高精度模拟平方电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种高精度模拟平方电路，包括：电压电流转换电路，所述电压电流转换电路将输入差分电压转换成差分电流输出；电流乘法器，所述电流乘法器与电压电流转换电路电性连接，所述电流乘法器对电压电流转换电路输出的差分电流进行相乘输出含平方项电流；放大器，所述放大器与电流乘法器电性连接，所述放大器对电流乘法器所输出的含平方项电流进行转换后输出放大电压，通过该高精度模拟平方电路可得到一个与输入差分电压成的平方关系的输出信号，其平方项系数准确，调节方便，适合于对传感器进行非线性的精确补偿。
【专利说明】高精度模拟平方电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高精度模拟平方电路。
【背景技术】
[0002]由于传感器技术及其应用的快速发展，传感器系统对传感器的小型化以及输出信号的噪声及精度要求越来越高，传感器本身的非线性引入的误差越来越成为制约传感器性能的关键。现有的模拟平方电路的所采用的办法有三类。一是将吉尔伯特乘法器单元输入短接，二是将对数-指数发生器构成的乘法器输入短接构成平方电路，三是利用MOS管饱和区的电流与过饱和电压存在的平方关系。这三类结构的缺点除了结构复杂，实现代价大以夕卜，也存在着线性区间小，容易引入高阶非线性量，同时平方项系数随工艺及温度等因素变化，很难准确控制，不适合实现对传感器非线性的精确补偿。
[0003]有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的电路，使其更具有产业上的利用价值。
【发明内容】
[0004]为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可以实现对传感器二阶非线性的快速精确补偿的高精度模拟平方电路。
[0005]本发明的高精度模拟平方电路，包括:
电压电流转换电路，所述电压电流转换电路将输入差分电压转换成差分电流输出；电流乘法器，所述电流乘法器与电压电流转换电路电性连接，所述电流乘法器对电压电流转换电路输出的差分电流进行相乘输出含平方项电流；
放大器，所述放大器与电流乘法器电性连接，所述放大器对电流乘法器所输出的含平方项电流进行转换后输出放大电压。
[0006]进一步的，所述电压电流转换电路包括:两路源跟随器、连接在两路源跟随器之间的电阻、与两路源跟随器连接以形成两路源跟随器反馈回路的第一差分对、以及构成第一差分对镜像的第二差分对，所述第二差分对与电流乘法器连接以将差分电流传输给电流乘法器。
[0007]进一步的，所述两路源跟随器分别由第一绝缘栅型场效应管和第一恒流源、第二绝缘栅型场效应管和第二恒流源构成，所述第一绝缘栅型场效应管的栅极、第二绝缘栅型场效应管的栅极用以输入输入差分电压。
[0008]进一步的，所述第一差分对由第三绝缘栅型场效应管、第四绝缘栅型场效应管以及第三恒流源组成，第一绝缘栅型场效应管、第二绝缘栅型场效应管的漏极则分别反馈至由第三绝缘栅型场效应管、第四绝缘栅型场效应管的栅极。
[0009]进一步的，所述第二差分对由第五绝缘栅型场效应管、第六绝缘栅型场效应管以及第四恒流源组成，其中，所述第五绝缘栅型场效应管的漏极、第六绝缘栅型场效应管的漏极作为所述电压电流转换电路的差分电流的输出端以与电流乘法器连接。
