CN102638232A - 微控制器中端口可复用的运算放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微控制器中端口可复用的运算放大器，包括：运算放大单元，具有正向输入端、反向输入端和输出端；正向放大使能控制单元，根据第一开关控制信号选择性地将微控制器的第一端口连接到反向输入端；反向放大使能控制单元，根据第二开关控制信号选择性地将微控制器的第二端口连接到正向输入端；输出使能控制单元，根据第三开关控制信号选择性地将微控制器的第三端口连接到输出端，其中，正向放大使能控制单元接收正向放大控制信号，反向放大使能控制单元接收反向放大控制信号，从而基于第一、第二、第三开关控制信号、正向放大控制信号和反向放大控制信号，选择运算放大器的正向放大模式、反向放大模式和差分放大模式之一。

Description

微控制器中端口可复用的运算放大器

技术领域

本发明涉及微控制器系统设计领域，更具体地讲，涉及能够实现微控制器中端口复用的运算放大器。

背景技术

微控制器(MCU)是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。随着技术的发展，MCU的成本越来越低，而性能越来越强大，这使其应用已经无处不在，遍及各个领域，例如，电机控制、扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化等。

通常，MCU中设置有运算放大器。然而，运算放大器至少占用MCU芯片的三个端口。因此，在MCU设计过程中存在端口数目与功能之间的矛盾，MCU设计师总是在增强芯片功能和节省有限端口之间做艰难的选择。另一方面，MCU中的运算放大器需要固定增益放大，从而会增加MCU的外部器件的数量。因此，需要一种能够实现微控制器中端口复用并且增益可调的运算放大器。

发明内容

在下面的描述中将部分地阐明本发明另外的方面和/或优点，通过描述，其会变得更加清楚，或者通过实施本发明可以了解。

根据本发明的一方面，提供了一种微控制器中端口可复用的运算放大器，包括：运算放大单元，具有正向输入端、反向输入端和输出端；正向放大使能控制单元，根据第一开关控制信号选择性地将微控制器的第一端口连接到运算放大单元的反向输入端；反向放大使能控制单元，根据第二开关控制信号选择性地将微控制器的第二端口连接到运算放大单元的正向输入端；输出使能控制单元，根据第三开关控制信号选择性地将微控制器的第三端口连接到运算放大单元的输出端，其中，正向放大使能控制单元接收正向放大控制信号，反向放大使能控制单元接收反向放大控制信号，从而基于第一开关控制信号、第二开关控制信号、第三开关控制信号、正向放大控制信号和反向放大控制信号，选择运算放大器的正向放大模式、反向放大模式和差分放大模式之一。

此外，所述运算放大器还可包括：反馈电阻网络，连接在正向放大使能控制单元和运算放大单元的输出端之间。

此外，正向放大使能控制单元可包括：第一非门，接收正向放大控制信号；第一开关，根据正向放大控制信号闭合或断开；第一电阻器，其第一端连接到第一开关的第一端，第二端连接到第一开关的第二端和运算放大单元的反向输入端；第二开关，其第一端连接到运算放大单元的反向输入端，第二端连接到反馈电阻网络，并根据第一非门的输出信号闭合或断开。

此外，反向放大使能控制单元可包括：第二非门，接收第一开关控制信号；第一与门，接收第二非门的输出信号和反向放大控制信号；第三开关，其第一端连接到运算放大单元的正向输入端，第二端接地，并根据第一与门的输出信号闭合或断开。

此外，当第一开关控制信号为高电平时，正向放大使能控制单元可将连接在第一端口和第一电阻器的第一端之间的第四开关闭合，从而将第一端口连接到运算放大单元的反向输入端。

此外，当第二开关控制信号为高电平时，反向放大使能控制单元可将连接在第二端口和运算放大单元的正向输入端之间的第三开关闭合，从而将第二端口连接到运算放大单元的正向输入端。

