CN111682863B - 一种输出幅度稳定的三角波产生电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输出幅度稳定的三角波产生电路，其包括电压产生单元、电压输出单元以及积分器单元。其中，电压产生单元用于产生第一参考电压和第二参考电压；电压输出单元包括振荡器单元和电荷泵单元，其中，振荡器单元接收第一参考电压、第二参考电压以及电荷泵单元输出的第二比较电压并将第二比较电压的幅度限制在第一参考电压和第二参考电压之间；电荷泵单元接收振荡器单元产生的第一时钟信号和第二时钟信号并产生第一比较电压、第二比较电压以及第三比较电压；积分器单元接收第一比较电压和第三比较电压并产生具有三角波的输出电压。相比于现有技术，本发明所公开的输出幅度稳定的三角波产生电路，稳定了三角波输出的幅度。

Description

一种输出幅度稳定的三角波产生电路

技术领域

本发明涉及信号产生技术领域，尤其涉及一种输出幅度稳定的三角波产生电路。

背景技术

传统的三角波产生电路，如图1所示，由一个电荷泵和一个积分器组成。其中，电荷泵的结构如图2所示，Sa、Sb为反相信号，来自于时钟发生器的时钟信号，根据时钟相位来控制电流是流入积分电容还是从积分电容抽取电流。积分器的输出波形为三角波，如图3所示。具体地，图1产生的三角波的输出幅度与时钟的周期T，电荷泵的电流大小I，积分电容C相关，假设时钟周期恒定，电流I由于是片上产生，随工艺和温度变化很大，同时积分电容也随工艺的变化而变化，因此三角波的输出幅度随温度和工艺的变化很大。

因此，为了解决上述问题，本发明提供了一种可稳定三角波幅度的输出幅度稳定的三角波产生电路。

发明内容

本发明提供了一种输出幅度稳定的三角波产生电路，旨在解决现有输出幅度稳定的三角波产生电路输出的三角波幅度不稳定的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的输出幅度稳定的三角波产生电路包括：电压产生单元，所述电压产生单元用于产生第一参考电压和第二参考电压；电压输出单元，所述电压输出单元包括振荡器单元和电荷泵单元，其中，所述振荡器单元接收所述第一参考电压、所述第二参考电压以及所述电荷泵单元输出的第二比较电压并将所述第二比较电压的幅度限制在所述第一参考电压和所述第二参考电压之间；所述电荷泵单元接收所述振荡器单元产生的第一时钟信号和第二时钟信号并产生第一比较电压、第二比较电压以及第三比较电压；以及积分器单元，所述积分器单元接收所述第一比较电压和所述第三比较电压并产生具有三角波的输出电压。

进一步地，所述电压产生单元包括电压产生模块和分压模块，其中，所述分压模块接收所述电压产生模块产生的电压并进行分压得到所述第一参考电压和所述第二参考电压。

进一步地，所述电压产生模块为基准带隙电压产生电路；所述分压模块包括第一电阻、第二电阻以及第三电阻，所述第一参考电压为所述第二电阻和所述第三电阻上的电压，所述第二参考电压为所述第三电阻上的电压。

进一步地，所述振荡器单元包括第一比较模块、第二比较模块以及锁存模块，其中，所述第一比较模块接收所述第一参考电压和所述第二比较电压并根据所述第一参考电压和所述第二比较电压输出第一参考输入电平；所述第二比较模块接收所述第二参考电压和所述第二比较电压并根据所述第二参考电压和所述第二比较电压输出第二参考输入电平；所述锁存模块接收所述第一参考输入电平和所述第二参考输入电平并根据所述第一参考输入电平和所述第二参考输入电平输出所述第一时钟信号和所述第二时钟信号。

