具有间接信号监控的灰色区域防止电路的制作方法

1.本公开总体上涉及电子电路领域，并且更具体地，涉及具有间接信号监控的灰色区域防止电路。


背景技术：

2.在集成电路中，通常需要检测内部信号是否在指定范围(即，临界范围)内或由范围上限和范围下限限定的公差窗口内。在这种设置中，希望内部信号保持在指定范围的边界内，而不进入灰色区域。可使用两个比较器来观察内部信号，其中一个监控上参考阈值(例如，上参考)，而另一个监控下参考阈值(例如，下参考)。
3.然而，为了确保可检测到违反指定范围的情况，参考阈值“上参考”和“下参考”必须位于指定范围内。换句话说，两个参考阈值不分别设置为指定范围的范围上限和范围下限，而是在该指定范围内。因此，上参考阈值小于范围上限，并且下参考阈值大于范围下限。在指定范围内设置参考(比较器)阈值的需求源于批量生产中两个比较器的制造公差。需要考虑这些制造公差，以确保比较器不监控指定范围外的值(这将导致“灰色区域”)。换句话说，如果比较器阈值位于临界范围之外，则临界范围之外的范围可被限定为灰色区域。因此，灰色区域是指信号超出其临界范围，但由于信号未达到其阈值而未触发比较器的情况。因此，如果比较器阈值位于被监控信号的允许临界范围之外，则灰色区域是信号上/下范围临界极限和上/下比较器阈值之间的区域。确保比较器不监控指定临界范围之外的值对比较器以及参考阈值“上参考”和“下参考”的精度提出严格的精度要求，这又会导致较大的芯片面积(出于匹配原因)。
4.因此，可期望一种改进的监控设备，其能够实现对比较器精度的宽松精度要求。这样的监控设备可进一步允许使用更小的比较器，这节省了芯片面积和成本。


技术实现要素：

5.实施例提供了一种灰色区域防止电路，包括：第一增益级电路，包括第一输入端子和第一输出端子，其中，第一增益级电路放大在第一输入端子处接收的反馈信号，并在第一输出端子处生成放大信号；第二增益级电路，包括端子和第二输出端子，其中，该端子被耦合到第一输出端子用于接收放大信号，其中，第二增益级电路被配置为基于放大信号在第二输出端子处生成被监控信号；反馈电路，耦合在第二输出端子和第一输入端子之间，并被配置为将被监控信号转换为反馈信号；以及比较器电路，包括耦合到第一输出端子的用于接收放大信号的监控节点，其中，比较器电路被配置为经由放大信号间接地监控被监控信号。
6.实施例还提供了一种防止被监控信号进入灰色区域的方法。该方法包括：通过第一增益级电路，放大反馈信号以便生成放大信号；通过第二增益级电路，基于放大信号生成被监控信号；通过反馈电路，将被监控信号转换为将被提供给第一增益级电路的反馈信号；以及通过比较器电路，经由放大信号间接地监控被监控信号。
附图说明
7.本文参考附图描述实施例。
8.图1是根据一个或多个实施例的信号监控电路的示意图；
9.图2a是根据一个或多个实施例的信号监控电路的示意图；
10.图2b示出了在图2a的信号监控电路内采取的各种电压的信号图；以及
11.图3是根据一个或多个实施例的信号监控电路的示意图。
具体实施方式
12.在下文中，阐述细节以提供对示例性实施例更透彻的解释。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其它实例中，以框图形式或示意图形式而非详细地示出已知结构和设备，以避免混淆实施例。此外，除非另有特别说明，否则下文描述的不同实施例的特征可相互组合。
13.此外，在下面的描述中，用等效或类似的参考标号表示等效或类似的元件或具有等效或类似功能的元件。由于相同或功能等效的元件在附图中具有相同的参考标号，因此可以省略对具有相同参考标号的元件的重复描述。因此，为具有相同或相似参考标号的元件提供的描述可相互交换。
14.应理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为与另一元件“直接连接”或“直接耦合”时，不存在中间元件。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似方式解释(例如，“之间”与“直接之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。
15.在本文所述或附图所示的实施例中，任何直接的电连接或耦合(即，没有附加中间元件的任何连接或耦合)也可以通过间接连接或耦合(即，具有一个或多个附加中间元件的连接或耦合)来实施，反之亦然，只要基本上保持连接或耦合的一般目的即可，例如传输某种信号或传输某种信息。可组合来自不同实施例的特征以形成进一步的实施例。例如，除非另有说明，否则关于实施例之一所描述的变化或修改也可适用于其他实施例。
