参考电压驱动器和模数转换器的制作方法

本发明涉及半导体集成电路领域，尤其涉及一种参考电压驱动器和模数转换器。

背景技术：

模数转换器(analogtodigitalconverter)，即a/d转换器，用于将模拟电压转变为数字电压。其中，模数转换器将输入电压与参考电压进行比较，并将比较结果通过数字电压表示出来。作为模数转换器的转换标准，参考电压的精度对模数转换器的性能有着直接的影响。

在模数转换器中，参考电压驱动器作为参考电压的输出装置，用于提供稳定精确的参考电压。参考电压驱动器的结构具有多种类型，如闭环结构、开环结构、以及闭环与开环结合的主从结构。其中，闭环与开环结合的主从结构具有驱动能力强，输出精度高的优点，成为多数模数转换器的优选结构。然而，在需要输出较高的参考电压时，闭环与开环结合的主从结构的输出精度仍有待进一步提高。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种参考电压驱动器和模数转换器，以提高参考电压的输出精度。

为解决上述问题，本发明提供一种参考电压驱动器，所述参考电压驱动器包括：比较单元，与所述比较单元连接的第一输出级和第二输出级；其中，所述第一输出级用于向比较单元输出与目标电压具有预设比例关系的反馈电压，及向第二输出级输出用于复制目标电压的第一控制电压；所述第二输出级根据所述第一控制电压，复制所述目标电压到所述第二输出级的输出端，以输出与目标电压相等的目标参考电压。

可选的，所述第一输出级包括：与所述比较单元的输出端连接的第一输入单元，与所述第一输入单元的输出端连接的反馈单元和第一检测单元；其中，所述第一输入单元用于向所述反馈单元输出目标电压；所述反馈单元用于向所述比较单元输出所述反馈电压；所述第一检测单元用于检测所述目标电压，并通过所述第一检测单元的控制端输出用于复制目标电压的第一控制电压。

可选的，所述第二输出级包括：与所述比较单元的输出端连接的第二输入单元，和与所述第二输入单元的输出端连接的第二检测单元；其中，所述第二检测单元连接所述第一检测单元的控制端，用于根据所述第一控制电压，复制所述目标电压到所述第二输入单元的输出端，以使所述第二输入单元输出与所述目标电压相等的目标参考电压。

可选的，所述第一输出级还包括连接所述第一检测单元的输出端的偏置电流源，所述偏置电流源用于为所述第一检测单元提供偏置电流。

可选的，所述参考电压驱动器还包括第三输出级，所述第三输出级包括第三输入单元、与所述第三输入单元的输出端连接的第三检测单元，和，与所述第三检测单元的输出端连接的第一偏置单元；其中，所述第三检测单元连接所述第一检测单元的控制端，用于根据所述第一控制电压，复制所述目标电压到所述第三输入单元的输出端；所述第一偏置单元用于通过控制端输出用于提供偏置电流的第二控制电压；所述第一输出级还包括与所述第一检测单元的输出端连接的第二偏置单元；所述第二偏置单元连接所述第一偏置单元的控制端，用于根据所述第二控制电压为所述第一检测单元提供偏置电流。

可选的，所述第一输入单元为第一晶体管，所述第一晶体管的漏极连接电压源，栅极连接所述比较单元的输出端。

可选的，所述反馈单元包括第一电阻和第二电阻；所述第一电阻的一端连接所述第一晶体管的源极，所述第一电阻的另一端连接所述第二电阻，其中，所述第一电阻的另一端向所述比较单元输出所述反馈电压。

可选的，所述第一检测单元为第二晶体管，所述第一检测单元的控制端为所述第二晶体管的栅极，所述第一检测单元的输出端为所述第二晶体管的漏极，所述第二晶体管的栅极和漏极相连，源极连接所述第一晶体管的源极。

可选的，所述第二输入单元为第三晶体管，所述第三晶体管的漏极连接电压源，栅极连接所述比较单元的输出端。

可选的，所述第二检测单元为第四晶体管，所述第四晶体管的源极连接所述第三晶体管的源极，栅极连接所述第一检测单元的控制端。

可选的，所述第三输入单元为第五晶体管，所述第五晶体管的漏极连接电压源，栅极连接所述比较单元的输出端。

可选的，所述第三检测单元为第六晶体管，所述第六晶体管的源极连接所述第五晶体管的源极，栅极连接所述第一检测单元的控制端。

可选的，所述第一偏置单元为第七晶体管，所述第一偏置单元的控制端为所述第七晶体管的栅极，所述第七晶体管的栅极和漏极连接所述第六晶体管的漏极，源极连接零电位；所述第二偏置单元为第八晶体管，所述第八晶体管的漏极连接所述第一检测单元的输出端，栅极连接所述第七晶体管的栅极，源极连接零电位。

