乘法器的製作方法

2023-09-22 20:00:40

專利名稱：乘法器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及乘法器電路，更具體地說，涉及一種非線性乘法器電路。
背景技術：
在SMPS(Switching Mode Power supply)系統中，PFC(Power FactorCorrection)系統是很重要的一類。相比於傳統的全波整流和大容量的電容濾波電路從AC電網獲得DC電壓的方法，PFC系統可以將系統功率因數從0.55～0.65提高到0.9～0.99。PFC系統控制迴路通常包含一個兩輸入的乘法器，其中一個輸入是反饋信號，另一個輸入一般是AC供電電壓的取樣或者相關參數。
參考圖1，圖1所示的是一種典型的PFC系統是升壓轉換系統。從輸出電壓Vout來的反饋電壓與基準電壓比較後得到一個誤差信號Verror，這個誤差信號Verror就是兩輸入的乘法器的第一個輸入信號，另一個信號是從整流後的主線分壓得到。乘法器的輸出作為參考信號檢測流過外接功率管的電流大小。這個參考信號可表示為REFCS＝K*Verror*Vmult其中K是乘法器的特徵常數。
圖2是典型的線性乘法器的電路圖，其工作原理如下PFC系統工作基本原理，當電流取樣電阻RSENSE上的電壓降大於乘法器的輸出REFCS時，外接功率管就關閉，電感中存儲的能量就轉移到輸出端；隨著能量的轉移，電感上電流逐漸減小，當ZCD功能塊通過輔助線圈檢測到電感電流降到零時，外接功率管開啟。
在PFC應用中，控制系統可以提高系統穩定性並降低從AC總線及系統自身來的噪聲。其中，系統的穩定性與其開環增益相關，增益越大系統穩定性越差。圖1所示系統的開環增益與AC總線電壓，負載阻抗以及乘法器的常數K成正比關係GLOOP=VAC2*RLOAD*K]]>隨著AC總線電壓以及負載阻抗的增大，開環增益也增大，這可能會導致系統不穩定。如果減小乘法器的常數K，開環增益就能夠降下來；同樣，常數K對於噪聲抑制有同樣的效果。為了改善控制系統增益，在小信號輸入狀態下以非線性實現降低常數K的非線性乘法器是一個理想的選擇。圖3說明非線性乘法器和線性乘法器的輸出特性對比。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種在小信號輸入狀態下以非線性實現降低常數K的非線性乘法器。
根據本實用新型，提供一種乘法器，包括非線性比例轉換電路，將輸入的差分信號轉換成第一電流，再將第一電流進行非線性轉換得到輸出電流；乘法電路，將輸入的乘法信號進行二級轉換生成乘法電流信號，並與所述輸出電流相乘。
根據本實用新型的一實施例，所述乘法電路包括第一差分級，將輸入的乘法信號轉換成第一級差分信號；第二差分級，與第一差分級相連，將第一差分信號作為輸入，還接入所述輸出電流，第二差分級的輸出連接到一輸出電路；輸出電路，包括電流鏡、輸出管和輸出電阻，產生一輸出信號。
根據本實用新型的一實施例，所述乘法電路結構為第一差分級，包括第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、第四電晶體和發射極電阻，其中發射極電阻通過偏置電流產生一個壓降來限制輸入的乘法信號的動態輸入範圍；第一差分極把乘法信號的輸入電壓轉換成第三電晶體和第四電晶體的發射極間的差分信號，然後輸入第二差分級；第二差分級，包括第五電晶體、第六電晶體、第七電晶體、第八電晶體，其中第五電晶體、第六電晶體的集電極都接入所述輸出電流(Ip2)，第二差分級產生一個輸出電流至輸出電路；輸出電路包括由第九電晶體和第十電晶體構成的電流鏡，一輸出電晶體和一輸出電阻，輸出電路產生輸出信號。
