CN111865314A - 模数转换器模拟前端电路 - Google Patents

模数转换器模拟前端电路 Download PDF

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邱雷
韩志刚
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Abstract

本发明公开了一种模数转换器模拟前端电路，包括钳位保护电路和差分放大电路，其中钳位保护电路与外部输入信号连接，用于在外部输入信号超出预设阈值区间时对模数转换器进行保护；差分放大电路与钳位保护电路连接，用于对外部输入信号进行放大。本发明有效地避免外部输入信号超出预设阈值区间时对模数转换器造成损坏，提高模数转换器工作电压范围灵活度；设置输入电阻使得模数转换器模拟前端电路可以直接与外部输入信号连接；不需增加专门驱动模块，大大降低了生产成本，降低功耗，提高使用便捷度。

Description

模数转换器模拟前端电路
技术领域
本发明涉及模数转换集成电路领域，尤其涉及一种应用于模数转换器前端的模数转换器模拟前端电路。
背景技术
随着现如今高质量多媒体以及高速通信的高速发展，模数转换器(ADC)的设计要求逐渐提高，例如需更高的精度、更高的采样率以及低功耗等。其中，低功耗设计对于便携式设备尤为重要。同时IEEE 802.11标准也正逐渐向着更高带宽以及更大信噪比(SNR)需求来制定。更进一步随着CMOS管工艺的先进发展，低功耗高性能的模数转换器(ADC)也具有了可实现性。
但是随着便携式设备的需求和晶体管特征尺寸的持续减小，集成电路设计者仍存在诸多挑战，例如：一方面，随着集成度的不断提高，造成模数转换器(ADC)功耗上升；另一方面，特征尺寸的减小会使得模数转换器(ADC)的击穿电压和可靠性不断降低，进而影响器件的性能。对于一款高精度的模数转换器(ADC)，灵活的工作电压范围尤为重要。
传统的模数转换器(ADC)输入阻抗均较低，但为达到最优性能，需在芯片前端增加专门的驱动模块，以实现对模拟输入信号的幅度调整、缓冲、滤波等，针对性的实现对单一芯片的驱动，大大增加了生产成本，使用时也更加复杂。因此，宽输入范围的ADC模拟前端电路是有必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的模数转换器工作电压范围灵活度低，功耗较高，且需要增加专门驱动模块，大大增加了生产成本，使用存在诸多不便。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种模数转换器模拟前端电路，包括：
钳位保护电路，与外部输入信号连接，用于在所述外部输入信号超出预设阈值区间时对模数转换器进行保护；
差分放大电路，与所述钳位保护电路连接，用于对所述外部输入信号进行放大。
优选地，所述钳位保护电路包括依次连接的外部输入信号接入端、输入电阻和第一比较单元，所述输入电阻与所述第一比较单元连接端还连接有第二比较单元；
所述第一比较单元，用于在所述外部输入信号低于所述预设阈值区间时对所述模数转换器进行充电保护；
所述第二比较单元，用于在所述外部输入信号高于所述预设阈值区间时对所述模数转换器进行放电保护。
优选地，所述第一比较单元包括第一模拟比较器以及与所述第一模拟比较器输出端连接的充电控制开关，所述第二比较单元包括第二模拟比较器以及与所述第二模拟比较器输出端连接的放电控制开关；
所述第一模拟比较器，用于将所述差分放大电路的反馈电压与第一比较参考电压进行比较，以判断所述外部输入信号是否低于所述预设阈值区间；
所述第二模拟比较器，用于将所述差分放大电路的反馈电压与第二比较参考电压进行比较，以判断所述外部输入信号是否高于所述预设阈值区间。
优选地，所述第一模拟比较器和第二模拟比较器均包括电压选择电路和比较电路；
所述电压选择电路包括两个PMOS管，所述两个PMOS管的漏极连接作为所述电压选择电路的输出端，所述两个PMOS管的源极分别作为所述电压选择电路的两个选择引脚，所述两个PMOS管的栅极通过反相器连接；
所述比较电路，与所述电压选择电路输出端连接，用于将所述电压选择电路输出的所述第一比较参考电压或第二比较参考电压与所述差分放大电路的反馈电压进行比较。
优选地，所述第一模拟比较器中的所述电压选择电路的两个选择引脚分别连接第一参考电压和第二参考电压，以在所述第一参考电压和第二参考电压之间选出第一比较参考电压；
