CN207133682U

CN207133682U - 一种高速宽频带频率电压转换电路

Info

Publication number: CN207133682U
Application number: CN201721091831.XU
Authority: CN
Inventors: 徐卫林; 刘俊昕; 孙晓菲; 李海鸥; 段吉海; 韦保林
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2017-08-29
Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2018-03-23
Anticipated expiration: 2027-08-29

Abstract

本实用新型公开一种高速宽频带频率电压转换电路，采用检测输入信号进行两次上升沿检测，控制两个开关状态的转换，使得两个开关共同导通时，偏置电流源为电容充电时间仅为输入信号的一个周期，从而实现电路由频率信号到电压信号的快速转换，减少输出建立时间，提高整体电路系统的工作效率和响应速度。此外，本实用新型在简化电路结构的同时，提升了电路对输入信号的处理速度，降低了功耗，未使用电阻，仅使用一个电容，不需要外部施加控制信号，有效地减小了寄生电容效应、由温度变化引起的热噪声影响并减小版图面积，完全与标准CMOS工艺兼容，降低了生产成本。电路仅需要一个输入信号周期，就可以完成从频率到电压的转换，减少输出建立时间，提高整体电路系统的工作效率和响应速度。

Description

一种高速宽频带频率电压转换电路

技术领域

本实用新型涉及集成电路技术领域，具体涉及一种高速宽频带频率电压转换电路。

背景技术

随着无线通信系统的快速发展，无线电频率大量被占用，使得研发智能可重构系统和电磁波频率检测电路成为迫切需求。对于前端系统，频率检测电路是一个关键模块，它必须在复杂、恶劣的环境中进行无线电频率快速识别，并为设备分配未被占用的频带。频率检测电路常用于频率锁定环路、自调谐可重构接收机等，在这类电路中，输出建立时间必须非常短，以便适用于高速通信设备。

传统的频率电压转换电路多数基于电荷泵积分的方法，采用多个开关控制，在一个周期内对一个电容充电，在下一个周期内该电容放电并为另一个电容充电。然而，这种方法和电路结构需要经过多个周期，才能使输出电压达到稳定值，输出建立时间长，限制了频率锁定环路等后续电路模块的工作性能，而且控制开关寄生电容较大，检测频带范围窄，电路功耗高，准确度与灵敏度不高，占用过多的芯片面积，易受温度、噪声和外界因素的干扰，降低了整体电路系统的性能指标。

实用新型内容

本实用新型所要解决的是传统的频率电压转换电路所存在的问题，提供一种高速宽频带频率电压转换电路。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种高速宽频带频率电压转换电路，包括反相器I₂～I₁₁，与非门I₁₂， PMOS管PM₁～PM₉，NMOS管NM₁～NM₁₀，以及电容C；反相器I₂的输入端形成本频率电压转换电路的输入端口V_in；反相器I₂的输出端连接反相器I₃的输入端，反相器I₃的输出端同时连接NMOS管NM₄的栅极、NMOS管NM₁的漏极、PMOS管PM₁的漏极、与非门I₁₂的一个输入端和反相器I₈的输入端；NMOS管NM₄的漏极连接反相器I₅的输入端、PMOS管PM₄的漏极、PMOS 管PM₅的漏极、PMOS管PM₈的栅极和反相器I₆的输入端；反相器I₈的输出端接PMOS管PM₄的栅极；PMOS管PM₈的源极与PMOS管PM₇的漏极相连； PMOS管PM₇的栅极接偏置电压V_b；反相器I₆的输出端接反相器I₇的输入端，反相器I₇的输出端接NMOS管NM₆的栅极；NMOS管NM₁的源极、PMOS 管PM₁的源极、PMOS管PM₂的漏极和PMOS管PM₃的栅极相连；PMOS管 PM₃的漏极、NMOS管NM₂的漏极、NMOS管NM₃的漏极、NMOS管NM₅的栅极和反相器I₄的输入端相连；反相器I₄的输出端接NMOS管NM₂的栅极；NMOS管NM₅的漏极接NMOS管NM₄的源极；反相器I₈的输出端经反相器I₉与反相器I₁₀的输入端连接，反相器I₁₀的输出端接与非门I₁₂的另一个输入端；与非门I₁₂的输出端接PMOS管PM₆的栅极；PMOS管PM₆的漏极、NMOS 管NM₇的漏极、NMOS管NM₈的漏极、NMOS管NM₆的漏极、PMOS管PM₉的栅极和反相器I₁₁的输入端相连；反相器I₁₁的输出端接NMOS管NM₇的栅极； PMOS管PM₉的源极、NMOS管NM₉的漏极和PMOS管PM₈的漏极相连； NMOS管NM₁₀的的漏极、PMOS管PM₉的漏极和电容C的一端相连后，形成本频率电压转换电路的输出端口V_out；NMOS管NM₁、PMOS管PM₂和PMOS管PM₅的栅极同时接复位信号RST；PMOS管PM₁、NMOS管NM₃、NMOS 管NM₈～NMOS管NM₁₀的栅极同时接复位信号～RST；上述复位信号RST 与复位信号～RST互为反向信号；PMOS管PM₂～PMOS管PM₇的源极接电源VDD；电容C的另一端、NMOS管NM₂、NMOS管NM₃、以及NMOS管 NM₅～NMOS管NM₁₀的源极与地GND相连。