根據本實用新型的一實施例，所述非線性比例轉換電路包括差分級，將輸入的差分信號轉換成電流；轉換電路，將電流進行非線性轉換得到輸出電流，其中輸出電流是一個與第一電流成平方增長的電流。
根據本實用新型的一實施例，所述非線性比例轉換電路的電路結構如下所述差分級包括第十一電晶體、第十二電晶體、第十三電晶體和第十四電晶體，其中所述第十一電晶體和第十二電晶體構成一對差分對，它們的發射極各自連接一第一發射極電阻，輸入的差分信號連接到差分對的兩輸入端；所述第十三電晶體和第十四電晶體構成鏡像電流源電路；所述轉換電路包括第十五電晶體至第二十七電晶體共十三個電晶體，通過個電晶體之間的電流相加減，以及等電壓的變換，將第一電流轉換得到一與其成與平方增長關係的輸出電流。
採用了本實用新型的技術方案，提供了一種在小信號輸入狀態下以非線性實現降低常數K的非線性乘法器。


本實用新型的特徵、性質和優勢將通過
以下結合附圖和實施例的描述而變得更加明顯，附圖中相同的附圖標記始終表示相同的特徵，其中，圖1是一種典型的PFC系統是升壓轉換系統；圖2是典型的線性乘法器的電路圖；圖3說明非線性乘法器和線性乘法器的輸出特性對比；圖4是本實用新型的非線性乘法器的電路圖；圖5是本實用新型的非線性乘法器中使用的乘法電路的電路圖；圖6是本實用新型的非線性乘法器中使用的非線性比例轉換電路的電路圖；
圖7是本實用新型的非線性乘法器的Ip1電流和Ip2電流之間的特性關係；圖8是本實用新型的error信號和Multout信號之間的特性關係。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例進一步說明本實用新型的技術方案。
根據本實用新型的設計思想，提供一種乘法器，包括非線性比例轉換電路，將輸入的差分信號error轉換成第一電流Ip1，再將第一電流Ip1進行非線性轉換得到輸出電流Ip2；乘法電路，將輸入的乘法信號Mult進行二級轉換生成乘法電流信號，並與所述輸出電流Ip2相乘。
其中，在上述的電路中，乘法電路可包括第一差分級，將輸入的乘法信號Mult轉換成第一級差分信號；第二差分級，與第一差分級相連，將第一差分信號作為輸入，還接入所述輸出電流Ip2，第二差分級的輸出連接到一輸出電路；輸出電路，包括電流鏡、輸出管和輸出電阻，產生一輸出信號。
參考圖4所示的實施例，其示出了本實用新型的非線性乘法器中使用的乘法電路的電路圖，包括如下的電路結構第一差分級，包括第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第三電晶體Q3、第四電晶體Q4和發射極電阻R1，其中發射極電阻R1通過偏置電流產生一個壓降來限制輸入的乘法信號Mult的動態輸入範圍；第一差分極把乘法信號Mult的輸入電壓轉換成第三電晶體Q3和第四電晶體Q4的發射極間的差分信號，然後輸入第二差分級；第二差分級，包括第五電晶體Q5、第六電晶體Q6、第七電晶體Q7、第八電晶體Q8，其中第五電晶體Q5、第六電晶體Q6的集電極都接入所述輸出電流Ip2，第二差分級產生一個輸出電流至輸出電路；輸出電路包括由第九電晶體Q9和第十電晶體Q10構成的電流鏡，一輸出電晶體Q28和一輸出電阻R2，輸出電路產生輸出信號。
