CN101192071A - 利用齐纳二极管的稳压单元及稳压装置 - Google Patents

Abstract

一种利用齐纳二极管(Zener Diode)的稳压单元，接收电荷泵(Charge Pump)输出的驱动电压，并控制驱动电压的电平以对驱动电压进行稳压。稳压单元包括：电流映射单元、齐纳二极管及偏压单元。电流映射单元用以接收驱动电压，并根据驱动电压于电流主控端及电流从属端分别产生第一电流信号及第二电流信号。齐纳二极管接收第一电流信号，并控制驱动电压的电平等于预定电压电平。偏压单元用以接收第二电流信号，并根据第二电流信号来判断驱动电压的电平是否达到预定电压电平，并输出控制信号。其中，控制信号是反馈至电荷泵，以控制电荷泵产生驱动电压。

Description

利用齐纳二极管的稳压单元及稳压装置

技术领域

本发明有关一种利用齐纳二极管(Zener Diode)的稳压装置，且特别是有关一种可节省功率损耗的利用齐纳二极管的稳压装置。

背景技术

请参照图1A，其是传统的利用齐纳二极管的稳压装置的电路图。致能信号EN用以致能稳压装置100。时序信号产生单元102受到致能信号EN的驱动产生时序信号CLK，而电荷泵104根据时序信号CLK来提高输出电压Vout的电压电平驱动负载装置110。

请参照图1B，其是图1A中齐纳二极管106的电流对电压曲线图。当齐纳二极管106操作于崩溃区时，具有特殊的电压对电流特性曲线；此时无论流经齐纳二极管106的电流Iz为何，齐纳二极管106两端的跨压仍等于齐纳二极管106的崩溃电压Vz1，使得输出电压Vout等于崩溃电压Vz1，而达到稳压的效果。然而，传统的稳压装置100具有若干缺点。

稳压装置100无法于输出电压Vout达到预定的电压电平时终止电荷泵104的运作。而电荷泵104是不停地运作以提升输出电压Vout的电压电平，并产生输出电流经由齐纳二极管106导入接地电平。如此，将使得稳压装置100具有耗电量较高及功率使用率(Power Efficiency)较低的缺点。另外，由于齐纳二极管106的温度系数不为零，使得齐纳二极管106两端的电压会随着温度的变化而改变。齐纳二极管的温度系数例如为正数。如此，稳压装置100还具有输出电压Vout会随着温度改变而变动的缺点。

请参照图1C，其是传统的未利用齐纳二极管的稳压装置的电路图。稳压装置10是经由运算放大器OP1的输出电压Vo1来致能晶体管Tx，以提升输出电压Vo2的电压电平。而稳压装置10还将输出电压Vo2反馈至运算放大器OP1的负端，以于输出电压Vo2的电压电平高于输出电压V1的电压电平时，经由运算放大器OP1非致能晶体管Tx，并经由电流源112将输出电压Vo2拉低。如此，以负反馈的方式来对输出电压Vo2进行稳压。然而，由于稳压装置10需设置运算放大器OP1来对输出电压Vo2进行稳压，如此，稳压装置10具有电路复杂及成本较高的缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种利用齐纳二极管(Zener Diode)的稳压单元及稳压装置，其具有耗电量较低、使用功率较高、电路较为简单及成本较低的优点。

根据本发明提出一种稳压单元，用以接收电荷泵(Charge Pump)输出的驱动电压，并对驱动电压进行稳压。稳压单元包括：电流映射单元、齐纳二极管及偏压单元。电流映射单元包括电流主控端及电流从属端。电流映射单元用以接收驱动电压，并根据驱动电压于电流主控端及电流从属端分别产生第一电流信号及第二电流信号。齐纳二极管的负端耦接至电流主控端，正端接收固定电压。齐纳二极管接收第一电流信号，并控制驱动电压的电压电平等于预定电压电平，以对驱动电压进行稳压。偏压单元用以接收第二电流信号，并根据第二电流信号来判断驱动电压的电压电平是否达到预定电压电平，并根据第二电流信号产生控制信号。其中，控制信号反馈至电荷泵，以控制电荷泵产生驱动电压。

