电流产生电路、对数放大器及其对数斜率温度稳定性提升方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种电流产生电路、对数放大器及其对数斜率温度稳定性提升方法。

背景技术

对数放大器是接收系统中的关键元器件，广泛应用于雷达、电子对抗等领域，其功能是将大动态输入信号进行放大压缩。对数放大器主要应用于接收机的中间级，实现对信号链路的增益调整。传统对数放大器存在体积大、成本高等问题，还存在高低温下对数斜率波动大的问题，对数斜率的温度波动直接影响对数放大器的对数精度核心指标，进而会影响接收系统的精度与动态范围。

因此，目前亟需一种提升对数放大器对数斜率温度稳定性的技术方案。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种对数放大器对数斜率温度稳定性提升技术方案，以解决上述技术问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案如下。

一种电流产生电路，包括：

偏置模块，产生偏置电压和反馈电压，所述反馈电压的温度系数为零；

电流产生模块，接所述偏置电压和所述反馈电压，产生N个偏置电流，所述偏置电流的温度系数为零；

其中，N为大于等于2的整数。

可选地，所述偏置模块包括分压单元、差分放大单元、尾电流源单元及跟随输出单元，所述差分放大单元与所述尾电流源单元连接，所述尾电流源单元为所述差分放大单元提供偏置电流，所述差分放大单元的第一输入端接所述分压单元，所述差分放大单元的第二输入端输出所述反馈电压，所述跟随输出单元的输入端接所述差分放大单元的输出端，所述跟随输出单元的输出端输出所述偏置电压。

可选地，所述分压单元包括第一电阻和第二电阻，负电源经依次串接的所述第一电阻及所述第二电阻后接地；所述差分放大单元包括第一PNP三极管、第二PNP三极管、第一NPN三极管、第二NPN三极管、第三电阻及第四电阻，所述第一PNP三极管的发射极经串接的所述第三电阻后接地，所述第一PNP三极管的基极接所述第一PNP三极管的集电极，所述第一PNP三极管的集电极接所述第一NPN三极管的集电极，所述第一NPN三极管的基极接所述第一电阻与所述第二电阻的公共端，所述第一NPN三极管的发射极接所述第二NPN三极管的发射极，所述第二NPN三极管的基极输出所述反馈电压，所述第二NPN三极管的集电极接所述第二PNP三极管的集电极，所述第二PNP三极管的基极接所述第一PNP三极管的基极，所述第二PNP三极管的发射极经串接的所述第四电阻后接地。

可选地，所述尾电流源单元包括第三NPN三极管、第四NPN三极管及第五电阻，所述第三NPN三极管的集电极经串接的所述第五电阻后接地，所述第三NPN三极管的集电极还接所述第三NPN三极管的基极，所述第三NPN三极管的发射极接所述负电源，所述第四NPN三极管的发射极接所述负电源，所述第四NPN三极管的基极接所述第三NPN三极管的基极，所述第四NPN三极管的集电极接所述第一NPN三极管的发射极；所述跟随输出单元包括第五NPN三极管及第六电阻，所述第五NPN三极管的集电极接地，所述第五NPN三极管的基极接所述第二NPN三极管的集电极，所述第五NPN三极管的发射极经串接的所述第六电阻后接所述负电源，且所述第五NPN三极管的发射极输出所述偏置电压。

可选地，所述电流产生模块包括N个电流产生单元；第一个所述电流产生单元接所述偏置电压和所述反馈电压，第一个所述电流产生单元产生并输出第一个所述偏置电流；第i个所述电流产生单元接所述偏置电压，第i个所述电流产生单元产生并输出第i个所述偏置电流，i的取值为2～N的整数。

