CN108270402A - 电压检测及控制电路 - Google Patents

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Abstract

电压检测及控制电路，属于模拟集成电路技术领域。包括基准电压输出缓冲模块、电压运算模块和比较器模块，基准电压输出缓冲模块的输入端连接基准电压，其输出端连接电压运算模块的第二输入端；电压运算模块的第一输入端连接外部调整电压，通过对其第一输入端和第二输入端的输入信号进行处理得到比较信号输出到比较器模块的第一输入端；比较器模块的第二输入端连接待检测电压，通过比较待检测电压和比较信号得到一个控制信号作为电压检测及控制电路的输出信号。本发明检测范围大，适用范围广；尤其适用于动态放大器，在电源电压的一定变化范围内，得到不随电源电压变化变化的动态放大器放大倍数，从而获得抗电源电压波动的增益稳定动态放大器。

Description

电压检测及控制电路
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，涉及一种电压检测及控制电路，尤其适用于动态放大器电源电压波动的检测和电源电压波动下增益的校正。
背景技术
集成电路工艺的进步使数字电路工作速度不断提高，集成密度不断增大，电源电压逐渐降低，表征数字电路综合性能的数据明显提高；然而，工艺进步、电源电压降低恶化了很多重要的模拟电路模块的性能，影响最大的当属放大器。作为模拟电路中广泛应用的基本模块，一方面，工艺进步产生了很多CMOS器件的非理想效应，这对敏感的模拟电路影响较大，另一方面，电源电压降低导致放大器的结构选择受到限制。有鉴于此，动态放大器成为设计和研究的热点，动态放大器结构简单且无静态功耗，很好的适应了低电源电压，极大的降低了功耗，因而在很多电路中得到应用，如模数转换器(ADC)等；但是，动态放大器的增益易受电源电压波动的影响，而实际电路中，电源电压的波动是难以避免的，这就极大的限制了动态放大器的性能和适用范围，因此在设计使用动态放大器时，需要考虑减小或消除电源电压波动对增益的影响。
一种带共模检测的动态放大器如图1所示，在图1中，该动态放大器主要由用于复位的第四PMOS管M1、第五PMOS管M2、第六PMOS管M3，用做输入对管的第三NMOS管M4、第四NMOS管M5，控制放大过程的第五NMOS管M6、第六NMOS管M7，用于检测输出共模的电容第二电容C1、第三电容C2，控制输出接入的第一压控开关SW1和第二压控开关SW2和表示负载的第四电容CLN、第五电容CLP组成。图中外部时钟信号clk控制动态放大器在复位和放大两个阶段切换，共模检测器CMD对输出共模Vx进行检测，当Vx点电压大于设定的固定电压时，输出Vctrl为高电平，当Vx点电压小于设定的固定电压时，输出Vctrl为低电平；通过输出控制信号Vctrl改变第五NMOS管M6栅端电压控制放大结束，通过控制接负载的第一压控开关SW1和第二压控开关SW2断开负载和动态放大器输出。
其中，在复位阶段，由外部时钟控制的信号clk为低电平，用于复位的第四PMOS管M1、第五PMOS管M2、第六PMOS管M3打开，同时由clk控制的第六NMOS管M7关断，动态放大器内部结点V1、V2、Vx被充电到电源电压，共模检测器CMD输出的Vctrl为高电平，第五NMOS管M6导通，第一压控开关SW1和第二压控开关SW2闭合，输出负载的第四电容CLN、第五电容CLP和放大器直接相连并被充电到电源电压，此即为复位状态。
当外部时钟信号clk变为高电平，该动态放大器开始放大，具体过程为：由外部时钟信号clk控制的第四PMOS管M1、第五PMOS管M2、第六PMOS管M3直接关断，此时Vx保持高阻，则Vx结点电荷总量保持不变，由clk控制的第六NMOS管M7开启，由放大期间保持不变的输入信号Vip、Vin控制的第三NMOS管M4、第四NMOS管M5开始对V1、V2两结点进行放电，如果认为设定的共模电压为Vdet，动态放大器输入对管的NMOS阈值电压为Vth，β＝Cox*μ*W/L，其中Cox为单位面积栅氧化层电容，μ为载流子迁移率，W/L为MOS管宽长比，负载电容CLP＝CLN＝CL，那么Voutn，Voutp两点的电压变化随输入信号和时间的关系为：
