一种电压基准源电路及其在分流型I/F转换电路中的应用的制作方法

本发明属于半导体混合集成电路设计技术领域，具体涉及一种电压基准源电路及其在分流型i/f转换电路中的应用。

背景技术：

电流/频率转换(i/f)电路是将电流信号数字化的转换电路，常应用在导航控制系统中把加速度计的输出电流转换为脉冲输出或其它需要高精度模/数转换的场合。由于加速度计表头输出为电流模拟信号，必须通过i/f电路转换为数字信号才能供惯性导航系统中的计算机处理。

传统i/f转换电路采用恒流源进行反馈，技术实现方式存在以下缺点：

恒流源结构复杂，且正负恒流源对称性较差：为实现正负恒流源输出，必须分别使用独立正负电压基准或共用一个三端电压基准后通过翻转实现正负基准电压的功能，因此必然会造成正负恒流源的对称性较差，而且使用的元器件较多，还需要使用高精度采样电阻，因此电路成本较高，可靠性相对降低。

电路功耗大，使用环境受限：采用恒流源进行反馈，为增大转换量程，必须增大恒流源的输出电流，因而导致i/f转换电路功耗大幅增加，进而影响i/f转换电路的稳定性、可靠性和应用领域。

为增大i/f转换电路的量程，并降低电路的功耗，可采用恒压源进行反馈，即设计一种带分流结构的分流型i/f转换电路。但分流型i/f转换电路普遍存在线性度差、正负路对称性和稳定性较差问题，使得分流型i/f转换电路的广泛使用受到限制。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电压基准源电路及其在分流型i/f转换电路中的应用，其目的在于提出一种新的电压基准源的设计方法，应用在分流型i/f转换电路中大幅度提高分流型i/f转换器正负路输出的对称性和稳定性，进而可以提高分流型i/f电路的线性度和惯导系统的精度。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以解决：

一种电压基准源电路，包括电压基准、第一运算放大器、第二运算放大器、反向比例运算放大器、第一电阻和第二电阻，所述电压基准的输入端与电源连接，所述电压基准的输出端与所述第一运算放大器的同向输入端连接，所述第一运算放大器的输出端与所述第一运算放大器的反向输入端连接；

所述电压基准的输出端与所述反向比例运算放大器的反向输入端连接，且所述电压基准的输出端与所述反向比例运算放大器的反向输入端之间连接有所述第一电阻，所述反向比例运算放大器的同向输入端接地，所述反向比例运算放大器的输出端与所述反向比例运算放大器的反向输入端连接，且所述反向比例运算放大器的输出端与所述反向比例运算放大器的反向输入端之间连接有所述第二电阻；

所述反向比例运算放大器的输出端与所述第二运算放大器的同向输入端连接，所述第二运算放大器的输出端与所述第二运算放大器的反向输入端连接；

所述第一运算放大器的输出端为电压基准源电路的正电压基准端，所述反向比例运算放大器的输出端为电压基准源电路的负电压基准端。

一种分流型i/f转换电路，包括积分器、逻辑控制电路和模拟电子开关，应用电压基准源电路，所述积分器的输入端连接输入电流，所述积分器的输出端连接所述逻辑控制电路；所述逻辑控制电路的控制信号输出端连接所述模拟电子开关，所述逻辑控制电路上还设置用于输出数字脉冲频率的数字输出端以及用于输入外接时钟的时钟输入端；所述模拟电子开关的一端连接所述电压基准源电路的输出端，另一端连接积分器的输入端；

积分器用于对输入电流进行积分并输出电压三角波至逻辑控制电路；

逻辑控制电路用于将积分器输出的电压三角波与预设的固定电平比较，将电压三角波转换为数字逻辑电平，当数字逻辑电平达到逻辑控制电路的逻辑高电平后，输出预设宽度的高电平控制信号至模拟电子开关；