[0010]进一步的，所述电流乘法器由第七绝缘栅型场效应管、第八绝缘栅型场效应管、第九绝缘栅型场效应管、第十绝缘栅型场效应管及上端绝缘栅型场效应管连接而成，其中，所述第七绝缘栅型场效应管、第八绝缘栅型场效应管、第九绝缘栅型场效应管、第十绝缘栅型场效应管均工作在亚阀值区，且具有相同的尺寸。
[0011]进一步的，所述第七绝缘栅型场效应管的栅极与所述第八绝缘栅型场效应管的栅极连接，所述第七绝缘栅型场效应管的源极接参数电压、漏极作为电流乘法器的输出端与放大器连接，所述第八绝缘栅型场效应管的栅极与漏极短接，所述第九绝缘栅型场效应管的栅极与所述第十绝缘栅型场效应管的栅极连接，所述第九绝缘栅型场效应管的源极与所述第八绝缘栅型场效应管的源极连接，所述第九绝缘栅型场效应管的漏极接第五恒流源、栅极与第十绝缘栅型场效应管的栅极连接，所述第十绝缘栅型场效应管的栅极与漏极短接、源极接参数电压，所述上端绝缘栅型场效应管的栅极与第九绝缘栅型场效应管的漏极连接、源极悬空、漏极分别与第八绝缘栅型场效应管的源极、第九绝缘栅型场效应管的源极连接，所述第八绝缘栅型场效应管的漏极、第十绝缘栅型场效应管的漏极与电压电流转换电路的输出连接。
[0012]借由上述方案，本发明至少具有以下优点:通过该高精度模拟平方电路可得到一个与输入差分电压成的平方关系的输出信号，其平方项系数准确，调节方便，适合于对传感器进行非线性的精确补偿。
[0013]上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明的高精度模拟平方电路的模块图；
图2是图1中所示的电压电流转换电路的电路图；
图3是图1中所示的电流乘法器的电路图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0016]请参见图1，本发明一实施例的高精度模拟平方电路包括:电压电流转换电路1，所述电压电流转换电路I将输入差分电压(Vp、Vn)转换成差分电流(In、Ip)输出；电流乘法器2，所述电流乘法器2与电压电流转换电路I电性连接，所述电流乘法器2对电压电流转换电路I输出的差分电流(In、Ip)进行相乘输出含平方项电流(Isq);放大器3，所述放大器3与电流乘法器2电性连接，所述放大器3对电流乘法器2所输出的含平方项电流(Isq)进行转换后输出放大电压(Vsq)。
[0017]请参见图1及图2，所述电压电流转换电路I包括两路源跟随器11、连接在两路源跟随器11之间的电阻12、与两路源跟随器11连接以形成两路源跟随器11反馈回路的第一差分对13、以及构成第一差分对13镜像的第二差分对14，所述第二差分对13与电流乘法器2连接以将差分电流传输给电流乘法器2。
[0018]所述两路源跟随器11分别由第一绝缘栅型场效应管Ml和第一恒流源I1、第二绝缘栅型场效应管M2和第二恒流源I2构成。所述第一绝缘栅型场效应管Ml的栅极、第二绝缘栅型场效应管M2的栅极用以输入输入差分电压(Vp、Vn)。
[0019]所述第一差分对13由第三绝缘栅型场效应管M3、第四绝缘栅型场效应管M4以及第三恒流源I5组成，第一绝缘栅型场效应管Ml、第二绝缘栅型场效应管M2的漏极则分别反馈至由第三绝缘栅型场效应管M3、第四绝缘栅型场效应管M4的栅极。所述第二差分对14由第五绝缘栅型场效应管M5、第六绝缘栅型场效应管M6以及第四恒流源I6组成，其中，所述第五绝缘栅型场效应管M5的漏极、第六绝缘栅型场效应管M6的漏极作为所述电压电流转换电路I的差分电流(In、Ip)的输出端以与电流乘法器2连接。
