CN102931925A

CN102931925A - 一种基于cmos工艺的低温度系数对数放大器

Info

Publication number: CN102931925A
Application number: CN2012104501607A
Authority: CN
Inventors: 吴建辉; 白春风; 尹海峰
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明提供了一种基于CMOS工艺的低温度系数对数放大器，该对数放大器包括基本对数电路、温度补偿放大电路、感应温度变化电路和基准与偏置产生电路；其中，基本对数电路，对输入信号作对数转化，获得对数信号并输出给温度补偿放大电路，该对数信号具有与绝对温度成正比的温度系数；感应温度变化电路，用于产生控制信号，以控制温度补偿放大电路的工作；温度补偿放大电路，实现对上述对数信号的温度系数的消除；基准和偏置产生电路，给基本对数电路和感应温度变化电路提供基准电压、电流，并给感应温度变化电路提供所需要的与绝对温度成正比的电流。本发明具有结构简洁、功耗低、动态范围大和适合低电源电压应用等优点。

Description

一种基于CMOS工艺的低温度系数对数放大器

技术领域

本发明涉及一种低温度系数的对数放大器。基于负反馈理论中的主从控制思想，用来自带隙基准的与绝对温度成正比的偏置电流的温度特性补偿基本对数放大器的系数的与绝对温度成正比的特性，实现一种低温度系数的对数放大器的设计。电路结构简单，可以在标准CMOS工艺中实现，同时还具有低电压（1.2V）下工作的特点。

背景技术

对数放大器的输出信号和输入信号之间具有对数关系。尽管数字集成电路已经几乎能够涵盖所有的信号计算，但是在信号压缩等方面，对数放大器却一直扮演着重要角色。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，对数放大器仍然是许多医疗设备、视频信号处理、测试、射频收发等系统中的关键模块。

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运算。输入电压信号通过一个电阻转换成电流信号，运算放大器的反馈作用可以确保几乎所有电流信号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。但是这里会有两个问题，一个是反向饱和电流的大小受温度和工艺变化影响；另一个是输出信号中含有一个大小为热电压的系数，它是与绝对温度成正比的。前者可以通过双极型晶体管对管的反向饱和电流相互抵消来解决，对管可以在工艺上实现很高的匹配性；后者的传统解决办法是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温度特性，但是这涉及很多片外元件，而且需要额外的温度监视电路，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，但是却以极大的硬件开销和系统复杂化为代价。在诸如无线传感网网络节点的射频收发电路设计中，由于追求低功耗、低成本以及单片集成等特点，传统的对数电路的应用受到限制。

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。结构简单，标准CMOS工艺下即可实现；可在低电压（1.2V）环境下应用，不包括带隙基准的静态电流消耗仅300微安。可应用于无线传感网络节点射频收发机芯片中的接收信号强度检测器设计中。

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，可检测的信号动态范围有限。如果我们利用对数函数的压缩特性对检测器结果进行处理，则可大大提高检测信号的动态范围，提高自动增益控制环路的响应时间。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种基于CMOS工艺的低温度系数对数放大器，本发明用简单的电路结构实现了温度补偿，功耗低。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于CMOS工艺的低温度系数对数放大器，该对数放大器包括基本对数电路、温度补偿放大电路、感应温度变化电路和基准与偏置产生电路；其中，

