CN101632130B - 使用自偏置式电容性反馈级的模拟电压产生 - Google Patents

Abstract

通过新型电容性分压反馈结构来实现具有减小的电流耗用的模拟电压耗用。在操作阶段期间，运算放大器监视输出电压的电容性分压部分，且相应地驱动电流宿或电流源；在初始阶段期间，由不同的电路迫使所述输出为正确值，而所述运算放大器经连接以便以移除直流偏移效应的方式对其自身进行自调谐。

Description

使用自偏置式电容性反馈级的模拟电压产生

技术领域

本申请案涉及模拟电压产生，且更明确地说，涉及非易失性存储器集成电路上的许多不同所需电压的低功率产生。

背景技术

许多便携式电子系统严重地受限于电池寿命。举例来说，用户不喜欢笨重的手机，但用户也不愿其手机电力耗尽并关机。一种用以改进电池寿命的方式是增加便携式系统中的电子组件的能量效率。

随着低功率集成电路的约束条件已不断地变得越来越严，电压管理的压力也已类似地变大。功率消耗问题以及电压缩放的正常进步促使设计者更严格地在芯片上管理电压。准确的有效功率阈值或在多接口芯片中动态地确定的电压容限是此现象的实例。

功率岛设计技术的可用性也意味着可能需要用于特定功率岛的特定需求的参考电压。

现代非易失性存储器发展正变为半导体工业中进步最迅速的领域之一。甚至在一般领域内，存储器单元技术本身也继续进步。然而，由于晶体管操作本质上不是数字的，所以存储器设计可能需要多种参考电平。因此，在芯片上产生次级模拟电压的能力是重要的。

带隙电压参考电路是模拟电子器件的主流之一，且提供非常可靠的芯片上参考。然而，此电路拓扑在其许多变型中通常受限于一个特定输出电压且消耗功率。因此，通常优选的是不使用每芯片一个以上带隙参考电路。

低功率非易失性存储器模块的情况是以上要求的会聚。必须使许多不同电压在芯片上可用，但各种电压产生级中的静态功率消耗是极其不合需要的。

如图1所示，从芯片上其它地方镜射的电流源可与电压降或欧姆元件组合以产生参考电压输出。然而，此方法具有经调节电压乘以参考电流的平方的恒定功率损失。

同一发明人的待决美国专利申请案(案号SDK-816，以引用的方式并入本文中)提出了在电压产生器电路的反馈回路中的电容性分压器的优点。在此实例中，如图2中所说明，展示于图的右边处的运算放大器驱动展示于左上部处的电荷泵，以将输出维持在等于参考电压Vref乘以电容性比率的电平。请注意，此申请案未必为本申请案的现有技术。

在图2的电路中，“div”节点在初始阶段期间被下拉到接地。在初始阶段之后，运算放大器驱动电荷泵以使节点div等于Vref，所以将输出电压朝Vref乘以电容器比率(C1+C2)/C2驱动。请注意，输出电压直接取决于电容器比率，所以工艺变化、几何效应及寄生电容效应均可影响输出电压。

本申请案揭示对所述电路的显着改进。

发明内容

本申请案揭示用以在没有直流电流消耗的情况下使用主动控制来产生模拟电压的新方法。常规的接脚设定输出端子上的初始正确电压值，且差动级(例如，运算放大器)在此正确电压值下被置于亚稳状态。此结果是令人惊讶的：所述差动级在启动期间的连接确保其将处于其最佳操作点。

