比較器反饋峰值檢測器的製作方法
2023-10-21 05:15:42
專利名稱：比較器反饋峰值檢測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及AC波形的峰-峰值電壓的測量。
相關技術說明製造商經常在將他們的電子系統運送給客戶之前，測試這些電子系統和元件。電子系統和元件也在返修(rework)和修理時被進行測試。電測試一般利用數字和/或模擬邏輯器件執行。
邏輯器件由於介電材料、內部電阻、電容和電感，而固有地具有受限的轉換速度。半導體設計者集中精力來改善功率損耗和傳播延遲。功率損耗是指邏輯器件運行時所消耗的功率。傳播延遲是指邏輯器件在接收到輸入信號後提供輸出所花費的平均時間。
隨著對於更高轉換速度的需求增長，半導體技術也取得了進展。例如，傳統的二極體邏輯、電阻器-電晶體邏輯、和二極體-電晶體邏輯已經被共同的電晶體-電晶體邏輯(TTL)所代替。TTL技術作為邏輯電路的基礎已經被廣泛使用了約20年。肖特基、低功率肖特基、改進型肖特基、和改進型低功率肖特基系列TTL器件一般表現為分別為3ns、9ns、1.5ns和4ns的傳輸延遲，和分別為每門18mW、2mW、10mW和1mW的功率損耗。對於當今最高速的應用，設計者使用射極耦合邏輯(ECL)，其一般表現為0.5到2ns的傳輸延遲，和每門25mW的功率損耗。
圖1是簡化電路圖。
圖2是簡化電路圖。
圖3是簡化電路圖。
發明內容
在整個說明書中，所示的實施例和示例應當被認為是範例，而不是對本發明的設備和方法的限制。
參照圖1，所示為高速峰-峰值檢測器100的簡化電路圖。該高速峰-峰值檢測器100可以測量高頻AC波形的峰-峰值電壓。峰-峰值電壓是指高頻AC波形的最大電壓和最小電壓的幅值差。高頻是指超過10MHz的頻率。AC是指交流。波形是指作為時間的函數的電信號的電壓。高速是指高速峰-峰值檢測器100能夠以小於2μs的間隔提供對高頻AC波形的精確測量。當峰-峰值電壓約為2.048V時，精確測量的最大誤差在峰-峰值電壓的+/-(1.9dB+5mV)以內。高速峰-峰值檢測器可以安裝在數字半導體測試儀、模擬計算機、手持式信號分析器或其他儀器中。
高速峰-峰值檢測器100可以包括正峰值子電路110、負峰值子電路120、運算放大器130和復位子電路105。正峰值子電路110可以包括第一比較器140、第一轉換器145、第一高速二極體148、第一電容器149和第一緩衝放大器150。
第一比較器140可以是高速比較器。高速比較器的特徵在於傳播速率約為2.5ns或更小。高速比較器包括ECL技術比較器，諸如ECL，正ECL(PECL)，低壓正ECL(LVPECL)、負ECL(NECL)和低壓負ECL(LVNECL)。然而，高速比較器不限於ECL技術。例如Maxim Integrated Products製造的高速比較器MAX9691。
ECL比較器可由單個電源或雙電源供電。由雙電源或雙電源軌(rail)供電的ECL比較器表現為比單電源軌ECL比較器更快的傳播速率。對於信號表現為高頻頻率的高帶寬應用，第一比較器140應當包括雙電源軌。
第一比較器140可以包括非反相輸入141、反相輸入142、和輸出143。第一比較器140可以在非反相輸入141和非反相輸入142處接收模擬輸入信號。如果在非反相輸入141處接收的信號的電壓值大於在反相輸入142處接收的信號的電壓值，那麼第一比較器140在輸出143處輸出邏輯高電壓，否則，第一比較器140在輸出143處輸出邏輯低電壓。對於ECL邏輯的一般邏輯電平是-0.95V至-0.7V的邏輯高以及-1.9V至-1.6V的邏輯低。
在例如大於10MHz的高頻，高速比較器以比由二極體配置成的執行峰值檢測器功能的標準運算放大器更高的精度和更快的速度進行操作。高速比較器，不同於標準運算放大器，不會由於飽和而遭受慢傳播。高速比較器表現出比由二極體配置成的執行峰值檢測器功能的標準運算放大器具有精確測量更小電壓的能力。此外，關于波形的變化波形的波峰因數，高速比較器以比二極體配置成的執行峰值檢測器功能的標準運算放大器更高的精度進行工作。
第一比較器140的非反相輸入141可以從電壓輸入144接收AC波形的電壓。該AC波形可以表現為例如150kHz、1MHz或者50MHz的頻率。
