一种高精度绝对电压比较器的实现电路
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域,具体的说,是涉及一种高精度绝对电压比较器的实现电路。
背景技术
在集成电路设计生产中,用到比较器对输入电压进行比较。比较器是将一个模拟电压信号Vin与一个基准电压Vref相比较的电路。比较器的两路输入为模拟信号,输出则为二进制信号0或1,0或1分别使用低电平和高电平表示。当输入电压的差值增大或减小且正负符号不变时,其输出保持恒定。而比较器工作时无法做到高精度检测,其原因如下:
(1)比较器的精度主要由放大器A的开环增益和比较器的输入固有误差决定。对于大规模生产的集成电路来说,输入的固有误差是由放大器A中的各个器件之间的匹配误差决定,使用CMOS技术生产的放大器相对于采用BJT技术生产的放大器的输入误差更大,实际生产中呈正态分布。在电路设计过程中,可以对CMOS放大器的开环增益做一定的控制,从结构上提高开环增益,相应的需要对其他指标做一定的平衡。但是,生产误差是难以控制的,在大规模生产中也无法保证精度的误差控制在某一范围内。
即放大器A开环的输入匹配误差影响比较器的检测精度。
(2)基准电压Vref由参考电压生成电路产生,无论参考电压为何,批量生产时,产生的电压Vref会因为工艺随机波动而产生正态分布的误差。
即参考电压Vref的随机误差影响比较器的检测精度。
(3)另外,比较器在一些工作场合(例如锂电池保护芯片工作过程中),需要对电源电压进行检测,需要在输入电源串联两个分压电阻后接地,放大器A的输入端与两个分压电阻的中点连接。而由于在具体的大规模晶圆生产时,两个分压电阻的比值因为电阻的匹配原因,与设计值相比也会产生误差,结果呈正态分布。
即串联分压电阻的随机匹配误差影响比较器的检测精度。
因此,在集成电路设计时需要对上述缺陷来源进行克服,才能解决比较器的精度低的问题,而现有的集成电路设计中,无相应的结构或方法进行调整,影响比较器的高精度实现。
发明内容
为了克服现有的技术的不足,本发明提供一种高精度绝对电压比较器的实现电路。
本发明技术方案如下所述:
一种高精度绝对电压比较器的实现电路,包括比较器,输入电压信号及基准电压,所述比较器的一个输入端与所述基准电压连接,其特征在于,
所述比较器的另一输入端经过第一分压电阻串接地,所述第一分压电阻串包括第一分压电阻和第一修调电阻串,所述第一修调电阻串包括至少一个第一修调电阻;
所述比较器的该另一输入端还经过第二分压电阻串与所述输入电压信号连接,所述第二分压电阻串包括第二分压电阻和第二修调电阻串,所述第二修调电阻串包括至少一个第二修调电阻;
每个所述第一修调电阻和每个所述第二修调电阻均与对应的金属熔丝并联,通过修调所述金属熔丝的通断得到不同输入翻转电压的精度。
根据上述方案的本发明,其特征在于,通过电流修调或激光修调的方式实现所述金属熔丝的修调。
根据上述方案的本发明,其特征在于,在所述第一修调电阻串中,所述第一修调电阻线性递增或递减。
根据上述方案的本发明,其特征在于,在所述第二修调电阻串中,所述第二修调电阻线性递增或递减。
根据上述方案的本发明,其特征在于,在所述第一修调电阻串中,所述第一修调电阻按照幂次方数进行递增或递减。
进一步的,所述所述第一修调电阻按照2的幂次方数进行递增或递减。
根据上述方案的本发明,其特征在于,在所述第二修调电阻串中,所述第二修调电阻按照幂次方数进行递增或递减。
进一步的,所述第二修调电阻按照2的幂次方数进行递增或递减。
根据上述方案的本发明,其特征在于,修调时,最小修调步进为:所述第一修调电阻串或所述第二修调电阻串的非零最小电阻阻值相对于第一分压电阻和第二分压电阻的阻值和的百分比。
根据上述方案的本发明,其特征在于,修调时,最大修调范围为:所述第一修调电阻串的所有电阻阻值之和相对于第一分压电阻串和第二分压电阻的阻值和的百分比;或者最大修调范围为:所述第二修调电阻串的所有电阻阻值之和相对于第一分压电阻和第二分压电阻串的阻值和的百分比。
根据上述方案的本发明,其有益效果在于,本发明可以对电阻随机匹配误差/放大器输入随机匹配误差/参考源电压随机误差进行修调,得到所需的绝对精度的电压比较器,且可修调的精度高;同时,本发明可进行正负方向修调,整个修调操作简单,节省了修调所需时间和工艺成本;本发明可以推广至任意精度和修调比特数的高精度电压比较器设计,可以应用到包括电源管理芯片领域的各个领域的集成电路设计中,具有广泛适用性。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图。
图2为本发明中实施例一的电路图。
图3为本发明中实施例二的电路图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述:
如图1所示,一种高精度绝对电压比较器的实现电路,包括比较器A,输入电压信号Vin及基准电压Vref,比较器A的一个输入端(本实施中为反相输入端)与基准电压Vref连接。
