一种多输入电压源产生单恒定输出电压的方法及其电路

摘要

本发明公开了一种多输入电压源产生单恒定输出电压的方法及其电路，属于微电子技术领域。本发明的方法为首先根据输入的多个电压源值大小设置其对应单恒定输出电压的抽头位置；然后计算不同输入电压源值在其对应抽头位置输出单恒定电压值所需要分配的电阻值；最后根据单恒定输出电压的精度要求，为每个电阻值选取相应阻值的电阻模型；本发明的电路包括电压源输入端、电阻电压网络、多个单恒定输出电压抽头端。本发明电路利用电阻电压网络实现多输入单输出值，本发明的方法可以方便、快捷、精确的确定电阻电压网络中电阻所需的值，并且可以将误差控制在0.3％以内，特别是在PMU的电源检测中可以节省比较参考源。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多输入电压源产生单恒定输出电压的方法及其电路，这种方法在满足所需精度的基础上，更利于芯片设计及版图，属于微电子技术领域。

背景技术

目前在电源管理(PMU)或其他电路中，需要检测各种电源的变化，以便控制相应模块的工作。电源的变化通过比较器与基准电源进行比较，从而产生输出控制电压。如果直接将变化的电压与所需的阈值电压直接比较，将需要不同的阈值电压，这样会给芯片设计带来许多不必要的麻烦，以及设计难度的加大。为此，在电路的设计中是利用所有需要比较的变化电源，差生同样的固定电压，从而与一个阈值电压进行比较，得到比较的结果值。这种实现常常是通过分压网络，将相应的输入电源变化点折算到同一的参考源上。常用的方法是：针对不同的输入电压以及要得到的恒定输出电压，直接计算，从而产生不同的电阻值。但是这种做法画版图时，电阻的匹配性会很差，从而在真正的实现后，误差会放大。而应用基本电阻单元，将电阻单元进行分配，而产生的多输入单恒定输出电阻网络分压单元，版图上有更好的匹配性，在芯片的实现时，失配会小的多，而且这种基本电阻单元网络实现简单，是一种比较省事，省时，误差在允许范围内的方案。本文就是应用电阻网络来将不同的输入源变换到基准源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多输入电压源产生单恒定输出电压的方法及其电路，本发明的方法主要是应用电阻电压网络实现将多个变换的输入电压源折算成单恒定输出电压，是一种省事、省时、误差范围小的技术方案。

