CN106911332A - 应用于adc的参考电压产生电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于ADC的参考电压产生电路，其包括用于存储电荷并输出参考电压的电容C10以及用于对所述电容C10进行充电的电容充电电路，所述电容充电电路包括两个具有相同电路结构的充电支路，电容C10的两端同时与充电支路的输出端连接，所述两充电支路与电容C10间形成对称的连接电路结构；电容充电电路内的两充电支路间能交替进行充电‑电荷平均的过程，且在电荷平均后，利用得到的平均电荷对电容C10进行充电，以使得电容C10充电后输出所需的参考电压VREF。本发明结构紧凑，采用可重复单元以及对称结构，降低了电路设计的难度，能有效减小失配误差，且能降低来自电源和地的干扰，适应范围广，安全可靠。

Description

应用于ADC的参考电压产生电路

技术领域

本发明涉及一种参考电压产生电路，尤其是一种应用于ADC的参考电压产生电路，属于集成电路的技术领域。

背景技术

ADC（Analog-to-Digital），即模数转换，是一种将模拟信号转换为数字信号的技术。从本质上讲，ADC输出的数字信号是输入的模拟信号与参考电压比较的结果。对于ADC，其最重要的一个指标是精度，而参考电压的精度、稳定性和噪声性能对ADC的精度和性能有非常显著地影响。

在实际电路中，影响参考电压性能的因素有很多：其一，来自电源和地的噪声会使参考电压含有噪声成分；其二，参考电压主要输入给ADC的sub-ADC和MDAC（MultiplyingDigital-to-Analog）子模块，这两个子模块都属于开关电容电路，一方面开关电容电路会从参考电压抽取电流来实现电容的充放电，这就要求参考电压要有较强的驱动能力；另一方面，开关电容电路的快速充放电会引起参考电压波动，参考电压必须有快速恢复稳定的能力；其三，具有对称性的参考电压产生电路也会提高其输出电压的性能。

因此，如何确保参考电压的满足ADC的精度和性能，是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种应用于ADC的参考电压产生电路，其结构紧凑，采用可重复单元以及对称结构，降低了电路设计的难度，能有效减小失配误差，且能降低来自电源和地的干扰，适应范围广，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述应用于ADC的参考电压产生电路，包括用于存储电荷并输出参考电压的的电容C10以及用于对所述电容C10进行充电的电容充电电路，所述电容充电电路包括两个具有相同电路结构的充电支路，电容C10的两端同时与充电支路的输出端连接，所述两充电支路与电容C10间形成对称的连接电路结构；

电容充电电路内的两充电支路间能交替进行充电-电荷平均的过程，且在电荷平均后，利用得到的平均电荷对电容C10进行充电，以使得电容C10充电后输出所需的参考电压VREF。

还包括用于提高负载驱动能力的运算放大器，电容C10的两端分别与运算放大器的输入端以及运输放大器的输出端连接。

所述充电支路包括（N-1）个第一开关电容单元以及一个第二开关电容单元，所述第一开关电容单元包括电容C20以及能实现对电容C20进行清空电荷-选中充电-电荷平均-输出控制的第一开关单元，第二开关电容单元包括电容C30以及能实现电容C30进行清空-选中充电-电荷平均-输出控制的第二开关单元，电容C20的电容值与电容C30的电容值相同；

第一开关单元与电容C20间还形成输出端VP1以及输出端VN1，第二开关单元与电容C30间还形成输出端VP2、输出端VN2、输出端VP3以及输出端VN3；

充电支路内所有第一开关电容单元的输出端VP1、输出端VN1相互连接，且第一开关单元内的输出端VP1、输出端VN1与同一充电支路内第二开关电容单元的输出端VP3、输出端VN3连接，第二开关电容单元的输出端VP2、输出端VN2分别与电容C10的上极板、下极板连接；

在同一充电支路内，选择所需数量的第一开关电容单元和/或第二开关电容单元，以对选中第一开关电容单元内的电容C20进行充电，和/或对第二开关电容单元内的电容C30进行充电；在充电完成后，将第二开关电容单元内的电容C30与所有第一开关电容单元内的电容C20并联后进行电荷平均，且在电荷平均后，通过第二开关电容单元的输出端VP2端、VN2端对电容C10充电。

