CN103023463B - 一种斜坡信号生成电路及斜坡信号发生器 - Google Patents

一种斜坡信号生成电路及斜坡信号发生器 Download PDF

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Abstract

本发明适用于电子领域，提供了一种斜坡信号生成电路及斜坡信号发生器，所述电路包括：储能模块，用于根据所述电源提供的电流进行储能，输出斜坡信号；复位模块，用于在接收到复位控制信号后对所述储能模块放电；闭环运放模块，用于增大所述储能模块的储能值。本发明实现在同样的充电电流条件下，通过增加等效对地电容增大电容值，以实现更小面积电容产生与传统斜坡信号生成电路相同斜率的斜坡信号的功能，同时利用闭环运放的特性，保证在斜坡信号的整个电压摆幅中，电容容值不发生显著改变，以保证斜坡信号精度。

Description

一种斜坡信号生成电路及斜坡信号发生器
技术领域
本发明属于电子领域，尤其涉及一种斜坡信号生成电路及斜坡信号发生器。
背景技术
半导体工业普遍在设计时在电路中植入相关功能电路用于提供自我测试功能的技术，即内建自测试(Built-inSelfTest，BIST)，以此降低器件测试对自动测试设备(ATE)的依赖程度，而在模数转换器(ADC，analog-to-digitalconverter)静态性能参数积分非线性(Integralnonlinearity，INL)和微分非线性(Differentialnonlinearity，DNL)的内建自测试中，常需要用到能够覆盖ADC输入范围的斜坡电压信号，并且为了保证斜坡信号的一定精度，常采用固定电流对固定电容的充放电实现，即在规定的时间内电容被充电到所要求的电压值后进行复位(RESET)，以产生周期性的斜坡电压信号Vramp。
图1(a)和图1(b)示出了现有斜坡信号生成电路的两种结构，其中图1(a)示出的斜坡信号生成电路包括：电流源Ip1、电容C1、复位模块11、运放模块12、第一MOS管M1、第二MOS管M2、电阻R1以及电阻R2；
电流源Ip1的输入端与电源电压AVDD连接，电流源Ip1的输出端同时与电容C1的一端、运放模块12的反向输入端连接，电容C1的另一端连接外部供给的斜坡起点电压Vreset，复位模块11的两端分别与电容C1的两端连接，复位模块11的控制端与外部复位控制信号连接，运放模块12的正向输入端通过电阻R1接地，运放模块12的输出端同时与第一MOS管M1、第二MOS管M2的控制端连接，第一MOS管M1的输入端与电源电压AVDD连接，第一MOS管M1的输出端也通过电阻R1接地，第二MOS管M2的输入端与电源电压AVDD连接，第二MOS管M2的输出端通过电阻R2接地。
图1(a)示出的斜坡信号生成电路结构为远端电流Iramp接收结构，通过电流源Ip1对电容C1充电，电容C1的电压从斜坡起点电压Vreset开始以Ip1/C1的斜率升高，运放模块12输出与电容C1上的反向电压控制第一MOS管M1导通，第二MOS管M2镜像第一MOS管M1中的漏电流，并将该漏电流作为斜坡电流信号Iramp输出给外部电路，直到外部控制复位模块11复位，复位模块11导通，对电容C1放电，电容C1电压落回斜坡起点电压Vreset，以完成一个斜坡信号的产生。
图1(b)示出的斜坡信号生成电路包括：电流源Ip2、电容C2、复位模块21、运放模块22；
电流源Ip2的输入端与电源电压AVDD连接，电流源Ip2的输出端同时与电容C2的一端、运放模块22的反向输入端连接，电容C2的另一端连接外部供给的斜坡起点电压Vreset，复位模块21的两端分别与电容C2的两端连接，复位模块21的控制端与外部复位控制信号连接，运放模块22的正向输入端与运放模块22的输出端连接。
图1(b)示出的斜坡信号生成电路结构为远端电压Vramp接收结构，通过电流源Ip2对电容C2充电，电容C2的电压从斜坡起点电压Vreset开始以Ip2/C2的斜率升高，运放模块22的输出端输出升高的斜坡电压信号，直到外部控制复位模块21复位，复位模块21导通，对电容C2放电，电容C2电压落回斜坡起点电压Vreset，以完成一个斜坡信号的产生，其波形图参见图3，其中Reset为外部输入的控制复位模块21的复位控制信号的波形，Ramp为斜坡电压信号的波形。
