專利名稱：適用于數(shù)字電源控制器的窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于數(shù)字電源控制器的新型窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
隨著電子信息技術(shù)的日新月異的發(fā)展，人們的生活已經(jīng)越來(lái)越離不開各種消費(fèi)類電子產(chǎn)品，而一個(gè)性能優(yōu)良的電源則是這些電子產(chǎn)品是否能發(fā)揮其功用的必備前提。開關(guān)電源技術(shù)憑借其轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)壓范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，而得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)開關(guān)電源還具有體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，更適合諸如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品。對(duì)關(guān)鍵模塊使用開關(guān)電源，不僅可以延長(zhǎng)設(shè)備電池的使用時(shí)間，而且可以對(duì)模塊之間的干擾做出良好的隔離，從而提高設(shè)備的性能。
目前，開關(guān)電源中的電源控制器一直采用模擬的方式。而模擬電源控制器對(duì)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)能力提出了很高的要求，因?yàn)殚_關(guān)電源往往工作在惡劣的環(huán)境中，控制器的性能會(huì)受到噪聲、工藝偏差、溫度等因素的巨大影響。而且模擬電源控制器需要使用補(bǔ)償電容，無(wú)論采用集成方式還是外接方式，都會(huì)占用而外的面積，并導(dǎo)致較大的功耗。出于這些因素的考慮，數(shù)字電源控制器得到了國(guó)外學(xué)者和業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注。數(shù)字電源控制器將輸出電壓進(jìn)行采樣，并用優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)控制。相比起模擬電源控制器，數(shù)字電源控制器的設(shè)計(jì)難度得以降低，設(shè)計(jì)周期也大大縮短，優(yōu)化算法的使用使控制器可以靈活的調(diào)整響應(yīng)曲線，并且實(shí)現(xiàn)可編程控制。最重要的是，數(shù)字控制方式可以實(shí)現(xiàn)電源管理的功能，即同時(shí)管理多個(gè)設(shè)備。這些優(yōu)點(diǎn)都是模擬電源控制器所無(wú)法比擬的，因此對(duì)數(shù)字電源控制器的研究具有很高的實(shí)用價(jià)值。
數(shù)字電源控制器中最重要的模塊之一是其前端用于輸出電壓采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。與常規(guī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器不同，數(shù)字電源控制器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器有著特殊的要求和特點(diǎn)。首先，數(shù)字電源控制器的輸出電壓基本在輸出參考點(diǎn)壓的附近波動(dòng)，即模數(shù)轉(zhuǎn)換器的測(cè)量對(duì)象的范圍很小。如果使用傳統(tǒng)的全量程形式，即會(huì)消耗很多功耗，又會(huì)占用很多面積，效率低下。因此，工作在某個(gè)特定電壓范圍的窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器更適用于這類應(yīng)用場(chǎng)合。其次，由于開關(guān)電源往往工作在惡劣的環(huán)境中，如何設(shè)計(jì)出不受工藝偏差、溫度等因素的影響的窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，成為數(shù)字電源控制器中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
