CN102664594B

CN102664594B - 一种具有温度补偿功能的对数放大器

Info

Publication number: CN102664594B
Application number: CN201210169972.4A
Authority: CN
Inventors: 吴建辉; 白春风; 陈超; 赵强; 王旭东; 张理振; 温俊峰; 王陈浩
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University Wuxi Branch
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2032-05-29
Also published as: CN102664594A

Abstract

本发明提供了一种具有温度补偿功能的对数放大器，该对数放大器包括基本对数电路、温度补偿电路、温度补偿辅助电路和PMOS管栅极电压控制环路；基本对数电路，对输入信号作对数转化，且这个对数信号具有一个与绝对温度成正比的系数；温度补偿电路，用于实现对上述对数信号的温度系数的消除；温度补偿辅助电路，用于消除温度补偿电路在消除温度系数过程中产生的随温度变化的直流偏移量，最终得到不随温度变化的对数信号；PMOS管栅极电压控制环路，用于实现对温度补偿电路和温度补偿辅助电路的温度控制。这样就避免了传统的在片外接热敏电阻和进行数字校正以消除温度变化的影响所带来的系统复杂化，有利于提高应用系统的集成度。

Description

一种具有温度补偿功能的对数放大器

技术领域

本发明涉及一种以集成电路方式实现的具有温度补偿功能的对数放大器。利用工作在线性区的金属氧化物晶体管的导通电阻主要由其栅极-源极电压控制的特点，使得来自带隙基准的偏置电流的与绝对温度成正比的特性和基本对数放大器的系数与绝对温度成正比的特性相抵消，同时利用减法器消除上述补偿方法所引入的与绝对温度成正比的直流偏移量，完全在片内实现了温度补偿。

背景技术

在信号压缩与计算中，对数放大器一直扮演着重要角色。尽管在计算应用中数字集成电路几乎全部取代了对数放大器，但工程师们还是采用对数放大器进行信号压缩。对数放大器的输出和输入之间为对数函数关系，利用对数函数的压缩特性可以对宽动态范围的信号进行压缩，因而可以降低对量化模拟信号的模数转换器的分辨率要求，进而降低系统成本。因此，对数放大器仍是许多视频信号处理、医疗设备、测试、射频收发等系统中的关键元件。

一般利用双极型晶体管中集电极电流与基极-发射极电压的指数关系来实现对数放大器，运算放大器的反馈作用可以确保所有信号电流由双极型晶体管的集电极吸入，进而在双极型晶体管的发射极产生对数关系的电压信号。这里会有两个问题，一个是反向饱和电流大小的受温度影响；另一个是输出结果中有一个大小为热电压的系数，它是与绝对温度成正比的。前者通过两个相同尺寸和连接方式的双极型晶体管的基极-发射极电压相减来消除反向饱和电流的影响，可以很容易在片内实现；后者则一般通过选择合适的电阻温度探测器和设置放大器的反馈电阻来尽量消除系数的与绝对温度成正比的特性，这一般只能片外实现，而且需要额外的温度监视电路和具有温度系数的电阻，并利用复杂的数字集成电路进行校正。虽然这样可以实现很精确的输出与输入的对数特性，但是这无疑使得系统变得复杂，无法单片集成，限制了对数电路的应用。

