CN117908627A - 一种基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路，属于模拟电路的技术领域，该负压基准厚膜混合集成电路包括：一级调理单元、二级调理单元和输出滤波单元；所述一级调理单元用于将串联型正压基准源所产生的电压信号通过放大或衰减至负压基准源输出电压的绝对值幅度；所述二级调理单元的输入端连接至一级调理单元的输出端，且二级调理单元用于将其输出信号的幅度调节至其输入信号的‑1倍；所述输出滤波单元的输入端连接至二级调理单元的输出端，且输出滤波单元用于将其输入信号经预定截止频率的低通滤波后产生输出信号，以达到通过反向器硬件调理原理结合串联型正压基准源，以实现产生高精度、高稳定性负压基准源的目的。

Description

一种基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路

技术领域

本发明属于模拟电路的技术领域，具体而言，涉及一种基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路。

背景技术

随着模拟电路在信号采集、信号处理、信号输出技术的不断进步发展，在模数转换电路、数模转换电路和信号调理电路中均迫切的需要高精度、低噪声的负电源轨电压信号。

经发明人研究发现，在电路设计中，正、负电源一般都由开关电源产生，由于开关电源工作过程中内部开关管的不断闭合，所输出电源中的纹波和噪声波动，将直接影响应用于参考电压变化，进而对后级电路产生较大影响。

通过对高精度负压基准电源的应用，从而提高模拟电路精度和可靠性。

负压基准电源产生的传统技术1：

为地网络经限流电阻后，将稳压二极管与负电源网络间反向连接，此时稳压二极管工作于反向击穿区，进而使输出电压Vo可以稳定在一个规定范围的数值。该方法优点是结构简单、成本低，缺点是稳压二极管的稳压值误差和温度系数较大，不适用于有精度要求的负压基准输入需求。传统技术1原理如图1所示。

负压基准电源产生的传统技术2：

该方法与传统技术1原理相同，将稳压值误差较大稳压二极管更换为LT431、LT432等并联稳压器，进而使输出电压Vo可以稳定在一个规定范围的数值。该方法优点是结构相对简单、成本低，缺点是并联稳压器误差通常≥0.5%，并且温度系数通常≥50ppm/℃，不适用于有高精度、高稳定性要求的负压基准输入需求。传统技术2原理如图2所示。

发明内容

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路以达到通过反向器硬件调理原理结合串联型正压基准源，以实现产生高精度、高稳定性负压基准源的目的。

本发明所采用的技术方案为：一种基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路，该负压基准厚膜混合集成电路包括：一级调理单元、二级调理单元和输出滤波单元；

所述一级调理单元用于将串联型正压基准源所产生的电压信号通过放大或衰减至负压基准源输出电压的绝对值幅度；

所述二级调理单元的输入端连接至一级调理单元的输出端，且二级调理单元用于将其输出信号的幅度调节至其输入信号的-1倍；

所述输出滤波单元的输入端连接至二级调理单元的输出端，且输出滤波单元用于将其输入信号经预定截止频率的低通滤波后产生输出信号。

进一步地，所述负压基准厚膜混合集成电路还包括：

输入滤波单元，所述输入滤波单元用于将外部输入的宽电压正极性电源和宽电压负极性电源分别转换为正极性电源和负极性电源，且通过正极性电源和负极性电源为一级调理单元和二级调理单元供电。

进一步地，所述输入滤波单元包括：第一线性稳压电路和第二线性稳压电路，所述第一线性稳压电路和第二线性稳压电路的输入端分别并联有输入滤波电容组，第一线性稳压电路和第二线性稳压电路的输出端分别并联有输出滤波电容组；

其中，所述第一线性稳压电路用于转换宽电压正极性电源的电压范围，第二线性稳压电路用于转换宽电压负极性电源的电压范围。

进一步地，所述一级调理单元包括：

正压基准源；

与正压基准源连接的第一运算放大器，所述正压基准源的输出端经电阻R1连接至第一运算放大器的同相输入端，第一运算放大器的反相输入端经电阻R2连接至第一运算放大器的输出端。