國(guó)外關(guān)于設(shè)計(jì)窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，較為典型的一種是使用基于環(huán)路振蕩器的結(jié)構(gòu)，可參見J.Xiao，A.V.Peterchev，J.Zhang，and S.R.Sanders，“A4-μA Quiescent-Current Dual-Mode Digitally Controlled Buck Converter IC for Cellular PhoneApplications，”IEEE Journal of Solid-State circuits，vol.39，NO.12，Dec.2004。其原理如圖1所示。電流源5為差分對(duì)管提供偏置電流，驅(qū)動(dòng)作為負(fù)載的環(huán)路振蕩器，當(dāng)輸出電壓與參考電壓有差值Ve時(shí)，兩個(gè)環(huán)路振蕩器中的電流分配會(huì)產(chǎn)生變化，從而使其振蕩頻率線性變化，再通過(guò)計(jì)數(shù)器和減法器來(lái)捕捉頻率并計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的差值Ce。相比于以往的基于環(huán)路振蕩器或延遲線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這種窗口模數(shù)轉(zhuǎn)換器由于采用差分形式可以獲得很好的共模抑制特性，因此在不同的Vref下，其分辨率不會(huì)發(fā)生變化。可見，此類型窗口模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以檢測(cè)出參考電壓Vref附近的一個(gè)窗口之內(nèi)的電壓值，并且由于使用了簡(jiǎn)單的數(shù)字電路，降低了電路的面積和功耗。但是由于電路沒(méi)有任何補(bǔ)償機(jī)制，在工藝溫度變化時(shí)，得出的結(jié)果會(huì)變化，這就大大降低了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出了一種適用于數(shù)字電源控制器的新型窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以克服現(xiàn)有各種窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性不夠、功耗較大、面積較大的不足，迎合當(dāng)今數(shù)字電源控制器的需求。
本發(fā)明提出的窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由PMOS管18、19，CTAT偏置電流產(chǎn)生電路20，環(huán)路振蕩器21、22，n位計(jì)數(shù)器23、24，n位比較器25，n位減法器26，n位D觸發(fā)器27經(jīng)電路連接組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，PMOS管18、19接成PMOS差分輸入對(duì)形式，CTAT偏置電流產(chǎn)生電路20接成差分對(duì)的共源端偏置電流源，提供一個(gè)與工藝無(wú)關(guān)、與溫度成反比的偏置電流，環(huán)路振蕩器21、22接成差分對(duì)的漏端負(fù)載。PMOS差分輸入對(duì)將輸入電壓Vin和參考電壓Vref的壓差轉(zhuǎn)化為兩條支路上的電流差，從而使得環(huán)路振蕩器21、22的振蕩頻率不同，而這兩個(gè)環(huán)路振蕩器的時(shí)鐘輸出端分別接到n位計(jì)數(shù)器23、24的時(shí)鐘輸入端，驅(qū)動(dòng)它們進(jìn)行計(jì)數(shù)。其中一個(gè)計(jì)數(shù)器24的輸出接到n位比較器25，與固定數(shù)Num[n-1:0]進(jìn)行比較，另一個(gè)計(jì)數(shù)器23的輸出接到n位減法器26，作為減數(shù)與固定數(shù)Num[n-1:0]相減，n位減法器26的輸出接到n位D觸發(fā)器27的數(shù)據(jù)輸入端，而比較器的輸出接到n位D觸發(fā)器27的時(shí)鐘輸入端。當(dāng)計(jì)數(shù)器24計(jì)數(shù)到預(yù)先設(shè)定的固定值Num[n-1:0]時(shí)，D觸發(fā)器27將該值與此時(shí)計(jì)數(shù)器23的計(jì)數(shù)值相減得到的差值Ce輸出，作為整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出。
本發(fā)明中，CTAT偏置電流產(chǎn)生電路20由電阻30、31、32，三極管33，運(yùn)算放大器34，PMOS管35、36、37、38、39、40、41、42，NMOS管43、44、45經(jīng)電路連接組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。電阻30和接成二極管形式的三極管33依次串接在電源和地之間，在三極管發(fā)射極得到一個(gè)CTAT電壓，并接到運(yùn)算放大器34的負(fù)輸入端；該運(yùn)算放大器的正輸入端通過(guò)電阻31、PMOS管35的柵極接到輸出端，并通過(guò)電阻32接到地，構(gòu)成電壓-電流轉(zhuǎn)換電路，在電阻32所在支路得到一個(gè)CTAT電流；PMOS管35、36接成PMOS電流鏡形式，由運(yùn)算放大器34的輸出提供偏置電壓；NMOS管43～45接成NMOS電流鏡形式，NMOS管43作為PMOS管36的負(fù)載，其柵極和漏極接在一起為NMOS管44、45提供偏置電壓；PMOS管37～42接成自偏置的共源共柵電流鏡形式，其中PMOS管37、40依次串接在電源和NMOS管44的漏極之間，它們的柵極和NMOS管44的漏極接在一起為PMOS管41、42提供偏置電壓，PMOS管38、41依次串接在電源和NMOS管45的漏極之間，PMOS管38的柵極和NMOS管45接在一起為PMOS管39提供偏置電壓，在PMOS管42的漏極得到一個(gè)與電阻32所在支路電流成比例的CTAT電流。
