CN108919879B

CN108919879B - 电压变换电路

Info

Publication number: CN108919879B
Application number: CN201810772463.8A
Authority: CN
Inventors: 赵冬亮
Original assignee: Candela Shenzhen Technology Innovations Co Ltd
Current assignee: Candela Shenzhen New Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2020-06-09
Anticipated expiration: 2038-07-13
Also published as: CN108919879A

Abstract

本发明涉及一种电压变换电路，包括依次连接的输入电路、偏置电路和放大电路，其中，偏置电路包括偏置电流生成电路、镜像电路以及偏置处理电路，偏置电流生成电路用于生成基准电流，镜像电路与偏置电流生成电路连接，以获取基准电流后生成镜像电流，镜像电流等于基准电流，偏置处理电路包括第一电阻，第一电阻的一端与输入电路连接，另一端与镜像电路连接，偏置处理电路用于根据镜像电流和第一电阻对原始电压信号进行偏置处理；放大电路与偏置处理电路连接，用于接收偏置处理后的信号并对其进行放大得到目标电压信号。上述电压变换电路，只需要调整电路中相关电阻的阻值，即可对原始电压信号进行不同程度的偏置和放大，得到所需目标电压信号。

Description

电压变换电路

技术领域

本发明涉及信号处理领域，尤其涉及一种电压变换电路。

背景技术

在电子设备或系统中，各工作模块都需施加一相应的电压信号才能驱动其正常工作，而不同的工作模块所需的工作电压并不相同，有时难以找到具有相应电压值的完全匹配的电压源对其直接供电。因此，一般是对已有的电压信号进行转换来得到各种目标电压信号。例如可以使用变压器变换电压，使用电压器虽然比较简单，但是变压器成本较高，且需根据信号频率的不同选用不同参数的变压器，通用性较差，而且变换效果不够理想。也有使用简单的加法电路和减法电路进行处理，在原始电压信号的基础上再叠加一个电压信号，对原始电压信号进行偏置处理后再对其放大。这种方法受信号频率的影响较小，原始电压信号的带宽较大，但是电压变换要求不同，所需的叠加电压不同，有时难以获取符合条件的叠加电压，使得该方法同样存在使用受限、通用性差的问题。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中电压变换电路中无法获取合适的偏置电压而使其使用受限的问题，提出了一种新的电压变换电路。

一种电压变换电路，包括依次连接的输入电路、偏置电路和放大电路，其中：

所述输入电路用于接收原始电压信号并传递给所述偏置电路；

所述偏置电路包括偏置电流生成电路、镜像电路以及偏置处理电路，其中，

所述偏置电流生成电路用于生成基准电流并输出，

所述镜像电路的输入端与所述偏置电流生成电路的输出端连接，用于获取所述基准电流并根据所述基准电流生成镜像电流后输出，所述镜像电流等于基准电流，

所述偏置处理电路包括第一电阻，且所述第一电阻的一端作为所述偏置处理电路的输入端与所述输入电路连接，所述第一电阻的另一端作为所述偏置处理电路的控制端和输出端且所述控制端与所述镜像电路连接，所述偏置处理电路用于获取所述镜像电流和所述原始电压信号并根据所述镜像电流对所述原始电压信号进行偏置处理后输出；