本设计以模拟集成电路的方式实现了对数放大器的温度补偿，可应用于诸如无线传感网络节点射频收发机芯片等低成本、单片系统集成的应用中。

对于恒包络解调的射频信号接收系统，其信号接收链路的增益需要根据接收信号强度进行调整，以使送给模数转换器的基带模拟信号具有恒定的幅度。尽管接收信号强度检测可以在数字域实现，但是步骤复杂，检测范围小，精度差。目前接收信号强度检测主要采用模拟电路的方法实现，但是大多数模拟电路实现的接收信号强度检测器的检测结果是与输入信号幅度呈线性关系的。因此对于特定分辨率的模数转换器，对接收信号强度检测器的检测结果作对数运算之后再送给模数转换器，可以提高信号强度的检测范围。随着无线通讯系统中信息调制速率的提高，对于自动增益控制环路的响应速度提出越来越高的要求，因此对于接收信号强度检测器检测的信号包络值使用对数放大器进行压缩，是缩小自动增益控制环路稳定时间的重要途径。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种可以以集成电路方式实现的具有温度补偿功能的对数放大器。传统对数放大器面临严重的温度漂移问题，而主流补偿方法都不可避免的需要片外元件，同时需要复杂的数字校正电路，因而造成传统对数放大器的应用环境受到限制。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有温度补偿功能的对数放大器，该对数放大器包括基本对数电路、温度补偿电路、温度补偿辅助电路和PMOS管栅极电压控制环路；

基本对数电路，对输入信号作对数转化，且这个对数信号具有一个与绝对温度成正比的系数；

温度补偿电路，用于实现对上述对数信号的温度系数的消除；

温度补偿辅助电路，用于消除温度补偿电路在消除温度系数过程中产生的随温度变化的直流偏移量，最终得到不随温度变化的对数信号；

PMOS管栅极电压控制环路，用于实现对温度补偿电路和温度补偿辅助电路的温度控制。优选的，基本对数电路包括第一电阻，第一运算跨导放大器，第一NPN型双极晶体管和第二NPN型双极晶体管，第一缓冲器及第一恒流源；

温度补偿电路包括第二PMOS管，第三电阻以及第二电压运算放大器；

温度补偿辅助电路包括第二电阻和第四电阻，第二运算跨导放大器和第三电压运算放大器，第三NPN型双极晶体管和第四NPN型双极晶体管，第二缓冲器，第二恒流源、第三PMOS管以及减法器；

PMOS管栅极电压控制环路包括第一PMOS管，第五电阻，第三恒流源和第四恒流源及第一电压运算放大器；

其连接关系如下：第一电阻的正端接输入信号，其负端接第一运算跨导放大器的负相输入端；第一NPN型双极晶体管的集电极分别与其基极、第一运算跨导放大器的负相输入端相连；第一NPN型双极晶体管的发射极接第一运算跨导放大器的输出端，同时第一NPN型双极晶体管的发射极经第一缓冲器与第二NPN型双极晶体管的发射极相连接；第一运算跨导放大器的正相输入端接第一偏置电压；第二NPN型双极晶体管的基极和集电极相连，并分别与第二电压运算放大器的正相输入端、第一恒流源连接；第二PMOS管的源极接第三偏置电压，其漏极接第二电压运算放大器的负相输入端和第三电阻的正端；第三电阻的负端接第二电压运算放大器的输出端；第一运算放大器的同相输入端分别与第一PMOS管的漏极、第四恒流源连接；第一电压运算放大器的负相输入端分别与第五电阻的负端、与绝对温度成正比的第三恒流源连接，第一电压运算放大器的输出端分别连接第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管的栅极；第五电阻的正端和第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管的源极都接第三偏置电压；第二电阻的正端接第二偏置电压，第二电阻的负端分别接第二运算跨导放大器的反相输入端和第三NPN型双极管的基极和集电极；第二运算跨导放大器的同相输入端接第一偏置电压，第二运算跨导放大器的输出端接第三NPN型双极晶体管的发射极，同时第二运算跨导放大器的输出端经过第二缓冲器与第四NPN型双极晶体管的发射极相连；第四NPN型双极晶体管的基极与集电极相连，同时接第二恒流源和第三电压运算放大器的同相输入端；第三电压运算放大器的反相输入端分别接第三PMOS管的漏极和第四电阻的正端，其输出端分别接第四电阻的负端和减法器的负端。

有益效果：该对数放大器的特点在于完全在片内实现了温度补偿，使得应用对数放大器的系统可以单芯片集成。仿真结果表明，该对数放大器明显抑制了温度的影响。

附图说明

图1为本发明的四个组成部分的框图；

图2为本发明的具体电路图；

图3为未进行温度补偿时传统对数电路输入输出特性的仿真结果；

图4为本发明输入输出特性的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供了一种不需要片外元件的温度补偿方法。该方法利用带隙基准中双极晶体管的偏置电流的与绝对温度成正比的特性，以及工作在线性区的PMOS管的导通电阻只受其栅源电压控制的特点，使得基本对数放大器产生的对数信号的系数的温度漂移特性被补偿。

