CN104345762B - 电压产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电压产生装置。电压产生装置包括参考电压生成器以及输出电压生成器。参考电压生成器用于产生参考电压，并依据控制信号决定是否产生参考电压。输出电压生成器包括比较器、可变电阻以及电流源。比较器比较参考电压与输出电压，由此产生校准信号。可变电阻的电阻值由校准信号决定。电流源提供输出电流以流经可变电阻，由此产生输出电压。其中，参考电压在初始周期期间产生，而参考电压生成器在初始周期之后关闭。初始周期依据控制信号而决定。

Description

电压产生装置
技术领域
本发明是有关于一种电压产生装置，且特别是有关于一种用于产生高度精确的输出电压的电压产生装置。
背景技术
在集成电路中，能隙电压生成器（band-gap voltage generator）用于提供高度精确的输出电压。由能隙电压生成器产生的输出电压与环境温度的变化无关，且输出电压供集成电路的核心电路使用，由此维持核心电路的性能稳定。
在现有技术的能隙电压生成器中，往往需要多个双极性晶体管（bipolartransistor）以及高增益的运算放大器。也就是说，当能隙电压生成器运作时，将会消耗大量电流。
发明内容
本发明提供一种用于产生高精确输出电压以及低能源消耗的电压产生装置。
电压产生装置包括参考电压生成器以及输出电压生成器。参考电压生成器用于产生参考电压，且参考电压生成器依据控制信号决定是否产生参考电压。输出电压生成器耦接于参考电压生成器。输出电压生成器包括比较器、可变电阻以及电流源。比较器比较参考电压以及输出电压，由此产生校准信号。可变电阻耦接于比较器，且可变电阻的电阻值由校准信号决定。电流源耦接于可变电阻，且电流源提供输出电流以流经可变电阻，由此产生输出电压。其中，参考电压在初始周期（initial timing period）期间产生，而参考电压生成器在初始周期之后关闭，且初始周期依据控制信号而决定。
基于上述，本发明提供一种参考电压生成器，用于产生高度精确的参考电压至输出电压生成器。输出电压生成器依据参考电压而产生输出电压，且当输出电压稳定产生时，参考电压生成器关闭。也就是说，输出电压生成器会依据高度精确的参考电压，由此产生高度精确的输出电压。此外，参考电压生成器关闭是为了节省电压产生装置的能源消耗。用于产生高度精确的输出电压并具低能源消耗的电压产生装置可被实现。
为让本案的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明一实施例所示出的电压产生装置的电路图；
图2是依照本发明一实施例所示出的参考电压生成器的电路图；
图3是依照本发明一实施例所示出的参考电压生成器的另一电路图。
附图标记说明：
100：电压产生装置；
110：参考电压生成器；
111：电流生成器；
112、113：截波器；
120：输出电压生成器；
121：电流源；
122：二元搜寻逻辑电路；
VREF：参考电压；
CTRL：控制信号；
CMP：比较器；
VR：可变电阻；
D1：二极管；
IO1：输出电流；
I1、IA1、I2、I11、I12：电流；
GND：参考接地；
VOUT：输出电压；
CALS：校准信号；
CK：频率信号；
M1～M5、T1～T2、M11～M13：晶体管；
R1、R2～R5：电阻；
VDD：操作电压；
OP1、OP2、OP11、OP12：放大器；
VB1、VB2：偏压；
SW1：开关。
具体实施方式
现将详细参考本发明的示范性实施例，在附图中说明所述示范性实施例的实例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标记的组件/构件代表相同或类似部分。
请参照图1，图1是依照本发明一实施例所示出的电压产生装置的电路图。电压产生装置100包括参考电压生成器110以及输出电压生成器120。参考电压生成器110产生参考电压VREF，且参考电压生成器110依据控制信号CTRL决定是否产生参考电压VREF。参考电压VREF被提供给输出电压生成器120，其中参考电压VREF的电压准位可与环境温度无关。
