專利名稱：集成電路全波電平檢測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及非線性集成電路(“IC”)器件領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及一種溫度穩(wěn)定集成電路電平檢測(cè)器，該檢測(cè)器包括單個(gè)運(yùn)算放大器級(jí)，它無需對(duì)交流(“AC”)輸入信號(hào)進(jìn)行全波整流，或者無需一檢測(cè)所產(chǎn)生信號(hào)電平的比較器。
全波電平檢測(cè)器的常規(guī)方案利用一對(duì)串聯(lián)耦合的運(yùn)算放大器對(duì)AC輸入信號(hào)進(jìn)行全波整流。這些全波整流電路的典型實(shí)例為Frederickson，T.M.所著的Intuitive Op Amps(直觀運(yùn)算放大器)，p.213、Analog Devices(模擬器件)，1976中Sheingold，D.H.所著的Nonlinear Circuits Handbook(非線性電路手冊(cè))，pp.132-134、Analog Devices(模擬器件)，1991的Mixed SignalDesign Seminar(混和信號(hào)設(shè)計(jì)研討會(huì))中“Linear and Non-LinearAnalog Signal Processing(線性與非線性模擬信號(hào)處理)”中所述的那些電路。
在一個(gè)傳統(tǒng)的全波電平檢測(cè)器中，這樣一種全波整流電路的輸出隨后施加到一比較器的一個(gè)輸入端，該比較器的另一輸入端接一預(yù)定參考電壓電平。眾所周知，比較器是有兩個(gè)穩(wěn)定輸出狀態(tài)的器件，在這種情況下，當(dāng)來自全波整流電路的輸入電壓已經(jīng)超過參考電壓值所確定的閾值電壓時(shí)，該比較器用來提供一預(yù)定信號(hào)輸出電平。盡管用兩個(gè)這樣的運(yùn)算放大器和單獨(dú)一個(gè)比較器一起實(shí)現(xiàn)了全波電平檢測(cè)器的功能，不過，對(duì)最初的全波整流步驟的需求要求使用不希望有的大量電路元件，這么大量的電路元件伴隨而來的是需要在集成電路的實(shí)施中占據(jù)較大的芯片上的芯片面積。此外，由于這種電路的功能和設(shè)計(jì)方案的緣故，在可能的集成電路器件工作溫度的至少一部分范圍上顯現(xiàn)出欠佳的溫度穩(wěn)定性。
這里公開了一種全波電平檢測(cè)器，它無需象已有技術(shù)實(shí)施方案中那樣有兩個(gè)運(yùn)算放大器和其后的比較器，兩個(gè)運(yùn)算放大器用來對(duì)一輸入交流信號(hào)執(zhí)行全波整流功能，比較器用來檢測(cè)所得到的信號(hào)電平。本發(fā)明的全波電平檢測(cè)器僅采用單獨(dú)一個(gè)放大器和一些額外的外圍元件，這使集成電路實(shí)施方案中寶貴的芯片面積得到節(jié)約，同時(shí)還表現(xiàn)出良好的溫度穩(wěn)定特性。
更具體地，這里公開了一種全波電平檢測(cè)器，該檢測(cè)器具有接收輸入信號(hào)的輸入節(jié)點(diǎn)和提供相應(yīng)輸出信號(hào)的輸出節(jié)點(diǎn)。該檢測(cè)器包括一放大器，它通過其輸入端上的第一電阻(R1)接收輸入信號(hào)；第一開關(guān)器件和第二開關(guān)器件，其控制端接至放大器的輸入端；第二電阻(R2)、第三電阻(R3)和第四電阻(R4)，它們接至放大器的輸出端，第二電阻接至放大器的輸入端，第三電阻和第四電阻分別接至第一開關(guān)器件和第二開關(guān)器件的第一載流端。該檢測(cè)器還包括第一電流鏡，其第一管腳和第二管腳分別將第一開關(guān)器件和第二開關(guān)器件中每個(gè)的第二載流端接至第一供電電壓源，第二開關(guān)器件的第二載流端限定了一個(gè)電路節(jié)點(diǎn)。第二電流鏡具有第一管腳和第二管腳，其第一管腳將第二供電電壓源接至電路節(jié)點(diǎn)；而第三電流鏡的第一管腳和第二管腳分別通過第五電阻(R5)接至一參考電壓源，且其第二管腳接至所述第二電流鏡的第二管腳。一輸出驅(qū)動(dòng)器將電路節(jié)點(diǎn)接至輸出節(jié)點(diǎn)。
參照結(jié)合附圖對(duì)一優(yōu)選實(shí)施例所作的以下描述，本發(fā)明的前述和其他特征與目的以及實(shí)現(xiàn)它們的方式將變得更清楚，而且本發(fā)明也將得到最好的理解

