高精度轨对轨CMOS峰值检测电路设计.pdf

2 0 0 9 年1 1 月四川大学学报( 自然科学版)N o v 2 0 0 9 第4 6 卷第6 期 J o u r n a lo fS i c h u a nU n i v e r s i t y ( N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n ) V 0 1 4 6N o 6 d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 0 4 9 0 6 7 5 6 2 0 0 9 0 6 0 2 6 - 】 【 同精度轨对轨C M O S 峰值检测电路设计 王开贤，邬齐荣，高鑫，李美光，汤恩松 ( 四J I I 大学物理科学与技术学院微电子技术四川省重点实验室，成都6 1 0 0 6 4 ) 摘要：设计一种高精度轨对轨C M O S 峰值检测电路基于信号“先缩小后放大”，在M O S 采 样开关管控制下电源对存储电容充电，该电路实现了轨对轨峰值检测，降低了检测电路的工作 电流，提高了M O S 开关管的速度和峰值检测的精度该电路设计基于C S M C0 5k t mC M O S 工艺，采用了5V 单电源，检测精度小于1m V ，检测电压范围为0 5V ，整个检测电路的静 态电流消耗为2m A ，正常工作频率为0 1H z 1 0K H z 关键词：峰值检测；轨对轨；采样；C M O S 差动放大器；同相比例运算电路 中图分类号：0 4 7文献标识码：A文章编号：0 4 9 0 6 7 5 6 ( 2 0 0 9 ) 0 6 1 7 0 2 0 7 H i g h - 。p r e c i s i o nr a i l - t o 。r a i lC M O Sp e a kd e t e c t o rc i r c u i td e s i g n W - A N GK a i X i a n ，W UQ i R o n g ，G A OX i n ，L IM e i G u a n g ，丁A N GE n S o n g ( M i c r o - e l e c t r o n i c sT e c h n o l o g yS i c h u a nK e yL a b o r a t o r y ，S c h o o lo fP h y s i c a lS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，S i c h u a nU n i v e r s i t y ，C h e n g d u6 1 0 0 6 4 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：Ah i g h p r e c i s i o nr a i l t o r a i lC M O Sp e a kd e t e c t o rc i r c u i ti sd e s i g n e d B a s e do nt h a tt h es i g n a l i sz o o m i n go u ta n di n ，a n dt h a tt h ep o w e rs u p p l yc a nc h a r g et h es t o r a g ec a p a c i t a n c eu n d e rt h ec o n t r o lb y M O Ss a m p l es w i t c h ，t h ec i r c u i tc o u l da c h i e v er a i l t o r a i lp e a kd e t e c t o r ，l o w e rt h ew o r k i n gc u r r e n to ft h e d e t e c t i o nc i r c u i t ，a n di m p r o v et h ev e l o c i t yo fM O Ss w i t c ha n dt h ep r e c i s i o no fp e a kd e t e c t o r T h ec i r c u i t d e s i g ni sb a s e du p o nC S M C0 5b t mC M O St e c h n o l o g y ，u s i n g5Vs i n g l ep o