CN1140810C - 集成电路全波电平检测器 - Google Patents

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Abstract

一种温度稳定的集成电路全波电平检测器包括单独一级运算放大器的设计方案，它无需象已有技术实施方案中那样有两个运算放大器和其后的比较器，两个运算放大器用来对一输入交流(“AC”)信号执行全波整流功能，比较器用来检测所得到的信号电平。本发明的全波电平检测器仅采用单独一个放大器和一些额外的外围元件，这使集成电路(“IC”)实施方案中的芯片面积得到节约，同时还表现出良好的温度稳定特性。

Description

集成电路全波电平检测器
本发明一般涉及非线性集成电路(“IC”)器件领域。更具体地说，本发明涉及一种温度稳定集成电路电平检测器，该检测器包括单个运算放大器级，它无需对交流(“AC”)输入信号进行全波整流，或者无需一检测所产生信号电平的比较器。
全波电平检测器的常规方案利用一对串联耦合的运算放大器对AC输入信号进行全波整流。这些全波整流电路的典型实例为Frederickson，T.M.所著的Intuitive Op Amps(直观运算放大器)，p.213、Analog Devices(模拟器件)，1976中Sheingold，D.H.所著的Nonlinear Circuits Handbook(非线性电路手册)，pp.132-134、Analog Devices(模拟器件)，1991的Mixed SignalDesign Seminar(混和信号设计研讨会)中“Linear and Non-LinearAnalog Signal Processing(线性与非线性模拟信号处理)”中所述的那些电路。
在一个传统的全波电平检测器中，这样一种全波整流电路的输出随后施加到一比较器的一个输入端，该比较器的另一输入端接一预定参考电压电平。众所周知，比较器是有两个稳定输出状态的器件，在这种情况下，当来自全波整流电路的输入电压已经超过参考电压值所确定的阈值电压时，该比较器用来提供一预定信号输出电平。尽管用两个这样的运算放大器和单独一个比较器一起实现了全波电平检测器的功能，不过，对最初的全波整流步骤的需求要求使用不希望有的大量电路元件，这么大量的电路元件伴随而来的是需要在集成电路的实施中占据较大的芯片上的芯片面积。此外，由于这种电路的功能和设计方案的缘故，在可能的集成电路器件工作温度的至少一部分范围上显现出欠佳的温度稳定性。
这里公开了一种全波电平检测器，它无需象已有技术实施方案中那样有两个运算放大器和其后的比较器，两个运算放大器用来对一输入交流信号执行全波整流功能，比较器用来检测所得到的信号电平。本发明的全波电平检测器仅采用单独一个放大器和一些额外的外围元件，这使集成电路实施方案中宝贵的芯片面积得到节约，同时还表现出良好的温度稳定特性。
更具体地，这里公开了一种全波电平检测器，该检测器具有接收输入信号的输入节点和提供相应输出信号的输出节点。该检测器包括：一放大器，它通过其输入端上的第一电阻(R1)接收输入信号；第一开关器件和第二开关器件，其控制端接至放大器的输入端；第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)，它们接至放大器的输出端，第二电阻接至放大器的输入端，第三电阻和第四电阻分别接至第一开关器件和第二开关器件的第一载流端。该检测器还包括：第一电流镜，其第一管脚和第二管脚分别将第一开关器件和第二开关器件中每个的第二载流端接至第一供电电压源，第二开关器件的第二载流端限定了一个电路节点。第二电流镜具有第一管脚和第二管脚，其第一管脚将第二供电电压源接至电路节点；而第三电流镜的第一管脚和第二管脚分别通过第五电阻(R5)接至一参考电压源，且其第二管脚接至所述第二电流镜的第二管脚。一输出驱动器将电路节点接至输出节点。
参照结合附图对一优选实施例所作的以下描述，本发明的前述和其他特征与目的以及实现它们的方式将变得更清楚，而且本发明也将得到最好的理解：
