CN116318153A - 参考电压驱动电路、模数转换器、芯片及驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种参考电压驱动电路、模数转换器、芯片及驱动方法，包括：运算放大器、RC滤波器、上电加速模块以及参考缓冲器；运算放大器的正向输入端连接参考电压，反向输入端与输出端连接；RC滤波器的输入端连接运算放大器的输出端，用于对运算放大器的输出信号低通滤波；上电加速模块用于控制RC滤波器中的电阻短路，以加速RC滤波器中的电容充电；参考缓冲器的输入端连接RC滤波器的输出端，得到滤波后的参考电压信号。本发明通过将RC滤波器中的电阻短路，从而使得RC滤波器中的电容充电电压增大，达到了快速上电的目的。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理领域，特别是涉及一种参考电压驱动电路、模数转换器、芯片及驱动方法。
背景技术
模数转换器（Analog-to-digital converter，ADC）的内部通常由带隙基准电路（Bandgap voltage reference，BGR）提供一个稳定的参考电压输出到参考缓冲器buffer。如果带隙基准电路BGR的输出端和参考缓冲器buffer直接相连，则会可能出现电荷反冲，引起带隙基准电路BGR的宽带热噪声。为了降低带隙基准电路BGR的宽带热噪声，较为常规的操作是在带隙参考电路BGR和参考缓冲器buffer之间插入RC滤波器LPF。为了更好的滤波噪声，要求RC滤波器LPF的时间常数能保持较大的数值（相当于一个较小的带宽）。因此需要使用电阻值较大的电阻和电容值较大的电容器。由于较大电容值的电容器的占用的空间也相对较大，集成在模数转换器ADC内部会不利于集成。因此，通常将较大电容值的电容器的位置设置在模数转换器ADC的外部。
但是在带隙基准电路启动期间，由于大的外部电容器需要充电至带隙电压（VBG）后才能进入到稳定的工作状态，因此带隙基准电路启动后常常需要一段时间才能为参考缓冲器提供稳定的参考电压，耗时长、效率低。
基于以上原因，本发明提供了一种参考电压驱动电路、模数转换器、芯片及驱动方法能加速外部电容器的充电时间，从而使得模数转换器ADC能快速达到稳定的工作状态。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种参考电压驱动电路、模数转换器、芯片及驱动方法，用于解决现有技术中带隙基准电路启动后常常需要一段时间才能为参考缓冲器提供稳定的参考电压的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种参考电压驱动电路，包括：
运算放大器、RC滤波器、上电加速模块以及参考缓冲器；
所述运算放大器的正向输入端连接参考电压，反向输入端与输出端连接；
所述RC滤波器的输入端连接所述运算放大器的输出端，用于对运算放大器的输出信号低通滤波；
所述上电加速模块用于控制所述RC滤波器中的电阻短路，以加速所述RC滤波器中的电容充电；
所述参考缓冲器的输入端连接所述RC滤波器的输出端，得到滤波后的参考电压信号。
可选地，所述RC滤波器包括电阻R及电容器；所述电阻的第一端连接所述运算放大器的输出端，第二端连接所述参考缓冲器的输入端；所述电容器的上极板连接所述电阻的第二端，下极板接地。
可选地，所述上电加速模块包括开关管以及开关控制信号产生电路；所述开关控制信号产生电路产生开关控制信号，输出端连接所述开关管的控制端；所述开关管与所述电阻并联设置，基于所述开关控制信号控制所述开关管导通或者关闭，进而控制电阻处于短路状态或工作状态。
可选地，所述开关管设置为NMOS管。
可选地，所述开关控制信号产生电路设置为D触发器；所述D触发器的时钟输入端连接第一时钟信号，数据输入端连接滤波复位信号，置位端连接置位信号，输出端连接开关管的栅极。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种模数转换器，包括：模数转换单元、参考电压产生单元以及上述的参考电压驱动电路；
所述参考电压驱动电路的输入端连接所述参考电压产生单元的输出端，用于为所述模数转换单元提供参考电压；
所述模数转换单元的输入端连接所述参考电压驱动电路的输出端，基于所述参考电压进行模数转换，输出数字信号。
