CN112782453B

CN112782453B - 一种电压传感器、芯片和电子设备

Info

Publication number: CN112782453B
Application number: CN202011593567.6A
Authority: CN
Inventors: 吴启明; 马鑫; 林晓志; 白蕊霞; 王仙芳
Original assignee: Gowin Semiconductor Corp
Current assignee: Gowin Semiconductor Corp
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2021-11-26
Anticipated expiration: 2040-12-29
Also published as: CN112782453A

Abstract

本文公开一种电压传感器、芯片和电子设备，本发明实施例电压传感器包括：第一电压产生电路、第二电压产生电路和模数转换电路(ADC)；其中，第一电压产生电路产生稳定的第一电压差，根据产生的第一电压差输出第一差分参考电压；第二电压产生电路产生第二差分参考电压；ADC接收待检测的输入电压，根据第一差分参考电压和第二差分参考电压计算输入电压的电压信息。本发明实施例通过电压产生电路，获得由稳定的第一电压差输出的第一差分参考电压和第二差分参考电压，可以得到用于确定输入电压大小的参考电压；因为不需要传统的带隙基准产生电路，避免了传统带隙基准电压的随机失调误差，因此，在降低芯片体积和功耗的情况下，保证了电压传感器的精度。

Description

一种电压传感器、芯片和电子设备

技术领域

本文涉及但不限于传感器技术，尤指一种电压传感器、芯片和电子设备。

背景技术

随着芯片制程的进步，芯片朝着更小尺寸和更低电源电压的方向发展。芯片的热效应影响逐渐被提上研究日程。为了避免芯片输入电压异常对芯片的性能带来负面影响，需要芯片内部集成电压传感器，以便实时监控芯片输入电压。

目前在芯片内部集成电压传感器主要通过带隙基准电路产生电压基准，并以此通过模数转换器(ADC，或称为A/D转换器)对输入电压进行量化，获得一个表征电压大小的电压信息，比如双极结型晶体管(BJT)的基极(B)与发射极(E)之间的结电压(VBE)。基于带隙基准电路在内的设计给芯片设计增加了成本，且占用较多的芯片面积，并增加电量消耗；带隙基准电路的制造存在随机偏差，使电压传感器产生较大误差，影响测量精度；对于高精度的应用，需要额外配备一个替换带隙基准电路的片外的参考电压源，会额外增加成本。

随着物联网技术的普及，人们对传感器的要求也进一步提升，高精度、体积小和成本低的电压传感器，成为芯片电压监控的一个重要需求。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本发明实施例提供一种电压传感器、芯片和电子设备，能够在降低电压传感器体积的同时，确保电压传感器的检测精度。

本发明实施例提供了一种电压传感器，包括：第一电压产生电路、第二电压产生电路和模数转换电路ADC；其中，

第一电压产生电路设置为：产生稳定的第一电压差，根据产生的第一电压差输出第一差分参考电压；

第二电压产生电路设置为：产生两路第二电压差，构成第二差分参考电压；

ADC与第一电压产生电路和第二电压产生电路连接，设置为：

接收待检测的输入电压，根据第一差分参考电压和第二差分参考电压计算输入电压的电压信息。

在一种示例性实例中，所述电压传感器还包括电压缓冲单元，所述电压缓冲单元接入待检测的输入电压，输出端连接所述模数转换模块的输入端，设置为：

将所述输入电压增益处理为所述ADC工作范围内的电压信号。

在一种示例性实例中，所述第一电压产生电路包括：产生第一电流的第一电流源和第一晶体管；其中，

所述第一电流源与所述第一晶体管的发射极连接，基极与集电极相连并接地，发射极和集电极分别连接第一输出节点和第二输出节点；所述第一电流流经所述第一晶体管，在所述第一晶体管的基极和发射极产生所述第一电压差，所述第一输出节点和所述第二输出节点输出所述第一差分参考电压；或，

所述第一电流源与所述第一晶体管的基极与集电极相连，发射极接地，集电极和发射极分别连接第一输出节点和第二输出节点；所述第一电流流经所述第一晶体管，在所述第一晶体管的发射极和基极产生所述第一电压差，所述第一输出节点和所述第二输出节点输出所述第一差分参考电压。5、根据权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，所述第二电压产生电路包括：时钟驱动单元、第一控制开关、第二控制开关、提供M支电流大小均为第二电流的第二电流源、第二晶体管和第三晶体管；其中，

所述时钟驱动单元设置为：根据预设的时钟参考信号产生时钟驱动控制信号；

所述第一控制开关的输入端连接所述第二电流源，第一输出端连接所述第二晶体管的发射极和所述第二控制开关的第一输入端，第二输出端连接第三晶体管的发射极和所述第二控制开关的第二输入端，设置为：根据所述时钟驱动控制信号，控制M支电流中的P支第二电流流入所述第二晶体管中，其余(M-P)支第二电流进入所述第三晶体管中；所述第二晶体管的基极与集电极相连并接地，所述第三晶体管的基极与集电极相连并接地；所述第二控制开关的输出端输出所述第二差分参考电压；或，

所述第一控制开关的输入端连接所述第二电流源，第一输出端连接所述第二晶体管的基极和集电极和所述第二控制开关的第一输入端，第二输出端连接第三晶体管的基极和集电极和所述第二控制开关的第二输入端，设置为：根据所述时钟驱动控制信号，控制M支电流中的P支第二电流流入所述第二晶体管中，其余(M-P)支第二电流进入所述第三晶体管中；所述第二晶体管的发射极接地，所述第三晶体管的发射极接地；所述第二控制开关的输出端输出所述第二差分参考电压；

