CN107317563B - 一种差分选择滤波电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种差分选择滤波电路及方法，电路包括差分运算模组、信号反馈模组和信号选择控制模组；所述的差分运算模组包括运算放大器U1A和U1B；所述的信号反馈模组包括电阻R8、电阻R3、电容C3、电容C4和至少一组信号反馈模块，所述的信号选择控制模组包括至少一个N通道模拟开关U2；U2的控制信号输入端IN接收外部控制信号CTRL，根据外部控制信号CTRL同时控制U1A的同向输入端是否接收来自第一信号反馈单元输出的反馈信号和U1A的反向输入端是否接收来自第二信号反馈单元输出的反馈信号。本发明具有增益控制和信号选择的功能，适用于同一输入端口、多种不同输入类型的差分信号的调理选择，能够输出固定范围内的差分信号。

Description

一种差分选择滤波电路及方法
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路及方法，尤其涉及一种差分选择滤波电路及其方法。
背景技术
差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显著特征，广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐，特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法，难以理解，因而一直是模拟电子技术中的难点。差分放大电路：按输入输出方式分：有双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出四种类型。按共模负反馈的形式分：有典型电路和射极带恒流源的电路两种。
然而现有的差分放大电路具有以下缺点：（1）不具有增益控制和信号选择的功能，无法对于同一差分输入端口需要根据不同使用条件输入多种信号的时候，进行对应的反馈；（2）现有技术的差分放大电路的频率响应带宽，只和放大器或者后端专门设计的滤波电路有关，当放大器是固定的情况下，只能调整后端专门设计的滤波电路。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双端输入双端输出的差分选择滤波电路及其方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种差分选择滤波电路，包括差分运算模组；所述的差分运算模组包括运算放大器U1A和U1B，外部差分输入信号INPUT+通过电阻R5与U1A的同向输入端连接，外部差分输入信号INPUT-通过电阻R7与U1A的反向输入端连接，U1A的输出端通过电阻R6与U1B的反向输入端连接，U1B的同向输入端通过电阻R4接地，U1B的输出端输出差分信号OUTPUT+，U1A的输出端还输出差分信号OUTPUT-；U1B的反向输入端和输出端之间还并联有R9；R5=R7，R6=R9；
所述的差分选择滤波电路还包括信号反馈模组和信号选择控制模组；所述的信号反馈模组包括电阻R8、电阻R3、电容C3、电容C4和至少一组信号反馈模块，所述的信号选择控制模组包括至少一个N通道模拟开关U2；电阻R8和电容C4并联于U1A的反向输入端与输出端之间，电阻R3和电容C3并联于U1A的同向输入端与U1B的输出端之间；R3=R8，C3=C4；所述的一组信号反馈模块包括第一信号反馈单元和第二信号反馈单元，第一信号反馈单元和第二信号反馈单元均包括并联连接的电阻Ra和电容Ca，第一信号反馈单元和第二信号反馈单元中的电阻Ra的阻值相同，第一信号反馈单元和第二信号反馈单元中的电容Ca的电容量相同；第一信号反馈单元的输入端与U1A的输出端连接，第一信号反馈单元的反馈信号输出端通过U2与U1A的同向输入端连接，第二信号反馈单元的输入端与U1B的输出端连接，第二信号反馈单元的输出端通过U2与U1A的反向输入端连接；U2的控制信号输入端IN接收外部控制信号CTRL，根据外部控制信号CTRL同时控制U1A的同向输入端是否接收来自第一信号反馈单元输出的反馈信号和U1A的反向输入端是否接收来自第二信号反馈单元输出的反馈信号。
