专利名称：总谐波失真优化模拟乘法器的制作方法
技术领域：
本发明属于电子元器件技术领域，涉及模拟集成电路，特别是一种乘法器，用于开 关电源设计中的有源功率因数校正器。
背景技术：
在开关电源领域中，任何使输入电网电流为非正弦，或即使是正弦波但和正弦输 入电压不同相位，或使输入电流具有谐波的电路结构都会降低功率因数PF，从而产生功率 损耗。功率因数校正器PFC是提高电子产品的功率因数、降低谐波干扰的有效方法之一。模 拟乘法器主要应用有源功率因数校正器APFC中，是APFC电路的核心，它将正弦输入信号经 整流、分压后与误差放大器输出信号进行相乘，得到一个与整流输入电压同频同相的正弦 波形，提供输入电流的峰值比较电平，从而保证输入电压与输入电流同频同相，达到提高功 率因数的目的。一般整流输出端都接有高频滤波电容，同时功率开关管漏极节点存在体电容，再 加之整流二极管还存在正向导通压降，所有这些都会导致桥式整流器的交流输入电压过零 时整流信号会产生交越失真，这也决定了输入电流随之产生交越失真，失真波形程度通常 用总谐波失真THD系数来衡量。在现有技术中大多采用吉尔伯特单元作为模拟乘法器，由 于其工艺兼容性差，控制电路复杂，线性输入范围较窄，并且会带来一定程度上的交越失 真，进而降低系统的功率因数，难以满足集成电路发展的要求。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足，提供一种总谐波失真优化模拟乘法器， 以扩大线性输入范围，简化控制电路，减小交越失真，提高系统的功率因数，满足集成电路 发展的要求。为实现上述目的，本发明包括第一电压/电流转换电路，用于接收第一输入信号MULTIN，输出电流信号I1到乘 积电路中；第二电压/电流转换电路，用于接收第二输入信号C0MP，输出电流信号I2到乘积 电路中；第三电压/电流转换电路，用于接收第一基准电压信号VREF1，输出两路电流信号 I3和I4到乘积电路中；乘积电路，用于对各转换电路输出的电流信号I” 12、I3和I4进行乘除运算，输出 总电流信号Itj = I1X (I2-I3)/I4到电流/电压转换电路中；电流/电压转换电路，用于将乘积电路输出的总流信号、进行电流-电压转化， 输出乘积信号PRODUCT到输出电压的高箝位电路中；输出电压的高箝位电路，用于将乘积信号PRODUCT高箝位在第二基准电压信号 VREF2 上。
上述的总谐波失真优化模拟乘法器，其中所述的第一电压/电流转换电路，包括 第一运算放大器0P1、补偿电压源Voff、两个PM0S管M4 M5、两个NM0S管M6 M7、NPN三 极管Q6以及转化电阻R2 ；第一运算放大器0P1和三极管Q6构成缓冲器，两个PM0S管M4 M5以及两个NM0S管M6 M7组成电流镜；该缓冲器保证0P1的两输入端电压信号相等，且 正相输入端接补偿电压源Voff的正极，Voff的负极接第一输入信号MULTIN，反相输入端通 过跨接转化电阻R2将输入电压信号转化为电流信号，该电流镜将缓冲器转换的电流信号 镜像，产生输出电流信号L到乘积电路中。上述的总谐波失真优化模拟乘法器，其中所述的第二电压/电流转换电路，包括 第二运算放大器0P2、两个PM0S管M8 M9、三极管Q7以及转化电阻R3 ；第二运算放大器 0P2和三极管Q7构成缓冲器，两个PM0S管M8 M9组成电流镜；该缓冲器保证0P2的两输 入端电压信号相等，且正相输入端接第二输入信号C0MP，反相输入端通过跨接转化电阻R3 将输入电压信号转化为电流信号，该电流镜将缓冲器转换的电流信号镜像，产生输出电流 信号12到乘积电路中。上述的总谐波失真优化模拟乘法器，其中所述的第三电压/电流转换电路，包括 第三运算放大器0P3，两个PM0S管M13 M14，三个NM0S管M10 M12，三极管Q8以及转 化电阻R4 ；第三运算放大器0P3与三极管Q8构成缓冲器，三个NM0S管M10 M12以及两 个PM0S管M13 M14组成电流镜；该缓冲器保证0P3的两输入端电压信号相等，且正相输 入端接第一基准电压信号VREF1，反相输入端通过跨接转化电阻R4将输入电压信号转化为 电流信号，该电流镜将缓冲器转换的电流信号镜像，产生两路输出电流信号13和14到乘积 电路中。