在V1、V2的放电过程中，Vx点的电压会通过第二电容C1、第三电容C2跟随V1、V2变化，通常取C1＝C2，那么放电过程中Vx点电压变化的表达式为：
Vx点的电压随V1、V2的放电不断下降，当下降到设定的共模电压时，则Vctrl由高电平变为低电平，这样控制动态放大器的第五NMOS管M6关断，切断V1、V2的放电通路，同时断开第一压控开关SW1和第二压控开关SW2，使负载电容和动态放大器的输出断开，从而保存放大后的电压，放大时间为Vx从电源电压VDD放电到设定的共模电压的时间t，可以表示为：
相应的，增益可以通过放大时间得到确定：
上式中Vcm为输入差分信号Vip和Vin的共模电平，当Vip和Vin的差值较小时，增益表达式可以简化为：
显然，通过增益表达式可以发现，该动态放大器的增益和VDD相关，在实际电路的使用过程中，电源电压极有可能处在不同的直流电压下，即使使用稳压器进行稳压，电源电压的波动也会影响到动态放大器的增益，这对于需要固定增益放大器的电路应用带来了隐患，造成输入信号放大倍数变化。
发明内容
针对上述不足之处，本发明提出一种电压检测及控制电路，用于检测电压并通过检测结果提供控制信号，尤其适用于动态放大器的电源电压波动检测和电源电压波动下增益的校正，将本发明提供的电压检测及控制电路代替动态放大器中的共模检测器CMD，克服了上述动态放大器电源电压的变化和波动对增益的影响。
本发明的技术方案为：
电压检测及控制电路，包括基准电压输出缓冲模块402、电压运算模块403和比较器模块404，
所述基准电压输出缓冲模块402的输入端连接基准电压，其输出端连接所述电压运算模块403的第二输入端；
所述比较器模块404的第一输入端连接所述电压运算模块403的输出端，其第二输入端连接待检测电压，其输出端作为所述电压检测及控制电路的输出端；
所述电压运算模块403包括第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第一电容C3、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2，
第一PMOS管MP1的源极作为所述电压运算模块403的第一输入端连接外部调整电压，其栅极连接第一反相器INV1的输出端，其漏极连接第一NMOS管MN1和第二PMOS管MP2的漏极以及第一电容C3的上极板；
第二反相器INV2的输入端连接第一反相器INV1的输入端并连接外部时钟信号clk，其输出端连接第一NMOS管MN1的栅极；
第二PMOS管MP2的源极连接第一NMOS管MN1的源极并作为所述电压运算模块403的第二输入端，其栅极连接第三反相器INV3的输入端并连接外部时钟信号clk；
第二NMOS管MN2的栅极连接第三反相器INV3的输出端，其漏极连接第一电容C3的下极板并作为所述电压运算模块403的输出端，其源极接地。
具体的，所述基准电压输出缓冲模块402包括运算放大器、第一电阻R1和第三PMOS管MP3，
运算放大器的正向输入端连接所述基准电压，其负向输入端连接第三PMOS管MP3的漏极和第一电阻R1的一端并作为所述基准电压输出缓冲模块402的输出端，其输出端连接第三PMOS管MP3的栅极，第三PMOS管MP3的源极接电源电压，第一电阻R1的另一端接地。
具体的，所述比较器模块404包括一个比较器405，所述比较器405的负向输入端连接所述电压运算模块403的输出端，其正向输入端连接所述待检测电压，其输出端作为所述电压检测及控制电路的输出端。
具体的，所述外部调整电压VY的电压值大于所述基准电压输出缓冲模块402输出端的电压值Vrefbuf。
本发明的工作原理为：
基准电压Vref是一个不随电源电压、温度、工艺变化的准确的电压，其通过基准电压输出缓冲模块402后得到一个缓冲基准电压Vrefbuf；电压运算模块403在外部时钟信号clk的控制下，对外部调整电压VY和缓冲基准电压Vrefbuf进行处理，得到一个比较信号Vdet＝VY-Vrefbuf；通过比较待检测电压VX和比较信号Vdet的电压值控制输出的控制信号Vctrl为低电平或高电平，通过调整比较信号Vdet的值调整控制信号Vctrl为高电平的条件。