进一步地，所述的信号选择控制模组包括一个四通道模拟开关U2，所述的信号反馈模组包括两组信号反馈模组，其中一组信号反馈模组包括第一信号反馈单元和第二信号反馈单元，另外一组信号反馈模组包括第三信号反馈单元和第四信号反馈单元；
第一信号反馈单元包括并联连接的电阻R1和电容C1，第二信号反馈单元包括包括并联连接的电阻R11和电容C6；电阻R1的输入端与U1B的输出端连接，电阻R1的输出端feedback_B+与U2的第二反馈信号输入端D2连接，U2的第一反馈信号输出端S2A与U1A的同向输入端连接，U2的第二反馈信号输出端S2B空接；电阻R11的输入端与U1A的输出端连接，电阻R11的输出端feedback_B-与U2的第三反馈信号输入端D3连接，U2的第三反馈信号输出端S3A与U1A的反向输入端连接，U2的第四反馈信号输出端S3B空接；R1=R11，C1=C6；
第三信号反馈单元包括并联连接的电阻R2和电容C2，第四信号反馈单元包括包括并联连接的电阻R10和电容C5；电阻R2的输入端与U1B的输出端连接，电阻R2的输出端feedback_A+与U2的第一反馈信号输入端D1连接，U2的第五反馈信号输出端S1A与U1A的同向输入端连接，U2的第六反馈信号输出端S1B空接；电阻R10的输入端与U1A的输出端连接，电阻R10的输出端feedback_A-与U2的第三反馈信号输入端D3连接，U2的第三反馈信号输出端S3A与U1A的反向输入端连接，U2的第四反馈信号输出端S3B空接；R2=R10，C2=C5；
U2的第二控制信号输入端IN2和第三控制信号输入端IN3共同接收外部控制信号CTRL_2，当外部控制信号CTRL_2为低电平时，D2与S2B导通，同时D3与S3B导通，当外部控制信号CTRL_2为高电平时，D2与S2A导通，同时D3与S3A导通；
U2的第一控制信号输入端IN1和第四控制信号输入端IN4共同接收外部控制信号CTRL_1，当外部控制信号CTRL_1为低电平时，D1与S1B导通，同时D4与S4B导通，当外部控制信号CTRL_1为高电平时，D1与S1A导通，同时D1与S1A导通。
进一步地，所述的外部控制信号CTRL通过数字的方式或者模拟的方式进行控制。
进一步地，所述的数字的方式包括单片机、DSP、FPGA；所述的模拟的方式包括拨码开关、跳线。
进一步地，所述的一种差分选择滤波电路还包括两组RC滤波电路，其中一组RC滤波电路的输入端接收外部差分输入信号INPUT+，输出端与电阻R5连接；另外一组RC滤波电路的输入端接收外部差分输入信号INPUT-，输出端与电阻R7连接。
如上所述的一种差分选择滤波电路的方法，包括增益控制步骤；所述的增益控制步骤包括以下子步骤：
电路上电稳定工作；
根据实际需求向信号选择控制模组发出控制信号CTRL；
信号选择控制模组根据控制信号CTRL控制信号反馈模组的反馈信号是否反馈至差分运算模组。
进一步地，所述方法还包括增益情况调整步骤，所述的增益情况调整步骤包括以下子步骤：根据实际需求，调整调整电阻R3、R8和Ra的大小。
进一步地，所述方法还包括频率响应情况调整步骤，所述的频率响应情况调整步骤包括以下子步骤：根据实际需求，调整电阻R3、R8和Ra的大小、调整电容C3、C4和Ca的大小和调整运算放大器。
本发明的有益效果是：