所述第一开关单元包括支路开关S1，支路开关S1的一端与电容C20的上极板连接，支路开关S1的另一端与电源VDD_S连接，电容C20的上极板还与支路开关S2的一端、支路开关S3的一端以及支路开关S6的一端连接，支路开关S2的另一端、支路开关S3的另一端均接地，支路开关S6的另一端形成输出端VP1；

电容C20的下极板分别与支路开关S4的一端、支路开关S5的一端以及支路开关S7的一端连接，支路开关S4的另一端以及支路开关S5的另一端均接地，支路开关S7的另一端形成输出端VN1。

所述第二开关单元包括支路开关S8，支路开关S8的一端与电容C30的上极板连接，支路开关S8的另一端与电源VDD_S连接，电容C30的上极板还与支路开关S9的一端、支路开关S10的一端以及支路开关S13的一端连接，支路开关S9的另一端接地，支路开关S10的另一端形成输出端VP2，支路开关S13的另一端形成输出端VP3；

电容C30的下极板与支路开关S11的一端，支路开关S12的一端以及支路开关S14的一端连接，支路开关S12的另一端接地，支路开关S11的另一端形成输出端VN2，支路开关S14的另一端形成输出端VN3。

本发明的优点：具有很高的对称性，利于减小失配误差；电源VDD_S和GND，独立于其它电路电源，减小了来自电源和地的噪声影响；通过不同的时序控制，可产生不同的参考电压，便于复制使用。

附图说明

图1为现有ADC的结构框图。

图2为本发明的电路框图。

图3为本发明第一开关电容单元的电路原理图。

图4为本发明第二开关电容单元的电路原理图。

图5为本发明选择时序图。

图6为本发明第一开关电容单元的一种时序图。

图7为本发明第二开关电容单元的一种时序图。

附图标记说明：1-上支路、2-运算放大器、3-下支路、4-第一开关电容单元以及5-第二开关电容单元。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为现有ADC的结构框图，参考电压产生电路的时序来自时钟模块。参考电压产生电路产生的参考电压输入给sub-ADC和MDAC。参考电压的性能直接影响sub-ADC和MDAC的精确度。参考电压产生电路的电源和地（未画出），独立于其它电路模块，降低了来自电源和地的干扰。

如图2所示，为了能降低了电路设计的难度，能有效减小失配误差，且能降低来自电源和地的干扰，本发明包括用于存储电荷并输出参考电压的的电容C10以及用于对所述电容C10进行充电的电容充电电路，所述电容充电电路包括两个具有相同电路结构的充电支路，电容C10的两端同时与充电支路的输出端连接，所述两充电支路与电容C10间形成对称的连接电路结构；

电容充电电路内的两充电支路间能交替进行充电-电荷平均的过程，且在电荷平均后，利用得到的平均电荷对电容C10进行充电，以使得电容C10充电后输出所需的参考电压VREF。

具体地，还包括用于提高负载驱动能力的运算放大器2，电容C10的两端分别与运算放大器2的输入端以及运输放大器2的输出端连接。两个充电支路同时与电容C10连接，以形成上支路1以及下支路3，上支路1与下支路3的电路结构相同，上支路1、下支路3与电容C10间形成对称结构，从而能降低电路设计的难度，且能有效减少失配误差。

上支路1与下支路3交替输出，上支路1与下支路3的工作过程相同，上支路1进行充电和电荷平均时，下支路3输出电荷，从而实现对电容C10的充电；反之，下支路3进行充电和电荷平均时，上支路1输出电荷，从而实现对电容C10的充电。

所述充电支路包括（N-1）个第一开关电容单元4以及一个第二开关电容单元5，所述第一开关电容单元4包括电容C20以及能实现对电容C20进行清空电荷-选中充电-电荷平均-输出控制的第一开关单元，第二开关电容单元5包括电容C30以及能实现电容C30进行清空-选中充电-电荷平均-输出控制的第二开关单元，电容C20的电容值与电容C30的电容值相同；

第一开关单元与电容C20间还形成输出端VP1以及输出端VN1，第二开关单元与电容C30间还形成输出端VP2、输出端VN2、输出端VP3以及输出端VN3；

充电支路内所有第一开关电容单元4的输出端VP1、输出端VN1相互连接，且第一开关单元4内的输出端VP1、输出端VN1与同一充电支路内第二开关电容单元5的输出端VP3、输出端VN3连接，第二开关电容单元5的输出端VP2、输出端VN2分别与电容C10的上极板、下极板连接；

