CN117193451A - 高精度绝对值电压输出方法及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高精度绝对值电压输出方法及电路，属于集成电路技术领域。所述电路包括：包括：比较器模块、第一开关模块、运算放大器模块、V‑I转换模块、P型电流镜模块、N型电流镜模块、I‑V转换模块和第二开关模块。本发明利用比较器模块控制开关的开断以控制电压的输出，利用运算放大器以及电流镜，按照MOS管的宽长比和电阻比例来得到最后的输出值；本发明不仅克服了传统二极管绝对值电路的非线性失真，精度不高的问题，也克服了现有的无二极管绝对值电路中面积和功耗大，且在0值附近时误差大的问题，具有精度较高、面积小，功耗较低，便于集成等优势，可广泛应用于大规模阵列的读出电路、音频处理等场景。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度绝对值电压输出方法及电路，属于集成电路技术领域。
背景技术
绝对值电路的作用是将输入信号的绝对值输出。当输入信号包含正负两极性时，绝对值电路将会将这些信号转化为仅包含正极性幅度的输出信号。该电路可以用于信号整形、峰值检测和振幅限制等领域。常见的应用场景包括大规模阵列的读出电路、音频处理、精密测量以及控制系统等。
绝对值电路是一种高精确度整流器，最常见的实现方式是基于二极管的整流电路。通过使用反向偏置二极管，在触发点处隔离输入信号的负半部分并将其削减成零，保留正半部分输出模拟电压信号。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。从而达到产生绝对值的效果
上述绝对值电路存在较大的非线性，精度受其非线性影响较大；并且在实际电路中，二极管体积和功耗较大，这会导致绝对值电路的面积与功耗较高，不利于电路的使用。
专利CN113822086A提出了一种新型无二极管绝对值电路，该专利用到了运算放大器的反向比例取反功能，工作过程中通过比较器判断信号的正负，再利用反向比例取反电路模块将负值信号转化为正值进行输出；在不考虑运算放大器失调及电阻失调的情况下，此电路对运放需求较高，面积和功耗大，且在0值附近时误差大。
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，本发明提供了高精度绝对值电压输出方法及电路，所述技术方案如下：
本发明的第一个目的在于提供一种高精度绝对值电路，包括：比较器模块、第一开关模块、运算放大器模块、V-I转换模块、P型电流镜模块、N型电流镜模块、I-V转换模块和第二开关模块；
所述比较器模块用于判断输入电压信号的正负，并将判断结果用来控制所述第一开关模块和第二开关模块的导通与关断；
所述运算放大器模块与所述第一开关模块连接，所述V-I转换模块与所述运算放大器模块连接，所述运算放大器模块和V-I转换模块用于将负值电压信号转换为电流信号；
所述P型电流镜模块以及N型电流镜模块用于传输转换后的电流信号；所述I-V转换模块用于将电流信号转化为正值电压信号，并输入所述第二开关模块；所述第二开关模块输出最终电压信号。
可选的，所述比较器模块包括：比较器；
所述比较器的正输入端连接外部输入和所述第一开关模块，负输入端接地，输出端分别连接所述第一开关模块和第二开关模块的控制端。
可选的，所述第一开关模块包括：第一开关S1和第二开关S2，所述第一开关S1一端连接外部输入，另一端与所述运算放大器模块；所述第二开关S2一端连接外部输入，另一端输出最终电压信号。
可选的，所述运算放大器模块包括：运算放大器和NMOS管NM1，所述运算放大器的正输入端与所述第一开关S1连接，负输入端与所述V-I转换模块、NMOS管NM1的源极连接，输出端与所述NMOS管NM1的栅极连接。
可选的，所述V-I转换模块包括：第一电阻R1；所述第一电阻R1一端连接第一电平电压V1，另一端连接所述NMOS管NM1的源极。
可选的，所述I-V转换模块包括：第二电阻R2；所述第二电阻R2一端连接NM3漏极；另一端连接第二电平电压V2。
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所述第一开关模块和第二开关模块的导通与关断；
当输入电压Vin>0：所述比较器的输出结果为1，所述第二开关S2导通，所述第一开关S1和第二开关模块关断；
输入电压Vin<0：比较器的输出结果为0，所述第二开关S2关断，所述第一开关S1和第二开关模块导通。
可选的，当输入的电压为负值时，所述电路的输出电压为：
其中，VIN为输入电压；VOUT为转换后的电压；V1，V2分别为所述V-I转换模块与所述I-V转换模块的电平电压；分别为所述P型电流镜模块中两个PMOS管的宽长比，/>分别为所述N型电流镜模块中两个NMOS管的宽长比；R1和R2分别为所述V-I转换模块、所述I-V转换模块中电阻的阻值。
