CN109799863B - 有源负载产生电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一有源负载产生电路。有源负载产生电路包含一晶体管、一电压控制电路、一电压偏移及追踪电路以及一温度检测电路。该晶体管提供一阻抗并且具有一控制端及一输入端。该控制端接收一控制电压，该输入端接收一输入信号，且该阻抗与该控制电压有关。该电压控制电路根据一电源电压及一第一参考电压产生一中间电压。该电压偏移及追踪电路，用来根据该输入信号及该中间电压产生该控制电压，该控制电压随着该输入信号变化。该温度检测电路检测该有源负载产生电路的一环境温度，并根据该环境温度调整该第一参考电压。

Description

有源负载产生电路

技术领域

本发明涉及芯片内阻抗，尤其涉及有源负载产生电路及应用其之滤波器。

背景技术

无源元件(例如电阻R与电容C)普遍用于现代集成电路中，而这些无源元件往往占据大量面积。在电路面积愈显关键的现代集成电路应用中，如何将大量的无源元件缩小是一个重要课题。以电路中常见的滤波器为例，在图1A的电路中，电阻R位于芯片内部，而电容C则位于芯片的外部，并通过芯片的引脚110与电阻R连接；在图1B的电路中，电阻R及电容C皆位于芯片内部。输入信号Sin(电压信号或电流信号)经滤波器滤波后成为输出信号Sout(电压信号或电流信号)。滤波器的截止频率(cutoff frequency)fc＝1/(2πRC)。在一些应用中，为了得到低的截止频率fc，电阻R及电容C的至少其中一者需设计为较大。对图1A的电路来说，可以设计外挂的电容C具有大的电容值而使电阻R占用较小的芯片面积，但图1A的缺点是必须占用芯片的一个引脚110。对图1B的电路来说，虽然可以省下引脚，但由于芯片内部不适合制作大电容，所以必须将R做的相对更大以得到相同的截止频率fc。

如前所述，如何将大量的无源元件缩小是一个重要课题，虽然可利用有源元件取代被动式元件电阻(resistor)以节省面积，但是，相较于被动式元件电阻，有源元件的阻抗更容易受制程(process)、电压(voltage)、温度(temperature)的影响而产生变化。所以如何在芯片(亦即集成电路)中实现相对而言较不受制程、电压及温度影响的阻抗成为一个重要的课题。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的一目的在于提供一种有源负载产生电路及应用其之滤波器，以节省电路面积并且避免电路受制程、电压以及温度的影响。

本发明公开一种有源负载产生电路，包含一晶体管、一电压控制电路、一电压偏移及追踪电路以及一温度检测电路。该晶体管提供一阻抗并且具有一控制端及一输入端。该控制端接收一控制电压，该输入端接收一输入信号，且该阻抗与该控制电压有关。该电压控制电路根据一电源电压及一第一参考电压产生一中间电压。该电压偏移及追踪电路根据该输入信号及该中间电压产生该控制电压，该控制电压随着该输入信号变化。该温度检测电路耦接该电压控制电路，用来检测该有源负载产生电路的一环境温度，并根据该环境温度调整该第一参考电压。

本发明另公开一种有源负载产生电路包含一晶体管、一电压控制电路及一温度检测电路。该晶体管提供一阻抗并且具有一控制端。该控制端接收一控制电压且该阻抗与该控制电压有关。该电压控制电路根据一电源电压及一第一参考电压产生该控制电压。该温度检测电路检测该有源负载产生电路的一环境温度，并根据该环境温度调整该第一参考电压。

本发明另公开一种滤波器，包含一晶体管、一电容、一电压控制电路以及一温度检测电路。该晶体管提供一阻抗并且具有一第一端、一第二端及一控制端。该第一端接收一输入信号，该第二端输出一滤波后信号，以及该控制端接收一控制电压且该阻抗与该控制电压有关。该电容，耦接该晶体管的该第二端。该电压控制电路根据一第一参考电压产生该控制电压，并耦接一电源电压、一第二参考电压及该晶体管。该温度检测电路耦接该电压控制电路，用来检测该滤波器的一环境温度，并根据该环境温度调整该第一参考电压。