可选地，所述电流产生单元包括NPN三极管及电阻；在第一个所述电流产生单元中，所述NPN三极管的基极接所述偏置电压，所述NPN三极管的发射极经串接的所述电阻后接所述负电源，所述NPN三极管的发射极还接所述反馈电压，所述NPN三极管的集电极输出第一个所述偏置电流；在第i个所述电流产生单元中，所述NPN三极管的基极接所述偏置电压，所述NPN三极管的发射极经串接的所述电阻后接所述负电源，所述NPN三极管的集电极输出第i个所述偏置电流。

可选地，所述第一电阻的温度系数与所述第二电阻的温度系数相同，所述电流产生模块中各个所述电阻的温度系数为零，所述电流产生模块中各个所述NPN三极管的参数规格相同。

一种对数放大器，包括对数放大模块及上述任一项所述的电流产生电路，所述对数放大模块包括N个差分对数单元，N个所述差分对数单元与N个所述偏置电流一一对应连接。

一种对数放大器的对数斜率温度稳定性提升方法，包括：

产生N个温度系数为零的偏置电流；

将N个所述偏置电流一一对应接入所述对数放大器的N个差分对数单元中，作为所述差分对数单元的尾电流；

其中，N为大于等于2的整数。

可选地，所述产生N个温度系数为零的偏置电流的步骤，包括：

提供分压网络、运算放大器、晶体管及电阻；

通过所述分压网络产生温度系数为零的反馈电压；

通过所述运算放大器产生偏置电压，并将所述偏置电压加载到所述晶体管的控制端；

通过所述运算放大器将所述反馈电压映射到所述晶体管输入端串接的所述电阻上，在所述晶体管的输出端上产生温度系数为零的所述偏置电流。

如上所述，本发明提供的电流产生电路、对数放大器及其对数斜率温度稳定性提升方法，至少具有以下有益效果：

通过偏置模块产生偏置电压和温度系数为零的反馈电压，再通过电流产生模块配合偏置电压和反馈电压产生温度系数为零的N个偏置电流，而对数放大器中对数斜率的温度稳定性主要与差分对数单元的偏置电流相关，将这N个偏置电流一一对应接入对数放大器的N个差分对数单元中，作为差分对数单元的尾电流，进而可有效提升对数放大器的对数斜率温度稳定性。

附图说明

图1显示为本发明中电流产生电路的结构框图。

图2显示为本发明一可选实施例中电流产生电路的电路图。

图3显示为图2中电流产生电路的等效电路图。

图4显示为本发明中对数放大器的结构框图。

图5显示为本发明一可选实施例中对数放大器的电路图。

图6显示为本发明一可选实施例中偏置电流随温度的波动变化图。

附图标记说明

1—偏置模块，2—电流产生模块，3—对数放大模块，Vb—偏置电压，Vr—反馈电压，VCC—正电源，VEE—负电源，GND—地，R1—第一电阻，R2—第二电阻，R3—第三电阻，R4—第四电阻，R5—第五电阻，R6—第六电阻，R7、R01、R02、…、R0N—电阻，P1—第一PNP三极管，P2—第二PNP三极管，N1—第一NPN三极管，N2—第二NPN三极管，N3—第三NPN三极管，N4—第四NPN三极管，N5—第五NPN三极管，N01、N02、…、N0N、N11、N12、…、N1N、N21、N22、…、N2N—NPN三极管，I

具体实施方式

如前述在背景技术中所提及的，发明人研究发现：在高温、低温等极端温度环境下，传统对数放大器的对数斜率波动较大，对数斜率的温度波动直接影响对数放大器的对数精度核心指标，进而会影响接收系统的精度与动态范围，而对数放大器中对数斜率的温度波动主要与差分对数单元偏置电流的温度波动相关。

基于此，本发明提出一种对数放大器对数斜率温度稳定性提升方案：先通过偏置模块与电流产生模块的配合产生温度系数为零的偏置电流，再将偏置电流接入对数放大器的差分对数单元中，作为差分对数单元的尾电流，以提升对数放大器的对数斜率温度稳定性。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如图1所示，本发明提供一种电流产生电路，其包括：