可选的，所述电路基于SMIC 55nmCMOS工艺实现
本发明的第二个目的在于提供一种高精度绝对值电压输出方法，利用上述任一项所述的高精度绝对值电路实现电压绝对值的输出。
本发明有益效果是：
本发明通过提供一种高精度绝对值电压输出方法及电路，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开关，利用运算放大器以及电流镜，按照MOS管的宽长比和电阻比例来得到最后的输出值；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面积和功耗大，且在0值附近时误差大的问题。
因此，本发明的CMOS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输出电压波形图。
图3为本发明的绝对值电路误差图。
图4为本发明的失调电压图。
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：
本实施例提供一种高精度绝对值电路，包括：比较器模块、第一开关模块、运算放大器模块、V-I转换模块、P型电流镜模块、N型电流镜模块、I-V转换模块和第二开关模块；
比较器模块用于判断输入电压信号的正负，并将判断结果用来控制第一开关模块和第二开关模块的导通与关断；
运算放大器模块与第一开关模块连接，V-I转换模块与运算放大器模块连接，运算放大器模块和V-I转换模块用于将负值电压信号转换为电流信号；
P型电流镜模块以及N型电流镜模块用于传输转换后的电流信号；I-V转换模块用于将电流信号转化为正值电压信号，并输入第二开关模块；第二开关模块输出最终电压信号
实施例二：
本实施例提供一种高精度绝对值电路，参见图1，包括：比较器模块，运算放大器模块，V-I转换模块，P型电流镜模块，N型电流镜模块，I-V转换模块和开关模块；
比较器模块包括：比较器；
运算放大器模块包括：运算放大器和NMOS管NM1；
V-I转换模块包括：电阻R1；
P型电流镜模块包括：PMOS管PM1和PMOS管PM2；
N型电流镜模块包括：NMOS管NM2和NMOS管NM3；
I-V转换模块包括：电阻R2；
开关模块包括：开关S1、开关S2、开关S3。
比较器正输入端连接外部输入、开关S1输入端以及开关S2输入端，负输入端连接地，输出端分别连接开关S1控制端、开关S2控制端以及开关S3控制端；运算放大器正输入端连接所述开关S1输出端，负输入端连接NM1源极，输出端连接NM1栅极；V-I转换一端连接电平电压V1，另一端连接NM1源极；P型电流镜PM1漏极连接NM1漏极，PM2漏极连接NM2漏极；N型电流镜NM2漏极连接PM2漏极，NM3漏极连接电阻R2一端；I-V转换一端连接NM3漏极，另一端连接电平电压V2。
本实施例的工作原理为：信号输入比较器的正输入端，通过比较器判断输入电压为正值或负值，并输出信号0，1代表判断结果。通过比较器输出信号控制开关模块中的开关导通或闭合；若输入电压为正值，则直接输出；若输入信号为负值，则电压通过运算放大器、V-I转换模块、P型电流镜、N型电流镜和I-V转换模块转换为正值电压，最后再通过开关模块进行输出。
本实施例提供的高精度绝对值电路，其具体工作过程如下：
(一)信号比较阶段：输入电压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开关S1和开关S2，其中开关S1和开关S2控制信号相反，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导通，开关S2关断；
②Vin<0：比较器的输出结果为0，开关S1关断，开关S2导通。
(二)V-I转换阶段：当输入的电压为负值时，VIN经过运算放大器正输入端，并通过负输入端将电压传到V-I转换模块将电压转换为电流，其转换公式为：
其中，VIN为输入电压，IIN为转换完成电流，V1为V-I转换模块电平信号，R1为电阻阻值。
(三)电流传输阶段：产生的电流信号IIN通过NM1、P型电流镜、N型电流镜，最终传输到I-V转换模块，其传输电流公式为：
其中，IOUT为输出电流，IIN为上一级转换完成电流，分别为PM1和PM2的宽长比，/>分别为NM2和NM3的宽长比。
(四)I-V转换阶段：电流信号IOUT经过I-V转换模块将电流转换为电压，其转换公式为：
其中，VOUT为最终输出电压，IOUT为传输的电流信号，V2为I-V转换的电平电压，R2为电阻阻值。
当V1＝-V2，R1＝R2，时电路可实现绝对值功能，转换公式为：
VOUT＝-VIN