圖1是一傳統(tǒng)全波電平檢測(cè)電路的功能性方框和示意性說明圖，該電路最少需要兩個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè)比較器來提供必要的功能；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的全波電平檢測(cè)器的功能性方框和示意性說明圖，該檢測(cè)器僅需要單獨(dú)一個(gè)放大器和一些外圍元件以提供所需功能；圖3示出幅值為0.6伏的典型輸入信號(hào)波形，該信號(hào)用來輸入給圖2中有0.5伏預(yù)定檢測(cè)電平的全波電平檢測(cè)器，該檢測(cè)器的參考電壓VREF設(shè)定到1.25伏；圖4是圖3的輸入信號(hào)施加給圖2的全波電平檢測(cè)器時(shí)該檢測(cè)器的典型輸出信號(hào)波形。
參見圖1，圖中示出一傳統(tǒng)的全波電平檢測(cè)電路10。確切地說，該全波電平檢測(cè)電路10包括一全波整流器，該全波整流器包括運(yùn)算(“OP”)放大器12和14，運(yùn)算放大器12和14向比較器16提供全波整流輸出信號(hào)。輸入節(jié)點(diǎn)18接收基本上為正弦的輸入信號(hào)，該輸入信號(hào)通過電阻20(“R1”)施加給放大器12的反相輸入端。節(jié)點(diǎn)22上放大器12的輸出端通過二極管24(“D1”)回接至其反相輸入端，二極管24的正極接至節(jié)點(diǎn)22而其負(fù)極接至放大器12的反相輸入端。
節(jié)點(diǎn)22上放大器12的輸出端接至另一二極管26(“D2”)的負(fù)極，二極管26的正極定為節(jié)點(diǎn)28(節(jié)點(diǎn)“A”)，節(jié)點(diǎn)28還通過電阻30(“R2”)回接至放大器12的反相輸入端。二極管26正極上的節(jié)點(diǎn)28通過電阻32接至另一放大器14的反相輸入端。兩個(gè)放大器12和14的同相輸入端都接至電路的地。放大器14的反相輸入端通過電阻34(“R3”)接至輸入節(jié)點(diǎn)18，而節(jié)點(diǎn)36上放大器14的輸出端通過電阻38(“R5”)回接至其反相輸入端。如圖所示，放大器14的輸出供給比較器16的正輸入端，比較器16的負(fù)輸入端接至一參考電壓源(“VREF”)。比較器16的輸出端定為輸出節(jié)點(diǎn)40。
工作時(shí)，各種電阻的值可以定義為(1)R1=R2=R3=R5=R，R4=R/2當(dāng)輸入節(jié)點(diǎn)18處的輸入信號(hào)經(jīng)受正電壓轉(zhuǎn)變時(shí)，二極管D1受到反相偏置“截止”而二極管D2受到正向偏置“導(dǎo)通”。因此，節(jié)點(diǎn)36(節(jié)點(diǎn)“B”)的輸出信號(hào)為(2)VB=Vin[(-R2/R1)(-R5/R4)+(-R5/R3)]=Vin另一方面，當(dāng)輸入節(jié)點(diǎn)18處的輸入信號(hào)經(jīng)受負(fù)電壓轉(zhuǎn)變時(shí)，二極管D1受到正向偏置“導(dǎo)通”而二極管D2受到反相偏置“截止”。因此，節(jié)點(diǎn)36上的信號(hào)為(3)VB=Vin(-R5/R3)=-Vin經(jīng)過輸入節(jié)點(diǎn)18上輸入信號(hào)的一個(gè)完整周期，節(jié)點(diǎn)B處的電壓則為(4)VB=｜Vin｜接至節(jié)點(diǎn)36上放大器14輸出端的比較器16用來將其輸入端處的電壓VB與VREF作比較，其中電壓VREF是傳統(tǒng)全波電平檢測(cè)電路10的預(yù)定電壓電平。
另外參見圖2，圖中示出根據(jù)本發(fā)明的全波電平檢測(cè)器100。該全波電平檢測(cè)器100僅包括如圖所示的單獨(dú)一個(gè)放大器102以及一些附加的外圍元件，這些元件構(gòu)成一個(gè)較簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)方案，該方案采用的元件比圖1中的傳統(tǒng)全波電平檢測(cè)器10少，而它還能在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供良好的工作穩(wěn)定性。
