CN117856737A - 一种具有高灵敏检测输入端电压变化的电压-频率振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种具有高灵敏检测输入端电压变化的电压‑频率振荡器，包括：电压放大电路、电压‑电流转换电路、电阻分压电路、电流‑频率振荡器以及输出缓冲电路；电压放大电路的输出端连接电压‑电流转换电路的输入端，电压‑电流转换电路的输出端连接电流‑频率振荡器的正输入端，电阻分压电路的输出端连接电流‑频率振荡器的负输入端；电流‑频率振荡器的输入端连接输出缓冲电路；本发明振荡器电路占空比精确，满足后续电路对稳定电平信号的需求。
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种具有高灵敏检测输入端电压变化的电压-频率振荡器。
背景技术
电压-频率振荡器应用场景十分广泛，在检测环境温度变化的电路系统中，外接温度传感器将环境温度转换为具体的电压值，而电压-频率振荡器通过频率的值反应被检测电压的大小，从而反应出外部环境温度，以便后续电路进行数据分析。现有的电压-频率振荡器为了实现稳定的占空比和稳定的震荡频率，电路中需要高精度的电压基准和多个高精度的电阻、电容无源器件、工艺成本高，需要资源多。
发明内容
为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种具有高灵敏检测输入端电压变化的电压-频率振荡器，该器件包括：电压放大电路、电压-电流转换电路、电阻分压电路、电流-频率振荡器以及输出缓冲电路；电压放大电路的输出端连接电压-电流转换电路的输入端，电压-电流转换电路的输出端连接电流-频率振荡器的正输入端，电阻分压电路的输出端连接电流-频率振荡器的负输入端；电流-频率振荡器的输入端连接输出缓冲电路。
优选的，电压放大电路包括两个电阻R1～R2、电容C1以及运算放大器AMP1；运算放大器AMP1的正输入端连接输入信号VIN，AMP1的负输入端分别连接电阻R1的一端、电阻R2的一端以及电容C1的一端；电阻R1的另一端接地，电阻R2和电容C2的另一端均连接运算放大器AMP1的输出端。
优选的，电压-电流转换电路包括：运算放大器AMP2、电容C2、电阻R3、PMOS管PM1以及电容C3；运算放大器AMP2的正极输入端连接电压放大电路的输出端，AMP2的负极输入端分别连接电阻R3的一端和PMOS管PM1的源极，AMP2的输出端分别连接电容C2的一端和PM1的栅极；电阻R3的另一端连接电源VDD，PM1的漏极连接电容C3的一端，电容C3的另一端接地。
进一步的，电压-电流转换电路中将PMOS管PM1的漏极作为电压-电流转换电路的输出端。
优选的，电阻分压电路由电阻R4和电阻R5组成，其中R4和R5串联，且电阻R4的另一端连接电源VDD，电阻R5的另一端接地；将电阻R4与电阻R5的连接端作为电阻分压电路的输出端。
优选的，电流-频率振荡器包括：比较器CMP、NMOS管NM1、电阻R6、电容C4以及施密特触发器SMBUF；NMOS管NM1的漏极连接比较器CMP的正极输入端，NM1的源极接地，NM1的栅极连接施密特触发器SMBUF的输出端；比较器CMP的输出端连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端分别连接电容C4和施密特触发器SMBUF的输入端；电容C4的另一端接地。
优选的，输出缓冲电路包括D触发器DFF和4级反相器；D触发器的Clk端接电压-频率振荡器，D触发器的D端接D触发器的-Q端，4级反相器的输入端接D触发器的Q端，4级反相器的输出端作为振荡器的输出方波信号VOUT。
本发明的有益效果：
本发明针对压力传感器信号处理电路采用电压放大电路、电压-电流转换电路、电阻分压电路、电流-频率振荡器以及输出缓冲电路对信号进行处理，从而提供固定占空比和稳定的震荡频率的数字信号，方便后续电路精确测量前端电压；本发明直接对电源电压分压产生基准电压，不需要高精度基准；本发明的电路输出频率稳定性高；本发明振荡器电路占空比精确，满足后续电路对稳定电平信号的需求。
附图说明
图1为本发明的一种具有高灵敏检测输入端电压变化的电压-频率振荡器的电路结构图；
图2为本发明的电压-频率震荡电路中关键节点电压波形图。
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。
一种具有高灵敏检测输入端电压变化的电压-频率振荡器，如图1所示，包括：电压放大电路、电压-电流转换电路、电阻分压电路、电流-频率振荡器以及输出缓冲电路；所述电压放大电路用于将输入的低电压值进行放大，方便后续电路处理；所述电压-电流转换电路将放大后的输入电压转换成电流，对电容进行充电；所述电流-频率转换电路通过周期开关复位充电电容值产生数字信号；所述输出缓冲电路产生标准占空比数字信号并提升信号的带载能力。
在本实施例中，电压放大电路包括两个电阻R1～R2、电容C1以及运算放大器AMP1；运算放大器AMP1的正输入端连接输入信号VIN，AMP1的负输入端分别连接电阻R1的一端、电阻R2的一端以及电容C1的一端；电阻R1的另一端接地，电阻R2和电容C2的另一端均连接运算放大器AMP1的输出端。电压放大电路为低通滤波器，将输入电压VIN放大。