图1是一传统全波电平检测电路的功能性方框和示意性说明图，该电路最少需要两个运算放大器和一个比较器来提供必要的功能；
图2是根据本发明一个实施例的全波电平检测器的功能性方框和示意性说明图，该检测器仅需要单独一个放大器和一些外围元件以提供所需功能；
图3示出幅值为0.6伏的典型输入信号波形，该信号用来输入给图2中有0.5伏预定检测电平的全波电平检测器，该检测器的参考电压VREF设定到1.25伏；
图4是图3的输入信号施加给图2的全波电平检测器时该检测器的典型输出信号波形。
参见图1，图中示出一传统的全波电平检测电路10。确切地说，该全波电平检测电路10包括一全波整流器，该全波整流器包括运算(“OP”)放大器12和14，运算放大器12和14向比较器16提供全波整流输出信号。输入节点18接收基本上为正弦的输入信号，该输入信号通过电阻20(“R1”)施加给放大器12的反相输入端。节点22上放大器12的输出端通过二极管24(“D1”)回接至其反相输入端，二极管24的正极接至节点22而其负极接至放大器12的反相输入端。
节点22上放大器12的输出端接至另一二极管26(“D2”)的负极，二极管26的正极定为节点28(节点“A”)，节点28还通过电阻30(“R2”)回接至放大器12的反相输入端。二极管26正极上的节点28通过电阻32接至另一放大器14的反相输入端。两个放大器12和14的同相输入端都接至电路的地。放大器14的反相输入端通过电阻34(“R3”)接至输入节点18，而节点36上放大器14的输出端通过电阻38(“R5”)回接至其反相输入端。如图所示，放大器14的输出供给比较器16的正输入端，比较器16的负输入端接至一参考电压源(“VREF”)。比较器16的输出端定为输出节点40。
工作时，各种电阻的值可以定义为：
(1)R1＝R2＝R3＝R5＝R，R4＝R/2
当输入节点18处的输入信号经受正电压转变时，二极管D1受到反相偏置“截止”而二极管D2受到正向偏置“导通”。因此，节点36(节点“B”)的输出信号为：
(2)VB＝Vin[(-R2/R1)(-R5/R4)+(-R5/R3)]＝Vin
另一方面，当输入节点18处的输入信号经受负电压转变时，二极管D1受到正向偏置“导通”而二极管D2受到反相偏置“截止”。因此，节点36上的信号为：
(3)VB＝Vin(-R5/R3)＝-Vin
经过输入节点18上输入信号的一个完整周期，节点B处的电压则为：
(4)VB＝|Vin|
接至节点36上放大器14输出端的比较器16用来将其输入端处的电压VB与VREF作比较，其中电压VREF是传统全波电平检测电路10的预定电压电平。
另外参见图2，图中示出根据本发明的全波电平检测器100。该全波电平检测器100仅包括如图所示的单独一个放大器102以及一些附加的外围元件，这些元件构成一个较简单的电路设计方案，该方案采用的元件比图1中的传统全波电平检测器10少，而它还能在整个温度范围内提供良好的工作稳定性。
全波电平检测器100有一输入节点104，输入节点104用来接收例如基本上为正弦的输入信号，该输入信号通过电阻106(“R1”)施加给放大器102的反相输入端。如图所示，放大器102的同相输入端可以接至电路的地。节点108上放大器102的输出端通过电阻110(“R2”)回接至其反相输入端，并且还通过电阻112(“R3”)接至PNP晶体管116(“Q1”)的发射极，以及通过电阻114(“R4”)接至NPN晶体管118(“Q2”)的发射极。晶体管116和118的基极端接至放大器102的反相输入端，而它们各自的集电极端耦合到电流镜120的一侧，电流镜120又耦合到一供电电压源VSS。流过电阻112的电流(“IE1”)和流过电阻114的相应电流(“IE2”)分别沿箭头所指示的方向。
(包括NPN晶体管Q5和Q6的)附加电流镜122的一个输入端通过电阻124(“R5”)接收参考电压(“VREF”)，而另一输入端通过另一电流镜132的一个管脚耦合，电流镜132包括PNP晶体管126和128，晶体管126和128各自的发射极接至供电电压源VCC。在图示包括达林顿晶体管对(包括PNP晶体管Q3和Q4)的实施例中，晶体管128的集电极端定为节点130，节点130接至晶体管118的集电极端以及输出驱动电路138的基极端。流过节点130上晶体管128的电流(“I0”)沿图示方向，即集电极电流(“I1”)流入耦合到其上的电流镜120的晶体管中。