参考电压生成器110受控于控制信号CTRL，且在初始周期期间，参考电压生成器110提供参考电压VREF至输出电压生成器120。此外，参考电压生成器110在初始周期之后关闭，其中，初始周期是由控制信号CTRL决定。
在本实施例中，输出电压生成器120耦接于参考电压生成器110。输出电压生成器120包括比较器CMP、电流源121、二元搜寻逻辑电路（binarysearch logic circuit）122、可变电阻VR以及二极管D1。电流源121耦接于可变电阻VR，并提供输出电流IO1至可变电阻VR。可变电阻VR与二极管D1串接在电流源121与参考接地GND之间。当输出电流IO1流经可变电阻VR以及二极管D1时，可在电流源121与可变电阻VR的耦接端点上产生输出电压VOUT。
在此请注意，输出电压VOUT的电压准位可由可变电阻VR的电阻值决定。在图1中，可变电阻VR的电阻值受控于校准信号CALS。校准信号CALS是由二元搜寻逻辑电路122产生。在此，二元搜寻逻辑电路122耦接于比较器CMP与可变电阻VR之间。比较器CMP用于比较来自参考电压生成器110的参考电压VREF，并传送比较结果至二元搜寻逻辑电路122。二元搜寻逻辑电路122依据比较器的输出，并通过根据频率信号CK的二元搜寻算法而产生校准信号CALS。
二元搜寻算法为本领域技术人员所熟知，故二元搜寻算法的细节在此不再赘述。
电流源121包括晶体管M1～M5以及电阻R1。晶体管M1～M3的第一端耦接于操作电压VDD，且晶体管M1～M3的控制端共接。晶体管M3的控制端还耦接于晶体管M3的第二端。晶体管M1的第二端耦接于可变电阻VR，由此提供输出电流IO1。晶体管M2和M3的第二端分别耦接于晶体管M4和M5的第一端。晶体管M4的控制端耦接于晶体管M2的第二端与晶体管M5的控制端。晶体管M4的第二端耦接于参考接地GND。电阻R1耦接于晶体管M5的第二端与参考接地GND之间。
对于电压产生装置100的详细操作，首先，在初始周期期间，参考电压生成器110产生并提供参考电压VREF至输出电压生成器120。接着，输出电压生成器120通过参照参考电压VREF而产生输出电压VOUT，且参考电压生成器110在初始周期之后关闭。
输出电压VOUT通过参照高度准确的参考电压生成器110而可具有高准确度，并由于参考电压生成器110在初始周期之后关闭而可减少能源消耗。也就是说，通过电压产生装置100可实现具有低能源消耗的输出电压VOUT。
请参照图2，图2是依照本发明一实施例所示出的参考电压生成器的电路图。在图2中，参考电压生成器110包括电流生成器111、电阻R2～R5、晶体管T1～T2以及放大器OP1和OP2。电流生成器111依据偏压VB1和VB2而产生电流I1、IA1以及I2。其中，电流I1和IA1形成电流生成器111的第一电流，而电流I2则为电流生成器111的第二电流。电阻R2的第一端接收电流I1的一部分（I11），而电阻R2的第二端则耦接于晶体管T1的第一端。晶体管T1的第二端与控制端耦接至参考接地GND。电阻R3和R4串接在电流生成器111和晶体管T2之间。电阻R3的第一端接收电流I1的另一部分（I12），而电阻R3的第二端则耦接于电阻R4的第一端。电阻R4的第二端耦接于晶体管T2的第一端，而晶体管T2的第二端和控制端耦接至参考接地GND。
放大器OP1的两个输入端分别耦接于电阻R2和R3的第二端。放大器OP1的输出端产生偏压VB1。放大器OP2的两个输入端分别耦接于电阻R4和R5的第一端。放大器OP2的输出端产生偏压VB2。此外，电阻R5的第二端耦接至参考接地GND，而电阻R5的第一端接收来自电流生成器111的电流I2。
在本实施例中，电流生成器111包括晶体管M11～M13。晶体管M11～M13的第一端耦接至操作电压VDD，晶体管M11和M12的第二端耦接于电阻R2和R3的第一端以提供电流I1，且M13的第二端耦接于电阻R5的第一端以提供电流I2。晶体管M11的控制端耦接于放大器OP1的输出端，用于接收偏压VB1。晶体管M12和M13的控制端耦接于放大器OP2的输出端，用于接收偏压VB2。
