信号转换电路的制作方法

1.本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种信号转换电路。


背景技术：

2.随着现代通讯技术的发展，在集成电路系统中，对系统间传递信号精度的要求也越来越高。如在数模混合电路或在电源管理电路中，精确的基准电压能够为整个系统提供一个对地的准确参考，系统的过压保护、过流保护、过热保护、误差放大器、比较器以及精准的电流都需要一个准确的基准参考点。但当基准电压信号比较小时，由于系统误差，检测精度以及布局布线寄生参数等干扰，容易引起系统端接收到的数据与信号源数据存在较大的偏差，从而影响信号传递的准确性，导致系统性能的下降，甚至系统功能异常。
3.现有技术中的一种信号转换电路是将基准电压转换成电流输出，通过对基准电压的转换以及对转换后电流进行模块之间的信号传递，以加强对寄生干扰的抑制能力，若再将电流在局部模块中还原成基准电压，最终将达到基准电压的准确传递，如图1所示。图1是现有技术中的一种信号转换电路，该信号转换电路包括：用以提供基准电压vref的参考电源、误差放大器ea、电容cc、由晶体管m1、晶体管m2、晶体管m3、晶体管m4、晶体管m5和晶体管m6组成的电流镜结构、晶体管m7，以及电阻r1和电阻r2，利用参考电源向误差放大器ea的同相输入端提供基准电压vref，该误差放大器ea的输出端连接晶体管m7的控制端，该晶体管m7的源极端反馈连接到误差放大器ea的反相输入端，通过调整电流镜结构中各晶体管的宽深比，调节该电流镜结构复制电流i1的精度，即控制镜像电流i2和镜像电流i3以及输出电压vo的大小。但当vref电压较小时，放大器ea自身的vos会导致其输出有较大的偏差，降低系统精度。
4.图2是现有技术中在图1基础上改进的一种信号转换电路。该信号转换电路基本采用图1所示信号转换电路的结构，所不同的是，增加了电阻r3，该电阻r3连接在晶体管m4的漏极端与晶体管m7的漏极端之间，虽然增加的电阻r3使该电路的最低工作电压vin降低至约为2.45伏，但其增大了集成电路芯片面积，同时电阻r3容易受到工艺变化的影响，r3对m4、m5、m6形成的偏置电压会随工艺和温度变化，极有可能使m4、m5、m6进入线性区，大大减弱cascdoe结构的电流镜精确复制电流的作用。同样，当vref电压较小时，放大器ea自身的vos会导致其输出有较大的偏差，降低系统精度。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种信号转换电路，可以节省成本，提高电路的输出精度和可靠性。
6.本发明提供的一种信号转换电路，包括：
7.放大模块，用于将输入电压进行比例放大以产生中间电压；
8.输出模块，该输出模块的输入端与前述放大模块的输出端连接，用于基于脉冲信号对该中间信号进行采样；以及
9.控制模块，分别与前述放大模块和前述输出模块连接，用于根据放大模块的比例系数生成提供至输出模块的前述脉冲信号，使得该脉冲信号的占空比与前述放大模块的比例系数成比例。
10.优选地，前述放大模块包括：
11.第一放大器，该第一放大器的同相输入端用以获取前述输入电压，输出端提供前述的中间电压；
12.串联连接在该第一放大器的输出端与地之间的第二电阻和第三电阻，且该第二电阻和第三电阻的连接节点与前述第一放大器的反相输入端连接。
13.优选地，前述信号转换电路还包括：
14.压流转换模块，该压流转换模块连接于前述放大模块和前述输出模块之间，用于对前述的中间电压进行压流转换，获得转换电流，
15.前述输出模块基于前述脉冲信号对该转换电流进行采样，且该脉冲信号的占空比与前述输入电压放大的增益系数互为倒数。
16.优选地，前述压流转换模块包括：
17.第一电流镜，该第一电流镜包括第一晶体管和第二晶体管，且该第一电流镜具有连接该第一晶体管漏端的第一路径和连接该第二晶体管漏端的第二路径，
18.其中，该第一路径用以根据前述中间提供前述转换电流，前述第二路径用以输出前述转换电流的镜像电流。
19.优选地，前述压流转换模块还包括：
20.第二放大器，该第二放大器的同相输入端与前述第一放大器的输出端连接，用以接入前述中间电压，
21.并且，前述第一路径包括串联连接在前述第一晶体管漏端与地之间的第三晶体管和第一电阻，该第三晶体管的控制端与该第二放大器的输出端连接，且该第三晶体管与第一电阻的连接节点和该第二放大器的反相输入端连接。
22.优选地，前述输出模块包括：
23.第二电流镜，该第二电流镜包括第四晶体管和第五晶体管，前述第一电流镜的第二路径与该第四晶体管漏端相连，该第五晶体管漏端作为信号转换电路的输出端；
24.开关模块，与所述控制模块的输出端连接，接入前述脉冲信号，连接在前述第四晶体管的栅端和前述第五晶体管的栅端之间，该脉冲信号用以控制前述第四晶体管的栅端和前述第五晶体管的栅端之间的通断。
