CN101048668A - 比较器反馈峰值检测器 - Google Patents

Abstract

公开了一种检测峰－峰值电压的电路及方法。该电路包括：第一比较器，所述第一比较器具有耦合到第一电容器的输出，用于接收高频AC波形的非反相输入，和反相输入；第二比较器，所述第二比较器具有耦合到第二电容器的输出，和第一第二输入；运算放大器，所述运算放大器具有耦合到第一比较器的反相输入的非反相输入，以及耦合到第一输入的反相输入。该方法包括当高频AC波形电压大于第一电容器的缓冲电压时对第一电容器充电，当第二电容器的反相缓冲电压大于高频AC波形电压时对第二电容器充电，并且输出基于第一电容器的缓冲电压和第二电容器的反相缓冲电压的电压。

Description

比较器反馈峰值检测器

背景技术

技术领域

本发明涉及AC波形的峰-峰值电压的测量。

相关技术说明

制造商经常在将他们的电子系统运送给客户之前，测试这些电子系统和元件。电子系统和元件也在返修(rework)和修理时被进行测试。电测试一般利用数字和/或模拟逻辑器件执行。

逻辑器件由于介电材料、内部电阻、电容和电感，而固有地具有受限的转换速度。半导体设计者集中精力来改善功率损耗和传播延迟。功率损耗是指逻辑器件运行时所消耗的功率。传播延迟是指逻辑器件在接收到输入信号后提供输出所花费的平均时间。

随着对于更高转换速度的需求增长，半导体技术也取得了进展。例如，传统的二极管逻辑、电阻器-晶体管逻辑、和二极管-晶体管逻辑已经被共同的晶体管-晶体管逻辑(TTL)所代替。TTL技术作为逻辑电路的基础已经被广泛使用了约20年。肖特基、低功率肖特基、改进型肖特基、和改进型低功率肖特基系列TTL器件一般表现为分别为3ns、9ns、1.5ns和4ns的传输延迟，和分别为每门18mW、2mW、10mW和1mW的功率损耗。对于当今最高速的应用，设计者使用射极耦合逻辑(ECL)，其一般表现为0.5到2ns的传输延迟，和每门25mW的功率损耗。

附图说明

图1是简化电路图。

图2是简化电路图。

图3是简化电路图。

发明内容

在整个说明书中，所示的实施例和示例应当被认为是范例，而不是对本发明的设备和方法的限制。

参照图1，所示为高速峰-峰值检测器100的简化电路图。该高速峰-峰值检测器100可以测量高频AC波形的峰-峰值电压。峰-峰值电压是指高频AC波形的最大电压和最小电压的幅值差。高频是指超过10MHz的频率。AC是指交流。波形是指作为时间的函数的电信号的电压。高速是指高速峰-峰值检测器100能够以小于2μs的间隔提供对高频AC波形的精确测量。当峰-峰值电压约为2.048V时，精确测量的最大误差在峰-峰值电压的+/-(1.9dB+5mV)以内。高速峰-峰值检测器可以安装在数字半导体测试仪、模拟计算机、手持式信号分析器或其他仪器中。

高速峰-峰值检测器100可以包括正峰值子电路110、负峰值子电路120、运算放大器130和复位子电路105。正峰值子电路110可以包括第一比较器140、第一转换器145、第一高速二极管148、第一电容器149和第一缓冲放大器150。

第一比较器140可以是高速比较器。高速比较器的特征在于传播速率约为2.5ns或更小。高速比较器包括ECL技术比较器，诸如ECL，正ECL(PECL)，低压正ECL(LVPECL)、负ECL(NECL)和低压负ECL(LVNECL)。然而，高速比较器不限于ECL技术。例如Maxim Integrated Products制造的高速比较器MAX9691。

ECL比较器可由单个电源或双电源供电。由双电源或双电源轨(rail)供电的ECL比较器表现为比单电源轨ECL比较器更快的传播速率。对于信号表现为高频频率的高带宽应用，第一比较器140应当包括双电源轨。

第一比较器140可以包括非反相输入141、反相输入142、和输出143。第一比较器140可以在非反相输入141和非反相输入142处接收模拟输入信号。如果在非反相输入141处接收的信号的电压值大于在反相输入142处接收的信号的电压值，那么第一比较器140在输出143处输出逻辑高电压，否则，第一比较器140在输出143处输出逻辑低电压。对于ECL逻辑的一般逻辑电平是-0.95V至-0.7V的逻辑高以及-1.9V至-1.6V的逻辑低。

