CN110890868A - 电阻电路和可变增益放大电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电阻电路，其特征在于，包括：第一电阻和第一开关组成的串联支路；第二电阻，与所述串联支路并联连接；以及控制模块，用于向所述第一开关提供控制信号，其中，所述控制信号的占空比连续变化，所述第一开关根据所述控制信号导通或关断，以在所述第二电阻两端提供连续变化的等效电阻。可提供高线性而且连续平滑变化的可变电阻值。本申请同时公开了一种可变增益放大电路。

Description

电阻电路和可变增益放大电路

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，更具体地涉及一种电阻电路和可变增益放大电路。

背景技术

现有的电阻电路(Resistive Circuit)可通过并联多个固定电阻值的电阻器或者工作在线性区的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化层半导体场效晶体管)和PIN二极管(PIN Diode)来实现。为了得到可变的电阻值，现有技术通常采用在并联的电阻器之间连接多个开关组件，通过控制多个开关组件的开启/闭合状态来调整电阻电路的等效电阻值。也可以通过调节对MOSFET的偏置或者调节PIN二极管的正向偏置以控制夹层部分的电阻来提供可变电阻值。

然而，现有的电阻电路存在以下问题：采用调节MOSFET或者PIN二极管的偏置这种方法得到的等效可变电阻存在非线性误差；采用多个并联电阻器形成的可变电阻值不是连续变化的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电阻电路和可变增益放大电路，可提供高线性而且连续平滑变化的可变电阻值。

根据本发明的一方面提供一种电阻电路，其特征在于，包括：第一电阻和第一开关组成的串联支路；第二电阻，与所述串联支路并联连接；以及控制模块，用于向所述第一开关提供控制信号，其中，所述控制信号的占空比连续变化，所述第一开关根据所述控制信号导通或关断，以在所述第二电阻两端提供连续变化的等效电阻。

优选地，所述控制模块包括：串联连接在电源电压与地之间的充电单元和放电单元；电容，第一端与所述充电单元和放电单元的中间节点连接，第二端接地，所述充电单元用于在第一周期对所述电容进行充电，所述放电单元用于在第二周期对所述电容进行放电；以及比较器，包括第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中，所述比较器的第一输入端与所述电容的第一端连接以接收电容电压，第二输入端用于接收第一阈值电压，第三输入端用于接收第二阈值电压，输出端用于提供所述控制信号。

优选地，所述比较器设置为：当所述电容电压为所述第一阈值电压时，所述比较器输出第一电平的控制信号；当所述电容电压为所述第二阈值电压时，所述比较器输出第二电平的控制信号，其中，当所述控制信号为所述第一电平时，所示第一开关关断；当所述控制信号为所述第二电平时，所述第一开关导通。

优选地，所述第一阈值电压为连续变化的模拟信号。

优选地，所述充电单元包括第一电流源和第二开关，所述放电开关包括第二电流源，其中，所述第一电流源、第二开关以及所述第二电流源串联连接在所述电源电压与地之间，所述第二开关和所述第二电流源的中间节点与所述电容的第一端连接，所述第二开关根据所述控制信号导通和关断，在所述第一周期内，所述第二开关导通，以及在所述第二周期内所述第二开关关断。

优选地，所述充电单元包括第一晶体管，所述放电单元包括第三电阻和第二晶体管，其中，所述第一晶体管、第三电阻以及所述第二晶体管串联连接在所述电源电压与地之间，所述第一晶体管和所述第三电阻的中间节点与所述电容的第一端连接，所述第一晶体管的控制端和所述第二晶体管的控制端相互连接以接收所述控制信号。

优选地，所述第一晶体管为NMOS管，所述第二晶体管为PMOS管。

优选地，所述比较器为窗口比较器。

优选地，所述第一周期和所述第二周期彼此不重叠。

优选地，所述第一开关选自机电开关、金属氧化物半导体场效应管、互补金属氧化物半导体或双极型晶体管中的一种。

根据本发明的另一方面提供一种可变增益放大电路，用于放大输入电压信号以产生输出电压信号，其特征在于，包括：放大器，包括第一输入端，第二输入端以及输出端；以及上述的电阻电路，其中，所述放大器的第一输入端用于接收所述输入电压信号，输出端用于提供所述输出电压信号，所述电阻电路耦接于所述放大器的输出端和第二输入端之间，用于提供连续变化的等效电阻。