該乘法電路的工作原理如下由第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第三電晶體Q3、第四電晶體Q4和電阻R1構成的第一級差分輸入級中R1的作用是通過偏置電流I9產生一個壓降來限制Mult的動態輸入範圍。第一差分級的功能是把Mult的輸入電壓轉換成第三電晶體Q3和第四電晶體Q4的發射極間的差分信號。然後輸入第二差分級，第二差分級由第五電晶體Q5、第六電晶體Q6、第七電晶體Q7和第八電晶體Q8構成，第二差分級產生一個輸出電流，輸出電流經過電流鏡，即第九電晶體Q9和第十電晶體Q10，輸出電晶體Q28並且由輸出電阻R2產生輸出信號VMultout。
經過此轉換，可以有以下一個關係式VMultoutVmultIp2I9R2R1]]>從這個關係式可以看出VMultout正比於Vmult輸入和電流Ip2。
構成本實用新型的非線性乘法器的另一個電路結構是非線性比例轉換電路包括差分級，將輸入的差分信號error轉換成第一電流Ip1；轉換電路，將第一電流Ip1進行非線性轉換得到輸出電流Ip2，其中輸出電流Ip2是一個與第一電流Ip1成平方增長的電流。
參考圖4所示的實施例，其示出了本實用新型的非線性乘法器中使用的非線性比例變換電路的電路圖，包括如下的電路結構差分級包括第十一電晶體Q11、第十二電晶體Q12、第十三電晶體Q13和第十四電晶體Q14，其中第十一電晶體Q11和第十二電晶體Q12構成一對差分對，它們的發射極各自連接一第一發射極電阻R3，輸入的差分信號error連接到差分對的兩輸入端；第十三電晶體Q13和第十四電晶體Q14構成鏡像電流源電路；轉換電路包括第十五電晶體Q15至第二十七電晶體Q27共十三個電晶體，通過個電晶體之間的電流相加減，以及等電壓的變換，將第一電流轉換得到一與其成與平方增長關係的輸出電流。
該轉換電路的工作原理如下第十一電晶體Q11、第十二電晶體Q12、第十三電晶體Q13和第十四電晶體Q14組成差分級，將差分輸入信號Verror轉換成電流Ip1，符合以下公式Ip11R3Verror;]]>
從圖5可以得到I1=I0-Ip12;]]>通過第十五電晶體Q15和第十四電晶體Q14，由Q14＝aQ15，得到I3=I1aexp(I1*R4Vt)=b*I0;]]>設一系列的係數e，f，g，h，j，k，l，p，q這幾個參數就是電流鏡的比例關係Ip1＝I4，I5＝e*I4，I6＝f*I5＝ef*Ip1；I8＝I6+gI3＝ef*Ip1+gb*I0；I7＝h*I8＝h*(ef*Ip1+gb*I0)；最後，由Vbe(Q24)+Vbe(Q27)＝Vbe(Q23)+Vbe(Q22)得VTlnI7jIs+VTlnIp2kIs=VTlnIp1pIs+VTlnIp1qIs]]>將以上關係代入就可以得Ip2=cIp12a*Ip1+d*I3=cIp12a*Ip1+db*I0;]]>利用經過上述一系列的轉換得到的Ip2，Ip2=cIp12a*Ip1+d*I3]]>當Ip1＜＜I0/2時，I1≈I0/2，I3＞＞Ip1，我們得到Ip2=cIp12b*m*I0=K1*Ip12,]]>這時Ip2是一個與Ip1成平方增長的一個電流；而當Ip1比較大與I0/2相當時，I1＜＜I0/2，I3＜＜I0/2即I3＜＜Ip1，這時Ip2cIp1a=K2*Ip1,]]>參考圖7示出了該種特性。
這樣由Ip1和Ip2的關係，可得圖8的關係當Ip1＜＜I0/2時VMultout≈m*Vmult*Verror2當Ip1比較大與I0/2時
VMultout≈n*Vmult*Verror由此可見，只要設定相關的參數，就可以很容易在預定的Verror動態輸入範圍中設計出相應的非線性範圍。使用這種方法，就可以得到一個穩定，抗噪聲的控制環路。