16.术语“基本上”可在本文用于说明在不偏离本文所述实施例的方面的情况下被认为在行业中可接受的小制造公差(例如，在5％之内)。
17.在本公开中，包括序号的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修改各种元件。然而，这些元件不受上述表述的限制。例如，上面的表述不限制元件的顺序和/或重要性。上面的表述仅用于区分一个元件与其他元件。例如，第一框和第二框表示不同的框，尽管它们都是框。例如，第一元件可以称为第二元件，类似地，第二元件也可称为第一元件，而不脱离本公开的范围。
18.本公开的一个或多个方面可实施为非暂态计算机可读记录介质，其上记录有具体化方法/算法的程序用于指示处理器执行方法/算法。因此，非暂态计算机可读记录介质可具有存储于其上的电可读控制信号，其与可编程计算机系统协作(或能够协作)，从而执行相应的方法/算法。例如，非暂态计算机可读记录介质可以是cd-rom、dvd、蓝光盘、ram、rom、prom、eprom、eeprom、闪存或电存储设备。
19.本公开的每个元件可通过在控制处理器的存储器上实施专用硬件或软件程序来配置，以执行任何部件或其组合的功能。任何部件都可实施为中央处理单元(cpu)或其他处
理器，从诸如硬盘或半导体存储器设备的记录介质读取和执行软件程序。例如，指令可由一个或多个处理器执行，诸如一个或多个cpu、数字信号处理器(dsp)、通用微处理器、专用集成电路(asic)、现场可编程逻辑阵列(fpga)、可编程逻辑控制器(plc)、或其他等效集成或分立逻辑电路。
20.因此，本文使用术语“处理器”来指代任何前述结构或者适合于实施本文所述的技术的任何其他结构。因此，本公开描述的技术可至少部分地在硬件、软件、固件或其任何组合中实施。例如，所述技术的各个方面可在一个或多个处理器内实施，包括一个或多个微处理器、dsp、asic或任何其他等效集成或分立逻辑电路以及此类部件的任何组合。
21.包括硬件的控制器还可以执行本公开的一种或多种技术。包括一个或多个处理器的控制器可使用电信号和数字算法来执行其接收、分析和控制功能，这可进一步包括校正功能。这种硬件、软件和固件可在同一设备内或在单独的设备内实施，以支持本公开描述的各种技术。软件可存储在非暂态计算机可读介质上，使得非暂态计算机可读介质包括存储于其上的程序代码或程序算法，当被执行时使控制器经由计算机程序执行方法的步骤。
22.信号处理电路和/或信号调节电路可从一个或多个部件接收一个或多个信号，并对其执行信号调节或处理。如本文所使用的，信号调节是指以信号满足下一阶段进一步处理的要求的方式来处理信号。信号调节可包括从模拟到数字的转换(例如，经由模数转换器)、放大、滤波、转换、偏置、范围匹配、隔离以及使信号适合于调节后处理所需的任何其他处理。
23.因此，信号处理电路可包括模数转换器(adc)，其将来自一个或多个传感器元件的模拟信号转换为数字信号。信号处理电路还可以包括对数字信号执行一些处理的数字信号处理器(dsp)。
24.图1是根据一个或多个实施例的信号监控电路100的示意图。在该示例中，信号监控电路100用于间接地监控被监控电压vmon。信号监控电路100包括电耦合到一起的第一增益级10和第二增益级12。第一增益级10具有第一增益a1，以及第二增益级12具有可不同于第一增益a1的第二增益a2。具体地，第一增益a1可大于第二增益a2。例如，第一增益a1可以比第二增益a2至少大一个数量级，可以比第二增益a2至少大两个数量级，以及可以比第二增益a2至少大三个数量级。增益a1和a2之间的差越大，比较器16和18的精度要求就越宽松，将在下面进行讨论。然而，更一般地，a1的增益越高，比较器16和18可能越不准确。在这种意义上，可以忽略a2的增益值，因为第二增益级12不在检测反馈回路中。这样，增益a1的值与比较器16和18的精度一起工作。可以说，增益a1的值与比较器16和18的精度反向相关(例如，成反比)。当增益a1较低时，比较器16和18的精度要求增加。当增益a1较高时，比较器16和18的精度要求降低。
25.第二增益级12在其输出端子处生成被监控电压vmon。具体地，被监控电压vmon由反馈回路产生和调节。因此，信号监控电路100包括两个不同的增益级10和12，它们生成由反馈回路调节的输出电压(即，被监控电压vmon)。因此，信号监控电路100适用于由反馈回路产生信号的电路，诸如电压调节器和带隙电路。
