CN102047129A

CN102047129A - 确定线性和非线性电阻器组的电阻器的值的方法和系统

Info

Publication number: CN102047129A
Application number: CN2009801202101A
Authority: CN
Inventors: H·加萨; G·A·马赫
Original assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: TW200949263A; KR20100137558A; US20090251156A1; CN102047129B; US9279840B2; US20120223728A1; US8179151B2; KR101652359B1; WO2009123707A1; TWI458999B

Abstract

本发明采用分组布置的同一尺寸镜像晶体管，其可以优先地被寻址和激活以确定电阻器值。已知的电流被引导通过电阻器，并且通过与参考电压进行比较来测量产生的电压。按最低有效值增加或减小电流，直到电阻器两端的电压与参考电压匹配。可以使用逐次逼近或其它已知技术作为替代。产生参考电流，其是热稳定的并且在制造时被调整以减小过程影响。参考电压可以被构造为独立于本地电源，使得系统相对独立于过程、电压和温度(PVT)。

Description

确定线性和非线性电阻器组的电阻器的值的方法和系统

技术领域

本申请涉及测量限定特定附件的电阻器的系统，并且更具体地涉及测量附接于移动设备的附件中的这些电阻的系统。

背景技术

用于移动电话和其它移动设备的附件的不同厂家具有内置的唯一的电阻器值，该唯一的电阻器值用于识别不同的附件。在被附接时，移动设备检测识别特定的附件的电阻器的值。然后，该附件的操作可以被执行而无需使用者的进一步动作。

在设计测量这些电阻器的系统时存在限制。更具体地说，涉及的电阻器的动态范围对涉及的最小电流和/或电压具有限制。

能自动地确定外部附件中的所有可能的电阻器的值将是有利的。

发明内容

本发明提供一种IDAC(电流数模转换器)，该IDAC被设计成确定被内置以识别附件的外部电阻器的值。例如，连接到蜂窝电话或其它移动设备的音频或显示附件将在特定的蜂窝电话触点两端表现出特定的电阻器。蜂窝电话将测量电阻以识别附件。

IDAC输出递增的电流，该电流在外部电阻器两端产生电压。电压被与参考电压进行比较，并且改变电流直到电压匹配为止。例示性地，电流源被以最低有效位(LSB)电流的倍数的方式配置并且被引导流过产生外部电压的外部电阻器。系统提供已知的参考电压，并且随着递增的电流被改变，参考电压被连续地与外部电压进行比较。注意，递增的电流可以是正的或负的。也注意，术语“连接”被定义为“耦接”或“功能上连接”，其中其它部件被插入“连接”中不影响本发明。

根据比较，IDAC输出电流被顺序地增加。例如，一系列电流源可以通过五个二进制位(等效于这五个二进制位的十进制数是0到31)寻址。每个组合可以激活32个开关之一，每个开关将与该开关相关联的电流连接到外部电阻器。

如果附件连接到移动设备，如上所述，它把识别该附件的特定的外部电阻器提供给移动设备。二进制寻址的一系列电流源可以被顺序地驱动到产生电压Vext的外部电阻器。尽管能以二进制方式寻址电流源，但是从每个寻址电流源输送的电流不必是增加的二进制倍数。例如，递增的电流的顺序可以是LSB电流的倍数，例如X1(一倍LSB)，然后X2，接着是X3，并且例如后面又接着X1。

产生参考电压Vref，并且Vext与Vref进行比较。比较结果被输入到控制器，该控制器通过下列方式进行调节：按顺序导通下一个的电流源；或者，确定上次增加的电流是足够的，并且用于上次增加的电流源的二进制码产生电阻器的值并因此识别出附件。另外，该二进制码接着可以作为指向驱动该附件的程序(软件)的指针。

