CN109992898A - 一种具有温度补偿功能的对数流转压电路 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种具有温度补偿功能的对数流转压电路,包括对数流转压缓冲单元、正温度系数补偿单元和自加热单元,其中对数流转压缓冲单元设有与基本对数电路相一致的参考电路,且基本对数电路的输出与参考电路的输出之间的差值ΔVbe对应反映温度系数;正温度系数补偿单元设有第一级的压转流电路和第二级的电流镜,并通过外部电阻R2输出电压Vout,正温度系数补偿单元的输入接ΔVbe,且压转流电路中设有相串联的电阻R0和可调电阻R1,调节可调电阻R1的值修正(R1+R0)/R2的温度系数。应用本发明的电路结构设计,完全在片内实现了温度补偿,使得应用该电路的系统可以单芯片集成,且电路的仿真结果显示输出随温度变化更稳定。
Description
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电路设计,尤其涉及一种具有温度补偿功能的对数流转压电路。
背景技术
随着电子应用科技的日新月异,作为硬件基础的顺势发展,其中微电子方面也在不断层出的技术问题中不断突破、发展。在诸多应用系统的微电子设计中,尤其是通信领域发展的光电转换硬件基础上,信号转换后输入微电子系统的通常是动态范围非常大的电流,而为进行进一步的系统运算需要将其转换为电压信号。现有传统方案大都采用运算放大器组合三极管的架构实现I转V的对数信号转换。然而,不同工艺条件下的对数流转压电路中的电子器件通常存在宽范围各异的温度系数,对电路成品性能产生较大的影响,尤其是对数转换的信号随温度变化稳定性较差。
通常,改善此类电路温度补偿,只能依靠片外实现。虽然这样可以实现相对精确的输入、输出的对数特性,但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。
发明内容
本发明的目的旨在提出一种具有温度补偿功能的对数流转压电路,以解决对数信号转换器件的适温稳定性问题。
本发明实现上述目的的技术解决方案是,一种具有温度补偿功能的对数流转压电路,其特征在于包括:对数流转压缓冲单元、正温度系数补偿单元和自加热单元,其中
对数流转压缓冲单元设有与基本对数电路相一致的参考电路,且基本对数电路的输出与参考电路的输出之间的差值ΔVbe对应反映温度系数;
正温度系数补偿单元设有第一级的压转流电路和第二级的电流镜,并通过外部电阻R2输出电压Vout,正温度系数补偿单元的输入接ΔVbe,且压转流电路中设有相串联的电阻R0和可调电阻R1,调节可调电阻R1的值修正(R1+R0)/R2的温度系数。
进一步地,所述基本对数电路由第一运放和输入三极管构成,其中所述第一运放的正极输入端接固定偏置Vbias,所述输入三极管的基极和集电极短接并与输入电流I_input一并接入第一运放的负极输入端,输入三极管的发射极接第一运放的输出端。
进一步地,所述参考电路由第二运放和参考三极管构成,其中所述第二运放的正极输入端接固定偏置Vbias,所述参考三极管与基本对数电路的输入三极管一致化配置及接线,且参考电流I_ref接入第二运放的负极输入端。
进一步地,所述压转流电路由第三运放、NMOS管Mf、电阻R0和可调电阻R1构成,其中第三运放的正极输入端与基本对数电路的输出相接,第三运放的负极输入端与NMOS管Mf的发射极相接并通过两个电阻串接至参考电路的输出,第三运放的输出端接入NMOS管Mf的基极。
进一步地,所述电流镜由共射极相接的PMOS管M0和PMOS管M1构成,且两个PMOS管的共基极与PMOS管M0的集电极汇接至压转流电路中NMOS管Mf的集电极,PMOS管M1的集电极通过电阻R2串接地并输出电压Vout。
进一步地,所述可调电阻R1的调节范围适配电阻R0、电阻R2在制造过程中出现偏差。即确保两个电阻在制造过程中阻值出现偏差时能将(R1+R0)/R2的温度系数按需修正。
进一步地,所述自加热单元一体集成于对数流转压电路的底部,且自加热单元为由接入电源VDD的开关和加热电阻丝构成。