上述高速宽频带频率电压转换电路，进一步包括反相器I₁，该反相器I₁的一端连接复位信号RST，反相器I₁的另一端连接复位信号～RST。

与现有技术相比，本实用新型具体如下特点：

1、输入信号的第一个上升沿控制一个开关由关断转换为导通，用第二个上升沿控制另一个开关由导通转换为关断，频率电压转换电路仅需要一个输入信号周期，就可以完成从频率到电压的转换，减少输出信号建立时间，提高整体电路系统的工作效率和响应速度；

2、完成从频率到电压的转换，不需要施加外部控制信号，有效地减少了控制开关所产生的寄生电容，增大了频率检测范围，提高了灵敏度；

3、电容充电时间仅为输入信号的一个周期，有效地降低了整体电路的功耗。

附图说明

图1为一种高速宽频带频率电压转换电路的电路原理图。

图2为本实用新型的输入输出关系图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

一种一种高速宽频带频率电压转换电路，如图1所示，主要由反相器I₁～ I₁₁，与非门I₁₂，PMOS管PM₁～PM₉，NMOS管NM₁～NM₁₀，以及电容C组成。反相器I₁的输入端接电路输入端口RST，反相器I₁的输出端接线～RST，反相器I₂、I₃级联，I₂的输入端接电路的输入端口V_in，I₃的输出端与PM₁、NM₁的漏极相连，PM₁的栅极接线RST，NM₁的栅极接RST，PM₁、NM₁的源极相连后与PM₂的漏极相连，PM₂的源极接电源VDD，PM₂的栅极接RST，PM₃的源极接电源VDD，PM₃的栅极与PM₂的漏极相连，PM₃的漏极接反相器I₄的输入端，反相器I₄的输出端与NM₂的栅极相连，NM₂的漏极与PM₃的漏极相连，NM₂的源极与地GND相连。NM₃的漏极与PM₃的漏极相连，NM₃的栅极与线～RST相连，NM₃的源极与地GND相连。PM₄的源极与电源VDD相连，PM₄的栅极与反相器I₅的输出端相连，PM₄的漏极与反相器I₅的输入端相连，NM₄的漏极与PM₄的漏极相连，NM₄的栅极与反相器I₃的输出端相连， NM₄的源极与NM₅的漏极相连，NM₅的栅极与PM₃的漏极相连，NM₅的源极与地GND相连。PM₅的源极与电源VDD相连，PM₅的栅极与RST相连，PM₅的漏极与PM₄的漏极相连，反相器I₆的输入端与PM₅的漏极相连，反相器I₆与反相器I₇级联，反相器I₇的输出端与NM₆的栅极相连，NM₆的源极与地GND 相连，NM₆的漏极与PM₆的漏极相连。PM₇的源极与电源VDD相连，PM₇的栅极与V_b相连，PM₇的漏极与PM₈的源极相连。PM₈的栅极与PM₅的漏极相连，PM₈的漏极与NM₉的漏极相连，NM₉的栅极与线～RST相连，NM₉的源极与地GND相连。反相器I₈、I₉、I₁₀相级联，反相器I₈的输入端与反相器I₃的输出端相连，反相器I₁₀的输出端同与非门I₁₂的一个输入端相连，与非门I₁₂的另一个输入端与反相器I₃的输出端相连，与非门I₁₂的输出端与PM₆的栅极相连，PM₆的源极与电源VDD相连，PM₆的漏极与反相器I₁₁的输入端相连，反相器I₁₁的输出端与NM₇的栅极相连，NM₇的漏极与PM₆的漏极相连，NM₇的源极与地GND相连，NM₈的漏极与PM₆的漏极相连，NM₈的栅极与线～RST 相连，NM₈的源极与地GND相连。PM₉的源极与NM₉的漏极相连，PM₉的栅极与PM₆的漏极相连，PM₉的漏极与NM₁₀的漏极相连，NM₁₀的栅极与向～RST 相连，NM₁₀的源极与地GND相连。电容C的一端与PM₉的漏极相连后接电路的输出端V_out，电容C的另一端与地GND相连。