（1）本发明具有增益控制和信号选择的功能，适用于同一输入端口、多种不同输入类型的差分信号的调理选择，能够输出固定范围内的差分信号；具体地，本发明对于同一差分输入端口需要根据不同使用条件输入多种信号的时候，选择不同反馈电路以及反馈电路的组合以满足设计需求。在控制灵活方便的基础之上，还避免了复杂的电路设计，降低了电路设计的难度和成本，极大地降低了电路面积和设计成本，便于实际应用中电路的调试、升级和维护。
（2）本发明电路的增益范围和频率响应范围只需要通过调整信号反馈模组的电阻电容即可，电路调试和使用简单方便，便于实际应用、升级和维护。
（3）当本发明采用精度较高的运算放大器和电阻电容时，整个差分电路可以达到很高的共模抑制比。
（4）本发明还具有低通滤波（即抗混叠滤波）功能，根据信号反馈模组的电阻电容确定带宽门限，可作为AD前端抗混叠滤波器使用；如果需要更加出色的滤波性能，可在该电路输入端添加简单的RC滤波电路即可。
（5）如果需要更多的信号选择通道，只需添加模拟电子开关和对应的信号反馈模组即可，方便快捷。
附图说明
图1为本发明差分运算模组和信号反馈模组电路图；
图2为信号选择控制模组电路图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：
如图1和图2所示，一种差分选择滤波电路，包括差分运算模组；所述的差分运算模组包括运算放大器U1A和U1B，外部差分输入信号INPUT+通过电阻R5与U1A的同向输入端连接，外部差分输入信号INPUT-通过电阻R7与U1A的反向输入端连接，U1A的输出端通过电阻R6与U1B的反向输入端连接，U1B的同向输入端通过电阻R4接地，U1B的输出端输出差分信号OUTPUT+，U1A的输出端还输出差分信号OUTPUT-；U1B的反向输入端和输出端之间还并联有R9；R5=R7，R6=R9；
所述的差分选择滤波电路还包括信号反馈模组和信号选择控制模组；所述的信号反馈模组包括电阻R8、电阻R3、电容C3、电容C4和至少一组信号反馈模块，所述的信号选择控制模组包括至少一个N通道模拟开关U2；电阻R8和电容C4并联于U1A的反向输入端与输出端之间，电阻R3和电容C3并联于U1A的同向输入端与U1B的输出端之间；R3=R8，C3=C4；所述的一组信号反馈模块包括第一信号反馈单元和第二信号反馈单元，第一信号反馈单元和第二信号反馈单元均包括并联连接的电阻Ra和电容Ca，第一信号反馈单元和第二信号反馈单元中的电阻Ra的阻值相同，第一信号反馈单元和第二信号反馈单元中的电容Ca的电容量相同；第一信号反馈单元的输入端与U1A的输出端连接，第一信号反馈单元的反馈信号输出端通过U2与U1A的同向输入端连接，第二信号反馈单元的输入端与U1B的输出端连接，第二信号反馈单元的输出端通过U2与U1A的反向输入端连接；U2的控制信号输入端IN接收外部控制信号CTRL，根据外部控制信号CTRL同时控制U1A的同向输入端是否接收来自第一信号反馈单元输出的反馈信号和U1A的反向输入端是否接收来自第二信号反馈单元输出的反馈信号。
更优地，在其中一个实施例中，电路为四路信号选择，具体地：所述的信号选择控制模组包括一个四通道模拟开关U2，所述的信号反馈模组包括两组信号反馈模组，其中一组信号反馈模组包括第一信号反馈单元和第二信号反馈单元，另外一组信号反馈模组包括第三信号反馈单元和第四信号反馈单元；
第一信号反馈单元包括并联连接的电阻R1（即上述的其中一个Ra）和电容C1（即上述的其中一个Ca），第二信号反馈单元包括包括并联连接的电阻R11（即上述的另外一个Ra）和电容C6（即上述的另外一个Ca）；电阻R1的输入端与U1B的输出端连接，电阻R1的输出端feedback_B+与U2的第二反馈信号输入端D2连接，U2的第一反馈信号输出端S2A与U1A的同向输入端连接，U2的第二反馈信号输出端S2B空接；电阻R11的输入端与U1A的输出端连接，电阻R11的输出端feedback_B-与U2的第三反馈信号输入端D3连接，U2的第三反馈信号输出端S3A与U1A的反向输入端连接，U2的第四反馈信号输出端S3B空接；R1=R11，C1=C6；