根据本发明提出一种稳压装置，其中包括：电荷泵、稳压单元、检测单元及时序信号产生单元。电荷泵用以输出驱动电压。稳压单元包括：电流映射单元、齐纳二极管及偏压单元。电流映射单元包括电流主控端及电流从属端。电流映射单元用以接收驱动电压，并根据驱动电压于电流主控端及电流从属端分别产生第一电流信号及第二电流信号。齐纳二极管的负端耦接至电流主控端，正端接收固定电压。齐纳二极管接收第一电流信号，并控制驱动电压的电压电平等于预定电压电平，以对驱动电压进行稳压。偏压单元用以接收第二电流信号，并根据第二电流信号来判断驱动电压的电压电平是否达到预定电压电平，并根据第二电流信号产生控制信号。检测单元用以接收控制信号，并根据控制信号产生第一致能信号。时序信号产生单元接收第一致能信号，并根据第一致能信号产生时序信号及反向时序信号。其中，时序信号及反向时序信号输出至电荷泵，而电荷泵根据时序信号及反向时序信号产生驱动电压。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，以下将配合附图对本发明一较佳实施例进行详细说明。

附图说明

图1A是传统的利用齐纳二极管的稳压装置的电路图。

图1B是图1A中齐纳二极管106的电流对电压曲线图。

图1C是传统的未利用齐纳二极管的稳压装置的电路图。

图2A是依照本发明较佳实施例的利用齐纳二极管的稳压装置的一电路图。

图2B是图2A中稳压单元206的详细电路图。

图2C是图2A中检测单元208的详细电路图。

图2D是图2A中时序信号产生单元202的详细电路图。

图2E是图2A中电荷泵204的详细电路图。

具体实施方式

请参照图2A，其是依照本发明较佳实施例的利用齐纳二极管的稳压装置的一电路图。稳压装置200包括时序信号产生单元202、电荷泵204、稳压单元206及检测单元208。时序信号产生单元202用以接收致能信号EN’，并据以产生时序信号CLK’及反向时序信号CLKB。电荷泵204接收时序信号CLK’及反向时序信号CLKB并据以产生输出电压Vout’来驱动负载装置210。

稳压单元206包括电流映射单元206a、齐纳二极管206b及偏压单元206c。电流映射单元206a具有电流主控端212a及一电流从属端212b，电流映射单元206a接收输出电压Vout’，并将输出电压Vout’作为驱动电压，以根据驱动电压于电流主控端212a及电流从属端212b分别产生电流信号I1及电流信号I2。电流信号I1及I2的电流值为相关。

齐纳二极管206b的负端耦接至电流主控端212a，正端接收固定电压VB。齐纳二极管206b接收电流信号I1，并控制输出电压Vout’的电压电平等于一预定电压电平，以对输出电压Vout’进行稳压。偏压单元206c接收电流信号I2，并根据电流信号I2来判断输出电压Vout’的电压电平是否达到预定电压电平，并根据电流信号I2产生控制信号SC。在本实施例中，固定电压VB例如为接地电位，电流信号I1及I2的电流值是例如为相等。

检测单元208接收控制信号SC，并根据控制信号SC来检测输出电压Vout’是否达到预定的电压电平；若是，检测单元208是设定致能信号EN’为非致能电平并反馈致能信号EN’至时序信号产生单元202，使时序信号产生单元202停止产生时序信号CLK’及反向时序信号CLKB，以终止电荷泵204的操作。如此，可通过信号反馈的方式来终止电荷泵204操作，来达到降低耗电量及提高功率使用效率的效果。

