許多使用混合信號器件的應用(也稱作SoC器件)
，可將模擬信號轉換為數字信號，並在數字域或固件中執行操作。目前，市場上有多種麵向需要有限模擬功能應用的SoC產品
，比如隻需要比較器和模數轉換器(ADC)的de應ying用yong。考kao慮lv到dao最zui終zhong結jie果guo在zai數shu字zi領ling域yu完wan成cheng，因yin此ci通tong常chang不bu需xu要yao模mo擬ni輸shu出chu引yin腳jiao。由you於yu模mo擬ni輸shu出chu引yin腳jiao需xu要yao模mo擬ni總zong線xian和he模mo擬ni緩huan衝chong器qi來lai提ti供gong外wai部bu驅qu動dong功gong能neng，因yin此ci在zai不bu使shi用yong模mo擬ni輸shu出chu引yin腳jiao的de情qing況kuang下xia
，可ke以yi節jie約yue大da量liang芯xin片pian麵mian積ji。

    就某些應用而言，即便所有信號處理都在數字領域進行，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係統，其ADC範圍為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(de)範(fan)圍(wei)之(zhi)內(nei)才(cai)行(xing)。測(ce)量(liang)結(jie)束(shu)後(hou)
，偏(pian)置(zhi)會(hui)由(you)固(gu)件(jian)加(jia)以(yi)補(bu)償(chang)。由(you)於(yu)模(mo)擬(ni)功(gong)能(neng)有(you)限(xian)且(qie)不(bu)帶(dai)模(mo)擬(ni)輸(shu)出(chu)引(yin)腳(jiao)，因(yin)此(ci)生(sheng)成(cheng)輸(shu)出(chu)模(mo)擬(ni)電(dian)壓(ya)參(can)考(kao)是(shi)一(yi)個(ge)很(hen)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。本(ben)文(wen)將(jiang)介(jie)紹(shao)如(ru)何(he)在(zai)不(bu)使(shi)用(yong)模(mo)擬(ni)輸(shu)出(chu)引(yin)腳(jiao)的(de)小(xiao)型(xing)化(hua)芯(xin)片(pian)中(zhong)隻(zhi)用(yong)一(yi)些(xie)外(wai)部(bu)無(wu)源(yuan)組(zu)件(jian)來(lai)支(zhi)持(chi)模(mo)擬(ni)電(dian)壓(ya)參(can)考(kao)。

基本方法

圖1：使用電阻分壓器電路的參考電壓。

    每個係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1asuoshi，dianzufenyaqifashiconggongdiandianyahuodedianyacankaodejibenfangfa。zhezhongjibendedianlubudaikongzhihuilu，qiquedianzaiyucankaodianyahuizhijieyugongdiandianyadebiandongxiangguanlian。

    要想進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製回路。這樣，我們可以測量參考電壓並調節電阻，保持所需的參考值。電阻的一端連接到Vref節點，另一端則通過引腳加以控製。引腳可以接地，也可以為高Z。如果引腳接地，那麼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。

    參考電壓根據並聯有效電阻 (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cong而er節jie省sheng功gong率lv。我wo們men可ke通tong過guo增zeng加jia控kong製zhi電dian阻zu的de數shu量liang來lai提ti高gao控kong製zhi分fen辨bian率lv，這zhe進jin而er也ye會hui增zeng加jia引yin腳jiao數shu量liang，形xing成cheng電dian阻zu鏈lian控kong製zhi。電dian阻zu鏈lian控kong製zhi的de概gai念nian可ke用yong來lai調tiao節jie參can考kao電dian壓ya，同tong時shi也ye能neng用yong來lai在zai不bu同tong時shi刻ke獲huo得de不bu同tong的de參can考kao電dian壓ya。就jiu穩wen壓ya而er言yan，這zhe種zhong類lei型xing的de控kong製zhi隻zhi有you在zai變bian化hua比bi控kong製zhi延yan遲chi更geng慢man時shi才cai能neng生sheng效xiao。

傳統的PWM-DAC方法

    脈衝寬度調製―數模轉換器(PWM-DAC)是通過數字引腳獲得可編程參考電壓的最常見方法。PWM的輸出為數字信號，通過低通濾波
，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於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%

，那麼參考電壓就是2.5V。

    脈衝寬度變動會改變Vref，不過由於PWM-DACfangfashiyizhongkaihuanxitong，zhiyouzaigongdiandianyajingduhengaodeshihoucaiyouyoushi。ruguogongdiandianyabuzhunque，zeshuchucankaodianyayehuibuzhunque。huodezhunquedegongdiandianyachengbenjiaogao，yinciduidichengbenxitonglaishuoshibushiyongde。weilebuchanggongdiandianyadebiandong
，womenkeyongADC和固件控製形成如圖2B所示的閉環係統。我們用ADC來檢測參考電壓值，並在固件中調節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，但會增大延遲
，而且會占用更多係統資源。

