CN102135869B - 混合式宽范围除法器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合式宽范围除法器及其方法，用以将第一及第二信号相除产生输出信号。该除法器包括第一及第二可变电阻以及数字电路。该第二信号决定一目标值，该第一可变电阻用以决定第三信号，该第三信号与该目标值比较产生第四信号。该数字电路根据该第四信号调整该第一可变电阻的电阻值，以使该第三信号等于该目标值，以及调整该第二可变电阻的电阻值，以使其与该第一可变电阻的电阻值具有比例关系。该第二可变电阻因应该第一信号产生该输出信号。

Description

混合式宽范围除法器及其方法

技术领域

本发明涉及一种除法器，特别是关于一种混合式宽范围除法器。

背景技术

传统的模拟除法器由MOS晶体管构成，这类除法器利用MOS晶体管的三极管区(trioderegion)来实现，因此其输入信号受限在一定范围内，故只适合交流小信号的应用。大直流信号的应用通常使用数字除法器，但数字除法器有占用较大芯片面积的缺点。

图1是另一种传统的模拟除法器，其利用电容改善输入范围，图2是图1的波形图。输入该电流除法器的两输入电流id及in分别供应至电容C1及C2，信号Reset控制与电容C1并联的开关M1，电容C1用来充放电产生电压Vc1，比较器10比较电压Vc1及临界电压Vth产生比较信号VT。在时间t1时，电压Vc1大于临界电压Vth，比较信号VT转为高准位而打开(turnon)开关M2，因而使电容C2放电。在时间t2时，信号Reset打开开关M1，比较信号VT转为低准位而关闭(turnoff)开关M2，因而使电压Vc2上升，直到电压Vc1大于临界电压Vth。假设信号Reset的脉宽为TR，比较信号VT的非工作时间为Td，而且TR＜＜Td，由图1及图2可知电容C1的充电时间

Tcharge＝Td-TR＝C1×Vth/id。公式1

从公式1可以进一步推得

Td＝(C1×Vth/id)+TR。公式2

电压Vc2的峰值

Vc2_peak＝Td×in/C2，公式3

将公式2代入公式3可推得

Vc2_peak＝(C1×Vth/C2)×in/id。公式4

由公式4可知，电压Vc2的峰值Vc2_peak几乎正比于in/id，换言之，电压Vc2的峰值Vc2_peak包含输入电流id及in相除的信息。

然而，图1的除法器需要峰值侦测器侦测电压Vc2的峰值Vc2_peak。一般的峰值侦测器是利用二极管及电容，但是这种侦测器在输入电流id及in下降后，可能因无法产生足够的电压Vc2而无法使用。峰值侦测器也可以使用取样及维持电路，但需要额外的取样时间，因此无法立即反应。再者，当图1的除法器刚启动或发生输入瞬时时(即输入瞬间或瞬时输入)，必须等电容C1及C2充放电后才能得到电压Vc2的峰值Vc2_peak，如图2的时间Tdelay，故不适合需要快速反应的应用。

因此，还有待于研究一种宽范围且能快速反应的除法器。

发明内容

本发明的目的之一，在于提出一种结合模拟及数字电路的混合式除法器及其方法。

本发明的目的之一，在于提出一种具有宽输入范围的除法器及其方法。

根据本发明，一种用以将第一及第二信号相除产生输出信号的混合式宽范围除法器包括第一及第二可变电阻，控制电路根据该第一可变电阻的电阻值决定第三信号，回授电路根据该第二信号决定的目标值及该第三信号产生第四信号，以及数字电路根据该第四信号调整该第一可变电阻的电阻值，以使该第三信号等于该目标值，以及调整该第二可变电阻的电阻值，以使其与该第一可变电阻的电阻值维持比例关系。

根据本发明，一种用以将第一及第二信号相除产生输出信号的方法包括根据第一可变电阻的电阻值决定第三信号，由该第二信号决定目标值，根据该目标值及第三信号决定第四信号，根据该第四信号调整该第一可变电阻的电阻值，以使该第三信号等于该目标值，以及调整第二可变电阻的电阻值，以使其与该第一可变电阻的电阻值具有比例关系，根据该第二可变电阻的电阻值及该第一信号产生该输出信号。