所述放大电路与所述偏置处理电路的输出端连接，用于接收进行偏置处理后的信号并对其进行放大得到目标电压信号输出。

上述电压变换电路，包含偏置电路，其中，偏置电路中的偏置电流生成电路可以生成稳定的基准电流，通过镜像电路再生成与基准电流相同的镜像电流并提供给偏置处理电路，即该偏置处理电路中的电流为该镜像电流。由于偏置处理电路中包含有第一电阻，第一电阻的一端作为偏置处理电路的输入端接入原始电压信号，另一端作为控制端接入镜像电流，该镜像电流流经第一电阻，使得第一电阻产生压降，且第一电阻的另一端也作为输出端，由于在第一电阻处存在压降，该输出端的电压等于原始电压信号减去该第一电阻的压降，从而实现对原始电压信号的偏置。经过偏置后的电压信号再输入放大电路进行一定倍数的放大，得到目标电压信号并输出。在本方案中，偏置电路中的基准电流和第一电阻均可以根据需要进行调节，例如可以更换第一电阻，调整第一电阻的阻值，即可在第一电阻处产生不同的压降，以对原始电压信号进行不同程度的偏置处理。而对于电阻的调节是比较容易实现的，可以通过串联、并联或使用电位器等得到任何所需电阻值，从而实现对原始电压信号的不同偏置，因此本方案使用不再受限。本方案对输入信号的频率没有要求，适用于所有频率的输入信号，且只需要调整第一电阻的阻值和放大电路的放大倍数，即可得到所需目标电压信号，方案简单且灵活性较强。

在其中一个实施例中，所述偏置电流生成电路包括第一运放和第二运放，还包括第二电阻至第四电阻，其中，

所述第一运放的同相输入端通过第二电阻与第一供电电源连接，并通过第三电阻接地，所述第一运放的反相输入端与所述第一运放的输出端相连；

所述第二运放的反相输入端与所述第二运放的输出端相连，所述第二运放的同相输入端接地；

所述第一运放的反相输入端与所述第二运放的反相输入端之间连接有第四电阻，所述第二运放的输出端作为所述偏置电流生成电路的输出端与所述镜像电路的输入端连接。

在其中一个实施例中，所述偏置电流生成电路还包括第一三极管和第二三极管，其中，

所述第一运放的反相输入端和输出端具体通过所述第一三极管连接，其中，所述第一运放的反相输入端和输出端分别与所述第一三极管的发射极和基极连接；

所述第二运放的反相输入端和输出端具体通过所述第二三极管连接，其中，所述第二运放的反相输入端和输出端分别与所述第二三极管的发射极和基极连接；

所述第二三极管的集电极作为所述偏置电流生成电路的输出端与所述镜像电路的输入端连接。

在其中一个实施例中，所述第一运放的同相输入端与地之间还接有第一电容。

在其中一个实施例中，所述放大电路包括第三运放、第五至第七电阻，所述第三运放的同相输入端与第五电阻相连后作为所述放大电路的输入端与所述偏置处理电路的输出端连接，所述第三运放的反相输入端既通过第六电阻接地，又通过第七电阻与所述第三运放的输出端连接，所述第三运放的输出端作为所述放大电路的输出端输出所述目标电压信号。

在其中一个实施例中，所述第三运放的输出端与地之间还接有第二电容。

在其中一个实施例中，所述输入电路包括第四运放，所述第四运放的同相输入端作为所述输入电路的输入端以接入所述原始电压信号，所述第四运放的反相输入端与输出端连接后作为所述输入电路的输出端与所述偏置处理电路的输入端连接。

在其中一个实施例中，所述输入电路还包括第三三极管，所述第四运放的反相输入端和输出端具体通过所述第三三极管连接，其中，所述第四运放的反相输入端与输出端分别与所述第三三极管的发射极和基极连接。

在其中一个实施例中，所述镜像电路包括特性相同的第四三极管和第五三极管，还包括第八电阻和第九电阻，所述第四三极管的基极与所述第五三极管的基极连接，且所述第四三极管的基极与集电极连接，所述第四三极管的集电极和所述第五三极管的集电极分别通过第八电阻和第九电阻与第二供电电源连接，且所述第八电阻与所述第九电阻阻值相同，所述第四三极管的集电极作为所述镜像电路的输入端与所述偏置电流生成电路连接，所述第五三极管的集电极作为所述镜像电路的输出端与所述偏置处理电路的控制端连接。

在其中一个实施例中，所述镜像电路还包括第六三极管和第十电阻，所述第四三极管的基极和集电极具体通过所述第六三极管连接，其中，所述第四三极管的基极和集电极分别与所述第六三极管的发射极和基极连接，所述第六三极管的发射极还通过第十电阻与第二供电电源相连，所述第六三极管的集电极接地。

