电流模式的绝对值电路

电流模式的绝对值电路 厂_]垄壁 陈静秋王百鸣彭文达 (1.华中科技大学光电子科学与工程学院,湖北武汉450074;1.深圳大学物理科学学 院,广东深圳51806, 2. 深圳大学信息工程学院EDA技术中心,广东深圳518060;3.深圳大学光电子学研 究所,广东深圳518060) 摘要:相对于电压模式,电流模式具有转换速度快,频带宽,低电压,功耗低的特点.本 文利,~0PA861跨导型的放大器一种电流 模式的绝对值电路,其带宽可达8OMhz,而延迟时间仅~2nsv2内.而一般的电压模 式带宽只能达到2Mhz,延迟需要o.1p-以上…. 关键词:电流模式;数模转换;分级;绝对值电路;一 AAbsoluteValBeCircuitinCurrentMode CHENling.qiu?NGBai.mingPENGWen.da (1.InstituteofOptoelectronicsScienceandEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074 China;1.Instituteofphysics,ShenzhenUniversity,Shenzhen,Guangdong518060,China;2TheEDATechnology Center,CollegeofInformationEngineering,ShenzhenUniversity,Shenzhen,Guangdong518060,China;3.Institute ofOptoelectronics,ShenzhenUniversity,Shenzhen,Guangdong518060,China) Abstract:comparetovoltagemode.currentmodecircuithavehightconvertspeed,broadband,lowervoltageand lowerlOSSpower.Inthehispaper.wedeviseacurrentmodecircuitofabsolutevaluecircuitbyopa861transconductance ampliferthecircuit'Sbandwidthcometo80megHzandithasonly2nsdelay.butthesamecircu itdevisedbyvoltage modedevice.itsbandwidthiSonly2megHzanditsdelaytimeiSabove0.1USl1'. Keywords:currentmode:ADC;Subranging;absolutevaluecircuit l前言 1.1紧密的绝对值电路 所谓绝对值电路就是实现输出电压等于输入电压的绝 对值(U.:Fu,I).绝对值电路是分级式A/D转换的关键部 分,其频率特性直接地影响A/D的频率特性.图1是一种典 型的精密的绝对值电路. 利用电压模式的运算放大器的精密整流电路原理设计 的一种典型的精密的绝对值电路(图1.1). 日 图1.1一种典型的精密绝对值电路 figurel_latypicalpreciSOIlabsolutevalue Circuit 电路主要有三部分组成:同向运算运算放大电路,二 极管整流电路,差分放大电路.在本电路中电压运算放大 收稿日期:2007—12—07修回日期:2007—12—26 使用AD8009,其小信号的带宽为lG,和差分电压放大器使用 LT1193,其带宽为80Mhz,工作原理为: 当U0时,AD8009的输出端6输出电压为正值,所以 D导通,D,截止.忽略二极管的导通电阻,假设二极管的反 向截止的电阻为无穷大,差分放大器的输入电阻为无穷 大,可以合理地忽略二极管的开启电压,所以可以得到U+= = 2U,,u一=簧=U,.所以差分放大输出 UU一U2UU=U.3 当Uc0时,AD8009的输出端6输出电压为正值,所以 D导通,D截止.忽略二极管的导通电阻,假设二极管的反 向截止的电阻为无穷大,差分放大器的输入电阻为无穷 大,忽略二极管的开启电压,所以可以得到U+=照U u=鱼=2U 一所以差分放大输出 UU+一UU一2U一UI. 所以该电路可以很好的完成信号的绝对值运算.在高 频时二极管结电容的影响了阻抗的匹配,输出幅度发生了 改变.结电容在二极管正反向是大小不一致,导致U+,U一信 号出现了相位差,再在差分放大电路的放大下,电路高频 特性下的失真也得到了放大.因此电压模式的绝对值电路 19 中胃西部科技2008?们 在高频信号下的工作,受到了限制. 1.2电流模式的电路和跨导线性原理 在电子电路中,尤其是在模拟电子电路中,人们长久以 来习贯于用电压而不是电流作为信号变量,并通过处理电压 信号来决定电路的功能.依次促成了大量的电压信号处理 电路或称为电压模式的电路的诞生和发展.随着被处理的 信号频率越来越高,电压型运算放大器固有的缺陷阻碍它 在高频高速的环境中使用.电压型运算放大器缺点之一 是,在一3DB的闭环增益带宽和闭环增益的乘积是常数,频 带向高频区扩展时,增益下降;缺点二是,它在大信号输 出电压的最高转换频率很低,一般只有0,2一20. 与通常的电压模式电路相区别,所谓电流模式电路是 指电路的主要变量是以电流而不是以电压形式来述.按 照输出信号不同的量纲的组合方式划分,可有四种基本放 大器,即电压放大器(电压输出/电压输入),电流放大器 (电流输出/电流输入),跨阻放大器(电压输出/电流输 入),跨导放大器(电流输出/电压输入).