專利名稱：混合信號處理系統(tǒng)及其供電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及模擬和數(shù)字系統(tǒng)，更具體地說，涉及混合模擬和數(shù)字信號處理系統(tǒng)。
電信產(chǎn)品常進(jìn)行混合信號處理，即同時處理模擬和數(shù)字信號。例如，數(shù)字無繩電話手機(jī)(handset)通過麥克風(fēng)接收模擬語音信號、將該語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字語言信號、壓縮此數(shù)字語音信號、以射頻(RF)調(diào)制該壓縮信號、并經(jīng)天線傳送該調(diào)制RF信號。傳送的RF信號由附近的基站接收、轉(zhuǎn)換回模擬信號、并最終被送至接收電話機(jī)。當(dāng)從接收電話機(jī)收到類似信號時，電話信號經(jīng)歷同樣的過程;基站隨后傳送相應(yīng)的數(shù)字RF信號。該RF信號經(jīng)天線由手機(jī)接收、解調(diào)、解除壓縮、并轉(zhuǎn)換成驅(qū)動手機(jī)中的揚(yáng)聲器的模擬語音信號。這樣，在數(shù)字無繩電話手機(jī)的運(yùn)行中同時需要模擬和數(shù)字功能。
然而，混合信號處理應(yīng)用中的模擬和數(shù)字電路有不同的電源要求。例如，數(shù)字電路一般是用互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)制造的。CMOS的優(yōu)點是功率消耗與其他技術(shù)要比較低。數(shù)字CMOS電路可在大范圍電源電壓(例如從傳統(tǒng)的+5.0V低至+3.0V以下)下運(yùn)行。在更高電源電壓下，CMOS電路更快，但有其他問題。它們的功耗將大于低電源電壓時的功耗，在高于一定電壓時它們還有可靠性的問題。由于數(shù)字CMOS邏輯電路提供基本上等于全電壓的邏輯電平，更高的電源電壓被加到CMOS晶體管的門上。若CMOS晶體管上加的電壓太大，就會發(fā)生門擊穿或門氧化損壞。因此，必須限制電源電壓以避免可靠性問題。另一方面，模擬電路常要求比數(shù)字電路更高的最小電源電壓。例如，許多放大器有固有電源凈空(headroom)限制，它在電源電壓過低時會導(dǎo)致放大器輸出失真。
復(fù)雜的是，數(shù)字無繩電話手機(jī)和其他混合信號處理環(huán)境需要電池運(yùn)行。此電池可是諸如一或多個可再充電的鎳-鎘(nicad)電池或類似的電池。但電池電壓在充電之間變化很大。例如，一節(jié)型號AA的鎘鎳電池在剛充電后電壓可達(dá)1.7至1.8伏，但在耗盡前電壓可降至0.9至1.0伏。這樣，三節(jié)AA型鎘鎳電池在兩次充電之間的電壓范圍是從5.4伏至2.7伏。
已知的混合信號處理系統(tǒng)在這種不同的電壓要求下無法有效地運(yùn)行。例如，可把電池提供的電源電壓輸入一供給泵，以提高提供給某些內(nèi)部電路的電壓。在此情況下，數(shù)字電路接收電池電壓，而模擬電路接收更高的、經(jīng)供給泵提升的電壓。顯然，這種設(shè)計要求很小的電池電壓變化，以使數(shù)字和模擬電路均能正常工作。因此，由于鎘鎳電池和其他類型的電池的電壓的變化，它們不能很好地適用于這些系統(tǒng)。若電池電源電壓接近其上限，則供給泵提升后的電壓很高并顯著增大了功耗并降低了可靠性。功耗增加也使電池壽命縮短。
因此，在一方面，提供了一種混合信號處理系統(tǒng)，它包括耦合到第一和公共電源電壓端的用于提供一第二電源電壓的裝置、用于提供第三電源電壓的裝置、和一模擬子系統(tǒng)。第二電源電壓是以第一預(yù)定電勢提供的，而該電勢以公共電源電壓為參照。第一預(yù)定電勢的絕對值小于第一電源電壓的標(biāo)稱電勢，并且相對于第一電源電壓的變化基本上是恒定的。用于提供第三電源電壓的裝置與第一和公共電源電壓端相耦合。該第三電源電壓是以參照于公共電源電壓的第二預(yù)定電勢提供的。第二預(yù)定電勢的絕對值大于第一電源電壓的標(biāo)稱電勢，而且相對于第一電源電壓的變化而言基本上是恒定的。數(shù)字子系統(tǒng)與公共電源電壓端相耦合并接收第二電源電壓。模擬子系統(tǒng)與公共電源電壓端相耦合并接收第三電源電壓。
在另一方面，提供用于改善外部電壓供電混合信號處理系統(tǒng)的性能的方法，它包括把外部電壓調(diào)節(jié)到第一預(yù)定電平、把調(diào)節(jié)后的外部電壓提供給混合信號處理系統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)、對外部電壓用供給泵進(jìn)行提升、把供給泵提升的外部電壓調(diào)節(jié)到第二預(yù)定電平、把調(diào)節(jié)后的供給泵提升外部電壓提供給混合信號處理系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)。
從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)說明，可更清楚地了解這些及其他特征和優(yōu)點。在附圖中

圖1以框圖形式顯示了數(shù)字無繩電話手機(jī)，它采用了根據(jù)本發(fā)明的混合信號處理系統(tǒng);
圖2以部分框圖和部分示意圖的形式，顯示了圖1的混合信號處理系統(tǒng);
圖3以部分框圖和部分示意圖的形式，顯示了圖2的PCM編碼譯碼器;
圖4以部分框圖和部分示意圖的形式，顯示了圖2的調(diào)節(jié)供給泵;
圖5以部分框圖和部分示意圖的形式，顯示了圖4的調(diào)節(jié)供給泵中所用的偏壓電路。