偏置模块1，产生偏置电压Vb和反馈电压Vr，反馈电压Vr的温度系数为零；

电流产生模块2，接偏置电压Vb和反馈电压Vr，产生N个偏置电流，即偏置电流I

其中，N为大于等于2的整数。

详细地，在本发明的一可选实施例中，如图2所示，偏置模块1包括分压单元、差分放大单元、尾电流源单元及跟随输出单元，差分放大单元与尾电流源单元连接，尾电流源单元为差分放大单元提供偏置电流，差分放大单元的第一输入端接分压单元，差分放大单元的第二输入端输出反馈电压Vr，跟随输出单元的输入端接差分放大单元的输出端，跟随输出单元的输出端输出偏置电压Vb。

更详细地，如图2所示，分压单元包括第一电阻R1和第二电阻R2，负电源VEE经依次串接的第一电阻R1及第二电阻R2后接地GND；差分放大单元包括第一PNP三极管P1、第二PNP三极管P2、第一NPN三极管N1、第二NPN三极管N2、第三电阻R3及第四电阻R4，第一PNP三极管P1的发射极经串接的第三电阻R3后接地GND，第一PNP三极管P1的基极接第一PNP三极管P1的集电极，第一PNP三极管P1的集电极接第一NPN三极管N1的集电极，第一NPN三极管N1的基极接第一电阻R1与第二电阻R2的公共端，第一NPN三极管N1的发射极接第二NPN三极管N2的发射极，第二NPN三极管N2的基极输出反馈电压Vr，第二NPN三极管N2的集电极接第二PNP三极管P2的集电极，第二PNP三极管P2的基极接第一PNP三极管P1的基极，第二PNP三极管P2的发射极经串接的第四电阻R4后接地GND。

更详细地，如图2所示，尾电流源单元包括第三NPN三极管N3、第四NPN三极管N4及第五电阻R5，第三NPN三极管N3的集电极经串接的第五电阻R5后接地GND，第三NPN三极管N3的集电极还接第三NPN三极管N3的基极，第三NPN三极管N3的发射极接负电源VEE，第四NPN三极管N4的发射极接负电源VEE，第四NPN三极管N4的基极接第三NPN三极管N3的基极，第四NPN三极管N4的集电极接第一NPN三极管N1的发射极；跟随输出单元包括第五NPN三极管N5及第六电阻R6，第五NPN三极管N5的集电极接地GND，第五NPN三极管N5的基极接第二NPN三极管N2的集电极，第五NPN三极管N5的发射极经串接的第六电阻R6后接负电源VEE，且第五NPN三极管N5的发射极输出偏置电压Vb。

更详细地，在如图2所示的电路中，偏置模块1中的差分放大单元、尾电流源单元及跟随输出单元构成运算放大器，其等效电路图如图3所示，第一NPN三极管N1的基极作为运算放大器的第一输入端(同相输入端)，第二NPN三极管N2的基极作为运算放大器的第二输入端(反相输入端)，第五NPN三极管N5的发射极作为运算放大器的输出端。

详细地，如图2所示，电流产生模块2包括N个电流产生单元；第一个电流产生单元接偏置电压Vb和反馈电压Vr，第一个电流产生单元产生并输出第一个偏置电流I

更详细地，如图2所示，第j个电流产生单元包括NPN三极管N0j及电阻R0j，j的取值为1～N的整数；在第一个电流产生单元中，NPN三极管N01的基极接偏置电压Vb，NPN三极管N01的发射极经串接的电阻R01后接负电源VEE，NPN三极管N01的发射极还接反馈电压Vr，NPN三极管N01的集电极输出第一个偏置电流I

需要说明的是，在分压单元中，第一电阻R1与第二电阻R2为同类型电阻，第一电阻R1的温度系数与第二电阻R2的温度系数相同；电流产生模块2中各个电阻R01、R02、…、R0N的温度系数为零或者近似为零，可以选用温度系数很好的SiCr(铬硅)电阻；电流产生模块2中各个NPN三极管N01、N02、…、N0N的参数规格相同，对应的导通电压Vbe相等；电流产生模块2中各个电阻R01、R02、…、R0N的电阻值相等。

