CN105892546B - 高频通信用步进式基准电压源 - Google Patents

高频通信用步进式基准电压源 Download PDF

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Abstract

高频通信用步进式基准电压源，包括第一外部电压输入端、第二外部电压输入端和基准电压输出端，还包括第一可调比例分压器、第二可调比例分压器、第三可调比例分压器、第一运算放大器、第二运算放大器、加法译码器、二输入逻辑电路及开关器件；所述二输入逻辑电路的两个输入端分别连接第一运算放大器和第二运算放大器的输出端，二输入逻辑电路的输出端连接开关器件控制端；所述开关器件的输出端作为所述基准电压输出端。本发明应用于直流充电过程中，有效减少了充电电源的输出纹波及最大功率输出，减少了系统噪音及对数据信息的二次干扰。

Description

高频通信用步进式基准电压源
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，具体涉及一种高频通信用步进式基准电压源。
背景技术
基准电压源是当代模拟集成电路极为重要的组成部分，它为串联型稳压电路、A/D和D/A转化器提供基准电压，也是大多数传感器的稳压供电电源或激励源。另外，基准电压源也可作为标准电池、仪器表头的刻度标准和精密电流源。
在各种电子设备中，不同的模块通常需要不同的直流电源，通常由一个直流电源对其他电源进行充电以获得不同电位的直流电源，基准电压源的作用在于提供充电电压的基准。基准电压源的电压值通常固定不变，但在某些应用中，基准电压值需要能够分阶段变化，例如对于高频通信芯片，电源电压的微小脉冲波动都可能导致输出信号的失真，在电源电压为低压设备充电时，希望充电电源分阶段上升以降低充电时的浪涌电流，减少充电电源的纹波及内阻损耗。
发明内容
为降低通信设备中不同直流电源充电时的浪涌电流，减少充电电源的纹波及内阻损耗，本发明公开了一种高频通信用步进式基准电压源。
本发明所述高频通信用步进式基准电压源，包括第一外部电压输入端、第二外部电压输入端和基准电压输出端，还包括第一可调比例分压器、第二可调比例分压器、第三可调比例分压器、第一运算放大器、第二运算放大器、加法译码器、二输入逻辑电路及开关器件；
所述可调比例分压器包括两个电压输入端、一个电压输出端和数字控制输入端；所述可调比例分压器的功能为：根据数字控制输入端输入的数字信号，将两个电压输入端输入的模拟电压差值分压后输出到电压输出端；
所述第一可调比例分压器的两个电压输入端分别连接第一外部电压输入端和地，所述第二可调比例分压器的两个电压输入端分别连接第二外部电压输入端和地； 所述第一可调比例分压器的输出端连接第一运算放大器的正向输入端和第二运算放大器的反向输入端，所述第二可调比例分压器的输出端连接第一运算放大器的反向输入端和第二运算放大器的正向输入端；
所述加法译码器的正向输入端和反向输入端分别与第一运算放大器和第二运算放大器的输出端连接，加法译码器的输出端与第一可调比例分压器、第二可调比例分压器的数字控制输入端连接；所述加法译码器内置有时钟，功能为：当正向输入端和/或反向输入端为高电平时，输出的数字信号在一个时钟周期内分别加1或减1；当正向输入端且反向输入端均为低电平时，输出的数字信号不变；
所述第三可调比例分压器的两个电压输入端分别连接第一外部电压输入端、第二外部电压输入端，数字控制输入端连接加法译码器的输出端，输出端连接开关器件输入端；
所述二输入逻辑电路的两个输入端分别连接第一运算放大器和第二运算放大器的输出端，二输入逻辑电路的输出端连接开关器件控制端；
所述开关器件的输出端作为所述基准电压输出端。
优选的，所述可调比例分压器为利用多个并联有开关管的电阻串联实现。
优选的，所述开关器件为传输门。