模拟电子开关用于当接收到逻辑控制电路的高电平控制信号后，将与积分器输入电流极性相反的电压基准源电路的输出端与积分器的输入端连接。

进一步地，所述积分器包括运算放大器、电容、第三电阻和第四电阻；

所述运算放大器的反向输入端为积分器的输入端且连接所述第三电阻，所述第三电阻连接输入电流；所述运算放大器的同向入端接地，且所述运算放大器的同向入端连接所述第四电阻，所述第四电阻连接输入电流且接地；所述运算放大器的输出端连接逻辑系统的输入端；所述运算放大器的输出端和反向输入端通过所述电容连接。

进一步地，定义第三电阻的阻值为r4，第四电阻的阻值为r5，则第三电阻和第四电阻分流比为：

进一步地，所述模拟电子开关内部设置两个开关结构；第一开关结构连接正电压基准端，第二开关结构连接负电压基准端；每个开关结构均包括两个触点；第一开关和第二开关的第一触点均通过采样电阻与积分器的输入端连接，第一开关的第二触点连接正电压基准端，第二开关的第二触点连接负电压基准端。

进一步地，所述第一开关和所述第二开关均为单刀单掷开关。

进一步地，所述逻辑控制电路包括比较器和d触发器；

所述比较器的输入端连接所述积分器的输出端，所述比较器的输出端连接所述d触发器的输入端；所述d触发器上设置时钟输入端，时钟输入端用于输入外接时钟；所述d触发器上设置控制信号输入端、数字输出端以及控制信号输出端，控制信号输出端连接所述模拟电子开关，数字输出端用于输出数字脉冲频率，控制信号输出端连接所述模拟电子开关。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：为提高正负电压基准的对称性，本发明采用共用一个电压基准及共用一个采样电阻的方法，尽可能减少正负路元器件的数量和种类，以提高对称性。同时，正负路的电压基准均增加了跟随电路以保证基准的稳定性。

因i/f转换电路工作时在逻辑控制部分和模拟开关等部分均有独立的正负通道，必然会影响正负路输出的对称性，为提高电路的对称性指标，设计了可对正负基准电压进行微调的比例电阻，即第一电阻和第二电阻，通过对基准电压的微调来保证系统的对称性。

综上所述，本发明提出的提高分流型i/f转换器对称性及稳定性的设计方法，结构简单，使用方便，并可节约元器件成本，在高精度i/f转换器电路系统中可广泛应用，应用前景和市场潜力非常广阔。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明正负电压基准源的结构原理图；

图2为本发明分流型i/f转换电路的整体结构原理图；

图3为本发明分流型i/f转换电路的原理框图。

图中：1-电压基准；2-第一运算放大器；3-第二运算放大器；4-反向比例运算放大器；5-第一电阻；6-第二电阻；7-积分器；8-逻辑控制电路；9-模拟电子开关；10-采样电阻；11-第三电阻；12-第四电阻。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

如图1所示，本发明一种电压基准源电路，包括电压基准1、第一运算放大器2、第二运算放大器3、反向比例运算放大器4、第一电阻5和第二电阻6，电压基准1的输入端与电源连接，电压基准1的输出端与第一运算放大器2的同向输入端连接，第一运算放大器2的输出端与第一运算放大器2的反向输入端连接；

电压基准1的输出端与反向比例运算放大器4的反向输入端连接，且电压基准1的输出端与反向比例运算放大器4的反向输入端之间连接有第一电阻5，反向比例运算放大器4的同向输入端接地，反向比例运算放大器4的输出端与反向比例运算放大器4的反向输入端连接，且反向比例运算放大器4的输出端与反向比例运算放大器4的反向输入端之间连接有第二电阻6；

反向比例运算放大器4的输出端与第二运算放大器3的同向输入端连接，第二运算放大器3的输出端与第二运算放大器3的反向输入端连接，第一运算放大器2的输出端为电压基准源电路的正电压基准端，反向比例运算放大器4的输出端为电压基准源电路的负电压基准端。

