CN113395046A - 一种基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置 - Google Patents

一种基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于集成运放电路领域，具体涉及一种基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置。在本发明中，控制单元连接双通道数模转换器，通过控制单元控制双通道数模转换器的输出使得两个电压相互独立，实现了集成运放正负向电源的独立控制，因此可以更方便的调节每个电源电压。双通道数模转换器输出的电压经电压放大器和推挽电路调理后，拓宽了集成运放的正向和负向两个电源的电压范围，增强了电源的驱动能力，提升了电平窗的输出范围，进而拓宽了其应用范围。与现有技术相比，本发明具有结构简单、控制方便、成本低等特点，且能够最大限度的保持集成运放电路的带宽与输出功率能力，有助于扩大集成运放的应用范围。

Description

一种基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置
技术领域
本发明属于集成运放电路领域，具体涉及一种基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置。
背景技术
近年来，集成电路产业逐渐成为社会和经济发展的战略性、基础性和先导性产业。作为集成电路中最基本、应用最广泛的器件之一，集成运算放大器在人们生产生活中已得到了普遍应用：在军用产品方面，由于集成运算放大器具有体积小、质量轻、功耗低、工作可靠等特点，得到了现代武器系统的青睐；作为典型的军民两用产品，集成运放在民用消费品、机械控制、机电一体化、仪器仪表和汽车等领域中都是不可缺少的组成部分。输入输出电压的范围是衡量集成运放性能的重要因素，称其为集成运放的输入输出电平窗。较宽的电平窗可极大提高集成运放应用的灵活性，扩展其应用场景，进一步地发挥集成电路的应用潜能。
目前，各类集成运放的供电电源采用不可变电源，输入输出电平窗相对固定，输出范围普遍不宽，而具有宽范围输出的集成运放普遍价格较高，选择较少，无法大规模应用在一般场景。由此造成的集成电路设计灵活度较低、成本较高等问题，极大阻碍了我国集成电路产业发展。如何提高集成运放的电平窗、扩展集成运放的输入输出范围是集成运放应用的关键。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置，以解决目前集成运放存在的输入输出电平窗相对固定、输出范围普遍不宽导致应用范围窄的问题。
为实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
一种基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置，包括：控制单元、可控恒压源电路和集成运放电路；
所述控制单元连接可控恒压源电路，控制单元根据应用需求输出控制指令给可控恒压源电路；
所述可控恒压源电路分别连接集成运放电路的正向电源端和负向电源端，并分别为其提供正向电压、负向电压；
可控恒压源电路包括双通道数模转换器、第一电压放大器、第二电压放大器、第一推挽电路及第二推挽电路；其中，双通道数模转换器的输入连接控制单元，输出分别连接第一电压放大器和第二电压放大器，双通道数模转换器根据接收到的控制指令调节双通道数模转换器输出的第一直流电压和第二直流电压，第一直流电压和第二直流电压相互独立，并将第一直流电压提供给第一电压放大器；第一电压放大器经第一推挽电路连接集成运放电路的负向电源端，第二电压放大器经第二推挽电路连接集成运放电路的正向电源端；第一电压放大器用于放大双通道数模转换器提供的第一直流电压，使其达到当前集成运放电路负向电源端所需的电压；第二电压放大器用于放大双通道数模转换器提供的第二直流电压，使其达到当前集成运放电路正向电源端所需的电压；第一推挽电路和第二推挽电路利用晶体管的电流放大特性来增大输出电流，提高集成运放电路的电源驱动能力；第一直流电压和第二直流电压经各自连接的电压放大器和推挽电路调理后，实现了集成运放电平窗输出范围的扩展。
进一步的，所述双通道数模转换器输出第一直流电压和第二直流电压的绝对值不相等，以实现集成运放正负电源端的非对称供电。
进一步的，所述第一推挽电路由第一电阻R1、第二电阻R2、第一晶体管Q1和第二晶体管Q2组成；其中第一电阻R1的一端与第二电阻R2的一端都与第一电压放大器的输出相连，第一电阻R1另一端连接第一晶体管Q1的基极，第一晶体管Q1集电极连接正电源Vcc，发射极与第二晶体管Q2的发射极相连后作为第一推挽电路的输出连接集成运放的负向电源端；第二电阻R2的另一端与第二晶体管Q2的基极相连，第二晶体管Q2集电极连接负电源VEE；