自調整電壓參考

    我們可以假定，盡管模擬組件數量有限
，但SoC仍有內部參考電壓，自調整電路正由此產生。這在具有ADC的係統通常如此。這種方法是一種通過外部數字引腳獲得模擬電壓的技術。PWM-DAC方法建立在脈衝寬度調製的基礎之上，而這種方法則建立在脈衝密度調製(PDM)原理之上，其中數字信號的密度是信號為高時的百分比。具體而言，信號密度是指由“1”和“0”所構成的數字信號流中“1”所(suo)占(zhan)的(de)百(bai)分(fen)比(bi)。需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)，具(ju)體(ti)的(de)波(bo)形(xing)並(bing)不(bu)重(zhong)要(yao)，隻(zhi)有(you)信(xin)號(hao)為(wei)高(gao)的(de)百(bai)分(fen)比(bi)才(cai)重(zhong)要(yao)。在(zai)提(ti)供(gong)的(de)參(can)考(kao)材(cai)料(liao)中(zhong)給(gei)出(chu)了(le)關(guan)於(yu)密(mi)度(du)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)的(de)更(geng)多(duo)信(xin)息(xi)。

    如圖3所示，電路使用SoC中zhong的de同tong步bu比bi較jiao器qi和he外wai部bu低di通tong濾lv波bo器qi。低di通tong濾lv波bo器qi的de輸shu出chu為wei反fan饋kui
，通tong過guo模mo擬ni輸shu入ru引yin腳jiao傳chuan遞di到dao比bi較jiao器qi的de負fu輸shu入ru。使shi用yong該gai反fan饋kui的de比bi較jiao器qi遵zun循xun與yu運yun算suan放fang大da器qi相xiang同tong的de原yuan理li

，也ye采cai用yong電dian壓ya跟gen隨sui器qi模mo式shi。電dian壓ya跟gen隨sui器qi輸shu出chu將jiang根gen據ju需xu要yao而er改gai變bian，以yi保bao持chi其qi兩liang個ge輸shu入ru相xiang同tong。如ru果guo正zheng輸shu入ru上shang的de值zhi高gao於yu負fu輸shu入ru上shang的de值zhi
，那na麼me輸shu出chu就jiu較jiao高gao。高gao輸shu出chu將jiang導dao致zhi低di通tong濾lv波bo器qi的de輸shu出chu漂piao移yi較jiao高gao，最zui終zhong使shi得de進jin入ru比bi較jiao器qi的de負fu輸shu入ru高gao於yu正zheng輸shu入ru。如ru果guo負fu輸shu入ru較jiao高gao，而er輸shu出chu保bao持chi較jiao低di，則ze會hui讓rang負fu輸shu入ru下xia降jiang。這zhe樣yang，信xin號hao為wei高gao時shi的de百bai分fen比bi(也就是信號密度)會發生變化，從而保持兩個輸入值相同。最終這會形成一個穩定狀態，實現輸出的自我調製
，低通濾波器輸出上的密度結果為Vref = Vbg。由於比較器采用時鍾計時
，因此輸出是一個明確定義的數字信號，經過低通濾波後可獲得DC參考電壓。

圖3：自調整電壓參考電路。

    添加衰減器後可獲得除內部參考電壓(Vbg)之外的電壓。如果衰減器添加到輸出上，則能獲得小於Vbg的參考。如果衰減器添加到反饋中，就能獲得大於Vbg的參考。該衰減既可在模擬域
，也可在密度域。

密度衰減

    由於自調整電路的理念建立在PDM基礎之上
，因此我們可向密度調製添加更多電路，以獲得主電路的不同體現。例如，如圖4A所示

，我們可在比較器輸出和反饋信號之間添加密度調製器(本例中為PWM)。

圖4：自調整電路的實例。

    放大器：如果PWM輸出的負載周期為50%，那麼AND門輸出的有效密度就是此前的一半
，這會讓負輸入值為低的時間翻一番
，從而讓比較器輸出密度翻番。此外，比較器輸出的密度會根據PWM的負載周期發生變化。該數字密度信號經過低通過濾可獲得DC值，該值取決於內部帶隙參考電壓和PWM負載周期，其計算方程式如下所示：

