CN206235914U - 一种全差分可编程的基准电压产生电路 - Google Patents
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Abstract
一种全差分可编程的基准电压产生电路，包括：可编程电流镜、参考电压产生电路和比较器阈值电压产生电路。可编程电流镜为参考电压产生电路和比较器阈值电压产生电路提供电流；参考电压产生电路产生基准输出电压；比较器阈值电压产生电路产生比较器阈值参考电压。本专利的可编程电流镜控制参考电压产生电路和比较器阈值电压产生电路，使其改变量化范围而不影响系统功能；参考电压产生电路和比较器阈值电压产生电路融合在一起，在面积、功耗和精度上比传统电路实现方式具有大幅度优化；基准电压产生电路是全差分结构，具有低通特性，对噪声、偶次谐波和高频纹波有很好的抑制作用，适合用于高精度模数转换器等对精度要求较高的系统中。
Description
技术领域
本实用新型专利属于模拟集成电路设计领域，具体涉及到一种用于指纹传感器芯片的流水线模数转换器中的全差分可编程的基准电压产生电路。
背景技术
随着移动互联技术的发展，手持移动设备渐渐深入到我们生活的各个方面，信息安全也越来越受到人们的重视，指纹识别技术作为信息安全领域的一种重要手段，其应用也越来越广泛。指纹识别芯片在移动消费电子设备中的应用越来越广泛，与此同时对芯片的功耗、精度要求也越来越高。
现在的电容式指纹识别系统基本由电容电压转换电路、级联放大电路、模数转换电路以及算法电路组成。其中模数转换器是其中一个非常重要的模块，它的精度直接影响到指纹采集的质量。
在指纹识别过程中，每个人的指纹千差万别，需要算法配合来自适应调整。算法通过调整可编程的基准电压产生电路，进而改变模数转换电路的量化范围来适应千差万别的指纹信息。传统的通过可编程反馈电阻实现的电路，由于电阻的匹配较差，并且由于反馈系数的变化，加大了运放的设计难度，增加了功耗；同时传统的全差分反馈电阻驱动电路是一个单端转差分的电路结构，很容易将衬底噪声耦合到输出端，影响系统精度。同时在流水线模数转换器量化过程中，随着量化范围的变化，比较器阈值电压和量化电压成比例关系，具体比例大小由流水线模数转换器每一级的位数决定。传统的做法通常是将产生的量化参考电压由电阻分压，然后通过缓冲器提供给比较器输入端，模块较多，功耗较大且精度受电阻匹配影响较大。
发明内容
有鉴于此，本实用新型提供一种低功耗、高精度的全差分可编程的基准电压产生电路，包括：可编程电流镜、参考电压产生电路和比较器阈值电压产生电路；
所述可编程电流镜为所述参考电压产生电路和所述比较器阈值电压产生电路提供电流；所述可编程电流镜的输入端为输入基准电流Iref，输出端产生可编程电流镜输出电流Irefp、Irefn和Icomp；
所述参考电压产生电路产生基准输出电压；所述参考电压产生电路的正、负输入端接所述可编程电流镜输出电流Irefp和Irefn；
所述比较器阈值电压产生电路产生比较器阈值参考电压；所述比较器阈值电压产生电路的输入端接所述可编程电流镜输出电流Icomp。
进一步地，所述可编程电流镜输出电流Irefp的流向是从所述可编程电流镜流入所述参考电压产生电路，所述可编程电流镜输出电流Irefn的流向是从所述参考电压产生电路流入所述可编程电流镜，Irefp和Irefn满足Irefp＝Irefn。
进一步地，所述参考电压产生电路由全差分运算放大器和R,C反馈网络组成。
所述全差分运算放大器包含正输入端、负输入端、正输出端和负输出端；所述全差分运算放大器的正输入端和负输入端分别连接所述可编程电流镜输出电流Irefp和Irefn，Irefp流入所述全差分运算放大器的正输入端，Irefn流出所述全差分运算放大器的负输入端。
