信號；第二電阻的正端與共同偏置電壓和第一 PMOS管的源極連接，其負(fù)端接到第三運算跨導(dǎo)放大器的反相輸入端，同時與第三恒流源連接；第一 PMOS管的柵極分別與第二PMOS管的柵極、第三運算跨導(dǎo)放大器的輸出端相連接；第一PMOS管的漏極分別與第三運算跨導(dǎo)放大器的同相輸入端、第二電流源連接。
有益效果該對數(shù)放大器的特點在于以簡單的電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了溫度補(bǔ)償，這種對數(shù)放大器僅具有較小的溫度系數(shù)，適合低電壓、低功耗、低成本的應(yīng)用。仿真結(jié)果表明，該對數(shù)放大器具有較小的溫度系數(shù)，同時功耗很低(350微安)。


圖I所示為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2所示為本發(fā)明的主體電路的詳細(xì)原理圖。
圖3所示為本發(fā)明的主體電路中關(guān)鍵電流源的產(chǎn)生電路的原理圖。
圖4所示為未進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)膶?shù)放大器的輸入輸出特性。
圖5所示為本發(fā)明的對數(shù)放大器在不同溫度下的輸入輸出特性仿。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
本發(fā)明提供了低溫度系數(shù)對數(shù)放大器的一種實現(xiàn)方法，使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝即可實現(xiàn)，使得這種對數(shù)放大器具有結(jié)構(gòu)簡潔、功耗低、動態(tài)范圍大和適合低電源電壓應(yīng)用等優(yōu)點。本發(fā)明基于主從結(jié)構(gòu)的思想，檢測溫度變化并自動調(diào)整金屬氧化物晶體管的柵源電壓， 以實現(xiàn)對溫度系數(shù)的補(bǔ)償。該對數(shù)放大器包括基本對數(shù)電路、溫度補(bǔ)償放大電路、感應(yīng)溫度變化電路和基準(zhǔn)與偏置產(chǎn)生電路；其中，基本對數(shù)電路輸出帶有溫度系數(shù)的對數(shù)信號；感應(yīng)溫度變化電路中的PTAT電流的溫度特性可轉(zhuǎn)化為MOS管的導(dǎo)通電阻的溫度特性，并產(chǎn)生對溫度補(bǔ)償電路的控制信號；溫度補(bǔ)償放大電路在控制信號的作用下補(bǔ)償上述帶有溫度系數(shù)的對數(shù)信號；基準(zhǔn)和偏置產(chǎn)生電路，給基本對數(shù)電路和感應(yīng)溫度變化的主從控制電路提供所需的基準(zhǔn)電壓、電流和與絕對溫度成正比的電流源，其中為了使得電路具有較好的抗電阻工藝變化能力，設(shè)計了關(guān)鍵偏置電流IO和Il的產(chǎn)生電路。
本發(fā)明提供了具有溫度補(bǔ)償功能的對數(shù)放大器。該對數(shù)放大器利用帶隙基準(zhǔn)中雙極晶體管的偏置電流的與絕對溫度成正比的特性，通過主從控制的方法，實現(xiàn)對基本對數(shù)放大器產(chǎn)生的對數(shù)信號的系數(shù)的溫度特性的補(bǔ)償。另外，為了實現(xiàn)跟蹤電阻的工藝變化，設(shè)計了關(guān)鍵電流源的產(chǎn)生電路，如圖5所示。
本發(fā)明的對數(shù)放大器利用帶隙基準(zhǔn)中的雙極晶體管的偏置電流與絕對溫度成正比的特點，以及工作在線性區(qū)的PMOS管的導(dǎo)通電阻主要由其柵源電壓控制的特性，以主從控制的方式實現(xiàn)對對數(shù)放大器的溫度補(bǔ)償。這樣就不再需要在片外使用熱敏電阻，因此可以提聞系統(tǒng)的集成度。
