CN113822086A - 一种新型无二极管绝对值电路 - Google Patents

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CN113822086A CN202111065567.3A CN202111065567A CN113822086A CN 113822086 A CN113822086 A CN 113822086A CN 202111065567 A CN202111065567 A CN 202111065567A CN 113822086 A CN113822086 A CN 113822086A
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虞致国
管其冬
顾晓峰
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Abstract

本发明提供一种新型无二极管绝对值电路，属于集成电路技术领域。所述电路包括：buffer驱动电路模块、比较器模块、反向比例取反电路模块、反相器模块和开关模块；buffer驱动电路模块将输入的电压信号稳定输出；比较器模块判断buffer驱动电路模块输出电压的正负，判断的结果输入反相器模块和开关模块以控制开关的开闭；反相比例取反电路模块将输入的负值电压转化为正值电压，最终的绝对值电压通过开关模块输出。本申请的绝对值电路不包含二极管，采用的电路器件也不会对绝对值电路的精度造成影响，因此本发明在保证电路精度的同时，缩小了电路面积，降低了电路功耗，有利于集成。

Description

一种新型无二极管绝对值电路
技术领域
本发明涉及一种新型无二极管绝对值电路，属于集成电路技术领域。
背景技术
绝对值电路是可以将正负电平转换成完全等比例正值的运算电路，其可应用于逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)的输入电压转换、大规模阵列的读出电路、平均值测量仪以及自动控制等研究方面。
绝对值电路是一种高精确度整流器，和一般整流电路相比，它是利用运算放大器的高增益特性来改善整流精确度的。把整流二极管接在运算放大器的反馈回路中，只要信号发生微小的变化，就能驱使二极管导通或截止。这样，信号在整流二极管死区压降上的损失要比一般整流电路小得多。所以，整个电路能方便地对毫伏信号进行整流，其转换精确度较高，误差仅有0.1％左右。
在单电源电路的信号整流中，小信号的交流整流是日常工作中经常遇到的问题。现有的绝对值电路主要是由两个运算放大器和两个二极管构成，起全波整流器的作用。当输入正电压时，第一个放大器充当一个具有单位增益的反相器，第二个放大器再次对该输出进行反相，以产生一个正输出电压。当输入负电压时，第二个放大器的正输入朝正向移动，达到一个数值为2/3输入的电压，由第二个放大器以3/2的增益对此电压进行放大也将产生一个与输入电压相等的正输出电压。
上述的绝对值电路利用二极管加上运放的半波以及全波整流来输出绝对值电压，有较大的非线性失真，精度随之收到影响；且实际电路中，二极管体积较大，电路面积大，不利于集成；此外，二极管功耗较高，因此造成绝对值电路的功耗较高。
专利CN109002739B提出了一种无二极管绝对值电路，该专利用到了运算放大器以及电流镜拷贝，工作过程中先利用电阻将输入电压转化成输入电流，再利用电流镜拷贝将输入电流拷贝到输出端，形成输出电流，最后再次利用电阻将输出电流转化为输出电压值；在不考虑运算放大器失调以及P型MOS管和N型MOS管沟道长度调制效应的情况下，电流镜拷贝在负载不一样的情况下，MOS管的宽长比即使再大，也会有几十nA电流的误差，从而会导致最终的绝对值电路的电压值精度也会大打折扣。
发明内容
为了进一步提升绝对值电路的精度，同时缩小电路面积，降低功耗，本发明提供了一种新型无二极管绝对值电路，其特征在于，所述无二极管绝对值电路包括：buffer驱动电路模块、比较器模块、反向比例取反电路模块、反相器模块和开关模块；
所述buffer驱动电路模块分别与所述比较器模块、所述反向比例取反电路模块以及所述开关模块连接；所述比较器模块分别与所述buffer驱动电路模块、所述反相器模块以及所述开关模块连接；所述反向比例取反电路模块分别与所述buffer驱动电路模块以及所述开关模块连接；
所述buffer驱动电路模块用于将输入的电压信号稳定输出；所述比较器模块用于判断所述buffer驱动电路模块输出电压的正负，将判断的结果输入所述反相器模块和所述开关模块以控制开关的开闭；所述反相比例取反电路模块将输入的负值电压转化为正值电压，并输入所述开关模块；所述开关模块输出最终电压。
可选的，所述buffer驱动电路模块包括：运算放大器B1；所述运算放大器B1的正输入端接外部输入，负输入端与输出端连接。
可选的，所述反向比例取反电路模块包括：电阻R2、电阻R3、电阻R4和运算放大器B2；