所述基准输出电压为所述全差分运算放大器的差分输出电压Vref，Vref＝Vrefp-Vrefn＝(Irefp+Irefn)*R，其中R为R,C反馈网络的电阻，Vrefp和Vrefn为所述全差分运算放大器的正输出端电压和负输出端电压，Irefp和Irefn为可编程电流镜输出电流。
所述R,C反馈网络由两组电阻R和电容C构成，两组电阻R和电容C分别并联跨接到所述全差分运算放大器的正输入端和负输出端、负输入端和正输出端。所述R,C反馈网络具有低通特性， 其中R为电阻值、C为电容值。
进一步地，所述比较器阈值电压产生电路，包括一个全差分源跟随电路和两个比较器COMP1、COMP2。
所述可编程电流镜输出电流Icomp为全差分源跟随电路提供偏置电流，外接电压Vinp和Vinn为全差分源跟随电路提供输入电压；所述全差分源跟随电路的负载是相同的两个电阻R1；与全差分源跟随电路正输入端连接的电阻R1两端分别连接两个比较器COMP1、COMP2的正输入端，与全差分源跟随电路负输入端连接的电阻R1两端分别连接两个比较器COMP2、COMP1的负输入端，形成输入电压和阈值电压的比较。
本实用新型提供一种全差分可编程的基准电压产生电路，将同一个可编程电流镜100控制参考电压产生电路200和比较器阈值电压产生电路300，使比较器阈值参考电压和基准输出电压始终保持同一比值不变，从而可以实现在系统设计中改变量化范围而不影响系统功能。
本实用新型中的参考电压产生电路200和比较器阈值电压产生电路300融合在一起，在面积、功耗和精度上比传统电路实现方式具有大幅度优化。
本实用新型提供的一种全差分可编程的基准电压产生电路是全差分结构，具有低通特性，对噪声、偶次谐波和高频纹波有很好的抑制作用，适合用于高精度模数转换器等对精度要求较高的系统中。
附图说明
图1全差分可编程的基准电压产生电路。
具体实施方式
下面结合附图来说明本实用新型的优选实施例，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，本实用新型提供的一种全差分可编程的基准电压产生电路，包括：可编程电流镜100、参考电压产生电路200和比较器阈值电压产生电路300。
可编程电流镜100为参考电压产生电路200和比较器阈值电压产生电路300提供电流；可编程电流镜100的输入端为输入基准电流Iref，输出端产生可编程电流镜输出电流Irefp、Irefn和Icomp。
参考电压产生电路200产生基准输出电压；参考电压产生电路200的正、负输入端接可编程电流镜输出电流Irefp和Irefn。
比较器阈值电压产生电路300产生比较器阈值参考电压；比较器阈值电压产生电路300的输入端接可编程电流镜输出电流Icomp。
可编程电流镜输出电流Irefp的流向是从可编程电流镜100流入参考电压产生电路200，可编程电流镜输出电流Irefn的流向是从参考电压产生电路200流入可编程电流镜100，可编程电流镜输出电流Icomp的流向是从可编程电流镜100流向比较器阈值电压产生电路300；其中，Irefp和Irefn满足Irefp＝Irefn。
参考电压产生电路200由全差分运算放大器201和R,C反馈网络组成。全差分运算放大器201包含正输入端、负输入端、正输出端和负输出端；全差分运算放大器201的正输入端和负输入端分别连接可编程电流镜输出电流Irefp和Irefn，Irefp流入全差分运算放大器201的正输入端，Irefn流出全差分运算放大器201的负输入端。
基准输出电压为全差分运算放大器201的差分输出电压Vref，Vref＝Vrefp-Vrefn＝(Irefp+Irefn)*R，其中R为R,C反馈网络的电阻，Vrefp和Vrefn为全差分运算放大器201的正输出端电压和负输出端电压，Irefp和Irefn为可编程电流镜输出电流。