全波電平檢測(cè)器100有一輸入節(jié)點(diǎn)104，輸入節(jié)點(diǎn)104用來接收例如基本上為正弦的輸入信號(hào)，該輸入信號(hào)通過電阻106(“R1”)施加給放大器102的反相輸入端。如圖所示，放大器102的同相輸入端可以接至電路的地。節(jié)點(diǎn)108上放大器102的輸出端通過電阻110(“R2”)回接至其反相輸入端，并且還通過電阻112(“R3”)接至PNP晶體管116(“Q1”)的發(fā)射極，以及通過電阻114(“R4”)接至NPN晶體管118(“Q2”)的發(fā)射極。晶體管116和118的基極端接至放大器102的反相輸入端，而它們各自的集電極端耦合到電流鏡120的一側(cè)，電流鏡120又耦合到一供電電壓源Vss。流過電阻112的電流(“IE1”)和流過電阻114的相應(yīng)電流(“IE2”)分別沿箭頭所指示的方向。
(包括NPN晶體管Q5和Q6的)附加電流鏡122的一個(gè)輸入端通過電阻124(“R5”)接收參考電壓(“VREF”)，而另一輸入端通過另一電流鏡132的一個(gè)管腳耦合，電流鏡132包括PNP晶體管126和128，晶體管126和128各自的發(fā)射極接至供電電壓源Vcc。在圖示包括達(dá)林頓晶體管對(duì)(包括PNP晶體管Q3和Q4)的實(shí)施例中，晶體管128的集電極端定為節(jié)點(diǎn)130，節(jié)點(diǎn)130接至晶體管118的集電極端以及輸出驅(qū)動(dòng)電路138的基極端。流過節(jié)點(diǎn)130上晶體管128的電流(“I0”)沿圖示方向，即集電極電流(“I1”)流入耦合到其上的電流鏡120的晶體管中。
在輸出節(jié)點(diǎn)136處取全波電平檢測(cè)器100的輸出，輸出節(jié)點(diǎn)136通過電阻134(“R6”)接至Vcc，并且通過達(dá)林頓晶體管對(duì)輸出驅(qū)動(dòng)電路138接至Vss。如圖所示，將電阻112、114和124的阻值選為相等。
那么，工作時(shí)，流過電阻R5的電流可以定義為(5)IR5＝(VREF-VBE)/R5該電流被鏡象為節(jié)點(diǎn)130上的電流I0。
放大器102和電阻106與110(R1與R2)構(gòu)成一個(gè)傳統(tǒng)的反相放大器。在來自晶體管116和118(Q1和Q2)的等效阻抗比電阻110(R2)的阻抗大得多的情況下，則電阻R2兩端的電壓可以定義為
(6)VR2=-Vin(R2/R1)若電壓VR2較小，則晶體管116和118(Q1和Q2)不“導(dǎo)通”。事實(shí)上，僅當(dāng)｜VR2｜大于VBE時(shí)，晶體管116和118(Q1或Q2)才“導(dǎo)通”。此時(shí)，若VR2-VBE＞0，則晶體管116(Q1)“導(dǎo)通”。另一方面，若-VR2-VBE＞0，則晶體管118(Q2)“導(dǎo)通”。因此，電阻110(R2)兩端的電壓可以由下式表示(7)VR2=VBE+IE1R5或者(8)VR2=-VBE-IE2R4電流IE1或者IE2本身引入電流I1。當(dāng)I1＞I0時(shí)，會(huì)有額外的電流供給達(dá)林頓晶體管對(duì)136(Q3和Q4)的基極，并且它能使輸出節(jié)點(diǎn)136處的輸出改變狀態(tài)。
當(dāng)I0=I1時(shí)，R2兩端的電壓為(9)VR2=VBE+I0R3或者(10)VR2=-VBE-I0R4電流I0為(11)I0=IR5=(VREF-VBE)/R5根據(jù)該式可知(12)VBE=VREF-I0R5將式12代入式9和10，得到(13)VR2=VREF+I0(R3-R5)或者(14)VR2=-VREF-I0(R4-R5)如前所述，若將電阻112、114和124選為R3=R4=R5，則得到(15)｜VR2｜=VREF那么當(dāng)｜VR2｜＜VREF時(shí)，沒有額外的電流提供給達(dá)林頓晶體管138，使輸出節(jié)點(diǎn)136上的電平變?yōu)椤案摺薄５?，若｜VR2｜＞VREF，則額外的電流將驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓晶體管對(duì)138以便使輸出變?yōu)椤暗汀彪娖綘顟B(tài)。
換句話說，由于｜VR2｜=｜Vin｜(R2/R1)，所以(16)當(dāng)｜Vin｜＜(R1/R2)VREF時(shí)，輸出為“高”；而(17)當(dāng)｜Vin｜＞(R1/R2)VREF時(shí)，輸出為“低”。
由于(R1/R2)VREF的值不受溫度變化的影響，VREF是優(yōu)選實(shí)施例中的帶隙電壓，所以本發(fā)明的全波電平檢測(cè)器100也在一個(gè)寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的工作穩(wěn)定性。