本发明的技术方案为：

一种多输入电压源产生单恒定输出电压的方法，其步骤为：

1)根据输入的多个电压源值大小设置其对应单恒定输出电压的抽头位置，多个所述单恒定输出电压的抽头串联于一电阻电压网络中；

2)计算不同输入电压源值在其对应抽头位置输出单恒定电压值所需要分配的电阻值；

3)根据单恒定输出电压的精度要求，为每个电阻值选取相应阻值的电阻模型。

所述根据输入的多个电压源值大小设置其对应单恒定输出电压的抽头位置的方法为：

1)将输入的m个电压源V₁，V₂，V₃…V_m进行排序，其中V₁>V₂>V₃>…>V_m；

2)将上述输入电压源对应的单恒定输出电压抽头位置依次顺序设置在所述电阻电压网络中；

其中输入电压源值越大，其对应的单恒定输出电压抽头位置与电压源输入端之间的阻值越大，m为自然数。

所述电阻电压网络中包括m+1个电阻模型，m个所述单恒定输出电压抽头端设置在所述m+1个电阻模型之间。

所述电阻模型包括但不限于二端电阻模型、三端电阻模型、复杂电阻模型。

所述电阻模型的阻值确定方法为：

1)采用单元电阻进行所述电阻电压网络中的电阻分配；

2)从多个所需要分配的电阻中选取阻值最小的电阻R_min，其前后端分别对应输入电压源V_min和V_min-1的单恒定输出电压抽头端；

3)选取一公因子M和一电阻R₀，其中M为整数且根据公式确定所选取的公因子M是否满足精度要求，其中ΔV_con为单恒定输出电压的精度要求；

4)根据选定的公因子M乘以单元电阻网络中分配的对应阻值计算所述m+1个电阻模型的阻值。

所述电阻模型的选取方法为：

a)从确定的每个电阻模型的阻值中提取小数部分，并与二端电阻模型中各种组合的值进行比较，寻找在设定精度范围内的组合；

b)如果没有满足要求的电阻模型，则对电阻值进行单整数相加，寻找二端电阻模型中各种组合的值进行比较，寻找在设定精度范围内的组合；

c)重复步骤b)，若直到电阻完整值都没有在二端电阻网络模型中寻找到符合精度要求的电阻模型，则在更复杂的电阻模型中寻找。

一种多输入电压源产生单恒定输出电压的电路，其包括电压源输入端、电阻电压网络、m个单恒定输出电压抽头端，其特征在于所述电阻电压网络串联m+1个电阻模型，用于为相邻电阻模型之间设置的所述m个单恒定输出电压抽头端提供单恒定输出电压，其中m为自然数。

所述电阻模型包括但不限于二端电阻模型、三端电阻模型、复杂电阻模型。

所述电阻模型的每个分支上总电阻数不多于10R，其中R为单元电阻。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实现的电阻电压网络可以方便、快捷、精确的实现所需的值，并且可以将误差控制在0.3％以内。利用电阻电压网络实现多输入单输出值，特别是在PMU的电源检测中可以节省比较参考源。在进行电压比较时，由于噪声，所以对于带有迟滞的比较器而言，本发明差生的误差可以被忽略掉。

附图说明

图1a)—c)为二端电阻模型及其阻值；

图2为三端电阻模型及其阻值；

图3为四端电阻模型及其阻值；

图4为复杂电阻模型及其阻值；

图5为本发明的电阻电压网络；

图6为本发明方法的流程图；

图7为四电源输入时的软件级结果；

图8为五电源输入时的软件级结果；

图9为四电源输入时的仿真结果；

图10为五电源输入时的仿真结果。

具体实施方式

本文提到的所有电阻并联网络都是以基本电阻R(R＝1)进行计算的。为了版图和电路设计方便，我们将每条支路的总电阻数设定在≤10R上。所以对于二级并联电阻网络，其最大的值为5R(5)，即两个10R电阻并联，三级并联网络最大值为10R/3(3.3333)，即三个10R电阻并联......。图6为本发明方法的流程图，在实际的设计中，本发明从小到大进行查找。即根据输入电压和所要确定的输出恒压值，先计算出变换后的各个电阻的阻值，然后利用最小电阻值和电阻模型确定公因子M，再利用公因子M，电阻模型以及误差允许范围确定其他电阻值。具体是对变换后的电阻值的小数部分进行提取，然后寻找对应阻值的电阻模型，如果有满足条件的值，则结束，这个电阻的值即为整数部分加小数部分；如果不满足，则对小数部分增加一个基本电阻值，但是增加后的电阻不能大于实际的电阻值。如果没有找到满足条件的，则进行更多级的电阻网络搜索，甚至更复杂的电阻网络搜索。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明按如下介绍，第一部分介绍提出的算法，第二部分进行了实验验证。

一、算法介绍

本发明方法的前提是应用基本的单元电阻R进行整体的电阻网路分配。

首先介绍一下有关电阻网络的相关知识。图1所示为二端电阻模型，其中图1a)—c)分别对应二端电阻模型在不同连接情况及其阻值。图2为为三端电阻模型及其阻值；图3为四端电阻模型及其阻值；图4为复杂电阻模型及其阻值。

对输入的不同电压源V₁，V₂，V₃…V_m，均要获得相同的恒压源V_CON。本发明的过程是：

1.将输入的电压：V₁，V₂，V₃…V_m，按照从小到大进行排列，假如：V₁>V₂>V₃>…>V_m。

2.对输入的m个电压值进行恒压V_CON，j抽头，并分配电阻，如图5所示。其中

$\frac{V_{\mathrm{CON},j}}{V_j}=\frac{R_1+R_2+···R_j}{R_1+R_2+···R_{m+1}}(j\ge 1).$

