CN209673222U - 一种芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种芯片。该芯片的一具体实施方式包括集成于该芯片的光探测器和模数转换器；所述光探测器，用于探测光线角度并输出模拟角度信号；所述模数转换器，用于将所述模拟角度信号转换为数字角度信号并输出。该实施方式集成度高、工作效率高且可靠性高，适用于在不同环境中工作的各种电子设备。

Description

一种芯片

技术领域

本实用新型涉及微电子技术领域。更具体地，涉及一种芯片。

背景技术

很多利用光能进行充电的电子设备需要对光信号进行检测来确定光电池板最佳的采光角度，因此光电信息技术的发展起到了越来越重要的作用。

光电信息技术涉及光信息的辐射、传输、探测以及光电信息的转换、存储、处理与显示等众多方面。光电信息技术广泛应用于国民经济和国防建设的各行各业。近年来，光电信息技术以极快的响应速度、极宽的频宽、极大的信息容量以及极高的信息效率和分辨率推动者现代信息技术的发展。在航利用光能进行充电的电子设备采集光能的过程中，光探测器是必不可少的器件。此外，模拟器件是连接着数字世界与真实世界的纽带，其应用范围涵盖汽车、计算机及外设、无线与有线通讯和工业等诸多领域。

因此，需要提供一种能实现采集光线角度的应用的芯片。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种芯片，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。

为达到上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

本实用新型提供了一种芯片，包括集成于该芯片的光探测器和模数转换器；

所述光探测器，用于探测光线角度并输出模拟角度信号；

所述模数转换器，用于将所述模拟角度信号转换为数字角度信号并输出。

可选地，所述光探测器为半导体光探测器。

可选地，所述半导体光探测器为双光电二极管。

可选地，所述模数转换器采用CMOS集成电路实现，包括：比率乘法器、信号处理电路、压控振荡器和数字处理电路；

所述比率乘法器，用于对正弦及余弦形式的模拟角度信号与数字角度信号进行对比运算，输出交流误差信号；

所述信号处理电路，用于将所述交流误差信号与参考信号进行相位调制，并对调制后的信号进行积分运算，输出直流电压积分信号；

所述压控振荡器，用于根据所述直流电压积分信号输出时钟脉冲信号；

所述数字处理电路，用于根据所述时钟脉冲信号进行计数，将所述计数结果作为数字角度信号反馈至所述比率乘法器并对所述计数结果进行锁存，在停止计数时将所述计数结果作为由所述模拟角度信号转换得到的数字角度信号进行输出。

可选地，所述比率乘法器包括：正弦输入端、余弦输入端、第一放大器、第二放大器、对比运算器及第三放大器；

所述第一放大器，用于对由所述正弦输入端输入的正弦形式的模拟角度信号进行放大；

所述第二放大器，用于对由所述余弦输入端输入的余弦形式的模拟角度信号进行放大；

所述对比运算器，用于将放大后的正弦形式的模拟角度信号、放大后的余弦形式的模拟角度信号与数字角度信号进行对比运算，通过第三放大器进行放大后输出交流误差信号。

可选地，所述信号处理电路包括：相位调制解调器和积分器；

所述相位调制解调器，用于将所述交流误差信号与参考信号进行相位调制；

所述积分器，用于对调制后的信号进行积分运算，输出直流电压积分信号。

可选地，所述压控振荡器包括电流积分器、正比较器、负比较器和数字逻辑器件；

所述电流积分器，用于对所述直流电压积分信号进行积分以输出正向或负向的积分电压；

所述正比较器，用于在正向的积分电压超过其预设门限时分别向电流积分器和数字逻辑器件输出脉冲信号；

所述负比较器，用于在负向的积分电压超过其预设门限时分别向电流积分器和数字逻辑器件输出脉冲信号；

所述电流积分器，用于根据脉冲信号重启积分；

所述数字逻辑器件，用于根据脉冲信号输出时钟脉冲信号。

可选地，所述数字处理电路包括双向计数器和输出锁存器；

所述双向计数器，用于根据所述时钟脉冲信号进行计数，将所述计数结果作为数字角度信号反馈至所述比率乘法器并输出至输出锁存器；

所述输出锁存器，用于对所述计数结果进行锁存，并在停止计数时将所述计数结果作为由所述模拟角度信号转换得到的数字角度信号进行输出。

可选地，所述输出锁存器进行三态输出。

可选地，该芯片采用抗总剂量辐射结构。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型所述技术方案集成度高、工作效率高且可靠性高，适用于在不同环境中工作的各种电子设备。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出本实用新型实施例提供的芯片的示意图。