圖1以框圖形式顯示了采用根據(jù)本發(fā)明的混合信號處理系統(tǒng)22的數(shù)字無繩電話手機(jī)20。手機(jī)20采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如U.K.CordlessTelphone，SecondGeneration(CT-2)或DigitalEuropeanCordlessTelephone(DECT)標(biāo)準(zhǔn)。例如，根據(jù)CR-2協(xié)議，電話信號在手機(jī)20和基位(圖1中未顯示)間，是以半雙工(half-duplex)或乒乓方式，以包的形式進(jìn)行數(shù)字接收和傳送的。天線24被用于傳送和接收電話信號的射頻(RF)表示。RF系統(tǒng)25連到天線24，以接收和解調(diào)及發(fā)送和調(diào)制電話數(shù)據(jù)的數(shù)字串。這里所用的術(shù)語中，“信號”是指隨時間變化的電信號，而“數(shù)字信號”是指該信號的一系列取樣。一個“包”包括該數(shù)據(jù)信號的一部分，或是電話信號的一指定數(shù)目的數(shù)字取樣，以及數(shù)字信號位。
來自基站的包以調(diào)制RF信號的形式被天線24接收。射頻系統(tǒng)25接收該RF信號并將其解調(diào)。調(diào)制方案是由一近似高斯濾波器形成的二級FSK，如在CT-2CommonAirInterfaceSpecification中所描述的。該包隨后被送到時分雙工單元26。時分雙工單元26將該包分成其兩個組成分量，從而使微處理器27能得到信號位。時分雙工單元26使混合信號處理系統(tǒng)22能通過輸入和輸出信號32a而得到壓縮數(shù)字信號。隨后，微機(jī)27讀取信號位并執(zhí)行有關(guān)的信號功能，如呼叫建立和切斷。
混合信號處理系統(tǒng)22包括一適配差分脈沖碼調(diào)制器(ADPCM)代碼轉(zhuǎn)換器28和脈沖碼調(diào)制器(PCM)編碼-解碼器(codec)29。ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器28用傳統(tǒng)的算法，如CCITTRecommendationG.721或AmericanNationalStandardT1.301-1988，來解除對從時分雙工26接收的壓縮數(shù)字信號的壓縮。當(dāng)解除壓縮時，數(shù)字信號以用傳統(tǒng)算法，如A規(guī)則或m規(guī)則(A-lqw或m-law)壓縮的數(shù)字PCM數(shù)據(jù)的形式存在。ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器通過輸入和輸出信號32b連到微機(jī)27。微機(jī)27通過輸入和輸出信號32b后動并控制ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器28的運(yùn)行。PCM編碼譯碼器29通過輸入和輸出信號33接收PCM數(shù)據(jù)、執(zhí)行A規(guī)則或m規(guī)則的壓縮解除以形成模擬電話信號、并把該模擬電話信號經(jīng)輸出信號35提供給話筒31和鈴(圖1中未顯示)。圖1中未顯示ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器28和PCM編碼譯碼器29間的其他接口電路。
麥克風(fēng)30經(jīng)輸入信號34把模擬電話信號提供給PCM編碼譯碼器29。PCM編碼解碼器29把此模擬電話信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電話信號并按A規(guī)則或m規(guī)則算法將其壓縮，并通過輸入和輸出信號33向ADPCM代碼轉(zhuǎn)換28提供數(shù)字電話信號。ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器28隨即根據(jù)傳統(tǒng)算法(如CCITTG.721或ANSIT1.301-1988標(biāo)準(zhǔn))壓縮此數(shù)字電話信號并把此壓縮數(shù)字信號提供給時分雙工單元26。時分雙工單元26隨后將來自微機(jī)27的信號位與來自ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器28的壓縮數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)相結(jié)合，以形成CT-2包。時分雙工單元26把該CT-2包提供給射頻系統(tǒng)25，后者對此包進(jìn)行調(diào)制并將其以RF信號的形式提供給天線24，在此該包被發(fā)射出去并最終為基站所接收。PCM編碼譯碼器ec29執(zhí)行傳統(tǒng)集成電路(如MotorolaMC145554m-lawPCMCodec-Filter或MotorolaMC145557A-lawPCMCodec-Filter)的功能。ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器28也執(zhí)行傳統(tǒng)集成電路-如MolorolaMC145532ADPCMTranscoder-的功能。
PCM編碼譯碼器濾波器29主要是模擬的，而ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器28主要是數(shù)字的;然而，要求混合信號處理系統(tǒng)22用通常由三節(jié)AA電池(圖1中未顯示)組成的同一電池電源進(jìn)行工作。混合信號處理系統(tǒng)必須在從2.7V至5.25V的電池電壓下工作并仍要滿足CT-2規(guī)范。同時，功耗要盡量小，以延長電池壽命。ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器28必須在處理包所需的時間內(nèi)運(yùn)行，以處理連續(xù)、實時的語音信號。另外，還要求可靠的操作。因此，需要一種能滿足這些要求的新設(shè)計?；旌闲盘柼幚硐到y(tǒng)22滿足了這些要求，如要結(jié)合圖2所描述的。