本发明的有益效果为：本发明提供的电压检测及控制电路检测范围大，适用范围广，尤其适用于动态放大器，通过调整在电源电压波动下的比较信号Vdet的电压值，从而调整不同电源电压下动态放大器的放大时间，在电源电压的一定变化范围内，得到不随电源电压变化变化的动态放大器放大倍数，从而获得抗电源电压波动的增益稳定动态放大器。
附图说明
图1为传统带共模检测的电荷转移型动态放大器的电路示意图。
图2为本发明提供的电压检测及控制电路适用于电荷转移型动态放大器校正增益时的电路示意图。
图3为本发明提供的电压检测及控制电路的内部模块组成示意图。
图4为实施例中基准电压输出缓冲模块的内部结构示意图。
图5为本发明中电压运算模块的内部结构示意图。
图6为实施例中比较器模块的内部结构示意图。
图7为实施例中将本发明适用于电荷转移型动态放大器实现电压波动下增益稳定的电路示意图。
图8为实施例中将本发明用于电压监测时的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
如图3所示，本发明包括基准电压输出缓冲模块402、电压运算模块403和比较器模块404，基准电压输出缓冲模块402的输入端连接基准电压Vref，其输出端输出缓冲基准电压Vrefbuf至电压运算模块403的第二输入端；电压运算模块403的第一输入端连接外部调整电压VY，在外部时钟信号clk的控制下对其第一输入端和第二输入端的信号进行处理，得到一个比较信号Vdet＝VY-Vrefbuf输出到比较器模块404的第一输入端；比较器模块404的第二输入端连接待检测电压VX，通过比较待检测电压VX和比较信号Vdet的值得到一个控制信号Vctrl。
本发明提供的电压检测及控制电路通过调整基准电压Vref和外部调整电压VY的值得到不同比较信号Vdet的值，从而可以根据需要实现不同条件的输出控制信号Vctrl的产生，比较信号Vdet的范围可以为0～VDD，检测范围大。
如图2和图7所示，本发明提供的电压检测及控制电路可以代替传统动态放大器中的共模检测器CMD应用到动态放大器中，电压检测及控制电路的第一输入端连接动态放大器中的输出共模电压点，其第二输入端连接电源电压VDD，即待检测电压VX为输出共模电压，外部调整电压VY为电源电压VDD，输出的控制信号Vctrl控制动态放大器的放大过程。实施例中电荷转移型动态放大器包括第四PMOS管M1、第五PMOS管M2、第六PMOS管M3，第三NMOS管M4、第四NMOS管M5、第五NMOS管M6、第六NMOS管M7，第二电容C1、第三电容C2、第四电容CLN、第五电容CLP，第一压控开关SW1和第二压控开关SW2。第三NMOS管M4和第四NMOS管M5为动态放大器的输入对管，第三NMOS管M4的栅极为动态放大器的正相输入端，第四NMOS管M5的栅极为动态放大器的负相输入端，第三NMOS管M4的源极连接第四NMOS管M5的源极和第三NMOS管M6的漏极，第三NMOS管M6的栅极连接控制信号Vctrl，其源极连接第六NMOS管M7的漏极，第六NMOS管M7的栅极连接外部时钟信号clk，其源极接地。第三NMOS管M4的漏极连接第四PMOS管M1的漏极、第二电容C1的上极板和第一压控开关SW1的输入端，是动态放大器的负相输出端V1，第四NMOS管M5的漏极连接第六PMOS管M3的漏极、第三电容C2的上极板和第二压控开关SW2的输入端，是动态放大器的正相输出端V2，第五PMOS管M2的漏极连接第二电容C1和第三电容C2的下极板和本发明提供的电压检测和控制电路的第一输入端，第四PMOS管M1、第五PMOS管M2和第六PMOS管M3的栅极都连接外部时钟信号clk，第四PMOS管M1、第五PMOS管M2和第六PMOS管M3的源极都连接电源电压VDD，本发明输出的控制信号Vctrl控制第一压控开关SW1和第二压控开关SW2的闭合和断开，第一压控开关SW1的输出端连接第四电容CLN的上极板，第二压控开关SW2的输出端连接第五电容CLP的上极板，第四电容CLN和第五电容CLP的下极板均接地。
