專利名稱：一種對(duì)數(shù)放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)數(shù)放大器，特別涉及半導(dǎo)體集成技術(shù)構(gòu)成的對(duì)數(shù)放大器。 常用的對(duì)數(shù)放大器分為基本對(duì)數(shù)放大器、基帶對(duì)數(shù)放大器、解調(diào)對(duì)數(shù)放大器，他們 各有優(yōu)缺點(diǎn)。 基本對(duì)數(shù)放大器也稱跨導(dǎo)線性對(duì)數(shù)放大器，它基于雙極性三極管(BJT)的對(duì)數(shù)特 性來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的對(duì)數(shù)變換。這類對(duì)數(shù)放大器可以響應(yīng)緩慢變化的輸入信號(hào)，其特點(diǎn)是具有 優(yōu)良的直流精度和非常寬的動(dòng)態(tài)范圍，缺點(diǎn)是交流特性差。 基帶對(duì)數(shù)放大器也稱視頻對(duì)數(shù)放大器，它克服了基本對(duì)數(shù)放大器的缺點(diǎn)，能夠響 應(yīng)快速變化的輸入，交流特性好，但動(dòng)態(tài)范圍較小。 解調(diào)對(duì)數(shù)放大器也稱逐級(jí)檢波對(duì)數(shù)放大器，可以得到很好的對(duì)數(shù)傳遞特性，但往 往功耗較大，基本上大于30mA。 因此上述對(duì)數(shù)放大器無法滿足移動(dòng)基站、寬動(dòng)態(tài)信息處理、電子測(cè)量等領(lǐng)域?qū)τ?高精度、低功耗、大動(dòng)態(tài)對(duì)數(shù)放大器的需求。 本發(fā)明的目的在于提供一種精度高、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍寬，且對(duì)數(shù)斜率可調(diào)的對(duì)數(shù) 放大器集成電路。 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為 —種對(duì)數(shù)放大器，包括電壓電流轉(zhuǎn)換輸入級(jí)、電流電壓轉(zhuǎn)換輸出級(jí)以及恒流源，其 特征在于電壓電流轉(zhuǎn)換輸入級(jí)由五級(jí)線性對(duì)數(shù)放大器級(jí)聯(lián)方式組成，每級(jí)線性對(duì)數(shù)放大器 帶有放大級(jí)和跨導(dǎo)級(jí)，每個(gè)跨導(dǎo)級(jí)的輸出電流通過電流電壓轉(zhuǎn)換輸出級(jí)轉(zhuǎn)換為輸出電壓。
本發(fā)明的核心是用多個(gè)相同的線性放大器級(jí)聯(lián)來分段線性逼近對(duì)數(shù)函數(shù)。設(shè)有一 理想的開關(guān)電流源，當(dāng)輸入電壓小于L時(shí)輸出電流為零；當(dāng)輸入電壓大于等于L時(shí)，輸出電 流I1。如果N級(jí)理想開關(guān)電流源組成一電壓電流轉(zhuǎn)換輸入級(jí)，除了第一級(jí)外，其余每級(jí)都帶 有電壓放大器，電壓放大倍數(shù)為A。 N級(jí)電流源串聯(lián)后將輸入電壓逐級(jí)放大，則當(dāng)輸入電壓 為X(n) = L/An時(shí)，有N-n級(jí)輸出電流為(N-n)*I10這樣，在每個(gè)飽和點(diǎn)上，輸出電流Y(n) 為輸入電壓X(n)的函數(shù)。推導(dǎo)輸出和輸入電流電壓之間的關(guān)系式
由:Y(n) = (N-n)A， X(n) = L/An
得Y = (N-n)工i = [N+(lnX-lnL)/lnA]A
= 1^[N-l/lnA氺lnL+l/lnA氺ln幻=P+Q*lnX
背景技術(shù)：

發(fā)明內(nèi)容
即 Y = P+Q*lnX 這樣就完成了對(duì)數(shù)功能，如圖6所示。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是
1.雙電源供電優(yōu)化電路性能且功耗低6 9V，《14mA ; 2.上升時(shí)間快:《15ns ; 3.動(dòng)態(tài)范圍寬60dB ; 4.輸入電壓范圍寬0. 6mV 250mV 5.對(duì)數(shù)精度高《ldB ; 6.帶寬范圍寬67Mhz 7.噪聲低《50ii V 8.增益可調(diào)整、可補(bǔ)償失調(diào)電壓。