图2示出半导体光探测器的结构示意图。

图3示出双光电二极管的剖视图。

图4示出模数转换器的结构原理示意图。

图5示出比率乘法器的电路结构示意图。

图6示出信号处理电路的电路结构示意图。

图7示出压控振荡器的电路结构示意图。

图8示出数字处理电路的电路结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型的实施例提供了一种芯片，包括集成于该芯片的光探测器和模数转换器；

所述光探测器，用于探测光线角度并输出模拟角度信号；

所述模数转换器，用于将所述模拟角度信号转换为数字角度信号并输出。

本实施例提供的芯片集成度高、工作效率高且可靠性高，通过一块芯片即可实现光线角度到数字信号的采集/转换，适用于在不同环境中工作的各种电子设备，可提高电子设备对光能的利用率。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述光探测器为半导体光探测器。半导体光探测器具有体积小、灵活度高、响应速度快等优点，在光纤通信中有广泛的应用。半导体光探测器的基本原理是带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生电子-空穴对，电子-空穴对在外电场的作用下漂移而输出信号，实现光信号到电信号的转换。在一个具体示例中，如图2所示，光探测器采用半导体材料类型中的光电二极管，工作原理是利用半导体的光敏特性对光信号进行接收。当光线角度变化而导致光强度增加时，PN结两侧的P区和N区因本征激发产生的少数载流子浓度增加，如果二极管反偏，则反向电流增大，因此，光电二极管的反向电流随光照的增加而上升。光电二极管是一种特殊的二极管，它工作在反向偏置状态下。

进一步，为了实现光电二极管的集成且具备较高工作速度，所述半导体光探测器为双光电二极管。双光电二极管即采用DPD结构的光电二极管。DPD器件属于光伏探测器，如图3所示，它的制作方法是在衬底上做一个n阱，再在n阱内制作叉指状p+扩散电极，n阱的引出采用n+扩散电极，器件外围用p+扩散制作一个保护环。这种结构存在两个pn结。n阱与p+区构成一个pn结，称工作二极管D0。n阱与衬底构成一个pn结，称屏蔽二极管DS。光照时，在衬底深处的光生载流子被屏蔽二极管的耗尽区所吸收，不能扩散到工作二极管内。工作二极管内没有长距离扩散的光生载流子，只有n阱内短途扩散的载流子，从而提高了工作二极管的速度。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述模数转换器采用CMOS集成电路实现，如图4所示，模数转换器包括：比率乘法器、信号处理电路、压控振荡器和数字处理电路；

比率乘法器的第一输入端(第一输入端包括正弦输入端和余弦输入端)连接光探测器的输出端，第二输入端连接数字处理电路的反馈输出端，输出端连接信号处理电路的输入端；信号处理电路的输出端连接压控振荡器的输入端；压控振荡器的输出端连接数字处理电路的输入端；数字处理电路的数字信号输出端作为模数转换器的输出端。

所述比率乘法器，用于对正弦及余弦形式的模拟角度信号与数字角度信号进行对比运算，输出交流误差信号；

所述信号处理电路，用于将所述交流误差信号与参考信号进行相位调制，并对调制后的信号进行积分运算，输出直流电压积分信号；

所述压控振荡器，用于根据所述直流电压积分信号输出时钟脉冲信号；

所述数字处理电路，用于根据所述时钟脉冲信号进行计数，将所述计数结果作为数字角度信号反馈至所述比率乘法器并对所述计数结果进行锁存，在停止计数时将所述计数结果作为由所述模拟角度信号转换得到的数字角度信号进行输出。

在一个具体示例中，模数转换器电路为CMOS集成电路，可实现模拟角度θ到数字角度Φ的转换，其工作原理是：模拟角度信号以正/余弦的形式从SIN端口和COS端口输入到比率乘法器中，与数字角度信号进行对比运算得到交流误差信号；该交流误差信号经相位调制解调器，通过与基准输入参考信号进行相位调制后，传入积分器，最终把积分器输出信号输出至压控振荡器，并由压控振荡器产生时钟脉冲信号支撑数字处理电路中的双向计数器继续计数，组成一个闭环回路，以生成的数字角度来跟踪模拟角度的变换，使模拟角度和数字角度在要求的精度范围内趋于相等。最终，交流误差信号为0时，表明数字信号与模拟信号相同，积分器积分也为0，此时输入压控振荡器的电流为0，压控振荡器不再产生脉冲，双向计数器停止计数，并将此状态下双向计数器的输出信号通过输出锁存器输出到外部，完成A/D转换功能，最终使双向计数器输出的数字角度Φ等于输入的模拟角度θ，从而实现模拟角度到数字角度的转换。该模数转换器类似分段模数转换器的结构，通过多个高精度运算放大器进行隔离和驱动。双向计数器可以方便的进行增大和减小的调节，增加了转换的速度。双向计数器时钟由压控振荡器数据时钟产生逻辑生成。通过外部的元件可以调整内部时钟频率。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述比率乘法器包括：正弦输入端、余弦输入端、第一放大器、第二放大器、对比运算器及第三放大器；

