CN101782788B - 电子电路 - Google Patents

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Abstract

一种电子电路，包含：电压调整单元，通过比较参考电压与反馈电压，将输入电压转变为输出电压；以及切换电容器电路，耦接于所述输出电压与所述电压调整单元，所述切换电容器电路包括第一电容器与第二电容器，其中，所述第一电容器与所述第二电容器通过执行所述第一电容器与所述第二电容器之间的电荷共享，从所述输出电压提取分压，以获得所述反馈电压。本发明的效果之一在于，可以获得有效的电流利用率并提高系统的效率。

Description

电子电路
技术领域
本发明有关于电子电路，尤其有关于利用切换组件(switching element)与电容器(capacitor)作为反馈电阻(feedback resistor)的电压调整器(voltageregulator)相关的电子电路。
背景技术
电源管理控制系统包括并入到便携式(portable)电子装置(例如膝上型计算机、手提式电子装置以及移动电话)中的电压调整器，以从变化的输入电压供应器(voltage supply)产生稳定的输出电压。
电压调整器的目的是调整供应给内部电路(internal circuitry)的外部电源(external power)，以获得有效的电流利用率(current usage)或静态电源(quiescent power)。可利用的工作电压称为“压差(drop out)”电压，其为调整器调整的输入与输出电压之间的差异。差异越小，系统的效率就越高。另外，电池仅能够提供有限量的电荷，所以，调整器利用的静态电流越多，电池的工作寿命就会越短，系统的效率也会因此而降低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种电子电路。
一种电子电路，包含：电压调整单元，通过比较参考电压与反馈电压，将输入电压转变为输出电压；以及切换电容器电路，耦接于所述输出电压与所述电压调整单元，所述切换电容器电路包括第一电容器与第二电容器，其中，所述第一电容器与所述第二电容器通过执行所述第一电容器与所述第二电容器之间的电荷共享，从所述输出电压提取分压，以获得所述反馈电压。
一种电子电路，包括：电压调整单元，通过比较参考电压与反馈电压，将输入电压转变为输出电压；第一电容器，包括第一端与第二端，所述第一电容器的第一端耦接于所述输出电压；第一切换组件，包括第一端与第二端，其中，所述第一切换组件的第一端耦接于所述第一电容器的第一端，所述第一切换组件的第二端耦接于所述第一电容器的第二端；第二切换组件，包括第一端与第二端，其中，所述第二切换组件的第一端耦接于所述第一电容器的第二端与所述第一切换组件的第二端，所述第二切换组件的第二端耦接于所述电压调整单元；第三切换组件，包括第一端与第二端，其中，所述第三切换组件的第一端耦接于所述第二切换组件的第二端；第二电容器，包括第一端与第二端，其中，所述第二电容器的第一端耦接于所述第三切换组件的第二端，所述第二电容器的第二端耦接于偏压；以及第四切换组件，包括第一端与第二端，其中，所述第四电容器的第一端耦接于所述第二电容器的第一端与所述第三切换组件的第二端，所述第四切换组件的第二端耦接于所述偏压。
一种电子电路，包括：误差放大器，包括第一输入端、第二输入端以及输出端，其中，所述第一输入端耦接于一参考电压，所述第二输入端耦接于反馈电压；晶体管，包括第一端、控制端以及第二端，其中，所述第一端耦接于输入电压，所述控制端耦接于所述误差放大器的所述输出端，所述第二端输出输出电压；以及切换电容器电路，耦接于所述输出电压与所述放大器之间，包括多个切换组件以及至少第一电容器与第二电容器，其中，所述切换组件由非重叠时钟切换，使得在第一周期中，所述第二电容器放电于偏压，并且在第二周期中，所述第一电容器与第二电容器连接，以从所述输出电压中提取分压并作为所述反馈电压。