进一步地，所述一级调理单元还包括：

外部配置电路，通过该外部配置电路线性调节一级调理单元的输出信号幅度；

其中，外部配置电路包括：电阻Rx1和电阻Rx2，所述电阻Rx1和电阻Rx2的一端分别连接至第一运算放大器的同相输入端和反相输入端，电阻Rx1和电阻Rx2的另一端连接接地。

进一步地，所述一级调理单元还包括：外部配置电路，通过该外部配置电路线性调节一级调理单元的输出信号幅度；

其中，外部配置电路包括：电阻Rx，所述电阻Rx的一端连接至第一运算放大器的同相输入端或反相输入端，另一端连接接地。

进一步地，所述二级调理单元包括：第二运算放大器，所述第二运算放大器的反相输入端经电阻R3连接至所述一级调理单元的输出端，且第二运算放大器的反相输入端经电阻R4与其输出端连接，第二运算放大器的同相输入端连接接地。

进一步地，所述输出滤波单元包括：电阻R5，所述电阻R5的一端连接至所述二级调理单元的输出端，另一端并联连接有电容，且电容的另一端接地。

本发明的有益效果为：

1.采用本发明所提供的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路，通过反向器硬件调理原理结合的串联型正压基准源，得益于内部串联型正压基准源优异的准确度和稳定性，可实现负压基准输出误差≤0.5%，温漂≤5ppm/℃，可产生高精度、高稳定性的负压基准源，以良好满足有高精度、高稳定性要求的负压基准源输入应用。

附图说明

图1是负压基准电源产生在传统技术1中所应用的电路图；

图2是负压基准电源产生在传统技术2中所应用的电路图；

图3是本发明所提供的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路的整体框架图；

图4是本发明所提供的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路中输入滤波单元的电路图；

图5是本发明所提供的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路中一级调理单元的电路图；

图6是本发明所提供的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路中二级调理单元的电路图；

图7是本发明所提供的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路中输出滤波单元的电路图；

图8是本发明所提供的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路的电路连接总图；

图9是本发明所提供的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路的第一种模块图；

图10是本发明所提供的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路中一级调理单元的第二种应用电路图；

图11是本发明所提供的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路中一级调理单元的第三种应用电路图；

图12是本发明所提供的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路的第二种模块图；

图13是本发明所提供的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路中一级调理单元的第四种应用电路图；

图14是本发明所提供的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路中一级调理单元的第五种应用电路图；

图15是本发明所提供的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路的另一种电路示意图；

图16是本发明所提供的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路的第三种模块图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

实施例1

本实施例中具体提供了一种基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路，本实施例所设计的厚膜混合集成电路，填补了无串联型负压基准集成电路的空白，可产生高精度、高稳定性的负压基准源。

如图3所示，该负压基准厚膜混合集成电路内部组成可分为4级，具体包括：输入滤波单元、一级调理单元、二级调理单元和输出滤波单元；所述输入滤波单元是用于将外部输入的宽电压正极性电源（AVCC）和宽电压负极性电源（AVSS）分别转换为低噪声的正极性电源（VCC）和负极性电源（VSS），且通过正极性电源和负极性电源为一级调理单元和二级调理单元供电。具体的，为后级电路中的串联型正压基准源、运算放大器等元件供电。

具体应用时，上述的输入滤波单元包括：第一线性稳压电路和第二线性稳压电路，第一线性稳压电路U1和第二线性稳压电路U2分别为正极性电源转换器件和负极性电源转换器件，第一线性稳压电路用于转换宽电压正极性电源AVCC的电压范围，第二线性稳压电路用于转换宽电压负极性电源AVSS的电压范围。在运行时，第一线性稳压集成电路可将外部输入的宽电压正极性电源AVCC转换为电压值为+6V的低噪声正极性电源；第二线性稳压集成电路可将外部输入的宽电压负极性电源AVSS转换为电压值为-6V的低噪声负极性电源。

