利用混合信號(hào)器件獲得模擬電壓參考值的方法

　工程師設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí)面臨的主要挑戰(zhàn)之一就是在不影響特性集的前提下減小系統(tǒng)尺寸。系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jié)約芯片面積。如果特定的應(yīng)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)，工程師通常可采用創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)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(xiàn)所需的特性集要求。

　　許多使用混合信號(hào)器件的應(yīng)用(也稱作SoC器件)，可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并在數(shù)字域或固件中執(zhí)行操作。目前，市場(chǎng)上有多種面向需要有限模擬功能應(yīng)用的SoC產(chǎn)品，比如只需要比較器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的應(yīng)用?？紤]到最終結(jié)果在數(shù)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和模擬緩沖器來(lái)提供外部驅(qū)動(dòng)功能，因此在不使用模擬輸出引腳的情況下，可以節(jié)約大量芯片面積。

　　就某些應(yīng)用而言，即便所有信號(hào)處理都在數(shù)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(shè)想這樣一個(gè)系統(tǒng)，其ADC范圍為0 ~ 5 V，輸入信號(hào)值為±20 mV。輸入信號(hào)不能直接用ADC測(cè)量，而是要用外部參考電壓向輸入信號(hào)添加DC偏置，將其轉(zhuǎn)化到ADC的范圍之內(nèi)才行。測(cè)量結(jié)束后，偏置會(huì)由固件加以補(bǔ)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(zhàn)。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(tǒng)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(wěn)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(cè)量參考電壓并調(diào)節(jié)電阻，保持所需的參考值。電阻的一端連接到Vref節(jié)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(jì)算中要加入相應(yīng)的電阻。如果引腳為高Z，則如同電阻未連接。

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

　　如果應(yīng)用不需要參考電壓，則所有引腳都可為高 Z，從而節(jié)省功率。我們可通過(guò)增加控制電阻的數(shù)量來(lái)提高控制分辨率，這進(jìn)而也會(huì)增加引腳數(shù)量，形成電阻鏈控制。電阻鏈控制的概念可用來(lái)調(diào)節(jié)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(wěn)壓而言，這種類型的控制只有在變化比控制延遲更慢時(shí)才能生效。

　　傳統(tǒng)的PWM-DAC方法

　　脈沖寬度調(diào)制—數(shù)模轉(zhuǎn)換器(PWM-DAC)是通過(guò)數(shù)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(shù)字信號(hào)，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(yīng)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(fù)載周期(D)決定，計(jì)算方程式如下所示。如果供電電壓為5V，負(fù)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(tǒng)，只有在供電電壓精度很高的時(shí)候才有優(yōu)勢(shì)。如果供電電壓不準(zhǔn)確，則輸出參考電壓也會(huì)不準(zhǔn)確。獲得準(zhǔn)確的供電電壓成本較高，因此對(duì)低成本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不適用的。為了補(bǔ)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(tǒng)。我們用ADC來(lái)檢測(cè)參考電壓值，并在固件中調(diào)節(jié)PWM的負(fù)載周期，從而獲得所需的參考值。這種反饋回路可減小對(duì)供電電壓的依賴，但會(huì)增大延遲，而且會(huì)占用更多系統(tǒng)資源。