TWI542140B

TWI542140B - 電子系統與運算放大器的自動配置方法

Info

Publication number: TWI542140B
Application number: TW103134162A
Authority: TW
Inventors: 李盛城; 闕河鳴
Original assignee: 華邦電子股份有限公司
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2016-07-11
Also published as: TW201614956A

Description

電子系統與運算放大器的自動配置方法

本發明為一種電子系統，特別是一種具有自我調整機制的運算放大器的一電子系統。

電子裝置的效能可能會因為很多來源參數的變化而被影響，在這種情況下，許多電子裝置的特性，如增益、雜訊指數(noise figure)、輸出功率、電流或電壓的準確性...等等，都可能因此受到影響。這些參數的變化可能是因為元件的製程、溫度或是其他因素所造成。

類比/數位轉換器(Analog to Digital Converter)在許多應用系統中，扮演的非常重要的角色，(例如：掃瞄繪圖系統、電腦系統、數位電視和生醫電子。這些系統都需要使用到高速、高解析度、低消耗功率的訊號轉換器。類比/數位轉換器內最主要的核心電路就是運算放大器，當類比/數位轉換器的操作時脈不同時，其運算放大器所需求的特性參數，如直流電壓(DC-Gain)、增益頻寬乘積(Gain bandwidth product)和迴轉率(slew rate)也會隨之改變。一般來說，大部分類比/數位轉換器的參數設定都會以其所應用系統中，以該應用系統的最高操作時脈做為參考來設定運算放大器的特性參數。但是如此一來，當該應用系統操作在比較低的時脈時，類比/數位轉換器會額外的功率消耗，而且參數的設定可能無法讓類比/數位轉換器的效能最佳化。

為了解決運算放大器在不同的操作時脈下，其電路本身的特性會不同的問題，本發明提供了一種具有自我校正機制的運算放大器，該運算放大器可以自動偵測系統的操作頻率，並調整運算放大器的特性參數。

本發明的一實施例中，當運算放大器確認了系統的操作頻率後，運算放大器會利用查表法(look up table)電路，取得運算放大器的控制參數，使運算放大器的效能最佳化。

本發明的一實施例為一種運算放大器的自動配置方法，適用於設置於一電子系統內的一運算放大器。該方法包括：估測該電子系統的一內部電阻值；估測該電子系統的一操作頻率；根據該內部電阻值與該操作頻率決定一控制參數以調整該運算放大器的一特性。

本發明的另一實施例為一種電子系統，可自動調整電子系統內的一運算放大器。電子系統更包括一電阻校正電路、一頻率估測電路與一查表電路。電阻校正電路，用估測該電子系統的一內部電阻值並產生一第一控制信號。頻率估測電路，根據該內部電阻值與該電子系統的一時脈信號調整一電容阻的一電容值，並產生對應的一第二控制信號。查表電路，接收該第一控制信號與該第二控制信號，透過查表法得到該運算放大器的一控制參數。該運算放大器，接收該控制參數以調整該運算放大器的一特性。

