CN102611430B - 一种电压控制的等效电阻电路和一种滤波电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电压控制的等效电阻电路，实现了使用MOS管等效的有源电阻，使得此等效电阻可以广泛使用在CMOS集成电路中。同时由于其制造工艺的参数相比无源电阻制造工艺中的参数更容易控制，变化更小，因此相对于无源电阻该等效电阻的阻值精度更高。此外，还可通过控制电压的变化控制该等效电阻的阻值，满足不同的需求。控制电压可以由采用了片内感应电流电路的开关电源电路提供。

Description

一种电压控制的等效电阻电路和一种滤波电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其是涉及一种电压控制的等效电阻电路和一种滤波电路。

背景技术

在CMOS工艺下，有多晶硅电阻、金属电阻等不同类型的电阻，但是这些电阻的阻值易受工艺条件和温度等环境参数的影响，并且阻值为固定值，不能进行调节。然而在大规模集成电路中，片内需要感应电流或者电压的情况下，对电阻的精度要求比较高，并且要求阻值是随感应电流或者电压的变化而变化的，此时普通的无源电阻就不能满足我们的要求了。通过晶体管或者MOS管等效的有源电阻的精度与集成电路的制作工艺相关，而集成电路制造工艺中，迁移率μ_n和寄生氧化层电容C_ox相比电阻制造工艺的参数更容易控制，变化更小。因此，通过晶体管或者MOS管等效的有源电阻的阻值精度更高，并且能够通过电压或者电流的变化控制阻值的变化。因此这种有源电阻成为大规模集成电路中应用最广泛的电阻之一。它可以应用在有源电阻电容滤波器、振荡器、可变增益放大器、电压或者电流转换频率器件中。

一种有源电阻是通过电流控制CCCII(第二代电流转换器)制造的浮动电阻，请参阅图1和图2，CCCII满足以下公式，

I_Y＝0

V_X＝V_Y+R_X×I_X

I_Z＝k×V_X

其中R_X为X端口的阻抗，理想的CCCII在Y端口的输入阻抗无限大，，输入端口Z等效一个电流产生器，可以驱动无限大的输出阻抗。X端口的阻抗R_X可以通过偏置电流I₀来控制，

R_X＝V_T/(2I₀)

在温度为27℃时，有

$V_T\widetilde{=}\mathrm{kT}/q\widetilde{=}26\mathrm{mV}$

电流增益k可以表示为

k＝I₁/I₂

请参阅图3，基于CCCII提出的高值电流控制浮动电阻值

R_eq＝(2R_X+R_L)/k

根据以上公式可以得出

R_eq＝I₂(V_T/I₀+R_L)/I₁

其中有

I₀＝I₀₁＝I₀₂

可见，浮动电阻的阻值由偏置电流I₀以及I₁和I₂的电流比例进行调节。但是通过晶体管等效的有源电阻，不能在CMOS工艺中集成，因此无法用在模拟CMOS集成电路中，大大影响了它的使用范围。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种电压控制等效电阻的电路和一种滤波电路，以实现能够使用在CMOS集成电路中的高精度的电压控制等效电阻。

本发明提出的一种电压控制的等效电阻电路包括：

第一PMOS管以及与之宽长比相同的第二、第三和第四PMOS管；

第五PMOS管以及与之宽长比相同的第六PMOS管；

第七PMOS管以及与之宽长比相同的第八PMOS管；

第一NMOS管以及与之宽长比相同的第二NMOS管；

第三NMOS管以及与之宽长比相同的第四NMOS管；

第五NMOS管以及与之宽长比相同的第六NMOS管；

第七NMOS管；

第一、第三、第五、第六、第七和第八PMOS管的源极均耦合到电源电压；第五PMOS管的漏极和栅极、第六PMOS管的栅极耦合到第一NMOS管的漏极；第八PMOS管的漏极和栅极、第七PMOS管的栅极耦合到第二NMOS管的漏极；第一PMOS管的漏极、第二PMOS管的源极耦合到第二NMOS管的栅极；第三PMOS管的漏极、第四PMOS管的源极耦合到第一NMOS管的栅极；第一和第三PMOS管的栅极耦合到第七NMOS管的源极；第七NMOS管的栅极和漏极耦合到控制电压；第二、第四PMOS管的漏极、第三、第四、第五以及第六NMOS管的源极耦合到地电压；第四NMOS管的栅极、第三NMOS管的栅极和漏极耦合到第七PMOS管的漏极；第五NMOS管的栅极、第六NMOS管的栅极和漏极耦合到第六PMOS管的漏极；第一NMOS管的源极、第二PMOS管的栅极和第四NMOS管的漏极耦合到第一节点；第二NMOS管的源极、第四PMOS管的栅极和第五NMOS管的漏极耦合到第二节点；第一节点和第二节点为所述等效电阻的两端。