上述的总谐波失真优化模拟乘法器，其中所述的乘积电路，包括五个NPN三极管 Q1 Q5，三极管Q1用于接收第一电压/电流转换电路输出电流1:，三极管Q2用于接收第 二电压/电流转换电路与第三电压/电流转换电路输出电流之差12_13，三极管Q3用于接 收第三电压/电流转换电路输出电流14，三极管Q4用于产生总输出电流I。到电流/电压 转换电路中，三极管Q5用于产生该乘积电路的偏置电压；三极管Q1 Q4结构完全相同，且 组成一个闭合回路。上述的总谐波失真优化模拟乘法器，其中所述的电流/电压转换电路，包括两个 PM0S管Ml M2，转化电阻R1 ；两个PM0S管Ml M2组成电流镜，将乘积电路总输出电流 10镜像，并通过跨接电阻R1转化为输出电压乘积信号PRODUCT。上述的总谐波失真优化模拟乘法器，其中所述的输出电压的高箝位电路，包括第 四运算放大器0P4以及NM0S管M3，用于将输出电压乘积信号PRODUCT高箝位在第二基准电 压信号VREF2上。本发明的优点是(1)本发明根据三极管基极 发射极之间电压VBE与集电极电流1。成对数关系，即 VBE电压之和等于Ie电流之积原理实现乘法功能，电路结构新颖简单，不需要复杂的控制电路。(2)本发明与传统吉尔伯特单元乘法器比较，由于把电压乘积转化为电流乘积，减 小了由电压失调产生的非线性失真，同时增大了输入电压的范围。(3)本发明通过在第一电压/电流转换电路中增加补偿电压源Voff，从而进一步减小了该乘法器的THD，提升了系统的功率因数。(4)通过对本发明输入信号的位置变换，可将模拟乘法器演变为模拟除法器，广泛 适用于信号处理电路和系统中。
图1为本发明的原理框图；图2为本发明电路结构图。
具体实施例方式以下参照附图对本发明作进一步详细描述。参照图1，本发明包括第一电压/电流转换电路1，第二电压/电流转换电路2，第 三电压/电流转换电路3，乘积电路4，电流/电压转换电路5，输出电压的高箝位电路6。其 中第一电压/电流转换电路1接收第一输入信号MULTIN，经过V/I转化后输出电流信号I: 到乘积电路4中；第二电压/电流转换电路2接收第二输入信号C0MP，经过V/I转化后输 出电流信号12到乘积电路4中；第三电压/电流转换电路3接收第一基准电压信号VREF1， 经过V/I转化后输出两路电流信号13和14到乘积电路4中；乘积电路4对各转换电路输 出的电流信号Ii、I2、I3和14进行乘除运算，输出总电流信号10 =工义(12 13)/14到电流 /电压转换电路5中；电流/电压转换电路5将乘积电路输出的总电流信号k进行I/V转 化，输出电压乘积信号PRODUCT到输出电压的高箝位电路6中；输出电压的高箝位电路6将 乘积信号PRODUCT高箝位在第二基准电压信号VREF2上。参照图2，本发明各单元电路的结构及原理描述如下第一电压/电流转换电路1，包括但不限于第一运算放大器0P1、补偿电压源Vof f、 两个PM0S管M4 M5、两个NM0S管M6 M7、NPN三极管Q6以及转化电阻R2。其中第一运 算放大器0P1和NPN三极管Q6接成缓冲器结构，0P1正相输入端接补偿电压源Voff的正 极，Voff的负极接第一输入信号MULTIN，因而实际正相端电压为MULTIN与Voff之和，通过 反相输入端跨接转化电阻R2将此电压转化为电流L = (MULTIN+Voff)/R2，经过两个PM0S 管M4 M5组成的电流镜镜像再经两个NM0S管M6 M7组成的电流镜镜像输出电流到 乘积电路4中。第二电压/电流转换电路2，包括但不限于第二运算放大器0P2、两个PM0S管M8 M9、NPN三极管Q7以及转化电阻R3。其中第二运算放大器0P2和NPN三极管Q7接成缓冲 器结构，0P2正相输入端接第二输入信号C0MP，通过反相输入端跨接转化电阻R3将此电压 转化为电流I2 = C0MP/R3,经过两个PM0S管M8 M9组成的电流镜镜像输出12到乘积电 路4中。第三电压/电流转换电路3，包括但不限于第三运算放大器0P3，两个PM0S管 M13 M14，三个NM0S管M10 M12，NPN三极管Q8以及转化电阻R4。其中第三运算放大 器0P3和NPN三极管Q8接成缓冲器结构，0P3正相输入端接第一基准电压信号VREF1，通过 反相输入端跨接转化电阻R4将此电压转化为两路电流I3 = I4 = VREF1/R4，经过两个PM0S 管M13 M14组成的电流镜镜像再经三个NM0S管M10 M12组成的电流镜镜像输出大小 相等的两路电流13和14。