CN105049041B - 应用于高速模数转换器的低功耗片内参考电压驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于高速模数转换器的低功耗片内参考电压驱动电路，包括反馈放大器A1、反馈放大器A2、升压电路、降压电路、滤波电路和输出驱动电路，其特征在于：所述反馈放大器A1与升压电路连接，反馈放大器A2与降压电路连接；所述升压电路、降压电路与滤波电路连接；所述滤波电路与输出驱动电路连接。本发明的一种应用于高速模数转换器的低功耗片内参考电压驱动电路，能够通过增加开关电容电路，扩大输出驱动电路的输出电压范围，降低了驱动电路的功耗。

Description

应用于高速模数转换器的低功耗片内参考电压驱动电路

技术领域

本发明涉及半导体集成电路技术领域，特别涉及模数转换器参考电压的驱动电路。

背景技术

在过去的几十年中，集成电路技术得到了迅猛的发展。特别是以通讯为首的电子系统，向着高速率、高性能、高集成度、低成本的方向不断向前发展。这就对系统中的各个模块提出了更高的要求。如模数转换器。系统要求提高模数转换器的采样速率、量化精度等指标，同时要求增加模数转换器的集成度、减小芯片的封装尺寸。

但是，芯片的封装尺寸的减小，必然需要削减芯片管脚的引出数量。而且随着模数转换器采样速率的提高，将会极大地降低传统的参考电压驱动电路的片外电容对噪声、信号干扰的滤波能力。片外滤波电容已近不适用于高速的模数转换器。

另外，受限于转换器芯片的供电条件，模数转换器内部一般都会有一个升压、降压电路，为参考电压驱动电路的输出缓冲器提供高压和低压控制信号。额外的升压电路和降压电路增加了版图的面积，不利于模数转换器的高密度集成。

发明内容

为解决上述现有的缺点，本发明的主要目的在于提供一种应用于高速模数转换器的低功耗片内参考电压驱动电路，能通过增加开关电容电路，扩大输出驱动电路的输出电压范围，降低了驱动电路的功耗。

为达成以上所述的目的，本发明的应用于高速模数转换器的低功耗片内参考电压驱动电路采取如下技术方案：

一种应用于高速模数转换器的低功耗片内参考电压驱动电路，包括反馈放大器A1、反馈放大器A2、升压电路、降压电路、滤波电路和输出驱动电路，其特征在于：所述反馈放大器A1与升压电路连接，反馈放大器A2与降压电路连接；所述升压电路、降压电路与滤波电路连接；所述滤波电路与输出驱动电路连接。

所述的反馈放大器A1工作在电源VDD下，其正端输入为参考输入高电平信号VIH，负端输入为反馈信号VOHx，输出为VG1H；反馈放大器A1的作用是检测参考输入高电平信号VIH和反馈信号VOHx的电压差，输出信号VG1H；VG1H通过升压电路和滤波电路后，调整输出驱动电路的输出VOH；所述反馈放大器A1检测VIH和VOHx的电压差，所述的升压电路将检测结果升压后，经过所述的滤波电路输入到所述的输出驱动电路。

所述的反馈放大器A2工作在电源VDD下；其正端输入为参考输入低电平信号VIL，负端输入为反馈信号VOLx，输出为VG1L；反馈放大器A2的作用是检测参考输入低电平信号VIL、反馈信号VOLx的电压差和输出信号VG1L；输出信号VG1L通过降压电路和滤波电路后，调整输出驱动电路的输出VOL；所述的反馈放大器A2检测VIL和VOLx的电压差，所述的降压电路将检测结果降压后，经过所述的滤波电路输入到所述的输出驱动电路。

所述升压电路由开关S1、开关S2、开关S3、开关S4和电容C1、电容C2组成；所述的电容C2的负极板连接到所述的反馈放大器A1的输出信号VG1H；所述的电容C2的正极板连接到所述的滤波电路的电阻R3；所述的电容C1、电容C2的负极板通过开关S3连接；所述的电容C1、电容C2的正极板通过开关S4连接；所述的电容C1的负极板通过开关S1连接到地；所述的电容C1的正极板通过开关S2连接到电源VDD。

所述的降压电路由开关S5、开关S6、开关S7、开关S8和电容C3、电容C4组成；所述的电容C3的负极板连接到所述的反馈放大器A2的输出信号VG1L；所述的电容C3的正极板连接到所述的滤波电路的电阻R4；所述的电容C3、电容C4的负极板通过开关S5连接；所述的电容C3、电容C4的正极板通过开关S6连接；所述的电容C4的负极板通过开关S7连接到电源VDD；所述的电容C4的正极板通过开关S8连接到地。

