CN116094526A - 一种将脉冲频率转换为电压的方法及装置 - Google Patents

一种将脉冲频率转换为电压的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种将脉冲频率转换为电压的方法及装置，其中方法包括以下步骤：通过开关脉冲转换电路将输入脉冲转换为两路差分的开关控制信号；基于所述开关控制信号和偏置电路提供的偏置电流，通过频率转电压电路的互补开关和旁路电容形成电荷搬运，并输出节点电压；通过低通滤波器电路过滤掉所述节点电压中的高频纹波得到最终的电压，从而将输入脉冲频率转换为电压。本发明能够很好地将输入脉冲频率转换为电压，便于控制。

Description

一种将脉冲频率转换为电压的方法及装置
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种将脉冲频率转换为电压的方法及装置。
背景技术
电子电路系统中，常用的采样和控制都是转换为对电压和电流的控制。在需要对时钟频率进行控制的电路系统中，如果能够把脉冲频率转换为电压或者电流就可以方便的进行控制。
公开号为CN1956308B的发明专利公开了一种电源电压控制装置，能够根据系统时钟频率自由地设定时钟周期设定裕量，对于系统时钟频率的变化，能够在短时间内使电源电压会聚为正常动作的最小电源电压而不使内部电路误动作的电源电压控制装置。电源电压控制装置(100)包括对系统时钟以分频比1分频的分频电路(121)、对电压控制振荡电路(110)的输出以分频比2分频的分频电路(122)、对分频电路121和分频电路122的各自的输出信号进行相位比较/频率比较的相位比较器/频率比较器(130)以及控制器(145)内的存储器(142)，根据与系统时钟频率联动的动作模式信号，由控制电路(141)设定各个分频电路(121、122)的分频比。在系统时钟频率变化时，使用控制器(145)内的预置值进行可逆计数器(143)的初始设定和寄存器设定。
公开号为CN114400889A的发明专利申请公开了一种电荷泵输出电压控制电路及方法，该电路包括时钟频率调节模块、振荡器和电荷泵，时钟频率调节模块与振荡器连接，振荡器与电荷泵连接；时钟频率调节模块用于根据电荷泵的工作状态输出对应的频率调节信号至振荡器；振荡器用于根据频率调节信号调整时钟信号的频率，并将频率调整后的时钟信号输出至电荷泵；电荷泵用于根据接收到的时钟信号和输入电压输出偏置电压。该发明的时钟频率调节模块根据电荷泵的工作状态输出频率调节信号，振荡器根据频率调节信号将时钟信号的频率调整后发送至电荷泵，电荷泵根据时钟信号输出偏置电压，能够根据电荷泵的工作状态对时钟信号的频率进行调整。
然而上述脉冲频率转电压或者电流进行控制的方案存在电路结构冗余、控制逻辑复杂等问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种将脉冲频率转换为电压的方法及装置，能够很好地将输入脉冲频率转换为电压，便于控制。
本发明采用的技术方案如下：
一种将脉冲频率转换为电压的方法，包括以下步骤：
S1.通过开关脉冲转换电路将输入脉冲转换为两路差分的开关控制信号；
S2.基于所述开关控制信号和偏置电路提供的偏置电流，通过频率转电压电路的互补开关和旁路电容形成电荷搬运，并输出节点电压；
S3.通过低通滤波器电路过滤掉所述节点电压中的高频纹波得到最终的电压，从而将输入脉冲频率转换为电压。
进一步地，所述开关脉冲转换电路将输入脉冲转换为两路差分的开关控制信号的方式包括：将输入脉冲直接作为驱动信号，一路经过反相器，另一路经过传输门实现单端转差分信号。
进一步地，若所述输入脉冲为差分信号，则无需通过开关脉冲转换电路对所述输入脉冲进行转换。
进一步地，所述频率转电压电路包括镜像恒流源、第一MOS管开关、第二MOS管开关、第一电阻、第一电容和第二电容，所述第一电阻的第一端电连接工作电源，所述第一电阻的第二端电连接镜像恒流源输入端、第一MOS管开关和第一电容的第一端，所述第一MOS管开关的第二端电连接第二MOS管开关和第二电容的第一端，所述镜像恒流源输出端、第二MOS管开关、第一电容和第二电容的第二端接地。
