文摘

基于乘法器的CMOS可控恒功率发生器/分频器电路。它产生广泛的恒功率电阻负载。为生成的5兆瓦的力量,和电阻范围从0.5到1.5 (kΩkΩ,耗散功率的相对误差小于0.6%。5 V单电源电压,提出了可控恒功率从0.5 mW发电机发电7.8 mW,负载电阻的动态范围从3到15岁,而生成的权力的相对误差小于2%。的频率带宽提出了设计是5 MHz。通过环路增益的详细分析,结果表明,电路不稳定问题。

1。介绍

可变电阻的电路产生恒功率负载发现应用程序在各种类型的thermal-based传感器,如质量流量计,风速计(1),AC电表,气体监测2,3)、植物水状态监测(4],渗流米[5),和其他流量计用于非常缓慢的液体。Thermal-based流量传感器是非常有吸引力,因为他们简单的建设。他们基本上由恒功率发生器和传感元件。周围的流体传输热量与传感元件根据其流量。作为传感元件的温度改变,其电阻变化,和恒功率发生器的变化上的电压降传感元件保持恒功率。测量传感元件的电压变化,可以提取液流量的信息。所以,恒功率发生器的质量作为thermal-based传感器是非常重要的一部分。可控恒功率发生器是产生恒定的电路功耗电阻负载范围。生成的控制权力是由控制电压或电流。电阻负载的范围必须是为特定产生尽可能大的力量。 In that sense, the quality of constant power generators is determined by the load resistance dynamic range, defined as the ratio of the largest load resistance to the smallest load resistance (R_l马克斯/R_l最小值),耗散功率的特定值。的其他重要特征常数的值是发电机产生电力对于给定的负载电阻,这取决于特定的应用程序。产生力量的相对误差范围的负载电阻是关键质量参数的恒功率发生器。低供给电压的恒功率发生器是至关重要的对于许多应用程序由于电子的总趋势。最大的比例在电阻负载和电源电压(电压降V_l马克斯/V_DD)可以用作恒功率发电机的质量指标。在恒功率发生器设计的一个主要问题是它的稳定性造成的反馈循环。

有几个设计的恒功率发电机,主要在BiCMOS和双极技术开发。一个CMOS可控恒功率发生器基于电阻镜子(1)生成的权力的范围从0.48 mW 10.8 mW, 28和负载电阻的动态范围,权力产生的相对误差小于2.2%,10 V的电源电压。提出的恒功率发生器(1)使用四运算放大器OP97设计互补双极技术,而其他的使用n沟道mosfet电路实现。因此,电路(1)可以被视为一种BiCMOS技术设计。可控恒功率发生器(3),基于CMOS translinear循环,负载电阻从470Ω1.47 kΩ和能够发电11兆瓦,±5 V的电源电压和生成力量的相对误差3%。中给出的电路(3]使用芯片外运算放大器LM301设计互补双极技术,而其他的CMOS技术实现电路。因此,电路(3)可以被视为一种BiCMOS技术设计。可控恒功率发生器(4- - - - - -6)可以改变耗散功率的因素1:1000年,使用log-antilog电路和双极结型晶体管。这个可控恒功率发生器使用八OPA4227运算放大器设计互补双极技术。因此,电路(4- - - - - -6)可以被视为一种双极技术的设计。可控恒功率发生器(7]BiCMOS技术实现负载电阻范围1:50,发电100兆瓦。microcontroller-based解决方案(9)可以实现大动态范围和大动态范围,但在价格下降的频率带宽。CMOS设计提出了(10)对小电阻负载的变化有一个很大的相对误差生成的权力。

