专利名称：基于电压反馈开关电容的折线段拟合电路的制作方法
技术领域：
本发明属于电子电路技术领域，特别涉及折线段拟合的电路，可用于模拟集成电路的设计。
背景技术：
随着数字集成电路与模拟集成电路的发展，混合信号集成电路结合了两者的优点以实现结构更复杂、功能更健全的系统集成。而系统复杂度的提高对参考源提出了多样化的要求，如对数参考源在基于对数函数的信息压缩技术中有特定的用途；作为常用参考源之一的锯齿波信号源通常应用于脉宽调制(PWM)模式下的直流变直流(DC-DC)转换器恒压环路中；同时还有其它特殊形式的函数参考源以满足特定应用场合的需要。以对数参考源为例，关于对数函数的电路实现，其使人联想到模拟电路中由二极管或三极管与运算放大器构成的负反馈电路，如图1所示。鉴于二极管或三极管的I-V特性受温度的影响较大， 以这种电路结构实现的对数参考源必然存在不同温度条件下输出参考值的漂移问题。如果引入相应的温度补偿电路，虽然在一定范围内能对输出精度起调节作用，但同时提高了集成电路设计的复杂度，并增加了电路调试的难度。为了简化参考源的设计，在模拟集成电路中存在基于开关电容技术的折线段拟合方法。如图2所示，该方法采用开关电容电路并通过调节转换频率的大小而改变单位时间内电荷的转移数量，从而实现折线段斜率的频率可控。采用开关电容技术使得折线段的斜率与两电容的比值有关，保证了设计精度；其次，开关电容技术避免了对温度敏感的二极管或三极管的使用，具有较好的温度特性。但是基于开关电容技术的折线段拟合电路存在其固有的缺点折线段的斜率不仅与转换频率的大小有关，同时还取决于开关电容电路中两电容之间的电压差。实际应用中，随着电荷转移次数的增多，该电压差逐渐减少，从而导致折线段的斜率在一定的转换频率下呈现非线性，并进一步影响到折线段逼近的拟合度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有基于开关电容的折线段拟合电路的不足，提出一种基于电压反馈开关电容的折线段拟合电路，通过引入电压反馈保证开关电容电路中两个电容之间的电压差恒定，以实现转换频率线性调控转移电荷积累的变化率，提高折线段逼近理想对数函数的拟合度，降低折线段拟合参考源电路设计的复杂度。为实现上述目的，本发明包括开关电容电路、运算放大器OP的负反馈回路和电流镜加法器，其中运算放大器OP的负反馈回路，包括NMOS晶体管m、反馈电阻R1和运算放大器0P， NMOS晶体管m的漏极连接到电流镜加法器中PMOS晶体管Pl的漏极，NMOS晶体管m的源极与反馈电阻R1的一端并联连接到运算放大器OP的负输入端，NMOS晶体管m的栅极连接到运算放大器OP的输出端，运算放大器OP的正输入端与开关电容电路中的第二电容C2连接；反馈电阻R1上产生的电压反馈到运算放大器OP的负输入端，并驱动NMOS晶体管m的栅极以调整流过反馈电阻R1的电流，以实现运算放大器OP正、负输入端的虚短特性。 电流镜加法器，包括四个PMOS晶体管P1、P2、P3和P4，恒流源Iref和转换电阻R2, PMOS晶体管P2和P3的漏极与转换电阻R2的一端并联连接，PMOS晶体管P4的漏极连接到恒流源Iref的输出端，PMOS晶体管Pl和P2构成1 1的电流镜，PMOS晶体管P3和P4也构成1 1的电流镜，两电流镜的两支镜像电流相互叠加并汇流于转换电阻&，完成电流加法运算，该电流和在转换电阻R2上产生的电压反馈到开关电容电路的输入端VH，以保证开关电容电路中第一电容C1和第二电容C2的电压差恒定。所述的开关电容电路，包括第一电容C1、第二电容C2、第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3，第一开关Kl连接在开关电容电路的初始电压输入端VL与第二电容C2之间， 第二开关K2连接在第一电容C1与在第二电容C2之间，第三开关K3连接在开关电容电路的输入电压VH与第一电容C1之间；第一开关Kl断开后，第二开关K2和第三开关K3轮流导通，实现电荷从第一电容C1到第二电容C2的转移。所述的NMOS晶体管m为N型场效应管，PMOS晶体管P1、P2、P3和P4为P型场效应管，这些场效应管的宽长比满足运算放大器OP线性输出范围的指标要求。所述的反馈电阻R1和转换电阻R2的阻值，以及恒流源Iref的输出电流I2，满足R1 = R2, I2 · R2 = Δν，其中Δ V为开关电容电路中第一电容C1和第二电容C2之间所设定的电压差。本发明与现有技术相比具有如下优点1.本发明的电路包括了无源器件中的电阻和电容，以及有源器件中的N型、P型场效应管，而不涉及二极管或三极管的使用，相比由二极管或三极管与运算放大器构成的参考源电路，本发明基于电压反馈开关电容的折线段拟合电路具有较好的温度特性，因此，省略了温度补偿电路，从而简化了电路结构；2.本发明利用运算放大器的负反馈回路和电流镜加法器，通过引入电压反馈保证开关电容电路中两个电容之间的电压差恒定，以实现转换频率线性调控转移电荷积累的变化率，提高折线段逼近理想对数函数的拟合度，降低折线段拟合参考源电路设计的复杂度。