如图4所示为本实施例中基准电压输出缓冲模块402的电路结构图，包括运算放大器、第一电阻R1和第三PMOS管MP3，运算放大器的正向输入端连接基准电压Vref，其负向输入端连接第三PMOS管MP3的漏极和第一电阻R1的一端并作为基准电压输出缓冲模块的输出端输出缓冲基准电压Vrefbuf，其输出端连接第三PMOS管MP3的栅极，第三PMOS管MP3的源极接电源电压VDD，第一电阻R1的另一端接地。由于电压运算模块403中的运算操作过程需要缓冲基准电压Vrefbuf具备较高的响应速度，因此需要将基准电压Vref缓冲得到缓冲基准电压Vrefbuf，其作用主要是提高驱动能力，从而满足具体应用中对响应速度的要求。
图5所示为本发明中电压运算模块403的结构示意图。图6所示为本实施例中比较器模块404的电路结构图，包括一个比较器405，所述比较器405的负向输入端连接所述电压运算模块的输出端，其正向输入端连接待检测电压VX，其输出端作为所述电压检测及控制电路的输出端，当待检测电压VX大于比较信号Vdet的电压值时，控制信号Vctrl输出为高电平；当待检测电压VX小于比较信号Vdet的电压值时，控制信号Vctrl输出为低电平。
当外部时钟信号clk为低电平时，由外部时钟信号clk连接的第四PMOS管M1的栅极、第五PMOS管M2的栅极、第六PMOS管M3的栅极均为低电平，动态放大器中的第四PMOS管M1、第五PMOS管M2、第六PMOS管M3导通，外部时钟信号clk连接的第六NMOS管M7的栅极也为低电平，第六NMOS管M7关断，动态放大器的负相输出端V1、正相输出端V2和内部结点Vx被充电到电源电压VDD，同一外部时钟信号clk连接到电压运算模块403，其中外部时钟信号clk连接第五PMOS管M9的栅极，使第五PMOS管M9导通，外部控制时钟clk连接第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3的输入端，外部控制时钟clk使第二反相器INV2的输出端连接的第一NMOS管MN1的栅极为高电平，从而控制第一NMOS管MN1导通；外部时钟信号clk使第一反相器INV1的输出端连接的第一PMOS管MP1的栅极为高电平，从而控制第一PMOS管MP1关断；外部时钟信号clk使第三反相器INV3的输出端连接的第二NMOS管MN2的栅极为高电平，从而控制第二NMOS管MN2导通，随后，第一电容C3的上极板电压被充电到基准电压输出缓冲模块402输出的基准缓冲电压Vrefbuf，第一电容C3的下极板电压被放电到地，那么，电压运算模块403的内部结点Vtop和比较信号Vdet的电压可以表示为：
Vtop＝Vrefbuf
Vdet＝0
比较器模块404内部的比较器405的负相输入端电压即为电压运算模块403输出的比较电压Vdet，对于比较器405，其正相输入端连接的动态放大器中第五PMOS管M2的漏端节点即电压检测及控制电路的第一输入端Vx被充电到电源电压VDD，有VDD>Vdet，比较器405的输出端连接比较器模块404的输出端，使输出的控制信号Vctrl的电压上升为高电平，从而控制第一压控开关SW1、第二压控开关SW2闭合，使动态放大器的负相输出端V1连接到第四电容CLN的上极板，动态放大器的正相输出端V2连接到第五电容CLP的上极板，则第四电容CLN、第五电容CLP的上极板电压均为电源电压VDD，与控制信号Vctrl相连的动态放大器的第五NMOS管M6的栅极电压为高电平，则第五NMOS管M6导通，但是因为第六NMOS管M7关断，因此整个动态放大器处在复位阶段，动态放大器的正相输出端和负相输出端的电压为：
Voutn＝V1＝VDD
Voutp＝V2＝VDD
