CN107436615B - 用于检测电源电压的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于检测电源电压的系统，所述系统包括参考信号生成装置、比较装置以及输出缓冲装置，其中，所述参考信号生成装置用于生成随待测电源电压的变化而变化的第一参考信号和第二参考信号；所述比较装置用于比较所述第一参考信号和所述第二参考信号，并生成比较结果信号；以及所述输出缓冲装置用于基于所述比较结果信号生成输出参考信号，所述输出参考信号反映所述待测电源的电压模式。本发明所提供的用于检测电源电压的系统对电源电压的检测不受电源电压偏差的影响，只有工艺温度的偏差，对电源电压检测的影响较小，因此可以在所有工艺角下都输出正确的检测结果。

Description

用于检测电源电压的系统
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体而言涉及一种用于检测电源电压的系统。
背景技术
I/O是内部芯片和外部芯片之间的接口，主要功能是发射或接收数字/模拟信号。在特殊应用下I/O接口需要工作在高于正常电源电平下，此时需要产生一个检测信号向芯片内部逻辑告知I/O实际正操作在哪种电压模式下。然而，现有的检测IO电源电压的检测电路结构简单，在工艺角变化的情况下可能输出错误的检测结果。因此，需要一种检测电源电压的系统对电源电压的检测不受工艺角的影响，能够在高电平电源下有足够的可靠性性能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于检测电源电压的系统，所述系统包括参考信号生成装置、比较装置以及输出缓冲装置，其中，所述参考信号生成装置用于生成随待测电源电压的变化而变化的第一参考信号和第二参考信号；所述比较装置用于比较所述第一参考信号和所述第二参考信号，并生成比较结果信号；以及所述输出缓冲装置用于基于所述比较结果信号生成输出参考信号，所述输出参考信号反映所述待测电源的电压模式。
在本发明的一个实施例中，所述参考信号生成装置包括第一参考信号生成模块和第二参考信号生成模块，所述第一参考信号生成模块包括串联连接于所述待测电源和低压电源之间的负载和线性区NMOS器件，用于生成所述第一参考信号；所述第二参考信号生成模块包括串联连接于所述待测电源和低压电源之间的电阻和饱和区NMOS器件，用于生成所述第二参考信号。
示例性地，所述负载由多个工作在饱和区的PMOS器件构成。
在本发明的一个实施例中，所述第一参考信号为随所述待测电源的电压增加而单调递增的参考信号，所述第二参考信号为随所述待测电源的电压增加而单调递减的参考信号。
在本发明的一个实施例中，所述参考信号生成装置还包括偏压生成模块，所述偏压生成模块用于生成第一偏压和第二偏压。
在本发明的一个实施例中，所述第一偏压为所述线性区NMOS器件提供栅极电压，所述第二偏压为所述饱和区NMOS器件提供栅极电压。
在本发明的一个实施例中，所述偏压生成模块还为所述比较装置提供所述第一偏压。
在本发明的一个实施例中，所述偏压生成模块包括串联连接于所述待测电源和低压电源之间的多个电阻。
在本发明的一个实施例中，所述偏压生成模块包括串联连接的宽长比小于预定阈值的MOS器件。
在本发明的一个实施例中，所述比较装置包括差分放大器。
示例性地，所述差分放大器为电流镜负载的差分放大器。
在本发明的一个实施例中，所述输出缓冲装置包括下拉反相器。
示例性地，所述下拉反相器包括串联连接于所述待测电源和低压电源之间的负载和开关NMOS器件。
示例性地，所述负载由多个工作在饱和区的PMOS器件构成。
在本发明的一个实施例中，所述输出缓冲装置还包括连接于高压电源和低压电源之间的输出缓冲器。
示例性地，所述高压电源的电压低于所述待测电源的电压。
本发明所提供的用于检测电源电压的系统对电源电压的检测不受电源电压偏差的影响，只有工艺温度的偏差，对电源电压检测的影响较小，因此可以在所有工艺角下都输出正确的检测结果。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1示出了现有的检测电源电压的示例性电路；
图2示出了图1所示电路中X节点处的电压随电源电压而变化的示意图；
图3示出了根据本发明实施例的用于检测电源电压的系统的结构示意图；
图4示出了根据本发明实施例的用于检测电源电压的系统的示例性电路；以及
图5示出了图4所示电路中部分节点处的电压随电源电压而变化的示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