进一步地，所述振荡器单元还包括锁存模块，所述第一比较模块和第二比较模块均为比较器。

进一步地，所述锁存模块为RS锁存器。

进一步地，所述电荷泵单元包括第一电流模块、第二电流模块以及第三电流模块，其中，所述第一电流模块、所述第二电流模块以及所述第三电流模块均接收所述第一时钟信号和所述第二时钟信号并根据所述第一时钟信号和所述第二时钟信号分别输出所述第一比较电压、所述第二比较电压以及所述第三比较电压；所述第一比较电压和所述第三比较电压充放电交替进行。

进一步地，所述第二电流模块上还包括第一电容，所述第二电流模块对所述第一电容的充放电用于产生所述第二比较电压。

进一步地，所述积分器单元包括放大模块，其中，所述放大模块接收所述第一比较电压和所述第二比较电压并根据所述第一比较电压和所述第二比较电压输出具有三角波的输出电压。

进一步地，所述积分器单元还包括反馈模块，所述反馈模块包括第二电容和第三电容；所述放大模块为放大器，借由所述反馈模块和所述放大器可输出具有三角波的输出电压。

本发明所公开的输出幅度稳定的三角波产生电路，通过在电压产生单元和电荷泵单元之间设计振荡器单元，可将第二比较电压的幅度限制在第一参考电压和第二参考电压之间，而输入积分器单元的第一比较电压和第三比较电压是根据振荡器单元输出的第一时钟信号和第二时钟信号产生的，因此积分器单元产生的三角波电压的周期与振荡器单元的振荡周期相同，从而可稳定三角波输出的幅度。本发明所公开的输出幅度稳定的三角波产生电路解决了现有输出幅度稳定的三角波产生电路输出的三角波幅度不稳定的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中的三角波产生电路的原理示意图；

图2是图1所示的三角波产生电路中电荷泵的电路原理图；

图3是图1所示的三角波产生电路的三角波输出的波形图；

图4是本发明一实施例提供的输出幅度稳定的三角波产生电路的原理结构示意图；

图5是图4所示的输出幅度稳定的三角波产生电路的具体原理结构示意图；

图6是图4所示的输出幅度稳定的三角波产生电路的电压产生单元的电路原理图；

图7是图4所示的输出幅度稳定的三角波产生电路的振荡器单元的电路原理图；

图8是图4所示的输出幅度稳定的三角波产生电路的电荷泵单元的电路原理图；

图9是图4所示的输出幅度稳定的三角波产生电路的积分器单元的电路原理图；以及

图10是图4所示的输出幅度稳定的三角波产生电路的三角波输出的波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

图4是本发明一实施例提供的输出幅度稳定的三角波产生电路的原理结构示意图；图5是图4所示的输出幅度稳定的三角波产生电路的具体原理结构示意图；图6是图4所示的输出幅度稳定的三角波产生电路的电压产生单元11的电路原理图；图7是图4所示的输出幅度稳定的三角波产生电路的振荡器单元121的电路原理图；图8是图4所示的输出幅度稳定的三角波产生电路的电荷泵单元122的电路原理图；图9是图4所示的输出幅度稳定的三角波产生电路的积分器单元13的电路原理图；以及图10是图4所示的输出幅度稳定的三角波产生电路的三角波输出的波形图。如图4至图9所示，本实施例的输出幅度稳定的三角波产生电路10包括电压产生单元11、电压输出单元12以及积分器单元13。其中，所述电压产生单元11用于产生第一参考电压Vrp和第二参考电压Vrn；所述电压输出单元12包括振荡器单元121和电荷泵单元122，其中，所述振荡器单元121接收所述第一参考电压Vrp、所述第二参考电压Vrn以及所述电荷泵单元122输出的第二比较电压Vm并将所述第二比较电压Vm的幅度限制在所述第一参考电压Vrp和所述第二参考电压Vrn之间；所述电荷泵单元122接收所述振荡器单元121产生的第一时钟信号Q和第二时钟信号QB并产生第一比较电压Vl、第二比较电压Vm以及第三比较电压Vr；所述积分器单元13接收所述第一比较电压Vl和所述第三比较电压Vr并产生具有三角波的输出电压Vo。在本实施例中，通过在所述电压产生单元11和所述电荷泵单元122之间设计所述振荡器单元121，可将所述第二比较电压Vm的幅度限制在所述第一参考电压Vrp和所述第二参考电压Vrn之间，而输入所述积分器单元13的所述第一比较电压Vl和所述第三比较电压Vr是根据所述振荡器单元121输出的所述第一时钟信号Q和所述第二时钟信号QB产生的，因此所述积分器单元13产生的三角波电压的周期与所述振荡器单元121的振荡周期相同，从而可稳定三角波的输出幅度Ampl。