考虑到现有的可控恒功率设计发电机的设计主要是在BiCMOS和双极技术和CMOS技术是最受欢迎和最便宜的技术到目前为止,这项工作的目标是完全集成的可控恒功率发生器的设计在一个纯粹的CMOS技术。介绍了可控恒功率发电机在0.35μ基于电流型CMOS技术乘法器/分频器电路(8]。所产生的电能可以调节两个控制电流倍增/分频器电路的输入电流。通过详细的分析和仿真,结果表明,提出的设计是能够产生在一个大范围的恒功率负载电阻。数学模型的环路增益可控恒功率发生器显示电路没有广泛的电阻的稳定性问题为特定生成能力。工艺参数变化的影响,温度变化提出的设计也进行了分析。

2。电路描述

2.1。基本原理

恒功率发生器的主要目的是保持恒功率耗散在电阻负载: 在哪里P_l生成的权力在电阻负载,我_l电流通过电阻负载,V_l通过电阻负载的电压。生成的权力必须独立于负载电阻。也有可能是可取的控制容易产生权力。

可控恒功率发生器的基本原理的新方法实现恒功率耗散电阻负载如图1。它由乘法器/分频器电路、第二代电流输送器(CCII),负载电阻R_l、参考电阻器R_裁判,两个直流电流源我₁和我₂。的输出电流我_l乘法器/分频器电路流经电阻负载R_l。的电压V_l在电阻负载转移通过CCII电阻器R_裁判。因此,输出电流我₃CCII由

另一方面,乘法器/分频器电路的输出电流是由

因此,生成的权力P_l可以表示为

生成的权力是独立于负载电阻R_l通过改变控制电流,可以很容易地调整我₁和/或我₂。

2.2。完整的电路原理图

乘法器/分频器电路(8)如图2。它是基于CMOS translinear原则。电路可以分为两个部分。第一部分为当前的平方根成正比的两个输入电流的乘积(几何平均数)在其输出。第二阶段执行平方电路/分频器操作。场效电晶体米₁,米₂,米₃,米₄,米₁,米₂,米₃,米₄有足够长的时间通道3吗μ米,所以沟道长度调制效应分析中可将其忽略。假设一个足够好的匹配场效电晶体形成translinear循环(V_t1=V_t2=V_t3=V_t4,V_t1一个=V_t2一个=V_t3一个=V_t4一个,β₁=β₂=β₃=β₄,β_1一个=β_2一个=β_3一个=β_4一个)和一个简单的二次模型的场效应晶体管的漏极电流饱和区域的操作,它可以显示(8输出电流)我_l是由乘法器/分频器电路

乘数的二阶效应/分频器电路,如沟道长度调制效应和阈值电压失配效应,分析了(8]。是说的沟道长度调制效应可以忽略长通道mosfet。另一方面,阈值电压失配效应可能影响乘数或分频器电路的性能,假设乘数和分频器分别进行了分析。另一方面,如果使用乘数和分频器同时在乘法器/分频器电路,阈值电压失配效应补偿(8]。的身体影响n沟道mosfet在实际n阱CMOS实现可以解决使用n沟道mosfet的p-wells假设双井技术。

的完整电路示意图提出可控恒功率发生器的新方法实现恒功率耗散电阻负载如图3。乘法器/分频器电路的输出电流流经电阻负载R_l。当前的我₃得到的输出电流CCII。的电压V_l在电阻负载R_lCCII的传输通过输入阶段,所以当前终端X这个CCIIV_l/R_裁判。的差分输入阶段CCII是由mosfet M₁₂和M₁₃,活动共源共栅负载(mosfet M₁₄,米₁₅,米₁₆,米₁₇)。差分输入阶段由MOSFET M的偏见₁₁和偏置电压V_B3。输出电流传输的两个输出共源共栅电流镜(mosfet M₁₈,米₁₉,米_20.,米₂₁,米₂₂,米₂₃)。因此,当前在CCII的输出我₃=V_l/R_裁判。改变电流的方向我₃,摆渡电流镜使用。这个电流镜由mosfet M₂₄,米₂₅,米₂₆,米₂₇和偏置电压V_B4。当前的我_l流经电阻负载R_l由电流反射镜组成的镜像mosfet M₆,米₈,米₉,米₁₀。形成的电流镜场效电晶体M₂₈,米_29日,米_30.,米_31日用于电流总和我₃和我_l和电流之和除以4。目的,场效电晶体通道宽度的M₂₈和M_30.四倍的通道宽度mosfet M_29日和M_31日。产生的电流的方向改变了使用共源共栅电流镜由mosfet M₃₂,米₃₃,米₃₄,米₃₅。

