CN115549662A - 一种加速启动的积分器电路 - Google Patents

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张国和
卢杰
孙莉
高飞
霍文俊
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Abstract

本发明涉及积分器技术领域，尤其涉及一种加速启动的积分器电路，包括：积分器电路、基准电压产生电路、比较器、第一MOS开关和脉冲产生器，比较器的正向输入端与积分器电路的输出端连接，比较器的负向输入端与基准电压产生电路的输出端连接，比较器的输出端依次与第一MOS开关和脉冲产生器的输入端连接；脉冲产生器的输出端与积分器电路的输入端连接。本发明在使用低占空比开关电阻的基础上，通过使用不同占空比脉冲控制开关，进而在电路启动和正常工作时使用不同的等效电阻值改变积分器的时间常数，进而提高积分器启动时的积分速度。

Description

一种加速启动的积分器电路
技术领域
本发明涉及积分器领域，尤其涉及一种加速启动的积分器电路。
背景技术
在一些装置的电磁测量中，诊断的输出信号的是以该信号的微分量的形式产生，如果想要还原该信号，则需要用到积分器。而在生物信号的收集过程中，采集电极会为输入信号引入至少数十毫伏的直流漂移电压，消除漂移电压最常用的技术是直流伺服环路反馈，而积分器作为直流伺服环路的核心，其启动速度大大影响生物信号采集的效率，如果不优化甚至会出现长达分钟的启动时间。
而目前的积分器大多通过改变开关控制选择电阻和电容值的方式来改变时间常数，不仅电阻电容的数值无法做到精确，同时在模拟集成电路里，电阻和电容因为数值极大，其版图面积对于芯片面积是一个极大的消耗与浪费。
发明内容
针对现有算法的不足，本发明在使用低占空比开关电阻的基础上，通过使用不同占空比脉冲控制开关，进而在电路启动和正常工作时使用不同的等效电阻值改变积分器的时间常数，进而提高积分器启动时的积分速度。
本发明所采用的技术方案是：一种加速启动的积分器电路包括：积分器电路、基准电压产生电路、比较器、第一MOS开关和脉冲产生器，比较器的正向输入端与积分器电路的输出端连接，比较器的负向输入端与基准电压产生电路的输出端连接，比较器的输出端依次与第一MOS开关和脉冲产生器的输入端连接；脉冲产生器的输出端与积分器电路的输入端连接；比较器将积分器电路的输出电压和基准电压产生电路的基准电压进行比较，使积分器电路输出不同的等效电阻值，从而改变积分器电路的时间常数，控制积分器电路的启动速度，基准电压产生电路用于产生一个零温度系数的基准电压Vref，脉冲产生器用于产生一个占空比极低的脉冲信号。
进一步的，积分器电路包括运算放大器、第一电容和低占空比开关电阻，低占空比开关电阻包括第一电阻和第二MOS开关，第一电阻的右端与第二MOS开关的漏极连接，第二MOS开关的源极与运算放大器的反向输入端连接，第二MOS开关的栅极连接脉冲产生器，运算放大器的反向输入端和输出端并联第一电容。
进一步的，第一MOS开关包括第一反相器、第一NMOS管和第二NMOS管，比较器的输出一端与第一反相器和第一NMOS管的栅极连接，另一端与第二NMOS管的栅极连接；第一NMOS管的源极与第二MOS开关的栅极连接，第一NMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极、时钟信号CLK连接；第二NMOS管的源极与脉冲发生器和第二MOS开关的栅极连接；当比较器输出低电平时第一NMOS管导通，低占空比开关电阻的等效阻值＝第一电阻/Dclk1；当比较器输出高电平时第二NMOS管导通，低占空比开关电阻的等效阻值＝第一电阻/Dclk，其中，Dclk1为时钟信号CLK的占空比，Dclk为时钟信号CLK经过脉冲产生器后的占空比。
第一MOS开关对第二MOS开关控制，主要根据比较器电路的结果判定CLK信号是直接控制低占空比开关电阻的第二MOS开关，还是CLK信号经过脉冲产生器，由此产生一个占空比极低的脉冲信号，再由此脉冲信号控制低占空比开关电阻的第二MOS开关；因此第一MOS开关的开关方向决定了时钟信号的占空比，进而决定了积分器电路的等效阻值，因此积分器电路的时间常数也在随之改变，所以积分器电路的启动速度也得到了改变。
进一步的，脉冲产生器包括与门、若干反相器和若干电容，反相器依次串联，且每两个相邻反相器之间并联一个电容，时钟信号分别与首个反相器的输入端和与门的一端连接，末端反相器的输出端和门的另一端连接，通过设置反相器和电容的数量产生预设占空比脉冲信号和延迟时间。