本发明的有源负载产生电路能够提供面积小的高阻抗，适合以集成电路实现。相较于现有技术，本发明的有源负载产生电路的阻抗较不受制程、电压以及温度的影响；再者，应用本发明的有源负载产生电路的滤波器不但能节省引脚，且在相同的截止频率下占用较小的电路面积。

有关本发明的特征、实作与技术效果，兹配合附图作实施例详细说明如下。

附图说明

图1A显示由芯片内电阻及外接电容所构成的滤波器；

图1B显示由芯片内电阻及芯片内电容所构成的滤波器；

图2为本发明有源负载产生电路的一实施例的功能方框图；

图3为本发明的滤波器的一实施例的电路图；

图4为本发明有源负载产生电路的另一实施例的功能方框图；

图5为本发明的滤波器的另一实施例的电路图；

图6为本发明有源负载产生电路的另一实施例的功能方框图；

图7为本发明电压偏移及追踪电路的一实施例的电路图；

图8为图7的电路的其中一实施例的细节电路图；

图9为本发明的滤波器的另一实施例的电路图；

图10为本发明有源负载产生电路的另一实施例的功能方框图；以及

图11为本发明的滤波器的另一实施例的电路图。

附图标记说明：

110 引脚

200、400、600、1000 有源负载产生电路

210、410、610、1010 阻抗元件

212、434 NMOS

220、420、620、1020 温度检测电路

230、430、630、1030 电压控制电路

232、432、810、820、830 运算放大器

234、412 PMOS

300、500、900、1100 滤波器

440、1040 电压检测电路

640、1050 电压偏移及追踪电路

712 放大电路

714 加法电路

具体实施方式

以下说明内容的技术用语是参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释是以本说明书的说明或定义为准。

本发明的公开内容包含有源负载产生电路及应用其之滤波器。由于本发明的有源负载产生电路及应用其之滤波器所包含的部分元件单独而言可能为已知元件，因此在不影响该装置发明的充分公开及可实施性的前提下，以下说明对于已知元件的细节将予以省略。请注意，由于“电阻”为“阻抗”的特例(电阻为相位为零的阻抗)，本说明书中的“阻抗”一词可以是相位非零的阻抗或相位为零的阻抗(即电阻)。

图2为本发明有源负载产生电路的一实施例的功能方框图。有源负载产生电路200位于一芯片中，包含阻抗元件210、温度检测电路220及电压控制电路230。阻抗元件210提供有源负载，并具有三个端点：T1、T2及TG。阻抗元件210的等效阻抗位于端点T1及T2之间，控制端TG接收控制电压。电压控制电路230通过在端点TG输入控制电压VG以控制阻抗元件210的阻抗。电压控制电路230根据有源负载产生电路200的电源电压VDD以及第一参考电压VREF产生控制电压VG。温度检测电路220检测有源负载产生电路200的环境温度，并根据环境温度产生第一参考电压VREF。

图3为本发明的滤波器的一实施例的电路图，此滤波器是利用图2的有源负载产生电路200实作。滤波器300位于一芯片中，包含阻抗元件210、温度检测电路220、电压控制电路230及电容C。阻抗元件210由N型金氧半场效晶体管(N-type metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，以下简称NMOS)212实作。NMOS 212的源极与漏极为阻抗元件210的端点T1及T2，而NMOS 212的栅极为阻抗元件210的控制端TG。电压控制电路230包含运算放大器232、P型金氧半场效晶体管(P-type metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor，以下简称PMOS)234及多个串联的电阻R1与R2(图中以2个为例，但不以此为限)。PMOS 234及电阻R1与R2串接于电源电压VDD与第二参考电压(例如接地)之间，且电源电压VDD与第二参考电压不同。运算放大器232的其中一个输入端(例如反相输入端)接收第一参考电压VREF，另一个输入端(例如非反相输入端)耦接于电阻R1与电阻R2之间，运算放大器232的输出端耦接PMOS 234的控制端(即栅极)。PMOS 234的输出端(即图3的实施例中的漏极)输出控制电压VG。温度检测电路220的细节电路如图3所示，本技术领域技术人员可知悉其运行方式，于此不再赘述。