25.优选地，前述开关模块为继电器或电力半导体开关器件。
26.优选地，前述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管和前述第五晶体管中的至少之一为金属氧化物半导体场效应晶体管。
27.优选地，前述第一晶体管和前述第二晶体管中的至少之一为p型金属氧化物半导体场效应晶体管。
28.优选地，前述第三晶体管、第四晶体管和前述第五晶体管中的至少之一为n型金属氧化物半导体场效应晶体管。
29.本发明的有益效果是：本发明提供的信号转换电路，首先利用放大模块将输入电压进行比例放大以产生中间电压；其次利用输出模块基于脉冲信号对该中间信号进行采
样；以及通过分别与该放大模块和输出模块连接的控制模块，根据该放大模块的比例系数生成提供至输出模块的脉冲信号，使得该脉冲信号的占空比与前述放大模块的比例系数成比例。该电路通过对脉冲信号的占空比和对输入电压放大的增益系数进行设计，使占空比控制采样输出的信号的均值为该输入电压对应的转换信号，实现高精度转换，既节省成本，也提高该电路的输出精度和可靠性。
附图说明
30.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，使本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
31.图1示出现有技术中的一种信号转换电路的示意图；
32.图2示出现有技术中的另一种信号转换电路的示意图；
33.图3示出本公开在一实施例中提供的的信号转换电路的结构示意框图；
34.图4示出本公开在另一实施例中提供的的信号转换电路的结构示意框图；
35.图5示出图4所示信号转换电路在一种实施方式中的电路示意图；
36.图6示出图5所示开关模块接入的脉冲信号s0的时序图。
具体实施方式
37.为了便于理解本公开，下面将参照相关附图对本公开进行更全面的描述。附图中给出了本公开的较佳实施例。但是，本公开可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本公开的内容的理解更加透彻全面。
38.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
39.根据相关技术，信号传递误差对系统的控制性能是一个不容忽视的影响因素，因此对系统间传递信号精度的要求也越来越高，如在数模混合电路或在电源管理电路中，精确的基准电压能够为整个系统提供一个对地的准确参考，系统的过压保护、过流保护、过热保护、误差放大器、比较器以及精准的电流都需要一个准确的基准参考点，但当基准电压信号比较小时，由于系统误差，检测精度以及布局布线寄生参数等干扰，容易引起系统端接收到的数据与信号源数据存在较大的偏差，从而影响信号传递的准确性，导致系统性能的下降，甚至系统功能异常。
40.基于此，本公开提供了一种信号转换电路，通过对脉冲信号的占空比和对输入电压放大的增益系数进行设计，使占空比控制采样输出信号的均值与该输入电压对应的转换信号成比例，以实现高精度转换，提高该电路的输出精度和可靠性，保证在实际电路应用中信号传递的准确性和稳定性。
41.下面，参照附图对本公开进行详细说明。
42.图3示出本公开在一实施例中提供的信号转换电路的结构示意框图。
43.参考图3，本公开实施例提供的一种电压到电压的信号转换电路100，其包括：放大模块110、控制模块120和输出模块130，其中，放大模块110用于将输入电压s11进行比例放大以产生中间电压s12；输出模块130的输入端与前述放大模块110的输出端连接，用于基于
脉冲信号s0对该中间信号s12进行采样输出s13；而控制模块120则分别与放大模块110和输出模块130连接，用于根据放大模块110的比例系数生成提供至输出模块130的脉冲信号s0，使得该脉冲信号s0的占空比与前述的放大模块的比例系数成比例。幅值放大后的信号s13可用于后续系统的应用，避免过小信号在信号传递过程中的易受干扰，以及避免产生较大的误差。
44.在一优选实施方案中，该放大模块110例如包括第一放大器(未示出)，该第一放大器的同相输入端用以获取前述的输入电压s11，反相输入端用于获取该第一放大器输出端提供的中间电压s12的采样，输出模块130则利用根据放大模块110的比例系数生成的脉冲信号s0进行采样输出s13(在本实施方案中输出s13为电压信号)，以完成将输入电压s11整形转换为输出电压s13。
45.本实施方案中的信号转换电路100通过对脉冲信号s0的占空比和对输入电压s11放大的增益系数进行设计，使占空比控制采样输出电压s13的均值与该输入电压s11对应的转换信号成比例，以实现高精度转换，提高该电路的输出精度和可靠性，同时能够保证在实际电路应用中例如在电压变换器中，信号传递的准确性和稳定性。