图1示出了现有的检测电源电压的示例性电路。如图1所示，待测电源(例如IO电源)示出为VDD33，为测试电源VDD33的电压模式，采用两个串联连接的电阻，并从两电阻之间即如图1所示节点X处连接采用另一电源(例如芯片内部电源)VDD供电的反相器，反相器输出检测信号，该检测信号用于反映电源VDD33的电压模式。
图2示出了图1所示电路中X节点处的电压随电源电压而变化的示意图。如图2所示，节点X处的电压随电源电压线性变化，当V(VDD33)＝3V时，V(X)＝V1；当V(VDD33)＝5V时，V(X)＝V2；如果反相器的阈值电压Vt在V1到V2之间，那么随着VDD33电压从3V上升到5V，反相器的输出节点输出的检测信号为从“1”到“0”。
因此，图1所示电路的检测机制是当VDD33为高电压模式时，X点电压大于后级阈值，则输出为0；当VDD33为低电压模式时，X点电压小于后级阈值，则输出为1。但是由于跨两个电源域，电压影响有可能会相反。随着工艺温度电压的影响可能会出现检测错误。例如VDD33电压偏高10％，VDD电压偏低10％，特定的温度工艺偏差条件下，即使VDD33为高电压模式，X点电压也有可能小于后级阈值，错误输出1；或者，VDD33电压偏低10％，VDD电压偏高10％，特定的温度工艺偏差条件下，即使VDD33为低电压模式时，X点电压也大于后级阈值，错误输出0。
为了克服上述缺陷，本发明提供一种用于检测电源电压的系统。图3示出了根据本发明实施例的用于检测电源电压的系统300的结构示意图。
如图3所示，系统300包括参考信号生成装置301、比较装置302以及输出缓冲装置303。
其中，参考信号生成装置301用于生成随待测电源VDD33(未在图3中示出)电压的变化而变化的第一参考信号A和第二参考信号B；
比较装置302用于比较第一参考信号A和第二参考信号B，并生成比较结果信号D；
输出缓冲装置303用于基于比较结果信号D生成输出参考信号C，输出参考信号C反映待测电源VDD33的电压模式。
由于系统300所有的检测都是在同一电源域(即待测电源域VDD33)中实现，因此其对电源电压的检测不受电源电压偏差的影响，只有工艺温度的偏差，对电源电压检测的影响较小，因此可以在所有工艺角下都输出正确的检测结果。
根据本发明的一个实施例，参考信号生成装置301可以包括第一参考信号生成模块和第二参考信号生成模块(未在图3中示出)。
其中，第一参考信号生成模块可以包括串联连接于待测电源VDD33和低压电源之间的负载和线性区NMOS器件，用于生成第一参考信号A；
第二参考信号生成模块可以包括串联连接于待测电源VDD33和低压电源之间的电阻和饱和区NMOS器件，用于生成第二参考信号B。其中，低压电源为VSS(未在图3中示出)。
示例性地，第一参考信号A可以为随待测电源VDD33的电压增加而单调递增的参考信号，第二参考信号B可以为随待测电源VDD33的电压增加而单调递减的参考信号。
示例性地，第一参考信号生成模块的负载可以由多个工作在饱和区的PMOS器件构成，这些PMOS器件可以采用二极管形式连接，即衬底连接源极、栅极连接漏极的连接方式，以使其工作在饱和区，用作分压负载。可替代地，第一参考信号生成模块的负载可以由电阻串来实现。本领域普通技术人员能够理解，此处可以根据需要设置PMOS器件的数量，或根据需要设置电阻的阻值。
第一参考信号生成模块的NMOS器件可被设计为随着电源电压的上升而总是操作在线性区，该NMOS器件漏端的电压可作为第一参考信号A。
第二参考信号生成模块的电阻用作分压负载，本领域普通技术人员能够理解，此处可以根据需要设置电阻的阻值。
第二参考信号生成模块的NMOS器件可被设计为随着电源电压的上升从饱和区变换到线性区，该NMOS器件漏端的电压可作为第二参考信号B。
示例性地，参考信号生成装置301还可以包括偏压生成模块(未在图3中示出)，偏压生成模块可以为第一、第二参考信号生成模块的NMOS器件提供栅极电压。
示例性地，偏压生成模块可以用于生成第一偏压和第二偏压。例如，第一偏压为第一参考信号生成模块的线性区NMOS器件提供栅极电压，第二偏压为第二参考信号生成模块的饱和区NMOS器件提供栅极电压。
示例性地，偏压生成模块还为比较装置302提供第一偏压。
示例性地，偏压生成模块可以包括串联连接于待测电源VDD33和低压电源VSS之间的多个电阻。本领域普通技术人员能够理解，此处可以根据需要设置电阻的数量和/或阻值，以分出合理的电平供第一、第二参考信号生成模块应用。