本发明的除法器及其方法，根据欧姆定律，利用电阻将输入电压或输入电流转换为电流或电压，进而得到输出信号，因此输入范围不受限制，而且电路也较简单，更容易实现。此外，通过储存第一及第二可变电阻调整后的电阻值，因此当发生瞬时输入时，可根据其储存的资料立即将第一及第二可变电阻的电阻值调整至前次调整后的大小，不必从头再调整，故可达成快速瞬时响应。

附图说明

图1是现有的宽范围模拟式电流除法器；

图2是图1的波形图；

图3是根据本发明的电流除法器；

图4是根据本发明的电压除法器；

图5是根据本发明的电压电流除法器；以及

图6是根据本发明的电流电压除法器。

具体实施例

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获取的其它实施例，都属于本发明的保护范围。

图3是根据本发明的第一实施例，该电流除法器可将输入电流I1及I2相除而产生输出信号Vo。在该电流除法器中，控制电路30连接第一可变电阻R3(可变电阻又称为可调电阻，即根据阻值特性进行划分，可以调节阻值的电阻，例如，滑动变阻器以及常用于音量调节的电位器等)，根据其电阻值决定信号VR1。控制电路30包括电压源32提供参考电压Vref给第一可变电阻R3以产生电流IR3，电流镜(即镜像电流源)34镜射电流IR3产生电流IR1，以及电阻R1根据电流IR1产生信号VR1。回授(即反馈)电路36包括电阻R2根据电流I1产生目标值VR2，以及比较器38比较信号VR1及目标值VR2产生信号Scomp。数字电路40包括升降计数器42根据信号Scomp产生数字信号UP_DOWN调整第一可变电阻R3的电阻值，以使信号VR1等于目标值VR2，同时也调整第二可变电阻R4的电阻值，以使其等于第一可变电阻R3的电阻值，或与第一可变电阻R3的电阻值具有比例关系。第二可变电阻R4根据电流I2产生输出信号Vo。假设电阻R1与R2的电阻值相等，且电流IR3等于电流IR1，由于在稳态时电压VR1等于目标值VR2，而且可变电阻R3及R4的电阻值相等，因此可得

R3＝Vref/I1＝R4。公式5

输出信号

Vo＝I2×R4

＝I2×(Vref/I1)

＝Vref×(I2/I1)。公式6

由公式6可知，输出信号Vo包含输入电流I1及I2相除的信息。

图4是根据本发明的第二实施例，该电压除法器可将输入电压V1及V2相除而产生输出信号Vo。此电压除法器包括图3的可变电阻R3及R4、控制电路30及数字电路40，但是回授电路36直接以输入电压V1当作目标值。图4的电压除法器还包括电压电流转换器44将输入电压V2转换为电流IR4给第二可变电阻R4产生输出信号Vo。在电压电流转换器44中，运算放大器48具有正输入接收电压V2、负输入连接电阻R5、以及输出连接晶体管M2的闸极。由于虚短路，电压V2将施加至电阻R5而产生电流IR5。电流镜46镜射电流IR5产生电流IR4给第二可变电阻R4。在图4中，假设电流IR3等于电流IR1，且电流IR4等于IR5，可得

IR4＝V2/R5。公式7

在稳态时信号VR1等于目标值V1，且可变电阻R3及R4的电阻值相等，因此可得

R3＝(Vref/V1)×R1＝R4。公式8

输出信号

Vo＝IR4×R4

＝(V2/R5)×[(Vref/V1)×R1]

＝(Vref×R1/R5)×(V2/V1)。公式9

由公式9可知，输出信号Vo包含输入电压V1及V2相除的信息。

图5是根据本发明的第三实施例，该电压电流除法器可将输入电压V2除以输入电流I1产生输出信号Vo。此电压电流除法器包括图3的可变电阻R3及R4、控制电路30、回授电路36、数字电路40以及图4的电压电流转换器44。假设电阻R1及R2的电阻值相等，电流IR1等于电流IR3，电流IR4等于电流IR5，由于在稳态时信号VR1等于目标值VR2，且可变电阻R3及R4的电阻值相等，可得

