專利名稱：一種模擬平方電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及模擬集成電路，特別涉及一種輸出電壓為輸入電壓平方的模擬電路。
背景技術：
目前，在各種模擬運算電路中，所采取的方式通常是將兩個相同的電壓信號輸入希爾伯特單元，由它得到一個類似平方的輸出信號。該輸出信號是把電壓函數進行泰勒級數展開后，只保留展開式的一階項而得到的近似值。這種處理方式精度不高(存在2% 5%的誤差)，而且希爾伯特單元類似共源共柵結構，比簡單的差動放大器消耗更多的電壓余度，其最小輸出電壓Iniill為過驅動電壓Vot的兩倍(G_=2FOT，)■而不適用于低壓應用。近幾年也出現過一些精度較高的板級的模擬平方電路，但是這種電路板結構的平方電路，所用到的一些元件難以集成，且體積大，功耗大，限制了其更近一步的應用。
發明內容
本發明所要解決的技術問題，就是提供一種模擬平方電路，提高輸出電壓精度，而且既便于集成，也能夠適用于低電壓應用環境。本發明解決所述技術問題，采用的技術方案是，一種模擬平方電路，包括電平位移模塊，減法器模塊、場效應晶體管、電流鏡模塊和輸出電阻；所述電平位移模塊與輸入電壓Vin連接，根據所述輸入電壓Vin產生第一輸出電壓
V0Uti和第二輸出電壓Vrat2 ；所述減法器模塊與電平位移模塊連接，對其輸出的第一輸出電壓Vtjutl和第二輸出電壓Vtjut2進行減法運算，產生輸出電壓Vwt ；所述場效應晶體管工作在飽和狀態，用于根據所述減法器模塊輸出電壓Vrat產生漏極電流id，4=qU，參數a由場效應晶體管參數決定；所述電流鏡模塊輸出端與輸出電阻連接，其輸出電流流過所述輸出電阻，形成對地電壓Vt5Z=G;所述輸出電阻連接在所述電流鏡輸出端和地之間。具體的，所述參數;其中，I為所述場效應晶體管溝道寬長比，U 為載
流子遷移率，Cox為柵絕緣層單位面積電容。 進一步的，所述電流鏡模塊包括高精度電流鏡。進一步的，所述減法器模塊包括電壓跟隨器和跨導運算放大器。具體的，所述電壓跟隨器由高擺幅大增益運算放大器構成。進一步的，所述模擬平方電路通過集成電路工藝制作在基片上。進一步的，所述基片上還集成有其他功能電路。本發明的有益效果是，輸出電壓為輸入電壓的高精度平方值，電路結構簡單，損耗低、效率高。可以適用于低電壓環境，能在直流或者交流電壓輸入情況下工作，可很好地進行單片集成。
圖1是本發明的結構示意圖；圖2是實施例的電平位移模塊電路結構示意圖；圖3是跨導放大器電路結構示意圖；圖4高精度電流源電路結構示意圖； 圖5是本發明的模擬平方電路仿真效果圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例，詳細描述本發明的技術方案。本發明的模擬平方電路包括電平位移模塊111，減法器模塊100、場效應晶體管103、電流鏡模塊102和輸出電阻101，如圖1所示。電平位移模塊111輸入端與輸入電壓Vin連接,根據輸入電壓Vin產生兩個輸出電壓，第一輸出電壓命名為Vratl，第二輸出電壓命名為Vrat2t5 Voutl和Vrat2分別作為減法器模塊100的輸入信號。減法器模塊100與電平位移模塊111連接，對其輸出的第一輸出電壓Vtjutl和第二輸出電壓Vrat2進行減法運算，產生輸出電壓Vwt，即-.Vmt=Voutl-Vout2O場效應晶體管103工作在飽和狀態，能夠根據減法器模塊100輸出電壓Vtjut產生漏極電流ID，并且Id滿足關系式參數a與場效應晶體管參數有關，具體關系為
