一种参考电压电路、模数转换器和控制方法与流程

1.本技术涉及参考电压电路技术领域，尤其涉及数模转换器的参考电压电路。


背景技术：

2.作为模拟信号与数字信号的接口，模数转换器(analog-digital converter，adc)的应用广泛并且一直保持着高速发展趋势，其中逐次逼近型(successive approximation register，sar)adc和流水线sar(pipelined-sar，pipe-sar)adc由于结果简单、功耗低、面积小等优点，成为近年adc的研究热点。
3.高速sar adc或者pipe-sar adc的一个设计难点就是参考缓冲器，其可以做成芯片外或者芯片内两个方式，但是由于封装电感的存在，片内成为主流选择。然而片内需要考虑功耗、芯片面积和参考信号的质量。
4.因此，如何保障参考信号质量的条件下降低功耗和芯片面积，是需要解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种参考电压电路、模数转换器和控制方法，以解决现有技术中保障参考信号质量的条件下降低功耗和芯片面积的技术问题。
6.为实现上述目的，本技术实施例采取了如下技术方案。
7.第一方面，本技术实施例提供一种参考电压电路，包括切换开关模块、去耦电容模块和源极跟随模块；所述切换开关模块分别与所述去耦电容模块和源极跟随模块电连接；
8.所述切换开关模块用于连接控制信号，根据所述控制信号，使所述去耦电容模块或所述源极跟随模块与所述参考电压输出端导通，在参考电压输出端输出参考电压信号。
9.可选地，所述去耦电容模块包括电压参考缓冲器和电容，所述电容的第一端分别与所述电压参考缓冲器和所述切换开关模块电连接，所述电容的第二端接地。
10.可选地，电压参考缓冲器包括运算放大器，所述运算放大器用于根据输入电压信号给所述电容充电。
11.可选地，所述源极跟随模块包括第一mos管，所述第一mos管的源极与所述切换开关模块电连接。
12.可选地，所述源极跟随模块还包括第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述第一mos管的源极电连接，所述第一电阻的第二端接地。
13.可选地，所述切换开关模块包括第一通断单元和第二通断单元，所述第一通断单元的控制端和所述第二通断单元的控制端均连接于所述控制信号，所述第一通断单元连接于所述去耦电容模块和所述参考电压输出端之间，所述第二通断单元连接于所述源极跟随模块和所述参考电压输出端之间。
14.可选地，所述第一通断单元和所述第二通断单元均包括mos管，所述第一通断单元还设置有反相器，或所述第二通断单元还设置有反相器，所述反相器用于使所述第一通断
单元的mos管和所述第二通断单元的mos管的控制信号相反。
15.第二方面，本技术实施例提供一种模数转换器，所述模数转换器包括第一方面的参考电压电路。
16.第三方面，本技术实施例提供一种参考电压电路控制方法，应用于第一方面的模数转换器，所述参考电压电路控制方法包括：先控制切换开关模块使去耦电容模块与参考电压输出端导通，再控制切换开关模块使源极跟随模块与参考电压输出端导通。
17.可选地，所述模数转换器为pipelined-sar模数转换器，所述参考电压电路控制方法包括：
18.在第一级sar adc转换完成之前，控制切换开关模块使去耦电容模块与参考电压输出端导通；
19.在第一级sar adc转换完成之后，由第一级sar adc转换完成信号控制切换开关模块使源极跟随模块与参考电压输出端导通。
20.相对于现有技术，本技术具有以下有益效果：
21.由于去耦电容模块能够在功耗小的条件下保持电压的主要部分，源极跟随模块能够在短时间内快速调整至设定值，而通过切换开关模块将两者依次取用，不必使用大电容的去耦电容模块即节省了芯片面积，也不必使用源极跟随模块将电压从0调整至设定值即节省了功耗，保障了参考信号质量。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
23.图1为本技术实施例提供的一种参考电压电路示意图；
24.图2为本技术实施例提供的一种参考电压电路的控制方法流程图；
25.图3为本技术实施例提供的一种参考电压电路的控制效果示意图；
26.图4为本技术实施例的另一种参考电压电路示意图；