26.反馈回路包括布置在反馈路径上的反馈(fb)电路装置14，其生成、转换或以其他方式根据被监控电压vmon得到反馈电压vfb。反馈(fb)电路装置14在其输入端子处接收被监控电压vmon，并在其输出端子处输出反馈电压vfb。反馈(fb)电路装置14从第二增益级12
的被监控电压vmon中提取电压vfb＝βvmon，其中，β是反馈(fb)电路装置14的函数，并且可以称为反馈比。
27.第一增益级10可以是高增益设备，诸如负反馈放大器，其包括两个输入端子和一个输出端子。作为更具体的示例，第一增益级10可以是运算放大器(op amp)。第一增益级10的一个输入端子(例如，反相输入)被配置为接收反馈电压vfb，而另一输入端子(例如，非反相输入)被配置为接收参考电压vref3。第一增益级10基于反馈电压vfb和参考电压vref3生成放大电压va。
28.例如，如果反馈电压vfb大于参考电压vref3，则第一增益级10通过根据其增益a1放大反馈电压vfb来生成放大器电压va。然而，由于反馈电压vfb大于参考电压vref3，所以放大器电压va变得更负，并且朝向提供给第一增益级10的负电源电压v-(例如，地或0v)移动。类似地，如果反馈电压vfb小于参考电压vref3，则第一增益级10通过根据其增益a1放大反馈电压vfb来生成放大器电压va。然而，由于反馈电压vfb小于参考电压vref3，所以放大器电压va变得更正，并且朝向提供给第一增益级10的正电源电压v (例如，vdd)移动。
29.由于负反馈回路和第一增益级10的高增益a1，被监控电压vmon的小变化导致第一增益级10的输出(即，放大器电压va)发生较大变化。第一增益级10的高增益a1可被设计为响应于被监控电压vmon与预定值或预定范围的任何偏差而将放大器电压va驱动到正电源电压v (例如，vdd)或负电源电压v-(例如，地或0v)。
30.窗口比较器电路被电连接到位于第一增益级10的输出和第二增益级12的端子之间(在一些情况下直接位于两者之间)的监控节点nmon。如此，放大器电压va被第二增益级12接收，并用于生成被监控电压vmon。第二增益级12可以是高欧姆调节设备，诸如晶体管。第二增益级12可以是其增益a2为1或基本为1的通过设备。第二增益级12可以是功率器件，诸如传导提供给节点的负载电流的功率晶体管。在第二增益级12是晶体管的情况下，接收放大器电压va并且耦合到监控节点nmon的端子可以是控制端子(诸如栅极端子)，并且放大器电压va可以是第二增益级12的栅极电压(即，控制电压)，其调节流过第二增益级12(例如，流过晶体管)的电流。
31.窗口比较器电路包括两个比较器16和18，它们用于限定与放大器电压va进行比较的公差窗口。例如，公差窗口通过由参考电压vref1限定的上参考值和由参考电压vref2限定的下参考值来限定。参考电压vref1、vref2和vref3固定在预定值。应理解，如果期望仅经由比较器16监控过压或经由比较器18监控欠压，则可以使用单个比较器(即，比较器16或18)来代替窗口比较器。
32.比较器16被配置为在其两个输入处接收参考电压vref1和放大器电压va，并响应于放大器电压va大于参考电压vref1而生成误差信号(例如，误差电压)verr1。例如，比较器16可被配置为当放大器电压va等于或小于参考电压vref1时生成低电压值，指示在被监控电压vmon处不存在误差。相反，比较器16可被配置为在放大器电压va大于参考电压vref1时生成高电压值verr1，指示在被监控电压vmon处存在误差。因此，比较器16可被视为过压比较器。
33.比较器18被配置为在其两个输入处接收参考电压vref2和放大器电压va，并响应于放大器电压va小于参考电压vref2而生成误差信号(例如，误差电压)verr2。例如，比较器18可被配置为当放大器电压va等于或大于参考电压vref2时生成低电压值，指示在被监控
电压vmon处不存在误差。相反，比较器18可被配置为在放大器电压va小于参考电压vref2时生成高电压值verr2，指示在被监控电压vmon处存在误差。因此，比较器18可被视为欠压比较器。