第二推挽电路由第三电阻R3、第四电阻R4、第三晶体Q3和第四晶体Q4组成；其中第三电阻R3的一端与第四电阻R4的一端都与第二电压放大器的输出相连，第三电阻R3另一端连接第三晶体管Q3的基极，第三晶体管Q3集电极连接正电源Vcc，发射极与第四晶体管Q4的发射极相连后作为第二推挽电路的输出连接集成运放的正向电源端；第四电阻R4的另一端与第四晶体管Q4的基极相连，第四晶体管Q4集电极连接负电源VEE。
本发明提供的一种基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置，是将控制单元控制与双通道数模转换器连接，通过控制单元控制双通道数模转换器的输出，以获得两个相互独立的直流电压，实现集成运放电源正负向两个电源电压的独立控制。然后针对两个独立的直流电压分别采用电压放大器和推挽电路调理后，实现了集成运放电平窗输出范围的扩展。在本发明中，为进一步拓宽应用范围，利用集成运放本身对正向电源电压或负向电源电压绝对值要求低的特点，可拓展正向电源电压或负向电源电压的范围，在拓展的过程中，只需保证正向和负向两个电源电压之间的差值不超出集成运放本身设定的阈值标准即可。在上述理论下，通过控制单元对两个独立直流电压进行调节控制，使其提供给集成运算放大电路正负向电源端的两个电压绝对值不相等，以此实现对集成运放电路正负向电源电压的非对称供电。获得应用范围的进一步的拓宽。
且在与现有技术相比，本发明具有结构简单、控制方便、成本低等特点，且能够最大限度的保持集成运放电路的带宽与输出功率能力，有助于扩大集成运放的应用范围。
附图说明
图1是本发明中基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置的输入输出电平窗与电源关系示意图；
图2是本发明中基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置的电路图；
图3是本发明中基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置的电平窗拓展示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是输入输出电平窗与电源关系示意图。其中：
可输出信号最大值＝电源1-输出电压余度
可输出信号最小值＝电源2+输出电压余度
此时的输入电平窗为：
可输入信号最大值＝电源1-输入电压余度
可输入信号最小值＝电源2+输入电压余度
现有技术是将电源电压与电压余度作为条件，通过上式来计算出集成运放的电平窗。本发明从集成运放的应用场景出发，将其在不同应用场景下所需的电平窗和电压余度作为条件，在控制单元中利用上式实时计算出当前集成运放所需的电源电压。以上关系可见电源电压与信号电压之间是线性关系且计算简单，可以满足电压实时动态调节的同步性与时效性。
本发明提供的一种基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置，如图2所示，包括：控制单元、可控恒压源电路和集成运放。
所述控制单元，连接可控恒压源电路。集成运放在不同应用场景或进程下，输入输出电平窗的需求范围不同。控制单元根据应用需求控制提供给可控恒压源电路的电压。
所述可控恒压源电路分别连接集成运放电路的正向电源端和负向电源端，并提供正向电压给集成运放电路的正向电源端、提供负向电压给集成运放电路的负向电源端；可控恒压源电路包括双通道数模转换器、第一电压放大器、第二电压放大器、第一推挽电路以及第二推挽电路；其中，双通道数模转换器的输入连接控制单元，输出分别连接第一电压放大器和第二电压放大器，双通道数模转换器根据接收到的控制指令调节双通道数模转换器输出的第一直流电压和第二直流电压；第一电压放大器经第一推挽电路连接集成运放电路的正向电源端，第二电压放大器经第二推挽电路连接集成运放电路的负向电源端；第一电压放大器和第二电压放大器对直流电压进行放大，使其达到当前集成运放电路所需电压；第一推挽电路和第二推挽电路利用晶体管的电流放大特性来增大输出电流，提高集成运放电路的电源驱动能力。
本实施例中，选择FPGA作为控制单元，FPGA内的控制单元根据集成运放电路当前进程下所需输出电压的顶端值(Signal_top)、底端值(Signal_bottom)和运放的供电电压余度(Headroom)来计算当前运放所需的第一供电电压和第二供电电压。在输入输出电平窗装置中，可输出的电压最大值和可输出的电压最小值与电压关系如图1所示，电压余度是指电源电压和输入输出电压所能达到的最大值之间的差值。