定义第一电阻5的阻值为r1，第二电阻6的阻值为r2，基准电压源是构成i/f转换器的关键部件之一，它的精度和稳定性直接影响整个转换器的精度和稳定性。本发明的正电压基准源选用三端基准，通过比例放大电路将正电压基准反向作为负电压基准，从而实现正负电压基准源共用一个三端基准，可大幅度提高基准对称性，原理图如图1所示，其中正负电压基准的关系为：

电路使用时电阻r1和r2均采用温度系数小的精密电阻，通过调节反向比例放大电路的比例电阻可以对输出的对称性进行微调，进而提高电路的对称性指标。

正负电压基准均采用跟随电路进行隔离，跟随电路使用运放构成的深度负反馈结构，可以提高基准输出的稳定性和抗干扰能力。

结合图2和图3所示，本发明一种分流型i/f转换电路，包括积分器7、逻辑控制电路8和模拟电子开关9，应用权利要求1的电压基准源电路，积分器7的输入端连接输入电流，积分器7的输出端连接逻辑控制电路8；逻辑控制电路8的控制信号输出端连接模拟电子开关9，逻辑控制电路9上还设置用于输出数字脉冲频率的数字输出端以及用于输入外接时钟的时钟输入端；模拟电子开关9的一端连接电压基准源电路的输出端，另一端连接积分器7的输入端；

积分器7用于对输入电流进行积分并输出电压三角波至逻辑控制电路8；

逻辑控制电路8用于将积分器7输出的电压三角波与预设的固定电平比较，将电压三角波转换为数字逻辑电平，当数字逻辑电平达到逻辑控制电路8的逻辑高电平后，输出预设宽度的高电平控制信号至模拟电子开关9；

模拟电子开关9用于当接收到逻辑控制电路8的高电平控制信号后，将与积分器7输入电流极性相反的电压基准源电路的输出端与积分器7的输入端连接。

作为本发明的某一优选实施例，积分器7包括运算放大器、电容、第三电阻11和第四电阻12；运算放大器的反向输入端为积分器7的输入端且连接第三电阻11，第三电阻11连接输入电流；运算放大器的同向入端接地，且运算放大器的同向入端连接第四电阻12，第四电阻12连接输入电流且接地；运算放大器的输出端连接逻辑系统的输入端；运算放大器的输出端和反向输入端通过电容连接。具体的，定义第三电阻11的阻值为r4，第四电阻12的阻值为r5，则第三电阻11和第四电阻12分流比为：

作为本发明的某一优选实施例，本发明的模拟电子开关9选择两个单刀单掷开关，为了提高正负通道输出的对称性，共用采样电阻10串联在模拟电子开关9的输出与sigma点之间，定义采样电阻10的阻值为r3，具体连接方式如图2所示。其中，正通道的反馈电流值为vref-/r3，负通道的反馈电流值为vref+/r3。本发明的这种设计既可以提高电路的对称性，又可以节约电路成本，少使用一个精密电阻。

具体连接方式为：第一开关结构连接正电压基准端，第二开关结构连接负电压基准端；每个开关结构均包括两个触点；第一开关和第二开关的第一触点均通过采样电阻10与积分器7的输入端连接，第一开关的第二触点连接正电压基准端，第二开关的第二触点连接负电压基准端。优选的，第一开关和第二开关均为单刀单掷开关。

作为本发明的某一优选实施例，逻辑控制电路8包括比较器和d触发器；

比较器的输入端连接积分器7的输出端，比较器的输出端连接d触发器的输入端；d触发器上设置时钟输入端，时钟输入端用于输入外接时钟；d触发器上设置控制信号输入端、数字输出端以及控制信号输出端，控制信号输出端连接模拟电子开关9，数字输出端用于输出数字脉冲频率，控制信号输出端连接模拟电子开关9。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。