在例如大于10MHz的高频，高速比较器以比由二极管配置成的执行峰值检测器功能的标准运算放大器更高的精度和更快的速度进行操作。高速比较器，不同于标准运算放大器，不会由于饱和而遭受慢传播。高速比较器表现出比由二极管配置成的执行峰值检测器功能的标准运算放大器具有精确测量更小电压的能力。此外，关于波形的变化波形的波峰因数，高速比较器以比二极管配置成的执行峰值检测器功能的标准运算放大器更高的精度进行工作。

第一比较器140的非反相输入141可以从电压输入144接收AC波形的电压。该AC波形可以表现为例如150kHz、1MHz或者50MHz的频率。

第一转换器145可以包括输入146和输出147。第一转换器145的输入146可以被耦合到第一比较器140的输出143上。第一转换器145可以对从第一比较器140的输出145提供的电压进行电平移位。电平移位可以是从ECL逻辑电平到TTL逻辑电平。一般的TTL逻辑电平包括0V到0.4V的逻辑低和2.4V到5V的逻辑高。如果第一比较器140提供TTL或者CMOS电平输出电压，则可以将第一转换器145从正峰值子电路110中略去。

第一高速二极管148可以耦合到第一转换器145的输出148。第一高速二极管148可以具有快速传播速率。高速二极管例如是肖特基二极管。肖特基二极管能够在不降低经过它的信号的幅值的情况下以高频率进行切换。第一高频二极管148可以被选择为仅当信号至少具有TTL逻辑高电压时才允许信号穿过第一高速二极管148。

第一电容器149可以耦合于第一高速二极管148与地之间。地一词是指具有零电压的电气源端(sink)。源端可具有零电压或其他公共电压。当第一比较器140输出逻辑高电压时，转换器145将输出TTL逻辑高电压，其经过第一高速二极管148并对第一电容器149充电。当第一比较器140输出逻辑低电压时，转换器将输出TTL逻辑低电压，其不经过第一高速二极管148。第一高速二极管148可以阻止电流从第一电容器149流向第一转换器145的输出148。

第一缓冲放大器可以包括非反相输入151、反相输入152和输出153。第一缓冲放大器150的非反相输入151可以耦合在第一高速二极管148和第一电容器149之间。第一缓冲放大器150的输出153可以耦合到第一缓冲放大器150的反相输入152和第一比较器140的反相输入142。

第一缓冲放大器150可以是表现为高输入阻抗和低输出阻抗的运算放大器。因为高输入阻抗，第一电容器149将表现为通过第一缓冲放大器150进行最小放电或不进行放电。第一缓冲放大器150将耦合到第一缓冲放大器150的非反相输入151的元件与第一缓冲放大器的输出153隔离开，因为第一缓冲放大器150的非反相输入151具有10¹²欧姆级的阻抗。由于低输出阻抗和高功率增益，第一缓冲放大器150可能经由第一缓冲放大器150的输出153对几个元件输出与第一电容器149具有基本相同电压的信号。

当第一比较器142的非反相输入141处的AC波形的电压大于第一比较器140的反相输入142处的第一电容器149的缓冲电压时，第一比较器140将输出逻辑高电压。

第一电容器149表现出被称为转换速率(slew rate)的特性。转换速率是电压相对于时间的最大变化，一般以V/μs来计量。如果AC波形表现出非常快速的频率，则第一电容器149的转换速率可以使得在AC波形的第一正周期期间，第一电容器149仅仅部分地充电到AC波形的正峰值电压。因此，第一电容器149可能需要超过AC波形一个周期的时间来充电到AC波形的峰值电压。

负峰值子电路120可以包括第二比较器160、第二转换器165、第二高速二极管170、第二电容器171、第二缓冲放大器172和反相放大器180。

第二比较器160可以包括非反相输入161、反相输入162和输出163。第二比较器160可以在非反相输入161和反相输入162处接收模拟输入信号。如果在非反相输入161处接收的信号的电压高于在反相输入162处接收的信号的电压，那么第二比较器160在输出163处输出逻辑高电压。