第一轉換器145可以包括輸入146和輸出147。第一轉換器145的輸入146可以被耦合到第一比較器140的輸出143上。第一轉換器145可以對從第一比較器140的輸出145提供的電壓進行電平移位。電平移位可以是從ECL邏輯電平到TTL邏輯電平。一般的TTL邏輯電平包括0V到0.4V的邏輯低和2.4V到5V的邏輯高。如果第一比較器140提供TTL或者CMOS電平輸出電壓，則可以將第一轉換器145從正峰值子電路110中略去。
第一高速二極體148可以耦合到第一轉換器145的輸出148。第一高速二極體148可以具有快速傳播速率。高速二極體例如是肖特基二極體。肖特基二極體能夠在不降低經過它的信號的幅值的情況下以高頻率進行切換。第一高頻二極體148可以被選擇為僅當信號至少具有TTL邏輯高電壓時才允許信號穿過第一高速二極體148。
第一電容器149可以耦合於第一高速二極體148與地之間。地一詞是指具有零電壓的電氣源端(sink)。源端可具有零電壓或其他公共電壓。當第一比較器140輸出邏輯高電壓時，轉換器145將輸出TTL邏輯高電壓，其經過第一高速二極體148並對第一電容器149充電。當第一比較器140輸出邏輯低電壓時，轉換器將輸出TTL邏輯低電壓，其不經過第一高速二極體148。第一高速二極體148可以阻止電流從第一電容器149流向第一轉換器145的輸出148。
第一緩衝放大器可以包括非反相輸入151、反相輸入152和輸出153。第一緩衝放大器150的非反相輸入151可以耦合在第一高速二極體148和第一電容器149之間。第一緩衝放大器150的輸出153可以耦合到第一緩衝放大器150的反相輸入152和第一比較器140的反相輸入142。
第一緩衝放大器150可以是表現為高輸入阻抗和低輸出阻抗的運算放大器。因為高輸入阻抗，第一電容器149將表現為通過第一緩衝放大器150進行最小放電或不進行放電。第一緩衝放大器150將耦合到第一緩衝放大器150的非反相輸入151的元件與第一緩衝放大器的輸出153隔離開，因為第一緩衝放大器150的非反相輸入151具有1012歐姆級的阻抗。由於低輸出阻抗和高功率增益，第一緩衝放大器150可能經由第一緩衝放大器150的輸出153對幾個元件輸出與第一電容器149具有基本相同電壓的信號。
當第一比較器142的非反相輸入141處的AC波形的電壓大於第一比較器140的反相輸入142處的第一電容器149的緩衝電壓時，第一比較器140將輸出邏輯高電壓。
第一電容器149表現出被稱為轉換速率(slew rate)的特性。轉換速率是電壓相對於時間的最大變化，一般以V/μs來計量。如果AC波形表現出非常快速的頻率，則第一電容器149的轉換速率可以使得在AC波形的第一正周期期間，第一電容器149僅僅部分地充電到AC波形的正峰值電壓。因此，第一電容器149可能需要超過AC波形一個周期的時間來充電到AC波形的峰值電壓。
負峰值子電路120可以包括第二比較器160、第二轉換器165、第二高速二極體170、第二電容器171、第二緩衝放大器172和反相放大器180。
第二比較器160可以包括非反相輸入161、反相輸入162和輸出163。第二比較器160可以在非反相輸入161和反相輸入162處接收模擬輸入信號。如果在非反相輸入161處接收的信號的電壓高於在反相輸入162處接收的信號的電壓，那麼第二比較器160在輸出163處輸出邏輯高電壓。
第二比較器160的反相輸入142可以耦合到第一比較器140的非反相輸入141。第二高速比較器的反相輸入142可以從電壓輸入144接收到AC波形的電壓。
第二轉換器165可以包括輸入166和輸出167。第二轉換器165的輸入166可以耦合到第二比較器160的輸出163。第二轉換器165可以對從第二比較器160的輸出163提供的電壓進行電平移位。
第二高速二極體170可以耦合於第二轉換器165的輸出167和第二電容器171之間。第二電容器可以耦合於第二高速二極體170和地之間。當第二比較器160輸出邏輯高電壓時，第二轉換器165將輸出TTL邏輯高電壓，其經過第二高速二極體170並向第二電容器171充電。當第二比較器160輸出邏輯低電壓時，第二轉換器165將輸出TTL邏輯低電壓，其不經過第二高速二極體171。