在同一充电支路内，选择所需数量的第一开关电容单元4和/或第二开关电容单元5，以对选中第一开关电容单元4内的电容C20进行充电，和/或对第二开关电容单元5内的电容C30进行充电；在充电完成后，将第二开关电容单元5内的电容C30与所有第一开关电容单元4内的电容C20并联后进行电荷平均，且在电荷平均后，通过第二开关电容单元5的输出端VP2端、VN2端对电容C10充电。

如图3所示，所述第一开关单元包括支路开关S1，支路开关S1的一端与电容C20的上极板连接，支路开关S1的另一端与电源VDD_S连接，电容C20的上极板还与支路开关S2的一端、支路开关S3的一端以及支路开关S6的一端连接，支路开关S2的另一端、支路开关S3的另一端均接地，支路开关S6的另一端形成输出端VP1；

电容C20的下极板分别与支路开关S4的一端、支路开关S5的一端以及支路开关S7的一端连接，支路开关S4的另一端以及支路开关S5的另一端均接地，支路开关S7的另一端形成输出端VN1。

如图4所示，所述第二开关单元包括支路开关S8，支路开关S8的一端与电容C30的上极板连接，支路开关S8的另一端与电源VDD_S连接，电容C30的上极板还与支路开关S9的一端、支路开关S10的一端以及支路开关S13的一端连接，支路开关S9的另一端接地，支路开关S10的另一端形成输出端VP2，支路开关S13的另一端形成输出端VP3；

电容C30的下极板与支路开关S11的一端，支路开关S12的一端以及支路开关S14的一端连接，支路开关S12的另一端接地，支路开关S11的另一端形成输出端VN2，支路开关S14的另一端形成输出端VN3。

本发明实施例中，N≥2，每个充电支路内，均包含N个电容。在同一个充电支路内，所有第一开关单元内支路开关S3、支路开关S4、支路开关S5、支路开关S6以及支路开关S7的控制端相互连接，即分别接收相同的开关控制信号；同时，第二开关单元内，支路开关S9、支路开关S10、支路开关S11、支路开关S12以及支路开关S13的控制端分别与上述支路开关S3、支路开关S4、支路开关S5、支路开关S6以及支路开关S7的控制端一一对应连接，即第一开关单元内支路开关S3的控制端以及第二开关单元内支路开关S10的控制端均由开关控制信号C1_S3控制，第一开关单元内支路开关S4的控制端以及第二开关单元内支路开关S11的控制端均由开关控制信号C1_S4控制，第一开关单元内支路开关S5的控制端以及第二开关单元内支路开关S12的控制端均由开关控制信号C1_S5控制，第一开关单元内支路开关S6的控制端以及第二开关单元内支路开关S13的控制端均由开关控制信号C1_S6控制，第一开关单元内支路开关S7的控制端以及第二开关单元内支路开关S14的控制端均由开关控制信号C1_S7控制，每个第一开关单元内支路开关S1的控制端以及支路开关S2的控制端相互独立，且第二开关单元内支路开关S8的控制端以及支路开关S9的控制端与也相互独立。

以上支路1为例进行说明。上支路1共有N个电容。充电前，电容里的电荷会被清空。充电时，会选中其中n（1≤n≤N）个电容进行充电。充电完成后，N个电容并联在一起，进行电荷平均。最后第二开关电容单元内的电容C30并联到电容C10两端，对C10进行充电。这样就完成了一个“清空电荷-选中充电-电荷平均-输出”周期。而输出的电压等于：

其中，VDD_S为电源电压，对上支路1内第一开关电容单元4的选中与否，主要由支路开关S1的连接状态进行调节控制，即由支路开关S1的开关控制信号决定，对第二开关电容单元5的选自，则主要由支路开关S8的连接状态进行调节控制，即由支路开关S8的控制控制信号决定，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。。

具体工作时，无论是第一开关电容单元4还是第二开关电容单元5都包括两个状态，一是选中充电，二是未选中（未选中时，对应电容的上极板、下极板均接地）。同一充电支路中，包括（N-1）个第一开关电容单元（4）和一个第二开关电容单元5，根据需求可以选中其中一个或多个开关电容单元进行充电。