全差分运算放大器在增益、带宽和噪声方面需要满足系统精度要求，通常要求增益误差、建立速度和噪声产生的误差电压小于LSB/2，其中LSB为模数转换器的最低有效位。
R,C反馈网络由两组电阻R和电容C构成，两组电阻R和电容C分别并联跨接到全差分运算放大器201的正输入端和负输出端、负输入端和正输出端，形成负反馈。R,C反馈网络具有低通特性， 其中R为电阻值、C为电容值。
比较器阈值电压产生电路300，包括一个全差分源跟随电路301和两个比较器COMP1、COMP2。
可编程电流镜输出电流Icomp为全差分源跟随电路301提供偏置电流，外接电压Vinp和Vinn为全差分源跟随电路301提供输入电压；所述全差分源跟随电路301的负载是相同的两个电阻R1；与全差分源跟随电路正输入端连接的电阻R1两端分别连接两个比较器COMP1、COMP2的正输入端，与全差分源跟随电路负输入端连接的电阻R1两端分别连接两个比较器COMP2、COMP1的负输入端，形成输入电压和阈值电压的比较。
本实用新型可编程电流镜的电路结构100和比较器阈值电压产生电路300的电路结构可根据实际需要进行调整，而不应当仅限于本实施例。
本实施例中，可编程电流镜100由多个PMOS管、NPMOS管和开关构成，可编程电流镜100受编程逻辑控制，n个逻辑信号通过n个开关控制可实现2n种电流组合；电流镜之间匹配良好。
本实施例中，可编程电流镜100的PMOS管M0的输出电流Irefp流入参考电压产生电路200的全差分运算放大器201的正输入端，全差分运算放大器201的负输入端电流流进可编程电流镜100的NMOS管M1中，大小为Irefn。
本实施例中，可编程电流镜100的PMOS管M2的输出电流Icomp流进全差分源跟随电路301。全差分源跟随电路301的负载是相同的两个电阻R1，R1的一端和PMOS管M5、M6的源极相连，另一端和PMOS管M3、M4的漏极相连。R1由m个电阻R并联组成，其中m根据具体设计要求而定。比较器COMP1正输入端与全差分源跟随电路301的PMOS管M5的源极相连，比较器COMP1负输入端与全差分源跟随电路301的PMOS管M4漏极相连，比较器COMP2正输入端与全差分源跟随电路301的PMOS管M3的漏极相连，比较器COMP2负输入端与全差分源跟随电路301的PMOS管M6源极相连。
比较器阈值电压产生电路300由可编程电流镜输出电流Icomp流进全差分源跟随器电路301,本实施例中，Icomp＝Irefp＝Irefn，也可以根据实际情况来设置Icomp和Irefp、Irefn之间的比例关系，负载电阻R1为m个电阻R并联形成，等效阻值为R/m。
在本实施例中，Vinp和Vinn是全差分源跟随电路301的输入电压，Vinp为M5的栅极电压、Vinn为M 6的栅极电压、Vgs为M5和M 6的栅源电压，Irefp、Irefn和Icomp为可编程电流镜输出电流，R为电阻值，Vref为基准输出电压。比较器COMP1的正输入电压Vinp1和负输入电压Vinn1分别是：
Vinp1＝Vinp-Vgs (1)
Vinn1＝Vinn-Vgs+Icomp*R/m＝Vinn-Vgs+Irefp*R/m (2)
Vinp1-Vinn1＝Vinp-Vinn-Irefp*R/m＝Vinp-Vinn-Vref/2m (3)
即比较器COMP1的输入的比较器阈值参考电压是差分输入信号Vinp-Vinn和阈值电压Vref/2m做比较的结果。
比较器COMP2的正输入电压Vinp 2和负输入电压Vinn 2分别是：
Vinp2＝Vinp-Vgs+Icomp*R/m (4)
Vinn2＝Vinn-Vgs (5)
Vinp2-Vinn2＝Vinp-Vinn+Irefn*R/m＝Vinp-Vinn+Vref/2m (6)
即比较器COMP2的输入的比较器阈值参考电压是差分输入信号Vinp-Vinn和阈值电压-Vref/2m做比较的结果