在BIST中，若要满足ADC的输入采样需要，准确测试INL和DNL等静态性能，需要斜坡电压信号Vramp的斜率能够尽量平缓，即斜率越小越好，从公式U＝Ip1/C1也可以看出，若要减小斜坡电压信号Vramp的斜率应当减小输入电流或增加电容值，然而减小输入电流会影响镜像电流的精确性，因此通常采用增大电容值以实现在不影响镜像电流精确性的基础上保证ADC的输入采样需要。
现有斜坡波形生成电路通常采用通过增大电容面积增加电容值，较大的电容会占用大量版图面积，甚至达到占用整个电路版图二分之一的面积，导致芯片体积增大，但是，目前市场对电路以及芯片的体积向越来越小的需求发展，因此现有较大体积的斜坡波形生成电路难以满足市场需求。
发明内容
本发明实施例一方面提供一种斜坡信号生成电路，能够解决现有斜坡波形生成电路在BIST中为保证ADC的输入采样需要和镜像电流的精确性，导致电容以及芯片面积过大的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种斜坡信号生成电路，所述电路包括：
储能模块，所述储能模块的一端与电源连接，用于根据所述电源提供的电流进行储能，输出斜坡信号；
复位模块，所述复位模块的输入端、输出端分别与所述储能模块的两端连接，所述复位模块的控制端与外部复位控制信号输出端连接，用于在接收到复位控制信号后对所述储能模块放电；
闭环运放模块，所述闭环运放模块的输入端与所述电源连接，所述闭环运放模块的输出端与所述储能模块的另一端连接，用于增大所述储能模块的储能值；
所述闭环运放模块包括：源跟随器、电阻R11、电阻R12、第一运算放大器；
所述第一运算放大器与所述电阻R11、所述电阻R12形成的闭环增益大于1，所述闭环运放模块的输入端为斜坡信号的输出端；
所述源跟随器的栅极为所述闭环运放模块的输入端，所述源跟随器的源极通过所述电阻R11与所述第一运算放大器的反向输入端连接，所述第一运算放大器的反向输入端同时通过所述电阻R12与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第一运算放大器的输出端为所述闭环运放模块的输出端，所述第一运算放大器的正向输入端接地；
或，所述闭环运放模块包括：源跟随器、电阻R21、电阻R22、第二运算放大器；
所述第二运算放大器与所述电阻R21、所述电阻R22形成的闭环增益小于1，所述闭环运放模块的输出端为斜坡信号的输出端；
所述源跟随器的栅极为所述闭环运放模块的输入端，所述源跟随器的漏极接高电位，所述源跟随器的源极通过所述电阻R21与所述第二运算放大器的反向输入端连接，所述第二运算放大器的反向输入端同时通过所述电阻R22与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器的输出端为所述闭环运放模块的输出端，所述第二运算放大器的正向输入端接地。
本发明实施例另一方面提供一种采用上述斜坡信号生成电路的斜坡信号发生器。
本发明实施例实现在同样的充电电流条件下，通过增加等效对地电容增大电容值，以实现更小面积电容产生与传统斜坡信号生成电路相同斜率的斜坡信号的功能，同时利用闭环运放的特性，保证在斜坡信号的整个电压摆幅中，电容容值不发生显著改变，以保证斜坡信号精度。
附图说明
图1为现有远端电流Iramp接收的斜坡信号生成电路的结构示意图；
图2为现有远端电压Vramp接收的斜坡信号生成电路的结构示意图；
图3为现有远端电压Vramp接收的斜坡信号生成电路的信号波形图；
图4为本发明实施例提供的斜坡信号生成电路的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的斜坡信号生成电路的第一电路示例结构图；
图6为密勒效应的应用结构图；
图7为本发明实施例提供的斜坡信号生成电路的第二电路示例结构图；