所述第一放大器，用于对由所述正弦输入端输入的正弦形式的模拟角度信号进行放大；

所述第二放大器，用于对由所述余弦输入端输入的余弦形式的模拟角度信号进行放大；

所述对比运算器，用于将放大后的正弦形式的模拟角度信号、放大后的余弦形式的模拟角度信号与数字角度信号进行对比运算，通过第三放大器进行放大后输出交流误差信号。

在一个具体示例中，如图5所示，比率乘法器的电路结构为：比率乘法器的正弦输入端连接第一放大器的输入端；第一放大器的输出端连接对比运算器的第一输入端；比率乘法器的余弦输入端连接第二放大器的输入端；第二放大器的输出端连接对比运算器的第二输入端；对比运算器的第三输入端连接数字处理电路的反馈输出端；对比运算器的输出端连接第三放大器的输入端；第三放大器的输出端作为比率乘法器的输出端，连接信号处理电路的输入端。比率乘法器是用于将模拟角度信号与数字角度信号作对比运算的，其工作机制为模拟角度经输入端的放大器放大后，通过数据转换进行对比运算得到一个模拟角度与数字角度的交流误差信号，最后经过一级交流误差放大器，通过运算放大器和电阻的组合，把交流误差信号进行放大。在电路设计中，多个运算放大器设计均为全范围输入、轨到轨输出的结构。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述信号处理电路包括：相位调制解调器和积分器；

所述相位调制解调器，用于将所述交流误差信号与参考信号进行相位调制；

所述积分器，用于对调制后的信号进行积分运算，输出直流电压积分信号。

在一个具体示例中，如图6所示，信号处理电路的电路结构为：滤波电路的输入端作为信号处理电路的输入端，连接比率乘法器的输出端；滤波电路的输出端连接相位调制解调器的第一输入端；相位调制解调器的第二输入端连接参考信号输入端，输出端连接阻容积分器的输入端；阻容积分器与第四放大器并联；阻容积分器的输出端作为信号处理电路的输出端，连接压控振荡器的输入端。信号处理电路包括相位调制解调器和积分器的电路结构，前者将比率乘法器输出的交流误差信号进行相位调制，后者则对相位调制后的信号进行积分，输出直流电压积分信号。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述压控振荡器包括电流积分器、正比较器、负比较器和数字逻辑器件；

所述电流积分器，用于对所述直流电压积分信号进行积分以输出正向或负向的积分电压；

所述正比较器，用于在正向的积分电压超过其预设门限时分别向电流积分器和数字逻辑器件输出脉冲信号；

所述负比较器，用于在负向的积分电压超过其预设门限时分别向电流积分器和数字逻辑器件输出脉冲信号；

所述电流积分器，用于根据脉冲信号重启积分；

所述数字逻辑器件，用于根据脉冲信号输出时钟脉冲信号。

在一个具体示例中，如图7所示，压控振荡器的电路结构为：电流积分器的输入端作为压控振荡器的输入端，连接信号处理电路的输出端；电流积分器的重置端连接反馈回路的输出端，输出端分别连接正比较器和负比较器的输入端；正比较器和负比较器的输出端分别连接反馈回路的输入端和数字逻辑器件的输入端；数字逻辑器件的输出端作为压控振荡器的输出端，连接数字处理电路的输入端。压控振荡器的电路实现由前级积分信号对积分电容的充放电，并通过比较器产生脉冲，为双向计数器提供计数时钟的功能。压控振荡器的工作原理为其内部的电流积分器进行积分，产生一个正向或负向的积分电压，当积分电压超过正/负比较器的设置门限则会产生脉冲信号，并通过反馈回路中的控制逻辑，将积分信号回拉，并重新积分。脉冲信号经过数字逻辑器件(例如PS锁存器)的转换(如方波变化)，最终为双向计数器提供计数时钟(包括计数方向信号)。当积分信号不足以超过正/负比较器门限值时，则不再产生脉冲，双向计数器停止计数，此时即实现模拟角度信号到数字角度信号的转换。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述数字处理电路包括双向计数器和输出锁存器；