在各种实施例中，所揭示的创新提供至少以下优点中的一者或一者以上：

·减小的静态电流耗用

·较准确的模拟电压产生

·减小的功率消耗

·较简单的系统结构

·在给定功率预算内提供较大数目的电压电平的能力

·较小的布局。这是可能的，因为根据本发明，电容器本身的比率不像在确定操作点时那么重要，所以在需要精确比率的情况下，不再必须使用非常大的电容器。

附图说明

将参看附图来描述所揭示的发明，所述附图展示本发明的重要样本实施例且以引用的方式并入本说明书中，其中：

图1示意性展示具有大静态功率消耗的常规参考电压产生级。

图2展示具有如本申请案中指定的同一发明人的电路，所述电路使用差动级来将输出节点驱动到所需电平，所述所需电平由电容器的比率及参考电压设定。

图3展示新电路的第一样本实施例，其中使用常规级来设定输出电压，而差动级通过连接到正确输出电压来对其自身进行自调谐。请注意，输出节点此时未必连接到任何外部负载。

图4展示可如何使用两个互补驱动器来提供具有静带的电压控制。

图5展示运算放大器如何依据所述特定运算放大器的直流偏移而具有多个可能的操作曲线；以及

图6展示与图3的电路相似的电路的自调谐效应如何设定所需操作点且消除直流偏移及电容器比率的不良效应。

具体实施方式

将特定参考目前优选实施例(以实例方式而非以限制方式)来描述本申请案的众多创新教示。

图3展示新电路的第一样本实施例，其中使用常规级来设定输出电压，而差动级通过连接到正确输出电压来对其自身进行自调谐。请注意，输出节点此时未必连接到任何外部负载。

在启动阶段期间(SW被驱动为高)，参考电流Iref及负载R将输出节点驱动到大约IrefR。(如果信号SW高于此值许多，则将不会存在二极管压降。)因为运算放大器的输出现连接回到其输入(及节点div)，所以运算放大器将会将Vdiv驱动到等于Vref。请注意，SW还门控PMOS，以确保运算放大器此时不能够驱动输出节点。

在启动阶段之后(SW为低)，IrefR级被切断且断开，所以其功率消耗停止。运算放大器现驱动上拉晶体管以保持Vdiv＝Vref，且因此可非常快速地对输出线上的变化的负载做出响应。由于Vdiv在初始化期间等于Vref，且由于输出节点上的变化应由运算放大器及电流源消除，所以输出节点将保持于其在初始化期间所具有的同一值。因此，输出电压不再取决于电容器的比率。

图3的电路展示上拉配置，所以此电路将不能够使输出处的过电压偏移。如图4所示，一种将电压限于所需范围的方式是将上拉作用级与类似的下拉作用级组合。然而，为稳定性起见，优选的是所述两个级不具有相同的设定点。

图5展示一系列运算放大器转移曲线。理想的运算放大器可被视为无限增益差动放大器，所以理想的转移曲线将展示输出＝输入点处的阶跃函数。然而，实际的运算放大器转移曲线将具有某一曲率，如所展示的三条平行曲线那样。

这些曲线是平行的，因为其说明运算放大器的固有困难，即不确定的直流偏移。如三个椭圆形斑点展示，仅设定输入电压不会告诉我们哪条操作曲线是正确的曲线。这在图2的电路中很重要，因为乘以电容器比率的直流偏移电压转变为输出节点上的直流误差分量。

图6展示与图3的电路相似的电路的自调谐效应如何设定所需操作点且消除直流偏移及电容器比率的不良效应。虚线展示如何已将运算放大器迫使到其操作曲线上的亚稳起始点；这确保运算放大器将最佳地对输出节点上的瞬时负载做出响应。运算放大器的不确定直流偏移已被消除。

修改及变化

如所属领域的技术人员将认识到，本申请案中所描述的创新概念可在极大的应用范围内加以修改及变化，且因此，专利标的物的范围不受所给出的特定示范性教示中的任一者限制。希望涵盖属于所附权利要求书的精神及宽广范围内的所有此类替代、修改及变化。

举例来说，如果需要的话，可将额外的反馈关系添加到所说明的电路拓扑中，或如果需要的话，可叠加其它调节措施。

对于另一实例来说，如果需要的话，则可使用通过门以避免二极管压降。

对于另一实例来说，可使用其它电路拓扑在预充电阶段期间设定正确输出值。

对于另一实例来说，时序关系不必像上文所描述的时序关系那样简单。任选地，两个预设门与稳态驱动器操作的起始或全部被展示为由SW门控的不同晶体管之间的在时序上的某一偏斜及/或间隙可彼此偏斜。

对于另一实例来说，可重复运行预充电阶段，以避免输出电压中的长期漂移。

不应将本申请案的任何描述理解为暗示任何特定元件、步骤或功能是必须包括于权利要求书范围中的必要元素：专利标的物的范围仅由所允许的权利要求界定。此外，这些权利要求中的任一者均不希望调用35USC第112部分第六段，除非确切字词“用于……的构件”后跟随分词。

所申请的权利要求书希望尽可能地全面，且不会故意撤回、贡献或放弃任何标的物。

Claims (35)