优选地，该等效电阻电路还包括一开关电源电路，其特征在于，所述开关电源电路为所述等效电阻电路提供控制电压。

优选地，开关电源电路包括：电流感应电路和开关电源电压转换电路。电流感应电路包括电压镜像电路、第八NMOS管和第九NMOS管，第八NMOS管的栅极和漏极耦合到电压镜像电路，第九NMOS管的栅极和漏极耦合到第八NMOS管的源极，第九NMOS管两端的电压为所述等效电阻电路提供控制电压。

本发明还提出了一种滤波电路，该滤波电路包括运算放大器、输入阻抗、反馈阻抗和电阻，该滤波电路中的电阻为本发明提出的等效电阻电路。

由技术方案可知，本发明提供了一种电压控制等效电阻的电路，实现了使用MOS管等效的有源电阻，使得此等效电阻可以广泛使用在CMOS集成电路中。其次由于其制造工艺的参数相比无源电阻制造工艺中的参数更容易控制，变化更小，因此保证了高精度的阻值。还可通过电压的变化控制电阻的阻值。

附图说明

图1为晶体管CCCII结构框图；

图2为晶体管CCCII组成电路图；

图3为电流控制等效电阻结构框图；

图4为本发明等效电阻电路图；

图5为滤波电路图；

图6为采用了感应电流电路的开关电源电路图。

具体实施方式

本发明提供了一种电压控制的等效电阻电路，包括：

第一PMOS管以及与之宽长比尺寸相同的第二、第三和第四PMOS管，

第五PMOS管以及与之宽长比尺寸相同的第六PMOS管，

第七PMOS管以及与之宽长比尺寸相同的第八PMOS管，

第一NMOS管以及与之宽长比尺寸相同的第二NMOS管，

第三NMOS管以及与之宽长比尺寸相同的第四NMOS管，

第五NMOS管以及与之宽长比尺寸相同的第六NMOS管，

第七NMOS管。

第一、第三、第五、第六、第七和第八PMOS管的源极均耦合到电源电压；第五PMOS管的漏极和栅极、第六PMOS管的栅极耦合到第一NMOS管的漏极；第八PMOS管的漏极和栅极、第七PMOS管的栅极耦合到第二NMOS管的漏极；第一PMOS管的漏极、第二PMOS管的源极耦合到第二NMOS管的栅极；第三PMOS管的漏极、第四PMOS管的源极耦合到第一NMOS管的栅极；第一和第三PMOS管的栅极耦合到第七NMOS管的源极；第七NMOS管的栅极和漏极耦合到控制电压；第二、第四PMOS管的漏极、第三、第四、第五以及第六NMOS管的源极耦合到地电压；第四NMOS管的栅极、第三NMOS管的栅极和漏极耦合到第七PMOS管的漏极；第五NMOS管的栅极、第六NMOS管的栅极和漏极耦合到第六PMOS管的漏极；第一NMOS管的源极、第二PMOS管的栅极和第四NMOS管的漏极耦合到第一节点；第二NMOS管的源极、第四PMOS管的栅极和第五NMOS管的漏极耦合到第二节点；第一节点和第二节点为所述等效电阻的两端。

本发明还可以包括一开关电源电路，开关电源电路包括电流感应电路和开关电源电压转换电路。所述电流感应电路包括电压镜像电路、第八NMOS管和第九NMOS管，第八NMOS管的栅极和漏极耦合到电压镜像电路，第九NMOS管的栅极和漏极耦合到第八NMOS管的源极，第九NMOS管两端的电压为等效电阻电路提供控制电压。

请参阅图4，实现本发明的电路包括NMOS管M1、M2、M11、M12、M13、M14、M15和PMOS管M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10。其中M1和M2的尺寸相同，M3、M4、M5和M6的尺寸相同，M7和M8的尺寸相同，M9和M10的尺寸相同，M11和M12的尺寸相同，M13和M14的尺寸相同，尺寸指的是MOS管的宽长比(W/L)。