第二比较器160的反相输入142可以耦合到第一比较器140的非反相输入141。第二高速比较器的反相输入142可以从电压输入144接收到AC波形的电压。

第二转换器165可以包括输入166和输出167。第二转换器165的输入166可以耦合到第二比较器160的输出163。第二转换器165可以对从第二比较器160的输出163提供的电压进行电平移位。

第二高速二极管170可以耦合于第二转换器165的输出167和第二电容器171之间。第二电容器可以耦合于第二高速二极管170和地之间。当第二比较器160输出逻辑高电压时，第二转换器165将输出TTL逻辑高电压，其经过第二高速二极管170并向第二电容器171充电。当第二比较器160输出逻辑低电压时，第二转换器165将输出TTL逻辑低电压，其不经过第二高速二极管171。

第二缓冲放大器172可以包括非反相输入173、反相输入174、和输出175。第二缓冲放大器172的非反相输入173可以耦合于第二高速二极管170和第二电容器171之间。第二缓冲放大器172的输出175可以耦合到第二缓冲放大器174的反相输入174。

反相放大器180可以包括输入181和输出182。反相放大器180可以是运算放大器。反相放大器180可以在反相放大器180的输出182处提供与反相放大器180的输入181处的电压相反的电压。反相放大器180的输出182可以耦合到第二比较器160的非反相输入161。

当第二比较器171的反相缓冲电压大于第二高速比较器的反相输入162处的AC波形的电压时，第二高速比较器将输出逻辑高电压。

运算放大器130可以被配置为差分放大器、乘法放大器、除法放大器或加法放大器。如图1所示，运算放大器被配置为差分放大器。差分放大器输出在差分放大器的多个输入处的电压的差值。

运算放大器130可以包括非反相输入131、反相输入132和输出133。运算放大器130的非反相输入131可以耦合到第一缓冲放大器150的输出153。运算放大器130的反相输入132可以耦合到反相放大器180的输出182。为实现差分放大器的功能，运算放大器130的非反相输入131与第一缓冲放大器的输出153的耦合以及运算放大器130的反相输入132与反相放大器180的输出182的耦合都包括具有共同电阻的电阻器。

运算放大器130在运算放大器130的输出133处输出电压，该电压是运算放大器130的非反相输入131处的第一电容器149的缓冲电压与运算放大器130的反相输入132处的第二电容器172的反相缓冲电压之间的差值。运算放大器130的输出133处的电压可以被提供给数字转换器、传统电压计或其他仪器的输入190。

复位子电路105可以包括地191、第一高速开关192、第二高速开关193和触发器194。触发器194可以耦合到地191、第一高速开关192和第二高速开关193。触发器194可以是按钮、受计算机控制的逻辑电路或其他仪器。

第一高速开关192可以耦合于第一缓冲放大器150的非反相输入152和地191之间。第二高速开关193可以耦合于第二缓冲放大器172的非反相输入173和地191之间。第一高速开关192和第二高速开关193可以是FET开关或其他开关。当触发器194被激活时，第一高速开关192使得第一电容器149向地191放电。另外，当触发器194被激活时，第二高速开关193使得第二电容器171向地191放电。通过使用FET开关，电容器的放电可以快速完成，例如在1μs内。

图1的峰-峰值检测器100可以提供精确测试高频AC波形的幅值的能力。峰-峰值检测器100的速度特性可能允许以2.5ns的最小脉宽对波形进行精确测试。如图1中配置的，峰-峰值检测器100的输出转换速率可以是1V/μs，下降速率(droop rate)可以小于1mV/μs。此外，峰-峰值检测器100可以在150kHz到至少75MHz的频率内精确使用。

一些半导体，例如控制光盘或数字视频盘驱动器的光学器件和伺服电机的处理器，以高频率运行。高速运行的半导体的制造商想要测试与这些半导体交互的信号的峰-峰值电压。该测试可能以高频率进行。峰-峰值检测器100，与具有数字信号处理(DSP)技术的通用数字转换器不同，能够使用模拟电路满足带宽需求。

现在参照图2，所示为高速峰-峰值检测器200的简化电路图。在本实施例中，高速峰-峰值检测器200不包括转换器。第一高速二极管210耦合于第一电容器215和第一比较器225的输出220之间。第二高速二极管230耦合于第二电容器235和第二比较器245的输出240之间。

第一比较器225和第二比较器245可以是具有多个TTL输出的高速比较器，或其他仪器。第一高速二极管215和第二高速二极管230可以被选择为允许高速比较器的高逻辑状态输出信号经过高速二极管，并且高速比较器的低逻辑状态输出信号不经过高速二极管。