其中，检测单元208还接收一系统致能信号ENS，用以致能稳压装置200。系统致能信号ENS是例如为电压信号。当系统致能信号ENS为非致能电平时，将使致能信号EN’持续地位于非致能电平，进而使时序信号产生单元202及电荷泵204均持续地为非致能而无法产生输出电压Vout’。当系统致能信号ENS为致能电平时，将使得检测单元208开始检测控制信号SC来判断电流信号I2的电流值，并据以对电荷泵204进行控制。

请参照图2B，其是图2A中稳压单元206的详细电路图。在本实施例中，是以电流映射单元206a为包括两个P型金属氧化物半导体(Metal OxideSemiconductor，MOS)晶体管T1及T2的电流镜(Current Mirror)为例作说明。晶体管T1及T2是分别为电流主控端212a及电流从属端212b，而电流信号I1及I2是分别为晶体管T1及T2的源极电流。晶体管T1及T2的栅极(Gate)相互耦接，源极(Source)也相互耦接，以接收输出电压Vout’，漏极(Drain)分别耦接至齐纳二极管206b的负端及偏压单元206c。如此，晶体管T1及T2具有相等的栅极-源极电压。而本实施例是以晶体管T1及T2的长宽比(Width/Length)为相等为例作说明，这样一来，晶体管T1及T2具有相等的源极电流，也即是电流信号I1及I2为相等。其中，晶体管T1是例如被配置为顺向导通的二极管(Diode)，其温度系数是例如为负数。

在本实施例中，预定电压电平实质上为：Vout＝|Vth|+|Vz1|，齐纳二极管206b是用以将输出电压Vout’的电压值固定为至预定电压电平。其中Vth为晶体管T1的临界电压，Vz1为齐纳二极管206b的崩溃电压。当输出电压Vout’的电压电平为：Vout＜|Vth|+|Vz1|，也即输出电压Vout’的电压电平过低未达到预定电压电平时，晶体管T1及T2均为截止，而电流信号I1及I2的电流值均为零。当输出电压Vout’的电压电平为：Vout＝|Vth|+|Vz1|，也即输出电压Vout’的电压电平达到预定电压电平时，晶体管T1及T2均导通并操作于饱和区。此时，电流信号I1及I2的电流值是均大于零且为相等。

偏压单元206c包括电流源214及节点NT1，电流源214是用以输出一偏压电流IB由节点NT1导入接地电平。节点NT1的电压是由电流信号I2及偏压电流IB所决定。当输出电压Vout’未达到预定电压电平时，晶体管T2为截止，而电流信号I2的电流值为零。此时，节点NT1的电压电平将被偏压电流IB偏压至接近接地电平。当输出电压Vout’达到预定的电压电平时，晶体管T2为导通并操作于饱和区。此时，电流信号I2的电流值是大于零，以提升节点NT1的电压电平从接近接地电平开始拉高至接近输出电压Vout’的电压电平，也即是将节点NT1的电压电平被偏压至高电压电平。而在本实施例中，节点NT1的电压还用以作为控制信号SC，输出至检测单元208。

请参照图2C，其是图2A中检测单元208的详细电路图。本实施例是以检测单元208包括晶体管T3、T4及T5、缓冲器216及与门(And Gate)218的电路为例作说明。晶体管T3的源极接收高电压电平Vdd，栅极接收接地电平，如此，使得晶体管T3恒为导通，以形成一连接至高电压电平Vdd的路径，来将节点NT2的电压电平偏压至高电压电平Vdd。晶体管T4及T5为N型金属氧化物半导体晶体管，晶体管T5的源极接收接地电平，漏极是与晶体管T4的源极耦接，栅极用以接收系统致能信号ENS。晶体管T4的漏极与晶体管T3的漏极耦接，以形成节点NT2，栅极接收控制信号SC。晶体管T4及T5彼此串联以形成一接地路径，来将节点NT2的电压电平偏压至接地电平，而此接地路径是由控制信号SC及系统致能信号ENS来控制。