其中，所述M≥2，所述P≥1，所述M>P。

在一种示例性实例中，所述ADC包括算术运算单元、积分单元和量化单元；其中，

所述算术运算单元设置为：接入所述输入电压；对所述第二差分参考电压进行增益放大；根据量化单元提供的控制信号，控制输出用于电压计算的所述第一差分参考电压和所述增益放大后第二差分参考电压；对输入电压、控制输出的所述用于电压计算的所述第一差分参考电压和增益放大后第二差分参考电压进行累加运算，获得累加运算结果；

积分单元设置为：对预设时长内获得的所述累加运算结果，按照预设的积分运算规则进行运算，获得积分运算结果；

量化单元设置为：将所述积分运算结果与预设的积分比较值进行比较，根据比较结果生成所述控制信号；根据所述积分运算结果生成所述电压信息。

在一种示例性实例中，所述算术运算单元包括：第一多路选择器U1、第二多路选择器U2、第一累加器U23和第一增益放大器U4；其中，

所述第一多路选择器U1的第一输入端接入负的所述第一差分参考电压，第二输入端接入0伏电压，控制端与所述量化单元连接；第一多路选择器U1的输出端连接第一累加器U23的第一输入端；所述第一多路选择器U1设置为：根据所述量化单元输出的所述控制信号对所述第一差分参考电压和0伏电压进行选择输出；

所述第二多路选择器U2的第一输入端接入所述第二差分参考电压，输出端连接第一增益放大器U4的输入端，第二输入端接入0伏电压，控制端连接所述量化单元；所述第一增益放大器U4的输出端连接所述第一累加器U23的第二输入端；所述第二多路选择器U2设置为：根据所述量化单元输出的所述控制信号对所述第一增益放大器U4的输出和0伏电压进行选择输出；

所述第一累加器U23设置为：对所述第一多路选择器U1的输出、所述第二多路选择器U2的输出和所述输入电压进行累加，获得所述累加运算结果；

其中，所述第一差分参考电压表达式为V(vbep，vben)时，所述vbep为所述第一差分参考电压的正端电压，所述vben为所述第一差分参考电压的负端电压；所述第二差分参考电压表达式为V(dvbep，dvben)时，所述dvbep为所述第二差分参考电压的正端电压，所述dvben为所述第二差分参考电压的负端电压。

在一种示例性实例中，所述第一累加器U23设置为通过以下公式累加运算获得所述累加运算结果：

所述累加运算结果＝V(vsp,vsn)-KAdc*V(vbep,vben)-KAdc*kvbg*V(dvbep,dvben)；

其中，所述K_Adc表示与控制信号对应的运算系数；所述Kvbg为第二差分参考电压的增益放大的倍数。

在一种示例性实例中，所述积分单元包括第二累加器U25和积分器Z^-1；所述量化单元包括：第一比较器U26、第一反相器U27和第二反相器U28；其中，

所述积分器Z^-1对预设时长内的第一累加器U23的输出结果进行积分运算，将积分运算获得的积分运算结果反馈至第二累加器U25中；

所述第二累加器U25的第一输入端连接所述第一累加器U23的输出端，第二输入端连接所述积分器Z^-1的输出端，输出端连接所述积分器Z^-1的输入端以及所述第一比较器U26的正输入端；

所述第二累加器U25对所述第一累加器U23的输出和所述积分器Z^-1的输出进行累加计算；

所述第一比较器U26的正输入端连接所述积分单元的输出端，负输入端接入一比较参考信号A1；

所述第一比较器U26的输出端连接所述第一反相器U27的输入端以及所述第一多路选择器U1和第二多路选择器U2的控制端，所述第一比较器U26在多相非交叠时钟信号的控制下，比较所述积分运算结果和比较参考信号A1之间的大小，以输出所述控制信号；

所述第一反相器U27的输出端连接第二反相器U28的输入端，所述第一反相器U27用于将控制信号反相输出为反向控制信号，所述第二反相器U28的用于将所述反向控制信号反相输出为所述电压信息。

在一种示例性实例中，所述算术运算单元包括：结构相同两路并列的运算支路，各运算支路包括：第三多路选择器U9、第四多路选择器U10、第三累加器U211和第二增益放大器U12；其中，

第一个所述运算支路中：所述第三多路选择器U9的第一输入端接入所述第一差分参考电压的负端，第二输入端接入0伏电压，控制端与所述量化单元连接；第三多路选择器U9的输出端连接第三累加器U211的第一输入端；所述第三多路选择器U9设置为：根据所述量化单元输出的所述控制信号对接入的所述第一差分参考电压的负端电压和0伏电压进行选择输出；

所述第四多路选择器U10的第一输入端接入所述第二差分参考电压的正端，输出端连接第二增益放大器U12的输入端，第二输入端接入0伏电压，控制端连接所述量化单元；所述第二增益放大器U12的输出端连接所述第三累加器U211的第一输入端；所述第四多路选择器U10设置为：根据所述量化单元输出的所述控制信号对所述第二增益放大器U12的输出和0伏电压进行选择输出；

所述第三累加器U211设置为：对所述第三多路选择器U9的输出、所述第四多路选择器U10的输出和所述输入电压的正端电压进行累加，获得运算支路的累加运算结果；

第二个所述运算支路中：所述第三多路选择器U9的第一输入端接入所述第一差分参考电压的正端，第二输入端接入0伏电压，控制端与所述量化单元连接；第三多路选择器U9的输出端连接第三累加器U211的第一输入端；所述第三多路选择器U9设置为：根据所述量化单元输出的所述控制信号对接入的所述第一差分参考电压的正端电压和0伏电压进行选择输出；

所述第四多路选择器U10的第一输入端接入所述第二差分参考电压的负端，输出端连接第二增益放大器U12的输入端，第二输入端接入0伏电压，控制端连接所述量化单元；所述第二增益放大器U12的输出端连接所述第三累加器U211的第一输入端；所述第四多路选择器U10设置为：根据所述量化单元输出的所述控制信号对所述第二增益放大器U12的输出和0伏电压进行选择输出；