在输出节点136处取全波电平检测器100的输出，输出节点136通过电阻134(“R6”)接至VCC，并且通过达林顿晶体管对输出驱动电路138接至VSS。如图所示，将电阻112、114和124的阻值选为相等。
那么，工作时，流过电阻R5的电流可以定义为：
(5)IR5＝(VREF-VBE)/R5
该电流被镜象为节点130上的电流I0。
放大器102和电阻106与110(R1与R2)构成一个传统的反相放大器。在来自晶体管116和118(Q1和Q2)的等效阻抗比电阻110(R2)的阻抗大得多的情况下，则电阻R2两端的电压可以定义为：
(6)VR2＝-Vin(R2/R1)
若电压VR2较小，则晶体管116和118(Q1和Q2)不“导通”。事实上，仅当|VR2|大于VBE时，晶体管116和118(Q1或Q2)才“导通”。此时，若VR2-VBE＞0，则晶体管116(Q1)“导通”。另一方面，若-VR2-VBE＞0，则晶体管118(Q2)“导通”。因此，电阻110(R2)两端的电压可以由下式表示：
(7)VR2＝VBE+IE1R5
或者
(8)VR2＝-VBE-IE2R4
电流IE1或者IE2本身 引入电流I1。当I1＞I0时，会有额外的电流供给达林顿晶体管对136(Q3和Q4)的基极，并且它能使输出节点136处的输出改变状态。
当I0＝I1时，R2两端的电压为：
(9)VR2＝VBE+I0R3
或者
(10)VR2＝-VBE-I0R4
电流I0为：
(11)I0＝IR5＝(VREF-VBE)/R5
根据该式可知：
(12)VBE＝VREF-I0R5
将式12代入式9和10，得到：
(13)VR2＝VREF+I0(R3-R5)
或者
(14)VR2＝-VREF-I0(R4-R5)
如前所述，若将电阻112、114和124选为R3＝R4＝R5，则得到：
(15)|VR2|＝VREF
那么当|VR2|＜VREF时，没有额外的电流提供给达林顿晶体管138，使输出节点136上的电平变为“高”。但是，若|VR2|＞VREF，则额外的电流将驱动达林顿晶体管对138以便使输出变为“低”电平状态。
换句话说，由于|VR2|＝|Vin|(R2/R1)，所以：
(16)当|Vin|＜(R1/R2)VREF时，输出为“高”；而
(17)当|Vin|＞(R1/R2)VREF时，输出为“低”。
由于(R1/R2)VREF的值不受温度变化的影响，VREF是优选实施例中的带隙电压，所以本发明的全波电平检测器100也在一个宽的温度范围内表现出良好的工作稳定性。
另外参见图3，图中以电压与时间的关系曲线表示出可以加到图2全波电平检测器100的输入节点104(“VIN”)上的模拟的输入信号波形。该输入信号基本上是幅值为+/-0.6伏的正弦波。预定检测电平设定在0.5伏，参考电压VREF设定为1.25伏。如下选择电阻值：R1＝2K欧姆；R2＝5K欧姆；R3＝R4＝R5＝10K欧姆；VCC＝+5伏，VSS＝-5伏。
另外参见图4，图中示出响应于图3中输入信号的输出信号波形，该信号波形取自图2中全波电平检测器100的输出节点136。该输出信号波形表示为电压关于时间的曲线，它将输出节点136处的电压电平(“VOUT”)表示为在5.0伏和0.9伏左右的电平间变化，同时表现出其间极快的上升和下降时间。