此外，当第三开关控制信号为高电平时，输出使能控制单元可将连接在第三端口和运算放大单元的输出端之间的第六开关闭合，从而将第三端口连接到运算放大单元的输出端。

此外，当第一开关控制信号、第二开关控制信号和第三开关控制信号为高电平，第一端口接地时，运算放大器可处于正向放大模式；当第一开关控制信号、第三开关控制信号和反向放大控制信号为高电平，第二开关控制信号为低电平时，运算放大器可处于反向放大模式；当第一开关控制信号、第二开关控制信号、第三开关控制信号和正向放大控制信号为高电平时，运算放大器可处于差分放大模式。

此外，当运算放大器处于正向放大模式或反向放大模式时，如果正向放大控制信号为低电平，则可根据反馈电阻网络的电阻值与第一电阻器的电阻值的比值确定运算放大器的放大增益，如果正向放大控制信号为高电平，则可通过在微控制器外部连接外部反馈器件来确定放大增益。

此外，反馈电阻网络可包括：开关电阻电路，包括连接在第二开关的第二端和运算放大单元的输出端之间的四条支路，所述四条支路并联连接，并且每条支路包括串联连接的电阻器和开关；2-4译码电路，将两个用户输入信号译码为四个输出信号，以控制四条支路中一条支路的开关闭合。

此外，运算放大单元可以为AB类放大器。

通过所述微控制器中端口可复用的运算放大器，能够有效地减少微控制器端口使用数目，所述运算放大器的放大增益可调，并且具有正向放大、反向放大和差分放大等多种放大模式。此外，根据本发明实施例的微控制器中端口可复用的运算放大器无需外部原件

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：

图1是示出根据本发明实施例的微控制器中端口可复用的运算放大器的示意性电路图；

图2是示出根据本发明实施例的微控制器中端口可复用的运算放大器的运算放大单元的示意性电路图；

图3是示出根据本发明实施例的微控制器中端口可复用的运算放大器的反馈电阻网络的示意性电路图。

具体实施方式

现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同的部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。

图1是示出根据本发明实施例的微控制器中端口可复用的运算放大器的示意性电路图。图1中示出了MCU的多个I/O(输入输出)端口，其中，三个端口用于所述运算放大器的正向输入端、反向输入端和输出端。

参照图1，根据本发明实施例的微控制器中端口可复用的运算放大器可包括运算放大单元100、正向放大使能控制单元200、反向放大使能控制单元300和输出使能控制单元400。运算放大单元100具有正向输入端、反向输入端和输出端。正向放大使能控制单元200可根据MCU提供的开关控制信号NE来选择性地将MCU的一个端口101(VIN)连接到运算放大单元100的反向输入端，反向放大使能控制单元300可根据MCU提供的开关控制信号PE来选择性地将MCU的另一个端口102(VIP)连接到运算放大单元100的正向输入端，并且输出使能控制单元400可根据MCU提供的开关控制信号OE来选择性地将MCU的另一个端口103(VOUT)连接到运算放大单元100的输出端。具体地讲，当开关控制信号NE为高电平1时，正向放大使能控制单元200可将设置在端口101和运算放大单元100的反向输入端之间的开关K4闭合，从而将端口101连接到运算放大单元100的反向输入端。当开关控制信号PE为高电平1时，反向放大使能控制单元300可将设置在端口102和运算放大单元100的正向输入端之间的开关K5闭合，从而将端口102连接到运算放大单元100的正向输入端。当开关控制信号OE为高电平1时，输出使能控制单元400可将设置在端口103和运算放大单元100的输出端之间的开关K6闭合，从而将端口103连接到运算放大单元100的输出端。当开关控制信号PE、NE、OE为低电平0时，开关K4、K5、K6断开，从而可将端口101、102、103复用给MCU中的其他IP单元(即，数字单元)。

此外，正向放大使能控制单元200还可接收MCU提供的正向放大控制信号PFE，反向放大使能控制单元300还可接收MCU提供的反向放大控制信号NFE。可基于开关控制信号PE、NE、OE、正向放大控制信号PFE和反向放大控制信号NFE，使运算放大器处于正向放大模式、反向放大模式和差分放大模式之一。

