CN104407194B - 一种电压检测点离散程度和速度可调的电压传感器装置 - Google Patents

Abstract

一种电压检测点离散程度和速度可调的电压传感器装置。电压传感器电路是模拟电路中的一种用于检测电源状态的电路，它会跟踪电源上电压的抖动和变化，通过输出端送出的结果来判断电源上电压的大小。电压传感器电路中通常会设置n(n为≥1的自然数)个电压检测点，这n个检测点将整个电源域分成了n+1个区间，通过测量电压检测电路中n条支路的输出，能够准确判断电源所在的区间。在实际的集成电路制造过程中，这些电压检测点会因为一些非理想的效应而各自呈现出正态分布的状态，即批量生产的电压检测电路的检测点会一定概率的落在成品率范围外，从而提高产品成本。电压传感器电路的速度是其动态指标，它用来衡量电源电压上存在跨过检测点的脉冲时，电压传感器电路能够做出反应的最窄的脉冲宽度。不用应用中，电压传感器电路的速度存在着差别。本发明的电路结构通过调整比较器输入MOS管的尺寸和比较器输入节点电容实现了一种电压检测点离散程度和速度可调的电压传感器电路。

Description

一种电压检测点离散程度和速度可调的电压传感器装置

技术领域

本发明为一种电压检测点离散程度和速度可调的电压传感器装置，用来检测电压所在的区域，属于模拟电路设计领域。

背景技术

电压检测电路(Voltage-Detector)简称VD，用来检测电压所在区间的电路，属于电压传感器中的一类。通常VD会包含n个比较器，每个比较器的一端接基准电压，另一端接电阻串分压以后的电压值，这n个比较器将整个电压范围分成了n+1个区间。当待测电压从一个区间跳变到另一个区间时，VD中n个比较器的输出会存在变化。

电压传感器的应用很广，只要是需要对电压下进行操作时，都会采用电压传感器对电压进行跟踪，这其中VD是较为普遍的一种结构。智能卡芯片中的VD，需要对供电电源进行检测，判断出供电电压属于A、B或者C中的哪一类，将判断信息送给控制部分；电压基准源会在供电电源较低的时候切换到直通模式，而该控制信号正是VD提供；芯片上的IO往往需要高驱动能力，以便驱动负载，但是低压和高压下相同的驱动电流会浪费功耗，所以用VD来对电源进行跟踪，当电压过低，开启高功耗模式，保持驱动能力，当电压正常，切换回低功耗模式。

衡量VD的第一个指标是电压检测点精度。图1中标出了理想情况下VD电压检测点的计算过程，V_P为电压检测点：

V_P*R2/(R1+R2)＝VREF

V_P＝VREF(1+R1/R2)

实际的集成电路制造过程中，比较器输入对管之间总会存在着因失配导致的失调电压。假设该失调电压为VOS，这时电压检测点变为：

V_P＝(VREF±V_OS)(1+R1/R2)

由于电阻匹配存在着误差，R1/R2的值和理想情况有差别；基准电压VREF也不会精准的等于理想值，两者都会使得VD的电压检测点存在随机的误差。但是这两项的影响可以通过版图设计和VREF的校准减小到忽略。

衡量VD的另外一个重要指标是检测速度。当待测电压VCC上存在一个跨区域的窄脉冲时，VD能够检测出来的最窄脉冲宽度即为VD的检测速度，如图2所示。此时VCC有一个从区域2跳变到区域1的上跳脉冲，VD的一个比较器支路VP_H刚好能在输出端OUTPUT_H输出一个窄脉冲，表明VCC上存在上跳脉冲。

影响检测速度t的因素主要有两个：电阻串分压节点RC延时和比较器自身延时。将VD电路简化后的示意图如图3所示。比较器输入对管等效为电容，如果保持比较器中流过的电流大小，改变电阻串分压节点电容的大小，可以调节VD的速度。