可选地，所述模数转换器还包括分频器；所述分频器的输入端连接第二时钟信号，输出端连接上电加速模块的输入端，将所述第二时钟信号分频得到时钟控制信号，基于所述时钟控制信号调整所述电阻短路的时间。
可选地，所述分频器设置为N个依次连接的D触发器；其中，各D触发器的数据输入端与反向输出端连接，后级D触发器的时钟输入端连接前级D触发器的反向输出端，第1级D触发器的时钟输入端连接所述第二时钟信号，第N级D触发器的反向输出端连接所述上电加速模块13的输入端。
可选地，所述第二时钟信号设置为所述模数转换器的主时钟信号。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种芯片，包括：上述所述的模数转换单元。
可选地，所述电容器设置在所述芯片的外部。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种参考电压驱动方法，基于上述参考电压驱动电路实现，包括：
上电后基于所述上电加速模块的输出信号将所述RC滤波器中的电阻短路，并在设定时间T后切换所述上电加速模块的输出信号，使得所述电阻进入工作状态；
所述设定时间为大于0且小于等于从电阻短路开始到电容器完全充满电的时长。
可选地，电阻短路开始到电容器完全充满电的时长满足：
其中，T为电阻短路开始到电容器完全充满电的时长，VBG为所述参考电压值，C1为电阻短路时电容器的电容值，C2为电容器充满电的电容值，I为运算放大器的输出电流值。
如上所述，本发明的一种参考电压驱动电路、模数转换器、芯片及驱动方法，具有以下有益效果：
1、本发明的参考电压驱动电路、模数转换器、芯片及驱动方法通过将RC滤波器中的电阻短路，从而使得RC滤波器中的电容充电电压增大，达到了快速上电的目的，从而能有效减少模数转换的启动延迟时间。
2、本发明的参考电压驱动电路、模数转换器、芯片及驱动方法的结构简单，方法简便且制造成本较低，能较好的应用于模数转换领域。
附图说明
图1显示为本发明的模数转换器的结构示意图。
图2显示为本发明的参考电压驱动电路的工作时序图。
元件标号说明
1-参考电压驱动电路；11-运算放大器；12-RC滤波器；13-上电加速模块；131-开关管；132 -开关控制信号产生电路；14 -参考缓冲器；2 -参考电压发生单元；3-模数转换单元；4-分频器；5-模数转换器。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅1~图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供了一种参考电压驱动电路1，包括：运算放大器11、RC滤波器12、上电加速模块13以及参考缓冲器14。
如图1所示，所述运算放大器11的正向输入端连接参考电压VBG，反向输入端与输出端连接，输出端连接RC滤波器12。
如图1所示，所述RC滤波器12的输入端连接所述运算放大器11的输出端，用于对运算放大器11的输出信号进行低通滤波。
具体地，所述RC滤波器12包括电阻R及电容器C；所述电阻R的第一端连接所述运算放大器11的输出端，第二端所述参考缓冲器14的输入端；所述电容器C的上极板连接所述电阻R的第二端，下极板接地。需要说明的是，还可以选取其他具有电容的可以实现低通滤波功能的模块，用于对运算放大器11的输出信号进行低通滤波，并不以本实施例为限。
如图1所示，所述上电加速模块13用于控制所述RC滤波器中的电阻短路，以加速所述RC滤波器中的电容充电。
具体地，在本实施例中，所述上电加速模块13包括开关管 131以及开关控制信号产生电路132。所述开关控制信号产生电路132产生开关控制信号，输出端连接所述开关管131的控制端；所述开关管131与所述电阻并联，也就是所述开关管131的第一端连接所述RC滤波器中电阻R的第一端，第二端连接所述电阻R的第二端，基于开关控制信号产生电路132输出的开关控制信号PULSE控制所述开关管131导通或者关闭，用于控制电阻处于短路状态或工作状态。当开关管131导通的时候，电阻短路，此时可视为电容C的上极板直接基于参考电压VBG对电容器C进行充电。当电容器C充电达到一定时间后，再将开关管131关断，使得电阻R进入工作状态，再基于电容器C共同构成RC滤波器12进行滤波操作。
需要说明的是，还可以选取其他的设置作为上电加速模块13用于对所述RC滤波器中的电阻短路，以加速所述RC滤波器中的电容充电，并不以本实施例为限。