所述的开关S1、开关S2、开关S7、开关S8工作在相位φ1，所述的开关S3、开关S4、开关S5、开关S6工作在相位φ2，所述相位φ1和相位φ2是非交叠相位；即当所述开关S1、开关S2、开关S7、开关S8闭合时，所述开关S3、开关S4、开关S5、开关S6处于断开状态；而当所述开关S3、开关S4、开关S5、开关S6闭合时，所述开关S1、开关S2、开关S7、开关S8处于断开状态。

所述的滤波电路由电阻R3、电阻R4和电容C5组成；所述的电阻R3连接在信号VG2H和VGH之间；所述的电阻R4连接在信号VG2L和VGL之间；所述的电容C5连接在信号VGH和VGL之间；所述的滤波电路的作用是，滤除所述的升压电路和所述的降压电路造成的纹波干扰，稳定所述的输出驱动电路的输出。

所述的输出驱动电路包含NMOS管M1、NMOS管M3，PMOS管M2、PMOS管M4和电阻R1、电阻R2；所述的NMOS管M1、NMOS管M3的栅极连接到信号VGH，漏极连接到电源电压VDD；所述的NMOS管M1的源极连接到反馈信号VOHx；所述的NMOS管M3的源极连接到信号VOH；所述的PMOS管M2、PMOS管M4的栅极连接到信号VGL，漏极连接到地；所述的PMOS管M2的源极连接到反馈信号VOLx；所述的PMOS管M4的源极连接到信号VOL；所述的电阻R1连接在反馈信号VOHx和反馈信号VOLx之间；所述的电阻R2连接在输出驱动高电平信号VOH和输出驱动低电平信号VOL之间。

所述NMOS管M1、电阻R1、PMOS管M2共同组成一个具有两个输出的源极跟随电路；所述NMOS管M3、电阻R2、PMOS管M4共同组成一个具有两个输出的源极跟随电路；当所述的NMOS管M1、NMOS管M3的尺寸比例为1：N，所述的PMOS管M2、PMOS管M4的尺寸比例也为1：N，而所述电阻R1、电阻R2的尺寸比例为N：1；所以所述的反馈信号VOHx和VOH具有相同的直流电平；所述的反馈信号VOLx和VOL具有相同的直流电平。

所述的输出信号VOH、输出信号VOL的波动不会影响到所述的反馈信号VOHx、反馈信号VOLx；提高了参考电压驱动电路的隔离度。

采用如上技术方案的本发明，具有如下有益效果：

本发明通过开关电容升压电路和降压电路将反馈放大器的输出信号电压抬升和降低，来驱动源极跟随电路，扩大输出驱动电路的输出电压范围，同时通过增加开关电容电路，提高参考电压驱动电路输出电压信号的相对建立精度，在同样的功耗下，实现速度更快、精度更高的建立。

附图说明

图1为传统片外电容滤波的参考电压驱动方案。

图2为传统片内参考电压驱动方案。

图3为本发明应用于高速模数转换器的低功耗片内参考电压驱动电路。

图4为本发明应用于高速模数转换器的低功耗片内参考电压驱动电路的开关时序。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的电路结构如图3所示。包含了两个反馈放大器即反馈放大器A1和反馈放大器A2，升压电路，降压电路，滤波电路和输出驱动电路。

图1是传统片外电容滤波的参考电压驱动方案。该电路使用了共源放大器作为参考电压输出驱动，避免了使用高于电源电压VDD或者低于地电平的驱动电压要求。如图1中运算放大器A1、PMOS管M1组成的子电路，和运算放大器A2、NMOS管M2组成的子电路。但是，该电路需要大电容来降低共源放大级的极点，保证电路的稳定性。大电容消耗了过大的版图面积，不利于集成，只能置于芯片外部。

虽然片外电容可以保证图1电路的稳定性。但是，随着模数转换器的采样速率的提高，键合线的电感效应越来越强，芯片内部的高频抖动无法通过键合线输出到片外滤波电容。这就造成了参考电压驱动电路的片内参考电压信号震荡，降低片内参考电压信号的建立速度。

为了解决片内参考电压建立速度不足的问题，传统的片内参考电压驱动电路使用了源极跟随器作为参考电压输出驱动。如图2中的运算放大器A1、PMOS管M1组成的子电路，和运算放大器A2、NMOS管M2组成的子电路。如果NMOS管M3、NMOS管M1的尺寸比例是N：1，那么PMOS管M4、PMOS管M2的尺寸比例是N：1，而电阻R2、电阻R1的阻抗比例为1：N。