优选的，所述第一运算放大器、第二运算放大器的增益均大于60dB。
优选的，所述二输入逻辑电路为与非门或或非门。
采用本发明所述的高频通信用步进式基准电压源，可以根据外界电压的压差自动调整基准电压输出值，应用于直流充电过程中，基准电压跟随被充电电压分步上升，电压上升幅度平缓，有效减少了充电电源的输出纹波及最大功率输出，减少了系统噪音及对数据信息的二次干扰，由于电源纹波的减小，可以提高数据加载密度，还提高了高频通信的数据传输效率。
附图说明
图1为本发明所述高频通信用步进式基准电压源的一种具体实施应用方式示意图；
图1中虚线框内为高频通信用步进式基准电压源；
图1中附图标记名称为：VH-充电电源，VL-被充电电源，AMP1 –第一运算放大器，AMP2-第二运算放大器，AMP3-第三运算放大器，F1-第一可调比例分压器，F2-第二可调比例分压器，F3-第三可调比例分压器，COMP-分段比较器，AREG-加法译码器，SW-模拟开关，CO-比例信号，VREF-基准电压，C-储能电容；
图2为本发明所述可调比例分压器的一种具体实施方式示意图；图2中的A1、A2、A3、A4表示一个四位的数组控制信号，VR1-第一输入电压，VR2-第二输入电压，VRO-可调比例分压器的输出电压。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明所述高频通信用步进式基准电压源，包括第一外部电压输入端、第二外部电压输入端和基准电压输出端，还包括第一可调比例分压器、第二可调比例分压器、第三可调比例分压器、第一运算放大器、第二运算放大器、加法译码器、二输入逻辑电路及开关器件；
所述可调比例分压器包括两个电压输入端、一个电压输出端和数字控制输入端；所述可调比例分压器的功能为：根据数字控制输入端输入的数字信号，将两个电压输入端输入的模拟电压差值分压后输出到电压输出端；
所述第一可调比例分压器的两个电压输入端分别连接第一外部电压输入端和地，所述第二可调比例分压器的两个电压输入端分别连接第二外部电压输入端和地； 所述第一可调比例分压器的输出端连接第一运算放大器的正向输入端和第二运算放大器的反向输入端，所述第二可调比例分压器的输出端连接第一运算放大器的反向输入端和第二运算放大器的正向输入端；
所述加法译码器的正向输入端和反向输入端分别与第一运算放大器和第二运算放大器的输出端连接，加法译码器的输出端与第一可调比例分压器、第二可调比例分压器的数字控制输入端连接；所述加法译码器内置有时钟，功能为：当正向输入端和/或反向输入端为高电平时，输出的数字信号在一个时钟周期内分别加1或减1；当正向输入端且反向输入端均为低电平时，输出的数字信号不变；
所述第三可调比例分压器的两个电压输入端分别连接第一外部电压输入端、第二外部电压输入端，数字控制输入端连接加法译码器的输出端，输出端连接开关器件输入端；
所述二输入逻辑电路的两个输入端分别连接第一运算放大器和第二运算放大器的输出端，二输入逻辑电路的输出端连接开关器件控制端；
所述开关器件的输出端作为所述基准电压输出端。
如图1所示给出本发明的一个典型应用，利用一个较高电位的充电电源VH对另一个额定电压较低的被充电电源VL进行充电，采用LDO充电模式，C为VL电源的储能电容，第三运算放大器AMP3作为充电LDO，采用运算放大器的形式将输出端与AMP2反向输入端连接，使得AMP2的输出端电压跟随AMP2的正向输入端电压变化。
第三运算放大器AMP3的正向输入端即与本发明所述的高频通信用步进式基准电压源输出端连接，作为第三运算放大器AMP3的充电基准电压。
具体应用时，第一外部电压输入端、第二外部电压输入端分别与充电电源VH和被充电电源VL连接，本发明所述第一、第二运算放大器AMP1的正向输入端与反向输入端分别通过第一、第二可调比例分压器与充电电源VH和被充电电源VL连接，第一、第二可调比例分压器的作用为将VH和VL的电压分压后输入到第一、第二运算放大器。