在一实施例，例如本实施例，所述电压产生单元11包括电压产生模块111和分压模块112，其中，所述分压模块112接收所述电压产生模块111产生的电压并进行分压得到所述第一参考电压Vrp和所述第二参考电压Vrn。具体地，所述电压产生模块111为基准带隙电压产生电路；所述分压模块112包括第一电阻R1、第二电阻R2以及第三电阻R3，所述第一参考电压Vrp为所述第二电阻R2和所述第三电阻R3上的电压，所述第二参考电压Vrn为所述第三电阻R3上的电压。在实际电路中，如图6所示，所述电压产生模块111与所述分压模块112串联，即所述基准带隙电压产生电路、所述第一电阻R1、所述第二电阻R2以及所述第三电阻R3依次串联。

在一实施例，例如本实施例，所述振荡器单元121包括第一比较模块1211、第二比较模块1212以及锁存模块1213。其中，所述第一比较模块1211接收所述第一参考电压Vrp和所述第二比较电压Vm并根据所述第一参考电压Vrp和所述第二比较电压Vm输出第一参考输入电平；所述第二比较模块1212接收所述第二参考电压Vrn和所述第二比较电压Vm并根据所述第二参考电压Vrn和所述第二比较电压Vm输出第二参考输入电平；所述锁存模块1213接收所述第一参考输入电平和所述第二参考输入电平并根据所述第一参考输入电平和所述第二参考输入电平输出所述第一时钟信号Q和所述第二时钟信号QB。具体地，所述第一比较模块1211和第二比较模块1212均为比较器；所述锁存模块1213为RS锁存器。在实际电路中，如图7所示，所述第一比较模块1211称为第一比较器、所述第二比较模块1212称为第二比较器，所述第一比较器的正输入端和所述第二比较器的负输入端均与所述第二比较电压Vm连接，所述第一比较器的负输入端与所述第一参考电压Vrp连接，所述第二比较器的正输入端与所述第二参考电压Vrn连接。同时，所述第一比较器的输出端连接所述RS锁存器的R输入端，所述第二比较器的输出端连接所述RS锁存器的S输入端，所述RS锁存器的两个输出端分别输出所述第一时钟信号Q和所述第二时钟信号QB。