w e rs u p p l y T h ed e t e c t i o n p r e c i s i o ni sl e s st h a n1m V ，t h er a n g eo fd e t e c t i o nv o l t a g ei s0 5V ，t h es t a t i cc u r r e n td i s s i p a t i o ni s2 m A ，a n dt h en o r m a lw o r k i n gf r e q u e n c yi s0 1H z 1 0KH z K e yw o r d s ：p e a kd e t e c t o r ，R a i l t o R a i l ，s a m p l e ，C M O SD i f f e r e n t i a l A m p l i f i e r ，i n p h a s es c a l eo p e r a t i o n C i r c l l i t 1 引目 峰值检测电路是将某一时间段内信号的最值 反映出来，遇到信号峰值就跟随，若没有就保持其 工作状态主要包括跟踪、保持和复位，可以广泛应 用于信号采集和处理 1 、R F 功率运放( P A s ) 的反 馈保护系统 2 、仪器仪表、医疗、自动控制等众多领 域，如用来实现波形的毛刺捕捉、冲击信号峰值检 收稿日期 基金项目 作者简介 通讯作者 测 3 、轴承振动噪声的峰值检测 4 1 等因此峰值检 测器有着广泛的市场需求，且随着电子产业和信息 产业的不断发展，对信号的采集处理方面的要求愈 加突出，它将发挥愈来愈大的作用 传统峰值检测电路采用放大器和分立二极管 加电容组成充放电电路，并利用二极管的单向导 通性和电容器的存储作用构成检测电路但这种峰 值保持电路的线性差、通频带窄，故在很大程度上 2 0 0 8 - 0 9 2 0 I U l l 大学首届“大学生创新性实验计划”基金项目重点项目 2 0 0 7 3 王开贤( 1 9 8 4 一) ，男，海南海1 ：3 人。2 0 0 4 级，微电子学专业( I C 设计方向) 毕业 邬其荣E - m a i l ：w u q i 5 1 6 3 c o i n 万方数据 第6 期王开等：高精度轨对轨C M O S 峰值检测电路设计1 7 0 3 不能适应当今电子产品的发展趋势在国外，美国 A N A L O GD E V I C E 公司的P K D 0 1 峰值检测器 5 采用跨导型运算放大器，因而具有响应速度快、线 性好、检测峰值范围宽等特点印 P K D 0 1 代表了目 前国际上峰值检测器相关产品的领先水平，并得以 应用在大量的电子系统中然而，P K D 0 1 峰值检测 器采用B I C M O S 工艺，双电源，对于大多数单电源 系统造成资源浪费，高达4 0 美元的价格极大削弱 终端产品的竞争力，而且其主要应用于军事领域 对比而言，国内虽然对峰值检测系统的研究不断有 所改进，但是已有的峰值检测系统大多采用国外的 芯片搭建电路，缺乏自主创新品牌，如传统的模拟 峰值检测器便以美国N S 公司的采样保持器 L F 3 9 8 H 芯片为核心 7 ，即将被测信号经传感器变 为电信号，再经放大器放大、L F 3 9 8 采样保持后输 出而且生产工艺大多局限于双极型晶体管，这样 功耗大，成本高，性能差目前，国内峰值检测的研 究以南开大学提出高频C M O S 峰值检测电路方案 为先进代表 8 ，该设计基于中芯国际0 3 5 仁m 标 准C M O S 工艺，但其主要适用于射频信号和基带 信号的峰值检测，不适合甚低频信号的峰值检测 我们设计了一种高精度轨对轨C M O S 峰值检 测电路，适用于甚低频信号的峰值检测该电路基 于C S M C0 5 肿nC M O S 工艺，整体电路功耗低， 其静态电流消耗约为2m A ；基于信号“先缩小后 放大”的设计机理和存储电容充放电系统，该电路 实现了电压信号轨对轨峰值检测，降低了检测电路 的工作电流，提高了M O S 采样开关管的速度和峰 值检测的精度；其正常工作频率为0 1H z 1 0 K H z 因此，该峰值检测电路适用于精度要求高的 甚低频信号峰值检测，如低频冲击信号强度的检 测，水流流动过程瞬间压力变化信号检测等 2 峰值检测电路基本原理 峰值检测的基本原理，主要包括信号跟随、信 号保持、信号复位等即当输入信号n 增大时，电 路对其采样，并使输出V 。能够很好的跟随输入； 当输入信号V 。