比较器A的另一输入端(即本实施例中的同相输入端)经过第一分压电阻串接地,第一分压电阻串包括第一分压电阻R1和第一修调电阻串,第一修调电阻串包括至少一个第一修调电阻R1i;比较器A的该输入端还经过第二分压电阻串与输入电压信号Vin连接,第二分压电阻串包括第二分压电阻R2和第二修调电阻串,第二修调电阻串包括至少一个第二修调电阻R2j。根据具体需要,第一分压电阻和第二分压电阻的阻值可以相同或不同;在第一修调电阻R1i和第二修调电阻R2j中,i、j均为1-n之间的自然数。
每个第一修调电阻和每个第二修调电阻均与对应的金属熔丝并联,通过修调金属熔丝的通断得到不同输入翻转电压的精度。优选的,通过电流修调或激光修调的方式实现金属熔丝的修调,修调过程更加方便,减少了修调的时间成本和工艺成本。
由于在具体设计中,工艺的偏差方向不同,因此根据具体应用场合的不同,第一修调电阻串中第一修调电阻的个数及阻值分布规律、第二修调电阻串中第二修调电阻的个数及阻值分布规律、第一分压电阻和第二分压电阻的数值关系、第一分压电阻与第一修调电阻串的关系以及第二分压电阻与第二修调电阻串的关系可做适应性调整,此处均不作限定,根据具体应用实例进行适当调整即可。
在第一修调电阻串中,第一修调电阻按照幂次方数进行递增或递减(优选为2的幂次方数进行分布);在第二修调电阻串中,第二修调电阻按照幂次方数进行递增或递减(优选为2的幂次方数进行分布)。幂方数进行电路设计,可以在得到小的修调步长的情况下,最大限度的减少修调所需的fuse数量,具有达到最低修调成本和工艺成本的适用性。
修调时,最小修调步进为:第一修调电阻串的非零最小电阻阻值相对于第一分压电阻和第二分压电阻的阻值和的百分比,即其中R11为所有第一修调电阻串中最小的电阻阻值;或最小修调步进为:第二修调电阻串的非零最小电阻阻值相对于第一分压电阻和第二分压电阻的阻值和的百分比,即其中R21为所有第二修调电阻串中最小的电阻阻值。
修调时,最大修调范围为:第一修调电阻串的所有电阻阻值之和相对于分压电阻串和第二分压电阻的阻值和的百分比,即或者最大修调范围为:第二修调电阻串的所有电阻阻值之和相对于第一分压电阻和第二分压电阻串的阻值和的百分比,即
实施例一
如图2所示,第一分压电阻串中包括第一分压电阻R1、第一修调电阻R11,第一修调电阻R11与金属熔丝Fuse1并联;第二分压电阻串中包括第二分压电阻R2、第二修调电阻R21,第二修调电阻R21与金属熔丝Fuse2并联。
在本实施例中需要设计精度为10mV、检测电压Vin=2.4V的电压比较器,即良品值为2.390V~2.410V。理论设计值是Vref=1.200V、R1=R2=100k ohm、R11=R21=2k ohm;放大器A的增益为80dB,可以不考虑A的有限增益造成的误差;金属熔丝Fuse1和金属熔丝Fuse2的电阻为100m ohm左右,可以近似为短路。
在中测时,通过机台进行监测,假设机台的时间分辨率为1mV/1ms,控制Vin的上升斜率(时间分辨率)为2mV/1ms;从2.0V开始扫描到2.8V终止,可以在400ms内以精度为2mV的要求,得到Vin的精确值。
(1)若基准电压Vref产生了12mV的偏差,即Vref=1.212V,第一分压电阻R1和第二分压电阻R2不变,放大器A的等效输入offet为0。在不做修调的情况下,输入电压信号Vin的翻转电压为Vin=Vref×(R1+R2)/R1=1.212×2=2.424V,且已被机台侦测到,此测试值已超出了要求的10mV精度。
在修调时,将金属熔丝Fuse1熔丝烧断,这时输入电压信号Vin的翻转电压为Vin1=Vref×(R1+R11+R2)/(R1+R11)=1.212×(202/102)=2.400V,那么虽然基准电压Vref的随机误差导致比较器的反转电压在1.212V,偏离设计值12mV,在修调后,仍然能够回复到设计值2.4V。
(2)如若基准电压Vref的偏离值较小,例如Vref=1.208V,那么测试值会变成1.208×2=2.416V,超出了误差范围10mV,仍然需要进行修调。
修调后Vin1变成Vin1=Vref×(R1+R11+R2)/(R1+R11)=1.208×(202/102)=2.392V,相比之前的+16mV误差,变成了-8mV误差,从不良品变成了良品。
(3)如若基准电压Vref产生了-12mV的偏差,即Vref=1.188V,第一分压电阻R1和第二分压电阻R2不变,放大器A的等效输入offet为0。在不做修调的情况下,输入电压信号Vin的翻转电压为Vin=Vref×(R1+R2)/R1=1.188×2=2.376V,并且已被机台侦测到,此测试值已超出了要求的±10mV精度。
此时,金属熔丝Fuse2烧断,这时输入电压信号Vin的翻转电压为Vin1=Vref×(R1+R2+R21)/(R1)=1.188×(202/100)=2.399V,成为良品。
(4)如若基准电压Vref=1.2V,第一分压电阻R1和第二分压电阻R2不变,放大器A的等效输入offet为12mV;或者基准电压Vref和放大器A同时产生了偏差,并且都为6mV,等效Vref或放大器A的输入产生12mV偏差。上述情况均可以等效为上述(1)中的修调方式。