应用本发明的电路结构设计,具备突出的实质性特点和显著的进步性:该对数流转压电路完全在片内实现了温度补偿,使得应用该电路的系统可以单芯片集成,且电路的仿真结果显示输出随温度变化更稳定。
附图说明
图1是本发明对数流转压电路的结构示意图。
具体实施方式
以下便结合实施例附图,对本发明的具体实施方式作进一步的详述,以使本发明技术方案更易于理解、掌握,从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。
本发明设计者针对现有技术对数流转压电路传统结构的不足,综合多年从事本行业之经验,致力于对该电路性能全方位优化寻求突破,满足器件在运行环境下适应温度变化,高效稳定地实现信号转换。
为更具象化地理解,如图1所示的本发明具有温度补偿功能的对数流转压电路之实施例电路结构示意图可见,该对数流转压电路主要包括对数流转压缓冲单元、正温度系数补偿单元和自加热单元三部分,且三部分单元电路通过不同的方式相接配合,实现片内的温度补偿。其各部分的技术概述为对数流转压缓冲单元设有与基本对数电路相一致的参考电路,且基本对数电路的输出与参考电路的输出之间的差值ΔVbe对应反映温度系数,以此跟踪基本对数电路的输出受温度变化的影响程度;正温度系数补偿单元设有第一级的压转流电路和第二级的电流镜,并通过外部电阻R2输出电压Vout,正温度系数补偿单元的输入接ΔVbe,且压转流电路中设有相串联的电阻R0和可调电阻R1,调节可调电阻R1的值对基本对数电路进行温度系数补偿。可调电阻R1的调节范围适配电阻R0、电阻R2在制造过程中出现偏差。即确保两个电阻在制造过程中阻值出现偏差时能将(R1+R0)/R2的温度系数按需修正。例如,通常电阻R0、R2会采用同一材质的电阻,其阻值会同时变化,假设电阻R0取值10k欧姆,制造过程中因工艺偏差导致实际阻值低至8k欧姆,则电阻R1的调节范围需确保电阻R0即使因工艺偏差变为8k欧姆时仍能保证(R1+R0)/R2的温度系数可以被修调至所需温度系数;同理,如果制造过程中因工艺偏差导致实际阻值高至13k欧姆,则电阻R1的调节范围需确保电阻R0即使因工艺偏差变为13k欧姆时仍能保证(R1+R0)/R2的温度系数可以被修调至所需温度系数,电阻R1的调节范围和调节精度应根据电阻R0、R2的最大偏差范围进行计算,以求满足需求。
从进一步的细化特征来看,该基本对数电路由第一运放和输入三极管构成,其中第一运放的正极输入端接固定偏置Vbias,输入三极管的基极和集电极短接并与输入电流I_input一并接入第一运放的负极输入端,输入三极管的发射极接第一运放的输出端,作为基本对数电路的输出VBE_in。
再者可见,该参考电路由第二运放和参考三极管构成,其中第二运放的正极输入端接入与第一运放的正极输入端相一致的固定偏置Vbias,该参考三极管与基本对数电路的输入三极管一致化配置及接线,即也是晋级与集电极短接并与参考电流I_ref一并接入第二运放的负极输入端,参考三极管的发射极接第二运放的输出端,作为参考电路的输出VBE_ref。
上述正温度系数补偿单元的第一级为压转流电路,由第三运放、NMOS管Mf、电阻R0和可调电阻R1构成,主要用于向下一级传递电流并赋予可调节能力,其中第三运放的正极输入端与基本对数电路的输出VBE_in相接,第三运放的负极输入端与NMOS管Mf的发射极相接并通过两个电阻串接至参考电路的输出VBE_ref,第三运放的输出端接入NMOS管Mf的基极。
上述电流镜由共射极相接的PMOS管M0和PMOS管M1构成,且两个PMOS管的共基极与PMOS管M0的集电极汇接至压转流电路中NMOS管Mf的集电极,PMOS管M1的集电极通过电阻R2串接地并输出电压Vout。
结合上述图示和电路结构描述来理论分析,从上述对数流转压缓冲单元的输出来看,两者差值ΔVbe=VBE_in-VBE_ref=A*KT*ln(I_in/I_ref),其中A为电路固定参数,K为波兹曼常数,T为实时温度。从公式上看,ΔVbe具有正温度系数,因此有需要对其温度系数进行补偿。从图示右半部分是正温度系数补偿单元,其输入为ΔVbe,先通过第一级的V2I电路,其电流输出Imir=ΔVbe/(R1+R0);然后再通过PMOS管M0和M1的电流镜在外部电阻R2上形成输出电压Vout。设镜像系数为1,则输出电压为Vout=Imir*R2;公式推导得:Vout=ΔVbe*R2/(R1+R0)=A*KT*ln(I_in/I_ref)*R2/(R1+R0)。
