CN113778166B - 一种超低功耗的电压微分电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种超低功耗的电压微分电路。本发明的电路克服了传统的微分电路功耗高，误差大的缺点。该微分器可以在超低功耗下实现对三角波信号的微分，这种电路结构相当于直接求出了VIN对时间进行求导后的绝对值，比起利用运算放大器形成的微分运算电路更符合设计要求，且电路比较简单易于实现，无需考虑稳定性方面，适用的输入信号频率更为宽泛。

Description

一种超低功耗的电压微分电路
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种超低功耗的电压微分电路。
背景技术
根据国际半导体技术的发展路线和集成电路的最新进展，物联网智能节点，其中包括可穿戴设备，无线通信以及可植入传感器愈来愈普遍。这些智能节点通常由系统集成芯片构成，其中包括电源管理模块，能量源，信号处理模块，通信模块以及传感器等。对于这类芯片，高效率，小尺寸，低成本是其不断追求的目标，因此全集成、自适应，低成本的电源管理电路在这类物联网智能节点应用是至关重要的一环。而能量采集系统能够收集外部能量，用于系统供电，从而避免更换电池等操作，有利于绿色环保，降低人工成本，并且避免利用电池，有利于系统的小型化发展。因此能量采集电路在这类系统中的应用逐渐受到更多的关注。
常见的能量源有热源，压电振动源，光电源以及射频能量。在上述能量源中，压电振动源的能量密度高，且广泛存在与家庭或工业环境；环境中自带的振荡源其功率密度可以达到几十到几百毫瓦每立方厘米，这足以为物联网智能节点等模块供电，因此是一种较好的选择。此外，能量采集电路的关键技术在于如何实现最大功率点追踪，即如何保证采集的能量能够最大程度地为负载供电，以提高能量效率，其本质都是进行阻抗匹配，实现最大功率点追踪。常见的最大功率点追踪方法有开路电压法，爬坡法，扰动观测法，滑坡控制法，纹波关联法和增量电导法。基于纹波关联法，需要得到对输入电压求导的信息，进行判断输出功率是否为最大值。
传统的无源微分电路，如图1，其更适用于输入信号快速变化的求导，如方波，否则其会引入较大的误差，并不适用于该能量采集应用场景；而采用运算放大器实现的微分电路，如图2，其输出电压为在直流电平上叠加的负微分量，在对微分量进行处理时，需要将该直流信息剔除，否则会影响后续最大功率点判断，此外，运算放大器的引入，不可避免造成功耗的浪费，而在能量采集系统中，会导致输出功率大大减小，因此，上述两种传统的微分电路都受到精度和功耗的限制。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种超低功耗的电压微分电路，在保证输出精度的同时，避免对输出信号进行处理，从而降低电路的复杂度。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种超低功耗的电压微分电路，如图3所示，包括电容、第一偏置电流源I1、第二偏置电流源I2、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管 MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3和第四NMOS管MN4；外部输入接电容的一端，电容的另一端接第一偏置电流源I1的输入端、第四PMOS管MP4的漏极和栅极、第三PMOS管MP3的栅极，第一偏置电流源I1的输出端接地；第二PMOS管 MP2的源极接电源，其栅极和漏极互连，其漏极接第四PMOS管MP4的源极；第一PMOS 管MP1的源极接电源，其栅极接第二PMOS管MP2的漏极，第一PMOS管MP1的漏极接第三PMOS管MP3的源极；第三PMOS管MP3的漏极接第二偏置电流源I2的输入端、第三 NMOS管MN3的漏极和栅极、第四NMOS管MN4的栅极，第二偏置电流源I2的输出端接地；第三NMOS管MN3的源极接第一NMOS管MN1的漏极，第一NMOS管MN1的栅极和漏极互连，其源极接地；第二NMOS管MN2的栅极接第三NMOS管的源极，第二NMOS 管MN2的漏极接第四NMOS管MN4的源极，第二NMOS管MN2的源极接地；第四NMOS 管MN4的漏极接第八PMOS管MP8的漏极；第八PMOS管MP8的栅极和漏极互连，其源极接第六PMOS管MP6的漏极；第六PMOS管MP6的栅极和漏极互连，其源极接电源；第五PMOS管MP5的源极接电源，其栅极接第六PMOS管MP6的漏极；第七PMOS管MP7 的源极接第五PMOS管MP5的漏极，第七PMOS管MP7的栅极接第八PMOS管MP8的漏极，第七PMOS管MP7的漏极为电压微分电路的输出端。
本发明的有益效果为，克服了传统的微分电路功耗高，误差大的缺点。该微分器可以在超低功耗下实现对三角波信号的微分，这种电路结构相当于直接求出了VIN对时间进行求导后的绝对值，比起利用运算放大器形成的微分运算电路更符合设计要求，且电路比较简单易于实现，无需考虑稳定性方面，适用的输入信号频率更为宽泛。
附图说明
图1传统的无源微分电路。
图2传统的运算放大器构成的微分电路。
图3本发明提出的微分电路。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明技术方案进行详细描述：
传统的微分电路如图1所示。为了实现理想的微分器效果，需要让高通频点远高于输入信号变化的频率，否则会使输出信号产生失真，甚至无法正常实现微分器的功能。因此，电阻和电容相对较小。在该能量采集应用中，往往输入电压变化较慢，即输入电压对时间导数也很小，所以较小的电阻电容会导致微分的输出信号太小，使得后续信号处理电路很难处理，故该无源微分器应用场景受限，只能用于输入信号快速变化的场景。
图2为用运算放大器构建的微分电路，相比于图1结构，其电阻电容取值更加宽松，因此，输出信号的幅值能够做大。但在输入信号变化的过程中，其输出变化的快慢会受运算放大器的带宽和摆率的限制，因此，需要消耗额外的功耗来保证微分电压能正常输出。此外，由于采用的是有源微分电路，需要保证运算放大器在微分过程中处于正常的工作状态，否则会退化为无源微分器，因此，需要合理设计输出的共模电平。在本应用中，需要检测的是输入电压的负向微分，所以需要保证输出电压的共模电平足够高，避免运放放大器失效。但在该应用中，后续电路需要处理纯粹的负微分电压，而不希望叠加在共模信号上，这也导致需要额外的电路对输出电压进行处理，提高了功耗和电路复杂度。另外，利用运算放大器构成的微分电路，需要保证闭环系统的稳定性，而这也增加了系统设计的时间成本。
本发明针对以上限制，提出了图3的微分电路。其输入信号通过电容C1以及第二PMOS 管MP2和第四PMOS管MP4构成的有源高通滤波后，将输入电压转换为电流，该电流和第一偏置电流I1叠加后，通过第一PMOS管MP1和第三PMOS管MP3构成的共源共栅电流镜镜像。之后通过第一PMOS管MP1、第三PMOS管MP3、第二偏置电流I2、第三NMOS 管MN3和第一NMOS管MN1构成的电流减法器，将微分电流和第一偏置电流I1的和与第二偏置电流I2电流做差，其差分电流将流入第三NMOS管MN3和第一NMOS管MN1，该电流再经过第二NMOS管MN2和第四NMOS管MN4构成的共源共栅电流镜镜像，即可得到输出电流Iout。在本发明中，通过设计第一偏置电流I1和第二偏置电流I2的大小，让第一偏置电流I1等于第二偏置电流I2，即可使流过第三NMOS管MN3和第一NMOS管MN1的电流为干净的微分电流，用于后续电路处理，实现最大功率点追踪。
综上所述，本发明所提出的微分器本身具有非常低的功耗，并且不需要额外的共模电压抵消电路，具备超低功耗和较高精度的特点，能适用于纹波关联法的最大功率点追踪应用。