第三信号反馈单元包括并联连接的电阻R2和电容C2，第四信号反馈单元包括包括并联连接的电阻R10和电容C5；电阻R2的输入端与U1B的输出端连接，电阻R2的输出端feedback_A+与U2的第一反馈信号输入端D1连接，U2的第五反馈信号输出端S1A与U1A的同向输入端连接，U2的第六反馈信号输出端S1B空接；电阻R10的输入端与U1A的输出端连接，电阻R10的输出端feedback_A-与U2的第三反馈信号输入端D3连接，U2的第三反馈信号输出端S3A与U1A的反向输入端连接，U2的第四反馈信号输出端S3B空接；R2=R10，C2=C5；
U2的第二控制信号输入端IN2和第三控制信号输入端IN3共同接收外部控制信号CTRL_2，当外部控制信号CTRL_2为低电平（下述称之为CTRL_2=0）时，D2与S2B导通，同时D3与S3B导通，当外部控制信号CTRL_2为高电平（下述称之为CTRL_2=1）时，D2与S2A导通，同时D3与S3A导通；
U2的第一控制信号输入端IN1和第四控制信号输入端IN4共同接收外部控制信号CTRL_1，当外部控制信号CTRL_1为低电平（下述称之为CTRL_1=0）时，D1与S1B导通，同时D4与S4B导通，当外部控制信号CTRL_1为高电平（下述称之为CTRL_1=1）时，D1与S1A导通，同时D1与S1A导通。
在本实施例中，当电路上电稳定工作后，根据两个控制信号CTRL_1和CTRL_2的不同，会产生以下四种情况：
（1）当控制端CTRL_1=0（D1和S1B导通，D4和S4B导通）、CTRL_2=0（D2和S2B导通，D3和S3B导通）时，整个电路差分信号增益G=R3/R5=R8/R7，频率响应由R3、R8、C3、C4确定；
（2）当控制端CTRL_1=1（D1和S1A导通，D4和S4A导通）、CTRL_2=0（D2和S2B导通，D3和S3B导通）时，整个电路差分信号增益G=(R2//R3)/R5=(R8//R10)/R7，反馈回路电容C=C2+C3=C4+C5，频率响应由R2、R3、R8、R10、C2、C3、C4、C5共同确定；
（3）当控制端CTRL_1=0（D1和S1B导通，D4和S4B导通）、CTRL_2=1（D2和S2A导通，D3和S3A导通）时，整个电路差分信号增益G=(R1//R3)/R5=(R8//R11)/R7，反馈回路电容C=C1+C3=C4+C6，频率响应由R1、R3、R8、R11、C1、C3、C4、C6共同确定；
（4）当控制端CTRL_1=1（D1和S1A导通，D4和S4A导通）、CTRL_2=1（D2和S2A导通，D3和S3A导通）时，整个电路差分信号增益G=(R1//R2//R3)/R5=(R8//R10//R11)/R7，反馈回路电容C=C1+C2+C3=C4+C5+C6，频率响应由R1、R2、R3、R8、R10、R11、C1、C2、C3、C4、C5、C6共同确定。
更优地，在本实施例中，根据实际应用需求，适当调整对应的反馈回路电阻（R1、R2、R3、R8、R10、R11）可以调整对应选择通道的增益情况，增益范围理论可达0~+∞；通过调整对应反馈回路的电容和电阻（R1、R2、R3、R8、R10、R11、C1、C2、C3、C4、C5、C6）可以调整对应选择通道的频率响应情况，频率响应范围也与所选择的运算放大器有关。
而在另外一个实施例中，电路为八路信号选择，可以采用两个四通道模拟开关U2和四组信号反馈模组的方式实现；或者是采用一个八通道模拟开关U2和四组信号反馈模组的方式实现。即如果需要更多地信号选择通道，只需要添加N通道模拟开关U2以及对应数量的信号反馈模组。