当外部时钟信号clk由低电平变为高电平时，动态放大器开始进行放大，具体过程为，由外部时钟信号clk连接的第四PMOS管M1的栅极、第五PMOS管M2的栅极、第六PMOS管M3的栅极均变为高电平，控制第四PMOS管M1、第五PMOS管M2和第六PMOS管M3均关断，同时，外部时钟信号clk使第六NMOS管M7的栅极变为高电平，第六NMOS管M7导通，输入对管第三NMOS管M4、第四NMOS管M5的栅极分别接正相输入电压Vip、负相输入电压Vin，开始对第四电容CLN上极板电压Voutn和第五电容CLP上极板电压Voutp进行放电(正相输入电压Vip和负相输入电压Vin在放大期间保持不变)，定义第三NMOS管M4、第四NMOS管M5的阈值电压相等且都为Vth，两者的β＝Cox*μ*W/L也相等，输出电压随输入电压和时间的变化关系为：
同一外部时钟信号clk连接到电源电压波动检测模块403，其中外部时钟信号clk连接第二PMOS管MP2的栅极，使第二PMOS管MP2关断，外部时钟信号clk连接第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3的输入端，外部时钟信号clk使第二反相器INV2的输出端连接的第一NMOS管MN1的栅极为低电平，控制第一NMOS管MN1关断，外部时钟信号clk使第一反相器INV1的输出端连接的第一PMOS管MP1的栅极为低电平，从而控制第一PMOS管MP1导通，外部时钟信号clk使第三反相器INV3的输出端连接的第二NMOS管MN2的栅极为低电平，控制第二NMOS管MN2关断，随后，第一电容C3的上极板电压被充电到电源电压VDD，第五电容C3的下极板电压Vdet表示为：
Vdet＝VDD-Vrefbuf
比较器模块404内部的比较器405的负相输入端电压即为电压运算模块403的输出的比较信号Vdet的电压，对于比较器405，其正相输入端连接到动态放大器中第五PMOS管M2的漏端Vx，Vx点的电压在放大过程中表示为：
放大过程中，比较器模块404内部的比较器405的正相输入端电压Vx随放大时间下降，负相输入端为电压运算模块403输出的比较信号Vdet，比较器405的正相输入端电压Vx从VDD逐渐下降，一旦比较器405的正相输入电压Vx小于负相输入端电压Vdet，比较器405输出的控制信号Vctrl会由高电平变为低电平，控制第一压控开关SW1、第二压控开关SW2关断，断开动态放大器的负相输出端与第四电容CLN上极板的连接，断开动态放大器的正相输出端与第五电容CLP上极板的连接，同时关断第五NMOS管M6，放大时间由比较器405的正相输入端电压Vx从VDD下降到Vdet的时间t确定：
第一压控开关SW1、第二压控开关SW2关断后，第四电容CLN和第五电容CLP的上极板电压就是放大后的动态放大器的负相输出电压和正相输出电压，且在下次复位以前不再改变，对应得到的动态放大器的增益表示为：
上式中Vcm为输入差分信号Vip和Vin的共模电平，当Vip和Vin的差值较小时，增益表达式可以简化为：
通过上述的一系列操作可以发现，该动态放大器的增益在电源电压波动下保持不变，需要说明的是基准电压输出缓冲模块402的正相输入端为该模块外部产生的不随电压变化的基准电压Vref，通过基准电压输出缓冲模块402得到的Vrefbuf可以通过设计结构和设计参数的不同进行调节(本实施例中设计Vrefbuf＝Vref)。
综上所述，本实施例中电压检测及控制电路401代替了传统动态放大器中的共模检测器CMD，通过电压运算模块403检测电源电压的变化并得到不同的比较信号Vdet的值，通过比较器模块404与动态放大器相应操作的结合，改变动态放大器的放大时间，校正电源电压波动下动态放大器的放大倍数，从而获得了具有电压波动下增益稳定特性的动态放大器，克服了传统动态放大器电源电压的变化和波动对增益的影响，在一定程度上优化了该动态放大器的性能，扩展了该动态放大器的应用范围。
值得说明的是，本发明提供的电压检测及控制电路不止可以用于动态放大器中稳定动态放大器的增益，还可以用于其他合适的场景，用于检测电压并根据需要提供控制信号。如图8所示为实施例中将本发明应用到电压监测领域，基准电压输出缓冲模块的输入端连接一个外部基准电压Vref2，其输出端连接电压运算模块的第二输入端；电压运算模块的第一输入端连接另一个外部基准电压Vref1，其时钟信号输入端连接外部时钟信号clk；比较器模块的正向输入端连接电压运算模块的输出端，其负向输入端连接外部待检测电压Vi。