另外參見圖3，圖中以電壓與時(shí)間的關(guān)系曲線表示出可以加到圖2全波電平檢測(cè)器100的輸入節(jié)點(diǎn)104(“VIN”)上的模擬的輸入信號(hào)波形。該輸入信號(hào)基本上是幅值為+/-0.6伏的正弦波。預(yù)定檢測(cè)電平設(shè)定在0.5伏，參考電壓VREF設(shè)定為1.25伏。如下選擇電阻值R1=2K歐姆；R2=5K歐姆；R3=R4=R5=10K歐姆；Vcc=+5伏，Vss=-5伏。
另外參見圖4，圖中示出響應(yīng)于圖3中輸入信號(hào)的輸出信號(hào)波形，該信號(hào)波形取自圖2中全波電平檢測(cè)器100的輸出節(jié)點(diǎn)136。該輸出信號(hào)波形表示為電壓關(guān)于時(shí)間的曲線，它將輸出節(jié)點(diǎn)136處的電壓電平(“VOUT”)表示為在5.0伏和0.9伏左右的電平間變化，同時(shí)表現(xiàn)出其間極快的上升和下降時(shí)間。
盡管以上已經(jīng)結(jié)合一個(gè)采用雙極晶體管的具體電路實(shí)施方案描述了本發(fā)明的原理，不過可以清楚理解的是，僅僅是利用實(shí)例來進(jìn)行前述說明，而前述說明并不作為對(duì)本發(fā)明范圍的限定，本發(fā)明還可以以其他類似的方式來實(shí)現(xiàn)，這些方式包括可以采用MOS晶體管的方式。尤其是，可知，前面公開的內(nèi)容的教導(dǎo)向相關(guān)領(lǐng)域中那些技術(shù)人員暗示有其他的修改方案。這些修改方案可以包括本身已為公眾所知的其他特征，這些其他特征可以用來代替這里所述的特征或者在這些特征之外附加。雖然本申請(qǐng)中已將各權(quán)利要求表述為各個(gè)特征的具體結(jié)合，但是應(yīng)理解的是，這里所公開內(nèi)容的范圍還包括對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說很明顯的任意新穎特征或者直接或暗含地公開的任意新穎特征的組合，或者這些特征的推廣或修改，這不論它是否涉及當(dāng)前在任何權(quán)利要求中所述的同一發(fā)明，也不論它是否緩解了本發(fā)明所面臨的任何或全部同樣的技術(shù)問題。據(jù)此，在本申請(qǐng)或者由此所引出的任何其他申請(qǐng)的執(zhí)行期間，申請(qǐng)人保留將新的權(quán)利要求表述為這些特征和/或這些特征的組合的權(quán)利。
權(quán)利要求
1．一種全波電平檢測(cè)器，具有接收輸入信號(hào)的輸入節(jié)點(diǎn)和提供相應(yīng)輸出信號(hào)的輸出節(jié)點(diǎn)，所述檢測(cè)器包括一放大器，它通過其輸入端上的第一電阻(R1)接收所述輸入信號(hào)；第一開關(guān)器件和第二開關(guān)器件，其控制端接至所述放大器的所述輸入端；第二電阻(R2)、第三電阻(R3)和第四電阻(R4)，它們接至所述放大器的輸出端，所述第二電阻接至所述放大器的所述輸入端，所述第三電阻和第四電阻分別接至所述第一開關(guān)器件和所述第二開關(guān)器件的第一載流端；第一電流鏡，其第一管腳和第二管腳分別將所述第一開關(guān)器件和第二開關(guān)器件中每個(gè)的第二載流端接至第一供電電壓源，所述第二開關(guān)器件的所述第二載流端定為一個(gè)電路節(jié)點(diǎn)；第二電流鏡，具有第一管腳和第二管腳，其所述第一管腳將第二供電電壓源接至所述電路節(jié)點(diǎn)；第三電流鏡，其第一管腳和第二管腳分別通過第五電阻(R5)接至一參考電壓源，其所述第二管腳接至所述第二電流鏡的所述第二管腳；和一輸出驅(qū)動(dòng)器，它將所述電路節(jié)點(diǎn)接至所述輸出節(jié)點(diǎn)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的全波電平檢測(cè)器，其中所述放大器包括一運(yùn)算放大器。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的全波電平檢測(cè)器，其中所述輸入端包括所述運(yùn)算放大器的反相輸入端。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的全波電平檢測(cè)器，其中所述運(yùn)算放大器還包括同相輸入端，所述同相輸入端接至一電路地電位。