减小时，电路进入保持阶段，即保持 前一个峰值并输出；当n 再次大于此保持电压时， 电路继续跟踪y 加进行采样；当复位信号到来时， 儿放电归零，然后开始采样一保持的下一周期 2 1 传统峰值检测电路原理 最简单的峰值检测电路是二极管加电容组成 充放电电路 9 1 ，利用二极管的单向导通性和电容器 的存储作用构成检测电路这样，当信号幅值V 加 V 。q - V 。, 时，二极管导通，保持电容电压V 。跟随 V * ；当电容器被充电至n V 白一V 。时，二极管 截止，此时，电容器上将保持电压V 。由此可知， 电容上所保持电压值会比实际峰值低一个二极管 阈值电压L ，而且当输入信号的峰值小于n 时， 二极管将截止，可见此电路不能用于小信号( V 。，M 2 开关管导通，A m p v l 的反馈网络 M 2 一A m p v 2 一R 使输入端之间保持虚短路，R 无电 流通过，此时 V 一U 3 = V 以= U l V 白= U ：一儿一A U 亿； b 峰值下降时，A m p v l 输出下降，M 2 管截止，M 1 导通，A m p v l 的反馈网络M 1 ，此时，儿= V 白一 K ，电容器C 保持着电压峰值 2 N M O S 采样开关管 1 0 假设U 。为y h ，U 。为，那么由图1 可知， 由于N M O S 开关管的栅极和漏极电位相同，M O S 管处于饱和区在饱和区，漏极电流为： J 。一百1 z 。C 。W ( V D D 一儿一V 州) 2 ( 1 ) 万方数据 四川大学学报( 自然科学版) 第4 6 卷 又由 可得： c H 警= b ( ) c H 警= 矿1 c 。- ( V 加一V 。一、，似) 2 ( 3 ) 式中忽略了沟道长度调制效应于是： d V 。 ( V D D V 。一V 掰) 2 因此 1 V D D V 。一V r H 一酽1 暑W ( 4 )一虿p ”万r d 0 4 0 = 知赛蹦o 2i 脚磊r Io ( 5 ) 忽略体效应，并且在= 0 时，假设儿。= 0 ，得到 一V 肋一y 删一 孺疆蕞 从上式可以看出，当t o 。，V 。一V D D V 措这是 因为当V 。，接近V D D V 丁H 时，N M O S 的驱动电压 趋近零，使得对存储电容器C A P 的充电电流减小 到可以忽略不计由此可见，M O S 开关有一个严重 的缺点：如果输入信号的电平接近V 肋，那么由于 M O S 开关得到的输出信号就不能跟踪输入信号， 其输出信号的最大电压略小于V 肋一、厂州，其中 V 掰与M O S 开关管的性能及所采用的工艺有关 实验测得该电路输出的最大电压约为3 6 4V 而 且该电路直接由开关管控制对存储电容的充电，充 电速度慢，影响了采样的精度，其采样延迟约为1 0 肚s ，精度约为1 0m V 此外，运放失调会影响电路精度，而且该峰值 检测电路的工作频率大概是1 0H z 1K H z ，这就 大大限制了该峰值检测电路的应用领域 2 2 高精度轨对轨C M O S 峰值检测电路原理 高精度轨对轨C M O S 峰值检测电路设计基于 上述带反馈的闭环峰值检测电路的基本思想，采用 “先缩小后放大”的方法，即输入电压信号经电阻分 压网络使得信号幅度缩小，再经峰值检测电路检测 信号的峰值，接着将检测到的信号输入到一个同相 比例运算电路放大，恢复原信号幅度，最后输出，从 而完成某个时间段内峰值检测过程 其基本电路结构如下： 图2高精度轨对轨C M O S 峰值检测电路原理图 F i g 2H i g h F r c c i s i o nr a i l t o - r a i lC M O Sp e a kd e t e c t o r c i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a m 由图2 可知，高精度轨对轨C M O S 峰值检测 电路由电阻分压网络、闭环峰值检测电路、同相 比例运算电路、电容存储器、复位电路构成其 中：R 。与R ：构成电阻分压结构，使输入电压降 低；A m p v l 可提供对采样一保持电路的快速充放电 电流和使输入信号放大；A m p v 2 作为电压跟随器， 并引入反馈回路；M 1 防止U 。与U 。偏离太远，且 防止A m p v l 进入饱和状态而影响速度以及检测 精确度；M 2 是对电容器充电的采样开关管，控制 信号采样；C 为信号存储电容器；R s t 为复位开关， 控制峰值检测复位；R 。R 。