以上支路1为例分别介绍第一开关电容单元4和第二开关电容单元5的工作过程。以N=5、n=1为例，介绍本发明的工作过程。所有开关控制信号都是高电平有效。

如图5所示，当某个开关电容单元的Cm_S1_k（m=1表示上支路，m=2表示下支路；k表示开关电容单元序号）闭合时，则所述开关电容单元内的电容的一个极板就会与电源接通，同时电容的另一极板与地通路也会导通。此时，该开关电容单元被选中充电。支路开关S1的开关控制信号C1_S1₁从高电平变为低电平后，所述充电支路内所有开关电容单元里的电容并联在一起，进行电荷平均。然后另一充电路重复该“充电-电荷平均”过程。T1₁-T10₁完成一次循环。

下面具体地介绍第一开关电容单元4和第二开关电容单元5的工作过程。也是以N=5、n=1为例进行说明。

结合图2、图3和图6介绍第一开关电容单元4的工作过程，对于第一开关电容单元4，具体的工作过程如下：

T1₂时间段内，支路开关S1和支路开关S5先闭合，电容C20一端接通电源VDD_S，另一端接通地。C20充电，充满后达到动态平衡状态。然后支路开关S1和支路开关S5断开，支路开关S6、支路开关S7闭合。第一开关电容单元4所在上支路1内所有电容并联，进行电荷平均。T1₂时间段内，整个电路输出的参考电压为下支路3与电容C10配合输出电压。

T2₂时间段内，支路开关S3和支路开关S4闭合，电容C20两端接地，清除存储的电荷。此时，下支路3内的某些开关电容单元被选中，进行“充电-电荷平均”过程。整个电路输出的参考电压为上支路1与电容C10配合输出的电压。

T3₂时间段内，支路开关S2和支路开关S5先闭合，继续清除该第一开关电容单元4中C20里的电荷，此时上支路1其它某些开关电容被选中充电。随后，支路开关S2和支路开关S5断开，支路开关S6、支路开关S7闭合。上支路1内所有电容并联，进行电荷平均。T3₂时间段内，整个电路输出的参考电压为下支路3与的电容C10配合输出的电压。

T4₂、T6₂、T8₂和T10₂时间段内，第一开关电容单元4的状态都同时间段T2₂一样。对于整体电路来说，在这五个时间段内不同之处在于，所述第一开关电容单元4所在上支路1都有不同的电容C20被选中进行“充电-电荷平均”过程。

T5₂、T7₂和T9₂时间段内，第一开关电容单元4的状态同时间段T3₂一样。同样地，对于整体电路来说，在这四个时间段内不同之处在于，下支路3内有不同的C20被选中进行“充电-电荷平均”过程。

这样，每个第一开关电容单元4都会循环T1₂~T10₂这一过程。

同样地，结合图2、图4和图7介绍第二开关电容单元5的工作过程，以也是以N=5、n=1为例进行详细介绍。

T1₃时间段内，支路开关S8和支路开关S12先闭合，电容C30一端接通电源VDD_S，另一端接通地。C30充电，充满后达到动态平衡状态。然后支路开关S8和支路开关S12断开，支路开关S13、支路开关S14闭合。第二开关电容单元5所在上支路1内所有电容并联，进行电荷平均。T1₃时间段内，整个电路输出的参考电压为下支路3与电容C10的电压。

T2₃时间段内，支路开关S10和支路开关S11闭合。第二开关电容单元5里的电容C30并联在电容C10和运算放大器2的两端，二者进行电荷平均。此时，电路输出的参考电压为运算放大器2的输出电压。而下支路3中的相应开关电容单元被选中，进行“充电-电荷平均”过程。

T3₃时间段内，支路开关S9和支路开关S12先闭合。电容C30两端接地，清除存储的电荷。此时，下支路3内相应开关电容单元被选中，进行充电。随后，支路开关S9和支路开关S12断开，支路开关S13、支路开关S14闭合。上支路3内所有电容并联，进行电荷平均。T3₃时间段内，整体电路输出的参考电压为下支路3与电容C10配合输出的电压。

T4₃、T6₃、T8₃和T10₃时间段内，第二开关电容单元5的状态都同T2₃一样。对于整体电路来说，在这五个时间段内不同之处在于，该第二开关电容单元5所在上支路3都有其它不同的开关电容单元被选中进行“充电-电荷平均”过程。

T5₃、T7₃和T9₃时间段内，第二开关电容单元5的状态同T3₃一样。同样地，对于整体电路来说，在这四个时间段内不同之处在于，下支路3有不同的开关电容单元被选中进行“充电-电荷平均”过程。