基本对数电路，对输入信号作对数转化，获得对数信号并输出给温度补偿放大电路，该对数信号具有与绝对温度成正比的温度系数；

感应温度变化电路，用于产生控制信号，以控制温度补偿放大电路的工作；

温度补偿放大电路，实现对上述对数信号的温度系数的消除；

基准和偏置产生电路，给基本对数电路和感应温度变化电路提供基准电压、电流，并给感应温度变化电路提供所需要的与绝对温度成正比的电流。

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，第一恒流源以及第四恒流源；

温度补偿放大电路包括第二PMOS管和第三PMOS管，第三电阻以及第二运算跨导放大器；

感应温度变化电路包括第二电阻，第三运算跨导放大器，第二恒流源和第三恒流源以及第一PMOS管，其中I2是与绝对温度成正比的电流源；

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以及第四恒流源相连；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共同偏置电压；第二NPN型双极晶体管的基极和集电极相连，并分别与第二运算跨导放大器的正相输入端、第一恒流源连接；第二PMOS管的源极接共同偏置电压，其漏极接第二运算跨导放大器的负相输入端和第三PMOS管的源极；第三PMOS管的栅极接第二运算跨导放大器的输出端；第三PMOS管的漏极接第三电阻的正端，同时接输出信号；第二电阻的正端与共同偏置电压和第一PMOS管的源极连接，其负端接到第三运算跨导放大器的反相输入端，同时与第三恒流源连接；第一PMOS管的栅极分别与第二PMOS管的栅极、第三运算跨导放大器的输出端相连接；第一PMOS管的漏极分别与第三运算跨导放大器的同相输入端、第二电流源连接。

有益效果：该对数放大器的特点在于以简单的电路结构实现了温度补偿，这种对数放大器仅具有较小的温度系数，适合低电压、低功耗、低成本的应用。仿真结果表明，该对数放大器具有较小的温度系数，同时功耗很低（350微安）。

附图说明

图1所示为本发明的结构框图。

图2所示为本发明的主体电路的详细原理图。

图3所示为本发明的主体电路中关键电流源的产生电路的原理图。

图4所示为未进行温度补偿的对数放大器的输入输出特性。

图5所示为本发明的对数放大器在不同温度下的输入输出特性仿。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

本发明提供了低温度系数对数放大器的一种实现方法，使用标准CMOS工艺即可实现，使得这种对数放大器具有结构简洁、功耗低、动态范围大和适合低电源电压应用等优点。本发明基于主从结构的思想，检测温度变化并自动调整金属氧化物晶体管的栅源电压，以实现对温度系数的补偿。该对数放大器包括基本对数电路、温度补偿放大电路、感应温度变化电路和基准与偏置产生电路；其中，基本对数电路输出带有温度系数的对数信号；感应温度变化电路中的PTAT电流的温度特性可转化为MOS管的导通电阻的温度特性，并产生对温度补偿电路的控制信号；温度补偿放大电路在控制信号的作用下补偿上述带有温度系数的对数信号；基准和偏置产生电路，给基本对数电路和感应温度变化的主从控制电路提供所需的基准电压、电流和与绝对温度成正比的电流源，其中为了使得电路具有较好的抗电阻工艺变化能力，设计了关键偏置电流I0和I1的产生电路。

本发明提供了具有温度补偿功能的对数放大器。该对数放大器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，通过主从控制的方法，实现对基本对数放大器产生的对数信号的系数的温度特性的补偿。另外，为了实现跟踪电阻的工艺变化，设计了关键电流源的产生电路，如图5所示。

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的特点，以及工作在线性区的PMOS管的导通电阻主要由其栅源电压控制的特性，以主从控制的方式实现对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：通过感应温度变化电路使得温度补偿放大电路中工作在线性区的PMOS管的导通电阻具有与绝对温度成正比的特性，以消除基本对数放大器的结果的系数的与绝对温度成正比的特性。

本发明包含基本对数电路、温度补偿放大电路、感应温度变化电路和基准与偏置产生电路。

基本对数电路，对输入信号作对数转化，获得对数信号并输出给温度补偿放大电路，该对数信号具有与绝对温度成正比的系数；

基准和偏置产生电路，给基本对数电路和感应温度变化的主从控制电路提供基准电压和电流，还用于监测电阻的工艺变化并予以抵消。

基本对数电路包括第一电阻R0，第一运算跨导放大器OTA1，第一和第二NPN型双极晶体管Q1、Q2，第一缓冲器B，第一恒流源I0以及第四恒流源I3；温度补偿放大电路包括第二和第三PMOS管M2、M3，第三电阻R2以及第二运算跨导放大器OTA2；感应温度变化电路包括第二电阻R1，第三运算跨导放大器OTA3，第二和第三恒流源I1、I2以及第一PMOS管M3。