本发明的效果之一在于，可以获得有效的电流利用率并提高系统的效率。
以下系根据多个图式对本发明的较佳实施例进行详细描述，所属技术领域技术人员阅读后应可明确了解本发明的目的。
附图说明
图1为电压调整器的实施例。
图2为电压调整器的示意图。
图3为电压调整器的另一实施例。
图4为图3所示的切换电容器电路中的切换组件的控制时序图。
图5为电压调整器的另一个实施例。
图6为图5所示的切换电容器电路中的切换组件的控制时序图。
图7为电压调整器的另一个实施例。
图8为电压调整器的另一个实施例。
图9为图8中所示切换电容器电路中切换组件的控制时序图。
具体实施方式
在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中具有通常知识者应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。
图1为电压调整器的实施例。如图所示，电压调整器100可为低压差(lowdrop out，LDO)电压调整器或低静态电流调整器，且电压调整器100包括误差放大器(error amplifier)EA0，PMOS传输晶体管(pass transistor)M0以及反馈串联电阻10，其中，反馈串联电阻10具有串联电阻(即，电阻R1与R2)。当设计输出电压Vout大于默认电压电平且流经电阻R1与R2中的电流有限时，需要串联电阻(R1与R2)的电阻值非常大，以致布局面积相应的增加了。例如，当设计输出电压Vout为2.8V且限制流经电阻R1与R2中的电流在0.5μA，则需要电阻R1与R2的总电阻值为5.6MΩ。通常，电源管理集成电路(IC)包括不止10个LDO电压调整器，则当考虑所需的低电流时，所有LDO电压调整器中的反馈串联电阻会占据绝大多数布局面积。
为了减少电源管理IC中这样的LDO电压调整器的布局面积，本发明的实施例利用切换电容器(Switching capacitor，SC)电路作为反馈电阻来实施。
图2为电压调整器的示意图。如图所示，电压调整器200包括电压调整单元20与切换电容器电路30。例如，电压调整单元20可为低静态电流调整器、电荷泵(charge pump)电路、切换模式(switching mode)电源供应器或LDO电压调整器，但不限于此。电压调整单元20通过比较参考电压Vref与反馈电压Vbk，将输入电压Vdd转变为输出电压Vout。切换电容器电路30耦接于输出电压Vout与电压调整单元20之间，且包括多个切换组件以及至少两个电容器(在下列图中显示)。切换电容器电路30中的切换组件由非重叠(non-overlapping)时钟切换，使得在第一周期中，一个电容器放电于偏压(biasvoltage)，并且在第二周期中，两个电容器连接在一起，从而获得输出电压Vout的分压(division voltage)并作为反馈电压Vbk。也就是说，通过两个电容器之间的电荷分享(charge sharing)，切换电容器电路30对输出电压Vout执行电压分压，以获得反馈电压Vbk。
比如，将切换电容器电路30中的切换组件切换，使得在第一周期中，两个电容器中的一个电容器的两端(terminal)耦接于输出电压Vout，且在第二周期中，两个电容器串联连接，以获得输出电压Vout的分压并作为反馈电压Vbk。或者，在第一周期中，将切换电容器电路中的切换组件切换，使得在第一周期中，两个电容器中的一个由输出电压Vout充电，且在第二周期中，两个电容器并联，以获得输出电压Vout的分压并作为反馈电压Vbk。
图3为电压调整器的另一实施例。如图所示，电压调整器300包括电压调整单元20”与切换电容器电路30A，其中，电压调整单元20”将输入电压Vdd变换为输出电压Vout，且根据输出电压Vout，切换电容器电路30A将反馈电压Vbk提供至电压调整单元20”。电压调整单元20”包括误差放大器EA1与PMOS传输晶体管M1。误差放大器EA1包括第一输入端、第二输入端以及输出端，其中，第一输入端耦接于参考电压Vref，第二输入端耦接于反馈电压Vbk，输出端耦接于晶体管M1。晶体管M1包括第一端、控制端以及第二端，其中，第一端耦接于输入电压Vdd，控制端耦接于误差放大器EA1的输出端，第二端输出输出电压Vout。
