CN109634337A - 一种幅度可调的低温度系数升压电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种幅度可调的低温度系数升压电路，包括运算放大器、含有运放负反馈回路的镜像电路、采样电阻、升压电阻和使能开关；所述的运算放大器的反相输入端用于输入参考电压，所述的运算放大器的同相输入端连接采样电阻后接地；所述的镜像电路的输入端连接运算放大器的输出端，所述的镜像电路的第一输出端连接采样电阻后接地，所述的镜像电路的第二输出端经过使能开关后连接升压电阻；所述的运放负反馈回路用于使镜像电路与采样电阻之间的电压等于参考电压；在所述的使能开关与升压电阻之间设有电压输出端，所述的采样电阻与升压电阻的类型相同。其优点在于：本发明具有幅度可调节、低温度系数和精度高的特点。

Description

一种幅度可调的低温度系数升压电路
技术领域
本发明涉及半导体集成电路领域，具体涉及一种幅度可调的低温度系数升压电路。
背景技术
在处理电压信号中，常常遇到微弱的低压信号或是负电压信号，尤其对于负电压信号，将无法直接将其应用到后面的正电源电压处理电路如比较器中；因此需要对低压信号或负电压信号进行升压处理，以方便后续的信号处理。
对于该类幅度特征尤为重要的信号在升压的同时还应该保留该信号的幅度特征。因此不能对该类信号做固定输出的升压，而要采用等幅度的升压方式，以保留信号的幅度特征。
常用的等幅度升压方式有二极管升压，通过在输入信号串联二极管实现升压，这种升压方式的升压幅度受二极管数量控制，确定后难以改变升压幅度，且难以关闭升压功能；直接采用电阻分压的方式则会消耗大量的功耗，尤其在处理负电压的时候；利用稳定电流源和升压电阻的方式升压，会因为电阻的温度系数和工艺偏差导致升压幅度也随温度和工艺的变化而变化，出现升压幅度不可控的情况；采用MOS管输入的升压转换电路无法用于负电压升压；而电荷泵式和boost升压电路不仅输出固定范围电压，而且无法应用于负输入电压。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种幅度可调的低温度系数升压电路。本发明具有幅度可调节、低温度系数和精度高的优点。
本发明所述的一种幅度可调的低温度系数升压电路，包括运算放大器、含有运放负反馈回路的镜像电路、采样电阻、升压电阻和使能开关；所述的运算放大器的反相输入端用于输入参考电压，所述的运算放大器的同相输入端连接采样电阻后接地；所述的镜像电路的输入端连接运算放大器的输出端，所述的镜像电路的第一输出端连接采样电阻后接地，所述的镜像电路的第二输出端经过使能开关后连接升压电阻；所述的运放负反馈回路用于使镜像电路与采样电阻之间的电压等于参考电压；在所述的使能开关与升压电阻之间设有电压输出端，所述的采样电阻与升压电阻的类型相同。
优选地，所述的镜像电路包括运放负反馈回路、第三场效应管和第四场效应管，所述的运放负反馈回路包括第一场效应管、第二场效应管、第一电阻和第二电阻；
所述的第一场效应管与第三场效应管为共源共栅结构，所述的第一场效应管的栅极连接运算放大器的输出端，所述的第一场效应管的漏极连接第二场效应管的源极，所述的第二场效应管的漏极依次串接第一电阻、第二电阻和采样电阻，所述的第二场效应管的栅极接入在第一电阻与第二电阻之间；
所述的第三场效应管的漏极连接第四场效应管的源极，所述的第四场效应管的漏极连接使能开关，所述的第四场效应管的栅极接入在第一电阻与第二电阻之间。
优选地，所述的使能开关为第五场效应管，所述的第五场效应管的源极连接第四场效应管的漏极，所述的第五场效应管的漏极连接升压电阻，所述的第五场效应管的栅极用于输入使能信号。
优选地，所述的运算放大器的输出端连接电容后接入在第二场效应管和第一电阻之间。
优选地，所述的采样电阻与升压电阻的温度系数相等。
本发明所述的一种幅度可调的低温度系数升压电路，其优点在于，运算放大器及运放负反馈回路使镜像电路与采样电阻R3之间的电压稳定等于参考电压，并通过采样电阻将参考电压转化为升压电流，再通过升压电阻对升压电流进行升压。由于运放负反馈回路的存在，使镜像电路与采样电阻R3之间的电压稳定维持在参考电压的数值，即施加在采样电阻两端的电压稳定等于参考电压，使产生的升压电流的精度高、准确度高。使所述的升压电路的输出电压精度高，满足升压电路对电流精度的高要求。