双通道数模转换器根据FPGA发出的控制指令调节双通道数模转换器输出的第一直流电压和第二直流电压；因为双通道数模转换器输出幅度有限，所以需要分别通过电压放大器进行电压放大，达到集成运放当前所需供电电压。再通过推挽电路提高其驱动能力后给集成运放电路供电。在本实施例中，第一推挽电路由第一电阻R1、第二电阻R2、第一晶体管Q1和第二晶体管Q2组成。其中第一电阻R1的一端与第二电阻R2的一端都与第一电压放大器的输出相连，第一电阻R1另一端连接第一晶体管Q1的基极，第一晶体管Q1集电极连接正电源Vcc，发射极与第二晶体管Q2的发射极相连后作为第一推挽电路的输出连接集成运放的负向电源端；第二电阻R2的另一端与第二晶体管Q2的基极相连，第二晶体管Q2集电极接负电源VEE。第二推挽电路由第三电阻R3、第四电阻R4、第三晶体Q3和第四晶体Q4组成；其中第三电阻R3的一端与第四电阻R4的一端都与第二电压放大器的输出相连，第三电阻R3另一端连接第三晶体管Q3的基极，第三晶体管Q3集电极连接正电源Vcc，发射极与第四晶体管Q4的发射极相连后作为第二推挽电路的输出连接集成运放的正向电源端；第四电阻R4的另一端与第四晶体管Q4的基极相连，第四晶体管Q4集电极接负电源VEE。
为更好的说明本发明电平窗扩展装置的有益效果，本实施例以电流反馈型集成运放为例，其供电为±15V，输入电压余度为4.1V，输出电压余度为1.5V，可知其输入电平窗为±10.9V，输出电平窗为±13.5V，应用本发明一种基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置对其输入输出电平窗进行扩展。当电源1电压为+25、电源2为-5时，此时集成运放的输入电平窗为-0.9V～20.9V，输出电平窗拓展为-3.5V～23.5V；当电源1电压为+5V、电源2为-25V时，此时集成运放的输入电平窗为0.9V～-20.9V，输出电平窗拓展为-23.5V～3.5V。集成运放的供电电压可在±25V之间动态调整并保持两个供电端电压差为30V，此时集成运放输入电平窗扩展为±20.9V，输出电平窗扩展为±23.5V。
图3本发明中基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置的电平窗拓展示意图。在供电1情况下，电平窗移动到电平窗1；供电2情况下，电平窗移动到电平窗2。根据应用场景实时调节集成运放的电源，可以扩展集成运放电平窗。如图3所示，相比于固定供电电源，本发明的可变非对称电源供电，至少扩展集成运放的输入输出电平窗三倍以上，由电源与输入输出电平窗计算式可知，集成运放输入输出电平窗与其电源之间的关系是线性的。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置，包括：控制单元、可控恒压源电路和集成运放电路，其特征在于：
所述控制单元连接可控恒压源电路，控制单元根据应用需求输出控制指令给可控恒压源电路；
所述可控恒压源电路分别连接集成运放电路的正向电源端和负向电源端，并分别为其提供正向电压、负向电压；
可控恒压源电路包括双通道数模转换器、第一电压放大器、第二电压放大器、第一推挽电路及第二推挽电路；其中，双通道数模转换器的输入连接控制单元，输出分别连接第一电压放大器和第二电压放大器，双通道数模转换器根据接收到的控制指令调节双通道数模转换器输出的第一直流电压和第二直流电压，第一直流电压和第二直流电压相互独立，并将第一直流电压提供给第一电压放大器；第一电压放大器经第一推挽电路连接集成运放电路的负向电源端，第二电压放大器经第二推挽电路连接集成运放电路的正向电源端；第一电压放大器用于放大双通道数模转换器提供的第一直流电压，使其达到当前集成运放电路负向电源端所需的电压；第二电压放大器用于放大双通道数模转换器提供的第二直流电压，使其达到当前集成运放电路正向电源端所需的电压；第一推挽电路和第二推挽电路利用晶体管的电流放大特性来增大输出电流，提高集成运放电路的电源驱动能力；第一直流电压和第二直流电压经各自连接的电压放大器和推挽电路调理后，实现了集成运放电平窗输出范围的扩展。
2.根据权利要求1所述的一种基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置，其特征在于：所述双通道数模转换器输出第一直流电压和第二直流电压的绝对值不相等，以实现集成运放正负电源端的非对称供电。
3.根据权利要求1所述的一种基于可变非对称供电机制的集成运放电平窗扩展装置，其特征在于：所述第一推挽电路由第一电阻R1、第二电阻R2、第一晶体Q1和第二晶体Q2组成；其中第一电阻R1的一端与第二电阻R2的一端都与第一电压放大器的输出相连，第一电阻R1另一端连接第一晶体管Q1的基极，第一晶体管Q1集电极连接正电源Vcc，发射极与第二晶体管Q2的发射极相连后作为第一推挽电路的输出连接集成运放的负向电源端；第二电阻R2的另一端与第二晶体管Q2的基极相连，第二晶体管Q2集电极连接负电源VEE；
第二推挽电路由第三电阻R3、第四电阻R4、第三晶体Q3和第四晶体Q4组成；其中第三电阻R3的一端与第四电阻R4的一端都与第二电压放大器的输出相连，第三电阻R3另一端连接第三晶体管Q3的基极，第三晶体管Q3集电极连接正电源Vcc，发射极与第四晶体管Q4的发射极相连后作为第二推挽电路的输出连接集成运放的正向电源端；第四电阻R4的另一端与第四晶体管Q4的基极相连，第四晶体管Q4集电极连接负电源VEE。
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