可调比例分压器可以采用电阻串、跟随器等常用分压电路形成，图2给出可调比例分压器利用电阻串实现的一种具体实施方式，通过各个MOS器件的开关，使两个输入电压VR1和VR2的电压差与输出电压VRO成不同的比例，各个MOS器件开关受到控制信号的控制。例如在图2中，从上到下四个电阻分别为40K，20K，10K，10K，当控制信号中的A1、A2、A3、A4均为零使四个NMOS管均关闭时，输出电压
VRO=（VR1-VR2）/8
当控制信号中的A1、A2为高电平使上方的40K与20K电阻被短路，A3、A4 为零，则输出电压
VRO=（VR1-VR2）/2。
通过不同的A1、A2、A3及A4的信号组合方式，可以实现不同的分压比例。
第一运算放大器在正向输入端电压高于反向输入端的差值较低时，输出高电平，否则输出低电平。第二运算放大器在正向输入端电压低于反向输入端的差值较低时，输出高电平，否则输出低电平。
加法译码器AREG根据第一及第二运算放大器的输出信号进行数字加减操作，加法译码器利用现有技术例如VHDL或VERILOG等硬件编程语言编程实现，以基本逻辑门组合形成，包含内置的时钟电路，输出的比例信号CO 为多位信号数组输出，加法译码器AREG功能是：当在第一输入端检测到高电平，即在一个时钟周期内对输出的比例信号CO加1，从而降低在第一及第二运算放大器两个输入端的电压差值；若在第二输入端检测到高电平，则对比例信号CO减1，使得连接充电电压VH 和被充电电压VL的可调比例分压器的分压比例加1，从而增加在第一及第二运算放大器两个输入端的电压差值。
例如VH为10V,初始VL为5V, 可调比例分压器的分压比例为二分之一，则输入在第一运算放大器的电压差值为（10-5）/2=2.5V，该2.5V压差使得第一运算放大器输出电压达到电源电压，从而使加法译码器输出结果加1，使得可调比例分压器的分压比例从二分之一变为三分之一，从而使输入在第一运算放大器的电压差值为（10-5）/3=1.67V；如果1.67V的压差仍然使第一运算放大器输出高电平，则分压比例变为1/4，从而使压差降低至1.25V，以此类推，直至第一运算放大器输出电压输出低电平，此时第一运算放大器输出低电平。
反之，当VH为10V,VL为9V，初始分压比例为1/8时，第二运算放大器 输入端的压差为（10-9）/8=0.125V，使得第二运算放大器输出高电平，说明VH与VL的差值很小，在现有分压比例下第二运算放大器已经难以检测，此时加法译码器的第二输入端为高电平，使得加法译码器的输出信号减1，使得分压比例由1/8变为1/7，第二运算放大器输入端的压差增加为（10-9）/7=0.143V，从而扩大第二运算放大器两个输入端的电压差，直至第二运算放大器输出低电平。采用两个高增益的运算放大器对VH与VL的压差进行分压检测，才能检测出压差是否过大或过小两种情况，在压差既不过大也不过小时，则两个运算放大器输出均为低电平，从而得到稳定的比例信号。两个运算放大器的增益要求较高，通常高于60dB。
当VH与VL的差值及分压比例取得适当值时，可以使得第一运算放大器及第二运算放大器均输出低电平，此时加法译码器的比例信号CO保持不变，输出的基准电压值也保持稳定，同时，图1中的二输入逻辑电路输出高电平，使开关器件SW打开，开关器件SW可以为MOS管或三极管，优选为电压通过损失小的传输门器件。通过第三可调比例分压器输出的基准电压可以输出到第三运算放大器AMP的正向输入端。
以上二输入逻辑电路可以为或非门或与非门，根据设定的逻辑选择。在上述具体实施方式中，优选为或非门，本领域技术人员根据具体电路的输出逻辑，可以选择与非门等二输入逻辑电路。
当加法译码器的比例信号CO保持不变后，输出的基准电压即保持不变。