附图说明

图1为本发明涉及的电压变换电路的框图；

图2为本发明涉及的电压变换电路的电路图；

图3为本发明涉及的一实施例中电压变换电路的电路图；

图4为本发明涉及的另一实施例中放大电路的电路图；

图5为本发明涉及的再一实施例中电压变换电路的电路图；

图6为本发明涉及的还一实施例中电压变换电路的电路图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

本申请提供一种电压变换电路，参见图1与图2，该电压变换电路包括依次连接的输入电路10、偏置电路20和放大电路30。

其中，输入电路10用于接收原始电压信号并传递给偏置电路20。偏置电路20包括偏置电流生成电路200、镜像电路201和偏置处理电路202。偏置电流生成电路200用于生成基准电流并输出，该基准电流为一稳定的电流，可以直接由一电流源提供，也可以构建电路生成该基准电流，如可先获取一稳定电压后再与电阻相连，改变电阻的阻值即可输出不同的基准电流。

镜像电路201为一种对称的电路，也是一种恒流源电路，其输出电流不会随负载变化，只与输入电流有关。在本方案中，镜像电路201的输入端与偏置电流生成电路200的输出端连接，用于获取偏置电流生成电路200输出的基准电流，并根据该基准电流生成镜像电流后输出，该镜像电流与镜像电路201连接的负载没有关系，其大小等于基准电流。因此，只要确定了基准电流，镜像电流也就随之确定了。

偏置电路20分别与输入电路10和放大电路30连接实际是通过内部的偏置处理电路202分别与输入电路10和放大电路30连接。偏置处理电路202包括第一电阻R1，第一电阻R1的一端作为偏置处理电路202的输入端与输入电路10连接，该输入电路10接收到原始电压信号后将该原始电压信号输入第一电阻R1的一端，即第一电阻R1一端的电压为接收到的原始电压，第一电阻R1的另一端作为偏置处理电路202的控制端与镜像电路201连接，流经第一电阻R1的电流由镜像电路201生成的镜像电流决定，流经第一电阻R1的电流等于该镜像电流。由于镜像电流流经第一电阻R1时，第一电阻R1会产生压降，即第一电阻R1的另一端的电压等于原始电压减去该压降，且第一电阻R1的另一端作为该偏置处理电路202的输出端，其输出的电压即为原始电压信号经过偏置处理后的电压信号。对原始电压信号的偏置程度取决于偏置处理电路202中第一电阻R1上的压降，第一电阻R1上的压降越大，偏置越大，第一电阻R1上的压降越小，偏置越小。而第一电阻R1上的压降取决于第一电阻R1的阻值和镜像电流的大小，而与镜像电流有关的偏置电流生成电路200通常也是通过在一电阻上施加电压的方式生成与镜像电流相等的基准电流。因此，对于原始电压偏置的调节，实际上只需调节电路中相关电阻的阻值即可，而对于电阻阻值的调节相对比较简单且容易实现，只需要通过串联或者并联或者使用电位器等来获取任意阻值，实现对原始电压不同程度的偏置。

进行偏置处理后的电压信号再输入到放大电路30中，通过放大电路30对电压信号进行放大或缩小处理，得到不同幅值的输出电压。即原始电压信号输入上述电压变换电路后，先进行偏置处理，再进行放大处理，最后可输出所需要的目标电压信号。

在一些具体的实施例中，如图3所示，偏置电流生成电路200包括第一运放U1、第二运放U2、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4。其中，第一运放U1的同相输入端一方面通过第二电阻R2连接至第一供电电源VCC，一方面通过第三电阻R3接地，第一运放U1的反相输入端与输出端连接。第一运放U1实际构成一个电压跟随器，其反相输入端和输出端电压等于其同相输入端的电压，而其同相输入端的电压等于第三电阻R3的分压