所述第一线性稳压电路的输入端（正极性电源AVCC）并联有输入滤波电容组（如图4的输入滤波电容C1、输入滤波电容C3），电容C1、电容C3为宽电压正极性电源AVCC的输入滤波电容；第一线性稳压电路的输出端（正极性电源VCC）并联有输出滤波电容组（如图4的输出滤波电容C5、输入滤波电容C7），电容C5、电容C7为正极性电源VCC的输出滤波电容。所述第二线性稳压电路的输入端（宽电压负极性电源AVSS）并联有输入滤波电容组（如图4的输入滤波电容C2、输入滤波电容C4），电容C2、电容C4为宽电压负极性电源AVSS的输入滤波电容，第二线性稳压电路的输出端（负极性电源VSS）并联有输出滤波电容组（如图4的输出滤波电容C6、输出滤波电容C8），电容C6、电容C8为负极性电源VSS的输出滤波电容。

如图5所示，上述的一级调理单元用于将串联型正压基准源所产生的电压信号通过放大或衰减至负压基准源输出电压的绝对值幅度。具体的，一级调理单元包括：正压基准源U3、与正压基准源U3连接的第一运算放大器OP1，正压基准源U3的电压信号Vi1经电阻R1连接至第一运算放大器OP1的同相输入端，第一运算放大器OP1的反相输入端经电阻R2连接至第一运算放大器OP1的输出端，其中，正压基准源U3为高精度的串联型正压基准源，其作用是为后级模拟量调理提供一个精密低噪声的正压基准信号。该一级调理单元还包括：外部配置电路，通过该外部配置电路线性调节一级调理单元的输出信号幅度；其中，外部配置电路包括：电阻Rx1和电阻Rx2，所述电阻Rx1和电阻Rx2的一端分别连接至第一运算放大器OP1的同相输入端和反相输入端，电阻Rx1和电阻Rx2的另一端连接接地。

进一步解释：电阻R1、电阻Rx1为衰减电阻，其作用为使用电阻分压法将正压基准源U3的电压信号Vi1幅度等比例调节至一个低幅度电压信号；电阻R2、电阻Rx2则为反馈电阻，其作用为与第一运算放大器OP1组成同相放大电路或信号跟随电路，将第一运算放大器OP1的第一输入信号Vp1（低幅度电压信号）幅度等比例调节为第一输出信号Vo1（高幅度电压信号）；

在实际应用时，电阻Rx1和电阻Rx2并未集成在本技术的负压基准厚膜混合集成电路中，均支持在外部可配，以调节第一运算放大器输出的第一输出信号Vo1（高幅度电压信号）的幅度。分为以下情况：

在图5电路中，当外部的电阻Rx1、电阻Rx2同时配置时，能达到将正压基准源U3的电压信号Vi1的幅度线性调节至第一运算放大器的第一输出信号Vo1（高幅度电压信号）预定信号幅度。当然，外部的电阻Rx1、电阻Rx也可单独配置，见后续实施例2-实施例5。

在图6电路中，所述二级调理单元的输入端连接至一级调理单元的输出端，且二级调理单元用于将其自身输出信号的信号幅度调节至其自身输入信号的-1倍；二级调理单元包括：第二运算放大器OP2，所述第二运算放大器的反相输入端经电阻R3连接至所述一级调理单元的输出端，且第二运算放大器的反相输入端经电阻R4与其输出端连接，第二运算放大器的同相输入端连接接地。在运行时，电阻R3和电阻R4的作用是与第二运算放大器OP2共同构成反相输入放大电路，其中，电阻R3和电阻R4的阻值取决于反相输入放大电路的输入信号（第一输出信号Vo1）幅度至其输出信号（第二输出信号Vo2）幅度的比例，本实施例将反相输入放大电路的输出信号（第二输出信号Vo2）的幅度调节至其输入信号（第一输出信号Vo1）的-1倍为例，将-1倍代入公式1可得，所述电阻R3与电阻R4的阻值比例为1:1。