NMOS 212的等效电阻Ron可以以方程式(1)表示：

其中参数μ、Cox及(W/L)较不受制程、电压及温度的影响，可视为定值。电压Vgs为使用者可控制，临界电压Vth则易受制程、电压及温度的影响。因此，为了使NMOS 212的等效电阻Ron实质上不受电压及温度的影响，(V_gs-|V_th|)优选地实质上不随电压及温度而变动。电压Vgs为NMOS212的栅极电压(即控制电压VG)与源极电压(即输入电压Vin)的差值。

由图3的电路可知，电压VG＝VREF(1+R1/R2)；也就是说，电压VG与第一参考电压VREF有关。临界电压|V_th|为一负温度系数(negative temperature coefficient)，亦即温度上升时临界电压|V_th|下降，温度下降时临界电压|V_th|上升。在输入电压Vin为定值的情况下，为了维持(V_gs-|V_th|)实质上为定值，当温度上升时控制电压VG应该要下降，而当温度下降时控制电压VG应该要上升。由此可以得知，温度检测电路220可以设计为当滤波器300的环境温度上升时输出较低的第一参考电压VREF，且当滤波器300的环境温度下降时输出较高的第一参考电压VREF。

图4为本发明有源负载产生电路的另一实施例的功能方框图。有源负载产生电路400位于一芯片中，包含阻抗元件410、温度检测电路420、电压控制电路430以及电压检测电路440。阻抗元件410提供有源负载，并具有三个端点：T1、T2及TG。阻抗元件410的等效阻抗位于端点T1及T2之间，端点TG接收控制电压。电压控制电路430通过在端点TG输入控制电压VG以控制阻抗元件410的阻抗。电压控制电路430根据电源电压VDD、第一参考电压VREF以及控制值B产生控制电压VG。温度检测电路420检测有源负载产生电路400的环境温度，并根据环境温度产生第一参考电压VREF。电压检测电路440检测电源电压VDD来产生控制值B。

图5为本发明的滤波器的另一实施例的电路图，此滤波器是利用图4的有源负载产生电路400实作。滤波器500位于一芯片中，包含阻抗元件410、温度检测电路420、电压控制电路430、电压检测电路440及电容C。阻抗元件410由PMOS 412实作。PMOS 412的源极与漏极为阻抗元件410的端点T1及T2，而PMOS 412的栅极为阻抗元件410的控制端TG。电压控制电路430包含运算放大器432、NMOS 434及多个串联的电阻R1～R4(图中以4个为例，但不以此为限)。NMOS 434及电阻R1～R4串接于电源电压VDD与第二参考电压(例如接地)之间，且电源电压VDD与第二参考电压不同。运算放大器432的其中一个输入端(例如反相输入端)接收第一参考电压VREF，另一个输入端(例如非反相输入端)耦接于电阻R3与电阻R4之间，运算放大器432的输出端耦接NMOS 434的控制端(即栅极)。NMOS 434的输出端(即图5的实施例中的漏极)输出控制电压VG。温度检测电路420的细节电路如图5所示，本技术领域技术人员可知悉其运行方式，于此不再赘述。在此实施例中，温度检测电路420及温度检测电路220具有实质上相同的电路设计，此电路可产生正温度系数的第一参考电压VREF或负温度系数的第一参考电压VREF，此为本技术领域技术人员所熟知的技术，于此不再赘述。

PMOS 412的等效电阻Ron可以以方程式(2)表示：

电压Vsg为源极电压(即输入电压Vin)与PMOS 412的栅极电压(即控制电压VG)的差值。由图5的电路可知，电压VG可以表示如下：

也就是说，电压VG与第一参考电压VREF及电源电压VDD有关。在输入电压Vin为定值的情况下，为了维持(V_sg-|V_th|)实质上为定值，控制电压VG应该要随着温度及电源电压VDD而改变。以下分别就温度及电源电压VDD来讨论方程式(3)。

就温度而言，当温度上升时控制电压VG应该要上升，而当温度下降时控制电压VG应该要下降。由此可以得知，温度检测电路420可以设计为当滤波器500的环境温度上升时输出较高的第一参考电压VREF，且当滤波器500的环境温度下降时输出较低的第一参考电压VREF。

