CN107479620B - 一种平方根项跨导电路 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于集成电路领域，是一种精确的平方根项跨导电路，包括：输入电压线性电流模块、开根号电流生成模块；输入电压线性电流模块，用于跟踪输入电压的大小，并且输出与之成比例的电流。开根号电流生成模块，利用MOS管工作于饱和区的工艺特性，产生一个与输入电压成根号关系的输出电流。另外，由于可以调节电路的支路电流和MOS管的宽长比，所以可以根据实际需要调整开根号的比例系数。从而，在很多模拟IC中得到广泛应用。本发明的平方根项跨导电路能够有效地解决系统受困于直流工作点范围的限制，通过开根号电路使宽输入的直流工作区间减小到窄工作区间，有效地避免了直流偏置失真，保证宽输入系统在全范围输入内都能正常运行。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路领域，更具体地，涉及一种精确的平方根项跨导电路，该电路可应用于SOC系统、音视频模拟信号处理模块等，更特别地用于模拟信号调制中非线性处理模块。
背景技术
集成电路运算放大器是集成电路应用最为广泛的一种器件，不仅用于信号的运算、处理、变换、测量和信号产生电路，而且还普遍用在开关电路、射频、谐振等电路中。最为基本的运放电路能够和电阻、电容等元件构成简单的应用电路，包括同向放大器、反向放大器以及常见的求差、求和、积分、微分和仪用放大器等，在各种IC系统得到了广泛的应用。但作为非线性运算的积分和微分之外，很少有人去开发其他非线性表达式的集成电路，然而很多仪表、处理器和测量系统中需要这种信号处理模块，导致很多信号的处理在应用中受到了限制，尤其针对应用广泛的平方根电路。
目前在模拟集成电路领域，几乎所有的平方根电路都是带有阈值误差项的，不能得到的平方根项电路，从而给精确的采样带来误差，所以这就严重地限制了平方根电路的精度要求。而且对于现有的大部分电路都处于早期的双极性工艺中，而对于目前市场主流的CMOS工艺这些电路基本难以实现；其次现有的平方根电路大都是双输入乘积后再开根号，带来的结果是电路结构的复杂和芯片面积的浪费。
发明内容
本发明为了克服上述现有相关电路中存在的问题，提出一种精确的平方根项跨导电路，该电路能够有效解决输入电压范围广时需要降低输入区域跨度大的问题，能够在不改变输入电压变化趋势的基础上，通过非线性表达式降低区域跨度，从而更好避免电路的直流偏置失真，使电路工作在合理的直流工作点范围内。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种平方根项跨导电路，包括：输入电压线性电流模块和开根号电流生成模块；
其中输入电压线性电流模块，用于跟踪输入电压的大小，并且输出与之成比例的电流；
开根号电流生成模块，利用MOS管工作于饱和区的工艺特性，产生一个与输入电压成根号关系的输出电流。
优选地，所述的输入电压线性电流模块包括一路基准电流源偏置单元、一个带运放的高输出阻抗单元、一个线性比例电流生成单元；
所述的一路基准电流源偏置单元，包括基准电流源Ib和二极管连接方式的 PMOS管P1，用于产生其他支路所需的基准电流；
所述的带运放的高输出阻抗单元，包括一个第一运算放大器和高输出阻抗架构，其中第一运算放大器由PMOS管P2、P3、P4、P5、P6和NMOS管N1、N2、 N3、N4构成，其中P5的栅极是第一运算放大器的负输入端，连接到N5的源级，构成负反馈回路；P6的栅极是第一运算放大器的正输入端，其连接输入电压， P2的栅极连接到P1的栅极，形成电流镜，为第一运算放大器工作提供尾电流，同时NMOS管N1和N2、N3和N4、P3和P4构成三个电流镜，整个第一运算放大器是一个一级运放；高输出阻抗架构由第一运算放大器调节N5的栅极得到，通过高增益的运放调节使得N5源级电压变化微小，通过其支路电流更加恒定，提高了N5漏极的输出电阻，从而摆脱N5源级稳定电位受供电电压的影响；
所述的线性比例电流生成单元，由一个负反馈子单元和支路电流生成子单元组成，NMOS管N5的栅极连接前级第一运算放大器的输出端，N5的源级连接电阻R1的一端，电阻的另一端接地，PMOS管P7和P8构成电流镜；负反馈子单元由前面所述的第一运算放大器和NMOS管N5组成，从而使得NMOS管N5 的源级a点的电压和输入电压相等；流过电阻R1的支路电流通过电流镜镜像到 P8管所在的支路。
优选地，所述的开根号电流生成模块包括一个第二运算放大器、一个开根号数学表达式生成支路；