圖2以部分框圖和部分示意圖的形式顯示了圖1的混合信號處理系統(tǒng)22?；旌闲盘柼幚硐到y(tǒng)22包括ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器28和PCM編碼譯碼器濾波器29，如前在圖1中所示。另外，混合信號處理系統(tǒng)22還包括帶有電壓調(diào)節(jié)器41的的子系統(tǒng)40、帶隙電壓基準(zhǔn)器42、調(diào)節(jié)供給泵43、電平移動器44、以及幾個電源終端和信號線。這些終端包括用于接收標(biāo)為“VBAT”的電壓的終端70、用于接收標(biāo)為“VSS”的電壓的終端71、第一電容器終端72、第二電容器終端73、和第三電容器終端74。信號線包括輸入和輸出信號線32、輸入信號線34、輸出信號線34′、以及輸入和輸出信號線35′。與圖1中信號線相對應(yīng)的信號線被給予相同的標(biāo)號。然而，圖2的輸入和輸出信號線象前面圖1中所示的那樣包括輸入和輸出信號線32a和32b，而輸入和輸出信號線35′包括圖1的輸出信號線35和圖1中未顯示的其他輸入和輸出信號線。ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器28包括輸入和輸出緩沖器50和一個三伏特數(shù)字子系統(tǒng)51。PCM編碼譯碼器29包括一個五伏特模擬子系統(tǒng)60和電池供電模擬子系統(tǒng)61。第一電容器80連在終端72和73之間，而第二電容器81連在終端74和71之間。
VBAT是由諸如具有3.75V的標(biāo)稱電壓但在充電之間卻在2.7和5.4V間變化的三節(jié)AA鎘鎳電池提供的。VSS是具有零伏標(biāo)稱電壓值的公共或接地電源電壓。因此，混合信號處理系統(tǒng)22只與一單一的電池電源相連。在電源子系統(tǒng)40中，帶隙電壓基準(zhǔn)器42與電壓VBAT和VSS相連并提供一穩(wěn)定、精確的目標(biāo)為“VREF”的電壓作為響應(yīng)。帶隙電壓基準(zhǔn)器42是一帶隙電壓基準(zhǔn)電路，它能在低至約2.7V的電源電壓下運(yùn)行。
電壓調(diào)節(jié)器41連在VBAT和VSS之間，并接收電壓VREF以提供一內(nèi)部基準(zhǔn)。電壓調(diào)節(jié)器41是傳統(tǒng)的CMOS電壓調(diào)節(jié)器，它提供標(biāo)為“VDSP”的調(diào)節(jié)輸出電壓。VDSP具有3.0V的標(biāo)稱值，它在VBAR變化時基本保持恒定，直至VBAT接近3.0V。當(dāng)VBAT低于3.0V時(當(dāng)鎘鎳電池的電壓因放電而下降時)，VDSP相應(yīng)地下降。
電源子系統(tǒng)40還包括連在VBAT和VSS之間的調(diào)節(jié)供給泵43。調(diào)節(jié)供給泵43經(jīng)終端72連到第一電容器80的第一終端、經(jīng)終端73連到第一電容器80的第二終端、經(jīng)終端74連到第二電容器81的第一終端、接收電壓VREF和標(biāo)為“CLOCK”的時鐘信號、并提供標(biāo)為VDD的輸出電壓。調(diào)節(jié)供給泵43結(jié)合了兩個傳統(tǒng)功能。第一，調(diào)節(jié)供給泵43通過定時電容電荷泵取而增加了電壓VBAT。在一較佳實施例中，混合信號處理系統(tǒng)22包括在一單一的整體集成電路中。電容器80和81太大，不能整體地提供，因而是在集成電路以外。第二，調(diào)節(jié)供給泵43調(diào)節(jié)電荷泵取的電壓，以提供一標(biāo)為“VDD”的電壓。VDD有約5.0V的標(biāo)稱電壓，但在VBAT改變時(因調(diào)節(jié))基本保持恒定。
ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器28，是根據(jù)不同的電源要求而修改成為單獨(dú)內(nèi)部電路的傳統(tǒng)ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器。在ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器28中，輸入和輸出緩沖器50與三伏數(shù)字子系統(tǒng)51并連在VBAT和VSS之間，并通過輸入和輸出信號線32提供和接收信號。除了由輸入和輸出緩沖器50提供的功能外，三伏數(shù)字子系統(tǒng)51執(zhí)行傳統(tǒng)ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器所有功能。子系統(tǒng)51連在VDSP和VSS之間、連到輸入和輸出緩沖器50、接收來自五伏模擬子系統(tǒng)60的輸入信號、并通過信號線33b向電平移動器44提供輸入信號，這些信號之一是“CLOCK”，它也被用于調(diào)節(jié)供給泵43。電平移動器44接收電源電壓VDSP和VDD并在VSS耦合，并移動信號線33b傳送的信號電平并向子系統(tǒng)60提供相應(yīng)的信號33c。PCM Codec29是經(jīng)過改裝的傳統(tǒng)PCMCodec，以根據(jù)不同的電源要求隔離內(nèi)部電路。在PCM Codec29中，除了子系統(tǒng)61執(zhí)行的如下所述的專用功能外，五伏模擬子系統(tǒng)60執(zhí)行傳統(tǒng)PCM Codec的所有功能。子系統(tǒng)60連在VDD和VSS之間、通過輸入信號線34接收麥克風(fēng)信號、并經(jīng)信號線33a連到子系統(tǒng)51。電池供電模擬子系統(tǒng)61連在VBAT和VSS之間并連到輸入和輸出信號線35′。