与A m p v 3 构成一个同 相比例运算电路，对检测到的峰值信号放大后输 出 2 2 1电阻分压原理 当输入信号经电阻分压 后，可得： 2 亳乩 ( 7 ) 由式( 7 ) 可知，当R 。与R ：取不同的值时，可以使得 输入信号按不同比例缩小 万方数据 第6 期王开等：高精度轨对轨C M O S 峰值检测电路设计 当R ，= R ：时，有： U 一半 ( 8 ) 该电阻分压电路使得输入电压信号缩小，从而降低 了检测电路的工作电流 2 2 2 同相比例运算电路原理由R 。R 。与 A m p v 3 构成构成的电路为同相比例运算电路，且 引入了电压串联负反馈其中R 。- - - - R 。I IR 4 ，R 。称 为补偿电阻，以保证集成运放输入级差分放大电路 的对称性假设U 。= V 。，根据“虚短”和“虚断”可 知，该集成运放的净输入电压为零，即： U s = V 。5 一U 。= V 如( 9 ) 又净输入电流为零，那么有： 紫= 半 ( 1 0 ) 忍R 7 亦即： V 。一( 1 + 是) V 。= ( 1 + 卺) 亿6 ( 1 1 ) 又由( 9 ) 式，故有： v r e f n 一( 1 + 警) V 南 ( 1 2 、4 当R 。一R 时， 儿一2 V - ( 1 3 ) 选用不同的电阻阻值构成的电路可实现信号按不 同比例放大的功能 3 电路设计及仿真 本文基于C S M C0 5 弘mC M O S 工艺，在C a d e n c e 软件环境下进行电路设计及仿真优化，电路 采用5V 单电源 3 1C M O S 差动放大器设计 1 妇 高精度轨对轨C M O S 峰值检测电路的性能主 要由C M O S 差动放大器决定，如检测的频率带宽 、检测精度、速度等，因此C M O S 差动放大器的 设计是整个峰值检测电路设计的核心之一 C M O S 差动放大器具体电路如图3 所示，该 ( a ) 偏置电路 ( b ) 放大电路 图3C M O S 差动放大电路结构 F i g 3C M O Sd i f f e r e n t i a la m p l i l y i n gc i r c u i ts t r u c t u r e 万方数据 四川大学学报( 自然科学版) 第4 6 卷 差动放大器采用全C M O S 工艺，是一种轨对轨折 叠式共源共栅结构的差动运放该电路主要由三部 分构成：偏置电路、折叠式共源共栅输入级、A B 类输出级在输入级采用电压钳制电路控制共模输 入范围以实现恒跨导，互补的差分对使得电路有 R a i l t o R a i l 的输入共模范围折叠式共源共栅对 电流进行前级放大输出级由电流驱动的具有宽摆 幅A B 类控制电路的共源放大器构成，可将电流信 号转化为电压信号并进行二级放大后输出 3 2高精度轨对轨C M O S 峰值检测电路设计 本文高精度轨对轨C M O S 峰值检测电路设计 结构如图4 所示，其结构与图2 原理图基本类似 这里应说明的几点是： 1 M 2M O S 管是对电容器充电的采样开关 管，该管的漏端接电源V D D 可实现对电容快速充 电 1 2 ，这样可以提高开关管的速度，从而提高整个 峰值检测的精度； 2 C o n t r o l 及M 3 开关管组成复位电路，控 制峰值检测的复位，其逻辑表达式为：o u t = = = = = = ；= = = = = = = 一 i n a i n b = n a + n b ； 3 V 。提供给各个放大器一个基准电压 V ，。f n ； 4 C a p 为外接电容存储器，这样使得在实际 应用中可以方便地根据检测信号的频率不同而改 变电容的大小 此外，该电路中R 。= R 2 ，R 。= R 。，使得信号先 折半后检测，再经同相比例运放电路放大后输出 图4高精度轨对轨C M O S 峰值检测电路设计结构图 F i g 4H i g h - p r e c i s i o nr a i l t o - r a i lC M O Sp e a kd e t e c t o rc i r c u i td e s i g ns t r u c t u r ed i a g r a m 在C a d e n c e 软件环境下采用S P E C T R E 仿真器进行仿真，仿真结果如图5 所示： ( a ) 工作波形图 万方数据 第6 期王开等：高精度轨对轨C M O S 峰值检测电路设计 图5高精度轨对轨C M ( ) S 峰值检测电路仿真波形图 F i g 5H i g h - p r e c i s i o nr a i l t o - r a i lC M O Sp e a kd e t e c t o rc i r c u i ts i m u l a t i o nw a v e f o r mg r a p h 通过仿真可看出高精度轨对轨C M O S 峰值检 测电路的工作过程，主要包括信号跟随、信号保持 、信号复位等 该峰值检测电路具体工作过程如下： 1 信号输入：输入信号先经过电阻分压结构， 使得输入电压减半，即亿- = V 。