[发明专利]一种基于CMOS工艺的低温度系数对数放大器

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温度系数的对数放大器。基于负反馈理论中的主从控制思想，用来自带隙基准的与绝对温度成正比的偏置电流的温度特性补偿基本对数放大器的系数的与绝对温度成正比的特性，实现一种低温度系数的对数放大器的设计。电路结构简单，可以在标准CMOS工艺中实现，同时还具有低电压（1.2V）下工作的特点。

背景技术

对数放大器的输出信号和输入信号之间具有对数关系。尽管数字集成电路已经几乎能够涵盖所有的信号计算，但是在信号压缩等方面，对数放大器却一直扮演着重要角色。利用对数函数的压缩特性可以对宽动态范围的信号进行压缩，因而可以降低对量化模拟信号的模数转换器的分辨率要求，进而降低系统成本。因此，对数放大器仍然是许多医疗设备、视频信号处理、测试、射频收发等系统中的关键模块。

一般利用双极型晶体管中集电极电流与基极-发射极电压的指数关系来实现对数运算。输入电压信号通过一个电阻转换成电流信号，运算放大器的反馈作用可以确保几乎所有电流信号由双极型晶体管的集电极吸入，进而在双极型晶体管的发射极产生对数关系的电压信号。但是这里会有两个问题，一个是反向饱和电流的大小受温度和工艺变化影响；另一个是输出信号中含有一个大小为热电压的系数，它是与绝对温度成正比的。前者可以通过双极型晶体管对管的反向饱和电流相互抵消来解决，对管可以在工艺上实现很高的匹配性；后者的传统解决办法是通过选择合适的电阻温度探测器和设置放大器的反馈电阻来尽量消除系数的温度特性，但是这涉及很多片外元件，而且需要额外的温度监视电路，并利用复杂的数字集成电路进行校正。虽然这样可以实现很精确的输出与输入的对数特性，但是却以极大的硬件开销和系统复杂化为代价。在诸如无线传感网网络节点的射频收发电路设计中，由于追求低功耗、低成本以及单片集成等特点，传统的对数电路的应用受到限制。

本设计以模拟集成电路的方式实现了对数放大器的温度补偿。结构简单，标准CMOS工艺下即可实现；可在低电压（1.2V）环境下应用，不包括带隙基准的静态电流消耗仅300微安。可应用于无线传感网络节点射频收发机芯片中的接收信号强度检测器设计中。

对于恒包络解调的射频信号接收系统，其信号接收链路的增益需要根据接收信号强度进行调整，以使送给模数转换器的基带模拟信号具有恒定的幅度。尽管接收信号强度检测可以在数字域实现，但是步骤复杂，检测范围小，精度差。目前接收信号强度检测主要采用模拟电路的方法实现，但是大多数模拟电路实现的接收信号强度检测器的检测结果是与输入信号幅度呈线性关系的，因此对于特定分辨率的模数转换器，可检测的信号动态范围有限。如果我们利用对数函数的压缩特性对检测器结果进行处理，则可大大提高检测信号的动态范围，提高自动增益控制环路的响应时间。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种基于CMOS工艺的低温度系数对数放大器，本发明用简单的电路结构实现了温度补偿，功耗低。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于CMOS工艺的低温度系数对数放大器，该对数放大器包括基本对数电路、温度补偿放大电路、感应温度变化电路和基准与偏置产生电路；其中，

基本对数电路，对输入信号作对数转化，获得对数信号并输出给温度补偿放大电路，该对数信号具有与绝对温度成正比的温度系数；

感应温度变化电路，用于产生控制信号，以控制温度补偿放大电路的工作；

温度补偿放大电路，实现对上述对数信号的温度系数的消除；

基准和偏置产生电路，给基本对数电路和感应温度变化电路提供基准电压、电流，并给感应温度变化电路提供所需要的与绝对温度成正比的电流。

优选的，基本对数电路包括第一电阻，第一运算跨导放大器，第一NPN型双极晶体管和第二NPN型双极晶体管，第一缓冲器，第一恒流源以及第四恒流源；

温度补偿放大电路包括第二PMOS管和第三PMOS管，第三电阻以及第二运算跨导放大器；

感应温度变化电路包括第二电阻，第三运算跨导放大器，第二恒流源和第三恒流源以及第一PMOS管，其中I2是与绝对温度成正比的电流源；