尽管以上已经结合一个采用双极晶体管的具体电路实施方案描述了本发明的原理，不过可以清楚理解的是，仅仅是利用实例来进行前述说明，而前述说明并不作为对本发明范围的限定，本发明还可以以其他类似的方式来实现，这些方式包括可以采用MOS晶体管的方式。尤其是，可知，前面公开的内容的教导向相关领域中那些技术人员暗示有其他的修改方案。这些修改方案可以包括本身已为公众所知的其他特征，这些其他特征可以用来代替这里所述的特征或者在这些特征之外附加。虽然本申请中已将各权利要求表述为各个特征的具体结合，但是应理解的是，这里所公开内容的范围还包括对相关领域的普通技术人员来说很明显的任意新颖特征或者直接或暗含地公开的任意新颖特征的组合，或者这些特征的推广或修改，这不论它是否涉及当前在任何权利要求中所述的同一发明，也不论它是否缓解了本发明所面临的任何或全部同样的技术问题。据此，在本申请或者由此所引出的任何其他申请的执行期间，申请人保留将新的权利要求表述为这些特征和/或这些特征的组合的权利。

Claims (18)

1.一种全波电平检测器，具有接收输入信号的输入节点和提供相应输出信号的输出节点，所述检测器包括：
一放大器，它通过其反相输入端上的第一电阻(R1)接收所述输入信号；
第一开关器件和第二开关器件，它们的控制端都接至所述放大器的反相输入端；
第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)，它们都接至所述放大器的输出端，所述第二电阻接至所述放大器的反相输入端，所述第三电阻和第四电阻分别接至所述第一开关器件和所述第二开关器件的第一载流端；
第一电流镜，其第一管脚和第二管脚分别将所述第一开关器件和第二开关器件中每个的第二载流端接至第一供电电压源，所述第二开关器件的所述第二载流端定为一个电路节点；
第二电流镜，具有第一管脚和第二管脚，其所述第一管脚将第二供电电压源接至所述电路节点；
第三电流镜，其第一管脚通过第五电阻(R5)接至一参考电压源，其第二管脚接至所述第二电流镜的所述第二管脚；和
一输出驱动器，它将所述电路节点接至所述输出节点，其中当上述输入信号的绝对值小于所述参考电压的R1/R2倍时，所述输出信号是在第一逻辑电平，且当上述输入信号的绝对值大于所述参考电压的R1/R2倍时，所述输出信号是在第二逻辑电平。
2.根据权利要求1的全波电平检测器，其中所述放大器包括一运算放大器。
3.根据权利要求2的全波电平检测器，其中所述输入端包括所述运算放大器的反相输入端。
4.根据权利要求3的全波电平检测器，其中所述运算放大器还包括同相输入端，所述同相输入端接至一电路地电位。
5.根据权利要求1的全波电平检测器，其中所述第一开关器件和第二开关器件包括双极晶体管。
6.根据权利要求1的全波电平检测器，其中所述第一开关器件和第二开关器件分别包括PNP晶体管和NPN晶体管。
7.根据权利要求1的全波电平检测器，其中所述第一开关器件和第二开关器件的所述第一载流端包括发射极端。
8.根据权利要求1的全波电平检测器，其中所述第一电流镜包括一对NPN晶体管，该对NPN晶体管将所述第一开关器件和第二开关器件的集电极端接至所述第一供电电压源。
9.根据权利要求1的全波电平检测器，其中所述第二电流镜包括一对PNP晶体管。
10.根据权利要求1的全波电平检测器，其中所述第三电流镜包括一对NPN晶体管。
11.根据权利要求1的全波电平检测器，其中所述输出驱动器包括达林顿晶体管对，该达林顿晶体管对的控制端接至所述电路节点，其第一载流端接至所述输出节点，第二载流端接至电路地电位。
12.根据权利要求11的全波电平检测器，其中所述输出驱动器还包括第六电阻(R6)，第六电阻将所述输出节点接至所述第二供电电压源。
13.根据权利要求1的全波电平检测器，其中所述第三电阻、第四电阻和第五电阻具有相同的阻值。
14.根据权利要求13的全波电平检测器，其中第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、和第五电阻(R5)为10K欧姆。
15.根据权利要求1的全波电平检测器，其中第一电阻(R1)为2K欧姆，第二电阻(R2)为5K欧姆。
16.根据权利要求1的全波电平检测器，其中所述第一供电电压源为-5.0伏。
17.根据权利要求1的全波电平检测器，其中所述第二供电电压源为+5.0伏。
18.根据权利要求1的全波电平检测器，其中所述参考电压源为1.25伏。
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