本發(fā)明目的通過以下方法實現(xiàn)通過感應(yīng)溫度變化電路使得溫度補(bǔ)償放大電路中工作在線性區(qū)的PMOS管的導(dǎo)通電阻具有與絕對溫度成正比的特性，以消除基本對數(shù)放大器的結(jié)果的系數(shù)的與絕對溫度成正比的特性。
本發(fā)明包含基本對數(shù)電路、溫度補(bǔ)償放大電路、感應(yīng)溫度變化電路和基準(zhǔn)與偏置產(chǎn)生電路。
基本對數(shù)電路，對輸入信號作對數(shù)轉(zhuǎn)化，獲得對數(shù)信號并輸出給溫度補(bǔ)償放大電路，該對數(shù)信號具有與絕對溫度成正比的系數(shù)；
溫度補(bǔ)償放大電路，實現(xiàn)對上述對數(shù)信號的溫度系數(shù)的消除；
感應(yīng)溫度變化電路，用于產(chǎn)生控制信號，以控制溫度補(bǔ)償放大電路的工作；
基準(zhǔn)和偏置產(chǎn)生電路，給基本對數(shù)電路和感應(yīng)溫度變化的主從控制電路提供基準(zhǔn)電壓和電流，還用于監(jiān)測電阻的工藝變化并予以抵消。
基本對數(shù)電路包括第一電阻R0，第一運算跨導(dǎo)放大器OTAl，第一和第二 NPN型雙極晶體管Q1、Q2，第一緩沖器B，第一恒流源IO以及第四恒流源13 ;溫度補(bǔ)償放大電路包括第二和第三PMOS管M2、M3，第三電阻R2以及第二運算跨導(dǎo)放大器0TA2 ;感應(yīng)溫度變化電路包括第二電阻Rl，第三運算跨導(dǎo)放大器0TA3，第二和第三恒流源11、12以及第一 PMOS管 M3。
其連接關(guān)系如下第一電阻RO的正端接輸入信號，其負(fù)端接第一運算跨導(dǎo)放大器 OTAl的負(fù)相輸入端；第一 NPN型雙極晶體管Ql的集電極分別與其基極、第一運算跨導(dǎo)放大器OTAl的負(fù)相輸入端以及第四恒流源13相連；第一 NPN型雙極晶體管Ql的發(fā)射極接第一運算跨導(dǎo)放大器OTAl的輸出端，同時第一 NPN型雙極晶體管Ql的發(fā)射極經(jīng)第一緩沖器B 與第二 NPN型雙極晶體管Q2的發(fā)射極相連接；第一運算跨導(dǎo)放大器OTAl的正相輸入端接共同偏置電壓；第二 NPN型雙極晶體管Q2的基極和集電極相連，并分別與第二運算跨導(dǎo)放大器0TA2的正相輸入端、第一恒流源IO連接；第二 PMOS管M2的源極接共同偏置電壓，其漏極接第二運算跨導(dǎo)放大器0TA2的負(fù)相輸入端和第三PMOS管M3的源極；第三PMOS管M3 的柵極接第二運算跨導(dǎo)放大器0TA2的輸出端；第三PMOS管M3的漏極接第三電阻R2的正端，同時接輸出信號；第二電阻Rl的正端與共同偏置電壓和第一PMOS管Ml的源極連接，其負(fù)端接到第三運算跨導(dǎo)放大器0TA3的反相輸入端，同時與第三恒流源12連接；第一 PMOS 管Ml的柵極分別與第二 PMOS管的柵極、第三運算跨導(dǎo)放大器0TA3的輸出端相連接；第一 PMOS管Ml的漏極分別與第三運算跨導(dǎo)放大器0TA3的同相輸入端、第二電流源Il連接。
