CN107404215B - 具有宽共模电压操作范围的电压调整器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种具有宽共模电压操作范围的电压调整器及其操作方法。所述电压调整器可以解决现有技术中过低或过高的共模电压，将会容易使得电压调整器无法正常运行的问题。除此之外，所述电压调整器则是通过额外增设的开关晶体管及误差放大器来完成部分升压的操作，而不需要引入复杂的设计，便可让偏低的共模电压仍能满足电压调整器的运行需求，并据以输出正确的输出电压。

Description

具有宽共模电压操作范围的电压调整器及其操作方法

技术领域

本发明是有关于一种电压调整器及其操作方法，且特别是一种具有宽共模电压(common voltage)操作范围的电压调整器及其操作方法。

背景技术

请参阅图1，图1是现有的电压调整器的电路示意图。电压调整器1主要包括误差放大器10、开关晶体管12、电阻R及恒流源电路14。其中，误差放大器10的反相输入端(inverting input)电性连接于电阻R及恒流源电路14间的一节点A，且误差放大器10的非反相输入端(non-inverting input)及输出端，则分别地电性连接于一共模电压Vcom及开关晶体管12的控制端。

因此，误差放大器10将可依据节点A的电压值Va与共模电压Vcom间的一比较结果，以进而控制开关晶体管12的导通与否。举例来说，假设当在共模电压Vcom大于Va的情况下，误差放大器10则会控制开关晶体管12导通，因而使得电压调整器1的输出电压Vout将会等于共模电压Vcom加上(I*R)，以由此达到升压的效果。

然而，在上述现有技术中，为了确保恒流源电路14的正常运行，则必须对于共模电压Vcom的操作范围进行限制，才可据以获取得到相对正确的输出电压Vout(例如，过低的共模电压Vcom将会使得恒流源电路14的失效，并且导致输出电压Vout的不正确)。有鉴于此，如何改善共模电压Vcom的操作范围所对于电压调整器1的运行影响，并且使得过低或过高的共模电压Vcom仍可具有正确结果的输出电压Vout，确为所属领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种具有宽共模电压操作范围的电压调整器。所述电压调整器包括第一开关晶体管、第一误差放大器、第二误差放大器及第二开关晶体管。第一开关晶体管具有一控制端以接收第一控制信号、一第一端耦接于第一电阻的第一端，以及一第二端耦接于接地电压。其中，第一开关晶体管受控于此第一控制信号，以决定其自身的导通或截止状态。第一误差放大器则具有一非反相输入端耦接于第一开关晶体管的第一端与第一电阻的第一端间的第一节点，以及一反相输入端耦接于共模电压，并且此第一误差放大器用以比较此第一节点的电压及共模电压，以产生出此第一控制信号。第二误差放大器则具有一非反相输入端耦接于第一电阻的第二端与一第一电流源电路间的第二节点，以及一反相输入端耦接于一第二电阻的第一端与一第二电流源电路间的第三节点，并且此第二误差放大器用以比较第二节点的电压及第三节点的电压，以产生出一第二控制信号。第二开关晶体管具有一控制端以接收此第二控制信号、一第一端耦接于供应电压，以及一第二端耦接于此第二电阻的第二端，并作为此电压调整器的输出节点。其中，第二开关晶体管则受控于此第二控制信号，以控制输出节点输出此电压调整器的输出电压。

本发明实施例另提供一种用于具有宽共模电压操作范围的电压调整器的操作方法。其中，所述电压调整器依据前述实施例而建立，且此操作方法则包含以下步骤。首先，利用第一误差放大器，比较所耦接到的第一节点的电压及共模电压，以产生出第一控制信号。其次，利用第一开关晶体管，根据所接收到的第一控制信号，以决定其自身的导通或截止状态。接着，利用第二误差放大器，比较所耦接到的第二节点的电压及第三节点的电压，以产生出第二控制信号。最后，利用第二开关晶体管，根据所接收到的第二控制信号，以控制输出节点输出电压调整器的输出电压。

综上所述，本发明实施例所提供的具有宽共模电压操作范围的电压调整器及其操作方法，可以有效地解决现有技术中过低或过高的共模电压，将会容易使得电压调整器的无法正常运行，并且导致输出电压不正确的问题。除此之外，上述具有宽共模电压操作范围的电压调整器及其操作方法，可以是通过额外增设的开关晶体管及误差放大器来完成部分升压的操作，而不需要引入复杂的电路设计，便可让偏低的共模电压仍能满足电压调整器的运行需求，并且据以输出正确的输出电压。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是这样的说明与所附附图仅用来说明本发明，而非对本发明的权利范围作任何的限制。