由于镜像产生13的NM0S管M10与第二电压/电流转换电路2中镜像产生12的PM0S管M9的漏极相连，故实现两路电流信号的相减，得到电流信号12_13输 出到乘积电路4中；NM0S管Mil直接镜像输出电流信号14到乘积电路4中。乘积电路4，包括但不限于5个NPN三极管Q1 Q5。其中三极管Q1的发射极与 第一电压/电流转换电路1中NM0S管M7的漏极连接，从而在Q1上产生电流I:；三极管Q2 的集电极同时与第二电压/电流转换电路2中PM0S管M9的漏极和第三电压/电流转换电 路3中NM0S管M10的漏极连接，从而使Q2上产生电流12_13 ；三极管Q3的发射极与第三电 压/电流转换电路3中NM0S管Mil的漏极连接，从而在Q3上产生电流14 ；三极管Q4的集 电极与电流/电压转换电路5中PM0S管Ml的栅极和漏极连接，从而产生总电流信号I。输 出到电流/电压转换电路5中，三极管Q5用于产生该乘积电路4的偏置电压。由于三极管 Q1 Q4结构完全相同，且组成一个闭合回路，使VBE1+VBE2 = VBE3+VBE4，故利用三极管基极-发 射极之间电压VBE与集电极电流成对数关系，即利用VBE电压之和等于Ie电流之积的原理 实现乘法功能，通过计算得到的总输出电流I。= LX (12_13)/14。电流/电压转换电路5，包括但不限于两个PM0S管Ml M2以及转化电阻R1。其 中两个PM0S管Ml M2组成电流镜，将输入的总输出电流I。镜像后经电阻R1进行I/V转 化，得到电压乘积信号PRODUCT，输出到输出电压的高箝位电路6中。该电压乘积信号的大小为PRODUCT = KX (MULTIN+Voff) X (C0MP-VREF1)其中，K表示该模拟乘法器的增益，其大小由四个转化电阻R1 R4的阻值以及各 电流镜镜像比例关系决定；MULTIN表示交流输入电压经桥式整流后的分压信号；C0MP表示输出反馈信号经误差放大后的输出信号；VREF1表示第一基准电压信号，为2. 5V ；Voff表示补偿电压源大小，它的存在保证了交流输入电压过零时即MULTIN = 0 时，乘法器的输出乘积信号仍有一个微小的正向偏移电压，即PRODUCT > 0，消除了交流输 入电流过零时所产生的交越失真，进而对THD进行了优化，提高了系统的功率因数。输出电压的高箝位电路6，包括但不限于第四运算放大器0P4以及NM0S管M3。其 中第四运算放大器0P4的正相输入端接乘积信号PRODUCT，反相输入端接第二基准电压信 号VREF2 = 1.7V，其输出端与NM0S管M3的栅极连接，控制M3的导通关断。正常情况下，乘 法器的乘积信号PRODUCT低于1. 7V，NM0S管M3不能正常导通，总电流、流经R1产生乘积 信号PRODUCT = I0XR1 ；当PRODUCT高于1. 7V时，NM0S管M3导通，因而又拉低输出电压， 使第四运算放大器0P4工作在深度负反馈的状态下，从而保证0P4的两输入端上电压近似 相等，将乘积信号PRODUCT高箝位在第二基准电压信号VREF2 = 1. 7V上，以防止在有源功 率因数校正器应用中交流输入电流信号过大对系统所造成的损害。以上仅是本发明的一个最佳实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的 构思下，可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。
权利要求
一种总谐波失真优化模拟乘法器，其特征在于包括第一电压/电流转换电路(1)，用于接收第一输入信号MULTIN，输出电流信号I1到乘积电路(4)中；第二电压/电流转换电路(2)，用于接收第二输入信号COMP，输出电流信号I2到乘积电路(4)中；第三电压/电流转换电路(3)，用于接收第一基准电压信号VREF1，输出两路电流信号I3和I4到乘积电路(4)中；乘积电路(4)，用于对各转换电路输出的电流信号I1、I2、I3和I4进行乘除运算，输出总电流信号IO到电流/电压转换电路(5)中；电流/电压转换电路(5)，用于将乘积电路输出的总电流信号IO进行I-V转化，输出乘积信号PRODUCT到输出电压的高箝位电路(6)中；输出电压的高箝位电路(6)，用于将乘积信号PRODUCT高箝位在第二基准电压信号VREF2上。