由于第一運算跨導(dǎo)放大器OTAl和第一 NPN型雙極晶體管Ql所構(gòu)成環(huán)路的反饋作用，輸入電壓信號在第一電阻RO上轉(zhuǎn)化成電流信號，并完全流過第一 NPN型雙極晶體管 Ql，在第一運算跨導(dǎo)放大器OTAl的輸出端得到與輸入信號呈對數(shù)關(guān)系的電壓信號。但是這個對數(shù)信號包含由于反向飽和電流而產(chǎn)生的一項直流量，這個量是隨溫度和器件尺寸變化而變化的；另外這個對數(shù)信號的系數(shù)是與絕對溫度成正比的。將偏置在第一恒流源IO下的、與第一 NPN型雙極晶體管Ql尺寸相同的第二 NPN型雙極晶體管Q2的基極-發(fā)射極電壓與第一 NPN型雙極晶體管Ql的基極-發(fā)射極電壓相減，可以消除雙極晶體管的反向?qū)娏魇芄に嚒囟茸兓a(chǎn)生的不確定性對信號的影響，緩沖器使得下級電路的輸入阻抗不影響第一運算放大器的輸出阻抗；接下來的溫度補(bǔ)償放大電路中，通過用跨導(dǎo)提高電路使電路增益主要由第二 PMOS管M2的電阻決定，這樣輸出信號與該電路輸入對數(shù)信號和處于線性區(qū)的第二 PMOS管M2電阻值有關(guān)；感應(yīng)溫度變化的主控制電路控制處于線性區(qū)的第一 PMOS管Ml的電阻值，使其產(chǎn)生的電阻值帶與溫度成正比，從而控制從屬電路即溫度補(bǔ)償放大電路中處于線性區(qū)的第二 PMOS管M2電阻值，使其帶有相同的與絕對溫度成正比的系數(shù)，在進(jìn)行信號放大時則該系數(shù)與溫度補(bǔ)償放大電路輸入的對數(shù)信號的與絕對溫度成正比的系數(shù)被抵消，從而使得輸出信號為基本不隨溫度變化的對數(shù)信號。
下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
圖I所示為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2所示為本發(fā)明的主體電路的詳細(xì)原理圖。對該電路的詳細(xì)描述與說明可參考技術(shù)方案與具體實施方式
部分。
圖3所示為本發(fā)明的主體電路所需要的恒流源的產(chǎn)生電路的原理圖，對該電路的詳細(xì)描述與說明可參考技術(shù)方案與具體實施方式
部分。
圖4所示為未進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)膶?shù)放大器的輸入輸出特性在不同溫度下的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，在不同溫度下，輸入輸出關(guān)系曲線有很大的出入。
圖5所示為本發(fā)明的對數(shù)放大器的輸入輸出特性在不同溫度下的仿真結(jié)果，和圖 4相比可以看出，補(bǔ)償之后的輸入輸出特性具有較好的溫度穩(wěn)定性。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于CMOS工藝的低溫度系數(shù)對數(shù)放大器，其特征在于該對數(shù)放大器包括基本對數(shù)電路、溫度補(bǔ)償放大電路、感應(yīng)溫度變化電路和基準(zhǔn)與偏置產(chǎn)生電路；其中， 基本對數(shù)電路，對輸入信號作對數(shù)轉(zhuǎn)化，獲得對數(shù)信號并輸出給溫度補(bǔ)償放大電路，該對數(shù)信號具有與絕對溫度成正比的溫度系數(shù)； 感應(yīng)溫度變化電路，用于產(chǎn)生控制信號，以控制溫度補(bǔ)償放大電路的工作； 溫度補(bǔ)償放大電路，實現(xiàn)對上述對數(shù)信號的溫度系數(shù)的消除； 基準(zhǔn)和偏置產(chǎn)生電路，給基本對數(shù)電路和感應(yīng)溫度變化電路提供基準(zhǔn)電壓、電流，并給感應(yīng)溫度變化電路提供所需要的與絕對溫度成正比的電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于CMOS工藝的低溫度系數(shù)對數(shù)放大器，其特征在于 