如图1所示，根据本发明实施例的微控制器中端口可复用的运算放大器还可包括电阻值可调的反馈电阻网络500。可根据反馈电阻网络500的电阻值与正向放大使能控制单元200中的阻性元件的电阻值的比值来确定运算放大器的放大增益。

以下参照图1更详细地描述根据本发明实施例的微控制器中端口可复用的运算放大器的各个部件及其操作模式。

正向放大使能控制单元200可包括：第一非门，接收正向放大控制信号PFE；开关K1，根据正向放大控制信号PFE闭合或断开；电阻器R1，其第一端连接到开关K1的第一端，第二端连接到开关K2的第二端以及运算放大单元100的反向输入端；开关K2，其第一端连接到运算放大单元100的反向输入端，第二端连接到反馈电阻网络，并根据第一非门的输出信号闭合或断开。当正向放大控制信号PFE为高电平1时，开关K1闭合；当第一非门的输出信号为高电平1时，开关K2闭合。

反向放大使能控制单元300可包括：第二非门，接收开关控制信号PE；第一与门，接收第二非门的输出信号和反向放大控制信号NFE；开关K3，其第一端连接到运算放大单元100的正向输入端，第二端接地，并根据第一与门的输出信号闭合或断开。当第一与门的输出信号为高电平1时，开关K3闭合。

当开关控制信号NE、PE和OE为高电平1，端口101接地时，运算放大器可处于正向放大模式。此时，由于开关控制信号PE为高电平1，因此第二非门的输出信号为低电平0，从而第一与门的输出信号也为低电平0。在这种情况下，开关K4、K5、K6闭合，开关K3断开。同时，通过将端口101接地，运算放大器的输入信号由端口102输入，从而实现正向放大。

当运算放大器处于正向放大模式时，如果正向放大控制信号PFE为低电平0，则开关K1断开。同时，第一非门的输出信号为高电平1，因此开关K2闭合。这样，形成从端口101通过电阻器R1到运算放大单元100的反向输入端，再到反馈电阻网络500，最后到达运算放大单元100的输出端的反馈通路，从而根据反馈电阻网络500的电阻值与电阻器R1的电阻值的比值来确定运算放大器的(正向)放大增益。由于反馈电阻网络500的电阻值可调，因此可实现放大增益可调功能。另一方面，如果正向放大控制信号PFE为高电平1，则开关K1闭合，从而电阻器R1被短路。同时，第一非门的输出信号为低电平0，因此开关K2断开。在这种情况下，运算放大器的输入信号由正向输入端直接输入，而没有内部反馈通路。这时，可通过在MCU外部连接反馈器件来确定运算放大器的放大增益。具体地讲，可以在端口101和103之间连接外部反馈器件来确定运算放大器的放大增益。

当开关控制信号NE、OE和反向放大控制信号NFE为高电平1，开关控制信号PE为低电平0时，运算放大器处于反向放大模式。此时，由于开关控制信号PE为低电平0，因此开关K5断开，并且第二非门的输出信号为高电平1。同时，由于反向放大控制信号NFE为高电平1，因此第一与门的输出信号为高电平1，从而开关K3闭合，运算放大单元100的正向输入端接地。同时，由于开关控制信号NE为高电平1，因此开关K4闭合，运算放大器的输入信号由端口101输入，从而实现反向放大。

可选择地，反向放大控制信号NFE的优先级低于开关控制信号PE。当开关控制信号PE为高电平1时，开关K5闭合，而开关K3始终断开；当开关控制信号PE为低电平0时，开关K5断开，此时反向放大控制信号NFE起作用。如果反向放大控制信号NFE为高电平1，则开关K3导通，运算放大单元100的正向输入端接地；如果反向放大控制信号NFE为低电平0，则运算放大单元100的正向输入端悬空。