所述第三累加器U211设置为：对所述第三多路选择器U9的输出、所述第四多路选择器U10的输出和所述输入电压的负端电压进行累加，获得运算支路的累加运算结果。

在一种示例性实例中，所述积分单元包括：第一失调控制开关、运算放大器U213、第二失调控制开关、第一积分电容和第二积分电容；其中，

所述第一失调控制开关的第一输入端连接所述算数运算单元的第一个运算支路的输出端，第二输入端连接所述算数运算单元的第二个运算支路的输出端，所述第一失调控制开关的第一输出端连接所述运算放大器U213的正输入端，所述第一失调控制开关的第二输出端连接所述运算放大器U213的负输入端，所述第二失调控制开关的两个输出端分别连接所述运算放大器U213的正输出端、负输出端以及所述量化单元的两个输入端，所述第一积分电容连接在所述第一失调控制开关的第一输入端和所述第二失调控制开关的第一输出端之间，所述第二积分电容在所述第一失调控制开关的第二输入端和所述第二失调控制开关的第二输出端之间，所述第一失调控制开关和所述第二失调控制开关的控制端均接入预设的失调控制信号。

在一种示例性实例中，所述量化单元包括：第二比较器U214、第三反相器U215和第四反相器U216；其中，

所述第二比较器U214的正输入端和负输入端分别连接所述积分单元的第二失调开关的第一输出端和第二输出端；

所述第二比较器U214的输出端连接所述第三反相器U215的输入端以及所述第三多路选择器U9的控制端，所述第二比较器U214在多相非交叠时钟信号的控制下，比较两路所述运算支路的累加运算结果和比较参考信号A1之间的大小，以输出所述控制信号；

在一种示例性实例中，所述量化单元还设置为：根据所述多相非交叠时钟信号输出所述电压信息的随路时钟信号。

在一种示例性实例中，所述电压传感器还包括滤波单元；其中，所述滤波单元包括：低通滤波模块、增益放大模块和偏移设置模块；其中，

所述低通滤波模块设置为：对所述量化单元输出的电压信息进行均值运算；

所述增益放大模块设置为：确定均值运算的电压信息与电压大小的增益关系；

所述偏移设置模块设置为：设置对确定的均值运算的电压信息与电压大小的增益关系进行校正的偏移值。

在一种示例性实例中，所述电压传感器还包括第一时钟单元，设置为：

接收第一时钟输入信号，根据接收的所述第一时钟输入信号，为算术运算单元提供所述多项非交叠时钟信号，为第二电压产生电路提供所述时钟参考信号。

在一种示例性实例中，所述电压传感器还包括第二时钟单元，设置为：

接收第二时钟输入信号，根据接收的所述第二时钟输入信号，为算术运算单元提供所述多项非交叠时钟信号和所述失调控制信号，为第二电压产生电路提供所述时钟参考信号。另一方面，本发明实施例还提供一种芯片，所述芯片内部集成上述电压传感器。

再一方面，本发明实施例还提供一种电子设备，所述电子设备中加载运行上述芯片。

本发明实施例电压传感器包括：第一电压产生电路、第二电压产生电路和模数转换电路(ADC)；其中，第一电压产生电路产生稳定的第一电压差，根据产生的第一电压差输出第一差分参考电压；第二电压产生电路产生第二差分参考电压；ADC接收待检测的输入电压，根据第一差分参考电压和第二差分参考电压计算输入电压的电压信息。本发明实施例通过电压产生电路，获得由稳定的第一电压差输出的第一差分参考电压和第二差分参考电压，可以得到用于确定输入电压大小的参考电压；因为不需要传统的带隙基准产生电路，避免了传统带隙基准电压的随机失调误差，因此，在降低芯片体积和功耗的情况下，保证了电压传感器的精度。

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技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例电压传感器的结构框图；

图2为本发明实施例电压缓冲单元的示意图；

图3为本发明实施例第一电压产生电路的示意图；

图4为本发明实施例另一第一电压产生电路的示意图；

图5为本发明实施例第二电压产生电路的示意图；

图6为本发明实施例另一第二电压产生电路的示意图；

图7为本发明实施例模数转换电路的示意图；

图8为本发明实施例电压信息与电压的关系示意图；

图9为本发明实施例另一模数转换电路的示意图；

图10为本发明实施例滤波单元的示意图；

图11为本发明实施例多相非交叠时钟信号的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1为本发明实施例电压传感器的结构框图，如图1所示，包括：第一电压产生电路、第二电压产生电路和模数转换电路(ADC)；其中，

ADC与第一电压产生电路和第二电压产生电路连接，设置为：

在一种示例性实例中，本发明实施例第一电压产生电路和/或第二电压产生电路可以集成于同一芯片内。

在一种示例性实例中，本发明实施例根据产生的两路以上第二电压差输出的第二差分参考电压，失配比率符合高斯分布。

在一种示例性实例中，本发明实施例电压传感器还包括电压缓冲单元，电压缓冲单元接入电压缓冲单元接入待检测的输入电压，输出端连接模数转换模块的输入端，设置为：

将输入电压增益处理为ADC工作范围内的电压信号。

在一种示例性实例中，本发明实施例电压缓冲单元可以集成在芯片内。

本发明实施例假设Voltage_sensp和voltage_sensn为待检测的输入电压的正输入端和负输入端。这两路差分的输入电压经过电压缓冲单元获得vsp和vsn。vsp和vsn是适合ADC工作范围的电压信号。在一种示例性实例中，本发明实施例输入电压可以通过包含增益放大器的电压缓冲单元进行增益处理。图2为本发明实施例电压缓冲单元的示意图，如图2所示，Voltage_sensp和voltage_sensn为待检测的输入电压，经由电压缓冲单元中的增益放大器进行增益放大后，获得vsp和vsn，vsp和vsn是适合ADC工作范围的电压信号。