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的全波電平檢測(cè)器，其中所述第一開關(guān)器件和第二開關(guān)器件包括雙極晶體管。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的全波電平檢測(cè)器，其中所述第一開關(guān)器件和第二開關(guān)器件分別包括PNP晶體管和NPN晶體管。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的全波電平檢測(cè)器，其中所述第一開關(guān)器件和第二開關(guān)器件的所述第一載流端包括發(fā)射極端。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的全波電平檢測(cè)器，其中所述第一電流鏡包括一對(duì)NPN晶體管，該對(duì)NPN晶體管將所述第一開關(guān)器件和第二開關(guān)器件的集電極端接至所述第一供電電壓源。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的全波電平檢測(cè)器，其中所述第二電流鏡包括一對(duì)PNP晶體管。
10．根據(jù)權(quán)利要求1的全波電平檢測(cè)器，其中所述第三電流鏡包括一對(duì)NPN晶體管。
11．根據(jù)權(quán)利要求1的全波電平檢測(cè)器，其中所述輸出驅(qū)動(dòng)器包括達(dá)林頓晶體管對(duì)，該達(dá)林頓晶體管對(duì)的控制端接至所述電路節(jié)點(diǎn)，其第一載流端接至所述輸出節(jié)點(diǎn)，第二載流端接至電路地電位。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的全波電平檢測(cè)器，其中所述輸出驅(qū)動(dòng)器還包括第六電阻(R6)，第六電阻將所述輸出節(jié)點(diǎn)接至所述第二供電電壓源。
13．根據(jù)權(quán)利要求1的全波電平檢測(cè)器，其中所述第三電阻、第四電阻和第五電阻具有基本上相同的阻值。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的全波電平檢測(cè)器，其中R3、R4和R5基本上為10K歐姆。
15．根據(jù)權(quán)利要求1的全波電平檢測(cè)器，其中當(dāng)所述輸入信號(hào)的絕對(duì)值小于R1/R2乘以所述參考電壓時(shí)，所述輸出信號(hào)處于第一邏輯電平。
16．根據(jù)權(quán)利要求1的全波電平檢測(cè)器，其中當(dāng)所述輸入信號(hào)的絕對(duì)值大于R1/R2乘以所述參考電壓時(shí)，所述輸出信號(hào)處于第二邏輯電平。
17．根據(jù)權(quán)利要求1的全波電平檢測(cè)器，其中R1基本上為2K歐姆，R2基本上為5K歐姆。
18．根據(jù)權(quán)利要求1的全波電平檢測(cè)器，其中所述第一供電電壓源基本上為-5.0伏。
19．根據(jù)權(quán)利要求1的全波電平檢測(cè)器，其中所述第二供電電壓源基本上為+5.0伏。
20．根據(jù)權(quán)利要求1的全波電平檢測(cè)器，其中所述參考電壓源基本上為1.25伏。
全文摘要
一種溫度穩(wěn)定的集成電路全波電平檢測(cè)器包括單獨(dú)一級(jí)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)方案,它無需象已有技術(shù)實(shí)施方案中那樣有兩個(gè)運(yùn)算放大器和其后的比較器,兩個(gè)運(yùn)算放大器用來對(duì)一輸入交流(“AC”)信號(hào)執(zhí)行全波整流功能,比較器用來檢測(cè)所得到的信號(hào)電平。本發(fā)明的全波電平檢測(cè)器僅采用單獨(dú)一個(gè)放大器和一些額外的外圍元件,這使集成電路(“IC”)實(shí)施方案中的芯片面積得到節(jié)約,同時(shí)還表現(xiàn)出良好的溫度穩(wěn)定特性。
文檔編號(hào)G01R19/04GK1287271SQ9911848
公開日2001年3月14日 申請(qǐng)日期1999年9月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月2日
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