附图说明

图1是现有的电压调整器的电路示意图。

图2是本发明实施例所提供的具有宽共模电压操作范围的电压调整器的电路示意图。

图3是图2的电压调整器的第一电流源电路的电路示意图。

图4是图2的电压调整器的第二电流源电路的电路示意图。

图5是本发明实施例所提供的具有宽共模电压操作范围的电压调整器的操作方法的流程示意图。

具体实施方式

在下文中，将通过附图说明本发明的各种实施例来详细描述本发明。然而，本发明概念可能以许多不同形式来体现，且不应解释为限于本文中所阐述的示例性实施例。此外，在附图中相同参考数字可用以表示类似的组件。

首先，请参阅图2，图2是本发明实施例所提供的具有宽共模电压操作范围的电压调整器的电路示意图。所述电压调整器2主要包括第一开关晶体管M1、第一误差放大器20、第二误差放大器22及第二开关晶体管M2。其中，上述各组件可以是通过纯硬件电路来实现，或者是通过硬件电路搭配固件或软件来实现。总而言之，本发明并不限制电压调整器2的具体实现方式。除此之外，上述第一开关晶体管M1、第一误差放大器20、第二误差放大器22及第二开关晶体管M2可以是集成或是分开设置，且本发明亦不以此为限制。

进一步来说，第一开关晶体管M1具有一控制端以接收第一控制信号S1、一第一端耦接于第一电阻R1的第一端，以及一第二端耦接于接地电压GND，其中第一开关晶体管M1系受控于第一控制信号S1，以决定其自身的导通或截止状态。

另外，第一误差放大器20具有一非反相输入端耦接于第一开关晶体管M1的第一端与第一电阻R1的第一端间的第一节点P1，以及一反相输入端耦接于共模电压Vcom，并且此第一误差放大器20用以比较第一节点P1的电压及共模电压Vcom，以产生出此第一控制信号S1。

再者，第二误差放大器22具有一非反相输入端耦接于第一电阻R1的第二端与一第一电流源电路24间的第二节点P2，以及一反相输入端耦接于第二电阻R2的第一端与一第二电流源电路26间的第三节点P3，并且此第二误差放大器22则用以比较第二节点P2的电压及第三节点P3的电压，以产生出第二控制信号S2。

最后，第二开关晶体管M2具有一控制端以接收此第二控制信号S2、一第一端耦接于供应电压Vcc，以及一第二端耦接于第二电阻R2的第二端，并作为电压调整器1的输出节点Pout。其中，第二开关晶体管M2受控于此第二控制信号S2，以控制输出节点Pout输出此电压调整器2的输出电压Vout。

显然地，相较于图1的电压调整器1而言，图2的第二误差放大器22乃可视作为图1的误差放大器10以用来根据其比较结果控制第二开关晶体管M2的导通与否，且图2的第二开关晶体管M2则亦由此相对提供出电压调整器2的输出电压Vout。有鉴于此，根据以上内容的教示，本技术领域中普通技术人员应可理解到，本发明的电压调整器2主要精神之一乃在于，利用所额外增设的一组开关晶体管及误差放大器(亦即，图2中的第一开关晶体管M1及第一误差放大器20)来完成部分的升压操作，以进而使得即便在共模电压Vcom偏低的情况下，此电压调整器2仍可正常运行，并且据以输出正确的输出电压Vout。

值得注意的是，所述第一及第二开关晶体管M1、M2可例如为N型金氧半场效晶体管(N-channel MOSFET，NMOS)或P型金氧半场效晶体管(P-channel MOSFET，PMOS)。总而言之，本发明并不以此为限制。另外，由于第一开关晶体管M1及第一误差放大器20的运行方式及其升压的原理为本技术领域中普通技术人员所已知的，因此有关于其细部内容于此就不再多加赘述。

为了更进一步说明关于电压调整器2中第一电流源电路24的实现细节，本发明进一步提供其第一电流源电路24的一种实施方式。请同时参阅图3，图3是图2的电压调整器的第一电流源电路的电路示意图。然而，下述仅是本实施例的电压调整器2内第一电流源电路24的其中一种详细实现方式，其并非用以限制本发明。另外，图3中部分与图2相同的组件以相同的图号标示，故于此则不再多加详述其细节。