在一种示例性实例中，本发明实施例第一电压产生电路包括：产生第一电流的第一电流源和第一晶体管；其中，

第一晶体管的发射极与第一电流源连接，基极与集电极相连并接地，发射极和集电极分别连接第一输出节点和第二输出节点；第一电流流经第一晶体管，在第一晶体管的基极和发射极产生参考电压，通过第一输出节点和第二输出节点输出第一差分参考电压；或者，

第一电流源与第一晶体管的基极与集电极相连，发射极接地，集电极和发射极分别连接第一输出节点和第二输出节点；第一电流流经第一晶体管，在第一晶体管的发射极和基极产生第一电压差，第一输出节点和第二输出节点输出第一差分参考电压。

在一种示例性实例中，本发明实施例第一电压产生电路还包括第一电容，第一电容跨接在第一输出节点和第二输出节点之间。

图3为本发明实施例第一电压产生电路的示意图，如图3所示，第一电压产生电路包括：第一电流源Ibias0、第一晶体管Q0和第一电容C0，第一电流源Ibias0与第一晶体管Q0的发射极以及第一电容C0的一端相连，形成第一输出节点NA，第一晶体管Q0的基极与第一晶体管Q0的集电极、第一电容C0的另一端相连并接地，形成第二输出节点NB。第一电流源Ibias0向第一晶体管Q0提供第一电流，第一电流过第一晶体管Q0的基极-发射极结(即BE结)，产生第一差分参考电压，第一差分参考电压包括正端输出的参考电压vbep和负端输出的参考电压vben两路参考电压，两路参考电压vbep和vben之间的电压差为Q0的基极-发射极结电压VBE；由于电容C0跨接在第一输出节点NA和第二输出节点NB之间，因此能够稳定第一差分参考电压vbep和vben之间的电压差VBE；本发明实施例将第一差分参考电压表示为V(vbep，vben)。

图4为本发明实施例另一第一电压产生电路的示意图，如图4所示，第一电压产生电路包括：第一电流源Ibias0，第一晶体管Q0和第一电容C0，第一电流源Ibias0与第一晶体管Q0的基极和集电极相连，发射极接地，集电极和发射极分别连接第一输出节点NA和第二输出节点NB。

在一种示例性实例中，本发明实施例第二电压产生电路包括：时钟驱动单元、第一控制开关、第二控制开关、提供M支电流大小均为第二电流的第二电流源、第二晶体管和第三晶体管；其中，

时钟驱动单元设置为：根据预设的时钟参考信号产生时钟驱动控制信号；

第一控制开关的输入端连接第二电流源，第一输出端连接第二晶体管的发射极和第二控制开关的第一输入端，第二输出端连接第三晶体管的发射极和第二控制开关的第二输入端，设置为根据时钟驱动控制信号，控制M支电流中的P支第二电流流入第二晶体管中，其余(M-P)支第二电流进入第三晶体管中；第二晶体管的基极与集电极相连并接地，第三晶体管的基极与集电极相连并接地；第二控制开关的输出端输出第二差分参考电压；或，

第一控制开关的输入端连接第二电流源，第一输出端连接第二晶体管的基极和集电极和第二控制开关的第一输入端，第二输出端连接第三晶体管的基极和集电极和第二控制开关的第二输入端，设置为：根据时钟驱动控制信号，控制M支电流中的P支第二电流流入第二晶体管中，其余(M-P)支第二电流进入第三晶体管中；第二晶体管的发射极接地，第三晶体管的发射极接地；第二控制开关的输出端输出第二差分参考电压；

其中，M≥2，P≥1，M>P。

图5为本发明实施例第二电压产生电路的示意图，如图5所示，包括：第二晶体管Q1、第三晶体管Q2及用于向第二晶体管Q1、第三晶体管Q2提供第二电流的第二电流源，第二晶体管Q1、第三晶体管Q2根据第二电流源提供的第二电流，产生两路不同的基极-发射极结电压VBE0和VBE1，根据VBE0和VBE1输出第二差分参考电压，第二差分参考电压包括正端输出的参考电压dvbep和负端输出的参考电压dvben，本发明实施例第二差分参考电压dvbep和dvben可由以下公式(1)和公式(2)表示：

本发明实施例将第二差分参考电压dvbep和dvben记为V(dvbep，dvben)，可表示为公式(3)：

其中，K为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为单位电子电荷。I_s1、I_s0分别为第二晶体管Q1和第三晶体管Q2的反向饱和电流。I_E1和I_E0分别为第二晶体管Q1和第三晶体管Q2的发射极电流。通常I_s1、I_s0成一定的比例关系，I_E1和I_E0成一定的比例关系；因为制造原因，第二晶体管Q1和第三晶体管Q2之间，以及Q1、Q2所连接的第二电流源之间会存在偏差和失配。本发明实施例通过第一控制开关选择流过第二晶体管Q1和第三晶体管Q2两个晶体管的第二电流，通过第二控制开关选择用于计算电压信息的VBE，即轮流选择VBE0和VBE1，通过均值运算消除晶体管之间及第二电流源之间存在偏差和失配。

图6为本发明实施例另一第二电压产生电路的示意图，如图6所示，包括：第二晶体管Q1、第三晶体管Q2及用于向第二晶体管Q1、第三晶体管Q2提供第二电流的第二电流源；其中，第一控制开关的输入端连接第二电流源，第一输出端连接第二晶体管的基极和集电极和第二控制开关的第一输入端，第二输出端连接第三晶体管的基极和集电极和第二控制开关的第二输入端。