当运算放大器处于反向放大模式时，也可以通过如上所述设置正向放大控制信号PFE，来选择使用反馈电阻网络500或外部反馈器件来确定运算放大器的(反向)放大增益。稍后将参照图3描述如何设置反馈电阻网络500来实现增益可调功能。

当开关控制信号NE、PE、OE和正向放大控制信号PFE为高电平1时，开关K1、K4、K5、K6闭合，K2、K3断开，运算放大器的输入信号由端口101和102输入，从而实现差分放大。

图2是示出根据本发明实施例的微控制器中端口可复用的运算放大器的运算放大单元100的示意性电路图。

如图2所示，可使用AB类运算放大器来实现运算放大单元100。这里，NMOS晶体管MN0至MN2以及PMOS晶体管MP0至MP2组成轨到轨输入级。MP0、MP1组成PMOS输入级，当输入共模电平较低时，PMOS输入级起作用；MN0、MN1组成NMOS输入级，当输入共模电平较高时，NMOS输入级起作用。输入共模电平在VDD(电源电压)/2附近时，PMOS、NMOS输入级共同作用。晶体管MN3至MN8以及MP3至MP8组成共源共栅中间级，是主要的增益级，提供较大的增益。晶体管MN12和MP12组成AB类输出级，可以提供大电流输出，使得运算放大器具有高的摆率，提高了运放的速度，适合驱动低阻抗负载和容性负载。能够提供高的直流增益是可复用增益可调运算放大器精确放大的重要保证。这种运算放大器能够提供80db以上的直流增益和轨到轨输入，保证了可复用增益可调运算放大器的应用范围。

如图2所示的AB类运算放大器属于本领域技术人员所常用的运算放大器。然而，本发明不限于此，也可以使用本领域技术人员公知的其他类型的运算放大器作为图1所示的端口可复用的运算放大器的运算放大单元100。

图3是示出根据本发明实施例的微控制器中端口可复用的运算放大器的反馈电阻网络的示意性电路图。

参照图3，反馈电阻网络包括两部分，即，开关电阻电路和2-4译码电路。图3的下半部分示出了开关电阻电路。开关电阻电路连接在正向放大使能控制单元200和运算放大单元100的输出端之间。更具体地讲，开关电阻电路连接在开关K2和运算放大单元100的输出端之间。开关电阻电路包括并联连接的四条支路，每条支路包括串联连接的一个电阻器和一个开关。如图所示，四个电阻器示出为R2、R3、R4和R5，四个开关示出为A、B、C和D。图3中示出的开关电阻电路仅是示例性的，本发明不限于此，也可使用其他形式的开关电阻电路。

图3的上半部分示出了2-4译码电路。2-4译码电路将两个用户输入信号S[0]和S[1]译码为四个输出信号。每个输出信号用于控制开关A、B、C和D之一闭合或断开，其中，输出信号为高电平1时，相应的开关闭合。2-4译码器电路可以由4个或非门组成，选通开关为传输门。当用户输入信号(即，选通信号)S[0，1]为[0，0]时，开关A闭合，第一条支路被选通，其他支路断开。这样能够把运算放大器的功耗减到最低。图3中示出的2-4译码电路仅是示例性的，本发明不限于此。本领域技术人员可以选择公知的任何类型的2-4译码电路。

下面的表1给出了用户输入信号与开关闭合之间的逻辑关系的逻辑真值表。通过选择不同的用户输入信号S[0]和S[1]，可以调节反馈电阻网络的电阻值，从而调节运算放大器的放大增益，实现放大增益可调功能。

表1

S[0]	S[1]	A	B	C	D
						0	0	1	0	0	0
0	1	0	1	0	0
						1	0	0	0	1	0
1	1	0	0	0	1

表2总结了上述各个控制信号及其状态与电路工作模式之间的关系。

表2

如上所述，通过设计根据本发明实施例的微控制器中端口可复用的运算放大器，能够有效地减少微控制器端口使用数目，并且实现可调的放大增益，正向放大、反向放大和差分放大等多种放大模式。此外，根据本发明实施例的微控制器中端口可复用的运算放大器无需外部原件。因此，解决了在MCU设计中端口使用数目和功能之间的矛盾。