进一步地，所述频率转电压电路包括镜像恒流源、第一MOS管开关、第二MOS管开关、第一电阻、第一电容和第二电容，所述镜像恒流源的输入端电连接工作电源，所述镜像恒流源的输出端电连接所述第一MOS管开关、第一电阻和第一电容的第一端，所述第一MOS管开关的第二端电连接第二MOS管开关和第二电容的第一端，所述第二MOS管开关、第一电阻、第一电容和第二电容的第二端接地。
一种将脉冲频率转换为电压的装置，包括：
开关脉冲转换电路，被配置为将输入脉冲转换为两路差分的开关控制信号；
偏置电路，被配置为提供偏置电流；
频率转电压电路，被配置为基于所述开关控制信号和偏置电路提供的偏置电流，通过互补开关和旁路电容形成电荷搬运，并输出节点电压；
低通滤波器电路，被配置为过滤掉所述节点电压中的高频纹波得到最终的电压，从而将输入脉冲频率转换为电压。
进一步地，所述开关脉冲转换电路将输入脉冲转换为两路差分的开关控制信号的方式包括：将输入脉冲直接作为驱动信号，一路经过反相器，另一路经过传输门实现单端转差分信号。
进一步地，若所述输入脉冲为差分信号，则无需通过开关脉冲转换电路对所述输入脉冲进行转换。
进一步地，所述频率转电压电路包括镜像恒流源、第一MOS管开关、第二MOS管开关、第一电阻、第一电容和第二电容，所述第一电阻的第一端电连接工作电源，所述第一电阻的第二端电连接镜像恒流源输入端、第一MOS管开关和第一电容的第一端，所述第一MOS管开关的第二端电连接第二MOS管开关和第二电容的第一端，所述镜像恒流源输出端、第二MOS管开关、第一电容和第二电容的第二端接地。
进一步地，所述频率转电压电路包括镜像恒流源、第一MOS管开关、第二MOS管开关、第一电阻、第一电容和第二电容，所述镜像恒流源的输入端电连接工作电源，所述镜像恒流源的输出端电连接所述第一MOS管开关、第一电阻和第一电容的第一端，所述第一MOS管开关的第二端电连接第二MOS管开关和第二电容的第一端，所述第二MOS管开关、第一电阻、第一电容和第二电容的第二端接地。
本发明的有益效果在于：
本发明通过开关脉冲转换电路将输入脉冲转换为两路差分的开关控制信号，再基于该开关控制信号和偏置电路提供的偏置电流，通过频率转电压电路的互补开关和旁路电容形成电荷搬运并输出节点电压，最后通过低通滤波器电路过滤掉节点电压中的高频纹波得到最终的电压。本发明能够很好地将输入脉冲频率转换为电压，便于控制。
附图说明
图1本发明的一种将脉冲频率转换为电压的方法流程图。
图2本发明的一种将脉冲频率转换为电压的方法原理图。
图3输入脉冲处理前后示意图。
图4本发明实施例1的频率转电压电路原理图。
图5本发明实施例2的频率转电压电路原理图。
图6本发明实施例1的输入脉冲频率与输出电压关系图。
图7本发明实施例2的输入脉冲频率与输出电压关系图。
图8节点电压VA、VB处的波形图。
图9本发明的低通滤波器电路原理图。
图10本发明实施例1的现脉冲频率转电压的完整电路原理图。
图11本发明实施例2实现脉冲频率转电压的完整电路原理图。
图12本发明实施例1各节点处的波形图之一。
图13本发明实施例1各节点处的波形图之二。
图14本发明实施例2各节点处的波形图之一。
图15本发明实施例2各节点处的波形图之二。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种将脉冲频率转换为电压的方法，包括以下步骤：
S1.通过开关脉冲转换电路将输入脉冲转换为两路差分的开关控制信号；
S2.基于开关控制信号和偏置电路提供的偏置电流，通过频率转电压电路的互补开关和旁路电容形成电荷搬运，并输出节点电压；
S3.通过低通滤波器电路过滤掉节点电压中的高频纹波得到最终的电压，从而将输入脉冲频率转换为电压。