Vo＝IR4×R4

＝(V2/R5)×(Vref/I1)

＝(Vref/R5)×(V2/I1)。公式10

由公式10可知，输出信号Vo包含输入电压V2除以输入电流I1的信息。

图6是根据本发明的第四实施例，该电流电压除法器可将输入电流I2除以输入电压V1产生输出信号Vo。此电流电压除法器包括图4的可变电阻R3及R4、控制电路30、回授电路36及数字电路40。假设电流IR1等于电流IR3，由于在稳态时信号VR1等于目标值V1，且可变电阻R3及R4的电阻值相等，可得

Vo＝I2×R4

＝I2×[(Vref/V1)×R1]

＝(Vref×R1)×(I2/V1)。公式11

由公式11可知，输出信号Vo包含输入电流I2除以输入电压V1的信息。

综上所述，本发明提供的除法器，用以将第一信号及第二信号相除产生输出信号，包括：

第一可变电阻(R3)，具有第一电阻值；

第二可变电阻(R4)，具有第二电阻值，该第二电阻值与该第一电阻值具有比例关系，该第二可变电阻根据该第一信号产生该输出信号(Vo)；

控制电路30连接该第一可变电阻(R3)，根据该第一电阻值决定第三信号(VR1)；

回授电路36连接该控制电路30，根据该第二信号决定的一目标值及该第三信号(VR1)产生第四信号(Scomp)；以及

数字电路40连接该回授电路36、第一及第二可变电阻(R3、R4)，根据该第四信号(Scomp)调整该第一电阻值，以使该第三信号等于该目标值，以及调整该第二电阻值，以使其与该第一电阻值维持该比例关系。

而该除法器用以将第一及第二信号相除产生输出信号的方法包括：

(a)根据第一可变电阻(R3)的电阻值决定第三信号；

(b)由该第二信号决定一目标值；

(c)根据该目标值及第三信号决定第四信号；

(d)根据该第四信号调整该第一可变电阻(R3)的电阻值，以使该第三信号等于该目标值，以及调整第二可变电阻(R4)的电阻值，以使其与该第一可变电阻(R3)的电阻值具有比例关系；以及

(e)根据该第二可变电阻(R4)的电阻值及该第一信号产生该输出信号(Vo)。

参照图3，与实施例一对应的，该第一信号即I2，该第二信号即I1，该目标值即VR2。

参照图4，与实施例二对应的，该第一信号即V2，该第二信号及目标值都为V1。

参照图5，与实施例三对应的，该第一信号即V2，该第二信号即I1，该目标值为VR2。

参照图6，与实施例四对应的，该第一信号即I2，该第二信号及目标值都为V1。

本发明的除法器根据欧姆定律，利用电阻将输入电压或输入电流转换为电流或电压，进而得到输出信号Vo，因此输入范围不受限制，而且电路也较简单，更容易实现。此外，升降计数器42可储存可变电阻R3及R4调整后的电阻值，因此当发生输入瞬时时(即输入瞬间或瞬时输入)，升降计数器42可根据其储存的资料立即将可变电阻R3及R4的电阻值调整至前次调整后的大小，不必从头再调整，故可达成快速瞬时响应。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (22)

1.一种混合式宽范围除法器，所述的混合式宽范围除法器的输入范围不受限于交流小信号，用以将第一及第二信号相除产生输出信号，其特征在于，该除法器包括：

第一可变电阻，具有第一电阻值；

第二可变电阻，具有第二电阻值，该第二电阻值与该第一电阻值具有比例关系，该第二可变电阻根据该第一信号产生该输出信号；

控制电路连接该第一可变电阻，根据该第一电阻值决定第三信号；

回授电路连接该控制电路，根据该第二信号决定的一目标值及该第三信号产生第四信号；以及

数字电路连接该回授电路、第一及第二可变电阻，根据该第四信号调整该第一电阻值，以使该第三信号等于该目标值，以及调整该第二电阻值，以使其与该第一电阻值维持该比例关系。