在一实施例，例如本实施例，所述电荷泵单元122包括第一电流模块1221、第二电流模块1222以及第三电流模块1223，其中，所述第一电流模块1221、所述第二电流模块1222以及所述第三电流模块1223均接收所述第一时钟信号Q和所述第二时钟信号QB并根据所述第一时钟信号Q和所述第二时钟信号QB分别输出所述第一比较电压Vl、所述第二比较电压Vm以及所述第三比较电压Vr；所述第一比较电压Vl和所述第三比较电压Vr充放电交替进行。具体地，所述第一电流模块1221包括依次串联的第一电流源Ip1、第一开关s1、第二电流源In1以及第二开关s2，其中所述第一开关s1和第二电流源In1之间的连接节点作为所述第一电流模块1221的输出端以输出所述第一比较电压Vl；所述第二电流模块1222包括依次串联的第三电流源Ip2、第三开关s3、第四电流源In2以及第四开关s4，其中所述第三开关s3和第四电流源In2之间的连接节点作为所述第二电流模块1222的输出端以输出所述第二比较电压Vm；所述第三电流模块1223包括依次串联的第五电流源Ip3、第五开关s5、第六电流源In3以及第六开关s6，其中所述第五开关s5和第六电流源In3之间的连接节点作为所述第三电流模块1222的输出端以输出所述第三比较电压Vr。在本实施例中，所述第二电流模块1222上还包括第一电容C1，所述第二电流模块1222对所述第一电容C1的充放电用于产生所述第二比较电压Vm。在实际电路中，如图8所示，所述第一电流模块1221和所述第三电流模块1223上流过的电流相等，即第一电流源Ip1、第五电流源Ip3、第二电流源In1以及第六电流源In3的电流相等；所述第二电流模块1222上流过的电流相等，即第三电流源Ip2和第三电流源In2的电流相等；所述振荡器单元121输出的所述第一时钟信号Q和所述第二时钟信号QB可控制所述电荷泵单元122中的电路开关，具体地，第一开关s1、第三开关s3以及第六开关s6由所述第一时钟信号Q控制，第二开关s2、第四开关s4以及第五开关s5由所述第二时钟信号QB控制；所述第一电流模块1221输出所述第一比较电压Vl，所述第二电流模块1222输出所述第二比较电压Vm，所述第三电流模块1223输出所述第三比较电压Vr。需要说明的是，所述第一比较电压Vl充电的所述第一开关s1由所述第一时钟信号Q控制，放电的所述第二开关s2由所述第二时钟信号QB控制；而第三比较电压Vr充电的所述第五开关s5由所述第二时钟信号QB控制，放电的所述第六开关s6由所述第一时钟信号Q控制；因此当所述第一比较电压Vl充电时，所述第三比较电压Vr放电，所述第一比较电压Vl放电时，所述第三比较电压Vr充电，即所述第一比较电压Vl和所述第三比较电压Vr充放电过程交替进行。

在一实施例，例如本实施例，所述积分器单元13包括放大模块131和反馈模块132。其中，所述放大模块131接收所述第一比较电压Vl和所述第三比较电压Vr并根据所述第一比较电压Vl和所述第三比较电压Vr输出三角波的输出电压Vo。所述放大模块131为放大器，借由所述反馈模块132及所述放大器可输出具有三角波的输出电压Vo。在实际电路中，如图9所示，所述第一比较电压Vl输入至所述放大器的正输入端，所述第三比较电压Vr输入至所述放大器的负输入端；所述反馈模块132包括第二电容C2和第三电容C3，所述第二电容C2的一端与所述放大器的正输入端连接，另一端与所述放大器的负输出端连接；所述第三电容C3的一端与所述放大器的负输入端连接，另一端与所述放大器的正输出端连接；所述放大器的正输出端和负输出端之间的电压即为三角波的输出电压Vo。在本实施例中，所述第二电容C2和所述第三电容C3的电容值相等。