21‧‧‧電阻校正電路

22‧‧‧頻率估測電路

23‧‧‧查表電路

24‧‧‧運算放大器

30‧‧‧電子系統

31‧‧‧能隙電路

32、52‧‧‧電阻組

33‧‧‧計數器

51‧‧‧充電時間估測單元

53‧‧‧電容組

81、83‧‧‧電路

82‧‧‧共模回授電路

[N：0]‧‧‧第一控制信號

[M：0]‧‧‧第二控制信號

bp0、bn0、bn1‧‧‧端點

C、Cc‧‧‧電容

Cal_out、Cal_out 1、Cal_out 2、Cal_out 3‧‧‧輸出

CLK‧‧‧時脈信號

CMFB‧‧‧共模迴授電壓

I1、I2、IB‧‧‧電流

outn、outp‧‧‧輸出信號

Pre_outn、Pre_outp‧‧‧前級輸出信號

S11、S13、S15、S41、S42、S601~S603、S611~S613、S621~S628‧‧‧步驟

Sc‧‧‧控制信號

T301、T30N‧‧‧開關

R、R1、R51、R301、R30N‧‧‧電阻

V1、V2、V3‧‧‧充電電壓

Vbias‧‧‧偏壓

Vbg‧‧‧能隙電壓

Vc‧‧‧電壓

VINN、VINP‧‧‧輸入電壓

Vref‧‧‧參考電壓

第1圖為根據本發明之一運算放大器的自動配置運作方法的一實施例的流程圖。

第2圖為根據本發明之一具有自我調整機制的運算放大器的一電子系統的示意圖。

第3圖為根據本發明之具有自我調整機制的運算放大器的電子系統的另一實施例的電路圖。

第4圖為根據本發明之一電阻校正的方法的一實施例的流程圖。

第5圖為根據本發明之具有自我調整機制的運算放大器的電子系統的另一實施例的電路圖。

第6A圖為根據本發明之一頻率估測方法的一實施例的流程圖。

第6B圖為根據本發明之一頻率估測方法的另一實施例的流程圖。

第6C圖為根據本發明之一頻率估測方法的另一實施例的流程圖。

第7圖是第5圖的電路運作的波形圖。

第8圖為一二階運算放大器的一實施例的電路圖。

第9圖為一可調整電壓增益與頻寬增益的電路的電路圖。

第10圖為一可調整迴轉率的電路的電路圖。

第1圖為根據本發明之一運算放大器的自動配置方法的一實施例的流程圖。在本實施例中，該運算放大器是被配置在一電子系統或電路中使用，電子系統如濾波器、類比數位轉換電路、晶片或是手持式電子裝置等。在步驟S11中，電子系統內的一控制器或是一控制電路先估測電子系統的一等效內電阻值。電子系統內包括了一運算放大器、一能隙(bandgap)電路與一電流鏡電路。電子系統耦接一外部電阻，該外部電阻的電阻值是已知。因為電子系統啟動後，能隙電路輸出的能隙電壓是穩定的，不易隨著電壓、溫度或是製程飄移(process drift)，因此可以利用能隙電壓來估計電子系統內部的電阻值。

接著，在步驟S12中，當電子系統內部的電阻值被確定後，接著估測電子系統的操作頻率。在一實施例中，並非真實量測電子系統的操作頻率，而是透過系統的操作頻率去找出電子系統內，對應該操作頻率時，電容組的等效電容值。接著，在步驟S13中，當電子系統的操作頻率已知後，根據該操作頻率與電子系統內部的電阻值，透過一查表電路得知運算放大器的控制參數。在一實施例中，當電子系統的操作頻率被確定後，會估計該電子系統內的一電容組(capacitor bank)的電容值，並根據該電阻值與電容值透過查表電路得知運算放大器的控制參數。

第2圖為根據本發明之一具有自我調整機制的運算放大器的一電子系統的示意圖。電子系統包括電阻校正電路21、頻率估測電路22、查表電路23與運算放大器24。。

當電子系統開機、重置或接收到一控制信號要求調整運算放大器24的控制參數時，電阻校正電路21透過電子系統內的一電阻組(resistor bank)估計電子系統的一內部電阻值。接著，頻率估測電路22量測電子系統的操作頻率。在一實施例中，當電子系統的操作頻率已知後，更進一步估計該電子系統內的一電容組(capacitor bank)所對應的電容值。特別說明的是，當測得電阻值與電容值時，亦可得知用於估測該電阻值與該電容值的一第一控制信號與一第二控制信號。在一實施例中，第一控制信號與第二控制信號為數位信號，分別以[N：0]與[M：0]表示，其中N、M為正整數，分別表示電阻組內對應的電阻的數量以及電容阻內對應的電容的數量。

查表電路23則根據電容值與電阻值或是第一控制信號與第二控制信號進行查表，以取得運算放大器24的控制控制參數。藉由這些參數可調整運算放大器24的直流電壓增益、增益頻寬乘積以及迴轉率。此外，藉由自我調整機制可使得運算放大器的操作電流最佳化。

第3圖為根據本發明之具有自我調整機制的運算放大器的電子系統的另一實施例的電路圖。從另一個角度來看，第3圖的電子系統30包含了運算放大器，能隙電路31與電阻校正電路32。能隙電路31因為不易受到溫度等變數干擾，因此適合用來提供穩定的能隙電壓。外部電阻R₁的電阻值為已知，且外部電阻R₁的誤差越小越好，建議是1%或5%的誤差。在本實施例中，藉由調整電阻組32的電阻值的方式來得知電子系統的內部電阻值。