这样，每个第二开关电容单元5都会循环T1₃~T10₃这一过程。

对于不同的N和n，只是时序信号有所差别，但都有类似的工作过程。一旦确定了所需参考电压，就可以依此确定N和n的值，电路也就确定了。由此看出，本发明电路结构简单，可移植性高。

根据以上描述可以看出，本发明具有很高的对称性，利于减小失配误差；电源VDD_S和GND，独立于其它电路电源，减小了来自电源和地的噪声影响；通过不同的时序控制，可产生不同的参考电压，便于复制使用。

Claims (5)

1.一种应用于ADC的参考电压产生电路，其特征是：包括用于存储电荷并输出参考电压的的电容C10以及用于对所述电容C10进行充电的电容充电电路，所述电容充电电路包括两个具有相同电路结构的充电支路，电容C10的两端同时与充电支路的输出端连接，所述两充电支路与电容C10间形成对称的连接电路结构；

电容充电电路内的两充电支路间能交替进行充电-电荷平均的过程，且在电荷平均后，利用得到的平均电荷对电容C10进行充电，以使得电容C10充电后输出所需的参考电压VREF。

2.根据权利要求1所述的应用于ADC的参考电压产生电路，其特征是：还包括用于提高负载驱动能力的运算放大器（2），电容C10的两端分别与运算放大器（2）的输入端以及运输放大器（2）的输出端连接。

3.根据权利要求1所述的应用于ADC的参考电压产生电路，其特征是：所述充电支路包括（N-1）个第一开关电容单元（4）以及一个第二开关电容单元（5），所述第一开关电容单元（4）包括电容C20以及能实现对电容C20进行清空电荷-选中充电-电荷平均-输出控制的第一开关单元，第二开关电容单元（5）包括电容C30以及能实现电容C30进行清空-选中充电-电荷平均-输出控制的第二开关单元，电容C20的电容值与电容C30的电容值相同；

第一开关单元与电容C20间还形成输出端VP1以及输出端VN1，第二开关单元与电容C30间还形成输出端VP2、输出端VN2、输出端VP3以及输出端VN3；

充电支路内所有第一开关电容单元（4）的输出端VP1、输出端VN1相互连接，且第一开关单元（4）内的输出端VP1、输出端VN1与同一充电支路内第二开关电容单元（5）的输出端VP3、输出端VN3连接，第二开关电容单元（5）的输出端VP2、输出端VN2分别与电容C10的上极板、下极板连接；

在同一充电支路内，选择所需数量的第一开关电容单元（4）和/或第二开关电容单元（5），以对选中第一开关电容单元（4）内的电容C20进行充电，和/或对第二开关电容单元（5）内的电容C30进行充电；在充电完成后，将第二开关电容单元（5）内的电容C30与所有第一开关电容单元（4）内的电容C20并联后进行电荷平均，且在电荷平均后，通过第二开关电容单元（5）的输出端VP2端、VN2端对电容C10充电。

4.根据权利要求3所述的应用于ADC的参考电压产生电路，其特征是：所述第一开关单元包括支路开关S1，支路开关S1的一端与电容C20的上极板连接，支路开关S1的另一端与电源VDD_S连接，电容C20的上极板还与支路开关S2的一端、支路开关S3的一端以及支路开关S6的一端连接，支路开关S2的另一端、支路开关S3的另一端均接地，支路开关S6的另一端形成输出端VP1；

电容C20的下极板分别与支路开关S4的一端、支路开关S5的一端以及支路开关S7的一端连接，支路开关S4的另一端以及支路开关S5的另一端均接地，支路开关S7的另一端形成输出端VN1。

5.根据权利要求3所述的应用于ADC的参考电压产生电路，其特征是：所述第二开关单元包括支路开关S8，支路开关S8的一端与电容C30的上极板连接，支路开关S8的另一端与电源VDD_S连接，电容C30的上极板还与支路开关S9的一端、支路开关S10的一端以及支路开关S13的一端连接，支路开关S9的另一端接地，支路开关S10的另一端形成输出端VP2，支路开关S13的另一端形成输出端VP3；

电容C30的下极板与支路开关S11的一端，支路开关S12的一端以及支路开关S14的一端连接，支路开关S12的另一端接地，支路开关S11的另一端形成输出端VN2，支路开关S14的另一端形成输出端VN3。