[0020]所述电流乘法器2由第七绝缘栅型场效应管Md、第八绝缘栅型场效应管Me、第九绝缘栅型场效应管Mb、第十绝缘栅型场效应管Ma及上端绝缘栅型场效应管Mx连接而成，其中，所述第七绝缘栅型场效应管Md、第八绝缘栅型场效应管Me、第九绝缘栅型场效应管Mb、第十绝缘栅型场效应管Ma均工作在亚阀值区，且具有相同的尺寸。
[0021 ] 所述第七绝缘栅型场效应管Md的栅极与所述第八绝缘栅型场效应管Mc的栅极连接，所述第七绝缘栅型场效应管Md的源极接参数电压VMf、漏极作为电流乘法器2的输出端与放大器3连接，所述第八绝缘栅型场效应管Mc的栅极与漏极短接，所述第九绝缘栅型场效应管Mb的栅极与所述第十绝缘栅型场效应管Ma的栅极连接，所述第九绝缘栅型场效应管Mb的源极与所述第八绝缘栅型场效应管Mc的源极连接，所述第九绝缘栅型场效应管Mb的漏极接第五恒流源、栅极与第十绝缘栅型场效应管Ma的栅极连接，所述第十绝缘栅型场效应管Ma的栅极与漏极短接、源极接参数电压Vief,所述上端绝缘栅型场效应管Mx的栅极与第九绝缘栅型场效应管Mb的漏极连接、源极悬空、漏极分别与第八绝缘栅型场效应管Mc的源极、第九绝缘栅型场效应管Mb的源极连接，所述第八绝缘栅型场效应管Mc的漏极、第十绝缘栅型场效应管Ma的漏极与电压电流转换电路I的输出连接。
[0022]请结合图1至图3，上述高精度模拟平方电路包括的工作原理如下。
[0023]由于第一绝缘栅型场效应管M1，第一恒流源I1和第二绝缘栅型场效应管M2，第二恒流源I2分别构成了两路源跟随器，输入差分电压vp，Vn分别连接至由第一绝缘栅型场效应管Ml、第二绝缘栅型场效应管M2的栅极，第一绝缘栅型场效应管Ml、第二绝缘栅型场效应管M2的漏极则分别反馈至由第三绝缘栅型场效应管M3、第四绝缘栅型场效应管M4的栅极。由于反馈回路的存在，流经第一绝缘栅型场效应管Ml沟道的电流被限定为I3的电流值，即Ib，同样第二绝缘栅型场效应管M2的沟道电流也为Ib，由此可以认为Vpx - Vnx =\_\。由此流经电阻R的电流Ik可以由如下
Ie = (Vp-Vn)/R = dV/R
由此，流经第三绝缘栅型场效应管M3的电流可以表示为
T =T -T
XM3 1U 1R
流经M4的电流可以表示为:
Im4_ Iu+Ir
由第五绝缘栅型场效应管M5、第六绝缘栅型场效应管M6以及第四恒流源I6构成的差分对为第五绝缘栅型场效应管M3、第六绝缘栅型场效应管M4以及第三恒流源I5构成的差分对的镜像，因此其输出电流In，Ip分别与頂3和頂4相等，构成了与输入电压dV成正比的差分电流输出。In, Ip作为图3中电流乘法器的输入信号。
[0024]由于第七绝缘栅型场效应管Md、第八绝缘栅型场效应管Me、第九绝缘栅型场效应管Mb、第十绝缘栅型场效应管Ma均工作在亚阈值区，且具有相同的尺寸。根据MOS管亚阈值区的特性，沟道电流与栅源电压成指数关系，根据图示的连接关系，可以得到
Isq*Iu = ιΡ*ιη
即
Isq = Ip*In/Iu = (Iu2-1r2)/Iu = Iu- (dV/R)2/Iu
如选取Iref = Iu, Rl = R2 = nR,那么图1中跨阻放大器的输出可以表示为 Vsq = n(dV)2/(Iu*R)。
[0025]由于Iu可以通过一个准确的参考电压(VMf)及电阻值与R成固定比例的电阻来产生，因此IU*R可以设置为一个准确的系数，从而调节输出电压的增益系数，即平方项的系数。通过调节η也可以很方便的调节平方项的系数。