其连接关系如下：第一电阻R0的正端接输入信号，其负端接第一运算跨导放大器OTA1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OTA1的负相输入端以及第四恒流源I3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OTA1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B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OTA1的正相输入端接共同偏置电压；第二NPN型双极晶体管Q2的基极和集电极相连，并分别与第二运算跨导放大器OTA2的正相输入端、第一恒流源I0连接；第二PMOS管M2的源极接共同偏置电压，其漏极接第二运算跨导放大器OTA2的负相输入端和第三PMOS管M3的源极；第三PMOS管M3的栅极接第二运算跨导放大器OTA2的输出端；第三PMOS管M3的漏极接第三电阻R2的正端，同时接输出信号；第二电阻R1的正端与共同偏置电压和第一PMOS管M1的源极连接，其负端接到第三运算跨导放大器OTA3的反相输入端，同时与第三恒流源I2连接；第一PMOS管M1的栅极分别与第二PMOS管的栅极、第三运算跨导放大器OTA3的输出端相连接；第一PMOS管M1的漏极分别与第三运算跨导放大器OTA3的同相输入端、第二电流源I1连接。

由于第一运算跨导放大器OTA1和第一NPN型双极晶体管Q1所构成环路的反馈作用，输入电压信号在第一电阻R0上转化成电流信号，并完全流过第一NPN型双极晶体管Q1，在第一运算跨导放大器OTA1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与绝对温度成正比的。将偏置在第一恒流源I0下的、与第一NPN型双极晶体管Q1尺寸相同的第二NPN型双极晶体管Q2的基极-发射极电压与第一NPN型双极晶体管Q1的基极-发射极电压相减，可以消除双极晶体管的反向导通电流受工艺、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；接下来的温度补偿放大电路中，通过用跨导提高电路使电路增益主要由第二PMOS管M2的电阻决定，这样输出信号与该电路输入对数信号和处于线性区的第二PMOS管M2电阻值有关；感应温度变化的主控制电路控制处于线性区的第一PMOS管M1的电阻值，使其产生的电阻值带与温度成正比，从而控制从属电路即温度补偿放大电路中处于线性区的第二PMOS管M2电阻值，使其带有相同的与绝对温度成正比的系数，在进行信号放大时则该系数与温度补偿放大电路输入的对数信号的与绝对温度成正比的系数被抵消，从而使得输出信号为基本不随温度变化的对数信号。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1所示为本发明的结构示意图。

图2所示为本发明的主体电路的详细原理图。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所示为本发明的主体电路所需要的恒流源的产生电路的原理图，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4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，在不同温度下，输入输出关系曲线有很大的出入。

图5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，和图4相比可以看出，补偿之后的输入输出特性具有较好的温度稳定性。

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

1.一种基于CMOS工艺的低温度系数对数放大器，其特征在于：该对数放大器包括基本对数电路、温度补偿放大电路、感应温度变化电路和基准与偏置产生电路；其中，

2.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的低温度系数对数放大器，其特征在于：

基本对数电路包括第一电阻（R0），第一运算跨导放大器（OTA1），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（B），第一恒流源（I0）以及第四恒流源（I3）；

温度补偿放大电路包括第二PMOS管（M2）和第三PMOS管（M3），第三电阻（R2）以及第二运算跨导放大器（OTA2）；

感应温度变化电路包括第二电阻（R1），第三运算跨导放大器（OTA3），第二恒流源（I1）和第三恒流源（I2）以及第一PMOS管（M3），其中I2是与绝对温度成正比的电流源；

其连接关系如下：第一电阻（R0）的正端接输入信号，其负端接第一运算跨导放大器（OTA1）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（OTA1）的负相输入端以及第四恒流源（I3）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（OTA1）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（B）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（OTA1）的正相输入端接共同偏置电压；第二NPN型双极晶体管（Q2）的基极和集电极相连，并分别与第二运算跨导放大器（OTA2）的正相输入端、第一恒流源（I0）连接；第二PMOS管（M2）的源极接共同偏置电压，其漏极接第二运算跨导放大器（OTA2）的负相输入端和第三PMOS管（M3）的源极；第三PMOS管（M3）的栅极接第二运算跨导放大器（OTA2）的输出端；第三PMOS管（M3）的漏极接第三电阻（R2）的正端，同时接输出信号；第二电阻（R1）的正端与共同偏置电压和第一PMOS管（M1）的源极连接，其负端接到第三运算跨导放大器（OTA3）的反相输入端，同时与第三恒流源（I2）连接；第一PMOS管（M1）的栅极分别与第二PMOS管的栅极、第三运算跨导放大器（OTA3）的输出端相连接；第一PMOS管（M1）的漏极分别与第三运算跨导放大器（OTA3）的同相输入端、第二电流源（I1）连接。