本发明的电阻电路包括控制模块和包括开关管的电阻网络，控制模块通过提供连续变化的模拟信号的第一阈值电压得到占空比连续变化的控制信号。然后根据占空比连续变化的控制信号控制开关管导通或者关断，以在电阻网络的输出节点提供连续变化的等效电阻。本发明的电阻电路仅采用电阻和开关控制即可得到连续变化的等效电阻，可降低电路成本。

本发明的电阻网络用于低开关频率的电路中时，可以得到连续且线性度高的等效可变电阻。同时可提高采用本发明的电阻电路作为反馈元件或者衰减元件进行传输增益控制的电路的频率响应。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据本发明第一实施例的电阻电路的结构示意图。

图2示出根据本发明第一实施例的电阻电路的电路示意图。

图3示出根据本发明第一实施例的电阻电路的工作时序图。

图4示出根据本发明第二实施例的电阻电路的电路示意图。

图5示出根据本发明第三实施例的可变增益放大电路的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

图1示出根据本发明第一实施例的电阻电路的结构示意图。

如图1所示，电阻电路100包括电阻R1、电阻R2、开关110以及控制模块120。控制模块120用于向开关110提供控制信号Ctrl，控制信号Ctrl用于控制开关110的导通和关断，以在节点A和节点B之间提供可变电阻值。

在本实施例中，控制信号Ctrl为占空比为D的方波信号，则利用平均电流可计算出节点A和节点B之间的等效电阻值：

Re＝R2*R1/(R1+D*R2)

其中，Re为节点A和节点B之间的等效电阻值，R1和R2分别为电阻R1和电阻R2的阻值，D为控制信号Ctrl的占空比。

从上式可以看出，在本实施例中，可通过提供占空比连续变化的控制信号Ctrl，在节点A和节点B之间得到连续变化的等效电阻。

在本实施例中，开关110选自机电开关、金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)、互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)或双极型晶体管(Bipolar JunctionTransistor，BJT)等中的一种或多种结构的组合。

在下面的实施例中，以开关110为N型金属氧化物半导体场效应管(N-channelMetal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，NMOSFET)为例进行说明。

图2示出根据本发明第一实施例的电阻电路的电路示意图。如图2所示，电阻电路100包括开关管110、电阻R1、电阻R2以及控制模块120。其中，开关管110的控制端用于接收控制信号Ctrl，第一通路端与电阻R1的第一端连接，电阻R2的第一端与开关管110的第二通路端连接，第二端与电阻R1的第二端连接。开关管110用于根据占空比连续变化的控制信号Ctrl导通或者关断，以在电阻R2的两端的节点A和节点B之间提供连续变化的等效电阻。

控制模块120包括串联连接在电源电压和地之间的充电单元121和放电单元122。电容C1的第一端与充电单元121和放电单元122的中间节点连接，第二端接地。

控制模块120还包括比较器124，比较器124例如为窗口比较器，比较器124的第一输入端与电容C1的第一端连接，第二输入端用于接收第一阈值电压Vc，第三输入端用于接收第二阈值电压Vref，输出端用于提供控制信号Ctrl，控制信号Ctrl用于控制开关管110和开关123的导通和断开。

充电单元121和放电单元122用于对电容C1进行充电和放电。开关(Switch)123连接在充电单元121和节点130之间。当开关123闭合时，充电单元121对电容C1进行充电；反之，当开关123断开时，放电单元122对电容C1进行放电。电容C1的充电周期和放电周期彼此不重叠。然而，在其他实施例中，只要节点130的电压的上升和下降可被连续地控制，则充电单元121和放电单元122可同时被开启和关断。

比较器124用于将电容C1第一端的电压与第一阈值电压Vc和第二阈值电压Vref进行比较，根据比较结果在输出端提供控制信号Ctrl。

此外，充电单元121和放电单元122可为电流源(Current Source)或其他形式的电源以实现充电与放电的操作。

具体地，充电单元121包括电流源I1和开关(Switch)123，放电单元122包括电流源I2。电流源I1、开关123和电流源I2串联连接在电源电压与地之间，开关123和电流源I2的中间节点与电容C1的第一端连接。