另外，电流I1的温度系数和电流I2的温度系数为互补。电流I2的温度系数和电流IA1的温度系数为相同。举例来说，电流I1的温度系数为正温度系数，而电流IA1的温度系数为负温度系数。据此，电阻R2所接收的电流I11与环境温度无关，参考电压VREF也因此而与环境温度无关。
在此请注意，电流生成器111也接收控制信号CTRL。当控制信号CTRL指示电流生成器111是处于初始周期时，电流生成器111正常产生电流I1、IA1以及I2。相对而言，当控制信号CTRL指示电流生成器111不是处于初始周期时，电流生成器111停止产生电流I1、IA1以及I2。电流生成器111可通过关闭晶体管M11～M13接收操作电压VDD的路径而关闭。
请参照图3，图3是依照本发明一实施例所示出的参考电压生成器的另一电路图。在图3中，参考电压生成器110包括电流源111、电阻R2～R5、晶体管T1～T2、放大器OP11和OP12、开关SW1以及截波器（chopper）112和113。与图2的参考电压生成器110不同的是，图3的参考电压生成器110包括两个截波器112和113，截波器112耦接于放大器OP11和电阻R2～R4之间，且截波器113耦接于放大器OP12和电阻R3～R5之间。详细来说，截波器112的两个输入端分别耦接于电阻R2和R3的第二端，而其两个输出端分别耦接于放大器OP11的输入端。截波器113的两个输入端分别耦接于电阻R4和R5的第一端，而其两个输出端分别耦接于放大器OP12的输入端。此外，放大器OP11和OP12各具有截波输出级（chopper output stage）。截波器112和113以及截波输出级根据频率信号CK而运作，且截波器112和113以及截波输出级用于消除放大器OP11和OP12的偏移电压（offsetvoltage）。
在图3中，受控于控制信号CTRL的开关SW1可被放置在晶体管M11～M13以及操作电压VDD之间。开关SW1根据控制信号CTRL在初始周期期间可被开启，并在初始周期之后可被关闭。
综上所述，电压产生装置提供用于产生具有高度准确的参考电压的参考电压生成器。电压产生装置也提供通过参照参考电压而产生输出电压的输出电压生成器。当输出电压已产生，参考电压生成器关闭以节省能源消耗。也就是说，通过本发明实施例，可以产生高度准确的输出电压，并可节省能源消耗。
最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种电压产生装置，其特征在于，包括：
一参考电压生成器，用于产生一参考电压，该参考电压生成器依据一控制信号决定是否产生该参考电压；以及
一输出电压生成器，耦接于该参考电压生成器，该输出电压生成器包括：
一比较器，用于比较该参考电压以及一输出电压，由此产生一校准信号；
一可变电阻，耦接于该比较器，该可变电阻的一电阻值由该校准信号决定；
一电流源，耦接于该可变电阻，该电流源提供一输出电流以流经该可变电阻，由此产生该输出电压；
一二元搜寻逻辑电路，耦接于该比较器与该可变电阻之间，该二元搜寻逻辑电路依据该比较器的一输出通过二元搜寻算法而产生该校准信号；以及
一二极管，该二极管的阴极耦接于一参考接地，而该二极管的阳极耦接于该可变电阻，
其中该参考电压在一初始周期期间产生，而该参考电压生成器在该初始周期之后关闭，且该初始周期依据该控制信号而决定。
2.根据权利要求1所述的电压产生装置，其特征在于，该电流源包括：
一第一晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其中该第一晶体管的第一端耦接于一操作电压，该第一晶体管的第二端耦接于该可变电阻，而该输出电压产生于该第一晶体管的第二端；
一第二晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其中该第二晶体管的第一端耦接于该操作电压，该第二晶体管的控制端耦接于该第一晶体管的控制端；
一第三晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其中该第三晶体管的第一端耦接于该操作电压，该第三晶体管的控制端耦接于该第二晶体管的控制端与该第三晶体管的第二端；