更优地，在上述任意一个实施例中，所述的外部控制信号CTRL通过数字的方式或者模拟的方式进行控制；具体地，所述的数字的方式包括单片机、DSP、FPGA，所述的模拟的方式包括拨码开关、跳线。
在任意一个实施例中，所述的差分选择滤波电路均具有低通滤波功能，根据信号反馈模组电阻电容（R3/R8/Ra/C3/C4/Cb）确定带宽门限，可作为AD前端抗混叠滤波器使用。
更优地，在上述任意一个实施例中，如果需要更加出色的滤波性能，可在该电路输入端添加简单的RC滤波电路即可：具体地，所述的一种差分选择滤波电路还包括两组RC滤波电路，其中一组RC滤波电路的输入端接收外部差分输入信号INPUT+，输出端与电阻R5连接；另外一组RC滤波电路的输入端接收外部差分输入信号INPUT-，输出端与电阻R7连接。
基于上述电路的实现，其中一个实施例还提供一种差分选择滤波电路的方法，包括增益控制步骤；所述的增益控制步骤包括以下子步骤：
电路上电稳定工作；
根据实际需求向信号选择控制模组发出控制信号CTRL；
信号选择控制模组根据控制信号CTRL控制信号反馈模组的反馈信号是否反馈至差分运算模组。
更优地，在本实施例中，所述方法还包括增益情况调整步骤，所述的增益情况调整步骤包括以下子步骤：根据实际需求，调整调整电阻R3、R8和Ra的大小。
更优地，在本实施例中，所述方法还包括频率响应情况调整步骤，所述的频率响应情况调整步骤包括以下子步骤：根据实际需求，调整电阻R3、R8和Ra的大小、调整电容C3、C4和Ca的大小和调整运算放大器。

Claims (8)

1.一种差分选择滤波电路，包括差分运算模组；所述的差分运算模组包括运算放大器U1A和U1B，外部差分输入信号INPUT+通过电阻R5与U1A的同向输入端连接，外部差分输入信号INPUT-通过电阻R7与U1A的反向输入端连接，U1A的输出端通过电阻R6与U1B的反向输入端连接，U1B的同向输入端通过电阻R4接地，U1B的输出端输出差分信号OUTPUT+，U1A的输出端还输出差分信号OUTPUT-；U1B的反向输入端和输出端之间还并联有R9；R5=R7，R6=R9；
其特征在于：所述的差分选择滤波电路还包括信号反馈模组和信号选择控制模组；所述的信号反馈模组包括电阻R8、电阻R3、电容C3、电容C4和至少一组信号反馈模块，所述的信号选择控制模组包括至少一个N通道模拟开关U2；电阻R8和电容C4并联于U1A的反向输入端与输出端之间，电阻R3和电容C3并联于U1A的同向输入端与U1B的输出端之间；R3=R8，C3=C4；所述的一组信号反馈模块包括第一信号反馈单元和第二信号反馈单元，第一信号反馈单元和第二信号反馈单元均包括并联连接的电阻Ra和电容Ca，第一信号反馈单元和第二信号反馈单元中的电阻Ra的阻值相同，第一信号反馈单元和第二信号反馈单元中的电容Ca的电容量相同；第一信号反馈单元的输入端与U1A的输出端连接，第一信号反馈单元的反馈信号输出端通过U2与U1A的同向输入端连接，第二信号反馈单元的输入端与U1B的输出端连接，第二信号反馈单元的输出端通过U2与U1A的反向输入端连接；U2的控制信号输入端IN接收外部控制信号CTRL，根据外部控制信号CTRL同时控制U1A的同向输入端是否接收来自第一信号反馈单元输出的反馈信号和U1A的反向输入端是否接收来自第二信号反馈单元输出的反馈信号；
所述信号反馈模组为两组或两组以上；如果需要更多的信号选择通道，只需要添加N通道模拟开关U2以及对应数量的信号反馈模组；
根据实际应用需求，调整对应反馈回路的电阻大小即R3、R8和Ra的大小，调整对应选择通道的增益情况；通过调整对应反馈回路的电容和电阻即R3、R8、Ra、C3、C4和Ca的大小，调整对应选择通道的频率响应情况。