第二緩衝放大器172可以包括非反相輸入173、反相輸入174、和輸出175。第二緩衝放大器172的非反相輸入173可以耦合於第二高速二極體170和第二電容器171之間。第二緩衝放大器172的輸出175可以耦合到第二緩衝放大器174的反相輸入174。
反相放大器180可以包括輸入181和輸出182。反相放大器180可以是運算放大器。反相放大器180可以在反相放大器180的輸出182處提供與反相放大器180的輸入181處的電壓相反的電壓。反相放大器180的輸出182可以耦合到第二比較器160的非反相輸入161。
當第二比較器171的反相緩衝電壓大於第二高速比較器的反相輸入162處的AC波形的電壓時，第二高速比較器將輸出邏輯高電壓。
運算放大器130可以被配置為差分放大器、乘法放大器、除法放大器或加法放大器。如圖1所示，運算放大器被配置為差分放大器。差分放大器輸出在差分放大器的多個輸入處的電壓的差值。
運算放大器130可以包括非反相輸入131、反相輸入132和輸出133。運算放大器130的非反相輸入131可以耦合到第一緩衝放大器150的輸出153。運算放大器130的反相輸入132可以耦合到反相放大器180的輸出182。為實現差分放大器的功能，運算放大器130的非反相輸入131與第一緩衝放大器的輸出153的耦合以及運算放大器130的反相輸入132與反相放大器180的輸出182的耦合都包括具有共同電阻的電阻器。
運算放大器130在運算放大器130的輸出133處輸出電壓，該電壓是運算放大器130的非反相輸入131處的第一電容器149的緩衝電壓與運算放大器130的反相輸入132處的第二電容器172的反相緩衝電壓之間的差值。運算放大器130的輸出133處的電壓可以被提供給數字轉換器、傳統電壓計或其他儀器的輸入190。
復位子電路105可以包括地191、第一高速開關192、第二高速開關193和觸發器194。觸發器194可以耦合到地191、第一高速開關192和第二高速開關193。觸發器194可以是按鈕、受計算機控制的邏輯電路或其他儀器。
第一高速開關192可以耦合於第一緩衝放大器150的非反相輸入152和地191之間。第二高速開關193可以耦合於第二緩衝放大器172的非反相輸入173和地191之間。第一高速開關192和第二高速開關193可以是FET開關或其他開關。當觸發器194被激活時，第一高速開關192使得第一電容器149向地191放電。另外，當觸發器194被激活時，第二高速開關193使得第二電容器171向地191放電。通過使用FET開關，電容器的放電可以快速完成，例如在1μs內。
圖1的峰-峰值檢測器100可以提供精確測試高頻AC波形的幅值的能力。峰-峰值檢測器100的速度特性可能允許以2.5ns的最小脈寬對波形進行精確測試。如圖1中配置的，峰-峰值檢測器100的輸出轉換速率可以是1V/μs，下降速率(droop rate)可以小於1mV/μs。此外，峰-峰值檢測器100可以在150kHz到至少75MHz的頻率內精確使用。
一些半導體，例如控制光碟或數字視頻盤驅動器的光學器件和伺服電機的處理器，以高頻率運行。高速運行的半導體的製造商想要測試與這些半導體交互的信號的峰-峰值電壓。該測試可能以高頻率進行。峰-峰值檢測器100，與具有數位訊號處理(DSP)技術的通用數字轉換器不同，能夠使用模擬電路滿足帶寬需求。
現在參照圖2，所示為高速峰-峰值檢測器200的簡化電路圖。在本實施例中，高速峰-峰值檢測器200不包括轉換器。第一高速二極體210耦合於第一電容器215和第一比較器225的輸出220之間。第二高速二極體230耦合於第二電容器235和第二比較器245的輸出240之間。
第一比較器225和第二比較器245可以是具有多個TTL輸出的高速比較器，或其他儀器。第一高速二極體215和第二高速二極體230可以被選擇為允許高速比較器的高邏輯狀態輸出信號經過高速二極體，並且高速比較器的低邏輯狀態輸出信號不經過高速二極體。
參照圖3，所示為高速峰-峰值檢測器300的簡化電路圖。高速峰-峰值檢測器300可以包括正峰值子電路305、負峰值子電路310和運算放大器320。在本實施例中，負峰值子電路310被配置為使得在引入到第二高速比較器之前對AC波形進行反相。此外，運算放大器320被配置為加法放大器。