本发明可以被应用于电阻器的线性组，而且也可以应用于非线性组。对于外部电阻器的线性组，范围可以从约13K欧姆到665K欧姆，或约50/1的比例。例示性地，LSB(最低有效位)IDAC电流可以是约1.5uA。然而，对于非线性组，范围可以是500/1，或从约2K欧姆到约1M欧姆。容纳非常大的外部电阻器的困难在于其要求非常小的电流。在一个实施例中，来自IDAC的LSB电流为约0.5uA。

对于非线性电阻器组，像线性电阻器组采用的电流源那样，电流源可以被激活，但是通过同时激活电流吸收器来减小电流值。电流吸收器减去来自源的电流并因此减小到达外部电阻器的电流。

例示性地，在构造LSB电流源的倍数(例如X5)时，可以构造LSB晶体管的五倍大的镜像晶体管。但是，优选的本发明方案是制作大小与LSB晶体管相同的五个镜像晶体管。有利地，已经发现，与较大的镜像晶体管相比，可以更精确地构造多个相同尺寸镜像晶体管。

本领域技术人员将明白，尽管以下具体实施方式将参考说明性实施例、附图和使用方法进行，但是本发明不意图被限制于这些实施例和使用方法。更确切些，本发明具有宽的范围并且意图被解释为如伴随的权利要求中阐述的。

附图说明

本发明以下描述引用附图，其中：

图1A是采用电流源的系统的示意图；

图1B是示出了多个电流源的一个可能配置的示意图；

图1C是示出了用于参考电流的多个源的示意图；

图2和3是电阻器组的图形曲线；

图4是示出了电流吸收器的使用的示意图；和

图5是采用电流吸收器和电流源的系统的示意图。

具体实施方式

线性的DAC图1A。

如果外部电阻器组基于电阻值的线性级数，则线性的IDAC 10可以被采用以测量外部电阻。

如果外部电阻器Rext属于电阻器的线性级数，那么R_EXT＝mX，其中m是斜率，X是单位电阻，并且外部电阻器将落到Rext对X的线性图轨迹上。为了确定外部电阻器，参见图1A，使用以下算法：V_EXT＝I_DACR_EXT

其中，N{0，1，2，...2ⁿ}，并且V_BG是过程独立的电压。在图1A中，R_TRIM是内部的电阻器，其在制造期间被调整，以供应I_REF的精确电流。I_REF可以被设置为最低有效电流(I_LSB)，但是I_REF可以被构造为I_LSB的倍数。

调整很大程度上消除了过程变化，并且由于R_TRIM被构造为具有低的温度系数，所以I_DAC与过程和温度无关。参考电压V_REF被构造为与供应电压无关，例如，从带隙基准(本领域技术人员所公知的)产生的参考电压。在以这样的方式构造时，系统被很大程度上与PVT(过程、电压、温度)参数无关。在图1A中，参考电压V’_REF被形成在12和14处并且分别经由运算放大器16和18、以及晶体管M1和M2形成两个版本的V_BG(20和22)。V_BG 22产生通过R2的电流，其经由I1和I2被镜像以在R1两端产生电压。该电压是V_REF并且其被连接到比较器24的一个输入端。

V_{REF} = \frac{V_{BG} R_{1}}{R_{2}},

设定V_REF＝V_EXT给出：

\frac{V_{BG} R_{1}}{R_{2}} = N \frac{V_{BG}}{R_{TRIM}} R_{EXT}

或

R_{EXT} = \frac{R_{1} R_{TRIM}}{N R_{2}}

R_EXT是一个电阻值，其等于各个电阻器和标量N的比值。因为R1和R2设定参考电压，所以它们对于PVT(过程、供电电压和温度)是一致的。如上所述，R_TRIM在制造时被设定以具有非常低的PVT。

数字状态机器(未示出)以发现何时两个电压在允许限度内(通常是LSB)相等的方式选择N的值。然后，该N值限定连接哪个外部电阻的值。N和I_LSB的设计选择受外部电阻的范围所控制。通常，R_EXTMAX的选择将用来限定I_LSB的选择，其中