本发明提供了一种具有温度补偿功能的对数放大器，为了以集成电路的方式实现，利用带隙基准中双极型晶体管的偏置电流与绝对温度成正比的特性和栅源电压对工作在线性区的金属氧化物晶体管的导通电阻大小的控制作用，使得工作在线性区的金属氧化物晶体管的导通电阻大小与绝对温度成正比。由传统对数放大器产生的与绝对温度成正比的信号在同相放大器结构中，被工作在线性区的金属氧化物晶体管的导通电阻的温度特性所补偿，得到不随温度变化的对数信号。温度补偿辅助电路和减法器则消除了上述温度补偿带来的信号中直流偏移量的温度漂移问题。在这样就避免了传统的在片外接热敏电阻和进行数字校正以消除温度变化的影响所带来的系统复杂化，有利于提高应用系统的集成度。

本发明的对数放大器利用带隙基准中的双极晶体管的偏置电流与绝对温度成正比（以下简称PTAT）的特点，以及工作在线性区的PMOS管的导通电阻主要由栅源电压控制的特性，以集成电路的方式实现对数放大器的温度补偿。这样就不再需要在片外使用热敏电阻，因此可以提高系统的集成度。

本发明目的通过以下方法实现：通过PMOS栅压控制环路使得温度补偿电路中的工作在线性区的PMOS管的导通电阻具有PTAT特性，以消除传统对数放大器的结果的系数的PTAT特性；上述过程又会使得结果中产生一项PTAT的直流偏移量，通过温度补偿辅助电路予以消除。

参见图1，具有温度补偿功能的对数放大器包括基本对数电路、温度补偿电路、温度补偿辅助电路和PMOS管栅极电压控制环路；

PMOS管栅极电压控制环路，用于实现对温度补偿电路和温度补偿辅助电路的温度控制。参见图2，基本对数电路包括第一电阻R1，第一运算跨导放大器G1，第一NPN型双极晶体管Q1和第二NPN型双极晶体管Q2，第一缓冲器B1以及第一恒流源I1；

温度补偿电路包括第二PMOS管M2，第三电阻R3以及第二电压运算放大器A2；

温度补偿辅助电路包括第二电阻R2和第四电阻R4，第二运算跨导放大器G2和第三电压运算放大器A3，第三NPN型双极晶体管Q3和第四NPN型双极晶体管Q4，第二缓冲器B2，第二恒流源I2、第三PMOS管M3以及减法器S；