3.根据输入的电压和恒压输出：

$\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_1}=\frac{R_1}{R_1+R_2+···R_{m+1}}$

$\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_2}=\frac{R_1+R_2}{R_1+R_2+···R_{m+1}}$

$\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_3}=\frac{R_1+R_2+R_3}{R_1+R_2+···R_{m+1}}$

$\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_m}=\frac{R_1+R_2+···+R_m}{R_1+R_2+···R_{m+1}}$

R₁+R₂+...+R_m+1＝R

        →

$R_1=\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_1}R$

$R_2=\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_2}R-R_1=(\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_2}-\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_1})R$

$R_3=\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_3}R-R_2-R_1=(\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_3}-\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_2})R$

$R_{m-1}=\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_{m-1}}R-R_{m-2}-···-R_2-R_1=(\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_{m-1}}-\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_{m-2}})R$

$R_m=\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_m}R-R_{m-1}-R_{m-2}-···-R_2-R_1=(\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_m}-\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_{m-1}})R$

$R_{m+1}=R-R_m-R_{m-1}-···-R_2-R_1=R-\frac{V_{\mathrm{CON}}}{V_m}R=\frac{V_m-V_{\mathrm{CON}}}{V_m}R$

计算出所有的R_i(i＝1，2，3…，m+1)，并找出最小的那个值R_min。

4.根据前面讨论到的并联电阻网络的相关公式。为了方便计算以及版图尺寸的考虑，本文将电阻网络每一串的电阻单元个数控制在10个以内。寻找二级并联电阻网络中的某一个值R₀，除以一个整数M(M<100)，使得到的值在精度要求的范围内更接近于R_min，从而确定了M值，

^*最小R_min精度确定原则。

$\frac{R_{\min }+R_{\min -1}+···R_1}{R}=\frac{V_{\min ,\mathrm{con}}}{V_{\min }}------------------------\left(1\right)$

$\frac{R_{\min -1}+R_{\min -2}+···R_1}{R}=\frac{V_{\min -1,\mathrm{con}}}{V_{\min }}----------------------\left(2\right)$

$\Rightarrow R_{\min }=\frac{V_{\min ,\mathrm{con}}}{V_{\min }}-\frac{V_{\min -1,\mathrm{con}}}{V_{\min -1}}-------------------------\left(3\right)$

∵V_min，con＝V_min-1，con＝V_con

∴$V_{\mathrm{con}}=\frac{R_{\min }}{\frac{1}{V_{\min }}-\frac{1}{V_{\min -1}}}-----------------------------\left(4\right)$

$\Rightarrow \Delta V_{\mathrm{con}}=\frac{\Delta R_{\min }}{\frac{1}{V_{\min }}-\frac{1}{V_{\min -1}}}---------------------------\left(5\right)$

N·R_min＝R₀--------------------------------(6)

$\Rightarrow N=\frac{R_0}{R_{\min }}$

$\Rightarrow$

$R_{\min ,\mathrm{pre}}=\frac{R_0}{N}---------------------------------\left(7\right)$

$R_{\min ,\mathrm{est}}=\frac{R_0}{M}--------------------------------\left(8\right)$

其中

$\Rightarrow \Delta R_{\min }=|\frac{R_0}{N}-\frac{R_0}{M}|---------------------------\left(9\right)$

$\Rightarrow \Delta V_{\mathrm{con}}=\frac{\Delta R_{\min }}{\frac{1}{V_{\min }}-\frac{1}{V_{\min -1}}}=\frac{V_{\min -1}·V_{\min }}{V_{\min -1}-V_{\min }}·|\frac{R_0}{N}-\frac{R_0}{M}|$