作为示例，所述开关控制信号产生电路132设置为D触发器；所述D触发器的时钟输入端连接第一时钟信号，数据输入端连接滤波复位信号（高电平信号或者低电平信号），置位端SET连接置位信号SETinit，输出端连接开关管131的栅极，基于输出的开关控制信号控制所述开关管131导通或者关断。在本实施例中，所述开关管131设置为NMOS管。开关控制信号产生电路132设置为D触发器，其中滤波复位信号设置为低电平信号AVSS，置位信号SETinit设置为高电平有效，输出端连接NMOS管的栅极，NMOS管的栅极作为控制端。D触发器的置位端连接高电平信号，使得D触发器的输出强制置为1，也就是开关控制信号PULSE输出为1，开关管的栅极接受到开关控制信号PULSE为高电平时导通，RC滤波器12中的电阻短路；当 D触发器的置位端的高电平失效后由于数据输入端连接低电平信号，那么在第一时钟信号的跳变沿（上升沿或下降沿）到来时，D触发器的输出端就会输出低电平，开关管的栅极接受到低电平信号关闭，RC滤波器12中的电阻恢复工作状态。
需要说明的是，任意能与电阻R并联且能控制其开闭实现电阻的短路或工作的开关管131，均为本实施例的保护范围，如：开关管131还可以设置为PMOS管。相应地，开关控制信号产生电路132的设置与开关管131匹配。举例而言，当开关管设置为PMOS管时，相应的开关控制信号产生电路设置为D触发器，此时所述D触发器的时钟输入端连接第一时钟信号CLK1，数据输入端连接低电平信号，反向输出端连接PMOS管的栅极。在另一示例中，当开关管设置为PMOS管时，相应的开关控制信号产生电路仍可以设置为D触发器，此时所述D触发器的时钟输入端连接第一时钟信号CLK1，数据输入端连接高电平信号，复位端连接高电平信号，正向输出端连接PMOS管的栅极。实际上，只要能使得RC滤波器中的电阻可以在短路状态或工作状态切换的设置，均为本实施例的保护范围。
如图1所示，所述参考缓冲器14的输入端连接所述RC滤波器的输出端，得到滤波后的参考电压信号。
需要说明的是，上述的参考电压驱动电路1可适用于任意参考电压产生电路，并不以本实施例所提供的参考电压产生电路为限。
如图1所示，本发明还提供了一种模数转换器5，包括：模数转换单元3、参考电压产生单元2以及所述的参考电压驱动电路1。
如图1所示，所述参考电压产生单元2产生参考电压VBG，所述参考电压产生单元2的输出端连接所述参考电压驱动电路1，用于为所述模数转换单元3提供参考电压VBG。
具体地，在本实施例中，所述参考电压发生单元2设置为带隙基准电路，通过带隙基准电路为模数转换单元3提供参考电压VBG。
如图1所示，所述参考电压驱动电路1的输入端连接所述参考电压产生单元2的输出端，用于为所述模数转换单元提供参考电压VBG。
具体地，所述参考电压驱动电路1的电路结构及工作原理参见上文，在此不一一赘述。
如图1所示，模数转换单元3的输入端连接所述参考电压驱动电路1的输出端，基于所述参考电压VBG进行模数转换，输出数字信号。
具体地，在本实施例中，所述模数转换单元3的参考电压输入端连接所述参考缓冲器14的输出端。
具体地，作为本发明的另一种实现方式，模数转换器5还包括分频器4；所述分频器4的输入端连接第二时钟信号，输出端连接上电加速模块13的输入端（在本实施例中为开关控制信号产生电路132的时钟信号输入端），用于将所述时钟信号分频得到时钟控制信号，基于所述时钟控制信号调整所述电阻短路的时间。
作为示例，所述分频器设置为N个依次连接的D触发器；其中，各D触发器的数据输入端与反向输出端连接，后级D触发器的时钟输入端连接前级D触发器的反向输出端，第1级D触发器的时钟输入端连接所述时钟信号，第N级D触发器的反向输出端连接所述D触发器的时钟信号输入端。
在本实施例中，所述分频器4设置为16个依次连接的D触发器。十六个分频器依次连接，将第二时钟信号分频。以第二时钟信号设置为上升沿触发来看，分频器4输出信号在第二时钟信号的第216个时钟周期后才开始第一个上升沿。也就是分频器4的输出信号的和时钟信号的周期相差216倍。通过分频器4延时使得D触发器的输出信号保持较长时间不变后才发生翻转，进而控制模数转换器先快速达到上电状态后再转换为工作状态。
需要说明的是，也可以不设置分频器而直接向开关控制信号产生电路132输入预设的第一时钟信号。在本实施例中，开关控制信号产生电路132设置为D触发器，则可以向D触发器的时钟信号输入端输入第一时钟信号，只要最终能使得D触发器的输出信号保持较长时间不变后之后根据控制发生翻转的设置，均为本实施例的保护范围。