电压调整单元20”通过比较参考电压Vref与来自切换电容器电路30A的反馈电压Vbk，将输入电压Vdd变换为输出电压Vout。例如，当反馈电压Vbk高于参考电压Vref时，误差放大器EA1将晶体管M1的控制端上的电压降低，从而增加输出电压Vout。相反地，当反馈电压Vbk低于参考电压Vref时，误差放大器EA1将晶体管M1的控制端上的电压增高，从而降低输出电压Vout。这样，根据参考电压Vref与反馈电压Vbk，电压调整单元20”可将输出电压Vout保持在理想的电压电平上。
切换电容器电路30A包括电容器C1与C2以及切换组件SW1～SW4。电容器C1具有第一端与第二端，其中，第一端耦接于输出电压Vout，第二端耦接于切换组件SW2。切换组件SW1具有第一端与第二端，其中，第一端耦接于电容器C1的第一端，第二端耦接于电容器C1的第二端。切换组件SW2具有第一端与第二端，其中，第一端耦接于电容器C1的第二端，第二端耦接于节点(node)ND1，其中，节点ND1上的电压作为反馈电压Vbk。切换组件SW3具有第一端与第二端，其中，第一端耦接于节点ND1，第二端耦接于电容器C2与切换组件SW4。电容器C2具有第一端与第二端，其中，第一端耦接于切换组件SW3的第二端，第二端耦接于偏压(在这里，接地电压Gnd作为偏压)。切换组件SW4具有第一端与第二端，其中，第一端耦接于电容器C2的第一端，第二端耦接于接地电压Gnd。
图4为图3所示的切换电容器电路中的切换组件的控制时序图。参考图3与图4来描述切换电容器电路30A的操作。如图4所示，在时间段t0～t1中，切换组件SW1与SW4关闭且切换组件SW2与SW3开启，电容器C1与C2从输出电压Vout提取分压，以作为反馈电压Vbk(即，节点ND1上的电压)。例如，电容器C1与C2通过电荷分享从输出电压Vout提取分压，以作为反馈电压Vbk。在时间段t1～t2中，所有切换组件SW1～SW4关闭。因为切换组件SW2与SW3已关闭，所以节点ND1(即，反馈电压Vbk)上的电压得以保持(即，与上个时间段t0～t1相同)。接着，在时间段t2～t3中，切换组件SW1与SW4开启且切换组件SW2与SW3关闭，使得电容器C1的两端都耦接于输出电压Vout，且电容器C2的两端都耦接于接地电压Gnd。
之后，在时间段t3～t4中，所有切换组件SW1～SW4再一次关闭。在时间段t4～t5中，切换组件SW1与SW4关闭且切换组件SW2与SW3开启，电容器C1与C2再一次从输出电压Vout提取分压。然后，在时间段t5～t6中，切换组件SW1～SW4关闭。因为切换组件SW2与SW3已关闭，所以在节点ND1(即，反馈电压Vbk)上的电压得以保持(即，与上个时间段t4～t5相同)。
在时间段t6～t7中，切换组件SW1与SW4开启且切换组件SW2与SW3关闭，使得电容器C1的两端都耦接于输出电压Vout，且电容器C2的两端都耦接于接地电压Gnd。
在此实施例中，电容器C1与切换组件SW1及SW2可看作为第一电阻，且电容器C2与切换组件SW3及SW4可看作为第二电阻。第一电阻与第二电阻的等效电阻值可分别视为T1/C11与T2/C22，其中，C11代表电容器C1的电容，C22代表电容器C2的电容，T1代表切换组件SW1的工作周期，且T2代表切换组件SW4的工作周期。例如，当电容器C1为1pF且切换组件SW1工作在1MHz(即，工作周期为10-6秒)时，可以获得1MΩ电阻值。也就是说，第一电阻与第二电阻的电阻值可由不同的电容与切换组件SW1～SW4不同的工作周期修改。
图5为电压调整器的另一个实施例。如图所示，除了切换组件SW5耦接于节点ND1与误差放大器EA1的第二输入端之间以外，电压调整器400与图3中所示的电压调整器300相似。图6为图5所示的切换电容器电路中的切换组件的控制时序图。参考图5与图6来描述电压调整器400中的切换电容器电路的操作。