更详细地，针对如图2所示的电流产生电路，其等效电路图如图3所示，偏置模块1中的运算放大器将第一电阻R1与第二电阻R2公共端的电压反馈到电流产生模块2中的第一个电流产生单元，根据理想运算放大器的虚短理论，第一NPN三极管N1的基极电压与第二NPN三极管N2的基极电压相等，而第一电阻R1的一端接第一NPN三极管N1的基极、另一端接负电源VEE，电阻R01的一端接第二NPN三极管N2的基极、另一端接负电源VEE，所以，第一电阻R1上的压降等于电阻R01上的压降，即为

其中，V

在分压单元中，由于第一电阻R1的温度系数与第二电阻R2的温度系数相同，分压后温度系数可以抵消，第一电阻R1上的压降V

同时，本发明还提供一种对数放大器，如图4-图5所示，其包括对数放大模块3及上述电流产生电路，对数放大模块3包括N个差分对数单元，每个差分对数单元均为差分对结构，N个差分对数单元与N个偏置电流一一对应连接，每个差分对数单元的尾电流均为温度系数为零的偏置电流，能提高差分对数单元及对数放大器的温度稳定性。其中，IN1、IN2、…及INN分别为N个差分对数单元的输出，OUT为N个差分对数单元的输出求和，VCC为正电源，N11、N12、…、N1N、N21、N22、…、N2N分别为NPN三极管。

在本发明的一可选实施例中，对如图1-图2所示的电流产生电路及如图4-图5所示的对数放大器进行仿真实验，工作电压(正电源VCC和负电源VEE)为±5V，电源电流在3mA以内，电流产生模块2产生的N路偏置电流在-55～125℃高低温下的电流波动变化图如图6所示，偏置电流的波动变化在0.1％以内，可以忽略不计，这对提高对数放大器的对数斜率温度稳定性具有比较好的作用。

此外，基于上述电流产生电路的设计思路，本发明还提供一种对数放大器的对数斜率温度稳定性提升方法，其包括步骤：

S1、产生N个温度系数为零的偏置电流；

S2、将N个偏置电流一一对应接入对数放大器的N个差分对数单元中，作为差分对数单元的尾电流；

其中，N为大于等于2的整数。

详细地，与上述电流产生电路相对应，产生N个温度系数为零的偏置电流的步骤S1，进一步包括：

S11、提供分压网络、运算放大器、晶体管及电阻；

S12、通过分压网络产生温度系数为零的反馈电压；

S13、通过运算放大器产生偏置电压，并将偏置电压加载到晶体管的控制端；

S14、通过运算放大器将反馈电压映射到晶体管输入端串接的电阻上，在晶体管的输出端上产生温度系数为零的偏置电流。

在上述方法中，先通分压网络、运算放大器、晶体管及电阻的配合产生温度系数为零的偏置电流，再将偏置电流接入对数放大器的差分对数单元中，作为差分对数单元的尾电流，由于该偏置电流的温度稳定性较好，可以有效提升对数放大器的对数斜率温度稳定性。

综上所述，在本发明提供的电流产生电路、对数放大器及其对数斜率温度稳定性提升方法中，通过偏置模块产生偏置电压和温度系数为零的反馈电压，再通过电流产生模块配合偏置电压和反馈电压产生温度系数为零或者近似为零的多个偏置电流，而对数放大器中对数斜率的温度稳定性主要与差分对数单元的偏置电流相关，将多个偏置电流一一对应接入对数放大器的多个差分对数单元中，作为差分对数单元的尾电流，基于温度系数为零或者近似为零的多个偏置电流，可有效提升对数放大器的对数斜率温度稳定性。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。