所述第二模拟比较器中的所述电压选择电路的两个选择引脚分别连接第三参考电压和第四参考电压，以在所述第三参考电压和第四参考电压之间选出第二比较参考电压。
优选地，所述第一参考电压、第二参考电压、第三参考电压和第四参考电压通过参考电压产生电路生成。
优选地，所述参考电压产生电路包括误差放大器、PMOS功率管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，其中所述误差放大器的输出端与PMOS功率管的栅极连接，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻、所述第四电阻和所述第五电阻串联连接于所述PMOS功率管漏极和地之间，所述误差放大器的负接入端连接于所述第二电阻和第三电阻之间
优选地，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻、所述第四电阻和所述第五电阻的阻值根据预设迟滞裕量设置。
优选地，所述充电控制开关为PMOS管，所述放电控制开关为NMOS管。
优选地，所述差分放大电路包括差分放大器以及连接在所述差分放大器上的反馈电阻，所述差分放大器输入端与所述输入电阻和所述第一比较单元连接的连接端连接。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
应用本发明实施例提供的模数转换器模拟前端电路了，通过设置的钳位保护电路可在外部输入信号大于预设阈值区间时对模数转换器进行放电保护，在外部输入信号小于预设阈值区间时对模数转换器进行充电保护，有效地避免外部输入信号超出预设阈值区间时对模数转换器造成损坏，提高模数转换器工作电压范围灵活度；在外部输入信号接入端设置输入电阻，使得模数转换器模拟前端电路直接与外部输入信号连接；设置的差分放大电路无需驱动，因此不需增加专门驱动模块，大大降低了生产成本，降低功耗，提高使用便捷度。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1示出了本发明实施例一模数转换器模拟前端电路的简化电路图；
图2示出了本发明实施例一模数转换器模拟前端电路中低压输入时充电保护示意图；
图3示出了本发明实施例一模数转换器模拟前端电路中高压输入时放电保护示意图；
图4示出了本发明实施例一模数转换器模拟前端电路中钳位保护电路示意图；
图5示出了本发明实施例一参考电压产生电路的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
随着便携式设备的需求和晶体管特征尺寸的持续减小，集成电路仍然存在特征尺寸的减小会使得模数转换器(ADC)的击穿电压和可靠性不断降低，进而影响器件的性能；以及随着集成度的不断提高，也造成模数转换器(ADC)功耗上升等问题。且传统的模数转换器(ADC)输入阻抗均较低，但为达到最优性能，需在芯片前端增加专门的驱动模块，以实现对模拟输入信号的幅度调整、缓冲、滤波等，针对性的实现对单一芯片的驱动，大大增加了生产成本，使用时也更加复杂。
实施例一
为解决现有技术中存在的技术问题，本发明实施例提供了一种模数转换器模拟前端电路。
图1示出了本发明实施例一模数转换器模拟前端电路的简化电路图；参考图1所示，本发明模数转换器模拟前端电路包括钳位保护电路以及与钳位保护电路连接的差分放大电路。
钳位保护电路与外部输入信号连接，用于在外部输入信号超出预设阈值区间时对连接与后边的模数转换器进行保护，以增加模数转换器工作电压范围的灵活度，避免外部输入信号电压过高将模数转换器击穿。差分放大电路与钳位保护电路连接，用于将输入的外部输入信号进行放大。进一步地，差分放大电路包括差分放大器和连接在差分放大器上的反馈电阻，并依据反馈电阻获取差分放大电路的反馈电压。
具体地，钳位保护电路包括依次连接的外部输入信号接入端、输入电阻和第一比较单元，输入电阻与第一比较单元连接端还连接有第二比较单元；其中第一比较单元和第二比较单元分别与外部输入信号接入端连。需要说明的是，由于本实施例设置模数转换器在预设阈值区间内工作，预设阈值区间存在最高工作电压和最低工作电压，因此本实施例前为保护电路设置第一比较单元和第二比较单元以分别对外部输入信号进行电压过高和过低的预判，进而实现对模数转换器的充电和放电保护。进一步地，第一比较单元具体用于在外部输入信号低于预设阈值区间时对模数转换器进行充电保护；第二比较单元则具体用于在外部输入信号高于预设阈值区间时对模数转换器进行放电保护。