相应的，本发明还提供一种模数转换器，包括上述参考电压驱动器。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明第一输出级输出用于复制目标电压的第一控制电压；所述第二输出级根据所述第一控制电压，复制所述目标电压到所述第二输出级的输出端，以输出与目标电压相等的目标参考电压，避免了现有技术中对从输出级的电阻的匹配设置，降低了电阻匹配的复杂度，进而提高了目标参考电压的精度。

可选方案中，所述参考电压驱动器还包括第三输出级，所述第三输出级包括第三输入单元、与所述第三输入单元的输出端连接的第三检测单元，和，与所述第三检测单元的输出端连接的第一偏置单元；其中，所述第三检测单元连接所述第一检测单元的控制端，用于根据所述第一控制电压，复制所述目标电压到所述第三输入单元的输出端；所述第一偏置单元用于通过控制端输出第二控制电压；所述第一输出级还包括与所述第一检测单元的输出端连接的第二偏置单元；所述第二偏置单元连接所述第一偏置单元的控制端，用于根据所述第二控制电压为所述第一检测单元提供偏置电流。其中，通过第三输出级和第二偏置单元，为第一检测单元提供偏置电流，在提高参考电压驱动器吸收电流能力的同时，避免了外置偏置电流源对电路的影响，进而进一步提高了参考电压的输出精度。

附图说明

图1为一种现有的主从结构的参考电压驱动器的示意性电路图；

图2为本发明参考电压驱动器的结构示意图；

图3为本发明一个实施例的电路结构示意图；

图4为本发明另一个实施例的参考电压驱动器结构示意图；

图5为本发明另一个实施例的参考电压驱动器的电路结构示意图；

图6为本发明模数转换器的结构示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，在需要输出较高的参考电压时，闭环与开环结合的主从结构的输出精度仍有待进一步提高。现结合一种现有的主从结构的参考电压驱动器分析输出参考电压精度有待提高的原因。

如图1所示，为一种现有的主从结构的参考电压驱动器的示意性电路图。可以看出，该参考电压驱动器包括放大器amp，晶体管m1和m2，电阻r1、r2、r3和r4。其中，放大器amp作为比较单元，晶体管m1，电阻r1和r2构成主输出级，晶体管m2和电阻r3、r4构成从输出级。

放大器amp正输入端上连接初始参考电压vref，负输入端上连接来自主输出级上经电阻r1、r2分压后的反馈电压vref_fb。放大器amp的输出端分别连接晶体管m1的栅极和晶体管m2的栅极，控制晶体管m1和晶体管m2作为输入单元输出电压，其中，从输出级上的晶体管m2的源极输出目标参考电压vref_out。

可以看出，在需要输出较高的目标参考电压vref_out时，通常需要预先计算目标参考电压vref_out和初始参考电压vref的比例关系，通过具有对应比例关系的电阻r1、r2和r3、r4进行匹配分压，以形成反馈电压vref_fb，并将反馈电压vref_fb与初始参考电压vref进行比较，以确定输出的目标参考电压vref_out的值处于预设的范围。

本领域技术人员可以理解，现有技术的参考电压驱动器中，电阻r1、r2、r3和r4之间需要精确匹配，才能输出与参考电压vref_out具有预设比例关系的反馈电压vref_fb，这就造成该参考电压驱动器得到的参考电压精度受限于电阻的匹配精度，使得输出的参考电压精度无法实现进一步的提高。

为了解决所述技术问题，本发明提供了一种参考电压驱动器，通过第一输出级向比较单元输出与目标电压具有预设比例关系的反馈电压，及向第二输出级输出用于复制目标电压的第一控制电压；第二输出级根据所述第一控制电压，复制所述目标电压到所述第二输出级的输出端，以输出与目标电压相等的目标参考电压，避免了现有技术中对从输出级的电阻的设置，降低了匹配的复杂度，进而提高了目标参考电压的精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