透過電流鏡電路可以複製流經外部電阻R₁的電流I₁以產生流經電阻組32的電流I₂。電阻組32包括複數個開關裝置，如T301~T30N，與複數個電阻，如R₃₀₁~R_30N，透過控制信號[N：0]來控制開關裝置以決定電阻組32的等效電阻值R₂。利用克希荷夫電路定律(Kirchhoff Circuit Laws)，可表示如下：V_bg=I₁ x R₁=I₂ x R₂

在本實施例中，電阻組32的等效電阻值R₂一開始被設定為最小值，此時Vc會小於能隙電壓V_bg。比較器會將電壓Vc與能隙電壓V_bg的比較結果傳送給D型正反器。計數器33會根據D型正反器逐步遞增控制信號[N：0]一個位元，直到電壓Vc大於能隙電壓V_bg才停止。舉一個例子來說明，假設電阻組32內有5個電阻，也就是N等於5，且每個電阻的電阻值為二進制的比例關係都相同。當開始進行電阻值估測時，控制信號為[00001]。如果此時電壓Vc小於能隙電壓V_bg，計數器33增加控制信號為[00010]，並根據D型正反器的輸出判斷電壓Vc是否大於能隙電壓V_bg。假設當控制信號為[01111]時，電壓Vc大於能隙電壓V_bg，則電阻組32的等效電阻值R₂便可得知。在另一個實施例中，假設控制信號為[01111]時，電壓Vc大於能隙電壓V_bg，則最後決定的控制信號為前一次的控制信號[01110]。

同理，也可將電阻組32的等效電阻值R₂預設為最大值，再透過計數器33逐步減少等效電阻值R₂，直到電壓Vc小於V_bg才停止。或是在另一個實施方式中，電阻組32的等效電阻值R2預設為一中間值，再根據電壓Vc與V_bg的比較結果，透過逐步減少或增加等效電阻值R₂。透過前述的方式，最後電阻組32的等效電阻值即是電子系統的內部電阻值。

第4圖為根據本發明之一電阻校正的方法的一實施例的流程圖。請參照第3圖及第4圖，在本實施例中，預設狀況是電子裝置或系統在開機或重置時才執行，但在其他的實施方式中，可於電子裝置運作時，根據一校正請求信號來進行電阻校正。在步驟S41中，先決定電阻組的一等效電阻值。接著在步驟S42中，判斷能隙電壓V_bg是否大於一電壓Vc。如果能隙電壓V_bg大於Vc，回到步驟S41，調整電阻組的等效電阻值。如果能隙電壓V_bg小於Vc，則電阻校正完畢。

當電子系統的內部電阻值被確定後，可利用RC充放電的方式，以下列公式來估測電子系統的操作時脈、工作時脈或電容值。

，其中V_ref：參考電壓

V_dd：工作電壓

T_clk：時脈週期

R：電阻值

C：電容值

請參考第5圖。第5圖為根據本發明之具有自我調整機制的運算放大器的電子系統的另一實施例的電路圖。從第5圖可以看到參考電壓V_ref可以透過分壓方式，由電阻R₅₁與R₅₂來決定。關於電阻組52的動作請參考第3圖的說明。因為電阻組52的電組值已經確定，因此接下來做的就是再確認電容組53的電容值。電容組53包括複數個開關裝置，與複數個電容，透過控制信號[M：0]來控制開關裝置以決定電容組53的等效電容值。比較器會輸出電壓Vc與參考電壓V_ref的比較結果，並透過充電時間估測單元51來控制電容組53的電容值，以判斷是否有正確地估測到電子系統的操作頻率。在本發明一實施例中，並非直接估測電子系統的操作頻率，而是透過固定電子系統的時脈寬度以估測對應電子系統的操作頻率的電容組53的電容值。