27.图5为本技术实施例应用的一种pipe-sar adc的工作时序示意图。
28.附图标记说明：
29.10-切换开关模块
30.11-第一通断单元
31.12-第二通断单元
32.20-去耦电容模块
33.30-源极跟随模块
具体实施方式
34.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述的本技术实施例的组件可以
以各种不同的配置来布置和设计。
35.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
36.在本技术的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。
37.现有的高速sar adc或者pipe-sar adc中的参考缓冲器，功耗较高或芯片面积较大。
38.为了克服以上问题，可参阅图1，本技术实施例提供了一种参考电压电路，包括切换开关模块10、去耦电容模块20和源极跟随模块30。
39.其中的连接关系为：
40.切换开关模块10与去耦电容模块20电连接；
41.切换开关模块10与和源极跟随模块30电连接；
42.切换开关模块10的输入端用于连接控制信号；
43.切换开关模块10的输出端为参考电压输出端，输出参考电压信号。
44.切换开关模块10根据控制信号，使去耦电容模块20或源极跟随模块30与参考电压输出端导通，在参考电压输出端输出参考电压信号。
45.对应地，本技术实施例提供一种模数转换器，包括该参考电压电路。本技术实施例还提供一种参考电压电路控制方法，用来产生模数转换器的参考电压，如图2，分为两步：
46.s1.控制信号先控制切换开关模块使去耦电容模块与参考电压输出端导通，此时参考电压输出端为去耦电容模块的电压；
47.s2.控制信号再控制切换开关模块使源极跟随模块与参考电压输出端导通，此时切换开关模块使去耦电容模块与参考电压输出端断开，参考电压输出端为源极跟随模块的电压。
48.为了论述本技术实施例的去耦电容模块和源极跟随模块一起设置的有益效果，接下来先分析单独设置去耦电容模块的情况。
49.假设没有源极跟随模块，仅设置去耦电容模块，那么需要设置一个大的去耦电容(decoupling capacitor，简称decap。或称解耦电容)，这样才使去耦电容两端的电压能够满足波动小的要求，贴合所需要得到的参考电压vref_final而纹丝不动。这里，大的电容指数百pf量级，但大的去耦电容将需要很大的芯片面积。
50.若电容不够大时，效果可参考图3中的虚线vref1，需要较长时间的充电，才能恢复到很接近参考电压vref_final的程度，若采用更大的电容，则该虚线更趋于水平，即波动很小，几乎贴合参考电压vref_final的水平直线。
51.接下来先分析单独设置源极跟随模块的情况。
52.假设没有去耦电容模块，仅设置源极跟随模块，没有大的电容可以较快地从较低的电压恢复到需要得到的参考电压vref_final，但是也正是因为没有大的电容存储，恢复
需要更大的电流，产生较大的功耗。
53.如图3中的虚线vref2，若电压波动较大，从较低的电压恢复到需要得到的参考电压vref_final，上升更加陡峭，期间产生的电流也较大，功耗较大。
54.接下来论述本方案的有益效果所在。
55.由于去耦电容模块能够在功耗小的条件下保持电压的主要部分，先导通去耦电容模块与参考电压输出端，参考电压输出端即图中的new_vref，根据去耦电容模块迅速得到了电压的主要部分，省去了源极跟随模块从较低的电压恢复所需要的功耗；再导通源极跟随模块与参考电压输出端，源极跟随模块能够在短时间内快速调整至需要得到的参考电压vref_final，不必等电容恢复到vref_final，也不必使用大电容来维持电压几乎贴合在vref_final即节省了芯片面积。在节省了功耗和芯片面积的同时，还保障了参考信号质量。
56.图4展示了一种参考电压电路的实施方式。其中去耦电容模块20包括电压参考缓冲器(reference voltage buffer，rvb)和电容c1。
57.电容c1的上端命名为第一端，下端命名为第二端。那么连接关系描述如下：
58.电容c1的第一端与电压参考缓冲器rvb电连接；
59.电容c1的第一端与切换开关模块电连接；
60.电容c1的第二端接地。