基本對數(shù)電路包括第一電阻(R0)，第一運算跨導(dǎo)放大器(0TA1)，第一 NPN型雙極晶體管(Ql)和第二 NPN型雙極晶體管(Q2)，第一緩沖器(B)，第一恒流源(IO)以及第四恒流源(13)； 溫度補(bǔ)償放大電路包括第二 PMOS管(M2)和第三PMOS管(M3)，第三電阻(R2)以及第二運算跨導(dǎo)放大器(0TA2); 感應(yīng)溫度變化電路包括第二電阻(R1)，第三運算跨導(dǎo)放大器(0TA3)，第二恒流源(Il)和第三恒流源(12)以及第一 PMOS管(M3)，其中12是與絕對溫度成正比的電流源； 其連接關(guān)系如下第一電阻(RO)的正端接輸入信號，其負(fù)端接第一運算跨導(dǎo)放大器(OTAl)的負(fù)相輸入端；第一 NPN型雙極晶體管(Ql)的集電極分別與其基極、第一運算跨導(dǎo)放大器(OTAl)的負(fù)相輸入端以及第四恒流源(13)相連；第一 NPN型雙極晶體管(Ql)的發(fā)射極接第一運算跨導(dǎo)放大器(OTAl)的輸出端，同時第一 NPN型雙極晶體管(Ql)的發(fā)射極經(jīng)第一緩沖器(B)與第二 NPN型雙極晶體管(Q2)的發(fā)射極相連接；第一運算跨導(dǎo)放大器(OTAl)的正相輸入端接共同偏置電壓；第二 NPN型雙極晶體管(Q2)的基極和集電極相連，并分別與第二運算跨導(dǎo)放大器(0TA2)的正相輸入端、第一恒流源(IO)連接；第二 PMOS管(M2)的源極接共同偏置電壓，其漏極接第二運算跨導(dǎo)放大器(0TA2)的負(fù)相輸入端和第三PMOS管(M3)的源極；第三PMOS管(M3)的柵極接第二運算跨導(dǎo)放大器(0TA2)的輸出端；第三PMOS管(M3)的漏極接第三電阻(R2)的正端，同時接輸出信號；第二電阻(Rl)的正端與共同偏置電壓和第一 PMOS管(Ml)的源極連接，其負(fù)端接到第三運算跨導(dǎo)放大器(0TA3)的反相輸入端，同時與第三恒流源(12)連接；第一 PMOS管(Ml)的柵極分別與第二 PMOS管的柵極、第三運算跨導(dǎo)放大器(0TA3)的輸出端相連接；第一 PMOS管(Ml)的漏極分別與第三運算跨導(dǎo)放大器(0TA3)的同相輸入端、第二電流源(II)連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于CMOS工藝的低溫度系數(shù)對數(shù)放大器，該對數(shù)放大器包括基本對數(shù)電路、溫度補(bǔ)償放大電路、感應(yīng)溫度變化電路和基準(zhǔn)與偏置產(chǎn)生電路；其中，基本對數(shù)電路，對輸入信號作對數(shù)轉(zhuǎn)化，獲得對數(shù)信號并輸出給溫度補(bǔ)償放大電路，該對數(shù)信號具有與絕對溫度成正比的溫度系數(shù)；感應(yīng)溫度變化電路，用于產(chǎn)生控制信號，以控制溫度補(bǔ)償放大電路的工作；溫度補(bǔ)償放大電路，實現(xiàn)對上述對數(shù)信號的溫度系數(shù)的消除；基準(zhǔn)和偏置產(chǎn)生電路，給基本對數(shù)電路和感應(yīng)溫度變化電路提供基準(zhǔn)電壓、電流，并給感應(yīng)溫度變化電路提供所需要的與絕對溫度成正比的電流。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡潔、功耗低、動態(tài)范圍大和適合低電源電壓應(yīng)用等優(yōu)點。
文檔編號H03F1/30GK102931925SQ201210450160
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者吳建輝, 白春風(fēng), 尹海峰 申請人:東南大學(xué)