图8为本发明实施例提供的斜坡信号生成电路的第三电路示例结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例增加等效对地电容增大电容值，以实现更小面积电容产生与传统斜坡信号生成电路相同斜率的斜坡信号的功能，同时利用闭环运放的特性保证斜坡信号精度。
图4示出了本发明实施例提供的斜坡信号生成电路的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。
作为本发明一实施例，该斜坡信号生成电路可以应用于片上ADC的内建自测试模块中的斜坡信号发生器中，用于提供平缓的斜坡信号，该斜坡信号生成电路包括：
电源41，用于提供电流；
在本发明实施例中，若电路模块之间连接线过长时可以采用恒流源Id做为电源41，参见图5。
储能模块42，储能模块42的一端与电源41连接，用于根据充电电流进行储能，输出斜坡信号；
作为本发明一实施例，可以采用电容Cp作为储能模块42，参见图5，也可以采用MOS管作为储能模块42。
复位模块43，复位模块43的输入端、输出端分别与储能模块42的两端连接，复位模块43的控制端与外部复位控制信号输出端连接，用于在接收到复位控制信号后对储能模块42放电；
作为本发明一实施例，复位模块43可以采用可控开关实现，可控开关的控制端为复位模块43的控制端，可控开关的两导通端分别为复位模块43的输入端、输出端，参见图5，也可以采用开关管实现，例如三极管或者MOS管，该开关管的控制端为复位模块43的控制端，开关管的输入端为复位模块43的输入端端，开关管的输出端为复位模块43的输出端，参见图7。当该开关管为N型MOS管时，N型MOS管的漏极为该开关管的输入端，N型MOS管的源极为该开关管的输出端，N型MOS管的栅极为该开关管的控制端；当该开关管为P型MOS管时，P型MOS管的源极为该开关管的输入端，P型MOS管的漏极为该开关管的输出端，P型MOS管的栅极为开关管的控制端。
闭环运放模块44，闭环运放模块44的输入端与电源41连接，闭环运放模块44的输出端与储能模块42的另一端连接，用于增大储能模块42的储能值。
在本发明实施例中，闭环运放模块44为一反向放大的闭环结构，可以采用运放大器实现，基于密勒效应输入端的放大特性，在反相放大电路中，将运算放大器Opamp与电容C连接后，可以将跨接在运算放大器Opamp反向输入端Vin与输出端Vout的电容C的小电容值C0等效为输入到地的大电容值AvC0，其中Av为运算放大器Opamp的增益，参见图6的结构，在6中的输入节点Vin看过去对地的等效电容为(1-Av)C0，输出节点Vout对地看到的等效电容为(1-Av -1)C0。并且由于本发明实施例采用闭环的运放结构，对电容两端的电压信号进行调节，使运放增益得以精确控制，从而确保了充电电流对充电电容的线性度，保证了斜坡信号的精度。
在本发明实施例中，实现在同样的充电电流条件下，通过增加等效对地电容增大电容值，以实现更小面积电容产生与传统斜坡信号生成电路相同斜率的斜坡信号的功能，同时利用闭环运放的特性，保证在斜坡信号的整个电压摆幅中，电容容值不发生显著改变，以保证斜坡信号精度。
图7示出了本发明实施例提供的斜坡信号生成电路的第二电路示例结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。
作为本发明一实施例，闭环运放模块44可以包括：
源跟随器441、电阻R11、电阻R12、第一运算放大器442；
第一运算放大器442与电阻R11、电阻R12形成的闭环增益大于1，闭环运放模块44的输入端为斜坡信号Ramp的输出端；
源跟随器441的栅极为闭环运放模块44的输入端，与电源41的连接点为节点M，源跟随器441的源极通过电阻R11与第一运算放大器442的反向输入端连接，第一运算放大器442的反向输入端同时通过电阻R12与第一运算放大器442的输出端连接，第一运算放大器442的输出端为闭环运放模块44的输出端，与储能模块42的另一端的连接点为节点N，第一运算放大器442的正向输入端接地。