因此，只要调节第二电阻R2和第三电阻R3的阻值比例即可调整第一运放U1的反相输入端和输出端的电压。第二运放U2的同相输入端接地，反相输入端与其输出端连接，即第二运放U2也构成一个电压跟随器，其反相输入端和输出端的电压等于其同相输入端的电压，在本方案中，第二运放U2反相输入端和输出端的电压等于零。第一运放U1的反相输入端通过第四电阻R4与第二运放U2的反相输入端连接，而第一运放U1反相输入电压与第二运放U2反相输入电压已经确定，则施加在第四电阻R4上的电压确定，第四电阻R4的阻值确定，则流经第四电阻R4的电流I₄也确定，即

以第二运放U2的输出端作为该偏置电流生成电路200的输出端与镜像电路连接，即偏置电流生成电路200输出基准电流为流经第四电阻R4的电流I₄。在本方案中，只要调节第二电阻R2和第三电阻R3的阻值比例或者调节第四电阻R4的阻值，即可得到不同的基准电流。

在一些具体的实施例中，上述偏置电流生成电路200还包括第一三极管Q1和第二三极管Q2。第一运放U1的反相输入端和输出端具体是通过第一三极管Q1连接，其中，第一运放U1的反相输入端和输出端分别与第一三极管Q1的发射极和基极连接，第一三极管Q1的集电极接入一稳定电压。第二运放U2的反相输入端和输出端具体通过第二三极管Q2连接，其中第二运放U2的反相输入端和输出端分别与第二三极管Q2的发射极和基极连接。在本方案中，第一三极管Q1和第二三极管Q2均连接形成射极跟随器，其发射极电压等于基极电压，即三极管并不会影响第四电阻R4两端的电压，因此也不会影响偏置电流生成电路200生成的基准电流。分别在第一运放U1和第二运放U2后面接入第一三极管Q1和第二三极管Q2，可以增大输入阻抗，隔断运放与后面的电路，提高信噪比。

在具体的实施方式中，放大电路30包括第三运放U3、第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R7。其中，第三运放U3的同相输入端与第五电阻R5相连后作为放大电路30的输入端与偏置处理电路202的输出端连接，即偏置处理电路202中的第一电阻R1的一端电压为原始电压V_IN，经过第一电阻R1的偏置处理后，第一电阻R1另一端电压为原始电压V_IN减去第一电阻R1的压降V_R1，即经过偏置处理电路202进行偏置处理后生成的电压V₁＝V_IN-V_R1。第三运放U3的同相输入端通过第五电阻R5与第一电阻R1的另一端连接，因此该同相输入端的电压为经过偏置处理后的电压V₁。第三运放U3可对电压V1的幅值进行调整，其放大系数为K，当K＞1时，放大电压V1的幅值，当K＜1时，缩小电压V1的幅值。在本实施例中，第三运放U3的放大系数K＞1，即第三运放U3的反相输入端一方面通过第六电阻R6接地，一方面通过第七电阻R7与输出端连接。第三运放U3输出端输出目标电压信号，其电压为

通过调整第六电阻R6和第七电阻R7的阻值比例，可以对电压V1进行不同程度的放大，从而得到所需的目标电压。在其他实施例中，放大电路30可采用另一种接法，第三运放U3可对电压幅值进行缩小处理，即K＜1，如图4所示，第十一电阻R11和第十二电阻R12串联于第三运放U3的反相输入端与地之间，且第十一电阻R11和第十二电阻R12的连接端与第三运放U3的输出端相连，第三运放U3的输出端输出目标电压信号，该电压