其中，m的取值和具体设计相关，如果用于1.5bit每级的流水线模数转换器中，取m＝2，相当于输入信号与阈值电压Vref/4和-Vref/4做比较。
本实用新型提供一种全差分可编程的基准电压产生电路，将同一个可编程电流镜100控制参考电压产生电路200和比较器阈值电压产生电路300，使比较器阈值参考电压和基准输出电压始终保持同一比值不变，从而可以实现在系统设计中改变量化范围而不影响系统功能。
本实用新型实施例的详细描述和附图只是用于说明本实用新型，而不是限制由权利要求和其等价物定义的本实用新型的范围。
Claims (9)
1.一种全差分可编程的基准电压产生电路，其特征在于，包括可编程电流镜、参考电压产生电路和比较器阈值电压产生电路；
所述可编程电流镜为所述参考电压产生电路和所述比较器阈值电压产生电路提供电流；所述可编程电流镜的输入端为输入基准电流Iref，输出端产生可编程电流镜输出电流Irefp、Irefn和Icomp；
所述参考电压产生电路产生基准输出电压；所述参考电压产生电路的正、负输入端接所述可编程电流镜输出电流Irefp和Irefn；
所述比较器阈值电压产生电路产生比较器阈值参考电压；所述比较器阈值电压产生电路的输入端接所述可编程电流镜输出电流Icomp。
2.如权利要求1所述的一种全差分可编程的基准电压产生电路，其特征在于，所述可编程电流镜输出电流Irefp的流向是从所述可编程电流镜流入所述参考电压产生电路，所述可编程电流镜输出电流Irefn的流向是从所述参考电压产生电路流入所述可编程电流镜，Irefp和Irefn满足Irefp＝Irefn。
3.如权利要求1所述的一种全差分可编程的基准电压产生电路，其特征在于，所述参考电压产生电路由全差分运算放大器和R,C反馈网络组成。
4.如权利要求3所述的一种全差分可编程的基准电压产生电路，其特征在于，所述全差分运算放大器包含正输入端、负输入端、正输出端和负输出端；所述全差分运算放大器的正输入端和负输入端分别连接所述可编程电流镜输出电流Irefp和Irefn，Irefp流入所述全差分运算放大器的正输入端，Irefn流出所述全差分运算放大器的负输入端。
5.如权利要求4所述的一种全差分可编程的基准电压产生电路，其特征在于，所述基准输出电压为所述全差分运算放大器的差分输出电压Vref，Vref＝Vrefp-Vrefn＝(Irefp+Irefn)*R，其中R为R,C反馈网络的电阻，Vrefp和Vrefn为所述全差分运算放大器的正输出端电压和负输出端电压，Irefp和Irefn为可编程电流镜输出电流。
6.如权利要求3所述的一种全差分可编程的基准电压产生电路，其特征在于，所述R,C反馈网络由两组电阻R和电容C构成，两组电阻R和电容C分别并联跨接到所述全差分运算放大器的正输入端和负输出端、负输入端和正输出端。
7.如权利要求6所述的一种全差分可编程的基准电压产生电路，其特征在于，所述R,C反馈网络具有低通特性，其中R为电阻值、C为电容值。
8.如权利要求1所述的一种全差分可编程的基准电压产生电路，其特征在于，所述比较器阈值电压产生电路，包括一个全差分源跟随电路和两个比较器COMP1、COMP2。
9.如权利要求8所述的一种全差分可编程的基准电压产生电路，其特征在于，所述可编程电流镜输出电流Icomp为全差分源跟随电路提供偏置电流，外接电压Vinp和Vinn为全差分源跟随电路提供输入电压；所述全差分源跟随电路的负载是相同的两个电阻R1；与全差分源跟随电路正输入端连接的电阻R1两端分别连接两个比较器COMP1、COMP2的正输入端，与全差分源跟随电路负输入端连接的电阻R1两端分别连接两个比较器COMP2、COMP1的负输入端，形成输入电压和阈值电压的比较。
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