混合信號處理系統(tǒng)22與已知混合信號處理系統(tǒng)相比有幾個優(yōu)點。首先，混合信號處理系統(tǒng)22降低了功耗。電壓調(diào)節(jié)器41向子系統(tǒng)51提供電源電壓VDSP，VDSP相對于VBAT的改變基本上是恒定的。通過將電源電壓設(shè)定在線路運(yùn)行的最小電壓附近，數(shù)字子系統(tǒng)51的功耗被降到最小。同時，數(shù)字子系統(tǒng)51以很快的速度(在VDSP＝3.0V)執(zhí)行ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器的功能(除了輸入和輸出功能)，以滿足規(guī)定，包括實時壓縮和解除壓縮。在一較佳實施例中，子系統(tǒng)51采用CMOS數(shù)字邏輯。CMOS邏輯電路可設(shè)計成在高速和低電源電壓(如3V)下運(yùn)行的。然而，這種電路在電源電壓增至4.0或5.0V時消耗大量的功率，并且由于電源總線需要額外的面積，集成電路的面積增大。功耗電平降低，結(jié)溫度就低;這樣，集成電路的封裝要求就可放寬且可靠性得到加強(qiáng)，另一好處是數(shù)字子系統(tǒng)51是在較小的電源電壓范圍內(nèi)運(yùn)行的，從而簡化了電路設(shè)計。
第二，混合信號處理系統(tǒng)22即使在VBAT變化時也能可靠地執(zhí)行模擬功能。調(diào)節(jié)供給泵43為所需的模擬運(yùn)行提供了足夠高的電源電壓VDD。在VDD為5V時，模擬子系統(tǒng)60中的模擬電路有足夠的線性運(yùn)行凈空(headroom)。另外，避免了傳統(tǒng)整數(shù)供給泵提供的有害高壓。例如，若模擬電路由VBAT直接供電，當(dāng)VBAT在其下限(約2.7V)時性能將會減弱。另一方面，若用標(biāo)準(zhǔn)的2倍整數(shù)供給泵為模擬電路供電，則電壓范圍將從5.4至約10.8V。在此范圍的上限，可靠性將降低。
第三，混合信號處理系統(tǒng)22可靠地與外部電路相接?；旌闲盘柼幚硐到y(tǒng)22把輸入和輸出緩沖器50與數(shù)字子系統(tǒng)51相分離。當(dāng)數(shù)字子系統(tǒng)51與VDSP相連時，輸入和輸出緩沖器50連在VBAT和VDD之間。這樣，輸入和輸出級沖器60的邏輯高輸出信號電平對應(yīng)于其他裝置(如微機(jī)27)的輸出信號電平。如圖1所示，ADPCM編碼譯碼器28同時與時分雙工單元26和微機(jī)27相連。電平移動器44類似地增加數(shù)字子系統(tǒng)51提供給模擬子系統(tǒng)60的數(shù)字信號的邏輯電平。
第四，混合信號處理系統(tǒng)22，通過由VDD向模擬子系統(tǒng)60供電并由VBAT向電池供電的輸出子系統(tǒng)61供電，降低了功耗。模擬子系統(tǒng)61中的線路包括需要高電流驅(qū)動的驅(qū)動器。例如，子系統(tǒng)61包括向圖1的揚(yáng)聲器31提供模擬輸出的驅(qū)動器。通過隔離此電路，調(diào)節(jié)供給泵43引起的效率損失不包括來自高電流驅(qū)動器的損失。
圖3以部分框圖和部分示意圖的形式顯示了PCM編碼譯碼器29。圖3中所示的是模擬子60和電池供電模擬子系統(tǒng)61，系統(tǒng)61包括放大器100、101、和102。模擬子系統(tǒng)60提供了標(biāo)為“RO”、“AXI+”和“AXI-”的接收模擬輸出信號。AXI+和AXI-形成了模擬輸出信號的差分表示。在子系統(tǒng)61中，放大器100是一差分放大器，它在輸入端接收信號AXI+和AXI-，并在其正輸出端上提供標(biāo)為“AX0+”的信號，在其負(fù)輸出端上提供標(biāo)為“AX0-”的信號。放大器101是一運(yùn)算放大器，它在其負(fù)輸入端上接收標(biāo)為“PI”的輸入信號、在其正輸入端上接收標(biāo)為“VAG”的信號電壓、并提供標(biāo)為“PO-”的信號。VAG是一模擬接地基準(zhǔn)電壓，其值約為VBAT/2。放大器102是一倒相放大器，它在其一個輸入端接收信號PO-，并在其一個輸出端提供標(biāo)為“PO+”的信號。信號AX0+和AX0-可用來驅(qū)動諸如電鈴之類的輸出裝置(圖1中未顯示)。輸入信號PI通常接收信號RO，并與外部電阻一同被用來設(shè)定放大器101和102提供的推挽信號PO+和PO-的增益。放大器101和102足以驅(qū)動電話手機(jī)耳機(jī)或小揚(yáng)聲器。用VBAT而不是VDD為子系統(tǒng)61供電，通常防止因調(diào)節(jié)供給泵43的效率小于100%，而引起的較大功率損耗，降低了功耗。
圖4以部分示意圖和部分框圖的形式，顯示了圖2中的調(diào)節(jié)供給泵43。調(diào)節(jié)供給泵43一般地包括無重疊時鐘發(fā)生器電路110、偏壓電路111、比例部分112、積分部分113、和供給泵芯114。比例部分112包括放大器120、發(fā)送門121、及P溝道晶體管122。積分部分113包括放大器130、發(fā)送門131和132和133、P溝道晶體管134、電容器135、發(fā)送門136、電容器137、發(fā)送門138、電容器139、發(fā)送門140和141、及放大器142。供給泵芯114包括電容器80、P溝道晶體管150和151和152、N溝道晶體管153、P溝道晶體管154、及電容器81。
無重疊時鐘電路110接收信號CLOCK、與電源電壓VBAT和VDD和VSS相耦合、并提供標(biāo)為“F1”、“F1”、“F2”、和“F2”的無重疊時鐘信號，這些信號被電平移動至VDD和VSS之間、接收電源電壓VDD、并提供標(biāo)為“VPDD”的輸出信號和標(biāo)為“PTU BBIAS”的輸出信號。
