CN100502232C - 一种直流电平转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电平转换电路，该电路包括一运算放大器，一基准电压源，所述运算放大器的同相输入端连接输入信号；所述运算放大器的输出端与运算放大器的反相输入端之间连接至少一电阻性元器件；所述运算放大器的反相输入端与所述基准电压源之间连接至少一电阻性元器件。该电路既继承了基准分压方法的低成本优势，并且解决了要求输入信号具有一定驱动能力的问题，即使输入信号没有任何驱动能力，也可以完成模拟信号的直流偏置电平的转换。

Description

一种直流电平转换电路

技术领域

本发明涉及直流电平转换电路，尤其涉及一种应用于集成电路中的直流电平转换电路。

背景技术

随着半导体工艺的发展，集成电路的电源也变得越来越低，很多电路为了降低功耗，采用较低的工作电源。但是有些芯片却不能工作在低电源下，因此数据在这些芯片间的传输就需要电平转换电路。而且，随着近年来SOC(片上系统)技术的发展，在同一块芯片上常常有多套电源，因此，在不同模块中有不同的直流电平，如何传递这些不同直流电平的信号而又不引入噪声成为困绕电路设计工程师的问题。而模拟信号的电平转换则成为一个难点。

直流电平转换电路分数字电平转换和模拟电平转换。数字电平转换指逻辑电平从一种电位转换成另一种电位，图1所示是一个数字低电平转成高电平的例子。从图1中可以看出数字电路的电平转换是不同情况下代表逻辑“1”的电位间的转换。另一个数字电平转换的例子如图2a、图2b所示，图2a为高转低电平转换电路，该电路采用了一个倒相器将逻辑高电平“3.3V”转化成逻辑低电平“1.2V”。图2(b)是一个将逻辑低电平“1.2V”转化成高电平“3.3V”的电路，该电路利用了两个PMOS管组成一个锁存结构，形成正反馈，从而加快了电路的反应。

模拟电路的电平转换要求对模拟信号的直流成份进行抬升或降低，交流成份进行放大或衰减，同时最大限度减小信号的失真。从原理图3可以看出，模拟电平转换主要是根据设计者需要改变模拟信号的直流成份。图4所示为采用隔直电容进行直流电平转换电路，电路采用一个微法量级的隔直电容，经隔直后的信号，在运放的反向输入端直流电平变为V_CM。假设在图4中输入信号是一个正弦波，其输入直流偏置电平是V₀，幅值变化是ΔV，则输入信号可以简单的表示为V_IN＝V₀+ΔV(这里忽略了信号的频率)，那么经隔直电容并利用放大器的虚短和同相放大原理，输出信号可表示为：

$V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{CM}}+(1+\frac{R1}{R2}\mathrm{\ΔV})---\left(1\right)$

从(1)式右边的第一项可以看出初始的直流偏置电平V₀已经转化成V_CM。采用这种方法，可以很容易的将任何输入直流电平转化为需要的电平，但该方法有明显的局限性。其一，它需要一个较大的隔直电容，且信号通过隔直后，THD(总谐波失真)也将变差。其二，是如果该电路处于一个片上系统(SOC)中，势必增加两个PIN脚来连接这个大的电容，因为在集成电路中这样电容是无法集成的，所以只有采取外挂的方式，这势必增加成本。

另一种采用基准分压进行支流电平转换电路如图5所示。该电路采用电阻R1和R2对基准电压V_FEF分压，将输入直流电平转化到需要的电平，它避免了使用隔直电容，降低了系统成本。假设图5输入信号是一个正弦波，其输入直流偏置电平是“0V”(该电路这种连接方式只能转换输入偏置是“0V”的信号)，幅值变化是ΔV，则输入信号可以简单的表示为V_IN＝ΔV(这里忽略了信号的频率)。在放大器的正向输入端通过对基准电压进行分压，产生一个直流偏置，反映在输出端信号为：

$V_{\mathrm{OUT}}=\frac{R2}{R1}{V}_{\mathrm{REF}}+\frac{R4}{R3}\mathrm{\ΔV}---\left(2\right)$

从(2)式右边的第一项可看出，通过调整VREF或电阻R1、R2的值可以改变直流偏置电平。但是该方案由于在信号和地之间存在一个通路，所以要求输入信号有一定的驱动能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种新的直流电平转换电路，该电路可以解决现有技术基准分压方法要求输入信号具有一定驱动能力的问题。

本发明的技术方案为：

一种直流电平转换电路，包括一运算放大器，一基准电压源，所述运算放大器的同相输入端连接输入信号；所述运算放大器的输出端与反相输入端之间连接至少一电阻性元器件；所述运算放大器的反相输入端与所述基准电压源之间连接至少一电阻性元器件。

