專利名稱：基于電壓反饋開(kāi)關(guān)電容的折線段擬合電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及折線段擬合的電路，可用于模擬集成電路的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)字集成電路與模擬集成電路的發(fā)展，混合信號(hào)集成電路結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、功能更健全的系統(tǒng)集成。而系統(tǒng)復(fù)雜度的提高對(duì)參考源提出了多樣化的要求，如對(duì)數(shù)參考源在基于對(duì)數(shù)函數(shù)的信息壓縮技術(shù)中有特定的用途；作為常用參考源之一的鋸齒波信號(hào)源通常應(yīng)用于脈寬調(diào)制(PWM)模式下的直流變直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器恒壓環(huán)路中；同時(shí)還有其它特殊形式的函數(shù)參考源以滿足特定應(yīng)用場(chǎng)合的需要。以對(duì)數(shù)參考源為例，關(guān)于對(duì)數(shù)函數(shù)的電路實(shí)現(xiàn)，其使人聯(lián)想到模擬電路中由二極管或三極管與運(yùn)算放大器構(gòu)成的負(fù)反饋電路，如圖1所示。鑒于二極管或三極管的I-V特性受溫度的影響較大， 以這種電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的對(duì)數(shù)參考源必然存在不同溫度條件下輸出參考值的漂移問(wèn)題。如果引入相應(yīng)的溫度補(bǔ)償電路，雖然在一定范圍內(nèi)能對(duì)輸出精度起調(diào)節(jié)作用，但同時(shí)提高了集成電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，并增加了電路調(diào)試的難度。為了簡(jiǎn)化參考源的設(shè)計(jì)，在模擬集成電路中存在基于開(kāi)關(guān)電容技術(shù)的折線段擬合方法。如圖2所示，該方法采用開(kāi)關(guān)電容電路并通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換頻率的大小而改變單位時(shí)間內(nèi)電荷的轉(zhuǎn)移數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)折線段斜率的頻率可控。采用開(kāi)關(guān)電容技術(shù)使得折線段的斜率與兩電容的比值有關(guān)，保證了設(shè)計(jì)精度；其次，開(kāi)關(guān)電容技術(shù)避免了對(duì)溫度敏感的二極管或三極管的使用，具有較好的溫度特性。但是基于開(kāi)關(guān)電容技術(shù)的折線段擬合電路存在其固有的缺點(diǎn)折線段的斜率不僅與轉(zhuǎn)換頻率的大小有關(guān)，同時(shí)還取決于開(kāi)關(guān)電容電路中兩電容之間的電壓差。實(shí)際應(yīng)用中，隨著電荷轉(zhuǎn)移次數(shù)的增多，該電壓差逐漸減少，從而導(dǎo)致折線段的斜率在一定的轉(zhuǎn)換頻率下呈現(xiàn)非線性，并進(jìn)一步影響到折線段逼近的擬合度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有基于開(kāi)關(guān)電容的折線段擬合電路的不足，提出一種基于電壓反饋開(kāi)關(guān)電容的折線段擬合電路，通過(guò)引入電壓反饋保證開(kāi)關(guān)電容電路中兩個(gè)電容之間的電壓差恒定，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換頻率線性調(diào)控轉(zhuǎn)移電荷積累的變化率，提高折線段逼近理想對(duì)數(shù)函數(shù)的擬合度，降低折線段擬合參考源電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括開(kāi)關(guān)電容電路、運(yùn)算放大器OP的負(fù)反饋回路和電流鏡加法器，其中運(yùn)算放大器OP的負(fù)反饋回路，包括NMOS晶體管m、反饋電阻R1和運(yùn)算放大器0P， NMOS晶體管m的漏極連接到電流鏡加法器中PMOS晶體管Pl的漏極，NMOS晶體管m的源極與反饋電阻R1的一端并聯(lián)連接到運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端，NMOS晶體管m的柵極連接到運(yùn)算放大器OP的輸出端，運(yùn)算放大器OP的正輸入端與開(kāi)關(guān)電容電路中的第二電容C2連接；反饋電阻R1上產(chǎn)生的電壓反饋到運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端，并驅(qū)動(dòng)NMOS晶體管m的柵極以調(diào)整流過(guò)反饋電阻R1的電流，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器OP正、負(fù)輸入端的虛短特性。 電流鏡加法器，包括四個(gè)PMOS晶體管P1、P2、P3和P4，恒流源Iref和轉(zhuǎn)換電阻R2, PMOS晶體管P2和P3的漏極與轉(zhuǎn)換電阻R2的一端并聯(lián)連接，PMOS晶體管P4的漏極連接到恒流源Iref的輸出端，PMOS晶體管Pl和P2構(gòu)成1 1的電流鏡，PMOS晶體管P3和P4也構(gòu)成1 1的電流鏡，兩電流鏡的兩支鏡像電流相互疊加并匯流于轉(zhuǎn)換電阻&，完成電流加法運(yùn)算，該電流和在轉(zhuǎn)換電阻R2上產(chǎn)生的電壓反饋到開(kāi)關(guān)電容電路的輸入端VH，以保證開(kāi)關(guān)電容電路中第一電容C1和第二電容C2的電壓差恒定。