Claims (1)

1.一种超低功耗的电压微分电路，其特征在于，包括电容、第一偏置电流源I1、第二偏置电流源I2、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3和第四NMOS管MN4；外部输入接电容的一端，电容的另一端接第一偏置电流源I1的输入端、第四PMOS管MP4的漏极和栅极、第三PMOS管MP3的栅极，第一偏置电流源I1的输出端接地；第二PMOS管MP2的源极接电源，其栅极和漏极互连，其漏极接第四PMOS管MP4的源极；第一PMOS管MP1的源极接电源，其栅极接第二PMOS管MP2的漏极，第一PMOS管MP1 的漏极接第三PMOS管MP3的源极；第三PMOS管MP3的漏极接第二偏置电流源I2的输入端、第三NMOS管MN3的漏极和栅极、第四NMOS管MN4的栅极，第二偏置电流源I2的输出端接地；第三NMOS管MN3的源极接第一NMOS管MN1的漏极，第一NMOS管MN1的栅极和漏极互连，其源极接地；第二NMOS管MN2的栅极接第三NMOS管的源极，第二NMOS管MN2的漏极接第四NMOS管MN4的源极，第二NMOS管MN2的源极接地；第四NMOS管MN4的漏极接第八PMOS管MP8的漏极；第八PMOS管MP8的栅极和漏极互连，其源极接第六PMOS管MP6的漏极；第六PMOS管MP6的栅极和漏极互连，其源极接电源；第五PMOS管MP5的源极接电源，其栅极接第六PMOS管MP6的漏极；第七PMOS管MP7的源极接第五PMOS管MP5的漏极，第七PMOS管MP7的栅极接第八PMOS管MP8的漏极，第七PMOS管MP7的漏极为电压微分电路的输出端。
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