在比例部分112中，放大器120是具有用于接收信號VREF的負(fù)輸入端、用于接收信號VPDD的正輸入端、及用于提供標(biāo)為“PCBRL”的信號的輸出端的運(yùn)算互導(dǎo)放大器(OTA)。發(fā)送門121有用于接收信號PCNTL的第一電流端、第二電流端、用于接收信號F1的正控制端、和用于接收信號F1的負(fù)控制端。晶體管122有用于接收電源電壓VDD的源極、用于接收信號F1的柵極、和連到發(fā)送門121的第二電流端的漏極。
在集成部分113，放大器130有用于接收信號VPDD的正輸入端、負(fù)輸入端、以連到放大器130的負(fù)輸入端的輸出端。發(fā)送門131有連到放大器130的輸出端的第一電流端、第二電流端、用于接收信號F2的正控制端、及用于接收信號F2的負(fù)控制端。發(fā)送門132有連到發(fā)送門131的第二電流端的第一電流端、用于提供標(biāo)為“ICBTL”的信號的第二電流端、用于接收信號F1的正控制端、及用于接收信號F1的負(fù)控制端。發(fā)送門133有用于接收信號ICBRL的第一電流端、第二電流端、用于接收信號F1的正控制端，及用于接收信號F1的負(fù)控制端。晶體管134有用于接收電源電壓VDD的源極、用于接收信號F1的柵極、和連到發(fā)送門133的第二電流端的漏極。電容器135有連到發(fā)送門131的第二電流端的第一端和第二端。發(fā)送門136有用于接收信號VREF的第一電流端、第二電流端、用于接收信號F1的正控制端、及用于接收信號F1的負(fù)控制端。電容器137有連到發(fā)送門136的第二電流端的第一端和連到電容器135的第二端的第二端。發(fā)送門138有連到電空器135和137的第二端的第一電流端、第二電流端、用于接收信號F1的正控制端、及用于接收信號F1的負(fù)控制端。電容器139有連到發(fā)送門138的第二電流端的第一端和連到發(fā)送門132的第二電流端的第二端。發(fā)送門140有連一放大器130的輸出端的第一電流端、連到發(fā)送門136的第二電流端的第二電流端、用于接收信號F2的正控制端、及用于接收信號F2的負(fù)控制端。發(fā)送門141有連到放大器130的輸出端的第一電流端、連到電容器135和137的第二端的第二電流端、用于接收信號F2的正控制端、及用于接收信號F2的負(fù)控制端。放大器142有連到發(fā)送門138的第二電流端的負(fù)輸入端、連到放大器130的輸出端的正輸入端、連到放大器130輸出端的正輸入端、及連到發(fā)送門132的第二電流及電容器139的第二端的輸出端。
在供給泵114中，晶體管150有連到VBAT的源極、連到發(fā)送門121的第二電流端的柵極、一個漏極、及一個接收信號PTBUBIAS的部分或井。晶體管151有連到VBAT的源極、連到發(fā)送門133的第二電流端的柵極、在端72與晶體管150的漏極相連的漏極、及用于接收信號PTUBBIAS的部分或井。晶體管152有連到晶體管150和151的漏極的第一電極、用于接收信號F2的柵極、用于提供電源電壓VDD的第二電極、及接收信號PTUBBIAS的部分或井。應(yīng)注意，哪個電極被用作源或漏極取決于所加的電壓。電容器80有連到端72的第一端及連到端73的第二端，如前所述。晶體管153有與電容器80有連到端72的第一端及連到端73的第二端，如前所述。晶體管153有與電容器80在節(jié)點73相連的漏極、用于接收信號F1的柵極、和連至VSS的源極。晶體管154有連到電源電壓VBAT的源極、用于接收信號F2的柵極、連至昌體管153的漏極的漏極、和連至PTUBBIAS的部分或井。電容器81有終端74連至晶體管152的第二電極的第一端和連到VSS的第二端，如前面所述。
電路110是傳統(tǒng)的非重迭時鐘發(fā)生電路，它接收信號CLOCK并提供標(biāo)為F1、F1、F2、F2的四個時鐘信號，這些信號被電平移動至CDD。由于是非重迭的，信號F1與信號F2不同，而信號F2與信號F1不同，如前面結(jié)合圖2所描述的，電容器80和81分別經(jīng)端72與73和74與71耦合到調(diào)節(jié)供給泵電路43。盡管可把電容器80和81視為調(diào)節(jié)供給泵的組成部分，由于它們所需的尺寸，最好還是使基處于包括調(diào)節(jié)供給泵43的集成電路之外。例如，在所示的實施例中，電容器80和81的值分別為約0.1和1.0微法，因而把這樣的電容做在集成電路中是不實際的。
供給泵芯114用充電電容80來提供高于電壓VBAT的電壓VDD。然而，比例部分112和積分部分113改變供給泵芯114的運(yùn)行，以整體地調(diào)節(jié)VDD。在F1期間(F1是活動的)，晶體管153導(dǎo)通并把電容器80的第二端耦合至VSS。在傳統(tǒng)的供給泵設(shè)計中，一個晶體管還在F1期間把電容器80的第一端耦合至VDD。F2使昌體管152不導(dǎo)通，從而將電容器80的第一端與VDD隔開。這樣，在F1期間，通過維持電容器81使VDD得以保持。晶體管154也是不導(dǎo)通的。但在F2期間(F2是活動的)，晶體管153是不活動的，而晶體管154導(dǎo)通并把電容器80的第二端與VBAT接通。這一動作使電容器80的第一端的電質(zhì)升至約為VBAT的兩倍。晶體管152也是導(dǎo)通的，而存貯在電容器80中的電荷被放到維持電容器81中。在F2的終結(jié)處，晶體管152變成不導(dǎo)通且維持電容81保持VDD的電平。通過重復(fù)這一操作，電容器81最終充電至約為VBAT的兩倍。