发明内容

在特定的工艺下，批量生产的VD的每一个电压检测点都会服从正态分布。为了保证成品率，希望电压检测点的标准差要小于某个值。VD中输入对管因为失配导致的检测点离散是检测点离散的主要原因，这样就希望通过电路设计调整该范围，直到达标。由于制造厂商提供的器件失配模型和实际器件存在差别，甚至有些新工艺下没有失配的模型，所以本发明希望可以通过接通不同数目的输入对管，来控制比较器的失调电压，从而控制电压检测点的离散程度，因为VD的电压检测点正态分布的标准差是和接入比较器的输入对管的面积相关的。输入对管的失调电压可以用下面的公式来表示：

其中t_ox为栅氧厚度；N_B为MOS管下衬底掺杂浓度，W为MOS管宽度，L为MOS管的长度。由上述公式可知，输入对管的失调电压可以通过增加MOS管的面积来控制。

不同的应用环境中，VD需要检测速度也不同。在一些电压较干净的应用场合，VD不需要过多关注电压上存在的窄脉冲，更多关注待测电压VCC的平均值大小，这时就需要慢速的VD；在一些安全系统中，VD需要紧密跟随VCC上的抖动，当VCC上脉冲宽度达到一定值时，VD需要输出信号，送给系统，做出反应。根据应用的不同，希望在VD工作的关键节点上增加电容阵列，控制VD的工作速度，适应不同工作环境。

本发明的技术方案如图4所示，该传感器装置包括电阻串和比较器阵列两个部分。电阻串顶端为待测输入电压VCC，电阻串分压以后电压值被送入比较器阵列中，比较器阵列将电阻串送来的电压和基准电压进行比较，从而输出一个位宽为n(比较器的个数)的结果，设计者可以从这个n位的输出来判断被检测电压VCC所在的范围。VCC从电阻串顶端送入后，首先经过一个开关管，该开关管可以用来控制传感器装置的工作状态，当不需要该装置工作的时候，开关SW处于开启状态；当希望该装置监测VCC时，开关SW处于闭合状态，电阻串对VCC进行分压。比较器阵列有n个比较器构成，这n个比较器中包括迟滞比较器结构和非迟滞比较器结构。当比较器为迟滞结构的时候，需要从电阻串抽出两个节点来确定迟滞的上升检测点和下降检测点；当比较器为非迟滞结构的时候，比较器需要从电阻串中抽出1个节点。比较器输入对管部分对比较器的输入对管进行了描述，输入对管中一端为固定的VREF信号，作为比较的基准，另一端是输入的信号。输入对管均有m个MOS管并联组成，接入电路中MOS管的个数由开关控制。信号输入端口中包含了电容阵列，该部分控制传感器装置的反应速度。

附图说明

图1电压检测点计算示意图

图2 VD检测速度定义

图3影响VD检测速度的电路简化示意图

图4检测点精度和速度可调的VD电路结构

图5输入对管面积较小时电压检测点离散程度

图6输入对管面积较大时电压检测点离散程度

图7调节VD的检测速度的仿真结果

具体实施方式

当改变电压检测点精度时，将输入对管中M1_1和M2_1一直接到比较器中，M1_2至M1_m的源极和漏极与M1_1接在一起，栅极用控制信号POINT<1>至POINT<m-1>双向选择开关来控制是接到M1_1的栅极还是地；M2_2至M2_m的源极和漏极与M2_1接在一起，栅极用控制信号POINT<1>至POINT<m-1>双向选择开关来控制是接到M2_1的栅极还是地。这样能够控制比较器中输入对管的面积，从而改变VD电压检测点离散程度。

当改变检测速度时，电容阵列C1至Ck一端接到地，另一端通过开关SPEED<1>至SPEED<k>连接到比较器的一个输入端。开关SPEED<1>至SPEED<k>控制比较器输入端的到地电容，从而改变该节点的RC常数，控制VD的工作速度。接入比较器输入端电容越多，工作速度越慢，接入比较器输入端电容越少，工作速度越快。