1.一种用于在一电路中控制电压的方法，所述电路包括输出连接、差动放大器和电容性分压器（C1、C2），所述差动放大器具有反相输入、非反相输入、和输出，所述电容性分压器（C1、C2）具有与所述输出连接共同的第一节点和与所述差动放大器的反相输入共同的第二节点，所述方法包含以下动作：

在稳态操作期间，通过所述电容性分压器（C1、C2）对所述输出连接的电压进行电容性地分压，以向所述差动放大器提供输入，所述差动放大器经操作性地连接以驱动所述输出连接；及

在所述稳态操作之前，通过电流消耗式电压产生级直接驱动所述输出连接，同时还对所述输入进行预充电以将所述差动放大器置于高增益操作状态；

其中所述电流消耗式电压产生级是直流偏置路径，且其中在所述稳态操作期间，所述直流偏置路径被切断，且不再需要直流偏置电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述预充电步骤使用电阻器。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述预充电步骤使已知电流通过电阻器。

4.根据权利要求1所述的方法，其中通过电流镜操作性地连接所述差动放大器以驱动所述输出连接。

5.根据权利要求1所述的方法，其中操作性地连接所述差动放大器以控制驱动所述输出连接的电流源。

6.一种用于在一电路中控制电压的方法，所述电路包括输出连接、差动放大器和电容性分压器（C1、C2），所述差动放大器具有反相输入、非反相输入、和输出，所述电容性分压器（C1、C2）具有与所述输出连接共同的第一节点和与所述差动放大器的反相输入共同的第二节点，所述方法包含以下动作：

a）在第一阶段中，连接电流消耗式电压产生级以驱动输出连接；及

b）在第二阶段中，通过将所述输出连接的电压的电容性分压部分反馈到所述差动放大器来控制所述输出连接的所述电压，所述差动放大器经操作性地连接以控制所述输出连接处的电流分量；

其中，在所述第一阶段期间，所述差动放大器被偏置到高增益条件；其中所述电流消耗式电压产生级是直流偏置路径，且其中在所述第二阶段期间，所述直流偏置路径被切断，且不再需要直流偏置电流。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述电流消耗式电压产生级包含电阻器。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述电流消耗式电压产生级使已知电流通过电阻器。

9.根据权利要求6所述的方法，其中通过电流镜而操作性地连接所述差动放大器以驱动所述输出连接。

10.根据权利要求6所述的方法，其中操作性地连接所述差动放大器以控制驱动所述输出连接的电流源。

11.一种用于在一电路中控制电压的方法，所述电路包括输出连接、差动放大器和电容性分压器（C1、C2），所述差动放大器具有反相输入、非反相输入、和输出，所述电容性分压器（C1、C2）具有与所述输出连接共同的第一节点和与所述差动放大器的反相输入共同的第二节点，所述方法包含以下动作：

在第一阶段中，但并非在第二阶段中，将电流消耗式电压产生级操作性地连接到输出连接；及

在所述第二阶段中，但并非在所述第一阶段中，对所述输出连接的电压进行电容性地分压，以进而产生所述输出连接的所述电压的电容性分压部分，所述电容性分压部分并不直流耦合到所述输出连接；及

将所述电容性分压部分作为输入电压操作性地连接到所述差动放大器，所述差动放大器经连接以提供对应于所述输入电压与参考电压之间的差值的输出，及

根据所述差动放大器的所述输出而控制所述输出连接处的至少一个电流驱动器；

其中所述电流消耗式电压产生级是直流偏置路径，且其中在所述第二阶段期间，所述直流偏置路径被切断，且不再需要直流偏置电流。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一阶段为启动阶段。