作为本发明一实施例，源跟随器441可以采用N型MOS管实现，该N型MOS管的漏极为源跟随器441的漏极与高电位连接，N型MOS管的源极为源跟随器441的源极，N型MOS管的栅极为源跟随器441的栅极；当然源跟随器441也可以采用P型MOS管实现，该P型MOS管的漏极为源跟随器441的漏极与低电位连接，P型MOS管的源极为源跟随器441的源极，P型MOS管的栅极为源跟随器441的栅极。
在本发明实施例中，当恒流源41对电容Cp充电，节点M的电压波形呈斜披信号，如同S1，通过闭环运放的放大作用(闭环增益大于1)，节点N的信号摆幅较节点M有所增大，其电压波形为S2，源跟随器441用于驱动T点电压跟随M点的变化并为T支路提供电流，同时又隔离了M点和T点，保证从M点没有电流流经闭环运放模块44部分。由于闭环增益从节点M看到的等效对地电容为从节点N看到的等效电容为若闭环增益为则节点M点等效电容为3Cp，节点N点等效电容为从信号摆幅较小、等效电容较大的节点M取斜坡信号Ramp，在同等的电容面积下，大大增大了等效电容值，该结构由于节点M为高阻节点没有驱动能力，为了驱动后续ADC的输入，应在外部配备驱动电路进行驱动。
图8示出了本发明实施例提供的斜坡信号生成电路的第三电路示例结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。
作为本发明一优选实施例，闭环运放模块44还可以包括：
源跟随器441、电阻R21、电阻R22、第二运算放大器443；
第二运算放大器443与电阻R21、电阻R22形成的闭环增益小于1，闭环运放模块44的输出端为斜坡信号Ramp的输出端；
源跟随器441的栅极为闭环运放模块44的输入端，与电源41的连接点为节点M，源跟随器441的源极通过电阻R21与第二运算放大器443的反向输入端连接，第二运算放大器443的反向输入端同时通过电阻R22与第二运算放大器443的输出端连接，第二运算放大器443的输出端为闭环运放模块44的输出端，与储能模块42的另一端的连接点为节点N，第二运算放大器443的正向输入端接地。
作为本发明一实施例，源跟随器441可以采用N型MOS管实现，该N型MOS管的漏极接高电位，N型MOS管的源极为源跟随器441的源极，N型MOS管的栅极为源跟随器441的栅极；当然源跟随器441也可以采用P型MOS管实现，该P型MOS管的漏极接低电位，P型MOS管的源极为源跟随器441的源极，P型MOS管的栅极为源跟随器441的栅极。
在本发明实施例中，当恒流源41对电容Cp充电，节点M的电压波形呈斜披信号，如同S3，由于闭环增益小于1，节点N的信号摆幅较节点M有所减小，其电压波形为S4，源跟随器441用于驱动T点电压跟随M点的变化并为T支路提供电流，同时又隔离了M点和T点，保证从M点没有电流流经闭环运放模块44部分。由于闭环增益即从信号摆幅较小的节点N看到的等效对地电容为从节点M看到的等效对地电容为(1-AC2)·Cp，若则节点N等效电容为3Cp，节点M等效电容为从信号摆幅较小、等效电容较大的节点N取斜坡信号Ramp，在同等的电容面积下，大大增大了等效电容值，，以实现更小面积电容产生与传统斜坡信号生成电路相同斜率的斜坡信号的功能，并且由于斜坡信号Ramp从第二运算放大器443的输出端取得，节点N为低阻节点，该运放本身具有驱动能力，可以直接驱动后续负载。另外，图8所示的结构相比于图7所示的结构在闭环运放的输出节点N，在同样的斜坡信号Ramp下，闭环运放输出端N点的输出摆幅更小(波形S4比波形S2的摆幅更小)，因此图8所示的实施例结构线性度更好，同时也避免了过大的信号摆幅限制闭环运放的放大倍数进而降低密勒效应对等效对地电容的提高程度，进一步为运放采用节省面积的低压器件设计提供了可能。
本发明实施例还提供的一种包括上述斜坡信号生成电路的斜坡信号发生器。
本发明实施例具有如下有益效果：
1、放大等效对地电容，有效缩小了电容面积(在闭环增益为1/n时，电容面积可以缩小为原来面积的1/(n+1))，进而减小芯片体积；
2、利用闭环运放确保电容放大倍数的精确性；
3、利用放大倍数小于1的闭环结构，从运放输出点取密勒电容，省掉了驱动电路，并降低了对运放摆幅的要求，使运放本身可以采用低压器件设计，进一步节省了版图面积。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种斜坡信号生成电路，其特征在于，所述电路包括：