我们一般将电 流放大器,跨阻放大器,跨导放大器称为电流模式的电 路.电流模式电路技术作为一种重要的,具有很大发展潜 力的模拟信号处理技,引起了国际学术界的极大关注, 并迅速成为国际电路与系统,微电子学,计算机科学和信 息科学等领域的前沿课和研究热点之一. 双极性晶体管和场效应管都是跨导型放大器,以双极 性晶体管为例,集电极电流I与基极电压V之间的关系是: / 』:lser(1.2) 对1.2微分可以得到: 盟:gm :(1.3)dv口" 式中g为跨导,V是热电压,由1.3是可以得出g是 Ic的线性关系,进一步分析得知,在Ic的PA数量级至MA数量 级内的线性关系得以保持r.所以用跨导型放大器,信号放 大的失真度很小. 电流模式电路技术作为一种重要的,具有很大发展潜 力的模拟信号处理技?,引起了国际学术界的极大关注, 并迅速成为国际电路与系统,微电子学,计算机科学和信 息科学等领域的前沿课题和研究热点之一. 2用跨导型放大器0Pk861构建第=代电流传输器 Smith和Sedra在1970年通过对CCI的特性加以改 进,提出了没有电流流入Y输入端口的第二代电流传输 器.其电路符号和零极子表示法如图2.1所示,其端口特 性的混合矩阵关系式见2,1式. +:CCU+ . :CCH. Z c=:)【:== 图2.1Cell电路符号及零极子表示 20 frir0oo1fVrf{ VJ100}={Jr?一1,lJL o0Jlj… 其中Iz=+h,表示CEIl+,Iz=一Ix,表示CCII一.CCII的 Y输入端口具有高输入阻抗特性(MQ级),x端口电压跟随 Y端口电压且输入电阻很小(<i00Q,z输出端的电流会跟 随x端口的电流,且具有高输出阻抗特性(MQ级). CCII是第二代电流传输器.它具有数度快,频带宽, 输出电阻高,电源电压低,功耗低的优点. OPA861是TI公司一个通用的集成电路,它广泛的应用 于宽频带的系统中,例如:高品质的视频电路,射频电路 等.它是一个由外部电流控制的宽带的,双极跨导型的放 大器.我们采用固定外部电流的方式,可以构成CCII+电流 传输器.由OPA861构成的第二代电流传输器电路如图2.1. 】r上 一一 - 5V 图2.1由0PA861构建的CCII figure2.1Second—generationcurrentbyopa861 3电流模式的绝对值电路及其工作原理 由CCII+构成的折叠电路示意图如图3.1所示,其主要 结构有两个CCII+模块和四个二极管组成. 图3.1电流模式的绝对值电路 电路构成CCII+电路,工作的原理是:CCII+端口传输特 性,我们知道vJ跟随V,由电路图分析可知:V=V(信号 源的电压),Vx2=0.由其电流传输特性可知: = .:(3.1) 由3.1式可以得知,理论上无论负载R,怎么改变,输出 的电流不会改变.假设Ui)0时,流过R.的电流的方向和 I和I.如图3.1所示,则二极管D导通,D截止,此时: Uoo~ =Iz,R(3.2) 由3.1式和3.2式可以知道: = 簧u(3.3) 当R.=R时, U=Iv.J(3,4) 当u.)0N,流过R的电流的方向和I和I如图3.1所示 的相反的方向,则二极管D.导通,D截止. 当R.=R时, U,=J(3.5) 由3.4式和3.5式可以得出,无论u的正负,Uout都等 于J.所以该电路可以完成参考电压等于零的折叠功能. 4仿真实验结果及结果分析 在pspice上我们按图3.1电路连接,取电源电压为-+5V, R=R,取信号源电压为0.5V,频率为50Mhz,仿真结果如图 4】 U(v} 0.5 /.:\.05115/2oI/T(ns /\/\ - O.S 图4.1电流模式中绝对值仿真结果 对Uout进行中心频率为lOOMhz,分析到第九次谐波,其 总的谐波失真度D=6.5547%,相位延迟小于2ns.结果非常理 想. 对比电压模式的绝对值电路(图1.1),我们信号源的 幅度0.5v,频率为lOMhz的仿真结果如图4.2.频率和幅度完 全失真. , In /,L \ 图4.2电压模式绝对值电路仿真结果 figure4.1Simulateresultofabsolutevaluein voltagemodecircuit. 对比图4.1和图4.2不难看出电流模式在高频领域的优 r_]窒 势. 5结论 本文利用跨导型电流模式集成放大器OPA861构建的绝 对值放大器在高频领域内有很好的表现,体现了电流模式 电路速度快,频率高,失真小的特点. 进一步的分析表明,该电路主要有以下几个方面的特 点: 其一,该电路是用电流而不是电压作为信号变量. 该电路使用的是跨导型的放大器,由于所有的晶体管 和场效应管都是跨导型的结构,减少了电压模式需要将输 出电流转化为电压的过程,起而代之是直接输出电流,因 此转换时问会减少. 另外,由电路的理论我们知道,理论上电容对电流没 有延迟效应,后级整流的二极管结电容对电流信号的延迟 为零,输出的电流可以直接相加,相对于电压模式,电流 模式结构也简单得多,输出的信号延迟自然减少,频带也 可以拓宽,失真也少. 其二,电路中采用跨导型放大器: 由跨导线性理论我们知道g是Io的线性关系,I的PA数 量级至MA数量级内的线性关系得以保持.所以用跨导型放 大器,信号放大的失真度可以有很好的表现. 其三,该电路在仿真过程中,存在V跟随V的幅度上存 在误差,其原因待进一步分析. 参考文献: [1]赵玉山,周跃庆等.电流模式的电子电路[M].天津:天津大 学出版社,2001. 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