所述的第二运算放大器，由PMOS管P9、P10、P11、P12、P13和NMOS 管N8、N9、N10、N11构成，其中PMOS管P9的栅极连接到P1的栅极构成电流镜，用于产生运放正常工作所需的尾电流，PMOS管P11是放大器的正输入端接到NMOS管N6的栅极，P10的栅极是放大器的负输入端，连接到NMOS管N7的栅级，N8和N10、N9和N11、P12和P13构成三个电流镜，整个第二运算放大器是一个一级运放；由此第二运算放大器、N6和N7构成缓冲器系统，从而使得运放的输出端c点的电压等于N6的栅极b点电压；
所述的开根号数学表达式生成支路，包括NMOS管N7、PMOS管P14、P15、 P16以及电阻R2，P15采用二极管连接方式，源级连接到此运放的输出端，电阻 R2的一端连接到P15的漏极，另一端连接到地；P14和P15构成电流镜，镜像产生的开根号输出电流。
本发明电路主要利用运放的负反馈作用和工作在饱和区的MOS管的工艺特性获得与输入电压成严格平方根项的电流。其中由于负反馈的作用使得a点的电位能够钳位在输入电压大小，所以可得到与输入电压成线性比例的电流。该电流通过电流镜的镜像作用流过工作在饱和区的NMOS管，利用工作在饱和区MOS 管的模型公式并设定两个关键MOS管的宽长比使得两者的阈值电压一样，从而巧妙抵消非线性项中阈值电压这一项带来的干扰，从而获得精准的平方根电路。
与现有的算术运放比较，本发明的有效效果在于：本发明的平方根项模拟集成电路模块可广泛应用于电源转换器、调制解调器、基带芯片等各种IC中，与传统的非线性电路相比，最大优势在于摆脱MOS管阈值电压带来冗余项的影响，获得高度精确的与输入电压成平方根关系的跨导电流。本发明的开根号电路关键作用在于能够打破模拟系统中对输入电压直流工作点范围的限制，通过开根号电路使得输入电压的范围从一个宽范围缩小到一定的可控范围内，从而使得系统在整个输入电压范围内任然能够工作在正常范围内。
本发明提出的一种精确的平方根项跨导电路，包括输入电压线性电流模块、开根号电流生成模块；输入电压线性电流模块，用于跟踪输入电压的大小，并且输出与之成比例的电流。开根号电流生成模块，利用MOS管工作于饱和区的工艺特性，产生一个与输入电压成根号关系的输出电流。另外，由于可以调节电路的支路电流和MOS管的宽长比，所以可以根据实际需要调整开根号的比例系数。从而，在很多模拟IC中得到广泛应用。本发明的平方根项跨导电路能够有效地解决系统受困于直流工作点范围的限制，通过开根号电路使宽输入的直流工作区间减小到窄工作区间，有效地避免了直流偏置失真，保证宽输入系统在全范围输入内都能正常运行。
附图说明
图1为本发明提出的平方根电路图。
图2是本发明平方根跨导电路的模拟集成电路具体实现原理图。
图3为精确的平方根电流验证波形图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种精确的平方根项跨导电路，所述的平方根项跨导电路包括：
输入电压线性电流模块，用于跟踪输入电压的大小，并且输出与之成比例的电流；
开根号电流生成模块，利用MOS管工作于饱和区的工艺特性，产生一个与输入电压成根号关系的输出电流。
参照图1所示，图1是本发明平方根项电路原理图。一种精确的平方根项跨导电路，包括：输入电压线性电流模块和开根号电流生成模块，其中：
所述的输入电压线性电流模块，用于跟踪输入电压的大小，并且输出与之成比例的电流；
所述的开根号电流生成模块，利用MOS管工作于饱和区的工艺特性，产生一个与输入电压成根号关系的输出电流。
对于工作在饱和区的NMOS管，流过源漏极的饱和电流大小为：
参照图2，本发明所述的输入电压线性电流模块，包含一路基准电流源偏置单元、一个带运放的高输出阻抗单元、一个线性比例电流生成单元。
所述的一路基准电流源偏置单元，由基准电流源Ib和二极管连接方式的 PMOS管P1构成，用于产生其他支路所需的直流偏置电流；
所述的由PMOS管P2、P3、P4、P5、P6和NMOS管N1、N2、N3、N4构成的运放和和N5管构成负反馈电路，根据运放的虚短原理，可以知道N5管的源级电压等于P6管的栅极输入电压，即Va＝Vin，则此时流过电阻R1的电流大小为：
设置P7和P8的宽长比一致，从而使得两者构成的电流镜能够镜像产生的电流IR1，即流过N7支路的电流大小为：
同时，由于带运放的高输出阻抗单元存在，来自运放的高增益调节，从N5 的漏极得到的输出阻抗为：ROUT＝A*gm5*ro*R1，其中A为前级运放的小信号增益，gm5为N5的跨导，ro为N5自身的漏极输出阻抗。由于高输出阻抗的存在，使得在供电电压发生变化时a点电压基本不受影响，从而保证后续平方根项电流的精确性。
进一步，所述的开根号电流生成模块，主要由一个缓冲器单元和两个关键的高度匹配的MOS管组成。所述的缓冲器单元由运算放大器和N6管组成，根据运放的虚断原理可知，运放的输出电压等于运放的正向输入端电压，即：
Vb＝Vc (4)
所述的两个高度匹配的MOS管为N7和P15，调节两个MOS管的尺寸以及考虑二级效应中的体效应，根据VTH的工艺表达公式使得两个管子的工作在饱和区的阈值电压大小一致，即：