2.如权利要求1所述的混合式宽范围除法器，其特征在于，该控制电路包括：

电压源连接该第一可变电阻，提供参考电压给该第一可变电阻以产生第一电流；

电流镜连接该第一可变电阻，用以镜射该第一电流产生第二电流；以及

电阻连接该电流镜，根据该第二电流产生该第三信号。

3.如权利要求1所述的混合式宽范围除法器，其特征在于，该第一及第二信号均为电流信号。

4.如权利要求3所述的混合式宽范围除法器，其特征在于，该回授电路包括：

电阻根据该第二信号的电流产生该目标值；以及

比较器连接该电阻及控制电路，比较该第三信号及目标值产生该第四信号。

5.如权利要求3所述的混合式宽范围除法器，其特征在于，该第一信号的电流流过该第二可变电阻产生该输出信号。

6.如权利要求1所述的混合式宽范围除法器，其特征在于，该第一及第二信号均为电压信号。

7.如权利要求6所述的混合式宽范围除法器，其特征在于，该回授电路包括比较器比较该第二及第三信号产生该第四信号。

8.如权利要求6所述的混合式宽范围除法器，其特征在于，更包括电压电流转换器将该第一信号转换为电流给该第二可变电阻，以产生该输出信号。

9.如权利要求1所述的混合式宽范围除法器，其特征在于，该第一信号为电压信号，第二信号为电流信号。

10.如权利要求9所述的混合式宽范围除法器，其特征在于，该回授电路包括：

电阻根据该第二信号的电流产生该目标值；以及

比较器连接该电阻及控制电路，比较该第三信号及目标值产生该第四信号。

11.如权利要求9所述的混合式宽范围除法器，其特征在于，更包括电压电流转换器用以将该第一信号转换为电流给该第二可变电阻，以产生该输出信号。

12.如权利要求1所述的混合式宽范围除法器，其特征在于，该第一信号为电流信号，第二信号为电压信号。

13.如权利要求12所述的混合式宽范围除法器，其特征在于，该回授电路包括比较器比较该第二及第三信号产生该第四信号。

14.如权利要求12所述的混合式宽范围除法器，其特征在于，该第一信号的电流流过该第二可变电阻产生该输出信号。

15.如权利要求1所述的混合式宽范围除法器，其特征在于，该数字电路包括升降计数器根据该第四信号调整该第一及第二电阻值。

16.如权利要求1所述的混合式宽范围除法器，其特征在于，该数字电路储存该第一及第二电阻值。

17.一种用以将第一及第二信号相除产生输出信号的方法，其特征在于，包括：

步骤a：根据第一可变电阻的电阻值决定第三信号；

步骤b：由该第二信号决定一目标值；

步骤c：根据该目标值及第三信号决定第四信号；

步骤d：根据该第四信号调整该第一可变电阻的电阻值，以使该第三信号等于该目标值，以及调整第二可变电阻的电阻值，以使其与该第一可变电阻的电阻值具有比例关系；以及

步骤e：根据该第二可变电阻的电阻值及该第一信号产生该输出信号。

18.如权利要求17所述的用以将第一及第二信号相除产生输出信号的方法，其特征在于，该步骤a包括：

施加电压至该第一可变电阻以产生第一电流；

镜射该第一电流以产生第二电流给一电阻，因而产生该第三信号。

19.如权利要求17所述的用以将第一及第二信号相除产生输出信号的方法，其特征在于，该步骤b包括根据该第二信号施加电流至一电阻以产生电压作为该目标值。

20.如权利要求17所述的用以将第一及第二信号相除产生输出信号的方法，其特征在于，该步骤c包括比较该第三信号及目标值产生该第四信号。

21.如权利要求17所述的用以将第一及第二信号相除产生输出信号的方法，其特征在于，该步骤e包括根据该第一信号施加电流至该第二可变电阻以产生该输出信号。

22.如权利要求17所述的用以将第一及第二信号相除产生输出信号的方法，其特征在于，更包括储存该第一及第二可变电阻的电阻值。