图3示出根据本发明第一实施例的电阻电路的工作时序图。以下参照图2和图3对本发明第一实施例的电阻电路的工作原理进行详细说明。

如图2所示，当开关123闭合，充电单元121对电容C1进行充电，电容C1的电压上升，电容C1的电压V1＝(I1-I2)*t1/C，其中，I1和I2分别表示充电单元121和放电单元122提供的电流值，t1表示充电时间，C表示电容C1的电容值。当电容C1的电压升高到第一阈值电压Vc时，比较器124翻转，输出控制信号Ctrl为低电平，如图3所示。

当控制信号Ctrl变为低电平时，开关123断开，放电单元122对电容C1进行放电，电容C1的电压下降，电容C1的电压V2＝V1-I2*t2/C，其中，V1表示充电阶段电容C1的最大电压值，I2表示放电单元122提供的电流值，t2表示放电时间，C表示电容C1的电容值。当电容C1的电压下降到第二阈值电压Vref时，比较器124翻转，输出控制信号Ctrl为高电平，完成一个周期的充放电，如图3所示。

此外，可通过提供连续变化的模拟信号的第一阈值电压Vc得到占空比连续变化的控制信号。如图3所示，通过提供逐渐增大的第一阈值电压Vc1、Vc2和Vc3，得到占空比逐渐增大的控制信号Ctrl。当然，在其他的实施例中，通过提供逐渐减小的第一阈值电压Vc1、Vc2和Vc3，得到占空比逐渐减小的控制信号Ctrl。

在本实施例中，可通过提供连续变化的模拟信号的第一阈值电压Vc得到占空比连续变化的控制信号。然后根据占空比连续变化的控制信号控制开关管110导通或者关断，以在电阻R2的两端的节点A和节点B之间提供连续变化的等效电阻。

图4示出根据本发明第二实施例的电阻电路的电路示意图。如图4所示，电阻电路200包括开关管210、电阻R1、电阻R2以及控制模块220。控制模块220包括充电单元221、放电单元222、电阻R3、比较器224以及电容C1。电阻电路200的电路结构和原理与本发明第一实施例提供的电阻电路100相类似，不同之处在于以晶体管的形式来实现电阻电路200中的充电单元221和放电单元222。

充电单元221和放电单元222分别用于对电容C1进行充电和放电。充电单元221包括晶体管M1，晶体管M1是N型金属氧化物半导体场效应管，而放电单元222包括晶体管M2和电阻R3，晶体管M2是P型金属氧化物半导体场效应管。晶体管M1、电阻R3以及晶体管M2串联连接在电源电压与地之间，晶体管M1和电阻R3的中间节点与电容C1的第一端连接，晶体管M1和晶体管M2的控制端都与比较器224的输出端连接以接收控制信号Ctrl。晶体管M1和晶体管M2构成互补金属氧化物场效应管(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)反相器(Inverter)。当控制信号Ctrl为高电平(逻辑1)时，晶体管M1被导通，晶体管M2被断开，充电单元221对电容C1进行充电，当电容C1的电压上升到第一阈值电压Vc时，比较器124翻转，输出控制信号Ctrl为低电平；当控制信号Ctrl变为低电平(逻辑0)时，晶体管M2被导通，晶体管M1被断开，放电单元222对电容C1进行放电，当电容C1的电压下降到第二阈值电压Vref时，比较器124翻转，输出控制信号Ctrl为高电平，完成一个周期的充放电。

图5示出根据本发明第三实施例的可变增益放大电路的结构示意图。如图5所示，可变增益放大器300用于放大输入电压信号Vin以产生输出电压信号Vout。可变增益放大器300包括放大器310和电阻电路320。放大器310的第一输入端用于接收输入电压信号Vin，输出端用于提供所述输出电压信号Vout。电阻电路320耦接于放大器310的输出端和第二输入端之间，用于提供连续变化的电阻值。其中，电阻电路320为上述第一实施例和第二实施例公开的电阻电路中的任一种。

其中，在上述实施例中提到的“电阻”，可以为单个物理电阻器或者电阻元件，也可以为多个物理电阻器或电阻元件的组合。换言之，本发明所示的电阻型数模转换器适用于各种类型的阻抗元件，每个阻抗元件的阻抗对应于要求的电阻。因此，这里所指的“电阻”进一步是根据电路布局的任何数量不同类型的电阻元件，诸如精确薄膜电阻器，这些精确薄膜电阻器是以SiCr或其它材料、或在集成电路情况中以(掺杂p-或n-的)多晶硅形成的。还可以理解，这里描述的“电阻”可以包括任何电路元件，这些电路元件可以跨越它的端子产生与通过它的电流成正比的电压。