以下详细描述所述输出幅度稳定的三角波产生电路10如何稳定三角波的输出幅度Ampl。

第一步：所述电压产生单元11产生的所述第一参考电压Vrp和所述第二参考电压Vrn给所述振荡器单元121中的所述第一比较器和所述第二比较器提供参考电压，首先假设所述电荷泵单元122输出的所述第二比较电压Vm的初始电压为0，则所述第一比较器的输出端，即所述RS锁存器的R输入端为0，所述第二比较器的输出端，即所述RS锁存器的S输入端为1，所述锁存模块1213输出的所述第一时钟信号Q为1，所述第二时钟信号QB为0，所述第二电流模块1222中的所述第三开关s3闭合，所述第四开关s4断开，所述第一电容C1对所述第二比较电压Vm充电，所述第二比较电压Vm不断增加，当所述第二比较电压Vm大于所述第二参考电压Vrn时，所述第一比较器的输出端还是0，所述第二比较器的输出端变为0，由于所述锁存模块1213的作用，所述第一时钟信号Q和所述第二时钟信号QB维持前面一个状态，即所述第一时钟信号Q为1，所述第二时钟信号QB为0；因此所述第二比较电压Vm的电压值继续增加，当所述第二比较电压Vm大于第一参考电压Vrp时，所述第一比较器的输出端变为1，而所述第二比较器的输出端为0，所述第一时钟信号Q变为0，所述第二时钟信号QB变为1，此时所述第三开关s3和所述第四开关s4均闭合，所述第一电压对所述第二比较电压Vm放电，所述第二比较电压Vm开始下降，当所述第二比较电压Vm小于所述第一参考电压Vrp时，所述第一比较器的输端变为0，所述第二比较器的输出端变为0，由于所述锁存模块1213的作用，所述第一时钟信号Q和所述第二时钟信号QB维持上一个状态，即所述第一时钟信号Q为0，所述第一时钟信号QB为1，因此所述第二比较电压Vm的电压继续下降直到所述第二比较电压Vm小于所述第二参考电压Vrn，此时所述第一比较器的输出端为0，所述第二比较器的输出端为1，所述第一时钟信号Q变为1，所述第二时钟信号QB变为0，所述第三开关s3闭合，所述第四开关s4断开，所述第二比较电压Vm电压又开始上升，周而复始，所述第一时钟信号Q及其反相信号所述第二时钟信号QB就是一个周期方波信号，周期方波信号的频率为：

Freq＝I2/(2Vrp-2Vrn)/C1 (1)

公式(1)中的I2为流过所述第二电流模块1222中的电流。

第二步、所述振荡器单元121通过产生周期的所述第一时钟信号Q和所述第二时钟信号QB去控制所述电荷泵单元122中所述第一电流模块1221和所述第三电流模块1223中的所述第一开关s1、所述第二开关s2、所述第五开关s5以及所述第六开关s6，所述第一比较电压Vl充电的所述第一开关s1由所述第一时钟信号Q控制，所述第一比较电压Vl放电的所述第二开关s2由所述第二时钟信号QB控制；所述第三比较电压Vr充电的所述第五开关s5由所述第二时钟信号QB控制，所述第三比较电压Vr放电的第六开关s6由所述第一时钟信号Q控制，由于所述第一时钟信号Q和所述第二时钟信号QB反相，因此当所述第一比较电压Vl放电时，所述第三比较电压Vr充电，所述第一比较电压Vl充电时，所述第三比较电压Vr放电，由于所述积分器单元13会将方波整形为三角波，因此所述积分器单元13输出的波形为三角波，又由于所述第一时钟信号Q和所述第二时钟信号QB为周期信号时，因此三角波信号也为周期信号，如图10所示，三角波的输出幅度Ampl为：

公式(2)中的I1为流过所述第一电流模块1221和所述第三电流模块1223中的电路，I2为流过所述第二电流模块1222中的电流。由公式(2)可以看出，三角波的输出幅度Ampl与(Vrp-Vrn)，电流的比值，电容的比值相关，而电流比值、电容的比容均不随电源电压、温度和工艺角的变化而变化，因此三角波的输出幅度Ampl与(Vrp-Vrn)强相关，而Vrp和Vrn电压是基准带隙电压通过电阻分压而来，也也不会随电源电压，温度和工艺角的变化而变化，因此三角波行输出幅度不会随电源电压，温度和工艺角的变化而变化，即本实施例可稳定三角波的输出幅度Ampl。

本发明所提供的输出幅度稳定的三角波产生电路，通过在电压产生单元和电荷泵单元之间设计振荡器单元，可将第二比较电压的幅度限制在第一参考电压和第二参考电压之间，而输入积分器单元的第一比较电压和第三比较电压是根据振荡器单元输出的第一时钟信号和第二时钟信号产生的，因此积分器单元产生的三角波电压的周期与振荡器单元的振荡周期相同，从而可稳定三角波输出的幅度。具体地，本发明的输出幅度稳定的三角波产生电路，通过RS锁存器可将第二比较电压的幅度限制在第一参考电压和第二参考电压之间且输出周期信号第一时钟信号和第二时钟信息，再通过第一时钟信号和第二时钟信号控制第一比较电压和第三比较电压的充放电，最后再通过积分器将方波整形为三角波，该三角波只与第一参考电压和第二参考电压的差值强相关，从而达到可稳定三角波形输出幅度的目的。本发明所公开的输出幅度稳定的三角波产生电路解决了现有输出幅度稳定的三角波产生电路输出的三角波幅度不稳定的问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种输出幅度稳定的三角波产生电路，其特征在于，包括：