34.如上所述，被监控电压vmon的较小变化导致放大器电压va的较大变化。第一增益级10的高增益a1可被设计为响应于被监控电压vmon与预定目标值的偏差而将放大器电压va驱动到正电源电压v 或负电源电压v-(例如，地)。偏差可以是与预定目标值的“任何”偏差，或者可以是与预定目标值的预定量的偏差。窗口比较器电路的参考电压vref1和vref2被设置在电源电压v 和v-的限值内。换句话说，参考电压vref1被设置为小于电源电压v ，以及参考电压vref2被设置为大于电源电压v-。
35.因此，被监控电压vmon与预定目标值的偏差使得第一级放大器10将放大器电压va驱动到v 或v-的饱和值，超过由参考电压vref1和vref2限定的公差窗口的限值，从而生成误差信号verr1或verr2中的一个。如此，窗口比较器电路被配置为经由放大器信号va间接地监控被监控信号vmon。
36.可以理解，被监控电压vmon仅发生轻微变化，但由于第一增益级10(例如，运算放大器)的高开环增益，放大器电压va信号发生显著变化。检查放大器电压va的变化的窗口比较器电路的比较器16和18可具有更宽松的精度要求。换句话说，尽管两个比较器仍然用于窗口公差监控，但由于它们宽松的精度要求，所以面积要小得多。
37.此外，在被监控信号vmon仍完全在可接受公差窗口的规格内时(即，在其进入灰色区域之前)，检测到误差。换言之，尽管被监控信号vmon可能已经偏离可被视为最佳值或目标值的预定值，但被监控信号vmon总体上仍然可在系统的可接受操作限值内。然而，误差信号verr1或verr2的误差指示可提供预先指示或预警，需要继续监控以确保被监控信号vmon不超出可接受操作限值和/或激活附加的监控和故障检测措施以执行被监控信号vmon或其系统电路装置的附加监控。
38.图2a是根据一个或多个实施例的信号监控电路200的示意图。图2b示出了在信号监控电路200内采取的各种电压的信号图。具体地，图2a示出了具有第一增益级10作为运算放大器的电压调节器电路，其具有1000的增益a1和1.2v的参考电压vref3。图2a还示出了作为晶体管的第二增益级12，其具有的增益a2为1，在最佳条件下以1.5v输出被监控电压vmon，而当由于使电压略微下降的缺陷而可能存在泄漏电流时以1.49v输出被监控电压vmon。应理解，由于另一种类型的缺陷，被监控电压vmon也可从1.5v增加。反馈电路14是包括两个电阻器r1和r2的分压器，其基于被监控电压vmon生成反馈电压vfb。在该示例中，窗口比较器电路的参考电压vref1和vref2分别设置为2.1v和0.9v。运算放大器10的电源电压v 和v-分别设置为2.4v和0v。应理解，上述值是用于说明的目的，而非用于限制。
39.图2b示出了被监控电压vmon，作为被监控信号，其在1.5v到1.49v和1.51v之间波动。此外，图2b示出了作为被监控电压vmon的值的结果对放大器电压va的影响。具体地，当被监控电压vmon处于其目标调节值1.5v时，放大器电压va约为1.8v，且明显在由参考电压vref1和vref2限定的边界内。然而，当被监控电压vmon漂移到1.49v时，这种变化使得放大器电压va被驱动到2.4v(即，运算放大器10的电源电压v )，这超过(即，大于)参考电压vref1。另一方面，当被监控电压漂移到1.51v时，这种变化使得放大器电压va被驱动到0v(即，运算放大器10的电源电压v-)，这超过(即，小于)参考电压vref2。
40.当被监控电压vmon因管芯上的缺陷降低(例如)10mv时，反馈电压经由电阻分压器下降8mv。运算放大器10现在在其输入两端看到8mv的差分输入电压。例如，如果其增益为1000，则该8mv将导致va处的电压变化为8v。换句话说，由于饱和，va将达到运算放大器10的电源电压v 。类似地，如果被监控电压vmon被强制升高10mv，则运算放大器10将尝试纠正，如果无法纠正，则电压va将接地。
41.可以看出，被监控电压vmon仅强制变化轻微的量，但由于运算放大器10的高开环增益，放大器电压va信号发生显著变化。检查放大器电压va的变化的比较器16和18与它们直接监控被监控电压vmon相比具有更宽松的精度要求(图2b中的虚线分别是用于上限和下限违规的最佳比较器阈值)。此外，在被监控信号仍完全在规范内(仍在限定相应灰色区域的边界的临界下限和上限的边界内)时(例如，其为1.49v，但vmon的临界下限可为1.35v)，检测到缺陷。作为监控的结果，即使在采用比较器16和18的宽松精度要求时，也可以通过早期误差检测来防止被监控电压vmon进入灰色区域。