    這樣
，我們就能獲得改變PWM負載周期的可編程電壓參考
，而且避免了PWM-DAC方法的缺點。由於Dout2不能小於零
，因此Vref2不能小於Vbg。

    衰減器：如圖4B所示，我們可對同樣的組件進行重組，從而獲得小於參考電壓的電壓(即經過密度調製的衰減器)。通過這種方法，我們可由以下方程式獲得輸出：

模擬衰減

    我們可用類似於電阻分壓器電路的電阻模擬衰減器來獲得模擬路徑上的衰減，從而得到參考電壓以外的電壓。

    放大器：通過如圖4C所示添加模擬衰減器，自調整電路可用來獲得高於內部參考電壓的電壓(放大器)。參考電壓值的計算方程式如下所示：

    衰減器：通過如圖4D所示添加外部電阻，自調整電路還可用來獲得低於內部參考電壓的電壓(衰減器)。參考電壓值的計算方程式如下所示：

緩衝器

    zaiwaibuhuodelianggeshurudeqingkuangxia
，zitiaozhengpeizhizhongdebijiaoqikeyongzuohuanchongqi。huanchongqidezhunqueduyucankaodianyadezhunqueduyiyang。huanchongmoshidefangkuangtuyutu3所示相同，隻不過內部參考電壓Vbg被外部輸入電壓所替換而已。

精確度和依賴性

    用來從數字信號獲得DC值的低通濾波器決定著輸出信號的穩定時間和準確度。如果采用PWM-DAC方法

，那麼低通濾波器的極點必須根據PWM的頻率進行選擇
；如果采用自調整方法
，則必須根據比較器的時鍾頻率來選擇。如果低通濾波器的極點過高，Vout就不能達到穩定狀態值。以Fclk作為內部時鍾頻率，低通濾波器的具體要求可通過如下方程式計算獲得：

    電阻鏈和PWM方法直接與供電電壓相關聯
，而自調整參考電壓的變動則取決於帶隙電壓和比較器偏置的變動。

    我們用賽普拉斯可編程片上係統(PSoC)構建了自調整電路的實施方案
，並以此來收集性能數據。內部參考帶隙電壓和Vdd上外部獲得的參考電壓變動情況如圖5所示。該圖由通過收集采用最小型PSoC芯片CY8C21123所實施電路的數據繪製而成，該電路的平均比較器偏置電壓為8mV。從圖中可以看出
，外部電壓參考對供電電壓的依賴取決於帶隙參考電壓變動和供電電壓的比較器參數(偏置)。

圖5：參考電壓隨供電電壓和溫度而產生的變化。

    前兩種方法對溫度的依賴可以忽略。自調整電壓參考電路取決於帶隙電壓和溫度偏置差異。參考電壓隨溫度的變動情況如圖5所示。溫度變動幾乎完全隨Vbgbiandong。yuwendudebiandongxiangbi，bijiaoqidepianzhidengfeilixiangcanshuyugongdianbianhuayoujiaodabutong。zhehuidaozhishuchucankaodianyayuneibucankaodianyachayigengda，jutichayiweiVdd。

    因yin為wei輸shu出chu的de有you效xiao電dian阻zu不bu為wei零ling，所suo以yi上shang述shu所suo有you方fang法fa的de負fu載zai驅qu動dong功gong能neng均jun小xiao於yu緩huan衝chong電dian壓ya輸shu出chu。在zai三san種zhong方fang法fa的de驅qu動dong功gong能neng中zhong，第di一yi種zhong方fang法fa最zui低di。連lian接jie到dao該gai節jie點dian的de電dian阻zu必bi須xu大da大da高gao於yu有you效xiao電dian阻zu (Reff)。PWM-DAC的負載驅動功能與任何低通濾波器相同。

    我們可通過理想的比較器來獲得自調整電路的負載驅動功能。反饋電阻器(低通濾波器電阻)(Rlp) 決定著電路的驅動功能。由於輸出會發生變動，以保持比較器的兩個輸入值相同，因此負載電阻會有以下限製，計算方程式如下：

    本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)了(le)模(mo)擬(ni)功(gong)能(neng)有(you)限(xian)的(de)芯(xin)片(pian)如(ru)何(he)獲(huo)得(de)模(mo)擬(ni)電(dian)壓(ya)參(can)考(kao)值(zhi)的(de)方(fang)法(fa)。我(wo)們(men)可(ke)在(zai)已(yi)將(jiang)模(mo)擬(ni)功(gong)能(neng)用(yong)於(yu)其(qi)他(ta)目(mu)的(de)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)采(cai)用(yong)上(shang)述(shu)方(fang)法(fa)，此(ci)外(wai)還(hai)能(neng)將(jiang)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)路(lu)結(jie)合(he)起(qi)來(lai)使(shi)用(yong)
，從(cong)而(er)獲(huo)得(de)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)壓(ya)參(can)考(kao)，進(jin)而(er)提(ti)高(gao)靈(ling)活(huo)性(xing)和(he)可(ke)編(bian)程(cheng)性(xing)。

作者：Archana Yarlagadda

應用工程師

賽普拉斯半導體公司