如图2所示，为本发明参考电压驱动器的结构示意图。其中，参考电压驱动器包括：比较单元210和与比较单元210连接的第一输出级220和第二输出级230，其中，第一输出级220包括与所述比较单元210的输出端连接的第一输入单元221、与第一输入单元221的输出端连接的反馈单元222和第一检测单元223。其中，第一输入单元221用于向所述反馈单元222输出目标电压，反馈单元222用于向比较单元210输出与目标电压具有预设比例关系的反馈电压，第一检测单元223用于检测目标电压，并通过所述第一检测单元223的控制端输出用于复制目标电压的第一控制电压。第二输出级230包括与比较单元210的输出端连接的第二输入单元231和与第二输入单元231的输出端连接的第二检测单元232，其中，第二检测单元232连接第一检测单元223的控制端，用于根据所述第一控制电压，复制目标电压到所述第二输入单元231的输出端，以使所述第二输入单元231输出与所述目标电压相等的目标参考电压。

其中，第一输出级为本发明参考电压驱动器的主输出级，第二输出级为从输出级。通过将第一输出级输出至反馈单元的目标电压复制到第二输出级，避免了现有技术中对从输出级的电阻的设置，使得本发明仅通过第一输出级的反馈单元进行对应的电压匹配得到具有预设比例的反馈电压即可，降低了匹配的复杂度，进而提高了目标参考电压的精度。

如图3所示，为本发明参考电压驱动器的一个实施例的电路结构示意图。具体的，比较单元为负反馈放大器amp，第一输入单元221为第一晶体管m1，第一检测单元223为第二晶体管m2，第二输入单元231为第三晶体管m3，第二检测单元232为第四晶体管m4。

其中，第一检测单元223的控制端为第二晶体管m2的栅极，第一检测单元223的输出端为第二晶体管m2的漏极。

在本实施例中，第一晶体管m1和第三晶体管m3为nmos管，第二晶体管m2和第四晶体管m4为pmos管。

在本实施例中，第一晶体管m1的宽长比是所述第三晶体管m3的宽长比的2倍，第二晶体管m2的宽长比和第四晶体管m4的宽长比相同。其中，设置第一晶体管m1的宽长比是所述第三晶体管m3的宽长比的2倍，从而在为反馈单元提供电流的同时，为第二晶体管m2同时提供等同的电流。在本发明的其他实施例中，可以根据实际情况确定对应的宽长比比例。

在本实施例中，第一晶体管m1的漏极连接电压源avdd，栅极连接比较单元210的输出端；第二晶体管m2的栅极和漏极相连，源极连接所述第一晶体管m1的源极。第三晶体管m3的漏极连接电压源avdd，栅极连接所述比较单元210的输出端，第四晶体管m4的源极连接第三晶体管m3的源极，栅极连接第一检测单元223的控制端，具体在本实施例中，第四晶体管m4的栅极连接第二晶体管m2的栅极。

其中，第一输出级上的第一晶体管m1的源极输出目标电压v1至反馈单元222，第二输出级上的第三晶体管m3的源极输出目标参考电压vref_out。

需要说明的是，第一晶体管m1的栅极和第三晶体管m3的栅极相连，对应的m1和m3的栅极电压相等；第二晶体管m2的栅极和第四晶体管m4的栅极相连，构成电流镜结构，用于将第一输入单元输入至反馈单元的电流和电压v1，复制至第四晶体管m4的源极，以使第二输出级上的第三晶体管m3的源极输出的目标参考电压vref_out＝v1。

反馈单元222包括第一电阻r1和第二电阻r2，所述第一电阻r1的一端连接所述第一晶体管m1的源极，另一端连接所述第二电阻r2，其中，所述第一电阻r1的另一端向所述比较单元210输出所述反馈电压vref_fb。

负反馈放大器amp正输入端上连接初始参考电压vref，负输入端上连接来自第一输出级上经反馈单元输出的反馈电压vref_fb。负反馈放大器amp的输出端分别连接第一晶体管m1的栅极和第三晶体管m3的栅极，控制第一晶体管m1的源极和第三晶体管m3的源极的输出。

需要说明的是，在反馈单元中，第一电阻r1和第二电阻r2的阻值比为预设值，所述预设值匹配所述初始参考电压vref与所述目标参考电压vref_out的比值。具体的，初始参考电压vref与目标参考电压vref_out的比值应符合r2/(r1+r2)。举例来说，若初始参考电压vref与目标参考电压vref_out的比值为1:2，那么r1与r2的比值应设为1:1；若初始参考电压vref与目标参考电压vref_out的比值为1:3，那么r1与r2的比值应设为2:1。