就电源电压VDD而言，VG优选地应该实质上不随着电源电压VDD而改变。电压控制电路430根据电压检测电路440所输出的控制值B使控制电压VG实质上不随电源电压VDD改变。在图5的实施例中，电压检测电路440包含多个电阻及多个比较器。所述电阻串接于电源电压VDD与第二参考电压之间，用来提供多个分压。所述比较器分别将所述分压与预设电压Vb比较，而得到多个比较值。所述比较值可以以控制值B表示；也就是说，控制值B包含多个位元，每个位元对应一个比较值。因此电压检测电路440可视为一模拟数字转换器，控制值B指示电源电压VDD的大小。电压控制电路430根据控制值B调整串接的电阻个数，例如根据控制值B控制与所述电阻并联的多个开关(图未示)导通与否来旁路(bypass)或非旁路至少所述电阻的一部分或全部。举例来说，为了使电压VG较不受电源电压VDD的变化影响，当电源电压VDD上升时，电压控制电路430根据控制值B使节点N与电源电压VDD之间的等效电阻增加(例如使至少一开关不导通以使对应该(或这些)开关的电阻不被旁路)，当电源电压VDD下降时，电压控制电路430根据控制值B使节点N与电源电压VDD之间的等效电阻减少(例如使至少一开关导通以使对应该(或这些)开关的电阻被旁路)。

以上的实施例是应用于阻抗元件的输入信号实质上为定值的情况，本发明亦针对阻抗元件的输入信号非实质上为定值的情况提出解决方案，如以下的实施例所示。

图6为本发明有源负载产生电路的另一实施例的功能方框图。有源负载产生电路600包含阻抗元件610、温度检测电路620、电压控制电路630以及电压偏移及追踪电路640。阻抗元件610、温度检测电路620以及电压控制电路630的功能及作用与阻抗元件210、温度检测电路220以及电压控制电路230相似或相同，故不再赘述。阻抗元件610于端点T1接收输入信号，而电压控制电路630产生中间电压VG。电压偏移及追踪电路640根据输入信号及中间电压VG产生控制电压VG2，控制电压VG2随着输入信号变化。阻抗元件610的控制端TG接收控制电压VG2，且阻抗元件610的阻抗与控制电压VG2有关。

图7为本发明电压偏移及追踪电路的一实施例的电路图。电压偏移及追踪电路640包含放大电路712(具有放大倍率α)及加法电路714。放大电路712的输入信号为VG-VCM，其中VCM为输入信号Vin的共模电压。经放大后，放大电路712的输出端输出放大后的电压α(VG-VCM)。加法电路714将放大后的电压α(VG-VCM)与输入信号Vin相加，得到控制电压VG2＝α(VG-VCM)+Vin。可以发现，因为控制电压VG2随着输入信号Vin变化，所以可以避免阻抗元件610因为输入信号Vin变化而导致负载阻抗无法维固定值。放大倍率α为一实数,可以依设计者对阻抗需求而调整大小。

图8为图7的电路的其中一实施例的细节电路图。电压偏移及追踪电路640包含运算放大器810、820及830。运算放大器810的正极(非反相输入端)接收共模电压VCM，负极(反相输入端)接收输入电压Vin。运算放大器820的正极接收共模电压VCM，负极接收中间电压VG。运算放大器830的正极接收共模电压VCM，负极分别通过电阻R1及R2耦接运算放大器810及820。所有的电阻R具有相同的电阻值。当电阻R1＝R及R2＝R/α的比值为α时，运算放大器810的输出Vo1＝2VCM-Vin，运算放大器820的输出Vo2＝2VCM-VG，且运算放大器830输出的控制电压