M3、M5、M7、M8、M9和M10的源极均耦合到电源电压；M7的漏极和栅极、M8的栅极耦合到M1的漏极；M10的漏极和栅极、M9的栅极耦合到M2的漏极；M3的漏极、M4的源极耦合到M2的栅极；M5的漏极、M6的源极耦合到M1的栅极；M3和M5的栅极耦合到M15的源极；M15的栅极和漏极耦合到控制电压；M4和M6的漏极、M11、M12、M13以及M14的源极耦合到地电压；M12的栅极、M11的栅极和漏极耦合到M9的漏极；M13的栅极、M14的栅极和漏极耦合到M8的漏极；M1的源极、M4的栅极和M12的漏极耦合到第一节点A；M2的源极、M6的栅极和M13的漏极耦合到第二节点B；节点A和节点B为所述等效电阻的两端。

下面介绍这个等效电阻的控制原理。

请参阅图4，根据电流镜像，可得出

I₁₁＝I₁₂＝I₂

I₁₃＝I₁₄＝I₁

因此节点A有

I_x＝I₁₂-I₁＝I₂-I₁

节点B有

I_y＝I₁₃-I₂＝I₂-I₁

又根据公式，

$I=\frac{1}{2}\×{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}{(W/L)}_{\mathrm{1,2}}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{th},n})}^2$

其中(W/L)_1，2为M1和M2的宽长比，因此有

I_x＝I_y＝I₂-I₁

＝K_n(V_a+V_b-V_x-V_y-2V_th，n)(V_b-V_a+V_x-V_y)/2式中

K_n＝μ_nC_OX(W/L)_1，2

由于匹配PMOS管M3和M4的漏电流相等，于是有

$\frac{\mathrm{Kp}}{2}(V_{g3}+V_{\mathrm{dd}}-V_{\mathrm{th},p})=\frac{\mathrm{Kp}}{2}(V_x+V_b-V_{\mathrm{th},p})$

化简后得到

V_b＝V_x-V_g3+V_dd

其中有

K_p＝μ_pC_OX(W/L)_3，4

由于匹配PMOS管M3和M4的漏电流相等，于是有

V_a＝V_y-V_g3+V_dd

又有

V_g3＝V_sense-V_th，n

综上得到

$I_x=I_y=I_2-I_1$

$=2K_n(V_{\mathrm{dd}}-V_{\mathrm{sense}})(V_x-V_y)$

$\⇒\frac{V_x-V_y}{I_x}=\frac{1}{2K_n(V_{\mathrm{dd}}-V_{\mathrm{sense}})}$

可看出由MOS管等效的有源电阻受控于电压V_sense。

图5为将本发明应用于滤波电路中，该滤波电路包括运算放大器、滤波器的输入阻抗Zi和反馈阻抗Zf以及电阻。其中虚线部分的电阻可以用本发明的等效电阻代替。

图6为一种应用了片内电流感应电路的开关电源电路，包括电流感应电路和开关电源电压转换电路。电流感应电路中包括电压镜像电路、NMOS管Msense、Mcs1、Mrs以及PMOS管M1、M2、Ms1、Ms2。电压镜像电路包括一个运算放大器、NMOS管Mcs2、Mcs3、Mcs4和Mcs5。其中Mcs1，Mcs2，Mcs3，Mcs4和Mcs5尺寸相同。avdd接电源电压，avss接地电压。

NMOS管Msense上的电压作为电压控制等效电阻的控制电压。

在电路里PMOS管M2通过一定的比例尺寸镜像流过PMOS管M1的电流，为了得到精确的感应电流，运算放大器用来使结点A的电压Va和节点B的电压Vb相等。

当Qb取低电平时，Q取高电平，M1导通，MS1也导通，M2的栅极连接到地电压是常导通状态，运算放大器的输出电压Vctrl要大于Mcs5和Mrs的栅源电压加上Msense上的电压降，使Mcs5处于饱和工作区域。I1和I2是从节点Va和Vb流出的电流。由于运算放大器的输入节点是虚短路，所以它的两个输入节点电压相等，即Va＝Vb，由于MS1导通，M1和M2的漏源电压相等，所以流过M1和M2的漏电流密度也相等。假设M1和M2的尺寸比例为800/1，即