在图1的典型应用中，假设初始VH=10V，VL=5V时，通过第一运算放大器、第二运算放大器及加法译码器AREG的调整，使得加法译码器输出的比例信号稳定在四分之一时，两个运算放大器均输出低电平，使得第三可调比例分压器输出的基准电压VREF=5+（10-5）/4=6.25V，此时第三运算放大器作为跟随器给储能电容C充电，使得被充电电源VL不断上升。
当充电电源VL不断上升至接近基准电压6.25V时，由于VH与VL的压差不断减小，使得第二运算放大器在现有1/4的分压比例下，压差从1.25V降低至1V以下，导致第二运算放大器输出高电平，从而分压比例信号CO从四分之一变为三分之一，则第二运算放大器的输出电压压差为（10-6.25）/3=1.25V，第二运算放大器输出低电平。此时输出的基准电压VREF调整为6.25+（10-6.25）/3=7.5V，从而实现继续充电，直至充电电压VH与被充电电压VL电压值接近。在以上充电过程中第一运算放大器始终输出低电平，不会导致加法寄存器输出的比例信号反向变化。
采用本发明所述的高频通信用步进式基准电压源，可以根据外界电压的压差自动调整基准电压输出值，应用于直流充电过程中，基准电压跟随被充电电压分步上升，电压上升幅度平缓，有效减少了充电电源的输出纹波及最大功率输出，减少了系统噪音及对数据信息的二次干扰，由于电源纹波的减小，可以提高数据加载密度，还提高了高频通信的数据传输效率。
前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.高频通信用步进式基准电压源，其特征在于，包括第一外部电压输入端、第二外部电压输入端和基准电压输出端，还包括第一可调比例分压器、第二可调比例分压器、第三可调比例分压器、第一运算放大器、第二运算放大器、加法译码器、二输入逻辑电路及开关器件；
所述可调比例分压器包括两个电压输入端、一个电压输出端和数字控制输入端；所述可调比例分压器的功能为：根据数字控制输入端输入的数字信号，将两个电压输入端输入的模拟电压差值分压后输出到电压输出端；
所述第一可调比例分压器的两个电压输入端分别连接第一外部电压输入端和地，所述第二可调比例分压器的两个电压输入端分别连接第二外部电压输入端和地； 所述第一可调比例分压器的输出端连接第一运算放大器的正向输入端和第二运算放大器的反向输入端，所述第二可调比例分压器的输出端连接第一运算放大器的反向输入端和第二运算放大器的正向输入端；
所述加法译码器的正向输入端和反向输入端分别与第一运算放大器和第二运算放大器的输出端连接，加法译码器的输出端与第一可调比例分压器、第二可调比例分压器的数字控制输入端连接；所述加法译码器内置有时钟，功能为：当正向输入端和/或反向输入端为高电平时，输出的数字信号在一个时钟周期内分别加1或减1；当正向输入端且反向输入端均为低电平时，输出的数字信号不变；
所述第三可调比例分压器的两个电压输入端分别连接第一外部电压输入端、第二外部电压输入端，数字控制输入端连接加法译码器的输出端，输出端连接开关器件输入端；
所述二输入逻辑电路的两个输入端分别连接第一运算放大器和第二运算放大器的输出端，二输入逻辑电路的输出端连接开关器件控制端；
所述开关器件的输出端作为所述基准电压输出端。
2.如权利要求1所述的高频通信用步进式基准电压源，其特征在于，所述可调比例分压器为利用多个并联有开关管的电阻串联实现。
3.如权利要求1所述的高频通信用步进式基准电压源，其特征在于，所述开关器件为传输门。
4.如权利要求1所述的高频通信用步进式基准电压源，其特征在于，所述第一运算放大器、第二运算放大器的增益均大于60dB。
5.如权利要求1所述的高频通信用步进式基准电压源，其特征在于，所述二输入逻辑电路为与非门或或非门。
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