本發(fā)明中，環(huán)路振蕩器21、22由PMOS管48、49、50、51、52、53，NMOS管54、55、56、57、58、59經(jīng)電路連接組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，PMOS管48和NMOS管54、PMOS管49和NMOS管55、PMOS管50和NMOS管56分別構(gòu)成反向器，并依次首尾連接形成環(huán)路振蕩器，輸入端47作為這3個(gè)反向器的電源，為其提供電流；PMOS管51和NMOS管57、PMOS管52和NMOS管58、PMOS管53和NMOS管59分別串接在電源Vdd和地之間構(gòu)成3個(gè)電平轉(zhuǎn)移電路，其輸出端和PMOS輸入端依次首尾連接形成環(huán)路，其NMOS輸入端則依次接在3個(gè)反向器的輸出端，完成反向器輸出電平的轉(zhuǎn)換，取其中一個(gè)電平轉(zhuǎn)移電路的輸出作為整個(gè)環(huán)路振蕩器的時(shí)鐘輸出端60。
相比于以往的窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用了固定數(shù)計(jì)數(shù)方法與帶溫度補(bǔ)償?shù)腃TAT偏置電流相結(jié)合的新型技術(shù)，使其輸出不受工藝偏差和溫度變化的影響，大大增加了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性，即使在惡劣的工作環(huán)境下也能保證性能的穩(wěn)定。


圖1一種基于環(huán)路振蕩器的窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路實(shí)現(xiàn)。
圖2本發(fā)明提出的新型窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路實(shí)現(xiàn)。
圖3圖2中CTAT偏置電流產(chǎn)生電路的電路實(shí)現(xiàn)。
圖4圖2中環(huán)路振蕩器的電路實(shí)現(xiàn)。
標(biāo)號(hào)說(shuō)明1、16為窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓輸入端，2、17為窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓輸入端，3、4、18、19、35、36、37、38、39、40、41、42、48、49、50、51、52、53為PMOS管，5為電流源，6、7、21、22為環(huán)路振蕩器，8、9、10、11為計(jì)數(shù)器，12、13為加法器，14為減法器，15、29為窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端，20為CTAT偏置電流產(chǎn)生電路，23、24為n位計(jì)數(shù)器，25為n位比較器，26為n位減法器，27為n位D觸發(fā)器，28為固定數(shù)輸入端，30、31、32為電阻，33為三極管，34為運(yùn)算放大器，43、44、45、54、55、56、57、58、59為NMOS管，46為CTAT偏置電流輸出端，47為環(huán)路振蕩器的偏置電流輸入端，60為環(huán)路振蕩器的時(shí)鐘輸出端。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明。
圖2所示為整個(gè)窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路實(shí)現(xiàn)。圖中，PMOS管18、19接成PMOS差分輸入對(duì)，CTAT偏置電流產(chǎn)生電路20接成差分對(duì)的共源端偏置電流源，環(huán)路振蕩器21、22接成差分對(duì)的漏端負(fù)載；環(huán)路振蕩器21、22的時(shí)鐘輸出端分別接到n位計(jì)數(shù)器23、24的時(shí)鐘輸入端，其中一個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出接到n位比較器25與固定數(shù)輸入端輸入的數(shù)Num[n-1:0]進(jìn)行比較，另一個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出接到n位減法器26作為減數(shù)與固定數(shù)Num[n-1:0]相減；減法器的輸出接到n位D觸發(fā)器27的數(shù)據(jù)輸入端，比較器的輸出接到n位D觸發(fā)器27的時(shí)鐘輸入端。