(五)输出检测阶段：根据比较器输出的结果，控制开关S1，开关S2，开关S3的导通与关断。当输入比较器的电压为正值时，开关S2导通，开关S1和开关S3关断，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关断，开关S1和开关S3导通，当负值经过运算放大器、V-I转换模块、P型电流镜、N型电流镜、I-V转换模块，转化为正值，并经过开关S3输出，这样就完成了CMOS绝对值电路输出过程。
在进行仿真阶段时，采用斜坡采样信号对电路进行仿真测试，斜坡电压信号从-800mV到800mV，仿真结果如附图2所示，可以看出本发明实现了将-800mV～0mV的电压转换为800mV～0mV，而原本的0mV～800mV则正常输出，实现了绝对值功能。
本实施例的绝对值电路误差如附图3所示，在工艺角tt，ff，ss，sf，fs，电源电压波动范围为-10％，0，+10％，温度范围为0℃，27℃，80℃，共计45种PVT组合条件下，在-400mV～400mV的电压量程内，误差能够在±1mV内。
本实施例的Monte Carlo仿真结果如附图4所示，取2000个点进行仿真，误差平均值为539uV，在置信水平99.7％即3σ的情况下计算失调电压范围为±4mV。
本实施例所搭建的绝对值电路基于SMIC 55nmCMOS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。并且本实施例能够在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)
1.一种高精度绝对值电路，其特征在于，所述电路包括：比较器模块、第一开关模块、运算放大器模块、V-I转换模块、P型电流镜模块、N型电流镜模块、I-V转换模块和第二开关模块；
所述比较器模块用于判断输入电压信号的正负，并将判断结果用来控制所述第一开关模块和第二开关模块的导通与关断；
所述运算放大器模块与所述第一开关模块连接，所述V-I转换模块与所述运算放大器模块连接，所述运算放大器模块和V-I转换模块用于将负值电压信号转换为电流信号；
所述P型电流镜模块以及N型电流镜模块用于传输转换后的电流信号；所述I-V转换模块用于将电流信号转化为正值电压信号，并输入所述第二开关模块；所述第二开关模块输出最终电压信号。
2.根据权利要求1所述的高精度绝对值电路，其特征在于，所述比较器模块包括：比较器；
所述比较器的正输入端连接外部输入和所述第一开关模块，负输入端接地，输出端分别连接所述第一开关模块和第二开关模块的控制端。
3.根据权利要求2所述的高精度绝对值电路，其特征在于，所述第一开关模块包括：第一开关(S1)和第二开关(S2)，所述第一开关(S1)一端连接外部输入，另一端与所述运算放大器模块；所述第二开关(S2)一端连接外部输入，另一端输出最终电压信号。
4.根据权利要求3所述的高精度绝对值电路，其特征在于，所述运算放大器模块包括：运算放大器和NMOS管(NM1)，所述运算放大器的正输入端与所述第一开关S1连接，负输入端与所述V-I转换模块、NMOS管(NM1)的源极连接，输出端与所述NMOS管(NM1)的栅极连接。
5.根据权利要求4所述的高精度绝对值电路，其特征在于，所述V-I转换模块包括：第一电阻(R1)；所述第一电阻(R1)一端连接第一电平电压V1，另一端连接所述NMOS管(NM1)的源极。
6.根据权利要求4所述的高精度绝对值电路，其特征在于，所述I-V转换模块包括：第二电阻(R2)；所述第二电阻(R2)一端连接NM3漏极；另一端连接第二电平电压V2。
7.根据权利要求4所述的高精度绝对值电路，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所述第一开关模块和第二开关模块的导通与关断；
当输入电压Vin>0：所述比较器的输出结果为1，所述第二开关(S2)导通，所述第一开关(S1)和第二开关模块关断；
输入电压Vin<0：比较器的输出结果为0，所述第二开关(S2)关断，所述第一开关(S1)和第二开关模块导通。
8.根据权利要求4所述的高精度绝对值电路，其特征在于，当输入的电压为负值时，所述电路的输出电压为：
其中，VIN为输入电压；VOUT为转换后的电压；V1，V2分别为所述V-I转换模块与所述I-V转换模块的电平电压；分别为所述P型电流镜模块中两个PMOS管的宽长比，分别为所述N型电流镜模块中两个NMOS管的宽长比；R1和R2分别为所述V-I转换模块、所述I-V转换模块中电阻的阻值。
9.根据权利要求8所述的高精度绝对值电路，其特征在于，所述电路基于SMIC55nmCMOS工艺实现。
10.一种高精度绝对值电压输出方法，其特征在于，所述方法包括：利用权利要求1-9任一项所述的高精度绝对值电路实现电压绝对值的输出。
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