为了增加参考电压驱动电路的输出电压范围，图2中的运算放大A1只能使用比电源VDD更高的电源电压VDDH；而运算放大器A2只能使用比地更低的负电源电压VSSL。额外的高电源电压VDDH和负电源电压VSSL，增加了芯片版图的面积，降低模数转换器的集成度，或者增加了芯片的管脚数。

本发明提供的参考电压驱动电路方案，结合了上述两种传统参考电压驱动方案的优点。本发明电路使用源极跟随的输出结构，省去了片外滤波电容；并通过开关电容电路实现控制信号电平转换，省去了运算放大器的高电压电源和负电压电源。如图3所示。

反馈放大器A1负责检测参考输入高电压VIH和反馈输入VOHx的电压差，并输出控制信号VG1H。其中VOHx的电压值和输出参考高电压VOH的电压值相等。受限于反馈放大器A1的工作电压，控制信号VG1H的电压范围在0和VDD之间。如果用VG1H直接驱动源极跟随结构的输出驱动电路，只能获得VDD-VGS3的最高输出参考高电压，其中VGS3是NMOS管M3的栅源电压。

为了提高输出参考高电压的最大电压值，本发明通过开关电容电路，获得更高电压范围的控制信号VG2H。信号VG2H的电压范围在VDD和2VDD之间。电压抬升电路见图3中的升压电路。该电路由开关S1、开关S2、开关S3、开关S4和电容C1、电容C2组成。

被抬升后的信号VG2H受升压电路的开关影响，带有高能高频干扰脉冲信号。为了降低高能脉冲对输出参考电压的影响，本发明增加了一个滤波电路。如图3中由电阻R3、R4，电容C5组成的滤波电路。信号VG2H经过滤波后，成为干净的驱动栅压高电平控制信号VGH。

反馈放大器A2负责检测参考输入低电压VIL和反馈输入VOLx的电压差，并输出控制信号VG1L。其中VOLx的电压值和输出参考低电压VOL的电压值相等。受限于反馈放大器A2的工作电压，控制信号VG1L的电压范围在0和VDD之间。如果用VG1L直接驱动源极跟随结构的输出驱动电路，只能获得VGS4的最低输出参考低电压，其中VGS4是PMOS管M4的栅源电压。

为了降低输出参考低电压的最小电压值，本发明通过开关电容电路，获得更低电压范围的控制信号VG2L。信号VG2L的电压范围在-VDD和0之间。电压降低电路见图3中的降压电路。该电路由开关S5、开关S6、开关S7、开关S8和电容C3、电容C4组成。

被降低后的信号VG2L受降压电路的开关影响，带有高能高频干扰脉冲信号。为了降低高能脉冲对输出参考电压的影响，本发明增加了一个滤波电路。如图3中由电阻R3、电阻R4，电容C5组成的滤波电路。信号VG2L经过滤波后，成为干净的驱动栅压低电平控制信号VGL。

源极跟随电路具有小阻抗输出特性，微小的匹配误差不会造成明显的输出电压误差。所以，在本发明中，输出驱动电路由两个源极跟随电路组成。NMOS管M1、电阻R1和PMOS管M2组成的源极跟随电路负责输出反馈信号VOHx、VOLx到反馈放大器A1、反馈放大器A2的负端。而NMOS管M3、电阻R2和PMOS管M4组成的源极跟随电路负责输出驱动高电平信号VOH和输出驱动低电平信号VOL。