直流电流源我₁(我₂通过使用CCII)实现。其差动输入级是由mosfet M₃₇和M₃₈(M₅₀和M₅₁),活动共源共栅场效应管负载₃₉,米₄₀,米₄₁,米₄₂(M₅₂,米₅₃,米₅₄,米₅₅)。差分输入阶段由MOSFET M的偏见₃₆(M₄₉)和偏置电压V_B3。当前在终端X这个CCIIV_C1/R₁(V_C2/R₂),乘以系数的八两个输出共源共栅电流镜场效电晶体₄₃,米₄₄,米₄₅,米₄₆,米₄₇,米₄₈(M₅₆,米₅₇,米₅₈,米₅₉,米₆₀,米_61年)。所以,这个电流源的输出电流我₁= 8V_C1/R₁(我₂= 8V_C2/R₂)。改变电流的方向我₂,摆渡电流镜使用。这个电流镜由mosfet M_62年,米_63年,米_64年,米_65年和偏置电压V_B4。场效电晶体形成的电流镜_66年,米_67年,米_68年,米_69年用于电流总和我₁和我₂和电流之和除以4。目的,场效电晶体通道宽度的M_66年和M_68年四倍的通道宽度mosfet M_67年和M_69年。产生的电流的方向改变了使用共源共栅电流镜由mosfet M_70年,米_71年,米_72年,米_73年。

生成的权力提出可控恒功率发电机是由

3所示。稳定性分析

可控恒功率发电机通常患有稳定性问题(1,3]。电阻负载的范围和权力产生的范围往往减少这个问题的结果(1,3]。提出了可控恒功率发生器的稳定性分析是通过环路增益的推导过程来执行的Aβ(年代)。在小信号分析,CCII的电压输入Y连接到活动的终端电阻负载(乘法器的输出/分频器电路),是建模如图4(11,12]。电容C_X在终端输入电容吗XCCII的阻力R_X在终端输入电阻吗XCCII的电容C_Y在终端输入电容吗YCCII的电容C_Z1在终端是输出电容吗Z₁CCII的阻力R_Z1在终端是输出电阻吗Z₁CCII的电容C_Z2在终端是输出电容吗Z₂CCII和阻力R_Z2在终端是输出电阻吗Z₂CCII。终端XCCII连接到活跃的终端电阻R_裁判。终端YCCII连接到活跃的终端电阻负载R_l。终端Z₁CCII连接到源的MOSFET₂和终端Z₂CCII连接到下水道的MOSFET₉。当前的镜子在乘法器/分频器电路模拟的一样简单。

的环路增益Aβ(年代)提出了可控恒功率发电机是由 在零ω_子和波兰ω_π是 在哪里 , , , , ,和跨导的饱和mosfet M₁,米₂,米₃,米₄,米₂₈,米_34一个分别C₁是寄生电容的排水MOSFET M₄,C₂门口的寄生电容的MOSFET M₁,C₃是寄生电容的排水MOSFET M₆,C₄是寄生电容的排水MOSFET M₉。它是计算出直流环路增益范围从|Aβ(年代= 0)|≈0.01,下限的电阻负载,|Aβ(年代= 0)|≈0.3,电阻加载的上限,生成适当的权力。寄生参数C₁,C₂,C₃,C₄1 pF的顺序,而寄生参数C_X,C_Y,C_Z1,C_Z2在100 fF的顺序。计算饱和场效电晶体的跨导= (2β_我我_迪)^1/2_。