如果可能用于Rext的电阻的斜率是m＝2ⁿ，则二进制加权的IDAC可以直接确定Rext值。在m≠2ⁿ的情况下，Rext的值不是二进制加权的，I_LSB将需要按照连续的外部电阻值的最小增量来确定，即

在图1A的左侧，V’ref在运算放大器16的输出端形成V_BG 20。V_BG 20除以限定Iref的、可设置的Rtrim。在二进制方案中，I_REF在通过S1连接到R_EXT的单个I1处被镜像10，然后开关S2连接两个I1镜像；然后S4连接四个I1镜像，等等。

注意，开关可以以二进制方式寻址，但是电流不必如此。

例如，在图1B中，三个I1通过开关S3连接。然而，连接到S3的可以仅有一个I1或很多个I1。

图1C示出了I_REF可以由I_LSB的倍数形成。例如，如果Rtrim将I_REF电流精确地设置为2.0uA，并且存在四个相同尺寸的、全部并行的晶体管，如图1C所示，则0.5uA将精确地流过每个晶体管。然后，这些晶体管之一的相同尺寸的镜像将传输0.5uA，并且其将形成LSB电流。如本文中讨论的，通过开关(S1-Sn)连接的镜像可以每个具有很多个并行的相同尺寸晶体管以输运LSB电流的倍数。例如，图1A的开关S8可以具有八个输送4.0uA到I_DAC的镜像。

电流镜像I1到In通过类似标记的开关被引导向Rext。

状态机(仍未示出)接受来自比较器24的过高/过低输出，并且相应地调节开关接触S1、S2、S4、S8、S16。在图1的一个示例中，V_REF被设置为2V，在I_LSB的I_REF为1.5uA，并且N具有0到31的值，其中Sn是五位二进制码，00000到11111。在该情况下，存在开关S1、S2、S4、S8和S16。

在这个例子中，由于没有开关被激活，没有电流流过Rext并且V_EXT是零。最小电流的该起始点首先具有消耗最小功率的优点。V_REE高于V_EXT并且过高/过低26是低。状态机可以激活S1，驱动I_LSB通过R_EXT。1.5uA流过Rext并且产生V_EXT。如果V_EXT保持低于V_REF，则过高/过低26变低，状态机重置S1，导通S2，并且再次测试过高/过低。这里两倍I_LSB被输送给R_EXT，使V_EXT加倍。如果过高/过低保持为低，则状态机保持S2导通，再次导通S1，从而三倍I_LSB被输送给R_EXT，使V_EXT增至三倍。按照二进制方式连续进行，每次增加一个I_LSB，直到增加引起过高/过低变高。在该点，被接通的开关的二进制值表示R_EXT的值。如上所述，该值可以直接指向处理附件的程序。

如本领域技术人员所公知的，其它算法可以用来找到R_EXT的值。最显著地，通常使用逐次接近法，其中对于每次尝试的剩余范围被二等分。再次注意，增量可以是正的或负的。

在实际的示例中，R_EXT值越高，二进制数越小，从而线性电阻曲线V_EXT对R_EXT具有负斜率。因此如果R_EXT是短路，则所有的电流源开关将被接通，但是V_EXT将保持低于V_REF(比如V_REF是2V)。所得到的用于零欧姆的R_EXT的二进制码将是11111，即十进制的31。类似地，在R_EXT是其最大值时，比如665K欧姆，则开关S16、S8、S4中的每一个将被重置。S2接通将驱动3.0uA通过665K欧姆并且其将略微地小于2.0V(1.995V)。因此S2将被接通并且S1将被关闭。结果是二进制码00010，即十进制的2。