46.进一步的，若输出电压需要为稳定的直流电压信号，还可以在放大模块110输出中间电压s12的后面增加滤波器件，以进一步得到稳定的转换电压，即可得到与输入电压对应转换后的高精度的输出电压s13。
47.图4示出本公开在另一实施例中提供的的信号转换电路的结构示意框图，图5示出图4所示信号转换电路在一种实施方式中的电路示意图。
48.参考图4和图5，本公开在另一实施例中提供了一种电压到电流的信号转换电路200，其包括：放大模块210、压流转换模块240、控制模块220和输出模块230，其中，放大模块210用于将输入电压v11进行比例放大以产生中间电压s12；控制模块220则分别与放大模块210和输出模块230连接，用于根据放大模块210的比例系数生成提供至输出模块230的脉冲信号s0；压流转换模块240连接于放大模块210和输出模块230之间，用于对前述的中间电压s12进行压流转换，获得转换电流i11的镜像电流s14；并且输出模块230的输入端与前述放大模块210的输出端连接，用于基于脉冲信号s0对该转换电流s14进行采样，输出s13(在本实施方案中输出s13为电流信号)，其中，该脉冲信号s0的占空比与前述的放大模块210的比例系数成比例。
49.进一步地，在一优选实施方案中，该脉冲信号s0的占空比与前述输入电压s11放大的增益系数互为倒数，即在该脉冲信号s0的占空比控制下，输出的电流s13的均值为前述输入电压s11对应的电流。
50.参考图5，在本实施例中，该放大模块210至少包括第一放大器211、第二电阻r2和第三电阻r3，
51.其中，该第一放大器211的同相输入端用以获取前述输入电压s11，输出端提供前述的中间电压s12；该第二电阻r2和第三电阻r3串联连接在该第一放大器211的输出端与地之间，且该第二电阻r2和第三电阻r3的连接节点与前述第一放大器211的反相输入端连接。
52.进一步地，该压流转换模块240包括：第二放大器241、第一电流镜、第三晶体管t3和第一电阻r1，具体的，第一晶体管t1和第二晶体管t2构成第一电流镜，且该第一电流镜具有连接该第一晶体管t1的漏端的第一路径和连接该第二晶体管t2的漏端的第二路径，其
中，该第一路径用以根据前述中间电压s12提供其转换电流i11，前述第二路径用以输出前述转换电流i11的镜像电流s14。
53.该第二放大器241的同相输入端与第一放大器211的输出端连接，用以接入前述中间电压s12，前述的第一路径包括串联连接在第一晶体管t1的漏端与地之间的第三晶体管t3和第一电阻r1，该第三晶体管t3的控制端与该第二放大器241的输出端连接，且该第三晶体管t3与第一电阻r1的连接节点和该第二放大器241的反相输入端连接，形成一个负反馈环。用以提供反馈电压vn。第一电阻r1与第二放大器241的反相输入端相连，因此流经该第一电阻r1的电流i11数值上等于反馈电压vn除以该第一电阻r1的阻值。
54.进一步地，该输出模块230包括：第二电流镜和开关模块sw，具体的，第四晶体管t5和第五晶体管t6构成第二电流镜，前述第一电流镜的第二路径与该第四晶体管t4的漏端相连，该第五晶体管t5的漏端作为该信号转换电路200的输出端，用以复制前述的镜像电流s14，输出镜像电流s13；该开关模块sw接入脉冲信号s0，连接在第四晶体管t4的栅端和第五晶体管t5的栅端之间，该脉冲信号s0用以控制该第四晶体管t4的栅端和该第五晶体管t5的栅端之间的通断。
55.进一步地，设计第一晶体管t1和第二晶体管t2、第四晶体管t4和第五晶体管t5相互匹配，则转换电流i11和其镜像电流s14之比等于第一晶体管t1和第二晶体管t2的宽长比之比，镜像电流s14和其镜像电流s13之比等于第四晶体管t4和第五晶体管t5的宽长比之比，在本公开的一个优选实施例中，例如第一晶体管t1和第二晶体管t2、第四晶体管t4和第五晶体管t5的宽长比之比均为1:1的相互匹配关系，进而形成了精确的电流镜匹配。
56.进一步地，该开关模块sw例如为但不限于继电器或电力半导体开关器件(如为晶体管或晶闸管中的任意一种)。
57.进一步地，前述第一晶体管t1、第二晶体管t2、第三晶体管t3、第四晶体管t4和第五晶体管t5例如均为金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，简称为mos管)。
58.本公开实施例提供的信号转换电路200不限于图5所示的电路图，本公开的信号转换电路200中晶体管也可以采用其他如双极型三极管(bipolar junction transistor，bjt)等。下面具体在本实施例中，该第一晶体管t1和第二晶体管t2例如均为pmos管，且该第三晶体管t3、第四晶体管t4和第五晶体管t5例如均为nmos管为例进行阐述。