反馈信号VOHx、VOLx和输出信号VOH、VOL的分离，增加了参考电压驱动电路的输入输出隔离能力，降低输出参考电压的波动对反馈控制电路的干扰。而且，NMOS管M3、电阻R2和PMOS管M4组成的源极跟随电路并不在反馈控制回路中。这样可以提高参考电压驱动电路输出端信号VOH、VOL的建立速度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种应用于高速模数转换器的低功耗片内参考电压驱动电路，包括反馈放大器A1、反馈放大器A2、升压电路、降压电路、滤波电路和输出驱动电路，其特征在于：所述反馈放大器A1与升压电路连接，反馈放大器A2与降压电路连接；所述升压电路、降压电路与滤波电路连接；所述滤波电路与输出驱动电路连接；所述的反馈放大器A1工作在电源VDD下，其正端输入为参考输入高电平信号VIH，负端输入为反馈信号VOHx，输出为VG1H；反馈放大器A1的作用是检测参考输入高电平信号VIH和反馈信号VOHx的电压差，输出信号VG1H；VG1H通过升压电路和滤波电路后，调整输出驱动电路的输出VOH；所述反馈放大器A1检测VIH和VOHx的电压差，所述的升压电路将检测结果升压后，经过所述的滤波电路输入到所述的输出驱动电路；所述的反馈放大器A2工作在电源VDD下；其正端输入为参考输入低电平信号VIL，负端输入为反馈信号VOLx，输出为VG1L；检测参考输入低电平信号VIL、反馈信号VOLx的电压差和输出信号VG1L；输出信号VG1L通过降压电路和滤波电路后，调整输出驱动电路的输出VOL；所述的反馈放大器A2检测VIL和VOLx的电压差，所述的降压电路将检测结果降压后，经过所述的滤波电路输入到所述的输出驱动电路；所述升压电路由开关S1、开关S2、开关S3、开关S4和电容C1、电容C2组成；所述的电容C2的负极板连接到所述的反馈放大器A1的输出信号VG1H；所述的电容C2的正极板连接到所述的滤波电路的电阻R3；所述的电容C1、电容C2的负极板通过开关S3连接；所述的电容C1、电容C2的正极板通过开关S4连接；所述的电容C1的负极板通过开关S1连接到地；所述的电容C1的正极板通过开关S2连接到电源VDD；所述的降压电路由开关S5、开关S6、开关S7、开关S8和电容C3、电容C4组成；所述的电容C3的负极板连接到所述的反馈放大器A2的输出信号VG1L；所述的电容C3的正极板连接到所述的滤波电路的电阻R4；所述的电容C3、电容C4的负极板通过开关S5连接；所述的电容C3、电容C4的正极板通过开关S6连接；所述的电容C4的负极板通过开关S7连接到电源VDD；所述的电容C4的正极板通过开关S8连接到地；所述的开关S1、开关S2、开关S7、开关S8工作在相位φ1，所述的开关S3、开关S4、开关S5、开关S6工作在相位φ2，所述相位φ1和相位φ2是非交叠相位；即当所述开关S1、开关S2、开关S7、开关S8闭合时，所述开关S3、开关S4、开关S5、开关S6处于断开状态；而当所述开关S3、开关S4、开关S5、开关S6闭合时，所述开关S1、开关S2、开关S7、开关S8处于断开状态；所述的滤波电路由电阻R3、电阻R4和电容C5组成；所述的电阻R3一端连接到升压控制信号VG2H，另一端连接驱动栅压高电平控制信号VGH；所述的电阻R4一端连接到降压控制信号VG2L，另一端连接驱动栅压低电平控制信号VGL；所述的电容C5连接在信号VGH和VGL之间；所述的滤波电路的作用是，滤除所述的升压电路和所述的降压电路造成的纹波干扰，稳定所述的输出驱动电路的输出；所述的输出驱动电路包含NMOS管M1、NMOS管M3，PMOS管M2、PMOS管M4和电阻R1、电阻R2；所述的NMOS管M1、NMOS管M3的栅极连接到驱动栅压高电平控制信号VGH，漏极连接到电源电压VDD；所述的NMOS管M1的源极连接到反馈信号VOHx；所述的NMOS管M3的源极连接到输出驱动高电平信号VOH；所述的PMOS管M2、PMOS管M4的栅极连接到驱动栅压低电平控制信号VGL，漏极连接到地；所述的PMOS管M2的源极连接到反馈信号VOLx；所述的PMOS管M4的源极连接到输出驱动低电平信号VOL；所述的电阻R1连接在反馈信号VOHx和反馈信号VOLx之间；所述的电阻R2连接在输出信号VOH和VOL之间。

2.根据权利要求1所述的应用于高速模数转换器的低功耗片内参考电压驱动电路，其特征是：所述NMOS管M1、电阻R1、PMOS管M2共同组成一个具有两个输出的源极跟随电路；所述NMOS管M3、电阻R2、PMOS管M4共同组成一个具有两个输出的源极跟随电路；当所述的NMOS管M1、NMOS管M3的尺寸比例为1：N，所述的PMOS管M2、PMOS管M4的尺寸比例也为1：N，而所述电阻R1、电阻R2的尺寸比例为N：1；所述的反馈信号VOHx和VOH具有相同的直流电平；所述的反馈信号VOLx和VOL具有相同的直流电平。

3.根据权利要求1或2所述的应用于高速模数转换器的低功耗片内参考电压驱动电路，其特征是：所述的输出信号VOH、输出信号VOL的波动不会影响到所述的反馈信号VOHx、反馈信号VOLx；提高了参考电压驱动电路的隔离度。