所述的開(kāi)關(guān)電容電路，包括第一電容C1、第二電容C2、第一開(kāi)關(guān)K1、第二開(kāi)關(guān)K2和第三開(kāi)關(guān)K3，第一開(kāi)關(guān)Kl連接在開(kāi)關(guān)電容電路的初始電壓輸入端VL與第二電容C2之間， 第二開(kāi)關(guān)K2連接在第一電容C1與在第二電容C2之間，第三開(kāi)關(guān)K3連接在開(kāi)關(guān)電容電路的輸入電壓VH與第一電容C1之間；第一開(kāi)關(guān)Kl斷開(kāi)后，第二開(kāi)關(guān)K2和第三開(kāi)關(guān)K3輪流導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電荷從第一電容C1到第二電容C2的轉(zhuǎn)移。所述的NMOS晶體管m為N型場(chǎng)效應(yīng)管，PMOS晶體管P1、P2、P3和P4為P型場(chǎng)效應(yīng)管，這些場(chǎng)效應(yīng)管的寬長(zhǎng)比滿足運(yùn)算放大器OP線性輸出范圍的指標(biāo)要求。所述的反饋電阻R1和轉(zhuǎn)換電阻R2的阻值，以及恒流源Iref的輸出電流I2，滿足R1 = R2, I2 · R2 = Δν，其中Δ V為開(kāi)關(guān)電容電路中第一電容C1和第二電容C2之間所設(shè)定的電壓差。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明的電路包括了無(wú)源器件中的電阻和電容，以及有源器件中的N型、P型場(chǎng)效應(yīng)管，而不涉及二極管或三極管的使用，相比由二極管或三極管與運(yùn)算放大器構(gòu)成的參考源電路，本發(fā)明基于電壓反饋開(kāi)關(guān)電容的折線段擬合電路具有較好的溫度特性，因此，省略了溫度補(bǔ)償電路，從而簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)；2.本發(fā)明利用運(yùn)算放大器的負(fù)反饋回路和電流鏡加法器，通過(guò)引入電壓反饋保證開(kāi)關(guān)電容電路中兩個(gè)電容之間的電壓差恒定，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換頻率線性調(diào)控轉(zhuǎn)移電荷積累的變化率，提高折線段逼近理想對(duì)數(shù)函數(shù)的擬合度，降低折線段擬合參考源電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。


圖1為現(xiàn)有三極管與運(yùn)算放大器構(gòu)成的負(fù)反饋對(duì)數(shù)電路圖；圖2為現(xiàn)有開(kāi)關(guān)電容電路圖；圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖4為本發(fā)明的電路原理圖；圖5為用本發(fā)明得到的第一電容C1與第二電容C2上電壓的線性關(guān)系仿真圖；圖6為用本發(fā)明得到的電路仿真結(jié)果與理想對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D3，本發(fā)明基于電壓反饋開(kāi)關(guān)電容的折線段擬合電路，包括開(kāi)關(guān)電容電路、運(yùn)算放大器OP的負(fù)反饋回路和電流鏡加法器。開(kāi)關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移與積累， 該電路的輸出作為運(yùn)算放大器OP負(fù)反饋回路的輸入。運(yùn)算放大器OP負(fù)反饋回路實(shí)現(xiàn)積累電荷的電壓線性地轉(zhuǎn)換為電流，并以此輸出作為電流鏡加法器的輸入。電流鏡加法器實(shí)現(xiàn)兩支鏡像電流的疊加 并將其轉(zhuǎn)化為電壓，該電壓再反饋到開(kāi)關(guān)電容電路的輸入端。參照?qǐng)D4，本發(fā)明的開(kāi)關(guān)電容電路、電流鏡加法器和運(yùn)算放大器OP的負(fù)反饋回路的具體結(jié)構(gòu)如下一.所述的開(kāi)關(guān)電容電路1，包括第一電容C1、第二電容C2、第一開(kāi)關(guān)K1、第二開(kāi)關(guān) K2和第三開(kāi)關(guān)K3。第一開(kāi)關(guān)Kl連接在開(kāi)關(guān)電容電路的初始電壓輸入端VL與第二電容C2 之間，第二開(kāi)關(guān)K2連接在第一電容C1與在第二電容C2之間，第三開(kāi)關(guān)K3連接在開(kāi)關(guān)電容電路的輸入端VH與第一電容C1之間；第一開(kāi)關(guān)Kl斷開(kāi)后，第二開(kāi)關(guān)K2和第三開(kāi)關(guān)K3輪流導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電荷從第一電容C1到第二電容C2的轉(zhuǎn)移。在零時(shí)刻之前，第一開(kāi)關(guān)Kl閉合， 第二開(kāi)關(guān)K2和第三開(kāi)關(guān)K3打開(kāi)，第二電容C2預(yù)先充電至電壓\。零時(shí)刻之后，第一開(kāi)關(guān) Kl打開(kāi)，而第二開(kāi)關(guān)K2和第三開(kāi)關(guān)K3輪流導(dǎo)通，其轉(zhuǎn)換頻率為f。當(dāng)?shù)谌_(kāi)關(guān)K3閉合，第二開(kāi)關(guān)K2打開(kāi)時(shí)，第一電容C1充電至電壓Va，其上的電荷量為C1 ·να。當(dāng)?shù)谌_(kāi)關(guān)Κ3打開(kāi)，第二開(kāi)關(guān)Κ2閉合時(shí)，第一電容C1向第二電容C2轉(zhuǎn)移電荷量AQ，并使最后兩電容的電壓均為Vavg，因此可以建立如下關(guān)系式