${\left(\frac{W}{L}\right)}_{M1}=800\×{\left(\frac{W}{L}\right)}_{M2}$

结果在感应电路中的M2流过的电流I_s比流过M1的电流I_L小800倍。这样当开关电源工作时，片内电流感应电路只用很小的一部分电流就感应到开关电源M1的电流，因此增加片内电流感应电路对整个电源的功耗影响很小。

I_b是流过Mcs1的电流，I1是流过Mcs2和Mcs4的电流，I2是流过Mcs3和Mcs5的电流，根据电流镜的镜像原理，I1＝I2＝Ib，一般情况下取Ib远小于Is，Is是感应开关电源的电流。这样Isense＝Is-I2≈Is，流过Msense的电流几乎等于感应开关电源的电流Is。根据之前假设的尺寸，有：

$V_{\mathrm{sense}}=I_{\mathrm{sense}}\×R_{\mathrm{Msense}}=\frac{I_L}{800}\×R_{\mathrm{Msense}}$

$R_{\mathrm{Msense}}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_{\mathrm{Msense}}(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}$

$V_{\mathrm{sense}}=\frac{I_L}{800}\×R_{\mathrm{Msense}}=\frac{I_L}{800}\×\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_{\mathrm{Msense}}(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}$

这样Msense上的电压就与开关电源上的电流建立了比例关系。可通过开关电源上的电流I_L控制Msense上的电压Vsense。用Vsense作为电压控制等效电阻的控制电压。

当开关电源转换电路处于关停状态时，Qb端为高电平，Q端为低电平。M1截至，MS1也截至，MS2导通，Va点的电压被拉至avdd，由于运算放大器的作用，Vb的电压也会变化到avdd，因此I_L＝Is＝0，这样当开关电源转换电路处于关停状态时，流过Msense的电流Isense会非常小，同时由于Mrs的漏源电压足够大，Mrs始终处于饱和状态，Msense上的电压Vsense不会上拉到avdd。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电压控制的等效电阻电路，其特征在于，所述电路包括：

第一PMOS管以及与之宽长比相同的第二、第三和第四PMOS管；

第五PMOS管以及与之宽长比相同的第六PMOS管；

第七PMOS管以及与之宽长比相同的第八PMOS管；

第一NMOS管以及与之宽长比相同的第二NMOS管；

第三NMOS管以及与之宽长比相同的第四NMOS管；

第五NMOS管以及与之宽长比相同的第六NMOS管；

第七NMOS管；

第一、第三、第五、第六、第七和第八PMOS管的源极均耦合到电源电压；第五PMOS管的漏极和栅极、第六PMOS管的栅极耦合到第一NMOS管的漏极；第八PMOS管的漏极和栅极、第七PMOS管的栅极耦合到第二NMOS管的漏极；第一PMOS管的漏极、第二PMOS管的源极耦合到第二NMOS管的栅极；第三PMOS管的漏极、第四PMOS管的源极耦合到第一NMOS管的栅极；

第一和第三PMOS管的栅极耦合到第七NMOS管的源极；第七NMOS管的栅极和漏极耦合到控制电压；第二、第四PMOS管的漏极、第三、第四、第五以及第六NMOS管的源极耦合到地电压；

第四NMOS管的栅极、第三NMOS管的栅极和漏极耦合到第七PMOS管的漏极；第五NMOS管的栅极、第六NMOS管的栅极和漏极耦合到第六PMOS管的漏极；

第一NMOS管的源极、第二PMOS管的栅极和第四NMOS管的漏极耦合到第一节点；第二NMOS管的源极、第四PMOS管的栅极和第五NMOS管的漏极耦合到第二节点；第一节点和第二节点为所述等效电阻的两端。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括一开关电源电路，其特征在于，所述开关电源电路为所述等效电阻电路提供控制电压。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述开关电源电路包括：电流感应电路和开关电源电压转换电路；

所述电流感应电路包括电压镜像电路、第八NMOS管和第九NMOS管，第八NMOS管的栅极和漏极耦合到电压镜像电路，第九NMOS管的栅极和漏极耦合到第八NMOS管的源极，第九NMOS管的漏极和源极两端的电压为所述等效电阻电路提供控制电压。

4.一种滤波电路，所述电路包括运算放大器、输入阻抗、反馈阻抗和电阻，其特征在于，该滤波电路中的电阻为权利要求1至3任意一项所述的等效电阻电路。

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