然而，在調(diào)節(jié)供給泵電路43中，從電容器80的第一端至VB-AT的傳統(tǒng)晶體管被晶體管150和151代替。晶體管150和151響應(yīng)信號PCBTL和ICNTL，這些信號比例部分112和積分部分113提供。放大器120和142有以VDD為參照的輸出，而放大器130有以VBAT為參照的輸出。比例部分112使晶體管150根據(jù)VPDD和VREF的比較使晶體管150相應(yīng)地導(dǎo)通。部分112具有快速的響應(yīng)，以把VDD大概地調(diào)到所需的電壓。然而積分部分113的運(yùn)行速度要慢一些，使晶體管151相應(yīng)地導(dǎo)通，以把VDD非常準(zhǔn)確地調(diào)到所需的值。這樣，調(diào)節(jié)供給泵43對VBAT作電荷泵取并調(diào)節(jié)電荷泵取的電壓，以有效地提供所需電壓的VDD(+5.04伏)。
偏壓電路111以VDD所需值的預(yù)定分?jǐn)?shù)提供VPDD;該預(yù)定分?jǐn)?shù)是當(dāng)VDD等于其所需值時使VPDD等于VREF的分?jǐn)?shù)。在所示的實施例中，VDD的所需值是+5.0V，而VREF的值約為1.25V。這樣，為使VPDD在VDD為5.0V時等于1.25V，要用0.25的分?jǐn)?shù)值。該分?jǐn)?shù)的精確度取決于產(chǎn)生它的技術(shù)，這在下面結(jié)合圖5進(jìn)行描述。
放大器120比較VREF和VPDD。在所示實施例中，放大器120是運(yùn)算互導(dǎo)放大器(ORA)，其輸入電壓隨正和負(fù)輸入端電壓之差變化。晶體管150的柵極提供了一電容性負(fù)載，晶體管122向VDD提供了一個正偏。在F1期間，發(fā)送門121是活動的，放大器120輸出端的信號PCNTL傳送到晶體管150的柵極。
放大器120改變信號PCNTL，直至正和負(fù)輸入端的電壓相等;這樣，放大器120差分地使晶體管150或多或少地導(dǎo)通，直到VDD大致等于其期望值。比例部分112響應(yīng)于負(fù)載條件的改變，非常迅速地對VDD進(jìn)行運(yùn)行;然而，放大器120和發(fā)送門121引入了限制VDD準(zhǔn)確性的偏移。
積分部分113調(diào)節(jié)晶體管151的導(dǎo)通，以進(jìn)一步增加VDD的畏確度。積分部分113是一開關(guān)電容器差分積分器，它對VPDD和VREF之差在時間上進(jìn)行積分。雖然積分部分113的反響速度慢于比例部分112，但它包括了信號電平的歷史，這最終消除了比例部分112的偏移誤差、放大器130是單位增益差分放大器，它緩沖信號VPDD并阻止積分部分113干擾比例部分112的運(yùn)行。在功率增大時，信號PCNTL和ICNTL的電勢低，使昌體管150和151高度導(dǎo)通，以便快地達(dá)到VDD的期望值。由于電流快速改變引起的電池壽命縮短和電源電壓下降(稱為di/dt電壓下降)，很重要的是把一電阻與晶體管150和151的柵有相串聯(lián)，以降低開關(guān)速度(圖4中未顯示)。
調(diào)節(jié)供給泵43，在不用先把電池電壓電荷取到其倍數(shù)并隨后把電壓調(diào)節(jié)或電荷泵取到所期望的較低值的情況下，提供了約5.0V的的期望值的VDD。對于VBAT的某些值，這種調(diào)節(jié)是很有利的，例如，在剛剛再充電后，VBAT可是約5.4V。傳統(tǒng)的電壓加倍供給泵電路提供約10.8V的電壓，這可能損壞設(shè)計運(yùn)行電壓為5.0V的電路。另外，傳統(tǒng)的分流調(diào)節(jié)或箝位方法也浪費(fèi)電流。調(diào)節(jié)供給泵43以不把VDD加倍的方式提供調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)供給泵43也不用諸如齊納二極管的箝位裝置來限制輸出電壓，而是用比例和積分部分來以高精確度的高效率提供VDD。
圖5以部分示意和部分框圖的形式，顯示了用在圖4的調(diào)節(jié)供給泵43中的偏壓電路111。偏壓電路111一般包括第一電阻串電路200、第二電阻串電路210、比較器220、滯后控制電路230、和偏壓發(fā)生電路240。第一電阻串電路200包括電阻201和202、發(fā)送門203、電阻204和205、及發(fā)送門206和207。第二電阻串電路210包括電阻211、發(fā)送門212和213、及電阻214和215。滯后控制電路230包括“或非”門231和倒相器232。偏壓發(fā)生電路240包括電平移動器243、倒相器244、電阻245、及發(fā)送門246和247。
在第一電阻串電路200中，電阻201有連到VBAT的第一端及一個第二端。電阻202有連到電阻201的第二端的第一端及一個第二端。發(fā)送門203有連到電阻202的第二端的第一電流端、一第二電流端、用于接收信號“PD1”的正控制端、及用于接收信號“PD1”的負(fù)控制端。電阻204有連到發(fā)送門203的第二電流端的第一端和一個第二端。電阻205有連到電阻204的第二端的第一端和連到VSS的第二端。發(fā)送門206有連到電阻201的第二端的第一電流端、一第二電流端、用于接收標(biāo)為“HYST”的信號的正控制端、及用于接收標(biāo)為“HYST”的信號的負(fù)控制端。發(fā)送門207有連到電阻204的第二端的第一電流端、連到發(fā)送門206的第二電流端的第二電流端、用于接收信號“HYST”的正控制端、及用于接收信號HYST的負(fù)控制端。
在第二電阻串電路210中，電阻211有用于接收電源電壓VDD的第一端和一個第二端。發(fā)送門212有連到電阻211的第二端的第一電流端、一第二電流端、用于接收標(biāo)為“PO2”的信號的正控制端、及用于接收標(biāo)為“PD2”的信號的負(fù)控制端。發(fā)送門213有連到發(fā)送門212的第二電流端的第一電流端、一第二電流端、用于接收信號PD2的正控制端、及用于接收信號PD2的負(fù)控制端。電阻214有連到發(fā)送門213的第二電流端的第一端和用于接收信號VPDD的第二端。電阻215有連到電阻214的第二端的第一端和連到VSS的第二端。