在本实施例提供的电路运行过程中，目标参考电压vref_out是对目标电压v1的复制，两者相等。因此，反馈电压vref_fb和目标电压v1之间的比例关系与初始参考电压vref和所述目标参考电压vref_out的比例关系是等同的，从而使得反馈电压vref_fb应当与初始参考电压vref相等。通过比较单元比对反馈电压vref_fb与初始参考电压vref，以确定目标参考电压vref_out的值是否处于预设的范围内，如果超出预设的范围，则输出对应的控制信号控制第一输入单元和第二输入单元进行对应的调整。

可以看出，本实施例中，第二晶体管m2与第四晶体管m4形成电流镜结构，从而完整的将反馈单元上的电压和电流复制到了第二输出级，因此只需要第一输出级的反馈单元进行对应的电压匹配得到具有预设比例的反馈电压即可，而无需在第二输出级上进行负载的匹配，从而降低了匹配的复杂度，提高了目标参考电压的精度。

进一步的，在本实施例中，第一输出级上还设置了偏置电流源i1，所述偏置电流源i1连接在第一检测单元223的输出端，在本实施例中，所述偏置电流源i1具体连接在第二晶体管m2的漏极。需要说明的是，通过设置偏置电流源，可以有效吸收外部电流，提高参考电压驱动器的稳定性。

另外，需要说明的是，本实施例中avdd是为器件提供工作电压的电压源，在本实施例中，第一晶体管m1和第三晶体管m3的漏极连接至avdd，以接入工作电压。而avss是为器件提供的公共电压，也叫接地端，即零电位。在本实施例中，第二电阻r2、电流源i1，以及第四晶体管m4的漏极连接至avss。

在本发明的另一实施例中，参考电压驱动器的结构如图4所示。

具体的，与上一实施例不同的是，在本实施例中，所述参考电压驱动器还包括第三输出级240，所述第三输出级240包括第三输入单元241、与第三输入单元241的输出端连接的第三检测单元242，和，与第三检测单元242的输出端连接的第一偏置单元243。

所述第三输入单元241连接所述比较单元210的输出端；所述第三检测单元242连接第一检测单元223的控制端，用于根据所述第一控制电压，复制目标电压到第三输入单元241的输出端；第一偏置单元243用于通过控制端输出用于提供偏置电流的第二控制电压；对应的，所述第一输出级220还包括与第一检测单元223的输出端连接的第二偏置单元224；第二偏置单元224连接第一偏置单元243的控制端，用于根据所述第二控制电压为所述第一检测单元223提供偏置电流。

其中，通过为第一检测单元提供偏置电流，避免了外接偏置电流源，进而避免了外接偏置电流源对第一检测单元复制相关信号的影响，提高了参考电压驱动器的精确度。

具体的，本实施例中的参考电压驱动器的电路结构图如图5所示。其中，所述第一输入单元221为第一晶体管m1，所述第二输入单元231为第三晶体管m3，所述第三输入单元241为第五晶体管m5，所述第一检测单元223为第二晶体管m2，所述第二检测单元232为第四晶体管m4，所述第三检测单元242为第六晶体管m6，所述第一偏置单元243为第七晶体管m7，所述第二偏置单元224为第八晶体管m8。

其中，反馈单元222的结构与前述实施例相同，包括串接的第一电阻r1和第二电阻r2，第一电阻r1与第二电阻r2之间输出反馈电压vref_fb。

比较单元为放大器amp，其输入端的连接与上一实施例相同，输出端分别连接第一晶体管m1的栅极、第三晶体管m3的栅极和第五晶体管m5的栅极，以控制第一晶体管m1的源极、第三晶体管m3的源极和第五晶体管m5的源极的输出。

并且，在本实施例中，第五晶体管m5的漏极连接电压源avdd，栅极连接比较单元210的输出端；第六晶体管m6的源极连接第五晶体管m5的源极，栅极连接第一检测单元223的控制端，具体在本实施例中，第六晶体管m6的栅极连接第二晶体管m2的栅极。

第七晶体管的m7栅极和漏极连接第六晶体管m6的漏极，源极连接零电位avss；其中，第一偏置单元243的控制端为第七晶体管m7的栅极。第八晶体管m8的漏极连接所述第一检测单元223的输出端(即，本实施例中的第二晶体管m2的漏极)，栅极连接第七晶体管m7的栅极，源极连接零电位。

其中，第七晶体管m7和第八晶体管m8匹配，对第一检测单元提供偏置电流。可以看出，本实施例中第二晶体管m2和第六晶体管m6，以及第七晶体管m7和第八晶体管m8形成两组电流镜，相互复制，进而形成稳定的自偏置电流。而通过自偏电流结构为所述第一检测单元提供自偏置电流，在提高参考电压驱动器吸收电流能力的同时，避免了外置偏置电流源对电路的影响，进一步提高了参考电压的输出精度。