VTHN7＝VTHP15 (5)
由于N7管工作在饱和区，所以根据公式(1)流过N7的漏极电流大小为：
对于工作在饱和区的P15管知，
Vc＝Vd+VTHP15 (7)
将公式(3)、(5)和(7)代入(6)中可知：
由P14和P16构成的电流镜镜像流过电阻R2的电流，设置P14和P16的宽长比为：则流过P16的电流，即输出电流大小为：
将公式(9)代入到(8)中可得：
令则：
可以看出所得输出电流等于输入电压开根号后的倍数，可以通过调节电阻 R1、R2以及N7的宽长比和系数k的值，从而控制比例系数K。
在SMIC 0.18um工艺下用Hspice仿真图2的具体原理实现图，设定一个合理宽范围的输入电压[VINL,VINH]，获得如图3所示的仿真结果，得到与输入范围成高度精确关系的平方根电流范围[IOL,IOH]，本发明的原理和具体实现原理图得到验证。
综上所述，本发明利用工作在饱和区MOS的工艺特性，巧妙地消除了非线性项中MOS管阈值电压带来的影响，得到了更为精确的平方根项表达式。同时本发明最为关键的作用在于解决了模拟集成电路中系统模块受困于输入电压直流工作点范围的限制，通过开根号电路能够在不改变输入电压变化趋势的情况下，有效地将宽范围的直流工作点变为窄范围的直流电压工作区间，使系统在所给的直流电压范围内任然能够正常工作，从而避免了系统的直流偏置失真。
本领域技术人员能够容易地知道电路和方法可以在本发明的范围内变化，还应当认识到本发明提供了一种精确的模拟集成领域平方根算术运算方法。因此，尽管详细阐述了具体的原理和实现框图以及一种具体实现原理图，但是本发明覆盖的范围不限于此，相反，本发明覆盖了包含在所附权利要求字面上或根据等同原则范围内的所有方法、框图和具体实现原理图。以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (2)
1.一种平方根项跨导电路，其特征在于，包括：输入电压线性电流模块和开根号电流生成模块；
其中输入电压线性电流模块，用于跟踪输入电压的大小，并且输出与之成比例的电流；
开根号电流生成模块，利用MOS管工作于饱和区的工艺特性，产生一个与输入电压成根号关系的输出电流；
所述的输入电压线性电流模块包括一路基准电流源偏置单元、一个带运放的高输出阻抗单元、一个线性比例电流生成单元；
所述的一路基准电流源偏置单元，包括基准电流源Ib和二极管连接方式的PMOS管P1，用于产生其他支路所需的基准电流；
所述的带运放的高输出阻抗单元，包括一个第一运算放大器和高输出阻抗架构，其中第一运算放大器由PMOS管P2、P3、P4、P5、P6和NMOS管N1、N2、N3、N4构成，其中P5的栅极是第一运算放大器的负输入端，连接到N5的源级，构成负反馈回路；P6的栅极是第一运算放大器的正输入端，其连接输入电压，P2的栅极连接到P1的栅极，形成电流镜，为第一运算放大器工作提供尾电流，同时NMOS管N1和N2、N3和N4、P3和P4构成三个电流镜，整个第一运算放大器是一个一级运放；高输出阻抗架构由第一运算放大器调节N5的栅极得到，通过高增益的运放调节使得N5源级电压变化微小，通过其支路电流更加恒定，提高了N5漏极的输出电阻，从而摆脱N5源级稳定电位受供电电压的影响；
所述的线性比例电流生成单元，由一个负反馈子单元和支路电流生成子单元组成，NMOS管N5的栅极连接前级第一运算放大器的输出端，N5的源级连接电阻R1的一端，电阻的另一端接地，PMOS管P7和P8构成电流镜；负反馈子单元由前面所述的第一运算放大器和NMOS管N5组成，从而使得NMOS管N5的源级a点的电压和输入电压相等；流过电阻R1的支路电流通过电流镜镜像到P8管所在的支路。
2.根据权利要求1所述的平方根项跨导电路，其特征在于，所述的开根号电流生成模块包括一个第二运算放大器、一个开根号数学表达式生成支路；
所述的第二运算放大器，由PMOS管P9、P10、P11、P12、P13和NMOS管N8、N9、N10、N11构成，其中PMOS管P9的栅极连接到P1的栅极构成电流镜，用于产生运放正常工作所需的尾电流，PMOS管P11是放大器的正输入端接到NMOS管N6的栅极，P10的栅极是放大器的负输入端，连接到NMOS管N7的栅级，N8和N10、N9和N11、P12和P13构成三个电流镜，整个第二运算放大器是一个一级运放；由此第二运算放大器、N6和N7构成缓冲器系统，从而使得运放的输出端c点的电压等于N6的栅极b点电压；
所述的开根号数学表达式生成支路，包括NMOS管N7、PMOS管P14、P15、P16以及电阻R2，P15采用二极管连接方式，源级连接到此运放的输出端，电阻R2的一端连接到P15的漏极，另一端连接到地；P14和P15构成电流镜，镜像产生的开根号输出电流。
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