圖1是本發(fā)明對(duì)數(shù)放大器電路框圖； 圖2是本發(fā)明對(duì)數(shù)放大器電路中電壓電流轉(zhuǎn)換輸入級(jí)的原理圖； 圖3是本發(fā)明對(duì)數(shù)放大器電路中放大級(jí)的電路圖； 圖4是本發(fā)明對(duì)數(shù)放大器電路中恒流源的電路結(jié)構(gòu)圖； 圖5是本發(fā)明對(duì)數(shù)放大器電路中電流電壓轉(zhuǎn)換輸出級(jí)的電路結(jié)構(gòu)圖； 圖6是開關(guān)電流源輸入電壓和輸出電流關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述 結(jié)合圖1，由框圖可以看出電路主要由電壓電流轉(zhuǎn)換輸入級(jí)、電流電壓轉(zhuǎn)換輸出 級(jí)、恒流源、頻率補(bǔ)償電路等部分組成。 電壓電流轉(zhuǎn)換輸入級(jí)電路實(shí)現(xiàn)線性電壓到非線性電流的轉(zhuǎn)換，即大動(dòng)態(tài)范圍的電 壓轉(zhuǎn)換為小動(dòng)態(tài)范圍的電流。電壓電流轉(zhuǎn)換輸入級(jí)電路的輸入級(jí)中第一級(jí)帶有平衡調(diào)節(jié)功 能，可改善小信號(hào)下的輸出特性。 電流電壓轉(zhuǎn)換輸出級(jí)電路實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換，電流電壓轉(zhuǎn)換輸出級(jí)電路中采 用威爾遜電流鏡，抑制輸出電壓變化對(duì)電流鏡的對(duì)稱性影響。恒流源為電路提供穩(wěn)定的偏 置電流，恒流源電路中的基準(zhǔn)影響到輸出的最大值、輸出曲線的十倍頻程斜率。要保證電路 的溫度特性良好，恒流源必須不隨溫度變化。恒流源電路由電流基準(zhǔn)產(chǎn)生部分和溫度補(bǔ)償 部分組成。 頻率補(bǔ)償電路采用外補(bǔ)償，電路實(shí)現(xiàn)上，在圖5中的P13和輸出間引入了密勒電容 滯后補(bǔ)償。 結(jié)合圖2，為了提高輸入電壓范圍，使電路能夠響應(yīng)mV以下的信號(hào)，要求電路小信 號(hào)增益很大，響應(yīng)要快，因此對(duì)輸入級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出較高要求，單獨(dú)一、二級(jí)放大器無法滿 足要求。結(jié)合輸入電壓范圍和轉(zhuǎn)換速度的要求，輸入級(jí)結(jié)構(gòu)采用五級(jí)線性對(duì)數(shù)放大器級(jí)聯(lián) 方式，每級(jí)放大器帶有放大級(jí)和跨導(dǎo)級(jí)D，每個(gè)跨導(dǎo)級(jí)的輸出電流，通過電流電壓轉(zhuǎn)換輸出 級(jí)轉(zhuǎn)換為輸出電壓Vout，放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為15dB左右，這樣既滿足小信號(hào)的增益要求，動(dòng)態(tài) 范圍寬，又提高了響應(yīng)速度。 另外要達(dá)到對(duì)數(shù)精度《ldB，需要電路具有較高的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換特性及良好的對(duì)數(shù)斜 率，因此跨導(dǎo)放大輸入級(jí)的放大倍數(shù)要一致，跨導(dǎo)級(jí)和放大級(jí)的飽和點(diǎn)相同，恒流源的大小一致，保證斜率相同。 結(jié)合圖3，每一級(jí)放大器帶有放大級(jí)和跨導(dǎo)級(jí)，Ql和Rl為放大級(jí)，Q3和R3組成跨 導(dǎo)級(jí)，Q5和R5， Q6和R6分別為放大級(jí)和跨等級(jí)相對(duì)應(yīng)的恒流源。放大級(jí)輸出電壓和輸入 電壓之間關(guān)系式 Vdo = _R1*I0* ((exp (Vin/VT)_1)/ ((exp (Vin/VT)+1)
小信號(hào)時(shí)電壓放大倍數(shù)為
A = _R1*I0/(2VT) 其中10為放大級(jí)的恒流源電流，Rl為負(fù)載電阻。 在大信號(hào)時(shí)，放大級(jí)因?yàn)殡娏黠柡?，最大輸出電壓為Vmax = R1*I0 跨導(dǎo)級(jí)的輸入電壓和輸出電流關(guān)系滿足以下方程 Vin = VTln A + ( A -1) R3*I 1/ ( A +1) Ido = (A-l)Ib II = (A+l)Ib 其中A為跨導(dǎo)級(jí)兩差分驅(qū)動(dòng)管的輸出電流之比，S卩A = Ia/Ib， Ido為差分輸出 電流，II為恒流源電流。 在Vin為小信號(hào)時(shí)，跨導(dǎo)級(jí)跨導(dǎo)為g = 1/R3 在Vin為大信號(hào)時(shí)，跨導(dǎo)級(jí)輸出電流飽和，輸出電流為II。 根據(jù)上述電路圖知，跨導(dǎo)級(jí)在放大級(jí)飽和后才能飽和，跨導(dǎo)級(jí)在飽和時(shí)輸入電壓 為Vosat = I1*R3。放大級(jí)飽和輸出電壓為I0*R1。從相移和噪聲兩方面考慮，電路設(shè)計(jì) 中，將放大級(jí)恒流源設(shè)計(jì)為跨導(dǎo)級(jí)恒流源的2倍，即10 = 2*11。因此為了使放大級(jí)在跨導(dǎo) 級(jí)之前飽和，Rl應(yīng)小于R3的一半。 結(jié)合圖4，本電路的恒流源基準(zhǔn)影響到輸出的最大值、輸出曲線的十倍頻程斜率。 要保證電路的溫度特性良好，恒流源必須不隨溫度變化。 本電路的恒流源由電流基準(zhǔn)產(chǎn)生部分和溫度補(bǔ)償部分組成。電流基準(zhǔn)產(chǎn)生部分 中，采用電流鏡，利用發(fā)射極串聯(lián)電阻的電流負(fù)反饋?zhàn)饔?，使得電流基?zhǔn)的集電極電流完全 相等。根據(jù)電壓和電流平衡關(guān)系，可知發(fā)射極電流12滿足以下關(guān)系式