如图2所示，本实施例还提供了一种将脉冲频率转换为电压的装置，包括开关脉冲转换电路、偏置电路、频率转电压电路、低通滤波器电路，其中开关脉冲转换电路被配置为将输入脉冲转换为两路差分的开关控制信号；偏置电路被配置为提供偏置电流；频率转电压电路被配置为基于开关控制信号和偏置电路提供的偏置电流，通过互补开关和旁路电容形成电荷搬运，并输出节点电压；低通滤波器电路被配置为过滤掉节点电压中的高频纹波得到最终的电压，从而将输入脉冲频率转换为电压。
开关脉冲转换电路将输入脉冲转换为两路差分的开关控制信号有多种方式可以实现，例如将输入脉冲直接作为驱动信号，一路经过反相器，另一路经过传输门实现单端转差分信号，如图3所示。优选地地，若输入脉冲为差分信号，则无需通过开关脉冲转换电路对输入脉冲进行转换。
如图4所示，频率转电压电路包括镜像恒流源、第一MOS管开关、第二MOS管开关、第一电阻、第一电容和第二电容，镜像恒流源的输入端电连接工作电源，镜像恒流源的输出端电连接第一MOS管开关、第一电阻和第一电容的第一端，第一MOS管开关的第二端电连接第二MOS管开关和第二电容的第一端，第二MOS管开关、第一电阻、第一电容和第二电容的第二端接地。
具体地，如图4所示，本实施例中输入脉冲频率转电压的实现原理如下：
1.I1是镜像恒流源，可以让工作区间内电流基本恒定。
2.R1是第一电阻，C1、C2分别是第一电容和第二电容，C1的电容值比C2大的多，S1、S1B分别是第一MOS管开关、第二MOS管开关。
3.VB节点电压是频率转电压电路的输出节点。
4.转换开始后，S1、S1B接开关脉冲转换电路的开关控制信号，S1和S1B轮流导通：
(1)当S1导通的时候，S1B断开。S1开关电阻非常小，C1和C2会迅速地电荷共享实现VA≈VB，C2上充的电荷＝C*VB。
(2)当S1B导通的时候，S1断开。S1B的低导通电阻会迅速把VB电压拉到接近地，也就是VB≈0。
(3)长期工作稳定以后，在脉冲周期的一个周期内，电路实现了把C2电压充到VB又再放到0的过程，这一过程实现了电荷的搬运。长期来看，搬运电荷的过程可以等效为一个平均电流，平均电流If＝f*C2*VB，原理等效于开关电容做电阻。
(4)基于步骤(3)的计算，长期来看，根据KCL(基尔霍夫电流定律)，流过电阻R1的电流＝I1-If，所以电阻的平均电压为：
VB＝(I1-If)*R1 (1)
(5)把If的平均电流计算表达式If＝f*C2*VB代入公式(1)，得到VB＝(I1-f*C2*VB)*R1，可推导出：
VB＝(I1*R1)/(1+f*C2*R1) (2)
(6)当I1、R、C2均为电路控制值以后，VB就是一个和频率呈现单调的表达式，频率的波动就可以转换为电压的波动。
由图4的电路分析可知，VB的平均电压和输入脉冲的频率是公式(2)的关系。如图6所示为本实施例的输入脉冲频率与输出电压关系图，可见输入脉冲频率越高，输出电压越低。虽然VB的平均电压是和f基本成正比的，但是瞬态电压有高频纹波，实际VA/VB波形如图8所示。
由于太大的纹波不利于精确的控制，故本实施例把VB的信号经过一个大的低通滤波器以后可以实现纹波的衰减，常见的低通滤波器可以用RC实现，如图9所示。如图10所示为本实施中一个优选的实现脉冲频率转电压的完整电路。
如图12所示为各节点处的波形图之一，其中频率freq＝1/150ns。如图13所示为各节点处的波形图之二，其中频率freq＝1/300ns。从图12和图13可以看出，如图10所示的电路在工业设计软件spectre仿真过程中实现了频率到电压的转换，其中在频率Freq＝1/300ns的时候，Vout＝1.306v；在频率Freq＝1/150ns的时候，Vout＝0.960v，即输入脉冲频率越高，输出电压越低，其结果与功能描述相吻合。
实施例2
如图1所示，本实施例提供了一种将脉冲频率转换为电压的方法，包括以下步骤：
S1.通过开关脉冲转换电路将输入脉冲转换为两路差分的开关控制信号；
S2.基于开关控制信号和偏置电路提供的偏置电流，通过频率转电压电路的互补开关和旁路电容形成电荷搬运，并输出节点电压；
S3.通过低通滤波器电路过滤掉节点电压中的高频纹波得到最终的电压，从而将输入脉冲频率转换为电压。