所述双向计数器，用于根据所述时钟脉冲信号进行计数，将所述计数结果作为数字角度信号反馈至所述比率乘法器并输出至输出锁存器；

所述输出锁存器，用于对所述计数结果进行锁存，并在停止计数时将所述计数结果作为由所述模拟角度信号转换得到的数字角度信号进行输出。

在一个具体示例中，如图8所示，数字处理电路的电路结构为：双向计数器的输入端作为数字处理电路的输入端，连接压控振荡器的输出端；双向计数器的输出端作为数字处理电路的反馈输出端连接比率乘法器中对比运算器的第三输入端，同时，双向计数器的输出端还连接输出锁存器的输入端；输出锁存器的输出端作为数字处理电路的数字信号输出端，也就是模数转换器的输出端。数字处理电路中，双向计数器实现计数功能，为比率乘法器模块提供数字角度信号，计数时钟和方向等信号由压控振荡器提供，最终模拟角度信号与数字角度信号相等时，压控振荡器停止振荡，不再提供计数时钟，计数则停止，输出锁存器将双向计数器的计数结果进行锁存和输出。进一步，输出锁存器将双向计数器的计数结果进行锁存和三态输出，带有三态结构的输出锁存器可以适用于多组产品级联协同工作。

在本实施例的一些可选的实现方式中，该芯片采用抗总剂量辐射结构。在该芯片的设计过程中采用抗辐射加固结构可满足电子设备在辐射环境中的使用需求。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

还需要说明的是，在本实用新型的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种芯片，其特征在于，包括集成于该芯片的光探测器和模数转换器；

所述光探测器，用于探测光线角度并输出模拟角度信号；

所述模数转换器，用于将所述模拟角度信号转换为数字角度信号并输出。

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述光探测器为半导体光探测器。

3.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于，所述半导体光探测器为双光电二极管。

4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述模数转换器采用CMOS集成电路实现，包括：比率乘法器、信号处理电路、压控振荡器和数字处理电路；

所述比率乘法器，用于对正弦及余弦形式的模拟角度信号与数字角度信号进行对比运算，输出交流误差信号；

所述信号处理电路，用于将所述交流误差信号与参考信号进行相位调制，并对调制后的信号进行积分运算，输出直流电压积分信号；

所述压控振荡器，用于根据所述直流电压积分信号输出时钟脉冲信号；

所述数字处理电路，用于根据所述时钟脉冲信号进行计数，将所述计数结果作为数字角度信号反馈至所述比率乘法器并对所述计数结果进行锁存，在停止计数时将所述计数结果作为由所述模拟角度信号转换得到的数字角度信号进行输出。

5.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述比率乘法器包括：正弦输入端、余弦输入端、第一放大器、第二放大器、对比运算器及第三放大器；

所述第一放大器，用于对由所述正弦输入端输入的正弦形式的模拟角度信号进行放大；

所述第二放大器，用于对由所述余弦输入端输入的余弦形式的模拟角度信号进行放大；

所述对比运算器，用于将放大后的正弦形式的模拟角度信号、放大后的余弦形式的模拟角度信号与数字角度信号进行对比运算，通过第三放大器进行放大后输出交流误差信号。

6.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述信号处理电路包括：相位调制解调器和积分器；

所述相位调制解调器，用于将所述交流误差信号与参考信号进行相位调制；

所述积分器，用于对调制后的信号进行积分运算，输出直流电压积分信号。

7.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述压控振荡器包括电流积分器、正比较器、负比较器和数字逻辑器件；

所述电流积分器，用于对所述直流电压积分信号进行积分以输出正向或负向的积分电压；

所述正比较器，用于在正向的积分电压超过其预设门限时分别向电流积分器和数字逻辑器件输出脉冲信号；

所述负比较器，用于在负向的积分电压超过其预设门限时分别向电流积分器和数字逻辑器件输出脉冲信号；

所述电流积分器，用于根据脉冲信号重启积分；

所述数字逻辑器件，用于根据脉冲信号输出时钟脉冲信号。

8.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述数字处理电路包括双向计数器和输出锁存器；

所述双向计数器，用于根据所述时钟脉冲信号进行计数，将所述计数结果作为数字角度信号反馈至所述比率乘法器并输出至输出锁存器；

所述输出锁存器，用于对所述计数结果进行锁存，并在停止计数时将所述计数结果作为由所述模拟角度信号转换得到的数字角度信号进行输出。

9.根据权利要求8所述的芯片，其特征在于，所述输出锁存器进行三态输出。

10.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，该芯片采用抗总剂量辐射结构。