I2*R139 = VT*ln6 所以，12 = VTln6/R139 = (kT/q)*ln6/R139。常溫下，VT = 26mV，得12 = 204uA， 12是與溫度成正比的電流源。 恒流源的溫度補(bǔ)償部分是利用三極管Q081和電阻R138的溫度系數(shù)相反的原理。 由于電阻阻值與溫度成正比，具有正溫度系數(shù)；而三極管上的電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，溫度系 數(shù)為-2. 32mV/°C。所以選擇合適的電阻即可達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?另外為了使用方便，電路設(shè)有斜率調(diào)整端P9，通過改變恒流源的大小，可以方便的
調(diào)整對(duì)數(shù)斜率。電路設(shè)有失調(diào)調(diào)整端，這樣可以消除失調(diào)帶來的影響。 恒流源的輸出部分為vbias，與圖3中跨導(dǎo)部分的輸入相對(duì)應(yīng)。 結(jié)合圖5，輸入級(jí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換電流INI 、 IN2通過PNP管發(fā)射極輸入，從集電極輸出，
實(shí)現(xiàn)阻抗變換，電路內(nèi)部采用共基極達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，以便提高電流放大系數(shù)，使得高頻下電流
放大系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)可以提高截止頻率。Q19和Q020實(shí)現(xiàn)電流雙端輸入到單端輸
出的轉(zhuǎn)換。Q81、Q82為威爾遜電流鏡，采用威爾遜電流鏡，抑制輸出電壓變化對(duì)電流鏡的對(duì)
5稱性影響。 達(dá)林頓的偏置電流會(huì)影響輸出部分的功耗和輸出部分的線性度。偏置電流決定了 其發(fā)射極的串聯(lián)電阻。為了保證線性度，發(fā)射極阻抗要比串聯(lián)電阻小得多。為了降低電路 功耗，該電阻也要精心選擇。
權(quán)利要求
一種對(duì)數(shù)放大器，包括電壓電流轉(zhuǎn)換輸入級(jí)、電流電壓轉(zhuǎn)換輸出級(jí)以及恒流源，其特征在于電壓電流轉(zhuǎn)換輸入級(jí)由五級(jí)線性對(duì)數(shù)放大器級(jí)聯(lián)方式組成，每級(jí)線性對(duì)數(shù)放大器帶有放大級(jí)和跨導(dǎo)級(jí)，每個(gè)跨導(dǎo)級(jí)的輸出電流通過電流電壓轉(zhuǎn)換輸出級(jí)轉(zhuǎn)換為輸出電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高精度、低功耗、大動(dòng)態(tài)的對(duì)數(shù)放大器，包括電壓電流轉(zhuǎn)換輸入級(jí)、電流電壓轉(zhuǎn)換輸出級(jí)以及恒流源，其特征在于電壓電流轉(zhuǎn)換輸入級(jí)由五級(jí)線性對(duì)數(shù)放大器級(jí)聯(lián)方式組成，每級(jí)線性對(duì)數(shù)放大器帶有放大級(jí)和跨導(dǎo)級(jí)，每個(gè)跨導(dǎo)級(jí)的輸出電流通過電流電壓轉(zhuǎn)換輸出級(jí)轉(zhuǎn)換為輸出電壓，以及為電路提供偏置的恒流源和頻率補(bǔ)償?shù)炔糠?。本發(fā)明通過合理設(shè)計(jì)每一級(jí)的放大倍數(shù)，提高了電路的動(dòng)態(tài)范圍；精心設(shè)計(jì)恒流源，提高對(duì)數(shù)精度、降低電路功耗，并設(shè)置了失調(diào)調(diào)整端和斜率調(diào)整端。具有體積小，動(dòng)態(tài)范圍寬、功耗低、精度高、使用靈活等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06G7/24GK101794368SQ20091018521
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者何汪來, 劉德狀, 呂江萍, 武風(fēng)芹 申請(qǐng)人:華東光電集成器件研究所