如图所示，在时间段t0～t1中，切换组件SW1与SW4关闭且切换组件SW2、SW3以及SW5开启，电容器C1与C2从输出电压Vout提取分压以作为反馈电压Vbk(即，节点ND1上的电压)。在t1时，切换组件SW1与SW4保持关闭且切换组件SW2与SW3保持开启，切换组件SW5关闭。因此，误差放大器EA1(即，反馈电压Vbk)的第二输入端上的电压得以保持(即，与上个时间段t0～t1相同)。
在时间t2时，切换组件SW1、SW4以及SW5保持关闭，且切换组件SW2与SW3关闭。在时间段t2～t3中，所有的切换组件SW1～SW5保持关闭。接着，在时间段t3～t4中，切换组件SW2、SW3以及SW5保持关闭且切换组件SW1与SW4开启，使得电容器C1的两端都耦接于输出电压Vout，且电容器C2的两端都耦接于接地电压Gnd。之后，在时间t4时，SW2、SW3以及SW5保持关闭且切换组件SW1与SW4关闭。接着，在时间段t4～t5中，所有的切换组件SW1～SW5保持关闭。在时间段t5～t9中的操作与时间段t0～t5中的相似。
图7为电压调整器的另一个实施例。如图所示，除了电容器C2由可变电容器C3替代以外，电压调整器500与图3中所示电压调整器300相似。可变电容器C3包括电容器C3_0～C3_n与切换组件SWC_1～SWC_n。电容器C3_0耦接于节点ND2与接地电压Gnd之间，电容器C3_1与切换组件SWC_1串联于节点ND2与接地电压Gnd之间，电容器C3_2与切换组件SWC_2串联于节点ND2与接地电压Gnd之间。当切换组件SWC_1开启时，电容器C3_0与C3_1并联且可变电容器C3的电容增加。当切换组件SWC_1～SWC_2都开启时，电容器C3_0～C3_2并联且可变电容器的电容进一步增加。也就是说，切换组件SWC_1～SWC_n开启的越多，可变电容器C3的电容就越大。电压调整器500的操作与图3所示电压调整器300的相似，所以不再赘述。通过调节可变电容器C3的电容，电压调整器500可调整输出电压Vout的电压电平。
图8为电压调整器的另一个实施例。如图所示，除了切换电容器电路30A由切换电容器电路30B代替以外，电压调整器600与图3中所示电压调整器300相似。切换电容器电路30B包括切换组件SW6～SW9以及电容器C4～C5。切换组件SW6具有第一端与第二端，其中，第一端耦接于输出电压Vout，第二端耦接于节点ND3。电容器C4具有第一端与第二端，其中，第一端耦接于节点ND3，第二端耦接于接地电压Gnd。切换组件SW7具有第一端与第二端，其中，第一端耦接于节点ND3，第二端耦接于节点ND3”。电容器C5具有第一端与第二端，其中，第一端耦接于节点ND3”，第二端耦接于接地电压Gnd。切换组件SW8具有第一端与第二端，其中，第一端耦接于节点ND3”，第二端耦接于接地电压Gnd。切换组件SW9具有第一端与第二端，其中，第一端耦接于节点ND3，第二端耦接于误差放大器EA1的输入端。
图9为图8中所示切换电容器电路中切换组件的控制时序图。参考图8与图9来描述切换电容器电路30B的操作。
如图所示，在时间段t0～t1中，切换组件SW6与SW8关闭且切换组件SW7与SW9开启，电容器C1与C2对输出电压Vout执行分压以作为反馈电压Vbk。例如，储存于电容器C4中的输出电压Vout对电容器C5充电，即，执行电容器C4与C5之间的电荷共享，以提取输出电压Vout的分压以作为反馈电压Vbk。
在时间t1时，切换组件SW6与SW8保持关闭且切换组件SW7保持开启，切换组件SW9关闭。这样，误差放大器EA1(即，反馈电压Vbk)的第二输入端上的电压得以保持(即，与上一个时间段t0～t1相同)。在时间段t1～t2中，切换组件SW6、SW8以及SW9保持关闭，切换组件SW7开启。在时间段t2～t3中，所有的切换组件SW1～SW5保持关闭。