除此之外，第二时钟信号可任意设置，可以根据需要设置其他的时钟信号，为上电加速模块13提供时钟信号，便于后续对RC滤波器12的控制。优选地，所述时钟信号设置为所述模数转换器的主时钟信号，也就是通过模数转换器的主时钟信号就可以实现加速控制参考电压驱动电路1实现加速上电的目的，而不需要再增设设置其他的时钟信号。在本实施例中，设置t为主时钟信号的一个周期的时间值，那么分频器的延时时间满足2Nt。N为分频器中的D触发器的个数，设置t为主时钟信号的一个周期的时间值。当分频器13设置为16个依次连接的触发器时，分频器应该延时216拍（设置时钟信号的一个周期设置为一拍，在本实施例中，由模数转换器的主时钟信号提供时钟信号）。由于不同频率的时钟信号的打拍时间不同，可调整时钟信号的频率调整分频器的延时时间。在本实施例中，设置主频率为4MHZ作为时钟信号驱动，则通过分频器可以延时的时间为216×250=16ms。
本发明还提供一种芯片，包括：所述模数转换器5。
具体地，RC滤波器12中的电容器C设置在芯片的外部，在保证电容器C的电阻不变的情况下，能有效节省芯片的体积。
本发明还提供了一种参考电压驱动方法，基于上述所述的参考电压驱动电路1实现，包括：上电后基于所述上电加速模块的输出信号将所述RC滤波器中的电阻短路，并在设定时间T后切换所述上电加速模块的输出信号，使得所述电阻进入工作状态；所述设定时间为大于0且小于等于从电阻短路开始到电容器完全充满电的时长。
具体地，用第一时钟信号控制所述上电加速模块13，当所述RC滤波器12中电容器C在充电过程中时，控制上电加速模块13使得RC滤波器12中电阻R短路，从而加快电容充电的过程；当所述RC滤波器12的电容器C充电达到了设定时间T，就控制上电加速模块13使得RC滤波器12中的电阻恢复工作状态。
在本实施例中，上电加速模块13包括开关管131以及开关控制信号产生电路132。开关管131设置为NMOS管，开关控制信号产生电路设置为D触发器。在D触发器的复位端SET端先输入一个高电平信号，使得D触发器强制置为1。此时D触发器先输出高电平，同时该高电平使开关管131导通，电阻进入短路状态，参考电压VBG直接对电容器C进行充电，直到所述RC滤波器12达到设定时间后，也就是充电到一定的设定时间后，D触发器接收到所述分频器的输出信号的上升沿信号改变D触发器输出的电平为低电平，关闭所述开关管使得所述RC滤波器12进入工作状态。
更具体地，所述RC滤波器12中电阻短路开始到电容器完全充满电的时长满足：
其中，T为电阻短路开始到电容器完全充满电的时长，VBG为所述参考电压值，C1为电阻短路时电容器的电容值，C2为电容器充满电的电容值，I为运算放大器的输出电流值。也就是只要能在电容充满电之前驱动上电加速模块对RC滤波器中的电阻进行短路，那么电容充电时间相应就会减少，上电时间也就减少。在另一种情况下，在电容充电结束后，RC滤波器中的电阻没有切换到工作状态，依然短路。但是只要预设时间小于未使用上电加速模块13的参考电压驱动电路的电容充满电的时间，本实施例就能实现对加速上电的效果。
结合图2对本实施例的工作过程进行分析：在t1时刻，对分频器4中各D触发器的各个复位端口RST均同时输入复位信号RSTinit（高电平信号）将各复位。与此同时，输入一个高电平的置位信号将D触发器132强置为1，D触发器132输出信号PULSE为高电平且输出到开关管131的栅极使得开关管131导通，使得电阻R短路，电容器C视为直接通过参考电压VBG充电。分频器4在复位之后对主时钟信号延时，输出时钟控制信号到D触发器的时钟信号输入端。在分频器4作用下，时钟控制信号经过主时钟信号CLK2的216个周期后，也就是达到设定时间T’之后，在t2时刻开始翻转。由于D触发器的输入数据端为低电平，在时钟控制信号CLK1翻转时，D触发器输出信号为低电平，关闭开关管，电阻从短路状态恢复到正常工作状态。在电容器的上级板达到参考电压大小后，电阻R和电容器C继续构成RC滤波器12进行工作。