[0026]综上所述，通过该高精度模拟平方电路可得到一个与输入差分电压(Vp、Vn)成的平方关系的输出信号(Vsq)，其平方项系数准确，调节方便，适合于对传感器进行非线性的精确补偿。
[0027]以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种高精度模拟平方电路，其特征在于，所述高精度模拟平方电路包括: 电压电流转换电路，所述电压电流转换电路将输入差分电压转换成差分电流输出； 电流乘法器，所述电流乘法器与电压电流转换电路电性连接，所述电流乘法器对电压电流转换电路输出的差分电流进行相乘输出含平方项电流； 放大器，所述放大器与电流乘法器电性连接，所述放大器对电流乘法器所输出的含平方项电流进行转换后输出放大电压。
2.根据权利要求1所述的高精度模拟平方电路，其特征在于，所述电压电流转换电路包括:两路源跟随器、连接在两路源跟随器之间的电阻、与两路源跟随器连接以形成两路源跟随器反馈回路的第一差分对、以及构成第一差分对镜像的第二差分对，所述第二差分对与电流乘法器连接以将差分电流传输给电流乘法器。
3.根据权利要求2所述的高精度模拟平方电路，其特征在于，所述两路源跟随器分别由第一绝缘栅型场效应管和第一恒流源、第二绝缘栅型场效应管和第二恒流源构成，所述第一绝缘栅型场效应管的栅极、第二绝缘栅型场效应管的栅极用以输入输入差分电压。
4.根据权利要求2所述的高精度模拟平方电路，其特征在于，所述第一差分对由第三绝缘栅型场效应管、第四绝缘栅型场效应管以及第三恒流源组成，第一绝缘栅型场效应管、第二绝缘栅型场效应管的漏极则分别反馈至由第三绝缘栅型场效应管、第四绝缘栅型场效应管的栅极。
5.根据权利要求2所述的高精度模拟平方电路，其特征在于，所述第二差分对由第五绝缘栅型场效应管、第六绝缘栅型场效应管以及第四恒流源组成，其中，所述第五绝缘栅型场效应管的漏极、第六绝缘栅型场效应管的漏极作为所述电压电流转换电路的差分电流的输出端以与电流乘法器连接。
6.根据权利要求1所述的高精度模拟平方电路，其特征在于，所述电流乘法器由第七绝缘栅型场效应管、第八绝缘栅型场效应管、第九绝缘栅型场效应管、第十绝缘栅型场效应管及上端绝缘栅型场效应管连接而成，其中，所述第七绝缘栅型场效应管、第八绝缘栅型场效应管、第九绝缘栅型场效应管、第十绝缘栅型场效应管均工作在亚阀值区，且具有相同的尺寸。
7.根据权利要求6所述的高精度模拟平方电路，其特征在于，所述第七绝缘栅型场效应管的栅极与所述第八绝缘栅型场效应管的栅极连接，所述第七绝缘栅型场效应管的源极接参数电压、漏极作为电流乘法器的输出端与放大器连接，所述第八绝缘栅型场效应管的栅极与漏极短接，所述第九绝缘栅型场效应管的栅极与所述第十绝缘栅型场效应管的栅极连接，所述第九绝缘栅型场效应管的源极与所述第八绝缘栅型场效应管的源极连接，所述第九绝缘栅型场效应管的漏极接第五恒流源、栅极与第十绝缘栅型场效应管的栅极连接，所述第十绝缘栅型场效应管的栅极与漏极短接、源极接参数电压，所述上端绝缘栅型场效应管的栅极与第九绝缘栅型场效应管的漏极连接、源极悬空、漏极分别与第八绝缘栅型场效应管的源极、第九绝缘栅型场效应管的源极连接，所述第八绝缘栅型场效应管的漏极、第十绝缘栅型场效应管的漏极与电压电流转换电路的输出连接。
【文档编号】H03K19/094GK104184459SQ201410370419
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】盛云, 王升杨 申请人:苏州纳芯微电子有限公司