61.电容c1的容值比没有设置源极跟随模块的情况下需要的电容的容值小得多。电压参考缓冲器rvb的作用是连接一个输入电压信号，根据输入电压信号为电容充电。
62.电压参考缓冲器rvb内部可以包括运算放大器，运算放大器用于根据输入电压信号给电容充电。
63.运算放大器可以连接为一个电压跟随器的方式，将输出端与输入端隔离，输出端和输入端电压可以不因为电容c1作为负载而变化。
64.图4中的源极跟随模块30包括第一mos管m1，第一mos管m1的源极与切换开关模块电连接。图中，将第一电阻r1的上端命名为第一端，下端命名为第二端，第一mos管的连接关系为：
65.第一mos管的漏极与第一电源vdd电连接；
66.第一mos管的栅极与控制信号vdc电连接；
67.第一mos管的源极与第一电阻r1的第一端电连接；
68.第一电阻r1的第二端接地。
69.图4中切换开关模块10包括第一通断单元11和第二通断单元12。
70.第一通断单元11包括三端：第一端、第二端和控制端。第二通断单元12包括三端：第一端、第二端和控制端。
71.连接关系为：
72.第一通断单元11的控制端连接于控制信号conv_done；
73.第二通断单元12的控制端连接于控制信号conv_done；
74.第一通断单元11的第一端连接去耦电容模块20；
75.第一通断单元11的第二端连接参考电压输出端；
76.第二通断单元12的第一端连接去耦电容模块20；
77.第二通断单元12的第二端连接参考电压输出端。
78.第一通断单元11的控制端和第二通断单元12的控制端均连接于同一个控制信号，因此同一个控制信号可以同时控制第一通断单元11和第二通断单元12同时动作，即可以控制第一通断单元11导通且同时第二通断单元12断开，也可以控制第二通断单元12导通且同时第一通断单元11断开。第一通断单元11和第二通断单元12中，有一个断开而另一个导通，这样就可以实现切换。
79.图4中第一通断单元11包括mos管m2和反相器。第二通断单元12包括mos管m3。mos管m2和mos管m3均为同种沟道的mos管，则根据反相器，可以根据同一个控制信号conv_done得到不同的导通或截止的状态。
80.还可以设置不同的mos管类型，实现根据同一个控制信号conv_done得到不同的导通或截止的状态。
81.本技术的参考电压电路不仅可以作为高速模数转换器的参考缓冲器，也可以作为其他需要提取的、快速响应的参考缓冲器。
82.本技术的参考电压电路可以用在pipe-sar adc中。pipe-sar adc转换时，cdac电容底极板需要切换连接参考电压，由于高速adc对cdac电容阵列要在很短的时间完成建立(一般是几十ps的时间常数)。
83.图5展示了一种2级pipe-sar adc的工作时序，stage1为第1级转换，stage2为第2级转换。
84.在第1级转换过程中，从左到右为：
85.sample1：第n次数据的第一级采样；
86.conversion1：对第n次数据的第一级采样的转换；
87.ra：即余量放大器residue amplifier工作，对第n次数据的第一级采样的未转换的余量进行放大；
88.sample1：这里右边的sample1是第n+1次数据的第一级采样；
89.conversion1：这里右边的conversion1是对第n+1次数据的第一级采样的转换；
90.ra：即余量放大器residue amplifier工作，对第n+1次数据的第一级采样的未转换的余量进行放大
……
以此循环。
91.在第2级转换过程中，从左到右为：
92.conversion2：对第n-1次数据的第二级采样的转换；
93.sample2：第n-1次数据的第二级采样；
94.conversion2：这里右边的conversion2是对第n次数据的第二级采样的转换；
95.sample2：这里右边的sample2是第n次数据的第二级采样
……
以此循环。
96.可以看出，在一个周期ts内，第2级结构在处理第1级结构刚刚转换完成的数据的余量。一个周期ts能完成一个数据的转换。
97.在pipe-sar adc中，参考电压电路控制方法可以如下：
98.s1.在上一级sar adc转换完成之前，控制切换开关模块使去耦电容模块与参考电压输出端导通，即图中conversion1时间段；