如图2所示，本实施例还提供了一种将脉冲频率转换为电压的装置，包括开关脉冲转换电路、偏置电路、频率转电压电路、低通滤波器电路，其中开关脉冲转换电路被配置为将输入脉冲转换为两路差分的开关控制信号；偏置电路被配置为提供偏置电流；频率转电压电路被配置为基于开关控制信号和偏置电路提供的偏置电流，通过互补开关和旁路电容形成电荷搬运，并输出节点电压；低通滤波器电路被配置为过滤掉节点电压中的高频纹波得到最终的电压，从而将输入脉冲频率转换为电压。
开关脉冲转换电路将输入脉冲转换为两路差分的开关控制信号有多种方式可以实现，例如将输入脉冲直接作为驱动信号，一路经过反相器，另一路经过传输门实现单端转差分信号，如图3所示。优选地地，若输入脉冲为差分信号，则无需通过开关脉冲转换电路对输入脉冲进行转换。
本实施例与实施例1的区别在于：
如图5所示，本实施例的频率转电压电路包括镜像恒流源、第一MOS管开关、第二MOS管开关、第一电阻、第一电容和第二电容，第一电阻的第一端电连接工作电源，第一电阻的第二端电连接镜像恒流源输入端、第一MOS管开关和第一电容的第一端，第一MOS管开关的第二端电连接第二MOS管开关和第二电容的第一端，镜像恒流源输出端、第二MOS管开关、第一电容和第二电容的第二端接地。
具体地，如图5所示，本实施例中输入脉冲频率转电压的实现原理如下：
1.I1是镜像恒流源，可以让工作区间内电流基本恒定。
2.R1是第一电阻，C1、C2分别是第一电容和第二电容，C1的电容值比C2大的多，S1、S1B分别是第一MOS管开关、第二MOS管开关。
3.VB节点电压是频率转电压电路的输出节点。
4.转换开始后，S1、S1B接开关脉冲转换电路的开关控制信号，S1和S1B轮流导通：
(1)当S1导通的时候，S1B断开。S1开关电阻非常小，C1和C2会迅速地电荷共享实现VA≈VB，C2上充的电荷＝C*VB。
(2)当S1B导通的时候，S1断开。S1B的低导通电阻会迅速把VB电压拉到接近地，也就是VB≈0。
(3)长期工作稳定以后，在脉冲周期的一个周期内，电路实现了把C2电压充到VB又再放到0的过程，这一过程实现了电荷的搬运。长期来看，搬运电荷的过程可以等效为一个平均电流，平均电流If＝f*C2*VB，原理等效于开关电容做电阻。
(4)基于步骤(3)的计算，长期来看，根据KCL(基尔霍夫电流定律)，流过电阻R1的电流＝I1+If，所以电阻两端的平均电压为：
VR＝(I1+If)*R1 (1)
(5)把VB平均电压＝VDD-VR代入公式(1)可得：
VB平均电压＝＝(VDD-I1*R1)/(1+R1*f*C2) (2)
(6)当I1、R、C2均为电路控制值以后，VB就是一个和频率呈现单调的表达式，频率的波动就可以转换为电压的波动。
由图5的电路分析可知，VB的平均电压和输入脉冲的频率是公式(2)的关系。特别的，可以不需要镜像恒流源I1，即公式(2)中I1＝0,那么公式可以简化为：
VB平均电压＝VDD/(1+R1*f*C2) (3)
如图7所示为本实施例的输入脉冲频率与输出电压关系图，可见输入脉冲频率越高，输出电压越低。虽然VB的平均电压是和f基本成反比的，但是瞬态电压有高频纹波，实际VA/VB波形如图8所示。
由于太大的纹波不利于精确的控制，故本实施例把VB的信号经过一个大的低通滤波器以后可以实现纹波的衰减，常见的低通滤波器可以用RC实现，如图9所示。如图11所示为本实施中一个优选的实现脉冲频率转电压的完整电路。
如图14所示为各节点处的波形图之一，其中频率freq＝1/300ns，可见VB经过低通滤波器后得到VOUT的波形中，波纹已降低。如图15所示为各节点处的波形图之二，其中频率freq＝1/150ns。从图14和图15可以看出，如图11所示的电路在工业设计软件spectre仿真过程中实现了频率到电压的转换，其中在频率Freq＝1/300ns的时候，Vout＝1.66v；在频率Freq＝1/150ns的时候，Vout＝0.996v，即输入脉冲频率越高，输出电压越低，其结果与功能描述相吻合。
需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简便描述，故将其表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