公式1：；

其中，r3为电阻R3的阻值；r4为电阻R4的阻值。

在图7电路中，所述输出滤波单元的输入端连接至二级调理单元的输出端，且输出滤波单元用于将其输入信号（第二输出信号Vo2）经预定截止频率的低通滤波后产生第三输出信号Vo3。具体的，输出滤波单元包括：电阻R5，所述电阻R5的一端连接至所述二级调理单元的输出端，另一端并联连接有电容C9和电容C10，且电容C9和电容C10的另一端接地。由电阻R5与电容C9、电容C10共同构成低通滤波器，其中，电阻R5、电容C9以及电容C10的参数由低通滤波器所需的截至频率决定，电阻、电容与低通滤波器的截至频率的关系可用公式2表达。

公式2：；

其中，fc为低通滤波器的截至频率；r5为电阻R5的阻值；c9为电容C9的电容量；c10为电容C10的电容量。

综上所述，本实施例的输入滤波单元、一级调理单元、二级调理单元、输出滤波单元可以组成一种基于反向器原理的负压基准产生电容，通过反向器硬件调理原理结合的串联型正压基准源，可产生高精度、高稳定性的负压基准源。附图8是本实施例的电路原理总图。

本实施例所设计的负压基准厚膜混合集成电路，将其应用于集成模块后，如附图9所示，其中，AVDD端子为宽电压正极性电源AVCC接入端，AVSS端子为宽电压负极性电源AVSS接入端，VOUT端子为输出信号端，AGND端子为接地端，RFB1端子和RFB2端子分别为外部配置的电阻Rx1和电阻Rx2的接入端。

实施例2

基于上述实施例1，应用在需要产生负压基准信号的实际电路时，若产生负压基准信号电压绝对值仅需小于或等于正压基准信号电压绝对值时，可在图5电路基础上进行改型，衍生出图10电路，以便降低电路复杂程度。

具体的，仅在外部配置电阻Rx并连接电阻R1时，即生成如图10的电路，此时，串联型正压基准源的电压信号Vi1的幅度与第一运算放大器的第一输入信号Vp1（低幅度电压信号）的线性转换关系可用公式3表达：

公式3：；

其中，rx为电阻Rx的阻值；r1为电阻R1的阻值。

实施例3

基于上述实施例1，应用在需要产生负压基准信号的实际电路时，若产生负压基准信号电压绝对值仅需大于或等于正压基准信号电压绝对值时，可在图5电路基础上进行改型，衍生出图11电路，以便降低电路复杂程度。

具体的，仅在外部配置电阻Rx并连接电阻R2时，即生成如图11的电路，此时，第一运算放大器处于同相放大状态，第一运算放大器的第一输入信号Vp1（低幅度电压信号）的幅度与第一运算放大器的第一输出信号Vo1（高幅度电压信号）的线性转换关系可用公式4表达：

公式4：；

其中，r2为电阻R2的阻值；rx为电阻Rx的阻值。

结合上述，由实施例2和实施例3所设计的负压基准厚膜混合集成电路，其衍生出的集成模块如图12所示，其中，AVDD端子为宽电压正极性电源AVCC接入端；AGND为接地端；AVSS端子为宽电压负极性电源AVSS接入端；VOUT端子为输出信号端；RFB端子为连接由外部配置的电阻Rx（电阻Rx1或电阻R2），用以配置信号输出幅度。

实施例4

基于上述实施例2，应用在需要产生负压基准信号的实际电路时，若产生负压基准信号电压绝对值仅需小于或等于正压基准信号电压绝对值且不需负压基准信号电压幅度外部可配时，可在图10电路基础上进行改型，衍生出图13电路。具体的，在负压基准厚膜混合集成电路的内部集成电阻Rx且将电阻Rx与第一运算放大器OP1的同相输入端连接。

实施例5

基于上述实施例3，应用在需要产生负压基准信号的实际电路时，若产生负压基准信号电压绝对值仅需大于或等于正压基准信号电压绝对值且不需负压基准信号电压幅度外部可配时，可在图11电路基础上进行改型，衍生出图14电路。具体的，在负压基准厚膜混合集成电路的内部集成电阻Rx且将电阻Rx与第一运算放大器OP1的反相输入端连接。