具体来说，第一电流源电路24还可包含第一P型晶体管HP1、第二P型晶体管HP2及第一恒流源电路30。事实上，第一P型晶体管HP1及第二P型晶体管HP2可用于以电流镜形式相互连接，且第一恒流源电路30则耦接于此第一P型晶体管HP1的漏极与接地电压GND之间。因此，显然地，第二P型晶体管HP2的栅极耦接于第一P型晶体管HP1的栅极，且第一及第二P型晶体管HP2的源极则分别地耦接于供应电压Vcc，而第二P型晶体管HP2的漏极则耦接于第二节点P2，以用来生成出一第一电流I1。换言之，根据以上内容的教示，本技术领域中普通技术人员应可理解到，此第一电流源电路24将可依据分别施加于第一及第二P型晶体管HP1、HP2上的一参考电压(未绘示)来产生出以向第一电阻R1而流动的第一电流I1。

然而，值得注意的是，由于电流镜的原理为本技术领域中普通技术人员所已知的，因此有关于第一恒流源电路30的详细内容于此便不再多加赘述。总而言之，相较于现有技术中的电压调整器，本发明实施例的电压调整器2更是额外地于整体前端增设了一组电压调整电路(亦即，由图2中的第一开关晶体管M1、第一误差放大器20、第一电阻R1及第一恒流源电路30所构成)。如此一来，由于前端的此组电压调整电路的电流源来自于PMOS电流镜，因此即便在共模电压Vcom偏低的情况下，此组电压调整电路仍可正常运行，并且导致当在第一开关晶体管M1为导通状态时，第二节点P2的电压则可生成为Vcom+(Ia*Ra)，以由此达到将共模电压Vcom预先进行部分升压的效果。其中，Ia为第一电流I1的值，而Ra则为第一电阻R1的值。

根据以上内容可知，本发明实施例所提供的电压调整器2的技术手段，将完全不同于现有技术中的电压调整器的技术手段。除此之外，本发明的电压调整器2还可将整体前端改为增设成多组的电压调整电路，而非仅仅具有一组的电压调整电路(亦即，每一组的电压调整电路皆由一个第一开关晶体管M1、一个第一误差放大器20、一个第一电阻R1及一个第一恒流源电路30所构成)。如此一来，由于每一组的第一电阻R1及第一电流I1并不相同，因而可使得共模电压Vcom于不同阶段下，则会具有不同程度的升压效果，因此适用于满足各种操作范围的应用。值得注意的是，本发明并不限制第一电阻R1及第一电流I1的具体实现方式，故本技术领域中普通技术人员应可依据实际需求或应用来进行设计。

另外一方面，为了更进一步说明关于电压调整器2中第二电流源电路26的实现细节，本发明进一步提供其第二电流源电路26的一种实施方式。请再同时参阅图4，图4是图2的电压调整器的第二电流源电路的电路示意图。然而，下述仅是本实施例的电压调整器2内第二电流源电路26的其中一种详细实现方式，其并非用以限制本发明。另外，图4中部分与图2相同的组件以相同的图号标示，故于此则不再多加详述其细节。

具体来说，第二电流源电路26还可包含第一N型晶体管HN1、第二N型晶体管HN2及第二恒流源电路40。事实上，第一N型晶体管HN1及第二N型晶体管HN2可用于以电流镜形式相互连接，且第二恒流源电路40则耦接于此第一N型晶体管HN1的漏极与供应电压Vcc之间。因此，显然地，第二N型晶体管HN2的栅极耦接于第一N型晶体管HN1的栅极，且第二N型晶体管HN2的源极则耦接于接地电压GND，而第二N型晶体管HN2的漏极则耦接于第三节点P3，以用于生成一第二电流I2。换言之，根据以上内容的教示，本技术领域中普通技术人员应可理解到，此第二电流源电路26将可依据分别施加于第一及第二N型晶体管HN1、HN2上的一参考电压(未绘示)来产生出以向第三节点P3而流动的第二电流I2。