电压-电流转换电路包括运算放大器AMP2、电容C2、电阻R3、PMOS管PM1、电容C3；运算放大器AMP2正输入端接电压放大电路，电容C2的正端接电源VDD，电容C2的负端接运算放大器AMP2的输出端，PMOS管PM1的栅极接运算放大器AMP2的输出端，PMOS管的源极接运算放大器AMP2的负输入端，电阻R3的正端接电源VDD，电阻R3的负端接PMOS管PM1的源极，PMOS管PM1的漏极接电容C3的正端，电容C3的负端接地GND。
电阻分压电路由电阻R4和电阻R5组成，其中R4和R5串联，且电阻R4的另一端连接电源VDD，电阻R5的另一端接地；将电阻R4与电阻R5的连接端作为电阻分压电路的输出端。
电流-频率振荡器电路，包括比较器CMP、NMOS管NM1、电阻R6、电容C4、施密特触发器SMBUF；NMOS管的漏极连接电压电流转换电路，比较器CMP的正输入端接NMOS管NM1的漏极、比较器CMP的负端接电阻分压电路、电阻R6的正端接比较器的输出、电阻R6的负端接电容C4的正端、电容C4的负端接电源地GND、施密特触发器的输入接电容C4的正端、NMOS管NM1的栅极接施密特触发器的输出端。
输出缓冲电路包括D触发器DFF和4级反相器；D触发器的Clk端接电压-频率振荡器，D触发器的D端接D触发器的-Q端，4级反相器的输入端接D触发器的Q端，4级反相器的输出端作为振荡器的输出方波信号VOUT。
本发明的原理如下：外部传感器将测得的温度信号转换为电压信号VIN，VIN输入本电路后经由第一级运算放大器AMP1，由运算放大器的虚短原理可知，VIN被放大倍，此时放大后的信号同样由运算放大器AMP2虚短后接入电阻R3的负端电压VRT：
电源电压VDD和VRT之间压降在R3上产生电流id：
通过电流id对电容C3的电压VA进行充电，其中VA电压变化量▽VA与充电时间t有如下关系：
当电容C3上的电压VA被充到VR大小时，比较器输出由低电平翻转到高电平，比较器输出通过RC充电后输入施密特触发器产生一定宽度的脉冲，当VC电压为高时，反过来使得NMOS管NM1导通，电压VA变为低电平，比较器输出翻转由高到低，VB变低，VC变低，这时id继续对电容C3充电到高电平，重复上述过程产生固定周期的脉冲信号，通过DFF触发器对VC信号实现二分频，产生占空比50％的方波信号VD，然后通过输出缓冲级OUTBUF增加信号的驱动能力，得到最终输出VOUT。
图2是电压-频率震荡电路中关键节点电压波形图，图中记录了图1中几个关键节点的电压波形图，表明了电路的工作原理。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有高灵敏检测输入端电压变化的电压-频率振荡器，其特征在于，包括：电压放大电路、电压-电流转换电路、电阻分压电路、电流-频率振荡器以及输出缓冲电路；电压放大电路的输出端连接电压-电流转换电路的输入端，电压-电流转换电路的输出端连接电流-频率振荡器的正输入端，电阻分压电路的输出端连接电流-频率振荡器的负输入端；电流-频率振荡器的输入端连接输出缓冲电路。
2.根据权利要求1所述的一种具有高灵敏检测输入端电压变化的电压-频率振荡器，其特征在于，电压放大电路包括两个电阻R1～R2、电容C1以及运算放大器AMP1；运算放大器AMP1的正输入端连接输入信号VIN，AMP1的负输入端分别连接电阻R1的一端、电阻R2的一端以及电容C1的一端；电阻R1的另一端接地，电阻R2和电容C2的另一端均连接运算放大器AMP1的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种具有高灵敏检测输入端电压变化的电压-频率振荡器，其特征在于，电压-电流转换电路包括：运算放大器AMP2、电容C2、电阻R3、PMOS管PM1以及电容C3；运算放大器AMP2的正极输入端连接电压放大电路的输出端，AMP2的负极输入端分别连接电阻R3的一端和PMOS管PM1的源极，AMP2的输出端分别连接电容C2的一端和PM1的栅极；电阻R3的另一端连接电源VDD，PM1的漏极连接电容C3的一端，电容C3的另一端接地。
4.根据权利要求3所述的一种具有高灵敏检测输入端电压变化的电压-频率振荡器，其特征在于，电压-电流转换电路中将PMOS管PM1的漏极作为电压-电流转换电路的输出端。
5.根据权利要求1所述的一种具有高灵敏检测输入端电压变化的电压-频率振荡器，其特征在于，电阻分压电路由电阻R4和电阻R5组成，其中R4和R5串联，且电阻R4的另一端连接电源VDD，电阻R5的另一端接地；将电阻R4与电阻R5的连接端作为电阻分压电路的输出端。
6.根据权利要求1所述的一种具有高灵敏检测输入端电压变化的电压-频率振荡器，其特征在于，电流-频率振荡器包括：比较器CMP、NMOS管NM1、电阻R6、电容C4以及施密特触发器SMBUF；NMOS管NM1的漏极连接比较器CMP的正极输入端，NM1的源极接地，NM1的栅极连接施密特触发器SMBUF的输出端；比较器CMP的输出端连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端分别连接电容C4和施密特触发器SMBUF的输入端；电容C4的另一端接地。
7.根据权利要求1所述的一种具有高灵敏检测输入端电压变化的电压-频率振荡器，其特征在于，输出缓冲电路包括D触发器DFF和4级反相器；D触发器的Clk端接电压-频率振荡器，D触发器的D端接D触发器的-Q端，4级反相器的输入端接D触发器的Q端，4级反相器的输出端作为振荡器的输出方波信号VOUT。
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