2.根据权利要求1所述的总谐波失真优化模拟乘法器，其特征在于第一电压/电流 转换电路(1)，包括第一运算放大器OPl、补偿电压源Voff、两个PMOS管M4 M5、两个NMOS 管M6 M7、NPN三极管Q6以及转化电阻R2 ；第一运算放大器OPl和三极管Q6构成缓冲 器，两个PMOS管M4 M5以及两个NMOS管M6 M7组成电流镜；该缓冲器保证OP 1的两 输入端电压信号相等，且正相输入端接补偿电压源Voff的正极，Voff的负极接第一输入信 号MULTIN，反相输入端通过跨接转化电阻R2将输入电压信号转化为电流信号，该电流镜将 缓冲器转换的电流信号镜像，产生输出电流信号I1到乘积电路(4)中。
3.根据权利要求1所述的总谐波失真优化模拟乘法器，其特征在于所述第二电压/ 电流转换电路(2)，包括第二运算放大器0P2、两个PMOS管M8 M9、三极管Q7以及转化电 阻R3 ；第二运算放大器0P2和三极管Q7构成缓冲器，两个PMOS管M8 M9组成电流镜；该 缓冲器保证0P2的两输入端电压信号相等，且正相输入端接第二输入信号C0MP，反相输入 端通过跨接转化电阻R3将输入电压信号转化为电流信号，该电流镜将缓冲器转换的电流 信号镜像，产生输出电流信号I2到乘积电路(4)中。
4.根据权利要求1所述的总谐波失真优化模拟乘法器，其特征在于所述第三电压/ 电流转换电路(3)，包括第三运算放大器0P3，两个PMOS管M13 M14，三个NMOS管MlO M12，三极管Q8以及转化电阻R4 ；第三运算放大器0P3与三极管Q8构成缓冲器，三个NMOS 管MlO M12以及两个PMOS管M13 M14组成电流镜；该缓冲器保证0P3的两输入端电压 信号相等，且正相输入端接第一基准电压信号VREF1，反相输入端通过跨接转化电阻R4将 输入电压信号转化为电流信号，该电流镜将缓冲器转换的电流信号镜像，产生两路输出电 流信号I3和I4到乘积电路⑷中。
5.根据权利要求1所述的总谐波失真优化模拟乘法器，其特征在于所述乘积电路 (4)，包括五个NPN三极管Ql Q5，三极管Ql用于接收第一电压/电流转换电路(1)输出 电流I1,三极管Q2用于接收第二电压/电流转换电路(2)与第三电压/电流转换电路(3) 输出电流之差I2-I3,三极管Q3用于接收第三电压/电流转换电路(3)输出电流14，三极管 Q4用于产生总输出电流Itj到电流/电压转换电路(5)中，三极管Q5用于产生该乘积电路 (4)的偏置电压；三极管Ql Q4结构完全相同，且组成一个闭合回路。
6.根据权利要求1所述的总谐波失真优化模拟乘法器，其特征在于所述电流/电压 转换电路(5)，包括两个PM0S管Ml M2，转化电阻R1 ；两个PM0S管Ml M2组成电流镜，将 乘积电路(4)的总输出电流I。镜像，并通过跨接电阻R1转化为输出电压乘积信号PRODUCT。
7.根据权利要求1所述的总谐波失真优化模拟乘法器，其特征在于所述输出电压 的高箝位电路(6)，包括第四运算放大器0P4以及NM0S管M3，用于将输出电压乘积信号 PRODUCT高箝位在第二基准电压信号VREF2上。
全文摘要
本发明公开了一种总谐波失真优化模拟乘法器，主要解决现有技术交越失真大，和功率因数低的问题。它通过三个电压/电流转换电路分别将第一输入信号MULTIN、第二输入信号COMP和第一基准电压VREF1转化为四路电流信号I1～I4到乘积电路中；通过乘积电路对电流I1～I4进行乘除运算，输出总电流IO到电流/电压转换电路中；通过电流/电压转换电路，将乘积电路输出的总电流IO进行I-V转化，输出电压乘积PRODUCT到输出电压的高箝位电路中；通过输出电压的高箝位电路将乘积信号PRODUCT高箝位在第二基准电压VREF2上。本发明根据三极管基极-发射极间电压VBE与集电极电流IC之间对数关系来实现乘法功能，能够减小由交越失真产生的总谐波失真，进而提高功率因数，可用于有源功率因数校正器中。
文档编号G06G7/161GK101877044SQ20101017988
公开日2010年11月3日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者刘晨, 杜鹏飞, 来新泉, 王安, 王松林, 王辉 申请人:西安电子科技大学