Claims (10)

1.一种将脉冲频率转换为电压的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.通过开关脉冲转换电路将输入脉冲转换为两路差分的开关控制信号；
S2.基于所述开关控制信号和偏置电路提供的偏置电流，通过频率转电压电路的互补开关和旁路电容形成电荷搬运，并输出节点电压；
S3.通过低通滤波器电路过滤掉所述节点电压中的高频纹波得到最终的电压，从而将输入脉冲频率转换为电压。
2.根据权利要求1所述的将脉冲频率转换为电压的方法，其特征在于，所述开关脉冲转换电路将输入脉冲转换为两路差分的开关控制信号的方式包括：将输入脉冲直接作为驱动信号，一路经过反相器，另一路经过传输门实现单端转差分信号。
3.根据权利要求1所述的将脉冲频率转换为电压的方法，其特征在于，若所述输入脉冲为差分信号，则无需通过开关脉冲转换电路对所述输入脉冲进行转换。
4.根据权利要求1-3任一项所述的将脉冲频率转换为电压的方法，其特征在于，所述频率转电压电路包括镜像恒流源、第一MOS管开关、第二MOS管开关、第一电阻、第一电容和第二电容，所述第一电阻的第一端电连接工作电源，所述第一电阻的第二端电连接镜像恒流源输入端、第一MOS管开关和第一电容的第一端，所述第一MOS管开关的第二端电连接第二MOS管开关和第二电容的第一端，所述镜像恒流源输出端、第二MOS管开关、第一电容和第二电容的第二端接地。
5.根据权利要求1-3任一项所述的将脉冲频率转换为电压的方法，其特征在于，所述频率转电压电路包括镜像恒流源、第一MOS管开关、第二MOS管开关、第一电阻、第一电容和第二电容，所述镜像恒流源的输入端电连接工作电源，所述镜像恒流源的输出端电连接所述第一MOS管开关、第一电阻和第一电容的第一端，所述第一MOS管开关的第二端电连接第二MOS管开关和第二电容的第一端，所述第二MOS管开关、第一电阻、第一电容和第二电容的第二端接地。
6.一种将脉冲频率转换为电压的装置，其特征在于，包括：
开关脉冲转换电路，被配置为将输入脉冲转换为两路差分的开关控制信号；
偏置电路，被配置为提供偏置电流；
频率转电压电路，被配置为基于所述开关控制信号和偏置电路提供的偏置电流，通过互补开关和旁路电容形成电荷搬运，并输出节点电压；
低通滤波器电路，被配置为过滤掉所述节点电压中的高频纹波得到最终的电压，从而将输入脉冲频率转换为电压。
7.根据权利要求6所述的将脉冲频率转换为电压的装置，其特征在于，所述开关脉冲转换电路将输入脉冲转换为两路差分的开关控制信号的方式包括：将输入脉冲直接作为驱动信号，一路经过反相器，另一路经过传输门实现单端转差分信号。
8.根据权利要求6所述的将脉冲频率转换为电压的装置，其特征在于，若所述输入脉冲为差分信号，则无需通过开关脉冲转换电路对所述输入脉冲进行转换。
9.根据权利要求6-8任一项所述的将脉冲频率转换为电压的装置，其特征在于，所述频率转电压电路包括镜像恒流源、第一MOS管开关、第二MOS管开关、第一电阻、第一电容和第二电容，所述第一电阻的第一端电连接工作电源，所述第一电阻的第二端电连接镜像恒流源输入端、第一MOS管开关和第一电容的第一端，所述第一MOS管开关的第二端电连接第二MOS管开关和第二电容的第一端，所述镜像恒流源输出端、第二MOS管开关、第一电容和第二电容的第二端接地。
10.根据权利要求6-8任一项所述的将脉冲频率转换为电压的装置，其特征在于，所述频率转电压电路包括镜像恒流源、第一MOS管开关、第二MOS管开关、第一电阻、第一电容和第二电容，所述镜像恒流源的输入端电连接工作电源，所述镜像恒流源的输出端电连接所述第一MOS管开关、第一电阻和第一电容的第一端，所述第一MOS管开关的第二端电连接第二MOS管开关和第二电容的第一端，所述第二MOS管开关、第一电阻、第一电容和第二电容的第二端接地。
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