图2示出了本发明实施例一模数转换器模拟前端电路中低压输入时充电保护示意图；图3示出了本发明实施例一模数转换器模拟前端电路中高压输入时放电保护示意图；参考图2和图3所示，第一比较单元包括第一模拟比较器和充电控制开关。其中，第一模拟比较器是用于将差分放大电路的反馈电压和第一比较参考电压进行比较，以判断外部输入信号是否低于预设阈值区间；而充电控制开关则是在第一模拟比较器判断出外部输入信号低于预设阈值区间时控制其开启，在差分放大电路的反馈电压与电源之间形成充电通路，将差分放大电路的反馈电压拉高到电源电压，对电路进行保护。第二比较单元包括第二模拟比较器和放电控制开关。其中，第二模拟比较器是用于将差分放大电路的反馈电压和第二比较参考电压进行比较，以判断外部输入信号是否高于预设阈值区间；而放电控制开关则是在第二模拟比较器判断出外部输入信号高于预设阈值区间时控制其开启，在差分放大电路的反馈电压与接地之间形成放电通路，将差分放大电路的反馈电压拉低到接地电压，对电路进行保护。优选地，充电控制开关为PMOS管，放电控制开关为NMOS管。
需要说明的是，在本实施例中第一模拟比较器和第二模拟比较器的结构相同，以下对上述两结构进行具体说明。图4示出了本发明实施例一模数转换器模拟前端电路中钳位保护电路示意图；参考图4所示。
由于外部输入信号会存在一定的噪声或干扰电压，当输入信号电压在临界值附近有很小的波动时，会导致差分放大电路的反馈电压的值在两个临界电压处上下波动，从而引起钳位保护电路的连续充放电，整个电路出现频繁开启关断，严重影响系统的性能。因此为了避免上述问题，本实施例设置第一模拟比较器和第二模拟比较器具有一定的迟滞功能，其中迟滞裕量可根据实际需求进行设置。
进一步，设置第一模拟比较器和第二模拟比较器均包括电压选择电路和比较电路。其中，电压选择电路对两个选择引脚即体现了一定的迟滞功能。更进一步地，电压选择电路包括PMOS管S1和PMOS管S2，PMOS管S1和PMOS管S2的漏极连接作为电压选择电路的输出端，PMOS管S1和PMOS管S2的源极分别作为电压选择电路的两个选择引脚，PMOS管S1和PMOS管S2的栅极通过反相器连接。其中，电压选择电路的两个选择引脚上还分别串联有电阻R1和电阻R2，且PMOS管S1的源极和电阻R1之间与地之间还连接有电容C1，PMOS管S2的源极和电阻R2之间与地之间还连接有电容C2，电容C1和电容C2具有滤波作用。其中，第一模拟比较器中的电压选择电路的两个选择引脚分别连接第一参考电压和第二参考电压，以在第一参考电压和第二参考电压之间选出第一比较参考电压；第二模拟比较器中的电压选择电路的两个选择引脚分别连接第三参考电压和第四参考电压，以在第三参考电压和第四参考电压之间选出第二比较参考电压。
比较电路与电压选择电路输出端连接，用于将电压选择电路输出的第一比较参考电压或第二比较参考电压与差分放大电路的反馈电压进行比较。比较电路具体包括作为尾管的PMOS管M3，PMOS管M3的源极连接电源，PMOS管M3的漏极依次通过PMOS管M1和NMOS管M6接地，同时PMOS管M3的漏极还依次通过PMOS管M2和NMOS管M7接地，其中NMOS管M6和NMOS管M7的栅极和漏极短接，PMOS管M1和PMOS管M2分别作为比较反相端和比较正相端。还包括栅极和漏极短接的PMOS管M4和PMOS管M5，其中PMOS管M4和PMOS管M5的源极分别与电源相连接，PMOS管M4和PMOS管M5的漏极分别通过NMOS管M8和NMOS管M9接地，NMOS管M8的栅极与NMOS管M6的栅极连接，NMOS管M9的栅极与NMOS管M7的栅极连接，PMOS管M5的漏极依次正向连接反相器X和反相器Y，反相器X输出端与PMOS管S2的栅极连接。
需要说明的是，由于第一模拟比较器和第二模拟比较器中的电压选择电路及比较电路的结构完全相同，因此针对上述元器件的标注在两模拟比较器中不做区分，在以下叙述过程中会说明是处于哪一比较器的元器件。
进一步需要说明的是，上述的第一参考电压、第二参考电压、第三参考电压和第四参考电压均通过参考电压产生电路生成。
图5示出了本发明实施例一参考电压产生电路的示意图。参考图5所示，参考电压产生电路包括误差放大器、PMOS功率管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，其中误差放大器的输出端与PMOS功率管的栅极连接，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻串联连接于PMOS功率管漏极和接地之间，误差放大器的负接入端连接于第二电阻和第三电阻之间。