本实用新型的工作原理为：

反相器I₂、I₃将输入信号放大、整形，PM₁、NM₁构成一个由RST信号控制的开关，PM₂在RST为低时，将PM₃栅极电压拉高，PM₃用于下降沿检测，当PM₃检测到第一个下降沿之后，反相器I₄与NM₂将PM₃的漏极锁定为低电平，保证NM₅导通，当～RST为高电平时，NM₃用于将NM₅的栅极电压拉低。当NM₅导通后，NM₄用于检测输入信号的上升沿，当NM₄检测到输入信号的上升沿，反相器I₅与PM₄将NM₄的漏极电压锁定为高电平，NM₄的漏极为高电平时，PM₈由关断状态变为导通状态，PM₅用于确保复位信号RST为低电平时，PM₈的栅极为高电平，保证PM₈处于关断状态。反相器I₈、I₉、I₁₀用于将输入信号延迟一段时间，延迟后的信号与未延迟的信号经过与非门I₁₂之后形成窄脉冲，PM₆用于检测该脉冲的下降沿，检测到下降沿之后，反相器I₁₁与NM₇将PM₆的漏极电压锁定为低电平，PM₆的漏极为高电平时，PM₉由导通状态转换为关断状态，NM₈用于确保～RST为高电平时，PM₉的栅极为低电平，保证PM₉处于导通状态。反相器I₆、I₇和NM₆确保PM₇导通之后PM₉才可以转为关断状态。当～RST为高电平时，NM₁₀导通，将电容C上存储的电荷释放。

整体电路，当复位信号无效后，先检测到输入信号的第一个下降沿，此后再检测输入信号的两次上升沿，第一个上升沿使PM₈由关断状态转换为导通状态，第二个上升沿使PM₉由导通状态转换为关断状态，因此，电容C仅被偏置电流源充电一个输入信号周期，之后一直保持存储的电荷，直到复位信号再次有效，将电容C上存储的电荷释放。

因为电容C仅被充电一个输入信号周期，所以输出信号仅延后输入信号一个周期，该电路可对输入信号做出快速响应，达到高速转换的效果。

经过频率电压转换电路后，最终输出电压为：

其中，f_in为输入信号的频率，为PMOS管PM₇产生的电流。

本实用新型采用检测输入信号进行两次上升沿检测，控制两个开关状态的转换，使得两个开关共同导通时，偏置电流源为电容充电时间仅为输入信号的一个周期，从而实现电路由频率信号到电压信号的快速转换，减少输出建立时间，提高整体电路系统的工作效率和响应速度。此外，本实用新型在简化电路结构的同时，提升了电路对输入信号的处理速度，降低了功耗，未使用电阻，仅使用一个电容，不需要外部施加控制信号，有效地减小了寄生电容效应、由温度变化引起的热噪声影响并减小版图面积，完全与标准CMOS 工艺兼容，降低了生产成本。电路仅需要一个输入信号周期，就可以完成从频率到电压的转换，减少输出建立时间，提高整体电路系统的工作效率和响应速度。图2为本实用新型的输入输出关系图。在0.18-umCMOS工艺标准下， Cadence Spectre仿真表明，可检测频率范围0.3G～4G，输出电压范围 175mV～1.735V，1.8V供电条件下总功耗为1.410mW，电路延时最少可为260.732pS。本实用新型能够克服传统的频率电压转换电路的输出建立时间长，反应速度较慢，检测频带范围窄、灵敏度较低、易受噪声影响、芯片面积和功耗过大等问题。