综上所述，本发明的电阻电路包括控制模块和包括开关管的电阻网络，控制模块通过提供连续变化的模拟信号的第一阈值电压得到占空比连续变化的控制信号。然后根据占空比连续变化的控制信号控制开关管导通或者关断，以在电阻网络的输出节点提供连续变化的等效电阻。本发明的电阻电路仅采用电阻和开关控制即可得到连续变化的等效电阻，可降低电路成本。

本发明的电阻网络用于低开关频率的电路中时，可以得到连续且线性度高的等效可变电阻。同时可提高采用本发明的电阻电路作为反馈元件或者衰减元件进行传输增益控制的电路的频率响应。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种电阻电路，其特征在于，包括：

第一电阻和第一开关组成的串联支路；

第二电阻，与所述串联支路并联连接；以及

控制模块，用于向所述第一开关提供控制信号，

其中，所述控制信号的占空比连续变化，所述第一开关根据所述控制信号导通或关断，以在所述第二电阻两端提供连续变化的等效电阻。

2.根据权利要求1所述的电阻电路，其特征在于，所述控制模块包括：

串联连接在电源电压与地之间的充电单元和放电单元；

电容，第一端与所述充电单元和放电单元的中间节点连接，第二端接地，

所述充电单元用于在第一周期对所述电容进行充电，

所述放电单元用于在第二周期对所述电容进行放电；以及

比较器，包括第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，

其中，所述比较器的第一输入端与所述电容的第一端连接以接收电容电压，第二输入端用于接收第一阈值电压，第三输入端用于接收第二阈值电压，输出端用于提供所述控制信号。

3.根据权利要求2所述的电阻电路，其特征在于，所述比较器设置为：

当所述电容电压为所述第一阈值电压时，所述比较器输出第一电平的控制信号；

当所述电容电压为所述第二阈值电压时，所述比较器输出第二电平的控制信号，

其中，当所述控制信号为所述第一电平时，所示第一开关关断；当所述控制信号为所述第二电平时，所述第一开关导通。

4.根据权利要求3所述的电阻电路，其特征在于，所述第一阈值电压为连续变化的模拟信号。

5.根据权利要求2所述的电阻电路，其特征在于，所述充电单元包括第一电流源和第二开关，所述放电开关包括第二电流源，

其中，所述第一电流源、第二开关以及所述第二电流源串联连接在所述电源电压与地之间，

所述第二开关和所述第二电流源的中间节点与所述电容的第一端连接，

所述第二开关根据所述控制信号导通和关断，在所述第一周期内，所述第二开关导通，以及在所述第二周期内所述第二开关关断。

6.根据权利要求2所述的电阻电路，其特征在于，所述充电单元包括第一晶体管，所述放电单元包括第三电阻和第二晶体管，

其中，所述第一晶体管、第三电阻以及所述第二晶体管串联连接在所述电源电压与地之间，

所述第一晶体管和所述第三电阻的中间节点与所述电容的第一端连接，

所述第一晶体管的控制端和所述第二晶体管的控制端相互连接以接收所述控制信号。

7.根据权利要求6所述的电阻电路，其特征在于，所述第一晶体管为NMOS管，所述第二晶体管为PMOS管。

8.根据权利要求2所述的电阻电路，其特征在于，所述比较器为窗口比较器。

9.根据权利要求1所述的电阻电路，其特征在于，所述第一开关选自机电开关、金属氧化物半导体场效应管、互补金属氧化物半导体或双极型晶体管中的一种。

10.一种可变增益放大电路，用于放大输入电压信号以产生输出电压信号，其特征在于，包括：

放大器，包括第一输入端，第二输入端以及输出端；以及

权利要求1-9任一项所述的电阻电路，

其中，所述放大器的第一输入端用于接收所述输入电压信号，输出端用于提供所述输出电压信号，所述电阻电路耦接于所述放大器的输出端和第二输入端之间，用于提供连续变化的等效电阻。

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