圖3所示為圖2中CTAT偏置電流產(chǎn)生電路20的電路實(shí)現(xiàn)。圖中，三極管33接成二極管形式并與電阻30依次串接在地和電源之間，在其發(fā)射極得到一個(gè)與溫度成反比例(CTAT)的電壓，接到運(yùn)算放大器34的負(fù)輸入端；該運(yùn)算放大器的正輸入端通過(guò)電阻31、PMOS管35的柵極接到輸出端，并通過(guò)電阻32接到地，構(gòu)成電壓-電流轉(zhuǎn)換電路，將三極管發(fā)射極上的CTAT電壓轉(zhuǎn)換為電阻32支路上的CTAT電流；PMOS管35、36接成PMOS電流鏡形式，由運(yùn)算放大器34的輸出提供偏置電壓；NMOS管43、44、45接成NMOS電流鏡形式，而NMOS管43作為PMOS管36的負(fù)載，其柵極和漏極接在一起為NMOS管44、45提供偏置電壓；PMOS管37、38、39、40、41、42接成自偏置的共源共柵電流鏡形式，其中PMOS管37、40依次串接在電源和NMOS管44的漏極之間，它們的柵極和NMOS管44的漏極接在一起為PMOS管41、42提供偏置電壓，PMOS管38、41依次串接在電源和NMOS管45的漏極之間，PMOS管38的柵極和NMOS管45接在一起為PMOS管39提供偏置電壓，在PMOS管42的漏極得到一個(gè)與電阻32所在支路電流成比例的CTAT電流。
圖4所示為圖2中環(huán)路振蕩器21、22的電路實(shí)現(xiàn)。圖中，PMOS管48和NMOS管54、PMOS管49和NMOS管55、PMOS管50和NMOS管56分別構(gòu)成反向器，并依次首尾連接形成環(huán)路振蕩器，輸入端47作為這3個(gè)反向器的電源，為其提供電流；PMOS管51和NMOS管57、PMOS管52和NMOS管58、PMOS管53和NMOS管59分別串接在電源Vdd和地之間構(gòu)成3個(gè)電平轉(zhuǎn)移電路，其輸出端和PMOS輸入端依次首尾連接形成環(huán)路，而其NMOS輸入端依次接在3個(gè)反向器的輸出端；這3個(gè)電平轉(zhuǎn)移電路將3個(gè)反向器構(gòu)成的環(huán)路振蕩器的輸出時(shí)鐘高電平轉(zhuǎn)化為電源電平Vdd，將其中一個(gè)電平轉(zhuǎn)移電路的輸出作為整個(gè)環(huán)路振蕩器的時(shí)鐘輸出。
工作時(shí)，CTAT偏置電流產(chǎn)生電路20產(chǎn)生一個(gè)與工藝無(wú)關(guān)、與溫度成反比的偏置電流，PMOS差分輸入對(duì)將輸入電壓Vin和參考電壓Vref的壓差轉(zhuǎn)化為兩條支路上的電流差。由于環(huán)路振蕩器工作在亞閾值區(qū)，保證了環(huán)路振蕩器的振蕩頻率與對(duì)其提供的電流大小成線性關(guān)系，因此兩條支路的電流差轉(zhuǎn)化成了環(huán)路振蕩器21、22的振蕩頻率差。這兩個(gè)環(huán)路振蕩器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)n位計(jì)數(shù)器23、24進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)其中一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到一個(gè)預(yù)先設(shè)定的固定值Num[n-1:0]時(shí)，將該值與此時(shí)另一個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值相減得到差值Ce，該值反映的就是這兩個(gè)環(huán)路振蕩器的振蕩頻率差，進(jìn)而反映了輸入電壓Vin和參考電壓Vref的壓差，作為整個(gè)窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出。
本發(fā)明的窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有不受工藝溫度影響，面積小，功耗低，精度高等優(yōu)點(diǎn)，完全適用于數(shù)字電源控制器。
權(quán)利要求
1.一種適用于數(shù)字電源控制器的窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于由PMOS管(18、19)、CTAT偏置電流產(chǎn)生電路(20)、環(huán)路振蕩器(21、22)、n位計(jì)數(shù)器(23、24)、n位比較器(25)、n位減法器(26)、n位D觸發(fā)器(27)經(jīng)電路連接構(gòu)成；其中，PMOS管(18、19)接成PMOS差分輸入對(duì)形式，CTAT偏置電流產(chǎn)生電路(20)接成差分對(duì)的共源端偏置電流源，提供一個(gè)與工藝無(wú)關(guān)、與溫度成反比的偏置電流，環(huán)路振蕩器(21、22)接成差分對(duì)的漏端負(fù)載；PMOS差分輸入對(duì)將輸入電壓Vin和參考電壓Vref的壓差轉(zhuǎn)化為兩條支路上的電流差，從而使得環(huán)路振蕩器(21、22)的振蕩頻率不同，而這兩個(gè)環(huán)路振蕩器的時(shí)鐘輸出端分別接到n位計(jì)數(shù)器(23、24)的時(shí)鐘輸入端，驅(qū)動(dòng)它們進(jìn)行計(jì)數(shù)；其中一個(gè)計(jì)數(shù)器(24)的輸出接到n位比較器(25)，