在一种示例性实例中，图5和图6所示的第二电压产生电路还包括时钟驱动单元、第一控制开关和第二控制开关。其中，第一控制开关的第一输出端连接第二晶体管的发射极以及第二控制开关的第一输入端，第一控制开关的第二输出端连接第二晶体管Q1的发射极以及第二控制开关的第二输入端，第二晶体管Q1的基极连接第二晶体管Q1的集电极并接地，第三晶体管Q2的基极连接第三晶体管Q2的集电极并接地，第二控制开关的输出端用于输出第二差分参考电压dvben和dvbep。时钟驱动单元用于接入时钟参考信号，根据时钟参考信号产生第一时钟驱动控制信号Ctl<m-1:0>以及第二时钟驱动控制信号polar。第二电流源I0<m-1:0>连接第一控制开关，用于提供M支第二电流，M＝m；第一控制开关在第一时钟驱动控制信号Ctl<m-1:0>的驱动下，控制M支第二电流的P支进第二晶体管Q1中，其余(M-P)支第二电流进入第三晶体管Q2中，M≥2，P≥1，M>P；第二控制开关在第二时钟驱动控制信号(polar)的驱动下，将VBE0和VBE1分别相应地输出为第二差分参考电压dvben和dvbep。以下通过示例说明第二电压产生电路的工作流程：

假设第1时刻P＝1，M支第二电流中的第1支第二电流进入第二晶体管Q1，第2～M支第二电流进入第三晶体管Q2；第2时刻，第2支电流进入第二晶体管Q1，第1、3～M支第二电流进入第三晶体管Q2；以此类推，第M时刻，第M支第二电流进入第二晶体管Q1，第1～M-1支第二电流进入第三晶体管Q2。在上述第1至第M时刻，将第二晶体管Q1的VBE0输出为第二差分参考电压dvben，将第三晶体管Q2的VBE1输出为第二差分参考电压dvbep。在第M+1时刻，第1支第二电流进入第三晶体管Q2，第2～M支第二电流进入第二晶体管Q1；第M+2时刻，第2支第二电流进入第三晶体管Q2，第1、3～M支第二电流进入第二晶体管Q1；以此类推，第2*M时刻，第M支第二电流进入第三晶体管Q2，第1～M-1支第二电流进入第二晶体管Q1。在上述第M+1至第2*M时刻，第三晶体管Q2的VBE1输出为第二差分参考电压dvben，第二晶体管Q1的VBE0输出为第二差分参考电压dvbep。在不考虑制造偏差时，第二晶体管Q1和第三晶体管Q2具有相同尺寸，M支第二电流大小相同，因此V(dvbep，dvben)可以表示为公式(4)：

考虑制造偏差，计算获得在2*M个时刻里，第二差分参考电压的平均值可以表示为公式(5)：

通过公式(4)和公式(5)，可以运算获得公式(6)：

公式(6)中，Δ_k表示第k次配置下的失配比率，由于失配比率遵循高斯分布，因此

所以公式(6)可以简化为公式(7)：

本发明实施例基于图5和图6所示的第二电压产生电路的工作，降低了失配对第二差分参考电压的影响。

在一种示例性实例中，本发明实施例第一晶体管Q0、第二晶体管Q1和第三晶体管Q2可以均为双极结晶体管(BJT)、三极管和场效应(MOS)晶体管；当第一晶体管Q0、第二晶体管Q1和第三晶体管Q2为MOS晶体管时，上述晶体管的基极为MOS晶体管的栅极，发射极为MOS晶体管的源极，集电极为MOS晶体管的漏极。

在一种示例性实例中，本发明实施例ADC包括算术运算单元、积分单元和量化单元；其中，

算术运算单元设置为：接入输入电压；对第二差分参考电压进行增益放大；根据量化单元提供的控制信号，控制输出用于电压计算的第一差分参考电压和增益放大后第二差分参考电压；对输入电压、控制输出的用于电压计算的第一差分参考电压和增益放大后第二差分参考电压进行累加运算，获得累加运算结果；

积分单元设置为：对预设时长内获得的累加运算结果，按照预设的积分运算规则进行运算，获得积分运算结果；

量化单元设置为：将积分运算结果与预设的积分比较值进行比较，根据比较结果生成控制信号；根据积分运算结果生成电压信息。

在一种示例性实例中，本发明实施例增益放大后的第二差分参考电压与第一差分参考电压的和等于基准电压；

图7为本发明实施例模数转换电路的示意图，如图7所示，模数转换电路包括算术运算单元、积分单元和量化单元；其中，

算术运算单元包括：第一多路选择器U1、第二多路选择器U2、第一累加器U23和第一增益放大器U4；其中，

第一多路选择器U1的第一输入端接入负的第一差分参考电压，第二输入端接入0伏电压，控制端与量化单元连接；第一多路选择器U1的输出端连接第一累加器U23的第一输入端；第一多路选择器U1设置为：根据量化单元输出的控制信号对第一差分参考电压和0伏电压进行选择输出；

第二多路选择器U2的第一输入端接入第二差分参考电压，输出端连接第一增益放大器U4的输入端，第二输入端接入0伏电压，控制端连接量化单元；第一增益放大器U4的输出端连接第一累加器U23的第二输入端；第二多路选择器U2设置为：根据量化单元输出的控制信号对第一增益放大器U4的输出和0伏电压进行选择输出；第一累加器U23设置为：对第一多路选择器U1的输出、第二多路选择器U2的输出和输入电压进行累加，获得累加运算结果。

其中，第一差分参考电压表达式为V(vbep，vben)时，vbep为第一差分参考电压的正端电压，vben为第一差分参考电压的负端电压；第二差分参考电压表达式为V(dvbep，dvben)时，dvbep为第二差分参考电压的正端电压，dvben为第二差分参考电压的负端电压。在一种示例性实例中，本发明实施例第一累加器U23设置为通过以下公式(8)累加运算获得累加运算结果：