通过调节第十一电阻R11和第十二电阻R12的阻值比例，可以对电压V1进行不同程度的缩小处理。

如图3所示，第一运放U1的同相输入端通过第一电容C1接地以进行滤波。同理，在第三运放U3的输出端也通过第二电容C2接地以进行滤波。

在一些实施例中，输入电路10包括第四运放U4，第四运放U4的同相输入端作为输入电路10的输入端接入原始电压信号，第四运放U4的反相输入端与输出端相连且该反相输入端作为输入电路10的输出端与偏置电路20相连。第四运放U4实际构成一电压跟随器，其反相输入端电压和输出端电压均等于同相输入端的电压，该输入电路10的输出端输出的电压也为原始电压V_IN。在输入电路10中接入第四运放U4，原始电压信号通过运放，可以增大输入阻抗，提高电路的信噪比。同时，该输入电路10还可包含第三三极管Q3，第四运放U4的反相输入端具体通过第三三极管Q3与输出端连接，其中，第四运放U4的反相输入端和输出端分别与第三三极管的发射极和基极连接，第三三极管Q3的集电极接入一稳定电压。第三三极管Q3也构成一射极跟随器，其发射极电压等于基极电压，因此，第三三极管Q3不会影响输入电路10的输出电压，但是可以进一步增大电路的输入阻抗，提高信噪比。

在一些具体的实施例中，如图3所示，镜像电路201包括特性相同的第四三极管Q4和第五开关管Q5，还包括第八电阻R8和第九电阻R9。其中，第四三极管Q4的基极与第五三极管Q5的基极相连，且第四三极管Q4的集电极与基极相连，第四三极管Q4的发射极和第五三极管Q5的发射极分别通过第八电阻R8和第九电阻R9与第二供电电源连接，且第八电阻R8与第九电阻R9阻值相同。第四三极管Q4和第八电阻R8相连形成的通路与第五三极管Q5和第九电阻R9相连形成的通路完全对称，则流经第四三极管Q4集电极的电流与流经第五开关管Q5集电极的电流相同。在本方案中，以第四三极管Q4的集电极作为镜像电路201的输入端接入基准电流I₄，以第五三极管Q5的集电极作为镜像电路201的输出端向偏置处理电路202提供镜像电流I₁，则I₁＝I₄。

在一些具体的实施例中，如图5所示，镜像电路201还可包括第六三极管Q6和第十电阻R10，第四三极管Q4的基极和集电极具体通过第六三极管Q6连接，其中，第四三极管Q4的基极和集电极分别与第六三极管Q6的发射极和基极连接，第六三极管Q6的发射极还通过第十电阻R10与第二供电电源连接，第六三极管Q6的集电极接地。实际上，偏置电流生成电路200与第四三极管Q4的集电极连接后，偏置电流I₄绝大部分流经第四三极管Q4的集电极，但是会有少量流入第四三极管Q4的基极以及第五三极管Q5的基极，因此第五三极管Q5集电极中产生的镜像电流实际小于基准电流，只是两者的区别可以忽略不计。在本方案中，第四三极管Q4的集电极和基极通过第六三极管Q6连接，可以减少基准电流流向第四三极管Q4基极和第五开关管Q5基极，基准电流基本流入第四三极管Q4的集电极，从而使得镜像电流更加接近基准电流。

通过上述电压变换电路，其输出的目标电压V_OUT＝(V_IN-V_R1)*K，其中，V_R1为偏置电压，K为放大系数；

又

因此，

通过上述分析可知，在VCC确定的情况下，对于原始电压V_IN的偏置和放大处理只与电阻有关，其中，偏置只与第一至第四电阻有关，放大只与第六和第七电阻有关。

上述电压变换电路中的三极管的类型可根据需要进行设置，可为NPN型的三极管，也可为PNP型的三极管。

现以将0～5V的原始电压转换为-10～10V的目标电压为例进行说明。

如图3所示，将第一三极管Q1、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5设为NPN型三极管，将第二三极管Q2设为PNP型三极管，第一三极管Q1和第三三极管Q3的集电极分别连接正电压源VCC_P，与第八电阻R8和第九电阻R9连接的第二供电电源可设为负电压源VCC_N。其中，VCC＝5V，VCC_P＝12V，VCC_N＝-12V，R2＝R3，R1＝R4，R7＝3R6。通过计算可得，偏置电压