所述的直流电平转换电路，其中：所述运算放大器的输出端与反相输入端之间连接的电阻性元器件为第二电阻，所述运算放大器的反相输入端与所述基准电压源之间连接的电阻性元器件为第一电阻，调整所述第二电阻与第一电阻的比值以改变所述运算放大器的增益。

本发明的有益效果为：本发明的直流电平转换电路，既继承了基准分压方法的低成本优势，并且由于输入信号直接加在运算放大器的同相输入端，避免了信号与地之间的通路，解决了要求输入信号具有驱动能力的问题，即使输入信号没有任何驱动能力，也可以完成模拟信号的直流偏置电平的转换。

附图说明

图1为数字直流电平转换示意图；

图2a为数字高转低电平转换电路；

图2b为数字低转高电平转换电路；

图3为模拟信号电平转换原理示意图；

图4为利用隔直电容实现直流电平转换电路；

图5为现有技术利用基准分压实现直流电平转换电路；

图6为本发明实现直流电平转换电路。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

本发明直流电平转换电路如图6所示。包括一运算放大器，一基准电压V_REF，放大器的输出端与反相输入端之间，以及放大器的反相输入端与所述基准电压V_REF之间各设有一交直流信号通路，如图6所示，在放大器的反相输入端与V_REF之间连接一电阻R1，放大器的输出端与反相输入端之间连接一电阻R2。信号直接加在放大器的同相输入端，避免了信号与地之间的通路，故不要求输入信号有任何驱动能力，因此较适合弱信号的电平位移。该电路通过调整V_REF值的大小，可以方便的将输出模拟信号的直流电平提升或降低到设计者要求的电平。

下面介绍本发明的工作原理。假设在图6中输入信号是一个正弦波信号，其输入直流偏置电平是V₀，幅值变化量是ΔV，则输入信号可以简单的表示为V_IN＝V₀+ΔV(这里忽略了信号的频率)。利用放大器的虚短概念(虚短是指集成运放的两个输入端的电压差通常非常接近于零，但不是短路，故简称“虚短”)，那么在运放的反相输入端(节点①)的直流偏置电平等于同相输入端(节点②)的直流偏置电平V₀。同时由于在输出端和基准电压V_REF间存在一个直流通路，可以稳定输出端的直流偏置电平。输出端和基准电压V_REF间的直流通路的电流可以由下式表示：

$I=\frac{V_0-V_{\mathrm{REF}}}{R_1}$

由欧姆定律知电阻R₂两端的电压降V_R2为

V_R2＝I·R₂

所以输出端的直流偏置

$V_0^{\′}=V_0+V_{R2}=V_0+\frac{(V_0-V_{\mathrm{REF}})R_2}{R1}---\left(3\right)$

根据同相放大器的放大关系可知输出信号的交流成分

$\mathrm{\ΔV}\′=1+\frac{R2}{R1}\mathrm{\ΔV}---\left(4\right)$

其中ΔV表示输入信号的交流成分。

所以完整的输出信号表达式为

V_OUT＝V′+ΔV′        (5)

$V_{\mathrm{OUT}}=[V_0+\frac{(V_0-V_{\mathrm{REF}})R_2}{R_1}]+(1+\frac{R_2}{R_1}\mathrm{\ΔV})---\left(6\right)$

将(3)式和(4)式代入(5)式，最终得到完成的输出表达式(6)。

通过(6)式右边第二项可看出，调整R1和R2的比值可以改变放大器的增益，而从第一项可看出，R1和R2的比值也可以改变输出直流偏置电平，但如果R1和R2的值已经确定，那么调整V_REF的值可改变输出直流偏置电平。因此本发明电路可以通过R1和R2的比值调整放大器增益，并通过调整V_REF值的大小，方便的将输出模拟信号的直流电平提升或降低到设计者要求的电平，并且由于信号直接加在放大器的同相输入端，即便输入信号没有任何驱动能力，也可以完成模拟信号的直流偏置电平的转换。本电路特别适用于多套电源的集成电路系统。

应当理解的是，本发明所述的直流电平转换电路，上述针对较佳实施例的描述过于具体，并不能因此而理解为对本实用新型的专利保护范围的限制，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，例如采用可变电阻替代电阻R1和R2，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1、一种直流电平转换电路，包括一运算放大器，一基准电压源，其特征在于：所述运算放大器的同相输入端连接输入信号；所述运算放大器的输出端与运算放大器的反相输入端之间连接至少一电阻性元器件；所述运算放大器的反相输入端与所述基准电压源之间连接至少一电阻性元器件。

2、根据权利要求1所述的直流电平转换电路，其特征在于：所述运算放大器的输出端与运算放大器反相输入端之间连接的电阻性元器件为第二电阻，所述运算放大器的反相输入端与所述基准电压源之间连接的电阻性元器件为第一电阻，调整所述第二电阻与第一电阻的比值以改变所述运算放大器的增益。

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