，其中，f為所述場效應晶體管溝道寬長比，Un為載流子遷移率，Cm為柵絕緣層
單位面積電容。電流鏡模塊102輸入端與場效應晶體管103漏極連接，其輸出端通過輸出電阻101連接到地。流過輸出電阻101的電流產生的電壓V。(對地電壓)，為本發明模擬平方電路的輸出電壓V。，該輸出電壓V。滿足關系式。這樣本發明的模擬平方電路就完成了對輸入電壓Vin進行平方運算的功能。實施例本發明的電平位移模塊111如圖2所示，場效應晶體管1101漏極的偏置電流Ibl為場效應晶體管1102、1103、1104提供大小相等的電流，為保證電路精度，選用溝道長度L足夠大且尺寸一致的場效應晶體管1102、1103和1104，以減小溝道長度調制效應。本例選定場效應晶體管1105、1106不同的寬長比，即場效應晶體管1106溝道長度L是場效應晶體管1105的4倍，這樣可以使場效應晶體管1106和場效應晶體管1105得到不同的過驅動電壓，并且使第一輸出電壓Vratl在偏置電流Ibl固定的情況下為一個固定不變的電壓。場效應晶體管1106的源極與場效應晶體管1107的漏極相連，場效應晶體管1107起到隔離的作用，場效應晶體管1107的柵極連接到場效應晶體管1106的漏極，這兩個場效應晶體管形成負反饋，穩定了輸出電壓V。，輸入電壓Vin從場效應晶體管1108的源極輸入，場效應晶體管1108做成二極管連接的形式，它的漏極則是電平位移模塊的另外一個輸出第二輸出電壓 Vout2。
本例減法器模塊由電壓跟隨器109和110、跨導運算放大器(簡稱跨導運放)104以及四只阻值相等的電阻105、106、107和108構成，如圖I中虛線框所示。電壓跟隨器109、110采用高擺幅大增益運算放大器構成，他們的輸入端分別連接電平位移模塊的兩個輸出電壓Vtjutl和Vwt2。采用高擺幅大增益運算放大器，高擺幅大增益有利于減小輸出阻抗并使之相等，提高電壓跟隨的效果。這里要求兩個運算放大器的輸入范圍達到0V，本例采用60dB的增益以供使用。 減法運算由跨導運算放大器104和電阻105、106、107、108共同完成，其作用是求出電平位移模塊111的兩個輸出電壓Vwtl和Vrat2的差，該差值提供到場效應晶體管103的柵極，進行下一步的平方運算。本例減法器模塊中，電阻105 108的電阻值有兩個方面的綜合要求。首先，電阻106的電阻值必須足夠大，這樣才能保證輸入阻抗足夠大，從而確保模塊的精度。其次，電路的噪聲和電阻值是成正比關系的，這里又必須減小電阻來降低它們對電路噪聲的影響，保證電路的抗干擾能力。考慮到上述問題，謹慎選擇電阻值是有必要的。本例采用跨導放大器104的原因在于這里需要很大的增益來達到差動放大的作用，以確保電路的精度，跨導放大器104結構如圖3所示。圖3中，采用PMOS管406、405作為差分對的輸入管，經過電阻412和三極管408的作用，406的輸入范圍可以降低到OV以下，采用對稱結構的跨導運算放大器可以使一級增益達到60dB，滿足電路要求。跨導運算放大器104的輸出值補償了場效應晶體管103的柵極電壓，使得下一級輸入達到平方電路的要求。本例場效應管103工作在飽和區，利用場效應晶體管103飽和區伏安特性曲線，得到輸出電壓是輸入電壓平方關系的效果。本發明的模擬平方電路，輸入電壓通過電位平移模塊111產生兩個輸出電壓Vratl和Vtjut2，兩個輸出電壓分別通過各自的電壓緩沖器110、109輸入由電阻105 108和跨導運算放大器104組成的減法電路。減法電路輸入精確的電壓值(Vin+VT，Vt為場效應晶體管的閾值電壓)到場效應晶體管103的柵極，這個柵極電壓補償了 MOS管IV特性里的