本实用新型对于输入信号进行两次上升沿检测，在检测到第一个上升沿之后，控制一个开关由关断状态转为导通状态，在检测到第二个上升沿之后，控制另一个开关由导通状态转为关断状态，两个开关共同导通时，偏置电流源为电容充电，这样两个开关共同导通的时间仅为输入信号的一个周期，电容被充电也仅为输入信号的一个周期，便能够实现电路由频率信号到电压信号的快速转换，并达到低延迟、快速响应的效果。此外，本实用新型还简化了电路结构，降低了功耗，未使用电阻，仅使用一个电容，有效地减小了寄生电容效应、由温度变化引起的热噪声影响并减小版图面积，完全与标准的 CMOS工艺兼容，降低了生产成本。

需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。

Claims

1.一种高速宽频带频率电压转换电路，其特征在于：包括反相器I₂～I₁₁，与非门I₁₂，PMOS管PM₁～PM₉，NMOS管NM₁～NM₁₀，以及电容C；

反相器I₂的输入端形成本频率电压转换电路的输入端口V_in；反相器I₂的输出端连接反相器I₃的输入端，反相器I₃的输出端同时连接NMOS管NM₄的栅极、NMOS管NM₁的漏极、PMOS管PM₁的漏极、与非门I₁₂的一个输入端和反相器I₈的输入端；NMOS管NM₄的漏极连接反相器I₅的输入端、PMOS管PM₄的漏极、PMOS管PM₅的漏极、PMOS管PM₈的栅极和反相器I₆的输入端；反相器I₈的输出端接PMOS管PM₄的栅极；PMOS管PM₈的源极与PMOS管PM₇的漏极相连；PMOS管PM₇的栅极接偏置电压V_b；反相器I₆的输出端接反相器I₇的输入端，反相器I₇的输出端接NMOS管NM₆的栅极；NMOS管NM₁的源极、PMOS管PM₁的源极、PMOS管PM₂的漏极和PMOS管PM₃的栅极相连；PMOS管PM₃的漏极、NMOS管NM₂的漏极、NMOS管NM₃的漏极、NMOS管NM₅的栅极和反相器I₄的输入端相连；反相器I₄的输出端接NMOS管NM₂的栅极；NMOS管NM₅的漏极接NMOS管NM₄的源极；反相器I₈的输出端经反相器I₉与反相器I₁₀的输入端连接，反相器I₁₀的输出端接与非门I₁₂的另一个输入端；与非门I₁₂的输出端接PMOS管PM₆的栅极；PMOS管PM₆的漏极、NMOS管NM₇的漏极、NMOS管NM₈的漏极、NMOS管NM₆的漏极、PMOS管PM₉的栅极和反相器I₁₁的输入端相连；反相器I₁₁的输出端接NMOS管NM₇的栅极；PMOS管PM₉的源极、NMOS管NM₉的漏极和PMOS管PM₈的漏极相连；NMOS管NM₁₀的漏极、PMOS管PM₉的漏极和电容C的一端相连后，形成本频率电压转换电路的输出端口V_out；NMOS管NM₁、PMOS管PM₂和PMOS管PM₅的栅极同时接复位信号RST；PMOS管PM₁、NMOS管NM₃、NMOS管NM₈～NMOS管NM₁₀的栅极同时接复位信号～RST；上述复位信号RST与复位信号～RST互为反向信号；PMOS管PM₂～PMOS管PM₇的源极接电源VDD；电容C的另一端、NMOS管NM₂、NMOS管NM₃、以及NMOS管NM₅～NMOS管NM₁₀的源极与地GND相连。

2.根据权利要求1所述的一种高速宽频带频率电压转换电路，其特征在于：还进一步包括反相器I₁，该反相器I₁的一端连接复位信号RST，反相器I₁的另一端连接复位信号～RST。