採用了本實用新型的技術方案，提供了一種在小信號輸入狀態下以非線性實現降低常數K的非線性乘法器。
上述實施例是提供給熟悉本領域內的人員來實現或使用本實用新型的，熟悉本領域的人員可在不脫離本實用新型的發明思想的情況下，對上述實施例做出種種修改或變化，因而本實用新型的保護範圍並不被上述實施例所限，而應該是符合權利要求書提到的創新性特徵的最大範圍。
權利要求1.一種乘法器，其特徵在於，包括非線性比例轉換電路，將輸入的差分信號(error)轉換成第一電流(Ip1)，再將電流(Ip1)進行非線性轉換得到輸出電流(Ip2)；乘法電路，將輸入的乘法信號(Mult)進行二級轉換生成乘法電流信號，並與所述輸出電流(Ip2)相乘。
2.如權利要求1所述的乘法器，其特徵在於，所述乘法電路包括第一差分級，將輸入的乘法信號(Mult)轉換成第一級差分信號；第二差分級，與第一差分級相連，將第一差分信號作為輸入，還接入所述輸出電流(Ip2)，第二差分級的輸出連接到一輸出電路；輸出電路，包括電流鏡、輸出管和輸出電阻，產生一輸出信號。
3.如權利要求2所述的乘法器，其特徵在於，所述乘法電路結構為第一差分級，包括第一電晶體(Q1)、第二電晶體(Q2)、第三電晶體(Q3)、第四電晶體(Q4)和發射極電阻(R1)，其中發射極電阻(R1)通過偏置電流產生一個壓降來限制輸入的乘法信號(Mult)的動態輸入範圍；第一差分極把乘法信號(Mult)的輸入電壓轉換成第三電晶體(Q3)和第四電晶體(Q4)的發射極間的差分信號，然後輸入第二差分級；第二差分級，包括第五電晶體(Q5)、第六電晶體(Q6)、第七電晶體(Q7)、第八電晶體(Q8)，其中第五電晶體(Q5)、第六電晶體(Q6)的集電極都接入所述輸出電流(Ip2)，第二差分級產生一個輸出電流至輸出電路；輸出電路包括由第九電晶體(Q9)和第十電晶體(Q10)構成的電流鏡，一輸出電晶體(Q28)和一輸出電阻(R2)，輸出電路產生輸出信號。
4.如權利要求1所述的乘法器，其特徵在於，所述非線性比例轉換電路包括差分級，將輸入的差分信號(error)轉換成第一電流(Ip1)；轉換電路，將電流(Ip1)進行非線性轉換得到輸出電流(Ip2)，其中輸出電流(Ip2)是一個與電流(Ip1)成平方增長的電流。
5.如權利要求2所述的乘法器，其特徵在於，所述非線性比例轉換電路的電路結構如下所述差分級包括第十一電晶體(Q11)、第十二電晶體(Q12)、第十三電晶體(Q13)和第十四電晶體(Q14)，其中所述第十一電晶體(Q11)和第十二電晶體(Q12)構成一對差分對，它們的發射極各自連接一第一發射極電阻(R3)，輸入的差分信號(error)連接到差分對的兩輸入端；所述第十三電晶體(Q13)和第十四電晶體(Q14)構成鏡像電流源電路；所述轉換電路包括第十五電晶體(Q15)至第二十七電晶體(Q27)共十三個電晶體，通過個電晶體之間的電流相加減，以及等電壓的變換，將第一電流(Ip1)轉換得到一與其成與平方增長關係的輸出電流(Ip2)。
專利摘要本實用新型提供一種乘法器，包括非線性比例轉換電路，將輸入的差分信號轉換成第一電流，再將電流進行非線性轉換得到輸出電流；以及乘法電路，將輸入的乘法信號進行二級轉換生成乘法電流信號，並與所述輸出電流相乘。採用了本實用新型的技術方案，提供了一種在小信號輸入狀態下以非線性實現降低常數K的非線性乘法器。
文檔編號H02M1/00GK2845027SQ200520122350
公開日2006年12月6日 申請日期2005年11月8日 優先權日2005年11月8日
發明者林立謹, 錢翼飛 申請人:Bcd半導體製造有限公司