在仪表和测量系统中广泛使用了平方根计算电路,例如:用于计算任意波形rms (均方根)等任务。因此,设计师需要有一种高效的模拟平方根计算装置。由于制造商常采用mos技术制造ic,采用基于mosfet的模拟平方根计算装置应该是很合适的。此设计实例就描述了一个这样的电路。该电路只采用mosfet来提供平方根功能(图1)。它设计简单,功能丰富,可以提供两路电压差的平方根输出。
该电路将mosfet q1和q2 嵌套连接。二级管连接的q2在饱和区工作,强制q1在线性区工作。所有其他mosfet也工作在线性区。该电路的第一部分电路由q3、q4、q5和q6构成,产生电流io1。该部分基本上为一个mos电阻电路。决定该电路工作的基本公式为:
其中k1和k2 分别表示晶体管q1和q2的纵横比(aspect ratio):ki=(μcoxw)/2li,其中i=k1=k2。mosfet构成mos电阻电路并保证所产生的电流是相同的,所以这些mosfet具有相同的纵横比和阈值电压。电流与输入 v1和v2有关,关系如公式所示:io1=g(v1?v2),其中g=2k(va?vb),表示mos电阻电路的电导;k=(μcoxw)/2l,为构成 mos电阻电路的几个相同晶体管的纵横比;va和vb 为施加到线性区mosfet栅极的控制电压。该方法的优点是输出电压可控性好,因而可用电压控制平方根功能。
输出电压按以下公式计算:
从该公式可以看出,输出电压vo为输入电压v1和v2之差的平方根。如果将v2接地,则输出电压与输入电压 v1平方根成正比。如公式所示,控制电压 va和vb 可以改变比例常数。因此,这是一种新型的完全基于mosfet的电压控制模拟平方根计算装置。
可以采用大量市售mosfet来测试该电路。例如,可以采用很多地方都可以购到的2sk1228;缓冲器可以是基于mosfet的运放缓冲器,如 texas instruments公司的buf04701。为了使电路工作符合输出电压公式,用于构成mos电阻电路的4只mosfet应该是相同的,并且应该工作在线性区,其输入v1和v2 应分别小于va-vth和vb-(–vth)。镜像电流源中的mosfet q7和q8应相同,而且二极管连接的 mosfet q1和q2应是不同的,并应具有不同的纵横比。可以用市售ic在板上测试该电路 ,或是用任何标准版本的spice 在计算机上仿真它。供电电压必须符合所选元件参数。
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