權(quán)利要求
1.一種基于電壓反饋開(kāi)關(guān)電容的折線段擬合電路，包括開(kāi)關(guān)電容電路、運(yùn)算放大器OP 的負(fù)反饋回路和電流鏡加法器，其特征在于運(yùn)算放大器OP的負(fù)反饋回路，包括NMOS晶體管m、反饋電阻R1和運(yùn)算放大器0P，NMOS 晶體管m的漏極連接到電流鏡加法器中PMOS晶體管PI的漏極，NMOS晶體管m的源極與反饋電阻禮的一端并聯(lián)連接到運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端，NMOS晶體管m的柵極連接到運(yùn)算放大器OP的輸出端，運(yùn)算放大器OP的正輸入端與開(kāi)關(guān)電容電路中的第二電容C2連接； 反饋電阻R1上產(chǎn)生的電壓反饋到運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端，并驅(qū)動(dòng)NMOS晶體管m的柵極以調(diào)整流過(guò)反饋電阻R1的電流，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器OP正、負(fù)輸入端的虛短特性；電流鏡加法器，包括四個(gè)PMOS晶體管Pl、P2、P3和P4，恒流源Iref和轉(zhuǎn)換電阻R2, PMOS 晶體管P2和P3的漏極與轉(zhuǎn)換電阻R2的一端并聯(lián)連接，PMOS晶體管P4的漏極連接到恒流源Iref的輸出端，PMOS晶體管Pl和P2構(gòu)成1 1的電流鏡，PMOS晶體管P3和P4也構(gòu)成 1 1的電流鏡，兩電流鏡的兩支鏡像電流相互疊加并匯流于轉(zhuǎn)換電阻&，完成電流加法運(yùn)算，該電流和在轉(zhuǎn)換電阻R2上產(chǎn)生的電壓反饋到開(kāi)關(guān)電容電路的輸入端VH，以保證開(kāi)關(guān)電容電路中第一電容C1和第二電容C2的電壓差恒定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折線段擬合電路，其特征在于開(kāi)關(guān)電容電路包括第一電容 C1、第二電容C2、第一開(kāi)關(guān)K1、第二開(kāi)關(guān)K2和第三開(kāi)關(guān)K3，第一開(kāi)關(guān)Kl連接在開(kāi)關(guān)電容電路的初始電壓輸入端VL與第二電容C2之間，第二開(kāi)關(guān)K2連接在第一電容C1與在第二電容 C2之間，第三開(kāi)關(guān)K3連接在開(kāi)關(guān)電容電路的輸入端VH與第一電容C1之間；第一開(kāi)關(guān)Kl斷開(kāi)后，第二開(kāi)關(guān)K2和第三開(kāi)關(guān)K3輪流導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電荷從第一電容C1到第二電容C2的轉(zhuǎn)移。
3 根據(jù)權(quán)利要求1所述的折線段擬合電路，其特征在于NM0S晶體管m為N型場(chǎng)效應(yīng)管，PMOS晶體管PI、P2、P3和P4為P型場(chǎng)效應(yīng)管，這些場(chǎng)效應(yīng)管的寬長(zhǎng)比滿足運(yùn)算放大器 OP線性輸出范圍的指標(biāo)要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折線段擬合電路，其特征在于反饋電阻R1和轉(zhuǎn)換電阻R2的阻值，以及恒流源Iref的輸出電流I2，滿足R1 = R2, I2 · R2 = Δν，其中AV為開(kāi)關(guān)電容電路中第一電容C1和第二電容C2之間所設(shè)定的電壓差。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于電壓反饋開(kāi)關(guān)電容的折線段擬合電路，主要解決現(xiàn)有技術(shù)擬合折線段斜率受轉(zhuǎn)換頻率非線性影響的問(wèn)題。該電路包含開(kāi)關(guān)電容電路，運(yùn)算放大器OP的負(fù)反饋回路及電流鏡加法器。開(kāi)關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移與積累，該電路的輸出作為運(yùn)算放大器OP負(fù)反饋回路的輸入；運(yùn)算放大器OP負(fù)反饋回路實(shí)現(xiàn)積累電荷的電壓線性地轉(zhuǎn)換為電流，并以此輸出作為電流鏡加法器的輸入；電流鏡加法器實(shí)現(xiàn)兩支鏡像電流的疊加并將其轉(zhuǎn)化為電壓，該電壓再反饋到開(kāi)關(guān)電容電路的輸入端。本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高了折線段逼近理想?yún)⒖荚吹臄M合度，可用于模擬集成電路的設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)G05F1/625GK102221841SQ20111008391
公開(kāi)日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者劉紅俠, 蔡惠民 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)