可替代地，偏压生成模块可以采用串联连接的具有较小宽长比(例如小于预定阈值)的MOS器件来实现，本领域普通技术人员可以根据需要设置预定阈值的具体数值。
根据本发明的一个实施例，比较装置302可以包括差分放大器。示例性地，该差分放大器可以为电流镜负载的差分放大器。
根据本发明的一个实施例，输出缓冲装置303可以包括下拉反相器。示例性地，该下拉反相器可以包括串联连接于待测电源VDD33和低压电源VSS之间的负载和开关NMOS器件。
该下拉反相器的负载可以由多个工作在饱和区的PMOS器件构成，这些PMOS器件可以采用二极管形式连接，即衬底连接源极、栅极连接漏极的连接方式，以使其工作在饱和区，用作分压负载。可替代地，该下拉反相器的负载可以由电阻串来实现。本领域普通技术人员能够理解，此处可以根据需要设置PMOS器件的数量，或根据需要设置电阻的阻值。
比较装置302输出的比较结果信号D连接到该下拉反相器的输入端，该下拉反相器的输出即作为输出参考电压，该输出参考电压C反映待测电源VDD33的电压模式，能够作为向芯片内部传输的检测IO电源电压的检测信号。
进一步地，输出缓冲装置303还可以包括连接于高压电源和低压电源之间的输出缓冲器。其中，高压电源的电压低于待测电源VDD33的电压。例如，高压电源为VDD。
该输出缓冲器可以用于将输出缓冲装置所包括的下拉反相器所输出的输出参考信号变换到另一电源域，例如芯片内部电源域VDD，以作为最终的电源电压检测信号向芯片内部逻辑告知IO电源实际正操作在哪种电压模式下。
示例性地，该输出缓冲器可以采用奇数数目的反相器实现，本领域普通技术人员能够理解，此处可以根据需要设置所包括的反相器的数量。
示意性实施例一
图4示出了根据上述实施例的用于检测电源电压的系统400的示例性电路。如图4所示，系统400包括参考信号生成装置401、比较装置402以及包括下拉反相器403和输出缓冲器404的输出缓冲装置。
参考信号生成装置401的电路包括偏压生成支路、第一参考信号A生成支路和第二参考信号B生成支路。
其中，偏压生成支路包括串联连接于待测电源VDD33和低压电源VSS之间的多个电阻，虽然此处在图4中示出为五个电阻，但是本领域普通技术人员可以理解，可以根据需要设置任意数目的电阻。偏压生成支路可以用于生成第一偏压VB_A和第二偏压VB_B。
第一参考信号A生成支路包括串联连接于待测电源VDD33和低压电源VSS之间的负载和NMOS器件MN1。
其中，第一参考信号A生成支路所包括的负载由工作在饱和区的多个PMOS器件构成，这些PMOS器件均为衬底连接源极、栅极连接漏极，为二极管形式连接的PMOS串，因此总是工作在饱和区，它们用作分压负载，虽然此处在图4中示出为四个PMOS器件，但是本领域普通技术人员可以理解，可以根据需要设置任意数目的PMOS器件。
第二参考信号B生成支路包括电阻和NMOS器件MN2。其中，随着电源电压VDD33的增大，MN2从饱和区变换到线性区。
MN1的栅极电压可由偏压生成支路所生成的第一偏压VB_A来提供，MN2的栅极电压可由偏压生成支路所生成的第二偏压VB_B来提供。
MN1的漏端电压和MN2的漏端电压分别作为第一参考信号A和第二参考信号B作为比较装置402的输入信号。示例性地，第一参考信号A可以为随待测电源VDD33的电压增加而单调递增的参考信号，第二参考信号B可以为随待测电源VDD33的电压增加而单调递减的参考信号。
比较装置402包括电流镜负载的差分放大器，其接收第一参考信号A和第二参考信号B作为输入，输出比较结果信号D。
输出缓冲装置包括下拉反相器403，下拉反相器403包括串联连接于待测电源VDD33和低压电源VSS之间的负载和开关NMOS器件。
下拉反相器403的负载由多个工作在饱和区的PMOS器件构成，这些PMOS器件衬底连接源极、栅极连接漏极，为二极管形式连接的PMOS串，因此总是工作在饱和区用作分压负载，虽然此处在图4中示出为四个PMOS器件，但是本领域普通技术人员可以理解，可以根据需要设置任意数目的PMOS器件。
开关NMOS器件的栅极电压为比较装置402的输出D，开关NMOS器件的漏端电压C作为下拉反相器403的输出，其中C反映待测电源VDD33的正处于的电压模式。
输出缓冲装置还包括连接于高压电源VDD和低压电源VSS之间的输出缓冲器404，输出缓冲器404包括串联连接的多个反相器，它们将下拉反相器403的输出C变换到另一电源域(芯片内部电源VDD)。