比較器220有連到發(fā)送門206的第二電流端的正輸入端、連到發(fā)送門212的第二電流的負(fù)輸入端、及用于提供標(biāo)為“CouT”的信號的輸入端。在滯后控制電路230中，“或非”門231有用于接收標(biāo)為“PD”的信號的第一輸入端、連到比較器220的輸出端以接收其上的信號COUT的第二輸入端、及用于提供信號HYST的輸出端。倒相器232有連到“或非”門231輸出端的輸入端及用于提供信號HYST的輸出端。在偏壓發(fā)生電路240中，電平移動器243連到比較器220的輸出端，并在其輸出端上提供一輸出信號。倒相器244有連到電平移動器243的輸出端的輸入端和一輸出端。電阻245有連到VBAT的第一端和一第二端。發(fā)送門246有連到電阻245第二端的第一電流端、用于提供信號PIUBBIAS的第二電流端、連到比較器220的輸出端的正控制端、及連到倒相器244的輸出端的負(fù)控制端。發(fā)送門247有害到發(fā)送門246的第二電流端的第一電漢端、用于接收電源電質(zhì)VDD的第二電流端、連到倒相器244的輸出端的正控制端、及連到電平移動器243的輸出端的負(fù)控制端。
偏壓電路111執(zhí)行兩個功能。首先，偏壓電路111提供用于在調(diào)節(jié)供給泵43中的比例和積分功能中的信號VPDD。第二，偏壓電路111提供信號PTUBBIAS，以用VBAT和VDD中的較高者給調(diào)節(jié)供給泵43中的P溝道晶體管(即晶體管150、151、152、和154)的部分或勢阱加上偏壓。為理解其余的操作，首先要描述控制信號的產(chǎn)生。信號PD是在邏輯高電平活動的功率下降顯示。信號PD1與信號PD和COUT的邏輯“與”等價并在邏輯低電平活動。信號PD2與信號PD1等價，但被電平移動至VDD并在邏輯低時活動。
電阻串電路210執(zhí)行提供信號VPDD的第一功能。當(dāng)控制信號PD2和PD2均不活動時，VPDD作為電阻211、214和215之間的電阻分壓的產(chǎn)物而被提供。這樣;
VPDD＝VDD(R211/(R211+R214+R215))
其中R211是電阻211的阻值，R214是電阻214的阻值，且R215是電阻215的阻值。通過選擇適當(dāng)?shù)淖柚?，可使VPDD等于0.25VDD;這樣，對VDD＝5.0V，VPDD等于1.25V。當(dāng)調(diào)節(jié)供給泵43改變VDD直至VREF＝VPDD時，由于VREF＝1.25V，電阻半電路210高度精確地確保VDD等于5.0V。
重要的是提供較高的電壓給電阻211、214、和215，以限制流過它們的電流。為提供高阻值，輕度摻雜或勢阱電阻是較佳的。這些電阻較多晶電阻為佳，是因為雖然多晶電阻更精確，但它們卻要求較大的電路面積。例如，一般的多晶電阻電阻率為每格約20Ω，而勢阱電阻的電阻率約為每格1.4kΩ。在最佳實施例中，R211為105kΩ，R214為53.2kΩ，且R215為51.8kΩ。這樣就保證了低電流。
偏壓電路111的第二個功能是提供電壓PIUBBIAS，以在電源變化(如功率上升)時，確保調(diào)節(jié)供給泵43的可靠運(yùn)行。在功率剛剛上升后，VDD尚未達(dá)到5.0V的目標(biāo)值，且實際上可能非常接近于零。若N勢阱總是被加以偏壓VDD，則在功率剛上升之后一個擴(kuò)散-至-勢阱PN結(jié)可能總是正偏，這將有損于集成電路。因而，當(dāng)VBAT大于VDD或當(dāng)PD活動時，偏壓發(fā)生電路240以大致為VBAT的電質(zhì)提供PTUBBIAS信號。
為比較VDD和VBAT，電阻串電路200進(jìn)行了與電阻串電路210相似的分壓。但有一點不同。電阻半電路200包含有滯后。在功率上升之后(PD不活動)，當(dāng)電池電質(zhì)VBAT超過VDD時，信號COUT被激活。由于PD是不活動的，滯后控制電路230激活了處于邏輯低電平的信號HYST，并激活了處于邏輯高電平的信號HYST，使發(fā)送門206活動而發(fā)送門207不活動。這樣，加到比較器220的正輸入端的、與VBAT成比例的電壓就取自電阻串電路200中電阻201的第二端。然而，一旦VPDD超過電阻201第二端的電勢，COUT就被施以“非”操作。滯后控制電路230使HYST不活動并處于邏輯高電平，并使HTYST不活動并處于邏輯低電平。發(fā)送門206不活動，而發(fā)送門207活動，且比例電壓現(xiàn)在是取自電阻204的第二端。由于現(xiàn)在由電阻202和204引入了額外的電壓降，在COUT被再次激活之前CDD必須額外地下降一定的值。這樣，偏壓電路111提供的滯后防止了電源變化時的不穩(wěn)定性。
雖然是結(jié)合最佳實施例來描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解的是，本發(fā)明可以許多種方式進(jìn)行修正，并可體現(xiàn)為許多不同于上面所具體描述的實施例的實施例。例如，VSS可是正電源，而其他電源電壓VBAT、VDD和VDSP相對于它則為負(fù)電質(zhì)。另外，盡管顯示了電池電壓VBAT，在任何采用高度變化的電源的場合，混合信號處理系統(tǒng)22都提供了同樣的好處。還有，可采用不同數(shù)目和型號的電池，只要在其運(yùn)行壽命中電壓不低于2.7V。在另一種實施例中，子系統(tǒng)51的一部分可耦合到VDD，以增大速度。另外，VDD可由一開關(guān)調(diào)節(jié)器(也叫開關(guān)模式調(diào)節(jié)器)產(chǎn)生。因此，所附的權(quán)利要求應(yīng)覆蓋屬于本發(fā)明的實質(zhì)精神和范圍的所有變形和修正。
權(quán)利要求