进一步的，电容为MOS电容，电容是MOS管连接成两端器件作为电容，并且MOS管的电容可在5-200fF之间调节，因此可以产生不同占空比的脉冲，满足直流伺服环路中的不同截止频率的使用条件，同时避免使用普通电容，避免了电容对于芯片面积的极大的消耗，所以极大节省了芯片面积。
进一步的，脉冲产生器包括与门、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、第六反相器、第二MOS电容、第三MOS电容、第四MOS电容和第五MOS电容，第一至第五反相器依次串联后连接与门，五个反相器之间分别并联四个MOS电容。
进一步的，积分器电路的第一电容和低占空比开关电阻满足的条件是：
Figure BDA0003909529520000031
其中，Requ为低占空比开关电阻，C是积分器的积分电容。
第一电容是低漏电流的精密的电容，低占空比开关电阻中的第一电阻是精密的电阻，运算放大器是高开环增益，低输入失调电压，具有足够大的带宽和宽动态输入范围的精密运算放大器。
本发明的有益效果：
可实现在积分器启动时降低时间常数，达到加速启动的目的；启动后，极低占空比时钟的使用使得等效电阻瞬间放大几十万倍，达到直流伺服环路需要的极低的1HZ之下高通截止频率的要求；此外，脉冲产生器占空比可以自由配置，可以根据实际应用需求得到预设的占空比脉冲信号和延迟时间；
加速启动电路的启动速度可以由数十秒的启动速度加快到20ms以内。
附图说明
图1为本发明的加速启动积分器电路的整体结构示意图；
图2为本发明的MOS开关S1的实现方式及线路连接示意图；
图3为本发明的脉冲产生器电路示意图；
图4为本发明的输入CLK信号示意图；
图5为本发明的脉冲产生器产生的脉冲信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
一种加速启动的积分器电路包括：积分器电路、低占空比开关电阻、基准电压产生电路、比较器、第一MOS开关和脉冲产生器；基准电压产生电路用于产生一个零温度系数的基准电压Vref，用于和可变时间常数的积分器电路的输出电压进行比较；脉冲产生器用于产生一个占空比极低的脉冲信号。
参照图1，输入信号从Vin输入端进入可变时间常数的积分器电路，电阻R1为积分无源电阻，电容C1为积分电容，A2为运算放大器，R1的右端与MOS开关S2的漏极连接，MOS开关S2为NMOS类型的开关管，MOS开关S2的源极与运算放大器A2的反向输入端连接，MOS开关管S2的栅极连接脉冲产生器，运算放大器A2的反向输入端和输出端并联C1；当电路刚启动时，运算放大器A2的积分输出电压Vout为0，比较器A1将此时的积分输出电压Vout和基准电压Vref相比，由于Vout<Vref，比较器A1输出低电平电压，因此N2栅极电压为低电平，此时NMOS管N2关断，脉冲产生器不起作用；而低电平信号经过反相器U1之后变为高电平，即N1栅极电压为高电平，所以NMOS管N1导通，因此时钟信号CLK通过导通的NMOS管N1控制MOS开关S2，此时低占空比开关电阻的等效电阻为R/DCLK1。
参照图2，比较器A1的输出一端连接反相器U1和NMOS管N1的栅极，另一端连接NMOS管N2的栅极，NMOS管N1的源极与MOS开关S2的栅极连接，NMOS管N1的漏极与NMOS管N2的漏极、时钟信号CLK连接；NMOS管N2的源极与脉冲发生器和MOS开关S2的栅极连接。
由于时钟信号CLK的占空比为DCLK1＝0.5，此时低占空比开关电阻的等效电阻为2R，大大减小了积分器电路的时间常数，使积分器电路内的积分电容C1快速充电；当积分电容C1充电完成后，Vout上升至预先设定电压，此时Vout>Vref，比较器A1输出高电平，此时NMOS管N2导通，因此时钟信号CLK通过导通的NMOS管N2传输到脉冲产生器的输入端，进而产生一个占空比极低的时钟信号用来控制MOS开关S2；而比较器A1的输出高电平信号经过反相器之后，变为低电平，因此NMOS管N1关断；所以控制MOS开关S2的信号变为脉冲产生器产生的低占空比时钟信号，此时低占空比开关电阻的等效电阻为R/Dclk。
参照图3，脉冲产生器由与门U7、MOS电容C2-C5、反相器U2-U6组成，反相器U2-U6依次串联，时钟信号CLK分别与U2的输入端和U7的一个输入端连接，U6的输出端与U7的另一个输入端连接，U2-U6输入输出端分别并联C2-C5；脉冲产生器用于产生占空比极低的脉冲信号D，并且采用的电容为MOS管电容，并且MOS的电容可在5-200fF之间调节，除此之外，反相器的数量也可以自由配置，来改变总延迟的时间；在这种条件下，可以产生的低占空比脉冲信号的占空比可以达到几十万到几百万之间，由此可以看到，无源电阻R1的阻值在直流伺服环路的积分器启动完成之后瞬间达到自身的几十万到几百万倍的阻值，产生直流伺服环路需要的极低的在1HZ之下的高通截止频率。