42.图3是根据一个或多个实施例的信号监控电路300的示意图。具体地，图3示出了带隙电压参考电路300，其产生固定的带隙电压(即，被监控电压vmon)，而不考虑电源变化、温度变化和来自设备的电路负载。带隙电压参考电路300包括作为运算放大器的第一增益级10，其具有的增益a1为1000，在其非反相端子处接收参考电压vref3，并在其反相端子处接收反馈电压vfb。运算放大器再次被配置为负反馈放大器。图3还示出了作为晶体管的第二增益级12，其具有的增益a2为1，其在目标电压下输出被监控电压vmon。被监控电压vmon可能由于电路中存在缺陷而偏离目标电压。
43.反馈电路14是带隙电压参考电路300的剩余部分，包括分别传导电流mi和i的电阻器r1和r2，其中“m”是倍增系数。反馈电路14还包括传导与绝对温度成正比(ptat)电流i
ptat
的ptat电阻器r
ptat
。反馈电路14的每个并联分支包括晶体管q1和q2，其中晶体管q2具有的反射极面积na比晶体管q1的发射极面积a大“n”倍。
44.带隙电压参考电路300还包括窗口比较器，该窗口比较器包括比较器16和18，以上述类似方式进行操作。即，比较器16和18接收从第一增益级10输出的放大器电压va，并基于放大器电压va与参考电压vref1和vref2的比较结果生成误差电压verr1和verr2。
45.被监控电压vmon与其目标电压结果的偏离是放大器电压va的较大变化，更具体地，导致将放大器电压va驱动到运算放大器电源电压v 或v-之一。参考电压vref1和vref2经过预配置，使得运算放大器电源电压v 或v-在它们限定的窗口之外。因此，将放大器电压va驱动到运算放大器电源电压v 或v-之一触发误差信号verr1或verr2之一。如上所述，误差信号verr1和verr2可作为预先指示，需要采取进一步监控动作以防止被监控电压vmon偏离临界范围(即，防止vmon进入灰色区域)。作为监控的结果，即使在采用比较器16和18的宽松精度要求时，也可以通过早期误差检测来防止被监控电压vmon进入灰色区域。
46.检查放大器电压va变化的比较器16和18的精度要求比直接监控被监控电压vmon的比较器要宽松得多。此外，当被监控信号仍完全在规范内(仍在其临界下限和上限范围的边界内)时，检测到缺陷。即，它没有进入灰色区域。
47.虽然已经描述了各种实施例，但本领域普通技术人员显而易见的是，在本公开的范围内可具有更多的实施例和实施。因此，除了根据所附权利要求及其等效物，不限制本发明。
48.对于上述部件或结构(组件、设备、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述此类部件的术语(包括对“手段”的引用)旨在对应于执行所述部件的指定功能的任何部件或结构(即，功能等效)，即使在结构上不等效于在本文所示的本发明的示例性实施中执行该功能的公开结构。
49.此外，以下权利要求在此并入详细描述，其中每个权利要求可作为单独的示例实施例独立存在。虽然每个权利要求可作为单独的示例实施例独立存在，但应当注意，尽管从属权利要求可在权利要求中提及与一个或多个其他权利要求的特定组合，但其他示例实施例也可以包括该从属权利要求与每个其他从属或独立权利要求的主题的组合。除非说明不打算进行特定组合，否则本文建议采用此类组合。此外，还将一项权利要求的特征包括到任何其他独立权利要求，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要求。
50.还应注意，说明书或权利要求中公开的方法可通过具有执行这些方法的每个相应动作的装置来实施。
51.此外，应当理解，说明书或权利要求书中公开的多个动作或功能的公开不得解释为在特定顺序内。因此，多个动作或功能的公开不会将其限于特定顺序，除非此类动作或功能因技术原因不可互换。此外，在一些实施例中，单个动作可包括多个子动作或者可被分解成多个子动作。除非明确排除，否则可包括此类子动作并作为单个动作的公开部分。
52.总之，尽管已经公开了各种示例性实施例，但本领域技术人员将明白，可以进行各种更改和修改，这将在不脱离本发明的精神和范围的情况下实现本文公开概念的一些优点。本领域技术人员将明白，可以适当地替换执行相同功能的其他部件。应当理解，可以利用其他实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行结构或逻辑改变。应当提及，参考特定附图解释的特征可与其他附图的特征相结合，即使未明确提及。所附权利要求书及其法律等效物涵盖对一般发明构思的此类修改。