同理，由于电流镜的原理为本技术领域中普通技术人员所已知，因此有关于第二恒流源电路40的细部内容于此便不再多加赘述。总而言之，图4的第二电流源电路26则可视作为图1的恒流源电路14，并且由于此处的电流源来自于NMOS电流镜，因此即便在共模电压Vcom偏高的情况下，此处的第二电流源电路26仍可正常运行。除此之外，根据以上内容可知，当在第一开关晶体管M1与第二开关晶体管M2皆为导通状态时，输出节点Pout的输出电压Vout则可生成为Vcom+(Ia*Ra)+(Ib*Rb)，以藉此达到整体升压的效果。其中，Ib为第二电流I2的值，而Rb则为第二电阻R2的值。值得注意的是，本发明亦不限制第二电阻R2及第二电流I2的具体实现方式，故本技术领域中普通技术人员应可依据实际需求或应用来进行设计。

再者，为了更进一步说明关于电压调整器2的运行流程，本发明进一步提供其操作方法的一种实施方式。请参阅图5，图5是本发明实施例所提供的具有宽共模电压操作范围的电压调整器的操作方法的流程示意图。本例所述的操作方法可以在图2所示的电压调整器2执行，因此请一并照图2至图4以利理解。另外，详细步骤流程如前述实施例所述，于此仅作概述而不再多加冗述。

首先，在步骤S501中，利用第一误差放大器，比较所耦接到的第一节点的电压及共模电压，以产生出第一控制信号。其次，在步骤S503中，利用第一开关晶体管，根据所接收到的第一控制信号，以决定其自身的导通或截止状态。接着，在步骤S505中，利用第二误差放大器，比较所耦接到的第二节点的电压及第三节点的电压，以产生出第二控制信号。最后，在步骤S507中，利用第二开关晶体管，根据所接收到的第二控制信号，以控制输出节点输出电压调整器的输出电压。

值得注意的是，如同前面内容所述，第一及第二开关晶体管可例如为N型金氧半场效晶体管或P型金氧半场效晶体管。总而言之，本发明并不以此为限制。另外，本发明亦不限制第一及第二电流源电路的具体实现方式，故本技术领域中具有通常知识者应可依据实际需求或应用来进行设计。如此一来，根据以上内容可知，当在第一开关晶体管为导通状态时，第二节点的电压会生成为Vcom+(Ia*Ra)，其中Vcom为共模电压，Ia为第一电流源电路所生成的第一电流的值，而Ra则为第一电阻的值。同理，当在第一及第二开关晶体管皆为导通状态时，输出节点的输出电压则会生成为Vcom+(Ia*Ra)+(Ib*Rb)，其中Ib为第二电流源电路所生成的第二电流的值，且Rb则为第二电阻的值。

综上所述，本发明实施例所提供的具有宽共模电压操作范围的电压调整器及其操作方法，可以有效地解决现有技术中过低或过高的共模电压，将会容易使得电压调整器的无法正常运行，并且导致输出电压不正确的问题。除此之外，上述具有宽共模电压操作范围的电压调整器及其操作方法，可以是通过额外增设的开关晶体管及误差放大器来完成部分升压的操作，而不需要引入复杂的电路设计，便可让偏低的共模电压仍能满足电压调整器的运行需求，并且据以输出正确的输出电压。

以上所述仅为本发明的实施例，其并非用以局限本发明的专利范围。

符号说明

1、2：电压调整器

10：误差放大器

12：开关晶体管

R：电阻

I：电流

14：恒流源电路

A：节点

Va：电压值

Vcom：共模电压

Vout：输出电压

GND：接地电压

Vcc：供应电压

20：第一误差放大器

22：第二误差放大器

24：第一电流源电路

26：第二电流源电路

M1：第一开关晶体管

M2：第二开关晶体管

S1：第一控制信号

S2：第二控制信号

R1：第一电阻

R2：第二电阻

P1：第一节点

P2：第二节点

P3：第三节点

Pout：输出节点

HP1：第一P型晶体管

HP2：第二P型晶体管

30：第一恒流源电路

I1：第一电流

HN1：第一N型晶体管

HN2：第二N型晶体管

40：第二恒流源电路

I2：第二电流

S501～S507：流程步骤。

Claims (10)

1.一种具有宽共模电压操作范围的电压调整器，包括：

一第一开关晶体管，具有一控制端以接收一第一控制信号、一第一端耦接于一第一电阻的一第一端，以及一第二端耦接于一接地电压，其中该第一开关晶体管受控于该第一控制信号，以决定其自身的导通或截止状态；