所得的MOS管103漏極電流值Id經過高精度電流源102最后加到測試電阻101上，實現平方運算的要求。得到電路輸入與輸出的關系V=V^下面描述本例各電路具體工作過程。圖2電路中，由于寬長比不同，即場效應晶體管1106是1105的4倍，這樣可以使得兩個場效應晶體管得到不同的過驅動電壓Vot，在Vratl固定的條件下，存在如下的關系式
V = 孤- W
\人
\ LVGS=VT+Vov其中Ibl為漏極電流，K為與器件有關的參數K=ii nCM/2, Vt為閾值電壓為溝道寬長比，為柵源電壓。由于電流鏡的存在，效應晶體管1106和1105的漏極電流Ibl是相同的，由場效應晶體管1105的寬長比是場效應晶體管1106的4倍，可知場效應晶體管1106的過驅動電壓Vov是1105的2倍，得到場效應晶體管1106的Ves=V^Vtjv,場效應晶體管1105的Ves=VfVtjv,Voutl=Vov0場效應晶體管1106的源極與場效應晶體管1107的漏極相連，場效應晶體管1107起到隔離的作用，場效應晶體管1107的柵極與場效應晶體管1106的漏極相連，形成一個負反饋，即當場效應晶體管1107柵電壓升高時，Vwtl減小，使得場效應晶體管1106的Vffi減小，由于漏極電流恒定，場效應晶體管1106的Vds (漏源電壓)減小，于是場效應晶體管1106的漏極電壓減小，即場效應晶體管1107的柵極電壓隨之減小。這個負反饋穩定了 Vratl。輸入電壓Vin從場效應晶體管1108的源極輸入，1108做成二極管連接的形式，它的漏極則是模塊的另外一個輸出，同理可以得到V0Ut2=Vin+VGS=Vin+VT+V0vO圖3是圖I中跨導運算放大器104的一種實現方式，其中400為偏置電流，401 406為場效應晶體管，407 410為雙極型晶體管，411 414為電阻。經過電阻105 108的反饋作用和電壓跟隨器109、110的電壓跟隨作用，以及跨導運算放大器104的作用，可以 實現減法器功能，即Vout=Voutl-Vout2圖3中，Vinl和Vin2為跨導放大器104的輸入電壓。跨導放大器104的最低輸入電壓可以通過三極管408、電阻412來調節，我們可以通過下面的關系將匕最小輸入電壓)調節到OV。+0Vk為電阻412上的壓降，可見這種結構可以輕易達到要求，對于要求的高增益，可以通過下面的關系推導，即A=gmiJ0 其中，AvS跨導放大器的增益？力場效應晶體管406的跨導A4m為場效應晶體管402的輸出阻抗。調整上面的參數，跨導放大器的增益可達60dB以上。最后得到精確的輸出電壓V0Ut=Vin+VT>VT這樣也保證了場效應晶體管103保持IV特性而得到需要的關系。于是場效應晶體管103的伏安特性得到了補償，其漏極電流Id為