在本实施例中，系统致能信号ENS及致能信号EN’的致能电平均为高电压电平，而非致能电平均为低电压电平。当系统致能信号ENS为非致能电平时，无论控制信号SC的电平为何，致能信号EN’均被控制为非致能电平。此时稳压装置200为非致能。当系统致能信号ENS为致能电平而控制信号SC为高电压电平时，系统致能信号ENS与控制信号SC将分别致能晶体管T4及T5，以将节点NT2的电压电平拉低至接地电平，使得节点NT2的电压电平为低电压电平，进而使得致能信号EN’为非致能电平。如此，检测单元208可根据处于高电压电平的控制信号SC来使致能信号EN’为非致能电平，以经由时序信号产生单元202来非致能电荷泵204的操作。

当系统致能信号ENS为致能电平而控制信号SC为低电压电平时，控制信号SC关闭晶体管T4，使得节点NT2的电压电平为高电压电平，进而使得致能信号EN’为致能电平。如此，检测单元208可根据处于低电压电平的控制信号SC来使致能信号EN’为致能电平，以经由时序信号产生单元202来致能电荷泵204的操作。

时序信号产生单元202例如为一般周知的时序信号产生电路，如图2D所示。时序信号产生单元202接收致能信号EN’，以经由反向器将电压电平反向的特性输出时序信号CLK’及反向时序信号CLKB。而电荷泵204也例如为一般通知的电荷泵电路，如图2E所示。电荷泵204接收时序信号CLK’、反向时序信号CLKB及高电压电平Vdd，并受到时序信号CLK’及反向时序信号CLKB的控制来产生输出电压Vout’。其中，高电压电平Vdd是例如为电荷泵204的输入电压。

负载装置210例如为快闪存储器(Flash)。输出电压Vout’是用以输入至作为快闪存储器的数据线(Bit Line)，来提供电压将电子注入快闪存储器存储单元(Memory Cell)中晶体管的悬浮层(Floating Gate)，来进行数据写入；或提供电压来将电子由悬浮层吸出，来进行数据清除。

本实施例虽仅以电流信号I1及I2的电流大小相同为例作说明，然而，电流信号I1及I2也可为其他任意比例。本实施例虽仅以电流映射单元206a为包括两个P型金属氧化物半导体晶体管T1及T2的电流镜为例作说明，然而，电流映射单元206a并不局限于本实施例的结构，而还可为其他形式的电流镜，例如为串叠组态(Cascode)电流镜，或为其他可输出两个电流值大小相关的电流信号的电路结构。本实施例虽仅以将致能信号EN’输入时序信号产生器202来间接地对电荷泵204进行控制，然而，本实施例的稳压装置200还可选择具有致能信号接脚的电荷泵204装置，并将致能信号EN’直接地输入电荷泵204来对电荷泵204的操作进行控制。

本实施例的利用齐纳二极管的稳压单元及稳压装置是根据输出电压来产生两个电流值相关的电流信号。本实施例的利用齐纳二极管的稳压单元及稳压装置是输入其中一电流信号至齐纳二极管，来对输出电压进行稳压，并转换另一电流信号为控制信号，以根据控制信号来判断输出电压是否已达到预定的电压电平。本实施例的利用齐纳二极管的稳压单元还反馈控制信号至电荷泵，以于输出电压达到预定的电压电平时非致能电荷泵。如此，本实施例的利用齐纳二极管的稳压单元可有效地克服传统稳压装置无法在输出电压达到预定的电压电平时关闭电荷泵，而具有耗电量高及功率使用效率低的缺点，而具有降低耗电量及提高功率使用效率的优点。

另外，本实施例的利用齐纳二极管的稳压单元及稳压装置是利用齐纳二极管与为顺向偏压的二极管的电流主控端来将输出电压偏压至预定电压电平，而顺向导通的二极管的温度系数为负数。如此，顺向导通的二极管还可对齐纳二极管进行温度系数的补偿，以降低温度对输出信号电平的影响。这样一来，本实施例的利用齐纳二极管的稳压单元及稳压装置可有效地解决传统利用齐纳二极管的稳压装置输出电压易受到温度影响而偏移的问题，而具有输出电压电平较为稳定的优点。