第7圖是第5圖的電路運作的波形圖。請同時參照第5圖及第7圖，首先利用電子系統內已知的時脈信號CLK，製造一個時脈寬度作為充電時間。在本實施例中，時脈寬度為5個CLK周期。在第7圖中，充電電壓V1、V2與V3分別表示在不同情況下，第5圖中電壓Vc的充電變化。狀況71表示電容組53的電容值過小的情況。從圖上可以看出充電電壓V1在充電時間結束前就已經大於參考電壓V_ref，比較器的輸出Cal_out也被上拉到高邏輯準位。因此，在狀況71下，充電時間估測單元51會藉由控制信號[M：0]來調升電容組53的電容值。

狀況73表示電容組53的電容值過大的情況。從圖上可以看出充電電壓V3在充電時間結束後還沒有大於參考電壓V_ref，比較器的輸出Cal_out也是在充電時間後才被上拉到高邏輯準位。因此，在狀況73下，充電時間估測單元51會藉由控制信號[M：0]來調降電容組53的電容值。

狀況72則表示電容組53的電容值是正確地對應到電子系統的操作頻率。從圖上可以看出充電電壓V2在充電時間結束時，充電電壓V2正巧相同於參考電壓V_ref，且比較器的輸出Cal_out也是在充電時間的同時，被上拉到高邏輯準位。因此充電時間估測單元51可藉由偵測比較器的輸出Cal_out被上拉到高邏輯準位的時間點，與充電時間的結束點的比較來得知電容組53的電容值是否已經被調整到對應電子系統的操作頻率的電容組53的電容值。

回到第5圖，當電容組53的電容值與電阻組52的電阻值被確認後，控制信號[N：0]與[M：0]被傳送到一查表電路，查表電路根據接收到的控制信號[N：0]與[M：0]查表得到運算放大器的控制參數。運算放大器透過該控制參數對運算放大器進行調整，使運算放大器的功率最佳化。

第6A圖為根據本發明之一頻率估測方法的一實施例的流程圖。本實施例的頻率估測方法並非用以估測一實際頻率值，而是估測一電容組的電容值是否對應到實際的操作頻率值。關於第6A~6C的頻率估測方法，請一併參考第5圖的電路圖。在進行頻率估測方法時，先利用電子系統內的操作時脈製造一個時脈寬度作為充電時間。在步驟S601中，先針對一電容組的電容值進行微調。在本步驟中，可先將電容組的電容值設定在一預設值，如最大電容值或最小電容值。

在步驟S602中，充電時間估測單元51判斷輸出Cal_out被上拉到高邏輯準位的時間點是否小於充電時間的結束點，如第7圖的狀況71所示。如果是的話，回到步驟S601中對電容組53的電容值進行微調。如果不是的話，執行步驟S603。在步驟S603中，充電時間估測單元51判斷輸出Cal_out被上拉到高邏輯準位的時間點與充電區間的結束點的時間差是否大於一個操作時脈週期的長度。如果是的話，回到步驟 S601中對電容組53的電容值再次進行微調以減少電容值。如果不是的話，表示此時電容組53的電容值是正確地對應到操作頻率。充電時間估測單元51會將此時電容組的控制信號傳送給一查表電路或一控制電路以進行後續的動作。

在本實施例中，電容組53的控制方法與第3圖中的電阻組32的控制方法相似，因此關於調整電容組53的電容值的方式可參考第3圖中的電阻組32的電阻調整方法。

第6B圖為根據本發明之一頻率估測方法的另一實施例的流程圖。在進行頻率估測方法時，先利用電子系統內的操作時脈製造一個時脈寬度作為充電時間。在步驟S611中，先針對一電容組的電容值進行微調。在本步驟中，可先將電容組的電容值設定在一預設值，如最大電容值或最小電容值。

在步驟S612中，充電時間估測單元51判斷輸出Cal_out被上拉到高邏輯準位的時間點是否大於充電時間的結束點，如第7圖的狀況73所示。如果是的話，回到步驟S611中對電容組53的電容值進行微調。如果不是的話，執行步驟S613。在步驟S613中，充電時間估測單元51判斷輸出Cal_out被上拉到高邏輯準位的時間點與充電時間的結束點的時間差是否小於一個操作時脈週期的長度。如果不是的話，回到步驟S611中對電容組53的電容值再次進行微調以增加電容值。如果是的話，表示此時電容組53的電容值是正確地對應到操作頻率。充電時間估測單元51會將此時電容組的控制信號傳送給一查表電路或一控制電路以進行後續的動作。