实施例6

基于图5电路，当电阻Rx1的外部电阻不焊接时，此时串联型正压基准源的电压信号Vi1幅度将与第一运算放大器OP1的第一输入信号Vp1相等；同时，当电阻Rx2的外部电阻也不焊接时，此时第一运算放大器OP1处于电压跟随状态，第一运算放大器OP1的第一输入信号Vp1幅度将与第一运算放大器OP1的第一输出信号Vo1相等。

应用本实施例的负压基准产生电路，集成于需要产生负压基准信号的实际电路时，若产生负压基准信号电压绝对值仅需等于正压基准信号电压绝对值，可在图5电路、图6电路基础上进行改型，衍生出图15电路，以提升负压基准综合精度。

结合上述，由实施例4、实施例5以及实施例6所设计的负压基准厚膜混合集成电路，其衍生出的集成模块如图16所示，其中，AVDD端子为宽电压正极性电源AVCC接入端，AGND端子为接地端，AVSS端子为宽电压负极性电源AVSS接入端，VOUT端子为输出信号端，用以配置信号输出幅度的电阻Rx也集成于集成模块的内部，NC端子为常闭端。

需要说明的是，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路，其特征在于，该负压基准厚膜混合集成电路包括：一级调理单元、二级调理单元和输出滤波单元；

所述一级调理单元用于将串联型正压基准源所产生的电压信号通过放大或衰减至负压基准源输出电压的绝对值幅度；

所述二级调理单元的输入端连接至一级调理单元的输出端，且二级调理单元用于将其输出信号的幅度调节至其输入信号的-1倍；

所述输出滤波单元的输入端连接至二级调理单元的输出端，且输出滤波单元用于将其输入信号经预定截止频率的低通滤波后产生输出信号。

2.根据权利要求1所述的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路，其特征在于，所述负压基准厚膜混合集成电路还包括：

输入滤波单元，所述输入滤波单元用于将外部输入的宽电压正极性电源和宽电压负极性电源分别转换为正极性电源和负极性电源，且通过正极性电源和负极性电源为一级调理单元和二级调理单元供电。

3.根据权利要求2所述的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路，其特征在于，所述输入滤波单元包括：第一线性稳压电路和第二线性稳压电路，所述第一线性稳压电路和第二线性稳压电路的输入端分别并联有输入滤波电容组，第一线性稳压电路和第二线性稳压电路的输出端分别并联有输出滤波电容组；

其中，所述第一线性稳压电路用于转换宽电压正极性电源的电压范围，第二线性稳压电路用于转换宽电压负极性电源的电压范围。

4.根据权利要求1所述的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路，其特征在于，所述一级调理单元包括：

正压基准源；

与正压基准源连接的第一运算放大器，所述正压基准源的输出端经电阻R1连接至第一运算放大器的同相输入端，第一运算放大器的反相输入端经电阻R2连接至第一运算放大器的输出端。

5.根据权利要求4所述的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路，其特征在于，所述一级调理单元还包括：

外部配置电路，通过该外部配置电路线性调节一级调理单元的输出信号幅度；

其中，外部配置电路包括：电阻Rx1和电阻Rx2，所述电阻Rx1和电阻Rx2的一端分别连接至第一运算放大器的同相输入端和反相输入端，电阻Rx1和电阻Rx2的另一端连接接地。

6.根据权利要求4所述的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路，其特征在于，所述一级调理单元还包括：

外部配置电路，通过该外部配置电路线性调节一级调理单元的输出信号幅度；

其中，外部配置电路包括：电阻Rx，所述电阻Rx的一端连接至第一运算放大器的同相输入端或反相输入端，另一端连接接地。

7.根据权利要求1所述的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路，其特征在于，所述二级调理单元包括：第二运算放大器，所述第二运算放大器的反相输入端经电阻R3连接至所述一级调理单元的输出端，且第二运算放大器的反相输入端经电阻R4与其输出端连接，第二运算放大器的同相输入端连接接地。

8.根据权利要求1所述的基于反向器原理的负压基准厚膜混合集成电路，其特征在于，所述输出滤波单元包括：电阻R5，所述电阻R5的一端连接至所述二级调理单元的输出端，另一端并联连接有电容，且电容的另一端接地。