在所用方法的实际操作中，0.5到2.0uA的LSB是合理的，其中具有2.0V的Vref以及在从约12.7K到665K欧姆的值运行的电阻器组。

图2示出了负斜率，示出了随着R_EXT增加而减小的I_DAC。描述用于R_EXT和I_DAC的50/1动态范围。

非线性电阻器组

不同的移动设备制造商可以选择非线性电阻器组。这使得检测电路的设计更困难。困难在于外部电阻器的选择迫使使用非常小的I_DAC电流。这样的电阻器组的示例被表征如下。

注意，在该电阻器组中，范围为2KΩ到1000KΩ。这是500/1的动态范围(与50/1的线性示例进行比较)。

图3示出了非线性的曲线I_DAC对R_EXT的曲线，示出了描述用于R_EXT和I_DAC的500/1动态范围。R_EXT的范围可以从约2K欧姆到约1M欧姆。用于该曲线的示例的方程式是：

y(电流)＝1149.6e^-0.2045x。

非线性电阻器解决方案

必须修改线性算法以解决非线性的示例。非线性的问题在于电流值较低，并且难以找到将按比例增加的公共值(common value)。在电阻器的低值，使用原来的构造是没有问题的。问题在于高电阻器值。这是由于为了命中目标参考电压而需要的电阻器的间隔和电流变得难以实现。通过向电路增加一组精确的吸收电流，解决了较高值电阻器，并且较低值的附件可以像在线性情况中那样来解决。

为了评估更高值的电阻器，采用以下关系；

V_EXT＝I_LSB(n-k)R_EXT。

在图4中，调整的精确I_LSB(Iref)电流40经由Ip和Iq被向下镜像为一组k电流吸收器42。这里，Ip和Iq是LSB电流，但是K1、K2和K3镜像可以是多个并行电流源，如上面图1A所示出的。电流的求和结点是这样的点，在该点处来自(I1的)源的电流和(k的)吸收器的电流会聚以产生通过外部电阻器的I_DAC，以形成V_EXT。系统构造n个电流源和m个电流吸收器。从源电流中减去吸收电流以形成通过R_EXT的I_DAC电流，从而形成V_EXT。使用先前示例的2.0V的V_REF，如果为了产生2.0V的V_EXT需要0.5uA的电流，则源电流可以是16uA而吸收电流可以是15.5uA，以产生0.5uA的I_DAC电流。如果R_EXT是4.0M欧姆，则V_EXT将是2.0V。

在一个申请中，如为本领域技术人员所知道的，对于预定的值n，可以选择值k以可靠地区分非线性电阻器组。

图5示出了电流源和电流吸收器的完整电路。

应当理解，上述实施例在本文中被给出作为示例并且其许多变型和替代是可能的。因此，应当宽广地将本发明视为仅如以下所附权利要求中阐述的限定。

Claims

1.一种用于从一组电阻器中识别电阻器的系统，该系统包括：

第一电流源，传输最低有效值的电流；

电流源组，该电流源组中的每一个电流源都是从第一电流源进行镜像而得到；

一组可寻址的开关，每一个开关限定输入端和输出端，一个开关的输入端连接到所述电流源组中的每一个电流源，开关输出端连接在一起并且连接到被识别的电阻器；

寻址驱动器，其激活可寻址的开关，其中在激活的电流通过被识别的电阻器时产生第一电压；

参考电压；

比较器，一个输入端是所述第一电压而另一个输入端是所述参考电压，其中比较器输出端确定两个输入端中哪个输入端更高，并且其中改变寻址驱动器使得不同的电流通过电阻器。

2.根据权利要求1的系统，还包括：

可设置的参考电流；

可调整的电阻器，被构造为设置参考电流；

两个或更多个相同尺寸的晶体管，被并行地布置，使得两个或更多个晶体管中的每一个等分可设置的参考电流，其中两个或更多个相同尺寸的晶体管中的一个包括第一电流源。

3.根据权利要求1的系统，其中第一电流源限定特定尺寸晶体管，并且从第一电流源进行镜像的电流源组是与所述特定尺寸晶体管相同尺寸的晶体管。

4.根据权利要求1的系统，还包括状态机，所述状态机接受比较器输出，并且响应于该比较器输出激活所述可寻址的开关，其中增大通过被确定的电阻器的电流，并且其中作为响应状态机连续地接受比较器输出。