以SMIC13EE工艺为基础，对电压检测点为2V的VD进行了失配仿真，取样的次数均超过100次，但是VD中比较器输入对管的面积比为1∶4，即通过开关控制，使得开关开启前后接入比较器的输入对管的面积不同，观察两者离散程度，如图5和图6所示。

当接入更大面积的输入对管以后，VD的3个标准差内电压检测点范围变为了原来的49％，较为高效的提高了成品率。

调节VD检测速度的仿真结果如图7所示。INPUT为输入的上调脉冲，上调幅度为0.7V，脉冲宽度为1uS。不开启SPEED控制字和依次打开SPEED<1>至SPEED<4>控制字时VD的检测速度已经分别标记，电容阵列开启越多，VD能够输出的脉冲宽度越小，反应速度越慢。首先，POINT<1>至POINT<m-1>控制字将输入对管中的M1_2至M1_m和M2_2至M2_m的栅极均接地，如图4所示，测试VD的电压检测点，根据大量的测试结果进行统计，比较测试结果的标准差和指标的大小。如果测试结果离散程度超过指标，将POINT<1>所接的M1_2和M2_2接入到比较器中，在进行测试，统计测试结果。以此类推，如果测试结果不满足指标，可以通过增加输入对管面积来减小检测点的失配。当失配导致的检测点离散已经达到指标要求时，没有必要继续增加输入对管的面积，因为这会增加寄生电容，影响VD的速度。

其次，测试SPEED<1>至SPEED<k>控制的开关均断开时VD的速度，并对结果进行统计。如果VD的速度过快，对窄毛刺太过敏感，开启SPEED<1>控制的到地电容，再对VD的速度进行测试。依此类推，知道检测速度能到指标要求。

Claims (8)

1.一种电压检测点离散程度和速度可调的电压传感器装置，其特征在于该传感器装置包括电阻串、比较器阵列和比较器输入对管，电阻串顶端为待测输入电压VCC，电阻串分压以后电压值被送入比较器阵列中，比较器阵列将电阻串送来的电压和基准电压进行比较，输出一个位宽为n的结果，n为比较器的个数，比较器输入对管的端口上存在着电容阵列，对位宽为n的结果进行判断从而确定被检测电压VCC所在的范围。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于电压VCC从电阻串顶端送入后，首先经过一个开关管，该开关管可以用来控制电压传感器装置的工作状态，当不需要该装置工作的时候，开关处于开启状态；当希望该装置监测VCC时，开关处于闭合状态，电阻串对VCC进行分压。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于比较器阵列有n个比较器构成，n个比较器中包括迟滞比较器结构和非迟滞比较器结构；当比较器为迟滞结构的时候，需要从电阻串抽出两个节点来确定迟滞的上升检测点和下降检测点；当比较器为非迟滞结构的时候，比较器需要从电阻串中抽出1个节点。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于比较器输入对管中一端为固定的VREF信号，作为比较的基准，另一端是输入的位宽为n的结果，比较器输入对管由m个MOS管并联组成，接入电路中MOS管的个数由开关控制；比较器输入对管输入端口中包含了电容阵列。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，电压VCC经过电阻串分压以后的值可以送入比较器阵列的正端口，也可以送入比较器阵列的负端口。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，比较器输入对管可以是NMOS管，也可以是PMOS管。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于当改变电压检测点精度时，分别将比较器输入对管中并联的第一个MOS管接到比较器阵列中，其余MOS管的源极和漏极与第一个MOS管接在一起，通过双向选择开关来控制其余MOS管的栅极是接到第一个MOS管的栅极还是地，通过控制比较器中输入对管的面积，从而改变电压检测点离散程度。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于当改变检测速度时，电容阵列一端接地，另一端通过开关连接到比较器阵列的输入端，通过控制比较器输入对管输入端的到地电容，改变RC常数，控制工作速度；接入的比较器输入对管的输入端电容越多，工作速度越慢，接入的比较器输入对管的输入端电容越少，工作速度越快。