综上所述，本发明提供一种参考电压驱动电路、模数转换器、芯片及驱动方法，包括：运算放大器、RC滤波器、上电加速模块以及参考缓冲器；运算放大器的正向输入端连接参考电压，反向输入端与输出端连接； RC滤波器的输入端连接运算放大器的输出端，用于对运算放大器的输出信号低通滤波；上电加速模块用于控制RC滤波器中的电阻短路，以加速RC滤波器中的电容充电；参考缓冲器的输入端连接RC滤波器的输出端，得到滤波后的参考电压信号。本发明通过将RC滤波器中的电阻短路，从而使得RC滤波器中的电容充电电压增大，达到了快速上电的目的。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (13)
1.一种参考电压驱动电路，其特征在于，所述参考电压驱动电路至少包括：运算放大器、RC滤波器、上电加速模块以及参考缓冲器；
所述运算放大器的正向输入端连接参考电压，反向输入端与输出端连接；
所述RC滤波器的输入端连接所述运算放大器的输出端，用于对运算放大器的输出信号低通滤波；
所述上电加速模块用于控制所述RC滤波器中的电阻短路，以加速所述RC滤波器中的电容充电；
所述参考缓冲器的输入端连接所述RC滤波器的输出端，得到滤波后的参考电压信号。
2.根据权利要求1所述的参考电压驱动电路，其特征在于：所述RC滤波器包括电阻R及电容器；
所述电阻的第一端连接所述运算放大器的输出端，第二端连接所述参考缓冲器的输入端；所述电容器的上极板连接所述电阻的第二端，下极板接地。
3.根据权利要求2所述的参考电压驱动电路，其特征在于：所述上电加速模块包括开关管以及开关控制信号产生电路；
所述开关控制信号产生电路产生开关控制信号，输出端连接所述开关管的控制端；
所述开关管与所述电阻并联设置，基于所述开关控制信号控制所述开关管导通或者关闭，进而控制电阻处于短路状态或工作状态。
4.根据权利要求3所述的参考电压驱动电路，其特征在于：所述开关管设置为NMOS管。
5.根据权利要求3所述的参考电压驱动电路，其特征在于：所述开关控制信号产生电路设置为D触发器；所述D触发器的时钟输入端连接第一时钟信号，数据输入端连接滤波复位信号，置位端连接置位信号，输出端连接开关管的栅极。
6.一种模数转换器，其特征在于，所述模数转换器至少包括：模数转换单元、参考电压产生单元以及如权利要求1~5任一项所述的参考电压驱动电路；
所述参考电压驱动电路的输入端连接所述参考电压产生单元的输出端，用于为所述模数转换单元提供参考电压；
所述模数转换单元的输入端连接所述参考电压驱动电路的输出端，基于所述参考电压进行模数转换，输出数字信号。
7.根据权利要求6所述的模数转换器，其特征在于：所述模数转换器还包括分频器；
所述分频器的输入端连接第二时钟信号，输出端连接上电加速模块的输入端，将所述第二时钟信号分频得到时钟控制信号，基于所述时钟控制信号调整所述电阻短路的时间。
8.根据权利要求7所述的模数转换器，其特征在于：所述分频器设置为N个依次连接的D触发器；
其中，各D触发器的数据输入端与反向输出端连接，后级D触发器的时钟输入端连接前级D触发器的反向输出端，第1级D触发器的时钟输入端连接所述第二时钟信号，第N级D触发器的反向输出端连接所述上电加速模块的输入端。
9.根据权利要求7或8所述的模数转换器，其特征在于：所述第二时钟信号设置为所述模数转换器的主时钟信号。
10.一种芯片，其特征在于，所述芯片至少包括：如权利要求6~9任一项所述的模数转换器。
11.根据权利要求10所述的芯片，其特征在于：所述RC滤波器中的电容器设置在所述芯片的外部。
12.一种参考电压驱动方法，基于如权利要求1~5任一项所述的参考电压驱动电路实现，其特征在于，所述参考电压驱动方法包括：
上电后基于所述上电加速模块的输出信号将所述RC滤波器中的电阻短路，并在设定时间T后切换所述上电加速模块的输出信号，使得所述电阻进入工作状态；
所述设定时间为大于0且小于等于从电阻短路开始到电容器完全充满电的时长。
13.根据权利要求12所述的参考电压驱动方法，其特征在于：电阻短路开始到电容器完全充满电的时长满足：
其中，T为电阻短路开始到电容器完全充满电的时长，VBG为参考电压值，C1为电阻短路时电容器的电容值，C2为电容器充满电的电容值，I为运算放大器的输出电流值。
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2023
- 2023-05-10 CN CN202310517904.0A patent/CN116318153A/zh active Pending
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