累加运算结果＝V(vsp,vsn)-KAdc*V(vbep,vben)-KAdc*kvbg*V(dvbep,dvben)；

其中，K_Adc表示与控制信号对应的运算系数；Kvbg为第二差分参考电压的增益放大的倍数。

在一种示例性实例中，本发明实施例积分单元包括第二累加器U25和积分器Z^-1；量化单元包括：第一比较器U26、第一反相器U27和第二反相器U28；其中，

积分器Z^-1对预设时长内的第一累加器U23的输出结果进行积分运算，将积分运算获得的积分运算结果反馈至第二累加器U25中；

第二累加器U25的第一输入端连接第一累加器U23的输出端，第二输入端连接积分器Z^-1的输出端，输出端连接积分器Z^-1的输入端以及第一比较器U26的正输入端；

第二累加器U25对第一累加器U23的输出和积分器Z^-1的输出进行累加计算。

本发明实施例积分单元通过第二累加器U15和积分器Z^-1的上述运算，对预设时长内的第一累加器的累加运算结果进行求平均计算，可以获得稳定的用于确定电压信息的信息。

量化单元包括：第一比较器U26、第一反相器U27和第二反相器U28；其中，

第一比较器U26的正输入端连接积分单元的输出端，负输入端接入一比较参考信号A1；

第一比较器U26的输出端连接第一反相器U27的输入端以及第一多路选择器U1和第二多路选择器U2的控制端，第一比较器U26在多相非交叠时钟信号的控制下，比较积分运算结果和比较参考信号A1之间的大小，以输出控制信号；

第一反相器U27的输出端连接第二反相器U28的输入端，第一反相器U27用于将控制信号反相输出为反向控制信号，第二反相器U28的用于将反向控制信号反相输出为电压信息。

需要说明的是，第一比较器输出的控制信号与计算累加运算结果的K_Adc完全对应，控制信号用于进行输出控制，K_Adc为与控制信号完全对应的运算信息。此外，K_Adc经由第一反相器U17和第二反相器U18反向输出的处理后，获得电压信息。

本发明实施例电压传感器，模数转换单元可以通过公式(9)实现电压信息的计算：

其中，KAdc_va表示获得电压信息的平均值，Kvbg为第一增益放大器U4的增益系数；

本发明实施例V(vbep，vben)和V(dvbep，dvben)与计算电压的基准电压Vbg满足公式(10)：

Vbg＝V(vbep,vben)+kvbg*V(dvbep,dvben) 公式(10)

基于公式(9)和公式(10)，可以获得表示电压的公式(11)：

上述计算公式中，V(vsp，vsn)是待测的输入电压，根据KAdc_va可以得到相应的电压值。图8为本发明实施例电压信息与电压的关系示意图，如图8所示，K_Adc__va与电压成线性关系。

图9为本发明实施例另一模数转换电路的示意图，如图9所示，模数转换电路中的算术运算单元包括：结构相同两路并列的运算支路，各运算支路包括：第三多路选择器U9、第四多路选择器U10、第三累加器U211和第二增益放大器U12；其中，

第一个运算支路中：第三多路选择器U9的第一输入端接入第一差分参考电压的负端，第二输入端接入0伏电压，控制端与量化单元连接；第三多路选择器U9的输出端连接第三累加器U211的第一输入端；第三多路选择器U9设置为：根据量化单元输出的控制信号对接入的第一差分参考电压的负端电压和0伏电压进行选择输出；

第四多路选择器U10的第一输入端接入第二差分参考电压的其中一路，输出端连接第二增益放大器U12的输入端，第二输入端接入0伏电压，控制端连接量化单元；第二增益放大器U12的输出端连接第三累加器U211的第一输入端；第四多路选择器U10设置为：根据量化单元输出的控制信号对第二增益放大器U12的输出和0伏电压进行选择输出；

第三累加器U211设置为：对第三多路选择器U9的输出、第四多路选择器U10的输出和输入电压的正端电压进行累加，获得运算支路的累加运算结果；

第二个运算支路中：第三多路选择器U9的第一输入端接入第一差分参考电压的正端，第二输入端接入0伏电压，控制端与量化单元连接；第三多路选择器U9的输出端连接第三累加器U211的第一输入端；第三多路选择器U9设置为：根据量化单元输出的控制信号对接入的第一差分参考电压的正端电压和0伏电压进行选择输出；

第四多路选择器U10的第一输入端接入第二差分参考电压的负端，输出端连接第二增益放大器U12的输入端，第二输入端接入0伏电压，控制端连接量化单元；第二增益放大器U12的输出端连接第三累加器U211的第一输入端；第四多路选择器U10设置为：根据量化单元输出的控制信号对第二增益放大器U12的输出和0伏电压进行选择输出；

第三累加器U211设置为：对第三多路选择器U9的输出、第四多路选择器U10的输出和输入电压的负端电压进行累加，获得运算支路的累加运算结果。

需要说明的是，第一差分参考电压包括：vbep和vben；采用图9所示的ADC时，两个运算支路中的第三多路选择器U9的第一输入端分别接入第一差分参考电压的其中一路；同样的，第二差分参考电压包括：dvbep和dvben；采用图9所示的ADC时，两个运算支路中的第四多路选择器U10的第一输入端分别接入第二差分参考电压的其中一路。

图9所示的算术运算单元对应的积分单元包括：第一失调控制开关、运算放大器U213、第二失调控制开关、第一积分电容C1和第二积分电容C2；其中，

第一失调控制开关的第一输入端连接算数运算单元的第一个运算支路的输出端，第二输入端连接算数运算单元的第二个运算支路的输出端，第一失调控制开关的第一输出端连接运算放大器U213的正输入端，第一失调控制开关的第二输出端连接运算放大器U213的负输入端，第二失调控制开关的两个输出端分别连接运算放大器U213的正输入端、负输出端以及量化单元的两个输入端，第一积分电容连接在第一失调控制开关的第一输入端和第二失调控制开关的第一输出端之间，第二积分电容在第一失调控制开关的第二输入端和第二失调控制开关的第二输出端之间，第一失调控制开关和第二失调控制开关的控制端均接入预设的失调控制信号。