绝对值的环路增益频率特性|Aβ(jω)|,下限的电阻负载生成适当的权力,如图5。第一个零的频率ω_z1大约是150 MHz,下杆的频率ω_p2大约是200 MHz,下杆的频率ω_p1是300 MHz和400兆赫之间,下杆的频率ω_p3在10 GHz的顺序,最后为零的频率ω_z2在100 GHz的顺序。绝对值的环路增益频率特性|Aβ(jω)|,上限的电阻负载生成适当的权力,如图6。第一杆的频率ω_p130兆赫到130兆赫,下零的频率ω_z1大约是150 MHz,下杆的频率ω_p2大约是250 MHz,下杆的频率ω_p3在10 GHz的顺序,最后为零的频率ω_z2在100 GHz的顺序。的绝对值环路增益频率特性|Aβ(jω)|从未达到值0分贝时,系统是稳定的。

4所示。仿真结果

电路设计和模拟利用PSpice BSIM3 3.1版本为0.35台积电晶体管模型μm n阱CMOS工艺获得的莫西人。单提供的电路V_DD= 5 V。偏置电压有以下值:V_B1V = 3,V_B2= 3.1 V,V_B3= 0.8 V,V_B4= 1.9 V。电阻有以下值:R₁= 8 kΩ,R₂= 8 kΩ,R_裁判= 1.25 kΩ。

当前的我_l流经电阻负载电压的函数V_l在电阻负载,为生成的权力P_l= 5 mW,如图7。的阻力R_l改变从400年2.2 kΩΩ。大的电压值电阻负载(对应于较大的电阻负载)CCII的输入电压范围,其输入是连接到活跃的终端电阻负载,对于一个给定的电源电压。对于较大值的电流通过电阻负载(对应于较小的电阻负载),乘法器/分频器电路显示更大的错误引起的场效应晶体管的沟道长度调制₁。当前的我_l流经电阻负载的增加迅速下降的电阻性负载R_l他们之间由于square-hyperbolic依赖,我_l=√P_l/√R_l。source-to-gate电压V_SG7一个MOSFET的米_7一个也会增加迅速,drain-to-source电压V_DS1一个MOSFET的米₁迅速降低。

生成的权力P_l5 mW变量提出了可控恒功率发生器的负载电阻500Ω<R_l< 1.5 kΩ如图8。相对误差生成的权力是−0.6% <E_l< 0.1%。生成的计算能力(6),该系统是为1的负载电阻kΩ校准。

生成的权力P_l= {0.5 mW, 1兆瓦}变量提出了可控恒功率发电机的负载电阻1 kΩ<R_l< 15 kΩ如图9。生成的权力P_l= {2 mW, 3兆瓦4 mW 5 mW, 6兆瓦,7兆瓦,8兆瓦,9兆瓦}变量提出了可控恒功率发电机的负载电阻400Ω<R_l< 5.5 kΩ如图10。表1显示总结提出了可控恒功率发生器的结果。电阻负载的范围R_l不同的耗散功率值P_l,以及相应的控制电压的值V_C1和V_C2显示。主要的需求是产生权力的相对误差是|E_l| < 2%。对于小功率0.5 mW≤生成P_l≤4兆瓦,负载电阻动态范围大。它的范围从15 (1 kΩ≤R_l≤15 kΩ,P_l0.4 = 0.5 mW)到7 (kΩ≤R_l≤2.8 kΩ,P_l= 4 mW)。对于更大的权力5 mW≤生成P_l≤9兆瓦,负载电阻动态范围较小。它的范围从5.5 (0.4 kΩ≤R_l≤2.2 kΩ,P_l= 5 mW)到2.4 (0.5 kΩ≤R_l≤1.2 kΩ,P_l= 9兆瓦)。

生成小权力,负载电阻的最小值是有限的输入电压偏移的CCII输入连接到活动的终端电阻负载。补偿电压不恒定电流的所有输入电压范围输送机。小的绝对变化的补偿电压产生足够大的电流的相对变化我₃导致更大的相对误差生成的权力。