镜像电路中的场效应管采用共源共栅的连接方式，进一步提高了镜像电路输出的电流精度和准确度，同时，镜像电路输出的信号为随温度变化的电流信号，而非电压信号。
将稳定的电压通过采样电阻转化为与采样电阻温度系数相反的电流，再流经温度系数相等的升压电阻，实现低温度系数的可开关，幅度可调的升压电路。
通过调整输入参考电压，改变共源共栅电流镜MOS管比值，采样电阻,升压电阻的阻值均可实现升压幅度的调整。实现升压幅度的可调节。
附图说明
图1是本发明一种幅度可调的低温度系数升压电路的结构示意图之一；
图2是本发明一种幅度可调的低温度系数升压电路的结构示意图之二；
图3是本发明一种幅度可调的低温度系数升压电路的结构示意图之三。
附图标记说明：1-运算放大器，2-镜像电路，3-使能开关，PM1-第一场效应管，PM2-第二场效应管，PM3-第三场效应管，PM4-第四场效应管，PM5-第五场效应管，R1-第一电阻，R2-第二电阻，R3-采样电阻，R4-升压电阻，C1-电容。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明所述的一种幅度可调的低温度系数升压电路，包括运算放大器1、含有运放负反馈回路的镜像电路2、采样电阻R3、升压电阻R4和使能开关3；所述的运算放大器1的反相输入端用于输入参考电压，所述的运算放大器1的同相输入端连接采样电阻R3后接地；所述的镜像电路2的输入端连接运算放大器1的输出端，所述的镜像电路2的第一输出端连接采样电阻R3后接地，所述的镜像电路2的第二输出端经过使能开关3后连接升压电阻R4；所述的运放负反馈回路用于使镜像电路2与采样电阻R3之间的电压等于参考电压；在所述的使能开关3与升压电阻R4之间设有电压输出端，所述的采样电阻R3与升压电阻R4的类型相同。
所述的镜像电路2包括运放负反馈回路、第三场效应管PM3和第四场效应管PM4，所述的运放负反馈回路包括第一场效应管PM1、第二场效应管PM2、第一电阻R1和第二电阻R2；
所述的第一场效应管PM1与第三场效应管PM3为共源共栅结构，所述的第一场效应管PM1的栅极连接运算放大器1的输出端，所述的第一场效应管PM1的漏极连接第二场效应管PM2的源极，所述的第二场效应管PM2的漏极依次串接第一电阻R1、第二电阻R2和采样电阻R3，所述的第二场效应管PM2的栅极接入在第一电阻R1与第二电阻R2之间；
所述的第三场效应管PM3的漏极连接第四场效应管PM4的源极，所述的第四场效应管PM4的漏极连接使能开关3，所述的第四场效应管PM4的栅极接入在第一电阻R1与第二电阻R2之间。
升压电流由高增益运算放大器1，PMOS管MP1,PM2；电阻R1,R2,R3，电容C1组成。运算放大器的反相输入端接收带隙参考电压Vbg，输出经NM1,PM2,R1,R2负反馈到运算放大器的同相输入端，同时同相输入端经采样电阻R3接地。根据运算放大器的“虚短”“虚断”原则，A点的电位等于Vbg。当A点电压高于Vbg时，vbp升高，导致PM1过驱动电压降低，输出回路电流降低，从而A点电压降低；当A点电压低于Vbg时，vbp降低，PM1过驱动电压升高，输出回路电流升高，从而A点电压升高，因此由于运放负反馈回路的存在，A点的电压可以稳定在Vbg。
其中电阻R1,电容C1用于运放负反馈回路的相位补偿，使电路的相位裕度可以实现负反馈的正常工作，不致输出振荡，增强稳定性。
采样电阻R3将输出的A点固定电压转化为电流，该电流温度系数受采样电阻R3的影响，与R3的温度系数相反，叠加之后相互抵消。该电流将用于对输入电压的升压，为保证升压的精度，采用了共源共栅电流镜做电流镜象。PMOS管PM1与PM3为共源共栅结构，PM1连接PM2后与PM3、PM4构成共源共栅电流镜，将产生的升压电流镜象输出至升压电阻R4处。
高增益的运算放大器1组成的稳压电路与常用稳压电路不同之处在于接地采样电阻选用类型要求与升压电阻一致，在保证稳压的同时，使得流过的电流的温度系数与电阻的相反。且反馈回路的MOS管采用共源共栅的形式，使得输出电流更准确，精度更高，以满足升压电路对电流精度的高要求，该电路最后得到的有用信号是随温度变化的电流信号，而不是恒定的电压信号。
使能开关3为第五场效应管PM5，所述的第五场效应管PM5的源极连接第四场效应管PM4的漏极，所述的第五场效应管PM5的漏极连接升压电阻R4，所述的第五场效应管PM5的栅极用于输入使能信号。