PMOS管栅极电压控制环路包括第一PMOS管M1，第五电阻R5，第三恒流源I3和第四恒流源I4及第一电压运算放大器A1；

其连接关系如下：第一电阻R1的正端接输入信号，其负端接第一运算跨导放大器G1的负相输入端；第一NPN型双极晶体管Q1的集电极分别与其基极、第一运算跨导放大器G1的负相输入端相连；第一NPN型双极晶体管 Q1的发射极接第一运算跨导放大器G1的输出端，同时第一NPN型双极晶体管Q1的发射极经第一缓冲器B1与第二NPN型双极晶体管Q2的发射极相连接；第一运算跨导放大器G1的正相输入端接第一偏置电压V1；第二NPN型双极晶体管Q2的基极和集电极相连，并分别与第二电压运算放大器A2的正相输入端、第一恒流源I1连接；第二PMOS管M2的源极接第三偏置电压V3，其漏极接第二电压运算放大器A2的负相输入端和第三电阻R3的正端；第三电阻R3的负端接第二电压运算放大器A2的输出端；第一运算放大器A1的同相输入端分别与第一PMOS管M1的漏极、第四恒流源I4连接；第一电压运算放大器A1的负相输入端分别与第五电阻R5的负端、与绝对温度成正比的第三恒流源I3连接，第一电压运算放大器A1的输出端分别连接第一PMOS管M1、第二PMOS管M2和第三PMOS管M3的栅极；第五电阻R5的正端和第一PMOS管M1、第二PMOS管M2和第三PMOS管M3的源极都接第三偏置电压V3；第二电阻R2的正端接第二偏置电压V2，第二电阻R2的负端分别接第二运算跨导放大器G2的反相输入端和第三NPN型双极管Q3的基极和集电极；第二运算跨导放大器G2的同相输入端接第一偏置电压V1，第二运算跨导放大器G2的输出端接第三NPN型双极晶体管Q3的发射极，同时第二运算跨导放大器G2的输出端经过第二缓冲器B2与第四NPN型双极晶体管Q4的发射极相连；第四NPN型双极晶体管Q4的基极与集电极相连，同时接第二恒流源I2和第三电压运算放大器A3的同相输入端；第三电压运算放大器A3的反相输入端分别接第三PMOS管M3的漏极和第四电阻R4的正端，其输出端分别接第四电阻R4的负端和减法器S的负端。

参见图3,4，由于第一运算跨导放大器G1和第一NPN型BJT（双极晶体管） Q1所构成环路的反馈作用，输入电压信号在第一电阻R1上转化成电流信号，并完全流过第一NPN型BJT Q1，在第一运算跨导放大器G1的输出端得到与输入信号呈对数关系的电压信号。但是这个对数信号包含由于反向饱和电流而产生的一项直流量，这个量是随温度和器件尺寸变化而变化的；另外这个对数信号的系数是PTAT的。将偏置在第一恒流源I1下的、与第一NPN型BJT Q1尺寸相同的第二NPN型BJT Q2的基极-发射极电压与第一NPN型BJT Q1的基极-发射极电压相减，可以消除BJT的反向导通电流的工艺、温度变化而产生的不确定性对信号的影响，缓冲器使得下级电路的输入阻抗不影响第一运算放大器的输出阻抗；接下来的温度补偿电路则消除了系数的PTAT特性。温度补偿电路由第二电压运算放大器A2以及第二PMOS管M2和第三电阻R3组成的反馈网络构成，这个反馈系数等于第二PMOS管M2的导通电阻除以这个导通电阻和第三电阻R3之和，若这个导通电阻比第三电阻R3小得多（例如10倍），那么可以认为反馈系数具有近似PTAT的特性，因为信号放大倍数等于反馈系数的倒数，所以经过这一级放大，对数信号的PTAT的系数被抵消，但是同时产生一个与温度呈线性关系的直流偏移量。第一至第三PMOS管M1、M2、M3的导通电阻的PTAT特性是通过控制PMOS管的栅极电压实现的，PMOS管栅压控制环路中的第三恒流源I3即是来自带隙基准的PTAT电流，第四恒流源I4是与第三恒流源大约相等的固定偏置电流，第一电压运算放大器A1使得第五电阻R5的负端和第一PMOS管M1的漏极电压相同，合理选择偏置电压3和第五电阻R5的值使得第一至第三PMOS管M1、M2、M3始终工作在线性区，这样偏置电流的PTAT特性就转化为了工作在线性区的第一至第三PMOS管M1、M2、M3的导通电阻的PTAT特性。为了消除在上述温度补偿过程中同时产生的与温度呈线性关系的直流偏移量，构造了温度补偿辅助电路，这是另一个完全一样的对数电路和温度补偿电路的级联，只不过输入端接第二偏置电压V2，这样在第三电压运算放大器的输出端得到一个与温度呈线性关系的直流量，然后通过减法器S使得这两个与温度呈线性关系的直流量相抵消，这样就完全在片内实现了没有温度漂移的对数放大器。