2.根据权利要求1所述的一种差分选择滤波电路，其特征在于：所述的信号选择控制模组包括一个四通道模拟开关U2，所述的信号反馈模组包括两组信号反馈模组，其中一组信号反馈模组包括第一信号反馈单元和第二信号反馈单元，另外一组信号反馈模组包括第三信号反馈单元和第四信号反馈单元；
第一信号反馈单元包括并联连接的电阻R1和电容C1，第二信号反馈单元包括包括并联连接的电阻R11和电容C6；电阻R1的输入端与U1B的输出端连接，电阻R1的输出端feedback_B+与U2的第二反馈信号输入端D2连接，U2的第一反馈信号输出端S2A与U1A的同向输入端连接，U2的第二反馈信号输出端S2B空接；电阻R11的输入端与U1A的输出端连接，电阻R11的输出端feedback_B-与U2的第三反馈信号输入端D3连接，U2的第三反馈信号输出端S3A与U1A的反向输入端连接，U2的第四反馈信号输出端S3B空接；R1=R11，C1=C6；
第三信号反馈单元包括并联连接的电阻R2和电容C2，第四信号反馈单元包括包括并联连接的电阻R10和电容C5；电阻R2的输入端与U1B的输出端连接，电阻R2的输出端feedback_A+与U2的第一反馈信号输入端D1连接，U2的第五反馈信号输出端S1A与U1A的同向输入端连接，U2的第六反馈信号输出端S1B空接；电阻R10的输入端与U1A的输出端连接，电阻R10的输出端feedback_A-与U2的第三反馈信号输入端D3连接，U2的第三反馈信号输出端S3A与U1A的反向输入端连接，U2的第四反馈信号输出端S3B空接；R2=R10，C2=C5；
U2的第二控制信号输入端IN2和第三控制信号输入端IN3共同接收外部控制信号CTRL_2，当外部控制信号CTRL_2为低电平时，D2与S2B导通，同时D3与S3B导通，当外部控制信号CTRL_2为高电平时，D2与S2A导通，同时D3与S3A导通；
U2的第一控制信号输入端IN1和第四控制信号输入端IN4共同接收外部控制信号CTRL_1，当外部控制信号CTRL_1为低电平时，D1与S1B导通，同时D4与S4B导通，当外部控制信号CTRL_1为高电平时，D1与S1A导通，同时D1与S1A导通。
3.根据权利要求1所述的一种差分选择滤波电路，其特征在于：所述的外部控制信号CTRL通过数字的方式或者模拟的方式进行控制。
4.根据权利要求3所述的一种差分选择滤波电路，其特征在于：所述的数字的方式包括单片机、DSP、FPGA；所述的模拟的方式包括拨码开关、跳线。
5.根据权利要求1所述的一种差分选择滤波电路，其特征在于：还包括两组RC滤波电路，其中一组RC滤波电路的输入端接收外部差分输入信号INPUT+，输出端与电阻R5连接；另外一组RC滤波电路的输入端接收外部差分输入信号INPUT-，输出端与电阻R7连接。
6.如权利要求1~5中任意一项所述的一种差分选择滤波电路的方法，其特征在于：包括增益控制步骤；所述的增益控制步骤包括以下子步骤：
电路上电稳定工作；
根据实际需求向信号选择控制模组发出控制信号CTRL；
信号选择控制模组根据控制信号CTRL控制信号反馈模组的反馈信号是否反馈至差分运算模组。
7.根据权利要求6所述的一种差分选择滤波电路的方法，其特征在于：所述方法还包括增益情况调整步骤，所述的增益情况调整步骤包括以下子步骤：根据实际需求，调整调整电阻R3、R8和Ra的大小。
8.根据权利要求6所述的一种差分选择滤波电路的方法，其特征在于：所述方法还包括频率响应情况调整步骤，所述的频率响应情况调整步骤包括以下子步骤：根据实际需求，调整电阻R3、R8和Ra的大小、调整电容C3、C4和Ca的大小和调整运算放大器。
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