一第一误差放大器，具有一非反相输入端耦接于该第一开关晶体管的该第一端与该第一电阻的该第一端间的一第一节点，以及一反相输入端耦接于一共模电压，并且该第一误差放大器用以比较该第一节点的电压及该共模电压，以产生出该第一控制信号；

一第二误差放大器，具有一非反相输入端耦接于该第一电阻的一第二端与一第一电流源电路间的一第二节点，以及一反相输入端耦接于一第二电阻的一第一端与一第二电流源电路间的一第三节点，并且该第二误差放大器用以比较该第二节点的电压及该第三节点的电压，以产生出一第二控制信号；以及

一第二开关晶体管，具有一控制端以接收该第二控制信号、一第一端耦接于一供应电压，以及一第二端耦接于该第二电阻的一第二端，并作为该电压调整器的一输出节点，其中该第二开关晶体管受控于该第二控制信号，以控制该输出节点输出该电压调整器的一输出电压。

2.如权利要求1所述的电压调整器，其中该第一电流源电路还包括：

一第一P型晶体管及一第二P型晶体管，以一电流镜形式相互连接；以及

一第一恒流源电路，耦接于该第一P型晶体管的一漏极与该接地电压之间。

3.如权利要求2所述的电压调整器，其中该第二P型晶体管的一栅极耦接于该第一P型晶体管的一栅极，且该第二P型晶体管的一源极则耦接于该供应电压，而该第二P型晶体管的一漏极则耦接于该第二节点，以用于生成一第一电流。

4.如权利要求3所述的电压调整器，其中当在该第一开关晶体管为导通状态时，该第二节点的电压生成为Vcom+(Ia*Ra)，其中Vcom为该共模电压，Ia为该第一电流的值，且Ra则为该第一电阻的值。

5.如权利要求4所述的电压调整器，其中该第二电流源电路还包括：

一第一N型晶体管及一第二N型晶体管，以该电流镜形式相互连接；以及

一第二恒流源电路，耦接于该第一N型晶体管的漏极与该供应电压之间。

6.如权利要求5所述的电压调整器，其中该第二N型晶体管的一栅极耦接于该第一N型晶体管的一栅极，且该第二N型晶体管的一源极则耦接于该接地电压，而该第二N型晶体管的一漏极则耦接于该第三节点，以用于生成一第二电流。

7.如权利要求6所述的电压调整器，其中当在该第一开关晶体管与该第二开关晶体管均为导通状态时，该输出节点的该输出电压生成为Vcom+(Ia*Ra)+(Ib*Rb)，其中Ib为该第二电流的值，且Rb则为该第二电阻的值。

8.一种用于具有宽共模电压操作范围的电压调整器的操作方法，其中该电压调整器包括一第一开关晶体管、一第一误差放大器、一第二误差放大器以及一第二开关晶体管，且该操作方法包括：

利用该第一误差放大器，比较所耦接到的一第一节点的电压及一共模电压，以产生出一第一控制信号，其中该第一节点为位于该第一开关晶体管的一第一端与一第一电阻的一第一端间的节点；

利用该第一开关晶体管，根据所接收到的该第一控制信号，以决定其自身的导通或截止状态，其中该第一开关晶体管具有一控制端以接收该第一控制信号，以及一第二端耦接于一接地电压；

利用该第二误差放大器，比较所耦接到的一第二节点的电压及一第三节点的电压，以产生出一第二控制信号，其中该第二节点为位于该第一电阻的一第二端与一第一电流源电路间的节点，且该第三节点则为位于一第二电阻的一第一端与一第二电流源电路间的节点；以及

利用该第二开关晶体管，根据所接收到的该第二控制信号，以控制一输出节点输出该电压调整器的一输出电压，其中该第二开关晶体管具有一控制端以接收该第二控制信号、一第一端耦接于一供应电压，以及一第二端耦接于该第二电阻的一第二端，并作为该电压调整器的该输出节点。

9.如权利要求8所述的操作方法，其中当在该第一开关晶体管为导通状态时，该第二节点的电压生成为Vcom+(Ia*Ra)，其中Vcom为该共模电压，Ia为该第一电流源电路所生成的一第一电流的值，且Ra则为该第一电阻的值。

10.如权利要求8所述的操作方法，其中当在该第一开关晶体管与该第二开关晶体管均为导通状态时，该输出节点的该输出电压生成为Vcom+(Ia*Ra)+(Ib*Rb)，其中Ib为该第二电流源电路所生成的一第二电流的值，且Rb则为该第二电阻的值。