再者，本实施例的利用齐纳二极管的稳压单元及稳压装置是以包括齐纳二极管、晶体管及逻辑门的简单电路结构，搭配负反馈电路的应用来达到稳压与控制电荷泵的效果。如此，本实施例的利用齐纳二极管的稳压单元及稳压装置可有效地克服传统的未利用齐纳二极管的稳压装置电路复杂及成本较高的缺点，而具有电路结构简单及成本较为低廉的优点。

综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的等同的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。

Claims (9)

1.一种稳压单元，用以接收一电荷泵输出的-驱动电压，并对该驱动电压进行稳压，该稳压单元包括：

一电流映射单元，包括：一电流主控端及一电流从属端，该电流映射单元用以接收该驱动电压，并根据该驱动电压于该电流主控端及该电流从属端分别产生一第一电流信号及一第二电流信号；

一齐纳二极管，该齐纳二极管的负端耦接至该电流主控端，正端接收一固定电压，该齐纳二极管接收该第一电流信号，并控制该驱动电压的电压电平等于一预定电压电平，以对该驱动电压进行稳压；以及

一偏压单元，用以接收该第二电流信号，以根据该第二电流信号来判断该驱动电压的电压电平是否达到该预定电压电平，并根据该第二电流信号产生一控制信号；

其中，该控制信号反馈至该电荷泵，以控制该电荷泵产生该驱动电压。

2.如权利要求1所述的稳压单元，其特征在于该控制信号输入一检测单元，该检测单元还接收一第一致能信号，以根据该第一致能信号及该控制信号产生一第二致能信号。

3.如权利要求2所述的稳压单元，其特征在于该第二致能信号输入一时序信号产生单元，该时序信号产生单元根据该第二致能信号产生一时序信号及一反向时序信号。

4.如权利要求3所述的稳压单元，其特征在于该电荷泵接收该时序信号及该反向时序信号，以根据该时序信号及该反向时序信号产生该驱动电压，该电荷泵并输出该驱动电压。

5.如权利要求1所述的稳压单元，其特征在于该电荷泵还接收一输入电压，并根据该输入电压来产生该驱动电压。

6.一种稳压装置，包括：

一电荷泵，用以输出一驱动电压；

一稳压单元，包括：

一电流映射单元，包括：一电流主控端及一电流从属端，该电流映射单元用以接收该驱动电压，并根据该驱动电压于该电流主控端及该电流从属端分别产生一第一电流信号及一第二电流信号；

一齐纳二极管，该齐纳二极管的负端耦接至该电流主控端，正端接收一固定电压，该齐纳二极管接收该第一电流信号，并控制该驱动电压的电压电平等于一预定电压电平，以对该驱动电压进行稳压；及

一偏压单元，用以接收该第二电流信号，并根据该第二电流信号来判断该驱动电压的电压电平是否达到该预定电压电平，并根据该第二电流信号产生一控制信号；

一检测单元，用以接收该控制信号，并根据该控制信号产生一第一致能信号；以及

一时序信号产生单元，接收该第一致能信号，并根据该第一致能信号产生一时序信号及一反向时序信号；

其中，该时序信号及该反向时序信号输出至该电荷泵，该电荷泵根据该时序信号及该反向时序信号产生该驱动电压。

7.如权利要求6所述的稳压装置，其特征在于该检测单元还接收一第二致能信号，该检测单元根据该第二致能信号及该控制信号产生该第一致能信号。

8.如权利要求7所述的稳压装置，其特征在于该第二致能信号为一系统致能信号，以致能该稳压装置进行稳压操作。

9.如权利要求6所述的稳压装置，其特征在于该电荷泵还接收一输入电压，该电荷泵根据该输入电压、该时序信号及该反向时序信号产生该驱动电压。

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