参照图3，所示为高速峰-峰值检测器300的简化电路图。高速峰-峰值检测器300可以包括正峰值子电路305、负峰值子电路310和运算放大器320。在本实施例中，负峰值子电路310被配置为使得在引入到第二高速比较器之前对AC波形进行反相。此外，运算放大器320被配置为加法放大器。

负峰值子电路310包括反相放大器325、第二比较器330、第二高速二极管335、第二电容器340和第二缓冲放大器。

反相放大器325包括非反相输入326、反相输入327和输出328。反相放大器325的非反相输入326耦合到地。反相放大器325的反相输入327可以耦合到第一比较器380的非反相输入381。反相放大器325的反相输入327可以接收AC波形。反相放大器325可以在反相放大器的输出328处输出AC波形的电压的负值。

第二比较器330可以包括非反相输入331、反相输入332和输出333。第二比较器330的非反相输入331可以耦合到反相放大器325的输出328。

第二高速二极管335可以耦合于第二比较器340和第二高速比较器的输出333之间。第二电容器340可以耦合于第二高速二极管335和地之间。

第二缓冲放大器345可以包括非反相输入346、反相输入367和输出348。第二缓冲放大器345的非反相输入346可以耦合于第二高速二极管335和第二电容器340之间。第二缓冲放大器的输出348可以耦合到第二缓冲放大器345的反相输入347。第二缓冲放大器的输出348也耦合到第二比较器333的反相输入332。

当第二比较器330的非反相输入331处的AC波形的反相电压大于第二比较器333的反相输出332处的第二电容器340的缓冲电压时，第二比较器330将使第二电容器340充电。

运算放大器320可以被配置为加法放大器。运算放大器可以包括非反相输入321、反相输入322和输出323。运算放大器320的非反相输入321可以耦合到地。运算放大器320的输出323可以耦合到运算放大器的反相输入211。运算放大器的反相输入211也可以耦合到第二缓冲放大器345的输出348和第一缓冲放大器360的输出361。为实现加法放大器的功能，运算放大器的反相输入322与运算放大器的输出323、第二缓冲放大器345的输出348、和第一缓冲放大器360的输出361中每个的耦合都将包括一具有共同电阻值的电阻器。运算放大器320的输出323将是第一电容器350的缓冲电压和第二电容器340的缓冲电压之和的负值。

本文描述的峰-峰值电压检测器可以用于自动测试设备。一般地自动测试设备(ATE)利用DSP来测量电信号的幅值、谐波、和噪声。ATE一般用于测试数字集成电路、线性和混合信号集成电路、以及微波器件。

ATE可以以程序设定的间隔向触发器发送电脉冲。电脉冲可以使触发器以引起电容器周期性放电的固定间隔进行激活。ATE可以包括将运算放大器的输出转换为数字信号的数字转换器。ATE可以包括捕获存储器(capture memory)。捕获存储器可以在一段时间上记录并存储数字信号。基于存储于捕获存储器中的数字信号和时间数据，ATE可以平均或不平均地计算波形的包络。

尽管已经示出和描述了本发明的示例性实施例，但是对本领域普通技术人员而言，显然可以在不脱离本发明的精神的情况下对本文描述的本发明作出各种变化、修改、或替换。因此，所有这些变化、修改和替换应当被视为在本发明的范围内。

Claims (26)