假设运算放大器U213存在一个失调电压voffset_op，此失调电压对积分单元的电荷贡献在正向接入时刻的贡献为：w1＝Citg*voffset_op，在反向接入时刻的贡献为：w0＝-Citg*voffset_op，Citg为一个常数系数。长时间的电荷积分在通过失调控制信号控制第一失调控制开关和第二失调控制开关的开关后不会累加，因此可以提高精度。

需要说明的一点，第一失调控制开关和第二失调控制开关的设置会让积分单元的处理精度上升，但是如果允许精度损失，可以不设置第一失调控制开关和第二失调控制开关。

图9所示的算术运算单元对应的量化单元包括：第二比较器U214、第三反相器U215和第四反相器U216；其中，

第二比较器U214的正输入端和负输入端分别连接积分单元的第二失调开关的第一输出端和第二输出端；

第二比较器U214的输出端连接第三反相器U215的输入端以及第三多路选择器U9的控制端，第二比较器U214在多相非交叠时钟信号的控制下，比较两路运算支路的累加运算结果和比较参考信号A1之间的大小，以输出控制信号；

在一种示例性实例中，本发明实施例量化单元还设置为：根据多相非交叠时钟信号输出电压信息的随路时钟信号。

在一种示例性实例中，本发明实施例电压传感器还包括滤波单元；图10为本发明实施例滤波单元的示意图，如图10所示，包括：低通滤波模块、增益放大模块和偏移设置模块；其中，

低通滤波模块设置为：对量化单元输出的电压信息进行均值运算；

增益放大模块设置为：确定均值运算的电压信息与电压大小的增益关系；

偏移设置模块设置为：设置对确定的均值运算的电压信息与电压大小的增益关系进行校正的偏移值。

与图7所示的模数转换电路相对应的，本发明实施例电压传感器还包括第一时钟单元，设置为：

接收第一时钟输入信号，根据接收的第一时钟输入信号，为算术运算单元提供多项非交叠时钟信号，为第二电压产生电路提供时钟参考信号。

假设第一时钟输入信号为ADC_clk_i，多相非交叠时钟信号为Adc_clk，第二电压产生电路所需的时钟参考信号为Ck_vref；图11为本发明实施例多相非交叠时钟信号的示意图，如图11所示，各相非交叠时钟信号Adc_clk<1>、Adc_clk<2>、……和Adc_clk<n>中，相邻相位的非交叠时钟信号的上升沿之间或者下降沿之间的间隔时间为td(td>0)，同时各相非交叠时钟信号Adc_clk<n+1>、Adc_clk<n+2>……Adc_clk<2*n>中，相邻相位的非交叠时钟信号的上升沿之间或者下降沿之间的间隔时间也为td(td>0)。非交叠时钟信号Adc_clk<n>的下降沿与非交叠时钟信号Adc_clk<n+1>的上升沿之间的时间间隔也为td；非交叠时钟信号Adc_clk<2*n>的下降沿与非交叠时钟信号Adc_clk<1>的上升沿之间的时间间隔也为td；根据ADC对对时钟多相位的要求，时钟单元可以产生四相、六相……及2*n相的非交叠时钟信号，n≥1。

与图9所示的模数转换电路相对应的，本发明实施例电压传感器还包括第二时钟单元，设置为：

接收第二时钟输入信号，根据接收的第二时钟输入信号，为算术运算单元提供多项非交叠时钟信号和失调控制信号，为第二电压产生电路提供时钟参考信号。

本发明实施例还提供一种芯片，芯片内部集成有上述电压传感器。

本发明实施例还提供一种电子设备，电子设备中加载运行上述芯片。

“本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。”

Claims

1.一种电压传感器，包括：第一电压产生电路、第二电压产生电路和模数转换电路ADC；其中，

ADC与第一电压产生电路和第二电压产生电路连接，设置为：

接收待检测的输入电压，根据第一差分参考电压和第二差分参考电压计算输入电压的电压信息；

所述ADC包括算术运算单元、积分单元和量化单元；其中，

量化单元设置为：将所述积分运算结果与预设的积分比较值进行比较，根据比较结果生成所述控制信号；根据所述积分运算结果生成所述电压信息；

所述第二电压产生电路包括：时钟驱动单元、第一控制开关、第二控制开关、提供M支电流大小均为第二电流的第二电流源、第二晶体管和第三晶体管；其中：

所述时钟驱动单元设置为：根据预设的时钟参考信号产生第一时钟驱动控制信号和第二时钟驱动控制信号；

所述第一控制开关设置为：在第一时钟驱动控制信号的控制下，在第一时间段内控制M支电流中的P支第二电流流入所述第二晶体管中，其余M-P支第二电流进入所述第三晶体管中；在第二时间段内控制M支电流中的P支第二电流流入所述第三晶体管中，其余M-P支第二电流进入所述第二晶体管中；

所述第二控制开关设置为：在第二时钟驱动控制信号的控制下，在第一时间段内控制第二晶体管的基极-发射极结电压VBE0作为第二差分参考电压负端输出端的输出电压dvben，第三晶体管的基极-发射极结电压VBE1作为第二差分参考电压正端输出端的输出电压dvbep，在第二时间段内控制第三晶体管的基极-发射极结电压VBE1作为第二差分参考电压负端输出端的输出电压dvben，第二晶体管的基极-发射极结电压VBE0作为第二差分参考电压正端输出端的输出电压dvbep；其中，M>2，P≥1，M-P>P；