当外部时钟信号clk为低电平时，本实施例中的电压检测及控制电路处于复位状态，电压运算模块的输出信号Vdet＝0，此时可以根据实际需要自行选择外部基准电压Vref1和Vref2的值，选定后待其稳定，将外部时钟信号clk设置为高电平，监测功能开启，那么通过电压运算模块处理得到的Vdet＝Vref1-Vref2，此时该电路的基本功能可以表述为：在正常情况下Vi>Vdet，输出控制信号Vctrl为高电平，一旦在监测期间发生Vi<Vdet，输出控制信号Vctrl变为低电平，该输出可以作为判断Vi与Vdet大小关系的标志信号配合***电路实现电压监测的基本功能。
上述实施例的带增益校正模块的动态放大器结构适用于各类集成电路(IC)***中，也可以作为独立的知识产权IP(Intellectual Property)。
虽然本发明的一种抗电压波动的动态放大器增益校正电路内容已经以实例的形式公开如上，然而并非用以限定本发明，如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护范围内。

Claims (4)

1.电压检测及控制电路，包括基准电压输出缓冲模块(402)、电压运算模块(403)和比较器模块(404)，
所述基准电压输出缓冲模块(402)的输入端连接基准电压，其输出端连接所述电压运算模块(403)的第二输入端；
所述比较器模块(404)的第一输入端连接所述电压运算模块(403)的输出端，其第二输入端连接待检测电压，其输出端作为所述电压检测及控制电路的输出端；
其特征在于，所述电压运算模块(403)包括第一反相器(INV1)、第二反相器(INV2)、第三反相器(INV3)、第一电容(C3)、第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第一PMOS管(MP1)和第二PMOS管(MP2)，
第一PMOS管(MP1)的源极作为所述电压运算模块(403)的第一输入端连接外部调整电压，其栅极连接第一反相器(INV1)的输出端，其漏极连接第一NMOS管(MN1)和第二PMOS管(MP2)的漏极以及第一电容(C3)的上极板；
第二反相器(INV2)的输入端连接第一反相器(INV1)的输入端并连接外部时钟信号(clk)，其输出端连接第一NMOS管(MN1)的栅极；
第二PMOS管(MP2)的源极连接第一NMOS管(MN1)的源极并作为所述电压运算模块(403)的第二输入端，其栅极连接第三反相器(INV3)的输入端并连接外部时钟信号(clk)；
第二NMOS管(MN2)的栅极连接第三反相器(INV3)的输出端，其漏极连接第一电容(C3)的下极板并作为所述电压运算模块(403)的输出端，其源极接地。
2.根据权利要求1所述的电压检测及控制电路，其特征在于，所述基准电压输出缓冲模块(402)包括运算放大器、第一电阻(R1)和第三PMOS管(MP3)，
运算放大器的正向输入端连接所述基准电压，其负向输入端连接第三PMOS管(MP3)的漏极和第一电阻(R1)的一端并作为所述基准电压输出缓冲模块(402)的输出端，其输出端连接第三PMOS管(MP3)的栅极，第三PMOS管(MP3)的源极接电源电压，第一电阻(R1)的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的电压检测及控制电路，其特征在于，所述比较器模块(404)包括一个比较器(405)，所述比较器(405)的负向输入端连接所述电压运算模块(403)的输出端，其正向输入端连接所述待检测电压，其输出端作为所述电压检测及控制电路的输出端。
4.根据权利要求1所述的电压检测及控制电路，其特征在于，所述外部调整电压的电压值大于所述基准电压输出缓冲模块(402)输出端的电压值。
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