本发明电路结构可以实现正负双向误差的修调控制;并且可以拓展到基准电压Vref、放大器A和电阻串(第一分压电阻R1和第二分压电阻R2)的随机偏差同样等效到单一误差,即本发明电路具有广泛适用性。
实施例二
如图3所示,第一分压电阻串中包括第一分压电阻R1、第一修调电阻R11、R12、R13,修调电阻R11与金属熔丝Fuse11并联,修调电阻R12与金属熔丝Fuse12并联,修调电阻R13与金属熔丝Fuse13并联;第二分压电阻串中包括第二分压电阻R2、第二修调电阻R21、R22、R23,修调电阻R21与金属熔丝Fuse21并联,修调电阻R22与金属熔丝Fuse22并联,修调电阻R23与金属熔丝Fuse23并联。
在本实施例中,R1=R2=35R,R11=R21=1R,R12=R22=2R,R13=R23=4R。
最小修调步进为金属熔丝所短接的最小电阻阻值相对于第一分压电阻和第二分压电阻的阻值和的百分比,最大修调范围为金属熔丝所短接的所有电阻阻值之和相对于第一修调电阻串和第二分压电阻的阻值和的百分比。
在本实施例中,可做修调的最小步进为1R/(35R+35R)≈1.4%,修调的最大范围为(1R+2R+4R)/(35R+35R+1R+2R+4R)≈9%。假设Vref=1.2V,则最小步长为1.4%×1.2≈17mV,最大可修调范围为9%×1.2≈108mV,并且17mV修调可以使用正负两个方向(即±17mV),108mV可以适用于正负两个方向的范围(即±108mV)。
可修调的金属熔丝对应的电阻阻值按2的幂方进行分布,则可实现采用最少的修调金属熔丝,实现最大的修调范围。本实施中在±108mV的范围内按照17mV的步进进行任意值的修调,得到的表格如下,其中以1为烧断,0为默认连接进行表示。
Fuse1 |
Fuse2 |
Fuse3 |
Fuse4 |
Fuse5 |
Fuse6 |
对应修调电压 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
108mV |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
92mV |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
77mV |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
62mV |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
46mV |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
31mV |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
16mV |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
-16mV |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
-31mV |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
-46mV |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
-62mV |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
-77mV |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
-92mV |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
-108mV |
由于精度步长对应的是修调金属熔丝fuse所短接的最小电阻阻值相对于整串电阻的阻值的百分比。因此以上述实施例类推,只要金属熔丝fuse短接的最小电阻阻值相对足够小,可以修调的精度可以得到非常高的结果。
在其他实施例中,可修调的金属熔丝对应的电阻阻值还可成线性递增或递减,如若干个1R串联,根据不同的修调方式形成1R、2R、3R、4R等不同阻值,进而实现不同的修调精度和范围。
本发明通过在两个分压电阻之间串联相对应的修调电阻,并且每个修调电阻分别并联相应的金属熔丝,通过电流修调或激光修调技术控制金属熔丝的开断,进而实现了不同高精度的电压比较器;同时,本发明将单一电阻匹配误差/放大器输入随机匹配误差/参考源电压随机误差进行综合,实现了应用场合的广泛性。
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述,显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制,只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进,或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的,均在本发明的保护范围内。