第6C圖為根據本發明之一頻率估測方法的另一實施例的流程圖。在進行頻率估測方法時，先利用電子系統內的操作時脈製造一個時脈寬度作為充電時間。在步驟S621中，先將電容組的電容值設定在一預設值，如最大電容值或最小電容值。在步驟S622中，判斷此時比較器的輸出Cal_out被上拉到高邏輯準位的時間點是否大於充電時間的結束點，如第7圖的狀況73所示。如果是的話，執行步驟S626對電容組53之電容值進行微調以降低電容組的電容值。如果不是的話，執行步驟S623對電容組53之電容值進行微調以增加電容組的電容值。

在步驟S624時，充電時間估測單元51判斷輸出Cal_out被上拉到高邏輯準位的時間點是否小於充電時間的結束點，如第7圖的狀況71所示。如果是的話，回到步驟S623中對電容組53的電容值進行微調。如果不是的話，執行步驟S625。在步驟S625中，充電時間估測單元51判斷輸出Cal_out被上拉到高邏輯準位的時間點與充電時間的結束點的時間差是否大於一個操作時脈週期長度。如果是的話，回到步驟S623中對電容組53的電容值再次進行微調以減少電容值。如果不是的話，表示此時電容組53的電容值是正確地對應到操作頻率。充電時間估測單元51會將此時電容組的控制信號傳送給一查表電路或一控制電路以進行後續的動作。

在步驟S627中，充電時間估測單元51判斷輸出Cal_out被上拉到高邏輯準位的時間點是否大於充電時間的結束點，如第7圖的狀況73所示。如果是的話，回到步驟S626中對電容組53的電容值進行微調。如果不是的話，執行步驟S628。在步驟S628中，充電時間估測單元51判斷輸出Cal_out 被上拉到高邏輯準位的時間點與充電時間的結束點的時間差是否小於一個操作時脈週期的長度。如果不是的話，回到步驟S626中對電容組53的電容值再次進行微調以增加電容值。如果是的話，表示此時電容組53的電容值是正確地對應到操作頻率。充電時間估測單元51會將此時電容組的控制信號傳送給一查表電路或一控制電路以進行後續的動作。

雖然前述是以本發明的複數個實施例所述的方法或電路進行說明，但是前述實施例中的方法與電路仍可以互相結合成為新的實施方式，並非以前述說明為限。

第8圖為一二階運算放大器的一實施例的電路圖。前述實施例中，透過查表電路得到的參數用以控制偏壓V_Bias與電流I_B。在一實施例中，參數即是圖上所示之控制信號Sc，而控制信號Sc的產生方式可參照第1圖或第2圖所述的方式進行。藉由調整偏壓V_Bias與電流I_B來調整運算放大器的直流電壓增益、增益頻寬乘積以及迴轉率。此外，藉由自我調整機制可使得運算放大器的操作最佳化。在本實施例中，電路81可用以調整增益頻寬或直流電壓增益，電路83包括一共模回授電路82，可以用來調整迴轉率。在其他實施例中，電路81可以由複數個電路模塊(circuit module)構成，如第9圖的電路所示，以避免單一電路81無法正確調整增益頻寬或直流電壓增益。同樣地，電路83可以由複數個電路模塊構成，如第10圖的電路所示，以避免單一電路83無法讓電壓快速上升到預定電壓的情形發生。要注意的是，在電路83的組成中，可使用複數個第10圖所示的電路模塊，但是只須要一個共模回授電路82即可。