59.图6示出图5所示开关模块接入的脉冲信号s0的时序图。
60.参考图5，本公开实施例提供的信号转换电路200利用放大模块210，将输入电压s11通过第一放大器211放大m倍(假定该第一放大器211的放大增益系数例如为m，且m≥1)，其中，m＝(r2+r3)/r2，则得到的中间电压：
61.s12＝s11*m
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(1)
62.再通过压流转换模块240，得到与电压s12对应的转换电流i11，例如其值为：
63.i11＝s12/r0
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(2)
64.其中，r0为压流转换模块240中的等效阻抗。
65.在该压流转换模块240中，利用第二放大器241和第三晶体管t3形成的反馈环路控制，使反馈电压vn跟随中间电压s12的变化而变化，根据上述图5中电路连接关系，可知
66.i11＝vn/r1＝s12/r1
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(3)
67.其中，r1表示为第一电阻r1的阻值。
68.根据第一电流镜结构，s14/i11＝k，k为常数，优选地，k为1，即
69.s14＝i11
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(4)
70.通过该第一电流镜，得到与电压s12对应的转换电流i11的镜像电流s14，给后续模块使用。
71.参考图5和图6，假定脉冲信号s0的周期为t，在每一周期内导通时间t与周期t的比例关系(脉冲信号s0的占空比)例如为1/m。
72.在本实施例的输出模块230中，第四晶体管t4与第五晶体管t5为镜像电流关系，如若没有开关模块sw，镜像电流s14数值上是等于镜像电流s13的。通过在镜像电流s14与镜像电流s13的通路上串联一开关模块sw，且该脉冲信号s0的占空比1/m与前述输入电压s11放大的增益系数m互为倒数，由此控制该输出模块230以间歇导通的电路状态，得到的镜像电流s13的波形成脉冲(pulse)状，其均值为：
73.ave_s13＝s14/m
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(5)
74.结合上述公式(1)～公式(4)，整理化简后得到：
75.ave_s13＝s11/r0
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(6)
76.即该信号转换电路100输出的镜像电流s13的均值为前述输入电压s11对应的电流，实现高精度转换和稳定输出的目的。
77.此外，上述说明中信号转换电路是以电压转换电流为例的，输出的电流为数字脉冲信号，可直接应用于后续电路场景如在数模混合电路或在电源管理电路中。
78.本公开实施例提供的信号转换电路200，首先利用放大模块210中的第一放大器211将输入电压s11进行比例放大；再利用压流转换模块240的输入端与放大模块210的输出端连接，对中间电压s12进行压流转换，获得转换电流i11；然后利用与压流转换模块240连接的输出模块230，接入具有一定占空比的脉冲信号s0，控制该输出模块230以间歇导通的电路状态，采样输出电流s13，具体在一实施例中，该脉冲信号s0的占空比1/m与前述输入电压s11放大的增益系数m互为倒数，使输出的前述转换电流i11的镜像电流s13的均值ave_s13为该输入电压s11对应的电流。
79.综上所述，本公开实施例提供的信号转换电路通过对脉冲信号s0的占空比和对输入电压s11放大的增益系数进行设计，使占空比控制采样输出信号s13的均值与该输入电压s11对应的转换信号成比例，以实现高精度转换，提高该电路的输出精度和可靠性，同时能够保证在实际电路应用中例如在电压变换器中，信号传递的准确性和稳定性。
80.应当说明的是，在本公开的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
81.此外，在本文中，所含术语“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。
82.最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本公开所作的举例，而并
非对实施方式的限定。对于所属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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本公开的保护范围之中。