对于min＝1时

如果假定，要满足ΔV_con<1mv＝1×10^-3V的条件，寻找M值，使误差最小化。

例如：对于输入电压V₁＝4.32V，V₂＝4.0V要产生ΔV_con＝1.265V的输出电压，根据上述公式可以计算出R₁＝0.2928241，R₂＝0.0234253，R₃＝0.68375，得出R_min＝R₂，即min＝2.根据精度要求(ΔV_con<1mv＝1×10^-3)以及电阻网络要求，选取R₀＝0.75

从而得出M＝32满足要求。R_min对应的电阻模型的阻值为M乘以R_min，为0.75。

5.利用得到的公因子M计算各个电阻R_i(i＝1，2，3…，m+1)，对各个电阻值进行分析。根据所需的精度要求，进行比较计算，找到精度最高的值。

具体方案是：

①.计算得到的电阻值取小数部分，并与二端网络中各种组合的值进行比较，寻找在设定精度范围内的组合。

②.如果没有满足要求的电阻模型，则对电阻值进行单整数相加，再重复第二步，若直到电阻完整值都没有在二端电阻网络模型中寻找到精度要求，则需在三端电阻网络模型中寻找。若满足则停止进行其他电阻值的计算。

^*R_i(i＝1～m，i≠min)精度确定原则。

用寻找到的值乘以其他的R_i(i＝1～m，i≠min)值，从而在多端电阻网络中寻找误差最小的值。

M·R_i＝R_i，o，pre-------------------------------(11)

$R_{i,\mathrm{est}}=\frac{R_{i,o,\mathrm{est}}}{M}-------------------------------\left(12\right)$

(R_i，o，est是多端网络中的值)

$\Delta R_i=R_{i,\mathrm{est}}-R_i=\frac{R_{i,o,\mathrm{est}}}{M}-R_i-----------------------\left(13\right)$

∵$\Delta V_{\mathrm{con}}=\frac{\Delta R_i}{\frac{1}{V_i}-\frac{1}{V_{i-1}}}$

∴$\Delta V_{\mathrm{con}}=\frac{\Delta R_i}{\frac{1}{V_i}-\frac{1}{V_{i-1}}}=\frac{V_{i-1}·V_i}{V_{i-1}-V_i}·|\frac{R_{i,o,\mathrm{est}}}{M}-R_i|----------------\left(14\right)$

对于i＝1时

$\Delta V_{\mathrm{con}}=V_1·\Delta R_1=V_1·|\frac{R_{1,o,\mathrm{est}}}{M}-R_1|$

如假定，要满足ΔV_con<1mv＝1×10^-3V的条件，寻找R_i，o，est值，使误差最小化。

_*R_m+1精度确定原则。

$R_{m+1}=\frac{V_m-V_{\mathrm{CON}}}{V_m}R$

$V_{\mathrm{CON}}=(1-\frac{R_{m+1}}{R})V_m$

$\Delta V_{\mathrm{CON}}=\frac{\Delta R_{m+1}}{R}{V}_m$

令R＝1

ΔV_CON＝ΔR_m+1V_m

R_{m+1，o，pre}＝M·R_m+1，pre

R_{m+1，o，ext}＝M·R_m+1，est

$\Delta V_{\mathrm{CON}}=\left(|R_{m+1,\mathrm{pre}}-\frac{R_{m+1,\mathrm{est}}}{M}|\right)V_m$

例如：用M＝32乘其他的R₁，R₃，从而得到R_1，o，pre＝9.3703712，R_3，o，pre＝21.88。R_1，o，est＝5+6‖16＝9.363636…，R_3，o，est＝19+8‖9‖9＝21.880000…。对于R₁，误差是0.9092155‰；对于R₃，误差是0

二.试验验证

试验验证利用TSMC018工艺进行验证。并进行了必要的CORNER验证。首先，对给定的输入数据以及所需的输出数据我们获取软件级的结果，如图7和图8所示。其次，我们在TSMC018工艺下进行DC扫描验证，其仿真结果如图9和图10所示。