图1为现有三极管与运算放大器构成的负反馈对数电路图；图2为现有开关电容电路图；图3为本发明的结构框图；图4为本发明的电路原理图；图5为用本发明得到的第一电容C1与第二电容C2上电压的线性关系仿真图；图6为用本发明得到的电路仿真结果与理想对数函数对比图。
具体实施例方式参照图3，本发明基于电压反馈开关电容的折线段拟合电路，包括开关电容电路、运算放大器OP的负反馈回路和电流镜加法器。开关电容电路实现电荷的转移与积累， 该电路的输出作为运算放大器OP负反馈回路的输入。运算放大器OP负反馈回路实现积累电荷的电压线性地转换为电流，并以此输出作为电流镜加法器的输入。电流镜加法器实现两支镜像电流的叠加 并将其转化为电压，该电压再反馈到开关电容电路的输入端。参照图4，本发明的开关电容电路、电流镜加法器和运算放大器OP的负反馈回路的具体结构如下一.所述的开关电容电路1，包括第一电容C1、第二电容C2、第一开关K1、第二开关 K2和第三开关K3。第一开关Kl连接在开关电容电路的初始电压输入端VL与第二电容C2 之间，第二开关K2连接在第一电容C1与在第二电容C2之间，第三开关K3连接在开关电容电路的输入端VH与第一电容C1之间；第一开关Kl断开后，第二开关K2和第三开关K3轮流导通，实现电荷从第一电容C1到第二电容C2的转移。在零时刻之前，第一开关Kl闭合， 第二开关K2和第三开关K3打开，第二电容C2预先充电至电压\。零时刻之后，第一开关 Kl打开，而第二开关K2和第三开关K3轮流导通，其转换频率为f。当第三开关K3闭合，第二开关K2打开时，第一电容C1充电至电压Va，其上的电荷量为C1 ·να。当第三开关Κ3打开，第二开关Κ2闭合时，第一电容C1向第二电容C2转移电荷量AQ，并使最后两电容的电压均为Vavg，因此可以建立如下关系式
权利要求
1.一种基于电压反馈开关电容的折线段拟合电路，包括开关电容电路、运算放大器OP 的负反馈回路和电流镜加法器，其特征在于运算放大器OP的负反馈回路，包括NMOS晶体管m、反馈电阻R1和运算放大器0P，NMOS 晶体管m的漏极连接到电流镜加法器中PMOS晶体管PI的漏极，NMOS晶体管m的源极与反馈电阻礼的一端并联连接到运算放大器OP的负输入端，NMOS晶体管m的栅极连接到运算放大器OP的输出端，运算放大器OP的正输入端与开关电容电路中的第二电容C2连接； 反馈电阻R1上产生的电压反馈到运算放大器OP的负输入端，并驱动NMOS晶体管m的栅极以调整流过反馈电阻R1的电流，以实现运算放大器OP正、负输入端的虚短特性；电流镜加法器，包括四个PMOS晶体管Pl、P2、P3和P4，恒流源Iref和转换电阻R2, PMOS 晶体管P2和P3的漏极与转换电阻R2的一端并联连接，PMOS晶体管P4的漏极连接到恒流源Iref的输出端，PMOS晶体管Pl和P2构成1 1的电流镜，PMOS晶体管P3和P4也构成 1 1的电流镜，两电流镜的两支镜像电流相互叠加并汇流于转换电阻&，完成电流加法运算，该电流和在转换电阻R2上产生的电压反馈到开关电容电路的输入端VH，以保证开关电容电路中第一电容C1和第二电容C2的电压差恒定。
2.根据权利要求1所述的折线段拟合电路，其特征在于开关电容电路包括第一电容 C1、第二电容C2、第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3，第一开关Kl连接在开关电容电路的初始电压输入端VL与第二电容C2之间，第二开关K2连接在第一电容C1与在第二电容 C2之间，第三开关K3连接在开关电容电路的输入端VH与第一电容C1之间；第一开关Kl断开后，第二开关K2和第三开关K3轮流导通，实现电荷从第一电容C1到第二电容C2的转移。
3 根据权利要求1所述的折线段拟合电路，其特征在于NM0S晶体管m为N型场效应管，PMOS晶体管PI、P2、P3和P4为P型场效应管，这些场效应管的宽长比满足运算放大器 OP线性输出范围的指标要求。
4.根据权利要求1所述的折线段拟合电路，其特征在于反馈电阻R1和转换电阻R2的阻值，以及恒流源Iref的输出电流I2，满足R1 = R2, I2 · R2 = Δν，其中AV为开关电容电路中第一电容C1和第二电容C2之间所设定的电压差。
全文摘要
本发明公开了一种基于电压反馈开关电容的折线段拟合电路，主要解决现有技术拟合折线段斜率受转换频率非线性影响的问题。该电路包含开关电容电路，运算放大器OP的负反馈回路及电流镜加法器。开关电容电路实现电荷的转移与积累，该电路的输出作为运算放大器OP负反馈回路的输入；运算放大器OP负反馈回路实现积累电荷的电压线性地转换为电流，并以此输出作为电流镜加法器的输入；电流镜加法器实现两支镜像电流的叠加并将其转化为电压，该电压再反馈到开关电容电路的输入端。本发明电路结构简单，提高了折线段逼近理想参考源的拟合度，可用于模拟集成电路的设计。
文档编号G05F1/625GK102221841SQ20111008391
公开日2011年10月19日 申请日期2011年4月2日 优先权日2011年4月2日
发明者刘红侠, 蔡惠民 申请人:西安电子科技大学