当en为高时，PM5关断，升压电阻R4无偏置电流通过，电阻R4上无压降产生，电路不进行升压，输出电压等于输入电压；当en为低时，PM5开启，升压电流流过升压电阻R4，在R4上产生压降，对输入电压进行升压。因此可通过控制PM5管的导通，根据实际应用情况控制升压模块的工作。
电阻R4为升压电阻，需要与R3类型一致，保证它们的温度系数和工艺偏差一致，因为升压电流温度系数与电阻相反，从而实现极低的温度系数升压功能：
式中，TC3,TC4为R3,R4的温度系数，K为电流镜W/L的比值。
本发明通过利用高增益的运算放大器1负反馈组成稳压电路，将稳定的电压转化为与电阻温度系数相反的电流，再流经该温度系数的电阻，实现低温度系数的可开关，幅度可调的升压电路。
通过调整输入参考电压vbg，改变共源共栅电流镜MOS管比值，电阻R3,R4的值均可实现升压幅度的调整。
En为高电平时，PM5管关闭，升压电阻R4无偏置电流通过，电阻R4上无压降产生，电路不进行升压，输出电压等于输入电压；
En为低电平时。可取PM1,PM2,PM3,PM4相同宽长比，R3＝R4且电阻类型必须一致，R1,C1补偿负反馈环路相位裕度至合适值。
由于稳定的运放负反馈回路作用，和运算放大器输入端的“虚短”“虚断”，A点电位保持在Vbg。运放负反馈回路的输出电流即流过R3的电流为,通过比例为1：1电流镜镜象，升压电流流过升压电阻R3，升压结果为：
考虑电阻的温度系数，且R3,R4阻值相同，电阻温度系数相同，得到升压结果：
由此，设定1比1电流镜以及R3,R4阻值、类型一致，可实现升压幅度为vbg的低温度系数低可用于负电压的升压功能。
幅度调整示例
如图3所示，可以依次并接多个与PM3、PM4、PM5具有相同连接结构的分电路达到图3所示的电路结构。
可通过使能开关en1,en2,en3的开闭调整升压模块的升压电流，实现升压幅度的可调。除此之外，还可通过调整升压电阻R4,输入参考电压Vbg等方式实现升压幅度的调整。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种幅度可调的低温度系数升压电路，其特征在于，包括运算放大器(1)、含有运放负反馈回路的镜像电路(2)、采样电阻R3、升压电阻R4和使能开关(3)；所述的运算放大器(1)的反相输入端用于输入参考电压，所述的运算放大器(1)的同相输入端连接采样电阻R3后接地；所述的镜像电路(2)的输入端连接运算放大器(1)的输出端，所述的镜像电路(2)的第一输出端连接采样电阻R3后接地，所述的镜像电路(2)的第二输出端经过使能开关(3)后连接升压电阻R4；所述的运放负反馈回路用于使镜像电路(2)与采样电阻R3之间的电压等于参考电压；在所述的使能开关(3)与升压电阻R4之间设有电压输出端，所述的采样电阻R3与升压电阻R4的类型相同。
2.根据权利要求1所述一种幅度可调的低温度系数升压电路，其特征在于，所述的镜像电路(2)包括运放负反馈回路、第三场效应管PM3和第四场效应管PM4，所述的运放负反馈回路包括第一场效应管PM1、第二场效应管PM2、第一电阻R1和第二电阻R2；
所述的第一场效应管PM1与第三场效应管PM3为共源共栅结构，所述的第一场效应管PM1的栅极连接运算放大器(1)的输出端，所述的第一场效应管PM1的漏极连接第二场效应管PM2的源极，所述的第二场效应管PM2的漏极依次串接第一电阻R1、第二电阻R2和采样电阻R3，所述的第二场效应管PM2的栅极接入在第一电阻R1与第二电阻R2之间；
所述的第三场效应管PM3的漏极连接第四场效应管PM4的源极，所述的第四场效应管PM4的漏极连接使能开关(3)，所述的第四场效应管PM4的栅极接入在第一电阻R1与第二电阻R2之间。
3.根据权利要求2所述一种幅度可调的低温度系数升压电路，其特征在于，所述的使能开关(3)为第五场效应管PM5，所述的第五场效应管PM5的源极连接第四场效应管PM4的漏极，所述的第五场效应管PM5的漏极连接升压电阻R4，所述的第五场效应管PM5的栅极用于输入使能信号。
4.根据权利要求3所述一种幅度可调的低温度系数升压电路，其特征在于，所述的运算放大器(1)的输出端连接电容C1后接入在第二场效应管PM2和第一电阻R1之间。
5.根据权利要求4所述一种幅度可调的低温度系数升压电路，其特征在于，所述的采样电阻R3与升压电阻R4的温度系数相等。
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