99.s2.在上一级sar adc转换完成之后，即图中conversion1时间段结束的点，可以由上一级sar adc形成一个高电平的conv_done控制信号，来控制切换开关模块使源极跟随模块与参考电压输出端导通，即图中ra时间段。
100.这样可以根据pipe-sar adc的工作时间规律，在有限时间内完成了高质量的参考信号输出。
101.总体来说，本技术提出了一种参考电压电路、模数转换器和控制方法。由于去耦电容模块能够在功耗小的条件下保持电压的主要部分，源极跟随模块能够在短时间内快速调整至设定值，而通过切换开关模块将两者依次取用，不必使用大电容的去耦电容模块即节省了芯片面积，也不必使用源极跟随模块将电压从0调整至设定值即节省了功耗，保障了参考信号质量。
102.以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
103.以上仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种参考电压电路，其特征在于，包括切换开关模块、去耦电容模块和源极跟随模块；所述切换开关模块分别与所述去耦电容模块和源极跟随模块电连接，所述切换开关模块设置有参考电压输出端；所述切换开关模块用于连接控制信号，根据所述控制信号，使所述去耦电容模块或所述源极跟随模块与所述参考电压输出端导通，在所述参考电压输出端输出参考电压信号。2.如权利要求1所述的参考电压电路，其特征在于，所述去耦电容模块包括电压参考缓冲器和电容，所述电容的第一端分别与所述电压参考缓冲器和所述切换开关模块电连接，所述电容的第二端接地。3.如权利要求2所述的参考电压电路，其特征在于，电压参考缓冲器包括运算放大器，所述运算放大器用于根据输入电压信号给所述电容充电。4.如权利要求1所述的参考电压电路，其特征在于，所述源极跟随模块包括第一mos管，所述第一mos管的源极与所述切换开关模块电连接。5.如权利要求4所述的参考电压电路，其特征在于，所述源极跟随模块还包括第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述第一mos管的源极电连接，所述第一电阻的第二端接地。6.如权利要求1所述的参考电压电路，其特征在于，所述切换开关模块包括第一通断单元和第二通断单元，所述第一通断单元的控制端和所述第二通断单元的控制端均连接于所述控制信号，所述第一通断单元连接于所述去耦电容模块和所述参考电压输出端之间，所述第二通断单元连接于所述源极跟随模块和所述参考电压输出端之间。7.如权利要求6所述的参考电压电路，其特征在于，所述第一通断单元和所述第二通断单元均包括mos管，所述第一通断单元还设置有反相器，或所述第二通断单元还设置有反相器，所述反相器用于使所述第一通断单元的mos管和所述第二通断单元的mos管的控制信号相反。8.一种模数转换器，其特征在于，所述模数转换器包括权利要求1-7任一项所述的参考电压电路。9.一种参考电压电路控制方法，其特征在于，应用于权利要求8所述的模数转换器，其特征在于，所述参考电压电路控制方法包括：先控制切换开关模块使去耦电容模块与参考电压输出端导通，再控制切换开关模块使源极跟随模块与参考电压输出端导通。10.如权利要求9所述的参考电压电路控制方法，其特征在于，所述模数转换器为pipelined-sar模数转换器，所述参考电压电路控制方法包括：在上一级sar adc转换完成之前，控制切换开关模块使去耦电容模块与参考电压输出端导通；在上一级sar adc转换完成之后，由上一级sar adc转换完成信号控制切换开关模块使源极跟随模块与参考电压输出端导通。

技术总结
本申请实施例提供一种参考电压电路、模数转换器和控制方法，涉及参考电压电路技术领域。先控制切换开关模块使去耦电容模块与参考电压输出端导通，再控制切换开关模块使源极跟随模块与参考电压输出端导通。由于去耦电容模块能够在功耗小的条件下保持电压的主要部分，源极跟随模块能够在短时间内快速调整至设定值，而通过切换开关模块将两者依次取用，不必使用大电容的去耦电容模块即节省了芯片面积，也不必使用源极跟随模块将电压从0调整至设定值即节省了功耗，保障了参考信号质量。保障了参考信号质量。保障了参考信号质量。


技术研发人员：请求不公布姓名
受保护的技术使用者：上海旻森电子科技有限公司
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/16