在模数转换器模拟前端电路正常运行时，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻的阻值需根据设置的预设迟滞裕量来设计。为了更进一步地说明参考电压产生电路的工作方式，以下以一种具体实施例来对其进行说明。
为保证系统的稳定性，必须产生稳定的阈值参考电压，本设计采用带隙基准电路产生不随电源电压和温度变化的1.2V基准电压，再送入参考电压产生电路中，假设预设阈值区间为±10V，输入电阻阻值为1MΩ，反馈电阻为X MΩ，预设迟滞裕量为ΔV，则可算出对应预设阈值区间的两个临界值时反馈电压为：
Figure BDA0002568489630000061
在假设CMOS工艺管的最大工作大压为5V，反馈电阻为0.5MΩ的情况下，可获得：
V4＝V+＝3.33V，V3＝V+-Δv＝3.28V，V2＝V-+Δv＝0.05V,V1＝V-＝0V.
在此假设数值基础上，可将0.05V作为第一参考电压，0V作为第二参考电压，3.33V作为第三参考电压，3.28V作为第四参考电压。基于上述参数，以下参考图4所示对第一模拟比较器和第二模拟比较器的工作方式进行说明。
在第一模拟比较器中，将PMOS管M1的栅极作为比较反相端VIN，PMOS管M2的栅极作为比较正相端VIP，比较反相端VIN接电压选择电路输出端，比较正相端VIP接反馈电压Vcmp；其中设置第一参考电压VR1为0.05V，第二参考电压VR2为0V，当外部输入信号在允许范围内时，差分放大电路的反馈电压Vcmp大于0V，即比较反相端VIP大于0V，电压选择电路PMOS管S1断开，PMOS管S2闭合，比较反向端VIN为0V，此时PMOS管M1开启，将NMOS管M8的栅极电压抬高，NMOS管M8导通，将PMOS管M4和PMOS管M5的栅极电压拉低，PMOS管M5导通，X反相器输入端电压被抬高，因此输出电压VOUT为高，充电控制开关PMOS管S5处于截止状态，电路正常工作；当外部输入信号低于-10V时，反馈电压Vcmp小于0V，此时PMOS管M1关断，PMOS管M2开启，NMOS管M7的栅极电压被抬高，NMOS管M9导通，将X反相器电压拉低，经过一个Y反相器输出电压为高，控制电压选择电路中PMOS管S1闭合，PMOS管S2断开，此时比较电路的比较反向端VIN接0.05V，50mV的裕量保证反馈电压Vcmp的值在0V临界电压处上下波动时不影响比较器的输出。由于此时比较电路的输出电压VOUT为低，充电控制开关PMOS管S5处于导通状态，充电通路工作，将反馈电压Vcmp值拉高，保证电路正常工作。
在第二模拟比较器中，将PMOS管M1的栅极作为比较反相端VIN，PMOS管M2的栅极作为比较正相端VIP，比较反相端VIN接电压选择电路输出端，比较正相端VIP接反馈电压Vcmp；其中第三参考电压VR3为3.33V，第四参考电压VR4为3.28V。当外部输入信号在允许范围内时，差分放大电路的反馈电压Vcmp小于3.33V，即比较正相端VIP小于3.33V，电压选择电路开关PMOS管S1断开闭合，PMOS管S2断开，比较反向端VIN为3.33V，此时PMOS管M1关断，PMOS管M2管开启，NMOS管M7的栅极电压被抬高，NMOS管M9导通，将X反相器电压拉低，因此比较电路输出电压VOUT为低，NMOS开关S6处于截止状态，电路正常工作；当外部输入信号高于10V时，反馈电压Vcmp大于3.33V，此时PMOS管M1开启，将NMOS管M8的栅极电压抬高，NMOS管M8导通，将PMOS管M4和PMOS管M5的栅极电压拉低，PMOS管M5导通，X反相器电压被抬高，经过Y反相器后比较电路输出电压为低，控制选择电压电路S1断开，PMOS管S2闭合，此时比较电路的比较反向端VIN接3.28V，50mV的裕量保证反馈电压Vcmp的值在3.33V临界电压处上下波动时不影响第二模拟比较器的输出。由于此时比较电路输出端VOUT为高电压，放电控制开关NMOS管S6处于导通状态，放电通路工作，将反馈电压Vcmp值拉低，保证电路正常工作。