放大系数K＝4，目标电压V_OUT＝(V_IN-2.5V)*4，即可实现0～5V到-10～10V的转换。

在另一实施例中，如图6所示，将第一三极管Q1、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5设为PNP型三极管，第二三极管Q2设为NPN型三极管，第一三极管Q1和第三三极管Q3的集电极分别连接负电压源VCC_N，与第八电阻R8和第九电阻R9连接的第二供电电源可设为正电压源VCC_P。其中，VCC＝-5V，VCC_P＝12V，VCC_N＝-12V，R2＝R3，R1＝R4，R7＝3R6。通过计算可得，偏置电压

放大系数K＝4，目标电压V_OUT＝(V_IN+2.5V)*4，即可实现-5～0V到-10～10V的转换。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种电压变换电路，其特征在于，包括依次连接的输入电路、偏置电路和放大电路，其中：

所述偏置电流生成电路用于生成基准电流并输出，

2.如权利要求1所述的电压变换电路，其特征在于，所述偏置电流生成电路包括第一运放和第二运放，还包括第二电阻至第四电阻，其中，

所述第一运放的同相输入端既通过第二电阻与第一供电电源连接，又通过第三电阻接地，所述第一运放的反相输入端与所述第一运放的输出端相连；

3.如权利要求2所述的电压变换电路，其特征在于，所述偏置电流生成电路还包括第一三极管和第二三极管，其中，

所述第一运放的反相输入端和输出端具体通过所述第一三极管连接，其中，所述第一运放的反相输入端和输出端分别与所述第一三极管的发射极和基极连接，所述第一三极管的集电极接入一稳定电压；

4.如权利要求2所述的电压变换电路，其特征在于，所述第一运放的同相输入端与地之间还接有第一电容。

5.如权利要求1所述的电压变换电路，其特征在于，所述放大电路包括第三运放、第五至第七电阻，所述第三运放的同相输入端与第五电阻相连后作为所述放大电路的输入端与所述偏置处理电路的输出端连接，所述第三运放的反相输入端既通过第六电阻接地，又通过第七电阻与所述第三运放的输出端连接，所述第三运放的输出端作为所述放大电路的输出端输出所述目标电压信号。

6.如权利要求5所述的电压变换电路，其特征在于，所述第三运放的输出端与地之间还接有第二电容。

7.如权利要求1所述的电压变换电路，其特征在于，所述输入电路包括第四运放，所述第四运放的同相输入端作为所述输入电路的输入端以接入所述原始电压信号，所述第四运放的反相输入端与输出端连接后作为所述输入电路的输出端与所述偏置处理电路的输入端连接。

8.如权利要求7所述的电压变换电路，其特征在于，所述输入电路还包括第三三极管，所述第四运放的反相输入端和输出端具体通过所述第三三极管连接，其中，所述第四运放的反相输入端与输出端分别与所述第三三极管的发射极和基极连接，所述第三三极管的集电极接入稳定电压。

9.如权利要求1所述的电压变换电路，其特征在于，所述镜像电路包括特性相同的第四三极管和第五三极管，还包括第八电阻和第九电阻，所述第四三极管的基极与所述第五三极管的基极连接，且所述第四三极管的基极与集电极连接，所述第四三极管的发射极和所述第五三极管的发射极分别通过第八电阻和第九电阻与第二供电电源连接，且所述第八电阻与所述第九电阻阻值相同，所述第四三极管的集电极作为所述镜像电路的输入端与所述偏置电流生成电路连接，所述第五三极管的集电极作为所述镜像电路的输出端与所述偏置处理电路的控制端连接。

10.如权利要求9所述的电压变换电路，其特征在于，所述镜像电路还包括第六三极管和第十电阻，所述第四三极管的基极和集电极具体通过所述第六三极管连接，其中，所述第四三极管的基极和集电极分别与所述第六三极管的发射极和基极连接，所述第六三极管的发射极还通过第十电阻与第二供电电源相连，所述第六三极管的集电极接地。