负载电阻动态范围的主要限制,所有生成的权力,是电源电压的输入电压范围,直接影响CCII的输入连接到活动的终端电阻负载和乘法器的输出电流范围/分频器电路。与更大的电源电压,它也可能产生更大的权力,以及更大范围的生成的权力。

为了证明该可控恒功率发生器不是特别工艺参数变化的影响,蒙特卡罗模拟执行。以下工艺参数已经改变了在蒙特卡洛模拟:载流子迁移率,阈值电压(source-to-bulk电压V_某人= 0)、身体影响系数和通道长度调制系数场效电晶体,以及抗性R₁,R₂,R_裁判。这些值已经改变了10%与名义值100。的名义价值生成的能力P_l= 5兆瓦是改变了过程参数变化从4.5 mW 5.6 mW的负载电阻500Ω<R_l< 1.5 kΩ。通过分析个人一定工艺参数变化的影响,它可以表明,生成的权力的变化主要由电阻的变化引起的R₁,R₂,R_裁判。虽然有改变的价值生成的能力,重要的是要强调,生成的权力的相对误差不受工艺参数变化的影响。这些相对误差的绝对值在0.02%到2.65%之间。这些相对误差计算相关的电力负载电阻R_l= 1 kΩ每个相应的运行。这些相对误差分布柱状图的形式显示在图11。相对误差的绝对值小于0.5%,28%,73%,不到1%,不到1.5%,95%。

为了研究温度影响提出设计,生成的权力P_l= 5 mW可控恒功率发生器的可变负载电阻0.5 kΩ<R_l< 1.5 kΩ温度作为一个参数T20°C,∈{−−10°C, 0°C, 10°C, 20°C, 30°C, 40°C, 50°C, 60°C, 70°C, 80°C}的模拟。两种类型的模拟执行。在第一个图所示12的抗性R₁,R₂,R_裁判温度是恒定的,也就是说,独立。在第二种类型如图13温度对电阻的影响R₁,R₂,R_裁判建模通过使用线性温度系数α=−3×10⁻³/ K。这是典型值的线性电阻的温度系数由高电阻率聚在一个标准的0.35μCMOS技术。计算相对误差相关的电力负载电阻R_l= 1 kΩ在T= 27°C。不依赖于温度的电阻的R₁,R₂,R_裁判(图12),相对误差的绝对值是高达8%。另一方面,与温度有关的抗性R₁,R₂,R_裁判(图13),相对误差的绝对值范围是12%。很明显,提出可控恒功率发生器是主导性的影响电阻的温度变化R₁,R₂,R_裁判相比,活性成分的温度变化的影响_。为了减少温度影响提出设计,根据关系(6),要么是电阻R_裁判和R₁,或R_裁判和R₂必须是相同类型的,要么是电阻吗R₂或电阻R₁必须设计预定的温度系数(如零温度系数)。目的,电阻器R₂或电阻R₁可以设计为一个复合13- - - - - -15与预定的温度系数(零)。复合材料电阻,可以预期,整体温度影响提出了可控恒功率发生器将类似于图中所示12或更小。的具体应用提出设计开放的可耕种的植物组织湿度测量领域,感兴趣的温度范围从0°C到50°C。在这种情况下,相对误差的绝对值是不依赖于温度的电阻的3.5%R₁,R₂,R_裁判与温度有关的抗性,多达8%R₁,R₂,R_裁判。

的频率响应的模拟CCII M₁₁- m₂₃(图3)所示的数据14和15。直流偏置电压的终端YCCII作为参数,改变从0.7 V至3.28 V的步骤0.43 V。这个直流偏置电压对应的直流电压V_l在电阻负载R_l为生成的权力0.5 mW <P_l< 9兆瓦范围和相应的负载电阻。在终端负载Z提出了由摆渡M电流镜₂₄- m₂₇的流失,MOSFET M₂₇连接到电源电压源V_DD。CCII已经优化实现gain-peaking少于3 dB的频率响应范围的直流偏置电压的终端YCCII。频率电压传输特性v_x/v_y如图14。从39 MHz带宽范围(V_Y= 0.7 V,P_l= 0.5 mW)到125 MHz (V_Y= 3.28 V,P_l= 9兆瓦)。跨导的频率传输特性我_z/v_y如图15。从39 MHz带宽范围(V_Y= 0.7 V,P_l= 0.5 mW)到137 MHz (V_Y= 3.28 V,P_l= 9兆瓦)。