5.根据权利要求4的系统，其中状态机以与电流源的值一致的顺序激活所述可寻址的开关，其中以最低有效电流改变通过被确定的电阻器的增大的电流。

6.根据权利要求4的系统，其中状态机以逐次逼近顺序激活所述可寻址的开关。

7.根据权利要求1的系统，其中被确定的电阻器的值按照线性分布。

8.根据权利要求1的系统，其中所述电流源组是二进制加权的。

9.根据权利要求1的系统，还包括：

第二组电流吸收器，每一个从第一电流源进行镜像；

第二组可寻址的开关，每一个开关限定输入端和输出端，一个开关输入端连接到第二组电流吸收器中的每一个电流吸收器，开关输出端连接在一起并且连接到被识别的电阻器；

第二寻址驱动器，其激活第二组可寻址的开关，其中当从通过被识别的电阻器的电流中减去来自电流吸收器的激活的电流时产生第一电压。

10.根据权利要求9的系统，还包括状态机，该状态机响应于比较器输出改变第一和第二组可寻址的开关的激活。

11.根据权利要求9的系统，其中被确定的电阻器的值按照非线性分布。

12.一种用于从一组电阻器中识别电阻器的方法，所述方法包括步骤：

产生最低有效值的第一电流源；

对所述第一电流源进行镜像，从而产生电流源组；

将电流源组中的每一个电流源连接到可寻址的开关输入端，并且将开关输出端连接在一起以及连接到被识别的电阻器；

激活可寻址的开关，其中在激活的电流通过被识别的电阻器时产生第一电压；

比较第一电压与参考电压，其中该比较确定所述第一电压与所述参考电压中的哪一个更高，并且其中改变寻址驱动器使得不同的电流通过电阻器。

13.根据权利要求12的方法，还包括步骤：

设置参考电流；

使两个或更多个晶体管为相同尺寸且并行地布置，使得两个或更多个晶体管中的每一个等分可设置的参考电流，其中两个或更多个相同尺寸晶体管中的一个包括第一电流源。

14.根据权利要求12的方法，其中第一电流源限定特定尺寸晶体管并且从第一电流源进行镜像的电流源组是与特定尺寸晶体管相同尺寸的晶体管。

15.根据权利要求12的方法，还包括步骤：

增大或减小通过被确定的电阻器的电流并且增大或减小第一电压；以及

响应于此，激活可寻址的开关，其中通过被确定的电阻器的电流被改变，并且其中作为响应，状态机连续地接受比较器输出。

16.根据权利要求15的方法，

其中以与电流源的值一致的顺序激活可寻址的开关，其中以最低有效电流改变通过被确定的电阻器的增大的电流。

17.根据权利要求15的方法，其中以逐次逼近顺序激活可寻址的开关。

18.根据权利要求12的方法，其中被确定的电阻器的值按照线性分布。

19.根据权利要求12的方法，还包括二进制加权第二电流源组的步骤。

20.根据权利要求12的方法，还包括步骤：

对第一组电流源进行第二次镜像以产生第二组电流吸收器；

将第二组电流吸收器连接到第二组可寻址的开关，以及将第二组可寻址的开关的输出端连接在一起以及连接到被识别的电阻器；

激活第二组可寻址的开关，其中当从通过被识别的电阻器的电流中减去来自电流吸收器的激活的电流时产生第一电压；

比较第一电压与参考电压，其中该比较确定所述第一电压与参考电压中哪一个更高，并且其中改变第二组可寻址的开关使得不同的电流通过被识别的电阻器。

21.根据权利要求20的方法，还包括响应于该比较改变第一和第二组可寻址的开关的激活的步骤。