1.一種混合信號處理系統(tǒng)(22)，其特征在于耦合到第一和公共電源電壓端(70，71)的裝置(41)，用于以參照于所述公共電源電壓的第一預(yù)定電勢提供一第二電源電壓，所述第一預(yù)定電勢的絕對值小于參照于所述公共電源電壓的所述第一電源電壓的標(biāo)稱電勢絕對值且相對于所述第一電源電壓的變化來說基本上是恒定的；耦合到第一和公共電源電壓端(70，71)的裝置(43)，用于以參照于所述公共電源電壓的第二預(yù)定電勢提供一第三電源電壓，所述第二預(yù)定電勢的絕對值大于所述標(biāo)稱電熱的絕對值且相對于所述第一電源電壓的變化來說基本上是恒定的；耦合到所述公共電源電壓端(71)的數(shù)字子系統(tǒng)(51)，用于接收所述第二電源電壓；耦合到所述公共電源電壓端(71)的模擬子系統(tǒng)(60)，用于接收所述第三電源電壓。
2.權(quán)利要求1的混合信號處理系統(tǒng)(22)，其進(jìn)一步的特征在于耦合到所述第一和公共電源電壓端(70，71)和所述數(shù)字子系統(tǒng)(51)的輸入/輸出裝置(50)，用于從所述數(shù)字子系統(tǒng)(51)接收至少一個信號并響應(yīng)此信號而提供至少一個相應(yīng)的輸出信號。
3.權(quán)利要求1的混合信號處理系統(tǒng)(22)，其進(jìn)一步的特征在于耦合到所述數(shù)字子系統(tǒng)(51)和所述模擬子系統(tǒng)(60)的電平移動器(44)，用于從所述數(shù)字子系統(tǒng)(51)接收至少一個數(shù)字信號并作為響應(yīng)提供至少一個相應(yīng)的電平移動的數(shù)字信號給所述模擬子系統(tǒng)(60)。
4.權(quán)利要求1的混合信號處理系統(tǒng)(22)，其進(jìn)一步的特征在于耦合到所述第一和公共電源電壓端(70，71)及所述模擬子系統(tǒng)(60)的第二模擬子系統(tǒng)(61)，用于提供至少一個輸出信號。
5.一種混合信號處理系統(tǒng)，其特征在于耦合到第一和公共電源電壓端(70，71)的電壓調(diào)節(jié)器(41)，用于調(diào)節(jié)所述第一電源電壓以提供具有第一預(yù)定電勢的第二電源電壓;耦合到所述第一和公共電源電壓端(70，71)的調(diào)節(jié)供給泵(43)，用于對所述第一電源電壓進(jìn)行電荷泵取并用于調(diào)節(jié)所述電荷泵取的電壓以提供第三電源電壓;耦合到所述公共電源電壓端(71)的數(shù)字子系統(tǒng)(51)，用于接收所述第二電源電壓;耦合到所述公共電源電壓端(71)的模擬子系統(tǒng)(60)，用于接收所述第三電源電壓。
6.權(quán)利要求5的混合信號處理系統(tǒng)(22)，其進(jìn)一步的特征在于耦合到所述公共電源電壓端(71)并接收所述第二和第三電源電壓的電平移動器(44)，用于對所述數(shù)字子系統(tǒng)(51)所提供的至少一個輸出信號進(jìn)行電平移動并將所述電平移動的信號提供給所述模擬子系統(tǒng)(60)。
7.權(quán)利要求5的混合信號處理系統(tǒng)(22)，其進(jìn)一步的特征在于耦合到所述第一和公共電源電壓端(70，71)及所述數(shù)字子系統(tǒng)(51)的至少一個緩沖器(32)，用于響應(yīng)所述數(shù)字子系統(tǒng)(51)提供的一相應(yīng)信號而提供至少一個數(shù)字輸出信號。
8.權(quán)利要求3的混合信號處理系統(tǒng)(22)，其進(jìn)一步的特征在于耦合到所述第一和公共電源電壓端(70，71)及所述模擬子系統(tǒng)(60)的第二模擬子系統(tǒng)(61)，用于響應(yīng)由所述模擬子系統(tǒng)(60)提供的一相應(yīng)信號而提供至少一個模擬輸出信號。
9.用于改進(jìn)由外部電壓(70)供電的混合信號處理系統(tǒng)(22)的性能的方法，其特征在于下列步驟把外部電壓(70)調(diào)至第一預(yù)定電平;把所述調(diào)節(jié)過的外部電壓提供給混合信號處理系統(tǒng)(22)的一數(shù)字系統(tǒng)(28);對外部電壓(70)進(jìn)行電荷泵取;把所述電荷泵取外部電壓調(diào)節(jié)至第二預(yù)定電平;把所述調(diào)節(jié)后的電荷泵取外部電壓提供給混合信號處理系統(tǒng)(22)的一模擬系統(tǒng)(29)。
10.給混合信號處理系統(tǒng)(22)供電的方法，其特征在于下列步驟在第一和公共電源電壓端(70，71)之間提供一電池電壓;調(diào)節(jié)所述電池電壓以提供一第二電源電壓;對所述電池電壓進(jìn)行電荷泵取;調(diào)節(jié)所述電荷泵取的電池電壓以提供一第三電源電壓;把所述第二電源電壓提供給混合信號處理系統(tǒng)的一數(shù)字子系統(tǒng)(51);把所述第三電源電壓提供給混合信號處理系統(tǒng)的一模擬子系統(tǒng)(60)。
全文摘要
一種混合信號處理系統(tǒng)22，它包括數(shù)字和模擬系統(tǒng)28，29，并由電池電壓之類的可變外部電壓供電。一調(diào)電器41把電池電壓調(diào)至比其低的標(biāo)稱電壓。調(diào)壓器41把調(diào)節(jié)電壓提供給數(shù)字系統(tǒng)28的數(shù)字子系統(tǒng)51。調(diào)節(jié)供給泵43提供高于電池電壓且因調(diào)節(jié)而基本恒定的電壓。調(diào)節(jié)供給泵43把調(diào)節(jié)供給泵泵取的電壓提供給模擬系統(tǒng)29的模擬子系統(tǒng)61，以改善模擬操作。電平移動器44使數(shù)字和模擬系統(tǒng)28，29的信號電平相等。
文檔編號H04M1/00GK1073062SQ9211137
公開日1993年6月9日 申請日期1992年10月8日 優(yōu)先權(quán)日1991年11月7日
發(fā)明者路易斯·奧古斯特·伯奈特, 阿蘭·李·威斯特威克, 毛里西奧·阿圖羅·扎瓦利塔, 詹姆斯·阿蘭·塔維爾, 大衛(wèi)·E·布什, 邁克爾·代爾·弗羅伊德 申請人:莫托羅拉公司