为了证明该可控恒功率发生器是稳定的,模拟的阶跃变化的瞬态响应负载电阻R_l已执行。压控电阻(12,16用作电阻负载R_l为了模拟电阻的阶跃变化,图16。压控电阻的电压跟随器的设计类似于(12),但只与场效应管。内的电阻电阻分压器有相同的电阻,R₃=R₄。从负载电阻是一个步骤R_l= 0.707 kΩR_l= 1.299 kΩ,控制电压从迈出了一步V_C= 2.5 VV_C= 1.6 V。的上升时间和下降时间负载电阻是28 ns和19个ns,分别。的电压V_l在压控电阻(电阻负载R_l)如图17。电压的乘积V_l和当前我_l压控电阻不变,等于P_l=V_l我_l= 5兆瓦。可以看出,没有过度的瞬态反应证实了提出的无条件稳定的设计表达的预测的数学模型(7),(8),(9),(10),(11),(12)和数字5和6。此外,它可以估计,最大的频率带宽的例子是5 MHz。

5。讨论和结论

提出了可控恒功率发生器基于乘法器/分频器电路的设计和模拟在0.35μCMOS技术。可以产生0.5 mW 1兆瓦的小型电力负载电阻从2.5 kΩ10 kΩ(从−50%变化到100%,负载电阻R_l= 5 kΩ),生成力量的相对误差小于1.2%。这些结果如表所示2。同时,可以产生更大的功率从1 mW 7.8 mW负载电阻从0.5到1.5 (kΩkΩ(±50%的变化,负载电阻R_l= 1 kΩ),生成力量的相对误差小于2%。这些结果如表所示3。5 V单电源的电路进行了优化。比例最大的电压降在电阻负载和电源电压(V_l马克斯/V_DD)是68%,这是一个更好的结果比58% (1在[],40.6%3在[],44%4- - - - - -6]。电源电压和电路的功耗限制因素在许多应用程序中,尤其是在空旷的田野,由太阳能电池供电。不同的应用程序,电路的功耗不是关键,有可能产生更大的权力,负载电阻动态范围较宽,高价值的电源电压。

而提出的设计(1),提出了可控恒功率发电机,负载电阻从500Ω1.5 kΩ,已经生成的小范围的力量,同样水平的相对误差,但随着5 V单电源,相比7 V单供应。中给出的设计(1)更大的负载电阻动态范围,但10 V单供应。而提出的设计(3),提出了可控恒功率发电机,负载电阻从500Ω1.5 kΩ,生成的功率较小的范围,但相对误差较小的5 V单电源,而±5 V电源电压。提出的可控恒功率发生器也有更大的负载电阻的动态范围生成特定的权力,而提出的设计(3]。提出的设计的最大相对误差小于6倍(10]同样的负载电阻范围,为生成的权力0.5 mW <P_l< 12 mW。提出了可控恒功率发生器的频率带宽大约是500倍(1和超过6400倍9]。之间的性能比较,提出了可控恒功率发生器和可控恒功率发电机提出了(1,3),电阻负载0.5 kΩ<R_l< 1.5 kΩ表给出4。拟议的所有生成的设计没有稳定问题权力在一个广泛的电阻负载。根据实现结果,可以得出结论,可控恒功率发生器可用于各种thermal-based传感器应用程序。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作已被科技部支持的黑山和HERIC项目通过BIO-ICT卓越中心(合同编号。01 - 1001)。