所述第一时间段和所述第二时间段交替出现。

2.根据权利要求1所述的电压传感器其特征在于，所述电压传感器还包括电压缓冲单元，所述电压缓冲单元接入待检测的输入电压，输出端连接所述模数转换电路的输入端，设置为：

将所述输入电压增益处理为所述ADC工作范围内的电压信号。

3.根据权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，所述第一电压产生电路包括：产生第一电流的第一电流源和第一晶体管；其中，

所述第一电流源与所述第一晶体管的基极与集电极相连，发射极接地，集电极和发射极分别连接第一输出节点和第二输出节点；所述第一电流流经所述第一晶体管，在所述第一晶体管的发射极和基极产生所述第一电压差，所述第一输出节点和所述第二输出节点输出所述第一差分参考电压。

4.根据权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，所述第二电压产生电路包括：时钟驱动单元、第一控制开关、第二控制开关、提供M支电流大小均为第二电流的第二电流源、第二晶体管和第三晶体管；其中，

所述第一控制开关的输入端连接所述第二电流源，第一输出端连接所述第二晶体管的发射极和所述第二控制开关的第一输入端，第二输出端连接第三晶体管的发射极和所述第二控制开关的第二输入端，设置为：根据所述时钟驱动控制信号，控制M支电流中的P支第二电流流入所述第二晶体管中，其余（M-P）支第二电流进入所述第三晶体管中；所述第二晶体管的基极与集电极相连并接地，所述第三晶体管的基极与集电极相连并接地；所述第二控制开关的输出端输出所述第二差分参考电压；或，

所述第一控制开关的输入端连接所述第二电流源，第一输出端连接所述第二晶体管的基极和集电极和所述第二控制开关的第一输入端，第二输出端连接第三晶体管的基极和集电极和所述第二控制开关的第二输入端，设置为：根据所述时钟驱动控制信号，控制M支电流中的P支第二电流流入所述第二晶体管中，其余（M-P）支第二电流进入所述第三晶体管中；所述第二晶体管的发射极接地，所述第三晶体管的发射极接地；所述第二控制开关的输出端输出所述第二差分参考电压。

5.根据权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，所述算术运算单元包括：第一多路选择器U1、第二多路选择器U2、第一累加器U23和第一增益放大器U4；其中，

其中，所述第一差分参考电压表达式为V（vbep，vben）时，所述vbep为所述第一差分参考电压的正端电压，所述vben为所述第一差分参考电压的负端电压；所述第二差分参考电压表达式为V（dvbep，dvben）时，所述dvbep为所述第二差分参考电压的正端电压，所述dvben为所述第二差分参考电压的负端电压。

6.根据权利要求5所述的电压传感器，其特征在于，所述第一累加器U23设置为通过以下公式累加运算获得所述累加运算结果：

其中，所述

表示与控制信号对应的运算系数；所述

为第二差分参考电压的增益放大的倍数。

7.根据权利要求5所述的电压传感器，其特征在于，所述积分单元包括第二累加器U25和积分器Z^-1；所述量化单元包括：第一比较器U26、第一反相器U27和第二反相器U28；其中，

8.根据权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，所述算术运算单元包括：结构相同两路并列的运算支路，各运算支路包括：第三多路选择器U9、第四多路选择器U10、第三累加器U211和第二增益放大器U12；其中，

9.如权利要求8所述的电压传感器，其特征在于，所述积分单元包括：第一失调控制开关、运算放大器U213、第二失调控制开关、第一积分电容和第二积分电容；其中，

所述第一失调控制开关的第一输入端连接所述算术运算单元的第一个运算支路的输出端，第二输入端连接所述算术运算单元的第二个运算支路的输出端，所述第一失调控制开关的第一输出端连接所述运算放大器U213的正输入端，所述第一失调控制开关的第二输出端连接所述运算放大器U213的负输入端，所述第二失调控制开关的两个输出端分别连接所述运算放大器U213的正输出端、负输出端以及所述量化单元的两个输入端，所述第一积分电容连接在所述第一失调控制开关的第一输入端和所述第二失调控制开关的第一输出端之间，所述第二积分电容在所述第一失调控制开关的第二输入端和所述第二失调控制开关的第二输出端之间，所述第一失调控制开关和所述第二失调控制开关的控制端均接入预设的失调控制信号。

10.根据权利要求9所述的电压传感器，其特征在于，所述量化单元包括：第二比较器U214、第三反相器U215和第四反相器U216；其中，

所述第三反相器U215的输出端连接第四反相器U216的输入端，所述第三反相器U215用于将控制信号反相输出为反向控制信号，所述第四反相器U216用于将所述反向控制信号反相输出为所述电压信息。

11.根据权利要求7或10所述的电压传感器，其特征在于，所述量化单元还设置为：根据所述多相非交叠时钟信号输出所述电压信息的随路时钟信号。

12.根据权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，所述电压传感器还包括滤波单元；其中，所述滤波单元包括：低通滤波模块、增益放大模块和偏移设置模块；其中，

13.根据权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，所述电压传感器还包括第一时钟单元，设置为：

接收第一时钟输入信号，根据接收的所述第一时钟输入信号，为算术运算单元提供多相非交叠时钟信号，为第二电压产生电路提供所述时钟参考信号。

14.如权利要求10所述的电压传感器，其特征在于，所述电压传感器还包括第二时钟单元，设置为：

接收第二时钟输入信号，根据接收的所述第二时钟输入信号，为算术运算单元提供所述多相非交叠时钟信号和所述失调控制信号，为第二电压产生电路提供所述时钟参考信号。

15.一种芯片，其特征在于，所述芯片内部集成有权利要求1~14中任一项所述的电压传感器。

16.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备中加载运行如权利要求15所述的芯片。