具体的，在本实施例中，所述第二晶体管m2、所述第四晶体管m4和所述第六晶体管m6为pmos管，所述第七晶体管m7和所述第八晶体管m8为nmos管。

需要说明的是，所述第一晶体管m1的宽长比是所述第三晶体管m3的宽长比的2倍，从而在为反馈单元提供电流的同时，为第一检测单元223同时提供等同的电流。在本发明的其他实施例中，可以根据实际情况确定对应的宽长比比例。

并且，在本实施例中，所述第四晶体管m4的宽长比p4与第三晶体管m3的宽长比p3的比值为第一比值p43，即，p43＝p4/p3；所述第六晶体管的宽长比p6与所述第五晶体管的宽长比p5的比值为第二比值p65，即，p65＝p6/p5，所述第一比值等于所述第二比值，即，p43＝p65。

所述第二晶体管的宽长比p2与所述第六晶体管的宽长比p6为第三比值p26，即，p26＝p2/p6；所述第八晶体管的宽长比p8的比值与所述第七晶体管的宽长比p7的比值为第四比值p87，即p87＝p8/p7；所述第三比值p26等于所述第四比值p87，即，p26＝p87。

需要说明的是，通过上述设置，使得本实施例中的电压和电流信号形成精确复制，并能够输出稳定的自偏置电流。

进一步的，在本实施例中，还可以设置所述第三晶体管m3的宽长比p3与所述第五晶体管m5的宽长比p5相同，即，p3＝p5；所述第二晶体管m2的宽长比p2与所述第四晶体管m4的宽长比p4相同，即p2＝p4。

在本实施例中，m1、m3和m5的栅极相连，具有相同的栅极电压；m2、m4和m6栅极相连，具有相同的栅极电压；m7和m8栅极相连，具体相同的栅极电压。

对应的，本实施例的电路运行过程具体为，在初始上电时，为电路进行初始赋值，为第七晶体管m7和第八晶体管m8的栅极提供一个高电位。在运行过程中，反馈单元222持续输出反馈电压vref_fb，放大器amp比较初始参考电压vref和反馈电压vref_fb，输出控制信号至m1、m3和m5的栅极，使得m1、m3和m5的栅极电压相等，基于第一检测单元、第二检测单元和第三检测单元复制电流和电压的结构，使得目标电压v1、m5的源极电压v2和目标参考电压vref_out相等，而反馈单元输出电压vref_fb与v1呈预设的比例关系，进而通过初始参考电压vref和反馈电压vref_fb进行比较，能够确定目标参考电压vref_out的电压值，从而输出的具有较高精确度的目标参考电压vref_out。

可以看出，在本实施例中，通过将目标电压从第一输出级复制到第二输出级，使得本实施例输出的目标参考电压与目标电压相等，因此，只需要在第一输出级的反馈单元进行对应的电阻匹配得到具有预设比例的反馈电压即可，而无需在第二输出级上进行负载的匹配，进而降低了匹配的复杂度，提高了目标参考电压的精度。

进一步的，在本实施例中，通过所述第一偏置单元和所述第二偏置单元为所述第一检测单元提供自偏置电流，在提高参考电压驱动器吸收电流能力的同时，避免了外置偏置电流源对电路的影响，进而进一步提高了参考电压的输出精度。

另外需要说明的是，本实施例中avdd和avss的含义与上一实施例是相同的。具体的，avdd是为器件提供工作电压的电压源，第一晶体管m1、第三晶体管m3和第五晶体管m5的漏极连接至avdd，以提供输入电压。而avss是为器件提供的公共电压，也叫接地端，即零电位，第二电阻r2、第七晶体管m7的源极、第八晶体管m8的源极、和第四晶体管m4的漏极连接至avss。

在本发明的另一实施例中，如图6所示，还提供了一种模数转换器200，包括上述实施例中的任一参考电压驱动器100。

在本实施例中具有上述实施例中的参考电压驱动器，通过将第一输出级反馈单元上的电压和电流复制到第二输出级，使得本实施例输出的目标参考电压与目标电压相等，因此，只需要在第一输出级的反馈单元进行对应的电阻匹配得到具有预设比例的反馈电压即可，而无需在第二输出级上进行负载的匹配，进而降低了匹配的复杂度，提高了目标参考电压的精度。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。