一第四晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其中该第四晶体管的第一端耦接于该第二晶体管的第二端与该第四晶体管的控制端，该第四晶体管的第二端耦接于一参考接地；
一第五晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其中该第五晶体管的第一端耦接于该第三晶体管的第二端，该第五晶体管的控制端耦接于该第四晶体管的控制端；以及
一电阻，耦接于该第五晶体管的第二端与该参考接地之间。
3.根据权利要求1所述的电压产生装置，其特征在于，该参考电压生成器包括：
一电流生成器，接收该控制信号、一第一偏压以及一第二偏压，其中在该初始周期期间，该电流生成器依据该第一偏压和该第二偏压产生一第一电流和一第二电流；
一第一电阻，其中该第一电阻的第一端耦接于该电流生成器以接收该第一电流的一第一部分；
一第二电阻，具有用于接收该第一电流的一第二部分的第一端；
一第三电阻，具有耦接于该第二电阻的第二端的第一端；
一第一晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其中该第一晶体管的第一端耦接于该第一电阻的第二端，该第一晶体管的第二端和控制端耦接至一参考接地；
一第二晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其中该第二晶体管的第一端耦接于该第三电阻的第二端，该第二晶体管的第二端和控制端耦接至该参考接地；
一第四电阻，其中该第四电阻的第一端耦接于该电流生成器以接收该第二电流，该第四电阻的第二端耦接至该参考接地；
一第一放大器，具有第一输入端、第二输入端以及输出端，其中该第一放大器的第一输入端耦接于该第一电阻的第二端，该第一放大器的第二输入端耦接于该第二电阻的第二端，且该第一放大器的输出端产生该第一偏压；以及
一第二放大器，具有第一输入端、第二输入端以及输出端，其中该第二放大器的第一输入端耦接于该第二电阻的第二端，该第二放大器的第二输入端耦接于该第四电阻的第一端，且该第二放大器的输出端产生该第二偏压。
4.根据权利要求3所述的电压产生装置，其特征在于，该电流生成器包括：
一第三晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其中该第三晶体管的第一端耦接至一操作电压，该第三晶体管的控制端接收该第一偏压，该第三晶体管的第二端提供该第一电流；
一第四晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其中该第四晶体管的第一端耦接至该操作电压，该第四晶体管的控制端接收该第二偏压，该第四晶体管的第二端耦接于该第三晶体管的第二端；以及
一第五晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其中该第五晶体管的第一端耦接至该操作电压，该第五晶体管的控制端接收该第二偏压，该第五晶体管的第二端提供该第二电流。
5.根据权利要求3所述的电压产生装置，其特征在于，该电流生成器还包括：
一第一截波器，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端，其中该第一截波器的第一输入端和第二输入端分别耦接于该第一电阻与该第二电阻的第二端，该第一截波器的第一输出端和第二输出端分别耦接于该第一放大器的第一输入端和第二输入端。
6.根据权利要求3所述的电压产生装置，其特征在于，该电流生成器还包括：
一第二截波器，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端，其中该第二截波器的第一输入端和第二输入端分别耦接于该第三电阻与该第四电阻的第一端，该第二截波器的第一输出端和第二输出端分别耦接于该第二放大器的第一输入端和第二输入端。
7.根据权利要求3所述的电压产生装置，其特征在于，该第一放大器与该第二放大器各具有一截波输出级。
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