输出缓冲器404的输出REF作为最终的电源电压检测信号向芯片内部逻辑告知IO电源实际正操作在哪种电压模式下。虽然此处在图4中示出为三个反相器，但是本领域普通技术人员可以理解，可以根据需要设置任意数目的反相器。
图5示出了图4所示电路中节点A、B、D、C以及REF处的电压随电源电压而变化的示意图。
如图5所示，在所有工艺角下，参考信号A和B的交叉应在3.3V(即3V+10％)和4.5V(即5V-10％)之间的区域，这意味着所有工艺角的IO电源都可被正确地检测到，不管是高电平还是低电平。
因此，本发明所提供的基于上述实施例的用于检测电源电压的系统对电源电压的检测不受电源电压偏差的影响，只有工艺温度的偏差，对电源电压检测的影响较小，因此可以在所有工艺角下都输出正确的检测结果。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (15)

1.一种用于检测电源电压的系统，其特征在于，所述系统包括参考信号生成装置、比较装置以及输出缓冲装置，其中，
所述参考信号生成装置用于生成随待测电源电压的变化而变化的第一参考信号和第二参考信号；
所述比较装置用于比较所述第一参考信号和所述第二参考信号，并生成比较结果信号；以及
所述输出缓冲装置用于基于所述比较结果信号生成输出参考信号，所述输出参考信号反映所述待测电源的电压模式；
其中，所述参考信号生成装置包括第一参考信号生成模块和第二参考信号生成模块，所述第一参考信号生成模块包括串联连接于所述待测电源和低压电源之间的负载和线性区NMOS器件，用于生成所述第一参考信号；所述第二参考信号生成模块包括串联连接于所述待测电源和低压电源之间的电阻和饱和区NMOS器件，用于生成所述第二参考信号。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述负载由多个工作在饱和区的PMOS器件构成。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一参考信号为随所述待测电源的电压增加而单调递增的参考信号，所述第二参考信号为随所述待测电源的电压增加而单调递减的参考信号。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述参考信号生成装置还包括偏压生成模块，所述偏压生成模块用于生成第一偏压和第二偏压。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一偏压为所述线性区NMOS器件提供栅极电压，所述第二偏压为所述饱和区NMOS器件提供栅极电压。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述偏压生成模块还为所述比较装置提供所述第一偏压。
7.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述偏压生成模块包括串联连接于所述待测电源和低压电源之间的多个电阻。
8.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述偏压生成模块包括串联连接的宽长比小于预定阈值的MOS器件。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述比较装置包括差分放大器。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述差分放大器为电流镜负载的差分放大器。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述输出缓冲装置包括下拉反相器。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述下拉反相器包括串联连接于所述待测电源和低压电源之间的负载和开关NMOS器件。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述负载由多个工作在饱和区的PMOS器件构成。
14.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述输出缓冲装置还包括连接于高压电源和低压电源之间的输出缓冲器。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述高压电源的电压低于所述待测电源的电压。
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