利用混合信號器件獲得模擬電壓參考值的方法

　工程師設計電子產(chǎn)品時(shí)面臨的主要挑戰之一就是在不影響特性集的前提下減小系統尺寸。系統設計每一步驟都要考慮減小尺寸問(wèn)題，從晶體管大小直到最終產(chǎn)品的尺寸，無(wú)不如此。不過(guò)，每一階段的小型化并非總能保持相同的特性集。有時(shí)，我們要把較少用到的屬性去除掉，從而節約芯片面積。如果特定的應用需要這些特性，那么工程師就不得不使用尺寸更大或者價(jià)格更高的芯片，這樣才能保留有關(guān)特性。不過(guò)，工程師通?？刹捎脛?chuàng )新性的設計理念，讓低成本芯片發(fā)揮超出其基本功能之上的功能，從而實(shí)現所需的特性集要求。

　　許多使用混合信號器件的應用(也稱(chēng)作SoC器件)，可將模擬信號轉換為數字信號，并在數字域或固件中執行操作。目前，市場(chǎng)上有多種面向需要有限模擬功能應用的SoC產(chǎn)品，比如只需要比較器和模數轉換器(ADC)的應用?？紤]到最終結果在數字領(lǐng)域完成，因此通常不需要模擬輸出引腳。由于模擬輸出引腳需要模擬總線(xiàn)和模擬緩沖器來(lái)提供外部驅動(dòng)功能，因此在不使用模擬輸出引腳的情況下，可以節約大量芯片面積。

　　就某些應用而言，即便所有信號處理都在數字領(lǐng)域進(jìn)行，它們也仍然需要模擬參考電壓。例如，我們不妨設想這樣一個(gè)系統，其ADC范圍為0 ~ 5 V，輸入信號值為±20 mV。輸入信號不能直接用ADC測量，而是要用外部參考電壓向輸入信號添加DC偏置，將其轉化到ADC的范圍之內才行。測量結束后，偏置會(huì )由固件加以補償。由于模擬功能有限且不帶模擬輸出引腳，因此生成輸出模擬電壓參考是一個(gè)很大的挑戰。本文將介紹如何在不使用模擬輸出引腳的小型化芯片中只用一些外部無(wú)源組件來(lái)支持模擬電壓參考。

　　基本方法

　　圖1：使用電阻分壓器電路的參考電壓。

　　每個(gè)系統都有可直接作為參考電壓或間接獲得其他電壓參考的供電電壓。如圖1a所示，電阻分壓器法是從供電電壓獲得電壓參考的基本方法。這種基本的電路不帶控制回路，其缺點(diǎn)在于參考電壓會(huì )直接與供電電壓的變動(dòng)相關(guān)聯(lián)。

　　要想進(jìn)行穩壓或獲得不同的電壓，我們可如圖1b所示向本電路添加控制回路。這樣，我們可以測量參考電壓并調節電阻，保持所需的參考值。電阻的一端連接到Vref節點(diǎn)，另一端則通過(guò)引腳加以控制。引腳可以接地，也可以為高Z。如果引腳接地，那么在有效電阻計算中要加入相應的電阻。如果引腳為高Z，則如同電阻未連接。

　　參考電壓根據并聯(lián)有效電阻 (Reff) 計算獲得，計算方程式如下所示：

　　如果應用不需要參考電壓，則所有引腳都可為高 Z，從而節省功率。我們可通過(guò)增加控制電阻的數量來(lái)提高控制分辨率，這進(jìn)而也會(huì )增加引腳數量，形成電阻鏈控制。電阻鏈控制的概念可用來(lái)調節參考電壓，同時(shí)也能用來(lái)在不同時(shí)刻獲得不同的參考電壓。就穩壓而言，這種類(lèi)型的控制只有在變化比控制延遲更慢時(shí)才能生效。

　　傳統的PWM-DAC方法

　　脈沖寬度調制—數模轉換器(PWM-DAC)是通過(guò)數字引腳獲得可編程參考電壓的最常見(jiàn)方法。PWM的輸出為數字信號，通過(guò)低通濾波，可獲得如圖2所示的平均DC值。低通濾波器截止頻率的選擇應確保其大大小于PWM的頻率輸出，以便盡可能接近DC值。

　　在上述方法中，參考電壓由PWM的供電電壓(Vdd)和負載周期(D)決定，計算方程式如下所示。如果供電電壓為5V，負載周期為50%，那么參考電壓就是2.5V。

　　脈沖寬度變動(dòng)會(huì )改變Vref，不過(guò)由于PWM-DAC方法是一種開(kāi)環(huán)系統，只有在供電電壓精度很高的時(shí)候才有優(yōu)勢。如果供電電壓不準確，則輸出參考電壓也會(huì )不準確。獲得準確的供電電壓成本較高，因此對低成本系統來(lái)說(shuō)是不適用的。為了補償供電電壓的變動(dòng)，我們可用ADC和固件控制形成如圖2B所示的閉環(huán)系統。我們用ADC來(lái)檢測參考電壓值，并在固件中調節PWM的負載周期，從而獲得所需的參考值。這種反饋回路可減小對供電電壓的依賴(lài)，但會(huì )增大延遲，而且會(huì )占用更多系統資源。