参照图4，图中的占空比Dclk约为1/400000，当开关由占空比为Dclk的脉冲信号驱动时，则在输出端观察到的平均电阻为R/Dclk，相对于图中的占空比，相当于无源电阻R1被放大了400000倍。举例说明，当需要直流伺服环路的高通截止频率为0.5Hz以下时，假设直流伺服环路中的积分器输出端串联的的直流伺服电容为100fF，积分器电路的积分电容为50fF，那么需要的电阻的阻值在GΩ和TΩ之间才能实现所需要的在直流伺服环路里由积分器产生一个极低的在1HZ一下的高通截止频率的目标，若使用无源电阻实现如此大的阻值会占用极大的芯片面积。但在以上的设计条件下，满足直流伺服环路的要求，只需要MΩ级别的无源电阻在经过极低的占空比脉冲控制后可以等效到几百GΩ，甚至几TΩ，并且启动时间由数十秒级别降到几十毫秒级别。
本发明在以上技术实现的过程中，减少了各种开关和无源电阻的使用，减少了电路的繁杂程度，极大地降低了大面积无源电阻的使用，节省了芯片面积，并且提高了积分器的启动速度，同时电路结构具有极大的可扩展性和自主调节设计参数的特性。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种加速启动的积分器电路，其特征在于，包括：积分器电路、基准电压产生电路、比较器、第一MOS开关和脉冲产生器，比较器的正向输入端与积分器电路的输出端连接，比较器的负向输入端与基准电压产生电路的输出端连接，比较器的输出端依次与第一MOS开关和脉冲产生器的输入端连接；脉冲产生器的输出端与积分器电路的输入端连接；比较器将积分器电路的输出电压和基准电压产生电路的基准电压进行比较，使积分器电路输出不同的等效电阻值，从而改变积分器电路的时间常数，控制积分器电路的启动速度。
2.根据权利要求1所述的加速启动的积分器电路，其特征在于，积分器电路包括运算放大器、第一电容和低占空比开关电阻，低占空比开关电阻包括第一电阻和第二MOS开关，第一电阻的右端与第二MOS开关的漏极连接，第二MOS开关的源极与运算放大器的反向输入端连接，第二MOS开关的栅极连接脉冲产生器，运算放大器的反向输入端和输出端并联第一电容。
3.根据权利要求2所述的加速启动的积分器电路，其特征在于：第一MOS开关包括第一反相器、第一NMOS管和第二NMOS管，比较器的输出一端与第一反相器和第一NMOS管的栅极连接，另一端与第二NMOS管的栅极连接；第一NMOS管的源极与第二MOS开关的栅极连接，第一NMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极、时钟信号CLK连接；第二NMOS管的源极与脉冲发生器、第二MOS开关的栅极连接；当比较器输出低电平时第一NMOS管导通，低占空比开关电阻的等效阻值＝第一电阻/Dclk1；当比较器输出高电平时第二NMOS管导通，低占空比开关电阻的等效阻值＝第一电阻/Dclk，其中，Dclk1为时钟信号CLK的占空比，Dclk为时钟信号CLK经过脉冲产生器后的占空比。
4.根据权利要求1所述的加速启动的积分器电路，其特征在于，脉冲产生器包括与门、若干反相器和若干电容，若干反相器依次串联，且每两个相邻反相器之间并联一个电容，反相器的数量等于电容数加一，时钟信号分别与首个反相器的输入端和与门的一端连接，末端反相器的输出端和与门的另一端连接，通过设置反相器和电容的数量产生预设占空比脉冲信号和延迟时间。
5.根据权利要求4所述的加速启动的积分器电路，其特征在于，电容为MOS电容。
6.根据权利要求5所述的加速启动的积分器电路，其特征在于，脉冲产生器包括与门、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、第六反相器、第二MOS电容、第三MOS电容、第四MOS电容和第五MOS电容，第一至第五反相器依次串联后连接与门，第二至第六反相器之间分别并联第二至第五MOS电容，时钟信号分别与第二反相器的输入端和与门的输入端连接，第六反相器的输出端和与门的另一输入端连接。
7.根据权利要求2所述的加速启动的积分器电路，其特征在于，积分器电路的第一电容和低占空比开关电阻的等效电阻满足的条件为：
Figure FDA0003909529510000021
其中：Requ为低占空比开关电阻的等效电阻，C是积分器的积分电容。
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