虽然已经显示和描述了一些实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种微控制器中端口可复用的运算放大器，包括：

运算放大单元，具有正向输入端、反向输入端和输出端；

正向放大使能控制单元，根据第一开关控制信号选择性地将微控制器的第一端口连接到运算放大单元的反向输入端；

反向放大使能控制单元，根据第二开关控制信号选择性地将微控制器的第二端口连接到运算放大单元的正向输入端；

输出使能控制单元，根据第三开关控制信号选择性地将微控制器的第三端口连接到运算放大单元的输出端，

其中，正向放大使能控制单元接收正向放大控制信号，反向放大使能控制单元接收反向放大控制信号，从而基于第一开关控制信号、第二开关控制信号、第三开关控制信号、正向放大控制信号和反向放大控制信号，选择运算放大器的正向放大模式、反向放大模式和差分放大模式之一。

2.根据权利要求1所述的运算放大器，还包括：反馈电阻网络，连接在正向放大使能控制单元和运算放大单元的输出端之间。

3.根据权利要求2所述的运算放大器，其中，正向放大使能控制单元包括：

第一非门，接收正向放大控制信号；

第一开关，根据正向放大控制信号闭合或断开；

第一电阻器，其第一端连接到第一开关的第一端，第二端连接到第一开关的第二端和运算放大单元的反向输入端；

第二开关，其第一端连接到运算放大单元的反向输入端，第二端连接到反馈电阻网络，并根据第一非门的输出信号闭合或断开。

4.根据权利要求3所述的运算放大器，其中，反向放大使能控制单元包括：

第二非门，接收第一开关控制信号；

第一与门，接收第二非门的输出信号和反向放大控制信号；

第三开关，其第一端连接到运算放大单元的正向输入端，第二端接地，并根据第一与门的输出信号闭合或断开。

5.根据权利要求3所述的运算放大器，其中，当第一开关控制信号为高电平时，正向放大使能控制单元将连接在第一端口和第一电阻器的第一端之间的第四开关闭合，从而将第一端口连接到运算放大单元的反向输入端。

6.根据权利要求1所述的运算放大器，其中，当第二开关控制信号为高电平时，反向放大使能控制单元将连接在第二端口和运算放大单元的正向输入端之间的第三开关闭合，从而将第二端口连接到运算放大单元的正向输入端。

7.根据权利要求1所述的运算放大器，其中，当第三开关控制信号为高电平时，输出使能控制单元将连接在第三端口和运算放大单元的输出端之间的第六开关闭合，从而将第三端口连接到运算放大单元的输出端。

8.根据权利要求4所述的运算放大器，其中，

当第一开关控制信号、第二开关控制信号和第三开关控制信号为高电平，第一端口接地时，运算放大器处于正向放大模式；

当第一开关控制信号、第三开关控制信号和反向放大控制信号为高电平，第二开关控制信号为低电平时，运算放大器处于反向放大模式；

当第一开关控制信号、第二开关控制信号、第三开关控制信号和正向放大控制信号为高电平时，运算放大器处于差分放大模式。

9.根据权利要求8所述的运算放大器，其中，当运算放大器处于正向放大模式或反向放大模式时，如果正向放大控制信号为低电平，则根据反馈电阻网络的电阻值与第一电阻器的电阻值的比值确定运算放大器的放大增益，如果正向放大控制信号为高电平，则通过在微控制器外部连接外部反馈器件来确定放大增益。

10.根据权利要求2所述的运算放大器，其中，反馈电阻网络包括：

开关电阻电路，包括连接在第二开关的第二端和运算放大单元的输出端之间的四条支路，所述四条支路并联连接，并且每条支路包括串联连接的电阻器和开关；

2-4译码电路，将两个用户输入信号译码为四个输出信号，以控制四条支路中一条支路的开关闭合。

11.根据权利要求1所述的运算放大器，其中，运算放大单元为AB类放大器。

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