电压产生单元，所述电压产生单元用于产生第一参考电压和第二参考电压；

电压输出单元，所述电压输出单元包括振荡器单元和电荷泵单元，其中，所述振荡器单元接收所述第一参考电压、所述第二参考电压以及所述电荷泵单元输出的第二比较电压并将所述第二比较电压的幅度限制在所述第一参考电压和所述第二参考电压之间；所述电荷泵单元接收所述振荡器单元产生的第一时钟信号和第二时钟信号并产生第一比较电压、第二比较电压以及第三比较电压；所述电荷泵单元包括第一电流模块、第二电流模块以及第三电流模块，其中，所述第一电流模块、所述第二电流模块以及所述第三电流模块均接收所述第一时钟信号和所述第二时钟信号并根据所述第一时钟信号和所述第二时钟信号分别输出所述第一比较电压、所述第二比较电压以及所述第三比较电压；所述第一比较电压和所述第三比较电压充放电交替进行，所述第一比较电压及所述第三比较电压均为方波信号；以及

积分器单元，所述积分器单元接收所述第一比较电压和所述第三比较电压并产生具有三角波的输出电压。

2.根据权利要求1所述的输出幅度稳定的三角波产生电路，其特征在于，所述电压产生单元包括电压产生模块和分压模块，其中，所述分压模块接收所述电压产生模块产生的电压并进行分压得到所述第一参考电压和所述第二参考电压。

3.根据权利要求2所述的输出幅度稳定的三角波产生电路，其特征在于，所述电压产生模块为基准带隙电压产生电路；所述分压模块包括第一电阻、第二电阻以及第三电阻，所述第一参考电压为所述第二电阻和所述第三电阻上的电压，所述第二参考电压为所述第三电阻上的电压。

4.根据权利要求1所述的输出幅度稳定的三角波产生电路，其特征在于，所述振荡器单元包括第一比较模块、第二比较模块以及锁存模块，其中，所述第一比较模块接收所述第一参考电压和所述第二比较电压并根据所述第一参考电压和所述第二比较电压输出第一参考输入电平；所述第二比较模块接收所述第二参考电压和所述第二比较电压并根据所述第二参考电压和所述第二比较电压输出第二参考输入电平；所述锁存模块接收所述第一参考输入电平和所述第二参考输入电平并根据所述第一参考输入电平和所述第二参考输入电平输出所述第一时钟信号和所述第二时钟信号。

5.根据权利要求4所述的输出幅度稳定的三角波产生电路，其特征在于，所述第一比较模块和第二比较模块均为比较器。

6.根据权利要求5所述的输出幅度稳定的三角波产生电路，其特征在于，所述锁存模块为RS锁存器。

7.根据权利要求1所述的输出幅度稳定的三角波产生电路，其特征在于，所述第二电流模块上还包括第一电容，所述第二电流模块对所述第一电容的充放电用于产生所述第二比较电压。

8.根据权利要求1所述的输出幅度稳定的三角波产生电路，其特征在于，所述积分器单元包括放大模块，其中，所述放大模块接收所述第一比较电压和所述第二比较电压并根据所述第一比较电压和所述第二比较电压输出具有三角波的输出电压。

9.根据权利要求8所述的输出幅度稳定的三角波产生电路，其特征在于，所述积分器单元还包括反馈模块，所述放大模块为放大器，借由所述反馈模块和所述放大器可输出具有三角波的输出电压。