負峰值子電路310包括反相放大器325、第二比較器330、第二高速二極體335、第二電容器340和第二緩衝放大器。
反相放大器325包括非反相輸入326、反相輸入327和輸出328。反相放大器325的非反相輸入326耦合到地。反相放大器325的反相輸入327可以耦合到第一比較器380的非反相輸入381。反相放大器325的反相輸入327可以接收AC波形。反相放大器325可以在反相放大器的輸出328處輸出AC波形的電壓的負值。
第二比較器330可以包括非反相輸入331、反相輸入332和輸出333。第二比較器330的非反相輸入331可以耦合到反相放大器325的輸出328。
第二高速二極體335可以耦合於第二比較器340和第二高速比較器的輸出333之間。第二電容器340可以耦合於第二高速二極體335和地之間。
第二緩衝放大器345可以包括非反相輸入346、反相輸入367和輸出348。第二緩衝放大器345的非反相輸入346可以耦合於第二高速二極體335和第二電容器340之間。第二緩衝放大器的輸出348可以耦合到第二緩衝放大器345的反相輸入347。第二緩衝放大器的輸出348也耦合到第二比較器333的反相輸入332。
當第二比較器330的非反相輸入331處的AC波形的反相電壓大於第二比較器333的反相輸出332處的第二電容器340的緩衝電壓時，第二比較器330將使第二電容器340充電。
運算放大器320可以被配置為加法放大器。運算放大器可以包括非反相輸入321、反相輸入322和輸出323。運算放大器320的非反相輸入321可以耦合到地。運算放大器320的輸出323可以耦合到運算放大器的反相輸入211。運算放大器的反相輸入211也可以耦合到第二緩衝放大器345的輸出348和第一緩衝放大器360的輸出361。為實現加法放大器的功能，運算放大器的反相輸入322與運算放大器的輸出323、第二緩衝放大器345的輸出348、和第一緩衝放大器360的輸出361中每個的耦合都將包括一具有共同電阻值的電阻器。運算放大器320的輸出323將是第一電容器350的緩衝電壓和第二電容器340的緩衝電壓之和的負值。
本文描述的峰-峰值電壓檢測器可以用於自動測試設備。一般地自動測試設備(ATE)利用DSP來測量電信號的幅值、諧波、和噪聲。ATE一般用於測試數字集成電路、線性和混合信號集成電路、以及微波器件。
ATE可以以程序設定的間隔向觸發器發送電脈衝。電脈衝可以使觸發器以引起電容器周期性放電的固定間隔進行激活。ATE可以包括將運算放大器的輸出轉換為數位訊號的數字轉換器。ATE可以包括捕獲存儲器(capture memory)。捕獲存儲器可以在一段時間上記錄並存儲數位訊號。基於存儲於捕獲存儲器中的數位訊號和時間數據，ATE可以平均或不平均地計算波形的包絡。
儘管已經示出和描述了本發明的示例性實施例，但是對本領域普通技術人員而言，顯然可以在不脫離本發明的精神的情況下對本文描述的本發明作出各種變化、修改、或替換。因此，所有這些變化、修改和替換應當被視為在本發明的範圍內。
權利要求
1.一種電路，包括第一電容器第一比較器，具有耦合到第一電容器的輸出用於接收高頻AC波形的非反相輸入反相輸入第二電容器第二比較器，具有耦合到第二電容器的輸出第一輸入第二輸入運算放大器，具有耦合到第一比較器的反相輸入的非反相輸入耦合到第一輸入的反相輸入。
2.如權利要求1所述的電路，進一步包括耦合於第一電容器和第一比較器的輸出之間的第一高速二極體耦合於第二電容器和第二比較器的輸出之間的第二高速二極體。
3.如權利要求2所述的電路，其中第一輸入是用於接收第二電容器的反相緩衝電壓的非反相輸入第二輸入是用於接收高頻AC波形的反相輸入，第二輸入耦合到第一比較器的非反相輸入。
4.如權利要求3所述的電路，進一步包括第一緩衝放大器，具有耦合到第一電容器的輸入耦合到第一比較器的反相輸入的輸出第二緩衝放大器，具有耦合到第二電容器的輸入輸出反相放大器，具有耦合到第二緩衝放大器的輸出的輸入耦合到第一輸入的輸出。
5.如權利要求4所述的電路，其中比較器是高速比較器。
6.如權利要求4所述的電路，進一步包括對於每一個比較器，耦合於所述比較器和所述電容器之間的ECL-TTL轉換器，其中所述比較器是ECL比較器。