Tfzr,VII0=-MnCm (Fgsim-Vt )- =a(Vm+VT-VTy =aV；圖4是圖I中電流鏡模塊102的一種實現方式，這是模擬平方電路實現高精度的關鍵模塊，偏置電流Ib2為電路提供偏置，晶體管206、207和電阻209、210提供鏡像電流的作用，當場效應晶體管103柵極輸入電壓為閾值電壓Vt時，兩路的電流值是相等。晶體管201,202,203組成的反饋環路，場效應晶體管103柵極電壓升高時，電阻205流過的電流增加，A點電壓降低，同時使得C點電壓減小，經過三極管201的BE結反饋，使得B點電壓減小，電阻204流過的電流增加，同時輸出電阻101上的電壓隨著場效應晶體管103的柵極電壓增加而增加。反饋的精度很高，通過這個反饋，可以使的A，B兩節點的電壓相同，流過電阻204、205上的電流相等，從而實現了高精度的電流鏡。圖5是本例電路的仿真效果圖，電阻101的阻值補償了系數a，這里繪制出輸出電阻101的電壓隨輸入電壓的變化曲線，取5V的供電電壓，可以明顯看出電路的平方特性，并且精度很高。通過圖5可以驗證，本發明實現了低壓模擬平方電路的設計要求。從圖5中可知，該電路還可以實現在零電壓輸入情況下，輸出零伏，且精度很高(±1%)。下面是輸入電壓Vin的幾個典型值的仿真數據
權利要求
1.一種模擬平方電路,包括電平位移模塊，減法器模塊、場效應晶體管、電流鏡模塊和輸出電阻； 所述電平位移模塊與輸入電壓Vin連接,根據所述輸入電壓Vin產生第一輸出電壓VratI和第二輸出電壓Vrat2 ； 所述減法器模塊與電平位移模塊連接，對其輸出的第一輸出電壓Vtjutl和第二輸出電壓Vout2進行減法運算，產生輸出電壓Vtjut ； 所述場效應晶體管工作在飽和狀態，用于根據所述減法器模塊輸出電壓Vrat產生漏極電流Idα由場效應晶體管參數決定; 所述電流鏡模塊輸出端與輸出電阻連接，其輸出電流流過所述輸出電阻，形成對地電壓V0，Fo《； 所述輸出電阻連接在所述電流鏡輸出端和地之間。
2.根據權利要求I所述的ー種模擬平方電路，其特征在于，所述參數(こ.;其中，·^為所述場效應晶體管溝道寬長比，μ η為載流子遷移率，Cm為柵絕緣層單位面積電容。
3.根據權利要求I所述的ー種模擬平方電路，其特征在于，所述電流鏡模塊包括高精度電流鏡。
4.根據權利要求I所述的ー種模擬平方電路，其特征在于，所述減法器模塊包括電壓跟隨器和跨導運算放大器。
5.根據權利要求4所述的ー種模擬平方電路，其特征在于，所述電壓跟隨器由高擺幅大增益運算放大器構成。
6.根據權利要求I 5任意一項所述的一種模擬平方電路，其特征在于，所述模擬平方電路通過集成電路エ藝制作在基片上。
7.根據權利要求6所述的ー種模擬平方電路，其特征在于，所述基片上還集成有其他功能電路。
全文摘要
本發明涉及模擬集成電路。本發明公開了一種模擬平方電路，用于提高輸出電壓精度。本發明的技術方案是，一種模擬平方電路，包括電平位移模塊，減法器模塊、場效應晶體管、電流鏡模塊和輸出電阻；所述電平位移模塊與輸入電壓Vin連接，根據所述輸入電壓Vin產生第一輸出電壓Vout1和第二輸出電壓Vout2；所述減法器模塊與電平位移模塊連接，對其輸出的第一輸出電壓Vout1和第二輸出電壓Vout2進行減法運算，產生輸出電壓Vout；所述場效應晶體管工作在飽和狀態，用于根據所述減法器模塊輸出電壓Vout產生漏極電流ID，參數α由場效應晶體管參數決定；所述電流鏡模塊輸出端與輸出電阻連接，其輸出電流流過所述輸出電阻，形成對地電壓Vo，所述輸出電阻連接在所述電流鏡輸出端和地之間。
文檔編號H03K19/094GK102983853SQ201210487258
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月26日 優先權日2012年11月26日
發明者李澤宏, 曾智, 蔣匯, 劉廣濤, 吳明進, 張仁輝 申請人:電子科技大學