1、一种电路，包括：

第一电容器

第一比较器，具有

耦合到第一电容器的输出

用于接收高频AC波形的非反相输入

反相输入

第二电容器

第二比较器，具有

耦合到第二电容器的输出

第一输入

第二输入

运算放大器，具有

耦合到第一比较器的反相输入的非反相输入

耦合到第一输入的反相输入。

2、如权利要求1所述的电路，进一步包括：

耦合于第一电容器和第一比较器的输出之间的第一高速二极管耦合于第二电容器和第二比较器的输出之间的第二高速二极管。

3、如权利要求2所述的电路，其中：

第一输入是用于接收第二电容器的反相缓冲电压的非反相输入

第二输入是用于接收高频AC波形的反相输入，

第二输入耦合到第一比较器的非反相输入。

4、如权利要求3所述的电路，进一步包括：

第一缓冲放大器，具有

耦合到第一电容器的输入

耦合到第一比较器的反相输入的输出

第二缓冲放大器，具有

耦合到第二电容器的输入

输出

反相放大器，具有

耦合到第二缓冲放大器的输出的输入

耦合到第一输入的输出。

5、如权利要求4所述的电路，其中比较器是高速比较器。

6、如权利要求4所述的电路，进一步包括：

对于每一个比较器，耦合于所述比较器和所述电容器之间的ECL-TTL转换器，其中所述比较器是ECL比较器。

7、如权利要求4所述的电路，进一步包括：

耦合于第一电容器和一源端之间的第一FET开关，所述第一FET开关用于在第一FET开关接收到RESET信号时对第一电容器进行放电

耦合于第二电容器和所述源端之间的第二FET开关，所述第二FET开关用于在第二FET开关接收到RESET信号时对第二电容器进行放电。

8、如权利要求2所述的电路，其中：

第一输入是用于接收第二电容器的缓冲电压的反相输入

第二输入是用于接收反相高频AC波形的非反相输入。

9、如权利要求8所述的电路，进一步包括：

第一缓冲放大器，具有

耦合到第一电容器的输入

耦合到第一比较器的反相输入的输出

第二缓冲放大器，具有

耦合到第二电容器的输入

耦合到第一输入的输出。

10、如权利要求9所述的电路，进一步包括：

反相放大器，具有

耦合到第一比较器的非反相输入的输入

耦合到第二输入的输出。

11、如权利要求10所述的电路，其中比较器是高速比较器。

12、如权利要求10所述的电路，进一步包括：

对于每一个比较器，耦合于所述比较器和所述电容器之间的ECL-TTL转换器，其中所述比较器是ECL比较器。

13、如权利要求10所述的电路，进一步包括：

耦合于第一电容器和一源端之间的第一FET开关，所述第一FET开关用于在第一FET开关接收到RESET信号时对第一电容器进行放电

耦合于第二电容器和所述源端之间的第二FET开关，所述第二FET开关用于在第二FET开关接收到RESET信号时对第二电容器进行放电。

14、如权利要求2所述的电路，其中运算放大器进一步包括与自动测试系统的数字转换器相耦合的输出。

15、如权利要求13所述的电路，进一步包括自动测试系统，所述自动测试系统包括数字转换器和捕获存储器，所述数字转换器与运算放大器的输出相耦合，所述捕获存储器与所述数字转换器相耦合，其中RESET信号是具有固定间隔的周期性脉冲。

16、一种包括权利要求7的电路的自动测试系统。

17、一种检测峰-峰值电压的方法，包括：

当高频AC波形电压大于第一电容器的缓冲电压时对第一电容器充电，

当第二电容器的反相缓冲电压大于高频AC波形电压时对第二电容器充电，

输出基于第一电容器的缓冲电压和第二电容器的反相缓冲电压的电压。

18、如权利要求17所述的检测峰-峰值电压的方法，进一步包括：

在输出电压的同时阻止电容器放电。

19、如权利要求18所述的检测峰-峰值电压的方法，进一步包括：

断开第一和第二FET开关，以使这些电容器分别放电。

20、如权利要求18所述的检测峰-峰值电压的方法，进一步包括：

数字化电压，

在捕获存储器中存储数字化的电压和时间数据，

其中FET开关以固定间隔周期性地断开。

21、如权利要求19所述的检测峰-峰值电压的方法，进一步包括：

基于捕获存储器中的数字电压和时间数据计算平均波形包络。

22、一种检测峰-峰值电压的方法，包括：

当高频AC波形电压大于第一电容器的缓冲电压时对第一电容器充电

当反相AC波形电压大于第二电容器的缓冲电压时对第二电容器充电

输出基于这些电容器的缓冲电压的电压。

23、如权利要求22所述的检测峰-峰值电压的方法，进一步包括：

在输出电压的同时阻止电容器放电。

24、如权利要求23所述的检测峰-峰值电压的方法，进一步包括：

断开第一和第二FET开关以使这些电容器分别放电。

25、如权利要求24所述的检测峰-峰值电压的方法，进一步包括：

数字化电压，

在捕获存储器中存储数字化的电压和时间数据，

其中FET开关以固定间隔周期性地断开。

26、如权利要求25所述的检测峰-峰值电压的方法，进一步包括：

基于捕获存储器中的数字电压和时间数据计算平均波形包络。

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