21‧‧‧電阻校正電路

22‧‧‧頻率估測電路

23‧‧‧查表電路

24‧‧‧運算放大器

CLK‧‧‧時脈信號

Claims

一種運算放大器的自動配置方法，適用於設置於一電子系統內的一運算放大器，該方法包括：複製流經一外部電阻的電流以產生一第一電流；接收該第一電流以產生一第一電壓；比較該第一電壓與一第一參考電壓以便產生一第一控制信號，以調整一電阻組的一等效電阻值；當該第一電壓與該第一參考電壓的比較結果反轉時，將該電阻組的該等效電阻值設定為該電子系統的一內部電阻值；接收根據該第一控制信號產生的一第二電流以產生一第二電壓；比較該第二電壓與一第二參考電壓以便產生一第二控制信號，以調整一電容組的一等效電容值；當該第二電壓與該第二參考電壓的比較結果在一充電時間結束前後之一個時脈週期內反轉時，將該電容組的該等效電容值設定為該電子系統的一內部電容值；接收該第一控制信號與該第二控制信號；透過查表法得到一控制參數；以及接收該運算放大器之該控制參數以調整該運算放大器的一特性。
如申請專利範圍第1項所述之運算放大器的自動配置方法，其中該電阻組具有複數個電阻與複數個開關裝置，並且運算放大器的自動配置方法更包括：透過該第一控制信號控制該等開關裝置以調整該電阻組的該等效電阻值。
如申請專利範圍第1項所述之運算放大器的自動配置方法，其中上述比較該第二電壓與該第二參考電壓以便產生該第二控制信號的步驟更包括：根據該第二電壓與該第二參考電壓之比較結果所產生的一輸出信號與一時脈信號，產生該第二控制信號。
如申請專利範圍第1項所述之運算放大器的自動配置方法，更包括：根據一時脈信號決定該充電時間；以及根據一第二比較器之一正輸入端的電壓充電到該第二參考電壓所需的時間與該充電時間的比較結果，產生該第二控制信號以調整該電容組的該等效電容值。
如申請專利範圍第1項所述之運算放大器的自動配置方法，其中該控制參數是將該第一控制信號與該第二控制信號透過一查表電路所得到。
一種電子系統，包括：一電阻校正電路，包括：一電流鏡電路，複製流經一外部電阻的電流以產生一第一電流；一電阻組，接收該第一電流以產生一第一電壓；以及一第一比較器，比較該第一電壓與一第一參考電壓以便產生一第一控制信號，其中該電阻組的一等效電阻值係根據該第一控制信號進行調整，且當該第一電壓與該第一參考電壓的比較結果反轉時，該電阻組的該等效電阻值被設定為該電子系統的一內部電阻值；一頻率估測電路，包括：一電容組，接收根據該第一控制信號產生的一第二電流以產生一第二電壓；以及一第二比較器，比較該第二電壓與一第二參考電壓以便產生一第二控制信號，其中該電容組的一等效電容值根據該第二控制信號進行調整，且當該第二電壓與該第二參考電壓的比較結果在一充電時間結束前後之一個時脈週期內反轉時，該電容組的該等效電容值被設定為該電子系統的一內部電容值；一查表電路，接收該第一控制信號與該第二控制信號，透過查表法得到一控制參數；以及一運算放大器，接收該控制參數以調整該運算放大器的一特性。
如申請專利範圍第6項所述之電子系統，其中該電阻組具有複數個電阻與複數個開關裝置，該電阻校正電路根據耦接該電子系統的該外部電阻調整該電阻組的該內部電阻值，使該電阻組的該等效電阻值等同於該電子系統的該內部電阻值，其中該電子系統更包括一正反器及一計數器，上述計數器用以根據上述正反器所接收之該第一電壓與該第一參考電壓的該比較結果，以產生該第一控制信號，而該第一控制信號係用以控制該等開關裝置。
如申請專利範圍第6項所述之電子系統，其中該第二比較器具有一正輸入端與一負輸入端，該正輸入端耦接該電容組以接收該第二電壓，該負輸入端接收該第二參考電壓，且該電子系統更包括一充電時間估測單元，根據該第二比較器的一輸出信號與一時脈信號以產生該第二控制信號。
如申請專利範圍第6項所述之電子系統，更包括一充電時間估測單元，該充電時間估測單元根據一時脈信號決定該充電時間，並根據該第二比較器之一正輸入端的電壓充電到該第二參考電壓所需的時間與該充電時間的比較結果產生該第二控制信號以調整該電容組的該等效電容值。
如申請專利範圍第6項所述之電子系統，其中該控制參數用以調整該運算放大器的一直流電壓增益、一增益頻寬乘積或一迴轉率。