與固定數(shù)Num[n-1:0]進(jìn)行比較，另一個(gè)計(jì)數(shù)器(23)的輸出接到n位減法器(26)，作為減數(shù)與固定數(shù)Num[n-1:0]相減，n位減法器(26)的輸出接到n位D觸發(fā)器(27)的數(shù)據(jù)輸入端，而比較器的輸出接到n位D觸發(fā)器(27)的時(shí)鐘輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的適用于數(shù)字電源控制器的窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的CTAT偏置電流產(chǎn)生電路(20)由電阻(30～32)、三極管(33)、運(yùn)算放大器(34)、PMOS管(35～42)、NMOS管(43～45)經(jīng)電路連接構(gòu)成；其中，電阻(30)和接成二極管形式的三極管(33)依次串接在電源和地之間，在三極管發(fā)射極得到一個(gè)CTAT電壓，并接到運(yùn)算放大器(34)的負(fù)輸入端；該運(yùn)算放大器的正輸入端通過(guò)電阻(31)、PMOS管(35)的柵極接到輸出端，并通過(guò)電阻(32)接到地，構(gòu)成電壓-電流轉(zhuǎn)換電路，在電阻(32)所在支路得到一個(gè)CTAT電流；PMOS管(35、36)接成PMOS電流鏡形式，由運(yùn)算放大器(34)的輸出提供偏置電壓；NMOS管(43～45)接成NMOS電流鏡形式，NMOS管(43)作為PMOS管(36)的負(fù)載，其柵極和漏極接在一起為NMOS管(44、45)提供偏置電壓；PMOS管(37～42)接成自偏置的共源共柵電流鏡形式，其中PMOS管(37、40)依次串接在電源和NMOS管(44)的漏極之間，它們的柵極和NMOS管(44)的漏極接在一起為PMOS管(41、42)提供偏置電壓，PMOS管(38、41)依次串接在電源和NMOS管(45)的漏極之間，PMOS管(38)的柵極和NMOS管(45)接在一起為PMOS管(39)提供偏置電壓，在PMOS管(42)的漏極得到一個(gè)與電阻(32)所在支路電流成比例的CTAT電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述適用于數(shù)字電源控制器的窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的環(huán)路振蕩器(21、22)由PMOS管(48～53)、NMOS管(54～59)經(jīng)電路連接構(gòu)成；PMOS管(48)和NMOS管(54)、PMOS管(49)和NMOS管(55)、PMOS管(50)和NMOS管(56)分別構(gòu)成反向器，并依次首尾連接形成環(huán)路振蕩器，輸入端(47)作為這3個(gè)反向器的電源，為其提供電流；PMOS管(51)和NMOS管(57)、PMOS管(52)和NMOS管(58)、PMOS管(53)和NMOS管(59)分別串接在電源Vdd和地之間構(gòu)成3個(gè)電平轉(zhuǎn)移電路，其輸出端和PMOS輸入端依次首尾連接形成環(huán)路，其NMOS輸入端則依次接在3個(gè)反向器的輸出端，完成反向器輸出電平的轉(zhuǎn)換，其中一個(gè)電平轉(zhuǎn)移電路的輸出作為整個(gè)環(huán)路振蕩器的時(shí)鐘輸出端(60)。
全文摘要
本發(fā)明屬集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種適用于數(shù)字電源控制器的窗口式模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它由一個(gè)PMOS差分輸入對(duì)、一個(gè)CTAT偏置電流產(chǎn)生電路、兩個(gè)環(huán)路振蕩器和數(shù)字部分組成。數(shù)字部分由兩個(gè)n位計(jì)數(shù)器、一個(gè)n位比較器、一個(gè)n位減法器、一個(gè)n位D觸發(fā)器組成。兩個(gè)環(huán)路振蕩器形成PMOS差分輸入對(duì)的漏端負(fù)載，CTAT偏置電流產(chǎn)生電路提供一個(gè)與工藝無(wú)關(guān)、與溫度成反比的偏置電流。PMOS差分輸入對(duì)將輸入電壓Vin和參考電壓Vref的壓差轉(zhuǎn)化為兩條支路上的電流差，使得兩個(gè)環(huán)路振蕩器的振蕩頻率不同。而這兩個(gè)環(huán)路振蕩器則驅(qū)動(dòng)兩個(gè)n位計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。本發(fā)明具有不受工藝溫度影響、面積小、功耗低和精度高的特點(diǎn)，完全適用于數(shù)字電源控制器。
文檔編號(hào)H03M1/34GK101090271SQ20071004370
公開日2007年12月19日 申請(qǐng)日期2007年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月12日
發(fā)明者陳華, 李舜, 周鋒 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)