图1所示为本发明的各组成部分的关系框图。

图2所示为本发明的对数放大器的电路原理图，对该电路的详细描述与说明可参考技术方案与具体实施方式部分。

图3所示为未进行温度补偿的对数放大器的输入输出特性在不同温度下的仿真结果，从图中可以看出，随着温度变化，系数和直流偏移量都是变化很大的，最大误差高达141mV。

图4所示为本发明的对数放大器的输入输出特性在不同温度下的仿真结果，从图中可以看出，最大误差不超过17毫伏。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims

1.一种具有温度补偿功能的对数放大器，其特征在于：该对数放大器包括基本对数电路、温度补偿电路、温度补偿辅助电路和PMOS管栅极电压控制环路；

PMOS管栅极电压控制环路，用于实现对温度补偿电路和温度补偿辅助电路的温度控制；

其中：

基本对数电路包括第一电阻（R1），第一运算跨导放大器（G1），第一NPN型双极晶体管（Q1）和第二NPN型双极晶体管（Q2），第一缓冲器（B1）以及第一恒流源（I1）；

温度补偿电路包括第二PMOS管（M2），第三电阻（R3）以及第二电压运算放大器（A2）；

温度补偿辅助电路包括第二电阻（R2）和第四电阻（R4），第二运算跨导放大器（G2）和第三电压运算放大器（A3），第三NPN型双极晶体管（Q3）和第四NPN型双极晶体管（Q4），第二缓冲器（B2），第二恒流源（I2）、第三PMOS管（M3）以及减法器（S）；

PMOS管栅极电压控制环路包括第一PMOS管（M1），第五电阻（R5），第三恒流源（I3）和第四恒流源（I4）及第一电压运算放大器（A1）；

其连接关系如下：第一电阻（R1）的正端接输入信号，其负端接第一运算跨导放大器（G1）的负相输入端；第一NPN型双极晶体管（Q1）的集电极分别与其基极、第一运算跨导放大器（G1）的负相输入端相连；第一NPN型双极晶体管（Q1）的发射极接第一运算跨导放大器（G1）的输出端，同时第一NPN型双极晶体管（Q1）的发射极经第一缓冲器（B1）与第二NPN型双极晶体管（Q2）的发射极相连接；第一运算跨导放大器（G1）的正相输入端接第一偏置电压（V1）；第二NPN型双极晶体管（Q2）的基极和集电极相连，并分别与第二电压运算放大器（A2）的正相输入端、第一恒流源（I1）连接；第二PMOS管（M2）的源极接第三偏置电压（V3），其漏极接第二电压运算放大器（A2）的负相输入端和第三电阻（R3）的正端；第三电阻（R3）的负端接第二电压运算放大器（A2）的输出端；第一运算放大器（A1）的同相输入端分别与第一PMOS管（M1）的漏极、第四恒流源（I4）连接；第一电压运算放大器（A1）的负相输入端分别与第五电阻（R5）的负端、与绝对温度成正比的第三恒流源（I3）连接，第一电压运算放大器（A1）的输出端分别连接第一PMOS管（M1）、第二PMOS管（M2）和第三PMOS管（M3）的栅极；第五电阻（R5）的正端和第一PMOS管（M1）、第二PMOS管（M2）和第三PMOS管（M3）的源极都接第三偏置电压（V3）；第二电阻（R2）的正端接第二偏置电压（V2），第二电阻（R2）的负端分别接第二运算跨导放大器（G2）的反相输入端和第三NPN型双极管（Q3）的基极和集电极；第二运算跨导放大器（G2）的同相输入端接第一偏置电压（V1），第二运算跨导放大器（G2）的输出端接第三NPN型双极晶体管（Q3）的发射极，同时第二运算跨导放大器（G2）的输出端经过第二缓冲器（B2）与第四NPN型双极晶体管（Q4）的发射极相连；第四NPN型双极晶体管（Q4）的基极与集电极相连，同时接第二恒流源（I2）和第三电压运算放大器（A3）的同相输入端；第三电压运算放大器（A3）的反相输入端分别接第三PMOS管（M3）的漏极和第四电阻（R4）的正端，其输出端分别接第四电阻（R4）的负端和减法器（S）的负端。