然后，在时间段t3～t4中，切换组件SW7与SW9保持关闭且切换组件SW6与SW8保持开启，使得电容器C4由输出电压Vout充电，并且电容器C5的两端都耦接于接地电压Gnd。接着，在时间t4时，切换组件SW7与SW9保持关闭且切换组件SW6与SW8关闭。之后，在时间段t4～t5中，所有的切换组件SW6～SW9保持关闭。在时间段t5～t9中重复操作。
在一些实施例中，电容器C4或电容器C5可由图7中所示可变电容器C3代替，以调整输出电压Vout至所需电压电平。因为在高级的半导体处理中，每单位的电容提高的越来越多，所以用电容器与切换组件来代替反馈电阻会达到更高的效率，并且可因此而减少电压调整器的布局面积。在一些实施例中，在形成金属绝缘体金属(metal-insulator-metal)装置或金属对金属(metal-on-metal)装置中，也可将电容器C1～C5或C3_0～C3_n执行于主动装置(active device)上，且电容器C1～C5或C3_0～C3_n不会增加芯片的布局面积。
上述的实施例仅用来例举本发明的实施态样，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的范畴。任何所属技术领域技术人员可依据本发明的精神轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利范围应以权利要求为准。

Claims (14)

1.一种电子电路，其特征在于，包含：
电压调整单元，通过比较参考电压与反馈电压，将输入电压转变为输出电压，其中所述电压调整单元包括误差放大器和晶体管，所述误差放大器包括第一输入端、第二输入端以及输出端，所述第一输入端耦接于所述参考电压，所述第二输入端耦接于所述反馈电压；所述晶体管包括第一端、控制端以及第二端，所述晶体管的第一端耦接于所述输入电压，所述晶体管的控制端耦接于所述误差放大器的所述输出端，所述晶体管的第二端输出所述输出电压；以及
切换电容器电路，耦接于所述输出电压与所述电压调整单元，所述切换电容器电路包括第一电容器与第二电容器，其中，所述第一电容器与所述第二电容器通过执行所述第一电容器与所述第二电容器之间的电荷共享，从所述输出电压提取分压，以获得所述反馈电压；
其中所述切换电容器电路还包括第一切换组件、第二切换组件、第三切换组件和第四切换组件；所述第一切换组件包括第一端与第二端，所述第一切换组件的第一端耦接于所述第一电容器的第一端，所述第一切换组件的第二端耦接于节点；所述第二切换组件包括第一端与第二端，所述第二切换组件的第一端耦接于所述节点，所述第二切换组件的第二端耦接于所述第二电容器的第一端，所述节点耦接于所述误差放大器的所述第二输入端；所述第三切换组件包括第一端与第二端，所述第三切换组件的第一端耦接于所述第一电容器的第二端与所述晶体管的第二端，且所述第三切换组件的第二端耦接于所述第一切换组件的第一端与所述第一电容器的第一端；所述第四切换组件包括第一端与第二端，所述第四切换组件的第一端耦接于所述第二电容器的第一端与所述第二切换组件的第二端，且所述第四切换组件的第二端耦接于所述第二电容器的第二端。
2.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，所述第一电容器与所述第二电容器串联连接于所述晶体管的第二端与偏压之间。
3.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，所述切换电容器进一步包括第五切换组件，其中，所述第五切换组件包括第一端与第二端，所述第五切换组件的第一端耦接于所述节点，所述第五切换组件的第二端耦接于所述误差放大器的所述第二输入端。
4.一种电子电路，其特征在于，包括：
电压调整单元，通过比较参考电压与反馈电压，将输入电压转变为输出电压；
第一电容器，包括第一端与第二端，所述第一电容器的第一端耦接于所述输出电压；