如以上推导公式所示,只需将KT的温度系数和(R1+R0)/R2的温度系数一致化设计,即可实现对数电流转换电压的温度补偿。因此,取电阻R2和电阻R0的温度系数一致,且(R1+R0)/R2温度系数为正温度系数(R1相对R0和R2的温度系数为正),且温度系数可通过电阻R1的值来调节,从而实现不同工艺条件下的温度补偿。虽然调节电阻R1会导致Vout的绝对值会有偏差,但可以通过调节镜像系数或其它比例方式来修正绝对值。
此外,图示可见,前述自加热单元一体集成于对数流转压电路的底部,且自加热单元为由接入电源VDD的开关和加热电阻丝构成;通过开关响应温度补偿的需求快速改变整个电路的温度,从而无需外部温度变化或片外器件实现温度校准。
综上结合图示的实施例详述,应用本发明的电路结构设计,具备突出的实质性特点和显著的进步性:该对数流转压电路完全在片内实现了温度补偿,使得应用该电路的系统可以单芯片集成,且电路的仿真结果显示输出随温度变化更稳定。而且整体校准电路简单、成本较低,对校准设备或者ATE机台要求较低。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内进行修改或者等同变换,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有温度补偿功能的对数流转压电路,其特征在于包括:对数流转压缓冲单元、正温度系数补偿单元和自加热单元,其中
对数流转压缓冲单元设有与基本对数电路相一致的参考电路,且基本对数电路的输出与参考电路的输出之间的差值ΔVbe对应反映温度系数;
正温度系数补偿单元设有第一级的压转流电路和第二级的电流镜,并通过外部电阻R2输出电压Vout,正温度系数补偿单元的输入接ΔVbe,且压转流电路中设有相串联的电阻R0和可调电阻R1,调节可调电阻R1的值修正(R1+R0)/R2的温度系数。
2.根据权利要求1所述具有温度补偿功能的对数流转压电路,其特征在于:所述基本对数电路由第一运放和输入三极管构成,其中所述第一运放的正极输入端接固定偏置Vbias,所述输入三极管的基极和集电极短接并与输入电流I_input一并接入第一运放的负极输入端,输入三极管的发射极接第一运放的输出端。
3.根据权利要求1所述具有温度补偿功能的对数流转压电路,其特征在于:所述参考电路由第二运放和参考三极管构成,其中所述第二运放的正极输入端接固定偏置Vbias,所述参考三极管与基本对数电路的输入三极管一致化配置及接线,且参考电流I_ref接入第二运放的负极输入端。
4.根据权利要求1所述具有温度补偿功能的对数流转压电路,其特征在于:所述压转流电路由第三运放、NMOS管Mf、电阻R0和可调电阻R1构成,其中第三运放的正极输入端与基本对数电路的输出相接,第三运放的负极输入端与NMOS管Mf的发射极相接并通过两个电阻串接至参考电路的输出,第三运放的输出端接入NMOS管Mf的基极。
5.根据权利要求1所述具有温度补偿功能的对数流转压电路,其特征在于:所述电流镜由共射极相接的PMOS管M0和PMOS管M1构成,且两个PMOS管的共基极与PMOS管M0的集电极汇接至压转流电路中NMOS管Mf的集电极,PMOS管M1的集电极通过电阻R2串接地并输出电压Vout。
6.根据权利要求1所述具有温度补偿功能的对数流转压电路,其特征在于:所述可调电阻R1的调节范围适配电阻R0、电阻R2在制造过程中出现偏差。
7.根据权利要求1所述具有温度补偿功能的对数流转压电路,其特征在于:所述自加热单元一体集成于对数流转压电路的底部,且自加热单元为由接入电源VDD的开关和加热电阻丝构成。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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