Z ； 2 信号跟踪：在峰值到来时A m p v l 输出为 正，V 。= A 。 V 血，其中y 峨为M O S 管的开启电 压，此时M 2 开关二级管导通，A m p v l 的反馈网络 M 2 一A m p v l 使输入端之间保持虚短路，此时， U 4 = 亿2 = V 。l = V 自z U 3 一V 血= A I 一“： V 。= 2 V d = 2 V a l = V 南； 3 信号保持：峰值下降，A m p v l 输出下降， M 2 截止，M 1 导通，A m p v l 的反馈网络M 1 ，n 。= U 2 一V d I = v 白2 V 小； 4 信号输出：检测到的峰值信号加到同相比 例运算电路输入端，使得该峰值信号加倍，即：儿 - - - - - 2 U 。一V 新，最后输出； 5 控制复位：在同步信号控制下，给控制器输 入一个很窄的脉冲触发信号，使M 3 关管导通提供 电荷泄放通路，从而使电路迅速复位 通过仿真可知，该峰值检测电路的工作频率为 0 1H z 1 0K H z ，当频率高于1 0K H z 时，峰值检 测在跟踪信号时会发生振荡，频率越高振荡越厉 害外接电容C a p 的大小也会影响电路的工作频 率当工作信号频率很低时，所需保持电容很大；当 频率较高时，所需的电容很小，甚至不需要外接电 容C a p 此外，电阻分压网络的结构及电阻的大小 也会影响所需电容的大小，如信号经电阻网络分压 后，电压幅度越小，峰值检测工作电流就越小，所需 的保持电容也越小 此外，通过各种仿真，可得到该峰值检测电路 的主要性能参数，如表1 所示： 表1高精度轨对轨C M O S 峰值检测电路性能参数 T a b 1 H i g h - p r e c i s i o nr a i l t o - r a i lC M O Sp e a kd e t e c t o rc i r c u i tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s 检测电压峰值范围 o 5V 参考恒压源v r e f n 峰值误差( 检测精度) 延迟时问 工作频率范围 适应温度 工作电源V D D 静态电流消耗 芯片面积 1 2V 1m V 3n s 0 1H z 1 0K H z O 7 5 ( 商用) 5V 2m A 4 7 0 X2 4 0p m 2 4结语 通过对峰值检测电路的系统研究，本文基于一 种“先缩小后放大”的设计机理和存储电容充放电 系统，实现了轨对轨峰值检测，仿真结果和分析计 算结果相符该电路采用了5v 单电源，整体电路 功耗低，芯片面积小；其静态电流消耗为2m A ，检 测电压范围为o 5V ，检测精度小于1m V ，正常 工作频率为0 1 1 0K H z ，可以广泛应用于要求实 万方数据 1 7 0 8 四川大学学报( 自然科学版) 第4 6 卷 现轨对轨电压检测、高精度的甚低频信号峰值检 测，如水流流动过程瞬间压力变化信号检测、低频 信号反馈保护控制系统等 参考文献： 1 3 2 - 1 3 4 5 6 胡理，黄建国，师奕兵，等峰值检测技术在数据采 集卡中的应用口 仪器仪表学报，2 0 0 4 ，2 5 ( 4 ) ：4 0 7 S c u d e r iA ，L aP a g l i aL 。S c u d e r iA ，e ta 1 AV S W R - p r o t e c t e ds i l i c o nb i p o l a rR Fp o w e ra m p l i f i e rw i t h s o f t s l o p ep o w e rc o n t r o l J S o l i d - S t a t eC i r c u i t s ， 2 0 0 5 ，4 0 ：6 1 1 钟慧婷，廖世鹏，廖俊必冲击信号峰值检测及修正的 研究口 机械，2 0 0 6 ，1 1 ( 3 3 ) ：6 常晓明，谢刚等基于V e r i l o g o H D