所述电阻R2一端接运算放大器B2的负输入端；所述电阻R3一端接运算放大器B2的负输入端与电阻R2，另一端接运算放大器B2的输出；所述电阻R4一端接运算放大器B2的正输入端，另一端接地。
可选的，所述开关模块包括：开关S1和开关S2；
可选的，所述比较器模块包括：比较器。
可选的，所述反相器模块包括：反相器。
可选的，
所述运算放大器B1的正输入端接外部输入，输出端连接分别连接运算放大器B1的负输入端、所述比较器的正输入端、开关S1、电阻R2；所述比较器正输入端接所述运算放大器B2的输出端，负输入端接地，输出端分别接开关S1和反相器输入端；反相器输入端接比较器输出端，输出端接开关S2；所述电阻R2一端接所述运算放大器B2的输出端，另一端连接运算放大器B2的负输入端和电阻R3；所述电阻R3一端接电阻R2和运算放大器B2的负输入端，另一端接运算放大器B2的输出端和开关S2；电阻R4一端接运算放大器B2的正输入端，另一端接地。
可选的，所述比较器用于比较输入电压信号，根据比较的结果控制开关S1和开关S2的开闭；
输入电压Vin>0：比较器的输出结果为1，开关S1打开，开关S2关闭；
输入电压Vin<0：比较器的输出结果为0，开关S1关闭，开关S2打开。
可选的，当输入的电压为负值时，经过反相比例取反电路模块，将输入的负值按比例转化为正值，其转换公式为：
Figure BDA0003256475940000031
其中，Vin为输入电压，U0为转换后的电压，R2和R3为电阻的阻值。
可选的，所述电路基于CMOS工艺实现。
本发明有益效果是：
通过提供一种新型无二极管绝对值电路，利用比较器模块控制开关的开断以控制电压的输出；本发明的开关采用CMOS动态开关，反相比例取反电路模块利用运算放大器和电阻实现，按照电阻比例来得到最后的输出值，这些器件不会对电路造成精度上的影响；因此本发明不仅克服了传统绝对值电路利用二极管加上运放的半波以及全波整流来输出绝对值电压值导致的非线性失真，精度不高的问题，也克服了现有的无二极管绝对值电路中采用电流镜拷贝而导致的精度不高的问题。
此外，本发明仅仅需要给buffer驱动电路模块以及反相比例取反电路模块提供电流偏置，这两个模块在满足绝对值电路功能的情况下仅仅需要消耗90uW左右的功耗，能够满足低功耗的要求。
因此，本发明的无二极管绝对值电路精度较高、面积小，功耗较低，便于集成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的绝对值电路的结构示意图。
图2为本发明的绝对值电路输入台阶信号图。
图3为本发明的绝对值电路输出电压波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
本实施例提供了一种新型无二极管绝对值电路，所述绝对值电路能够高精度转化所提供的电压值。
如图1所示，所述新型无二极管绝对值电路包括：buffer驱动电路模块、比较器模块、反向比例取反电路模块、反相器模块和开关模块；
buffer驱动电路模块包括：运算放大器B1；
反向比例取反电路模块包括：电阻R2、电阻R3、电阻R4和运算放大器B2；
开关模块包括：开关S1和开关S2；
比较器模块包括：比较器；
反相器模块包括：反相器。
运算放大器B1的正输入端接外部输入，输出端连接分别连接运算放大器B1的负输入端、比较器的正输入端、开关S1、电阻R2；比较器正输入端接运算放大器B2的输出端，负输入端接地，输出端分别接开关S1和反相器输入端；反相器输入端接比较器输出端，输出端接开关S2；电阻R2一端接所述运算放大器B2的输出端，另一端连接运算放大器B2的负输入端和电阻R3；电阻R3一端接电阻R2和运算放大器B2的负输入端，另一端接运算放大器B2的输出端和开关S2；电阻R4一端接运算放大器B2的正输入端，另一端接地。
本发明的工作原理为：buffer驱动电路模块将输入的电压信号稳定输出，比较器判断输入电压为正值或者负值，并输出数字信号0、1结果，以控制开关模块中开关的开闭；经buffer驱动电路模块输出的正值电压直接通过开关模块输出，输出的负值电压先通过反相比例取反电路转化为正值电压，再通过开关模块输出。
本发明提供的无二极管绝对值电路，其具体工作过程如下：
(一)buffer驱动阶段：外部电路输入一个电压值Vin，经过buffer驱动电路模块，该模块使得输出的电压值更加稳定。
(二)信号比较阶段：经过buffer驱动电路模块输出的结果，电压Vin输入给比较器的正输入端，负输入端接地，而比较器的输出端连接着两个开关，其中开关S2输入端连接一个反相器模块，使得两个开关可以输入信号相反的结果，从而确定开关是否打开，供输入的电压输出。根据比较器输出结果，可以分为两种情况：
①Vin>0：比较器的输出结果为1，开关S1打开，开关S2关闭；
②Vin<0：比较器的输出结果为0，开关S1关闭，开关S2打开。
(三)反相比例取反阶段：当输入的电压为负值时，Vin经过反相比例取反电路模块，将输入的负值按比例转化为正值，其转换公式为：