储能模块，所述储能模块的一端与电源连接，用于根据所述电源提供的电流进行储能，输出斜坡信号；
复位模块，所述复位模块的输入端、输出端分别与所述储能模块的两端连接，所述复位模块的控制端与外部复位控制信号输出端连接，用于在接收到复位控制信号后对所述储能模块放电；
闭环运放模块，所述闭环运放模块的输入端与所述电源连接，所述闭环运放模块的输出端与所述储能模块的另一端连接，用于增大所述储能模块的储能值；
所述闭环运放模块包括：源跟随器、电阻R11、电阻R12、第一运算放大器；
所述第一运算放大器与所述电阻R11、所述电阻R12形成的闭环增益大于1，所述闭环运放模块的输入端为斜坡信号的输出端；
所述源跟随器的栅极为所述闭环运放模块的输入端，所述源跟随器的源极通过所述电阻R11与所述第一运算放大器的反向输入端连接，所述第一运算放大器的反向输入端同时通过所述电阻R12与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第一运算放大器的输出端为所述闭环运放模块的输出端，所述第一运算放大器的正向输入端接地；
或，所述闭环运放模块包括：源跟随器、电阻R21、电阻R22、第二运算放大器；
所述第二运算放大器与所述电阻R21、所述电阻R22形成的闭环增益小于1，所述闭环运放模块的输出端为斜坡信号的输出端；
所述源跟随器的栅极为所述闭环运放模块的输入端，所述源跟随器的漏极接高电位，所述源跟随器的源极通过所述电阻R21与所述第二运算放大器的反向输入端连接，所述第二运算放大器的反向输入端同时通过所述电阻R22与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器的输出端为所述闭环运放模块的输出端，所述第二运算放大器的正向输入端接地。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述储能模块为电容。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述复位模块为开关管，所述开关管的控制端为所述复位模块的控制端，所述开关管的输入端为所述复位模块的输入端，所述开关管的输出端为所述复位模块的输出端。
4.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述开关管为N型MOS管或P型MOS管；
所述N型MOS管的漏极为所述开关管的输入端，所述N型MOS管的源极为所述开关管的输出端，所述N型MOS管的栅极为所述开关管的控制端；
所述P型MOS管的源极为所述开关管的输入端，所述P型MOS管的漏极为所述开关管的输出端，所述P型MOS管的栅极为所述开关管的控制端。
5.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述复位模块为可控开关，所述可控开关的控制端为所述复位模块的控制端，所述可控开关的两导通端分别为所述复位模块的输入端、输出端。
6.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述闭环增益大于1时，所述源跟随器为N型MOS管，所述N型MOS管的漏极为所述源跟随器的漏极与高电位连接，所述N型MOS管的源极为所述源跟随器的源极，所述N型MOS管的栅极为所述源跟随器的栅极。
7.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述闭环增益小于1时，所述源跟随器为P型MOS管，所述P型MOS管的漏极为所述源跟随器的漏极与低电位连接，所述P型MOS管的源极为所述源跟随器的源极，所述P型MOS管的栅极为所述源跟随器的栅极。
8.一种斜坡信号发生器，其特征在于，所述斜坡信号发生器中的斜坡信号生成电路为如权利要求1至7任一项所述的电路。
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