L 的轴承振动噪声 电压峰值检测口 应用天地，2 0 0 2 ，1 2 ：5 6 S m i t hJ ，F a r n e o m b eT Al o wC O S td a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mf o rs m a l lf i e l do fv i e wg a m m ac a m e r a s J I E E E ，2 0 0 7 ，3 ：2 0 9 7 L i uNY ，W a n gXH ，Z o uHC H i g hp r e c i s i o np e a k v a l u eh o l d i n ge h i p - P K D 0 1a n di t sa p p l i c a t i o ni ne l e c t r i cc o n t a c t s se l e c t r i cp e r f o r - m a n c ee x p e r i m e n t a ld e v i c e J I n t e r m a t i o n a lE l e c t r o n i cE l e m e n t s ，2 0 0 4 ， 4 ：5 7 7 宫玉芳峰值检测系统的设计 J 今日科苑，2 0 0 7 ， 2 0 ( 3 ) ：3 6 8 L ixC ，G a oQY 。Q i nSC Al o wp o w e rh i g hf r e - q u e n c yC M O Sp e a kd e t e c t o r J C h i nE s eJ o uR n a l o fS e mO c t ，2 0 0 6 ，2 7 ( 1 0 ) ：1 7 0 7 9 李陵。虞礼贞电压幅值可达毫伏数量级的小信号峰 值检测电路的设计 J 南昌大学学报：理科版， 2 0 0 3 ，2 7 ( 4 ) ：3 8 3 1 0 B e h z a dR a z a v i D e s i g no fa n a l o gC M O Si n t e g r a t e d c i r c u i t s M M cG r a wH i l lC o m p a n i e sI n e ，2 0 0 1 1 1 洪志良模拟集成电路分析与设计 M 北京：科 学出版社，2 0 0 5 D 2 P a r kS ，W i l s o nJE ，I s m a i lM T h eC H I P - p e a k d e t e c t o r sf o rm u h i s t a n d a r dw i r e l e s sr e c e i v e r s J I E E EC i r c u i t sa n dD e v i c e sM a g a z i n e ，2 0 0 6 ，2 ：6 责任编辑：李富河 万方数据 高精度轨对轨CMOS峰值检测电路设计高精度轨对轨CMOS峰值检测电路设计 作者：王开贤， 邬齐荣， 高鑫， 李美光， 汤恩松， WANG Kai-Xian， WU Qi-Rong， GAO Xin ， LI Mei-Guang， TANG En-Song 作者单位：四川大学物理科学与技术学院微电子技术四川省重点实验室,成都,610064 刊名： 四川大学学报(自然科学版) 英文刊名：JOURNAL OF SICHUAN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)：2009，46(6) 引用次数：0次 参考文献(12条)参考文献(12条) 1.胡理.师奕兵.黄建国.叶芃 峰值检测技术在数据采集卡中的应用期刊论文-仪器仪表学报 2004(z1) 2.Scuderi A.La Paglia L.Scuderi A A VSWR-protected silicon bipolar RF power amplifier with soft- slope power control 2005 3.钟慧婷.廖俊必.廖世鹏 冲击信号峰值检测及修正的研究期刊论文-机械 2006(11) 4.常晓明.谢刚 基于Verilog-HDL的轴承振动噪声电压峰值检测 2002 5.Smith J.Farncombe T A low cost data acquisition system for small field of view gamma cameras 2007 6.Liu