Figure BDA0003256475940000051
其中，Vin为输入电压，U0为转换后的电压，R2和R3为电阻的阻值。
(四)输出检测阶段：根据比较器输出的结果，控制两个开关的关断。当输入比较器的电压为正值时，开关S1打开，直接输出输入的正值电压；当输入比较器的电压为负值时，开关S2打开，负值经过反相比例取反电路，转化为正值，并经过开关S2输出，这样就完成了绝对值电路输出过程。
在进行仿真阶段时，采用台阶式采样信号对电路进行仿真测试，台阶信号如附图2所示；鉴于比较器有复位时间，所以会有部分负值输入电压保持原样，仿真结果如附图3所示。
在进行整体电路仿真时，采用如附图2所示的台阶电压信号，台阶电压信号从-80mV到80mV，每200ns变化一次(变化2mV)；仿真时刻，给比较器的时钟控制为400ns一个周期(比较器在一个周期以内有200ns的比较时间以及200ns的复位时间，复位时间内，比较器不比较，最终的输出结果会与输入值保持一致)。
仿真之后的结果如附图3所示，因为是离散的电压信号，所以在宏观多变量仿真情况下，可以看出，在比较器的比较时间内，最终的输出结果能够在1mV电压内精确达到绝对值电路的效果。
本实施例所搭建的绝对值电路基于CMOS工艺实现，但是，该电路的工艺仿真不仅仅限于CMOS工艺，同样适用于其他工艺环境，电路的功耗为100μW。该电路可应用于SAR ADC的输入电压转换、平均值测量仪表以及自动控制等研究方面。并且本发明能够在1.2V低电源电压下正常工作，满足低压实现的要求。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无二极管绝对值电路，其特征在于，所述绝对值电路包括：buffer驱动电路模块、比较器模块、反向比例取反电路模块、反相器模块和开关模块；
所述buffer驱动电路模块分别与所述比较器模块、所述反向比例取反电路模块以及所述开关模块连接；所述比较器模块分别与所述buffer驱动电路模块、所述反相器模块以及所述开关模块连接；所述反向比例取反电路模块分别与所述buffer驱动电路模块以及所述开关模块连接；
所述buffer驱动电路模块用于将输入的电压信号稳定输出；所述比较器模块用于判断所述buffer驱动电路模块输出电压的正负，将判断的结果输入所述反相器模块和所述开关模块以控制开关的开闭；所述反相比例取反电路模块将输入的负值电压转化为正值电压，并输入所述开关模块；所述开关模块输出最终电压。
2.根据权利要求1所述的无二极管绝对值电路，其特征在于，所述buffer驱动电路模块包括：运算放大器B1；所述运算放大器B1的正输入端接外部输入，负输入端与输出端连接。
3.据权利要求2所述的无二极管绝对值电路，其特征在于，
所述反向比例取反电路模块包括：电阻R2、电阻R3、电阻R4和运算放大器B2；
所述电阻R2一端接运算放大器B2的负输入端；所述电阻R3一端接运算放大器B2的负输入端与电阻R2，另一端接运算放大器B2的输出；所述电阻R4一端接运算放大器B2的正输入端，另一端接地。
4.据权利要求3所述的无二极管绝对值电路，其特征在于，所述开关模块包括：开关S1和开关S2。
5.据权利要求4所述的无二极管绝对值电路，其特征在于，所述比较器模块包括：比较器。
6.据权利要求5所述的无二极管绝对值电路，其特征在于，所述反相器模块包括：反相器。
7.根据权利要求6所述的无二极管绝对值电路，其特征在于，
所述运算放大器B1的正输入端接外部输入，输出端连接分别连接运算放大器B1的负输入端、所述比较器的正输入端、开关S1、电阻R2；所述比较器正输入端接所述运算放大器B2的输出端，负输入端接地，输出端分别接开关S1和反相器输入端；反相器输入端接比较器输出端，输出端接开关S2；所述电阻R2一端接所述运算放大器B2的输出端，另一端连接运算放大器B2的负输入端和电阻R3；所述电阻R3一端接电阻R2和运算放大器B2的负输入端，另一端接运算放大器B2的输出端和开关S2；电阻R4一端接运算放大器B2的正输入端，另一端接地。
8.根据利要求7所述的无二极管绝对值电路，其特征在于，所述比较器用于比较输入电压信号，根据比较的结果控制开关S1和开关S2的开闭；
输入电压Vin>0：比较器的输出结果为1，开关S1打开，开关S2关闭；
输入电压Vin<0：比较器的输出结果为0，开关S1关闭，开关S2打开。
9.根据利要求8所述的无二极管绝对值电路，其特征在于，当输入的电压为负值时，经过反相比例取反电路模块，将输入的负值按比例转化为正值，其转换公式为：
Figure FDA0003256475930000021
其中，Vin为输入电压，U0为转换后的电压，R2和R3为电阻的阻值。
10.根据利要求9所述的无二极管绝对值电路，其特征在于，所述电路基于CMOS工艺实现。
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