7.如權利要求4所述的電路，進一步包括耦合於第一電容器和一源端之間的第一FET開關，所述第一FET開關用於在第一FET開關接收到RESET信號時對第一電容器進行放電耦合於第二電容器和所述源端之間的第二FET開關，所述第二FET開關用於在第二FET開關接收到RESET信號時對第二電容器進行放電。
8.如權利要求2所述的電路，其中第一輸入是用於接收第二電容器的緩衝電壓的反相輸入第二輸入是用於接收反相高頻AC波形的非反相輸入。
9.如權利要求8所述的電路，進一步包括第一緩衝放大器，具有耦合到第一電容器的輸入耦合到第一比較器的反相輸入的輸出第二緩衝放大器，具有耦合到第二電容器的輸入耦合到第一輸入的輸出。
10.如權利要求9所述的電路，進一步包括反相放大器，具有耦合到第一比較器的非反相輸入的輸入耦合到第二輸入的輸出。
11.如權利要求10所述的電路，其中比較器是高速比較器。
12.如權利要求10所述的電路，進一步包括對於每一個比較器，耦合於所述比較器和所述電容器之間的ECL-TTL轉換器，其中所述比較器是ECL比較器。
13.如權利要求10所述的電路，進一步包括耦合於第一電容器和一源端之間的第一FET開關，所述第一FET開關用於在第一FET開關接收到RESET信號時對第一電容器進行放電耦合於第二電容器和所述源端之間的第二FET開關，所述第二FET開關用於在第二FET開關接收到RESET信號時對第二電容器進行放電。
14.如權利要求2所述的電路，其中運算放大器進一步包括與自動測試系統的數字轉換器相耦合的輸出。
15.如權利要求13所述的電路，進一步包括自動測試系統，所述自動測試系統包括數字轉換器和捕獲存儲器，所述數字轉換器與運算放大器的輸出相耦合，所述捕獲存儲器與所述數字轉換器相耦合，其中RESET信號是具有固定間隔的周期性脈衝。
16.一種包括權利要求7的電路的自動測試系統。
17.一種檢測峰-峰值電壓的方法，包括當高頻AC波形電壓大於第一電容器的緩衝電壓時對第一電容器充電，當第二電容器的反相緩衝電壓大於高頻AC波形電壓時對第二電容器充電，輸出基於第一電容器的緩衝電壓和第二電容器的反相緩衝電壓的電壓。
18.如權利要求17所述的檢測峰-峰值電壓的方法，進一步包括在輸出電壓的同時阻止電容器放電。
19.如權利要求18所述的檢測峰-峰值電壓的方法，進一步包括斷開第一和第二FET開關，以使這些電容器分別放電。
20.如權利要求18所述的檢測峰-峰值電壓的方法，進一步包括數位化電壓，在捕獲存儲器中存儲數位化的電壓和時間數據，其中FET開關以固定間隔周期性地斷開。
21.如權利要求19所述的檢測峰-峰值電壓的方法，進一步包括基於捕獲存儲器中的數字電壓和時間數據計算平均波形包絡。
22.一種檢測峰-峰值電壓的方法，包括當高頻AC波形電壓大於第一電容器的緩衝電壓時對第一電容器充電當反相AC波形電壓大於第二電容器的緩衝電壓時對第二電容器充電輸出基於這些電容器的緩衝電壓的電壓。
23.如權利要求22所述的檢測峰-峰值電壓的方法，進一步包括在輸出電壓的同時阻止電容器放電。
24.如權利要求23所述的檢測峰-峰值電壓的方法，進一步包括斷開第一和第二FET開關以使這些電容器分別放電。
25.如權利要求24所述的檢測峰-峰值電壓的方法，進一步包括數位化電壓，在捕獲存儲器中存儲數位化的電壓和時間數據，其中FET開關以固定間隔周期性地斷開。
26.如權利要求25所述的檢測峰-峰值電壓的方法，進一步包括基於捕獲存儲器中的數字電壓和時間數據計算平均波形包絡。
全文摘要
公開了一種檢測峰－峰值電壓的電路及方法。該電路包括第一比較器，所述第一比較器具有耦合到第一電容器的輸出，用於接收高頻AC波形的非反相輸入，和反相輸入；第二比較器，所述第二比較器具有耦合到第二電容器的輸出，和第一第二輸入；運算放大器，所述運算放大器具有耦合到第一比較器的反相輸入的非反相輸入，以及耦合到第一輸入的反相輸入。該方法包括當高頻AC波形電壓大於第一電容器的緩衝電壓時對第一電容器充電，當第二電容器的反相緩衝電壓大於高頻AC波形電壓時對第二電容器充電，並且輸出基於第一電容器的緩衝電壓和第二電容器的反相緩衝電壓的電壓。
文檔編號G01R19/04GK101048668SQ200580025847
公開日2007年10月3日 申請日期2005年6月23日 優先權日2004年6月23日
發明者中村敦 申請人:泰洛丹公司