本发明实施例提供的模数转换器模拟前端电路了，通过设置的钳位保护电路可在外部输入信号大于预设阈值区间时对模数转换器进行放电保护，在外部输入信号小于预设阈值区间时对模数转换器进行充电保护，有效地避免外部输入信号超出预设阈值区间时对模数转换器造成损坏，提高模数转换器工作电压范围灵活度；在外部输入信号接入端设置输入电阻，使得模数转换器模拟前端电路可直接与外部输入信号连接；设置的差分放大电路无需驱动，因此不需增加专门驱动模块，大大降低了生产成本，降低功耗，提高使用便捷度。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种模数转换器模拟前端电路，其特征在于，包括：
钳位保护电路，与外部输入信号连接，用于在所述外部输入信号超出预设阈值区间时对模数转换器进行保护；
差分放大电路，与所述钳位保护电路连接，用于对所述外部输入信号进行放大。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述钳位保护电路包括依次连接的外部输入信号接入端、输入电阻和第一比较单元，所述输入电阻与所述第一比较单元连接端还连接有第二比较单元；
所述第一比较单元，用于在所述外部输入信号低于所述预设阈值区间时对所述模数转换器进行充电保护；
所述第二比较单元，用于在所述外部输入信号高于所述预设阈值区间时对所述模数转换器进行放电保护。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第一比较单元包括第一模拟比较器以及与所述第一模拟比较器输出端连接的充电控制开关，所述第二比较单元包括第二模拟比较器以及与所述第二模拟比较器输出端连接的放电控制开关；
所述第一模拟比较器，用于将所述差分放大电路的反馈电压与第一比较参考电压进行比较，以判断所述外部输入信号是否低于所述预设阈值区间；
所述第二模拟比较器，用于将所述差分放大电路的反馈电压与第二比较参考电压进行比较，以判断所述外部输入信号是否高于所述预设阈值区间。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述第一模拟比较器和第二模拟比较器均包括电压选择电路和比较电路；
所述电压选择电路包括两个PMOS管，所述两个PMOS管的漏极连接作为所述电压选择电路的输出端，所述两个PMOS管的源极分别作为所述电压选择电路的两个选择引脚，所述两个PMOS管的栅极通过反相器连接；
所述比较电路，与所述电压选择电路输出端连接，用于将所述电压选择电路输出的所述第一比较参考电压或第二比较参考电压与所述差分放大电路的反馈电压进行比较。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述第一模拟比较器中的所述电压选择电路的两个选择引脚分别连接第一参考电压和第二参考电压，以在所述第一参考电压和第二参考电压之间选出第一比较参考电压；
所述第二模拟比较器中的所述电压选择电路的两个选择引脚分别连接第三参考电压和第四参考电压，以在所述第三参考电压和第四参考电压之间选出第二比较参考电压。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述第一参考电压、第二参考电压、第三参考电压和第四参考电压通过参考电压产生电路生成。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述参考电压产生电路包括误差放大器、PMOS功率管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，其中所述误差放大器的输出端与PMOS功率管的栅极连接，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻、所述第四电阻和所述第五电阻串联连接于所述PMOS功率管漏极和地之间，所述误差放大器的负接入端连接于所述第二电阻和第三电阻之间。
8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻、所述第四电阻和所述第五电阻的阻值根据预设迟滞裕量设置。
9.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述充电控制开关为PMOS管，所述放电控制开关为NMOS管。
10.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述差分放大电路包括差分放大器以及连接在所述差分放大器上的反馈电阻，所述差分放大器输入端与所述输入电阻和所述第一比较单元连接的连接端连接。
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