第一切换组件，包括第一端与第二端，其中，所述第一切换组件的第一端耦接于所述第一电容器的第一端，所述第一切换组件的第二端耦接于所述第一电容器的第二端；
第二切换组件，包括第一端与第二端，其中，所述第二切换组件的第一端耦接于所述第一电容器的第二端与所述第一切换组件的第二端，所述第二切换组件的第二端耦接于所述电压调整单元；
第三切换组件，包括第一端与第二端，其中，所述第三切换组件的第一端耦接于所述第二切换组件的第二端；
第二电容器，包括第一端与第二端，其中，所述第二电容器的第一端耦接于所述第三切换组件的第二端，所述第二电容器的第二端耦接于偏压；以及
第四切换组件，包括第一端与第二端，其中，所述第四电容器的第一端耦接于所述第二电容器的第一端与所述第三切换组件的第二端，所述第四切换组件的第二端耦接于所述偏压。
5.根据权利要求4所述的电子电路，其特征在于，所述电子电路为电压调整器。
6.根据权利要求4所述的电子电路，其特征在于，所述第一电容器与所述第二电容器其中之一为可变电容器。
7.根据权利要求4所述的电子电路，其特征在于，所述电压调整单元为切换模式电源供应器或电荷泵电路。
8.根据权利要求5所述的电子电路，其特征在于，进一步包括第五切换组件，其中，所述第五切换组件包括第一端与一第二端，所述第五切换组件的第一端耦接于所述电压调整单元，所述第五切换组件的第二端耦接于所述第二切换组件的第二端与所述第三切换组件的第一端。
9.一种电子电路，其特征在于，包括：
电压调整单元，通过比较参考电压与反馈电压，将输入电压变换为输出电压；
第一切换组件，包括第一端与第二端，其中，所述第一切换组件的第一端耦接于所述输出电压；
第一电容器，包括第一端与第二端，其中，所述第一电容器的第一端耦接于所述第一切换组件的第二端，所述第一电容器的第二端耦接于一偏压；
第二切换组件，包括第一端与第二端，其中，所述第二切换组件的第一端耦接于所述第一电容器的第一端与所述第一切换组件的第二端；
第二电容器，包括第一端与第二端，其中，所述第二电容器的第一端耦接于所述第二切换组件的第二端，所述第二电容器的第二端耦接于所述偏压；
第三切换组件，包括第一端与第二端，其中，所述第三切换组件的第一端耦接于所述第二切换组件的第二端与所述第二电容器的第一端，所述第三切换组件的第二端耦接于所述偏压；以及
第四切换组件，包括第一端与第二端，其中，所述第四切换组件的第一端耦接于所述第一电容器的第一端与所述第一切换组件的第二端，所述第四切换组件的第二端耦接于所述电压调整单元。
10.一种电子电路，其特征在于，包括：
误差放大器，包括第一输入端、第二输入端以及输出端，其中，所述第一输入端耦接于参考电压，所述第二输入端耦接于反馈电压；
晶体管，包括第一端、控制端以及第二端，其中，所述第一端耦接于输入电压，所述控制端耦接于所述误差放大器的所述输出端，所述第二端输出输出电压；以及
切换电容器电路，耦接于所述输出电压与所述放大器之间，包括多个切换组件以及至少第一电容器与第二电容器，其中，所述切换组件由非重叠时钟切换，使得在第一周期中，所述第二电容器放电于偏压，并且在第二周期中，所述第一电容器与第二电容器连接，以从所述输出电压中提取分压并作为所述反馈电压。
11.根据权利要求10所述的电子电路，其特征在于，切换所述切换组件使得在所述第一周期中，所述第一电容器的两端耦接于所述输出电压，并且在所述第二周期中，所述第一电容器与第二电容器串联连接，以从所述输出电压中提取所述分压并作为所述反馈电压。
12.根据权利要求10所述的电子电路，其特征在于，所述切换组件进行切换处理，使得在所述第一周期中所述第一电容器由所述输出电压充电，并且在所述第二周期中所述第一电容器与第二电容器并联，以从所述输出电压中提取所述分压，并作为所述反馈电压。
13.根据权利要求10所述的电子电路，其特征在于，所述电子电路为电压调整器。
14.根据权利要求13所述的电子电路，其特征在于，所述第一电容器与第二电容器其中之一为可变电容器。
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