13.根据权利要求11所述的方法，其中电流消耗式电压产生级包含电阻器。

14.根据权利要求11所述的方法，其中电流消耗式电压产生级使已知电流通过电阻器。

15.一种集成电路，其包含：

多个电压产生级，每一电压产生级分别经连接以接收参考输入，且

差动级，其由不直流耦合到输出连接的反馈输入驱动，且经配置以在至少一些时间期间控制对相应输出连接的电驱动，且

电流消耗式电压产生级，其经配置以在至少一些其它时间期间直接驱动所述输出连接，同时还对所述反馈输入进行预充电以将所述差动级置于高增益操作状态；

其中所述电流消耗式电压产生级是直流偏置路径，且其中在所述至少一些其它时间期间，所述直流偏置路径被切断，且不再需要直流偏置电流。

16.根据权利要求15所述的电路，其中所述预充电动作使用电阻器。

17.根据权利要求15所述的电路，其中所述预充电动作使已知电流通过电阻器。

18.根据权利要求15所述的电路，其中所述差动级经连接以驱动电流源。

19.根据权利要求15所述的电路，其中次级电压产生级分别经配置以在所述其它时间使用连接到下拉电阻器的电流源来直接驱动所述输出连接。

20.一种集成电路，其包含：

至少一个电压参考级；及

差动级，其经连接以接收来源于所述电压参考级的至少一个参考输入，所述差动级由不直流耦合到输出连接的反馈输入驱动，且经配置以在作用阶段期间控制对相应输出连接的驱动，

电流消耗式电压产生级，其经配置以在预充电阶段期间直接驱动所述输出连接，同时还对所述反馈输入进行预充电以将所述差动级置于高增益操作状态；

其中所述电流消耗式电压产生级是直流偏置路径，且其中在所述预充电阶段期间，所述直流偏置路径被切断，且不再需要直流偏置电流。

21.根据权利要求20所述的电路，其中所述预充电动作使用电阻器。

22.根据权利要求20所述的电路，其中所述预充电动作使已知电流通过电阻器。

23.根据权利要求20所述的电路，其中所述差动级经连接以驱动电流源。

24.根据权利要求20所述的电路，其中所述电流消耗式电压产生级经配置以在所述预充电阶段期间使用连接到下拉电阻器的电流源来直接驱动所述输出连接。

25.一种电压控制电路，其包含：

第一级，其在第一操作阶段期间但并非在第二操作阶段期间将输出连接朝固定电压驱动；及

差动级，其在所述第二阶段期间依据所述输出连接的电压的电容性分压部分而将所述输出连接朝所述固定电压驱动，所述电容性分压部分不直流耦合到所述输出连接；

其中所述第一级在除所述第二操作阶段之外的至少一些时间期间还对所述差动级进行预充电；且

其中所述第一级是直流偏置路径，且其中在所述第二操作阶段期间，所述直流偏置路径被切断，且不再需要直流偏置电流。

26.根据权利要求25所述的电路，其中所述预充电动作使用电阻器。

27.根据权利要求25所述的电路，其中所述差动级经连接以驱动电流源。

28.根据权利要求25所述的电路，其中第一级包括连接到电阻器的电流源。

29.一种电压控制电路，其包含：

用于在稳态操作期间使用差动级来控制对输出连接的驱动的构件，所述差动级由交流反馈输入驱动而非由直流反馈输入驱动；及

用于在所述稳态操作之外对所述输出连接的电压进行预充电且还对所述交流反馈输入进行预充电以将所述差动级置于所需操作状态的构件；

其中所述用于对所述输出连接的电压进行预充电且还对所述交流反馈输入进行预充电的构件是直流偏置路径，且其中在所述稳态操作期间，所述直流偏置路径被切断，且不再需要直流偏置电流。

30.根据权利要求29所述的电路，其中预充电构件包括连接到电阻器的电流源。

31.根据权利要求29所述的电路，其中所述预充电构件包括电阻器。

32.一种电压产生电路，其包含：

低功率驱动级，其在作用时将节点朝所需电压驱动，但所述低功率驱动级不是直流稳定的；及

额外驱动级，其是直流稳定的，所述额外驱动级比所述低功率驱动级消耗更多的功率，且所述额外驱动级在所述低功率级不作用时的至少一些时间期间将所述节点朝所述所需电压驱动；

其中所述低功率驱动级有时还经连接以在不作用时对将所述低功率级偏置到所需操作点的电路进行预充电；

其中所述低功率驱动级级是直流偏置路径，且其中在稳态操作期间，所述直流偏置路径被切断，且不再需要直流偏置电流。

33.根据权利要求32所述的电路，其中所述预充电动作使已知电流通过电阻器。

34.根据权利要求32所述的电路，其中所述低功率驱动级经连接以驱动电流源。

35.根据权利要求32所述的电路，其中额外驱动级包括连接到电阻器的电流源。