图9为本发明的滤波器的另一实施例的电路图，此滤波器是利用图6的有源负载产生电路600实作。滤波器900位于一芯片中，包含阻抗元件610、温度检测电路620、电压控制电路630、电压偏移及追踪电路640及电容C。阻抗元件610由NMOS 212实作。举例来说，假设中间电压VG＝2.2V、共模电压VCM＝1.8V、输入电压Vin＝1.8V且α＝1，则NMOS 212的栅极-源极电压Vgs＝VG2-Vin＝[1*(2.2-1.8)+1.8]-1.8＝0.4V。当Vin变为2.8V时，Vgs＝VG2-Vin＝[1*(2.2-1.8)+2.8]-2.8＝0.4V；当Vin变为0.8V时，Vgs＝VG2-Vin＝[1*(2.2-1.8)+0.8]-0.8＝0.4V。由此可见，控制电压VG2会追踪输入电压Vin，使NMOS 212的栅极-源极电压Vgs实质上为定值，以确保NMOS 212保持固定负载阻抗值。

图10为本发明有源负载产生电路的另一实施例的功能方框图。有源负载产生电路1000包含阻抗元件1010、温度检测电路1020、电压控制电路1030、电压检测电路1040以及电压偏移及追踪电路1050。阻抗元件1010、温度检测电路1020、电压控制电路1030以及电压检测电路1040的功能及作用与阻抗元件410、温度检测电路420、电压控制电路430以及电压检测电路440相似或相同，故不再赘述。阻抗元件1010于端点T1接收输入信号，而电压控制电路1030产生中间电压VG。电压偏移及追踪电路1050根据输入信号及中间电压VG产生控制电压VG2，控制电压VG2随着输入信号变化。阻抗元件1010的控制端TG接收控制电压VG2，且阻抗元件1010的阻抗与控制电压VG2有关。电压偏移及追踪电路1050的实作方式如图7或图8所示。

图11为本发明的滤波器的另一实施例的电路图，此滤波器是利用图10的有源负载产生电路1000实作。滤波器1100位于一芯片中，包含阻抗元件1010、温度检测电路1020、电压控制电路1030、电压检测电路1040、电压偏移及追踪电路1050及电容C。阻抗元件1010由PMOS 412实作。举例来说，假设中间电压VG＝1.4V、共模电压VCM＝1.8V、输入电压Vin＝1.8V且α＝1，则PMOS 412的源极-栅极电压Vsg＝Vin-VG2＝1.8-[1*(1.4-1.8)+1.8]＝0.4V。当Vin变为2.8V时，Vsg＝Vin-VG2＝2.8-[1*(1.4-1.8)+2.8]＝0.4V；当Vin变为0.8V时，Vsg＝Vin-VG2＝0.8-[1*(1.4-1.8)+0.8]＝0.4V。由此可见，控制电压VG2会追踪输入电压Vin，使PMOS 412的源极-栅极电压Vsg实质上为定值，以确保PMOS 412保持固定负载阻抗值。

下表显示被动式负载及本发明的有源负载在两种不同截止频率的低通滤波器中的面积比。两种滤波器皆使用电容值为20pF的芯片内电容。对fc＝80Hz的滤波器来说(电阻值为100MΩ)，有源负载的面积只有被动式负载的面积的1/20；对fc＝8Hz的滤波器来说(电阻值为1GΩ)，却只有1/200。可见有源负载可以大幅地节省电路面积。

请注意，图5(或图11)的电路去除电压检测电路440(或1040)后所剩余的部分，即是图2(或图6)的有源负载产生电路200(或600)应用于滤波器，且其中的阻抗元件210(或610)以PMOS实作的电路图。图3、图5、图9及图11的滤波器可以应用于能隙电压参考(bandgap voltage reference,BGVR)电路，以滤除能隙电压的噪声。除了滤波器(低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等)之外，本发明的有源负载产生电路亦可应用于其他的电路。前述实施例中的阻抗元件虽以金氧半场效晶体管为例，然而在其他的实施例中亦有可能以其他的晶体管(例如双载子接面晶体管(bipolar junction transistor,BJT)等)或其他的电子元件实作。双载子接面晶体管也可作为阻抗，此时双载子接面晶体管操作在饱和区(saturation region)。在一些实施例中，前述的电源电压VDD可以是正值、零、或负值，前述的第二参考电压可以是正值、零、或负值。

由于本技术领域技术人员可通过本公开的装置发明的公开内容来了解本公开的方法发明的实施细节与变化，因此，为避免赘文，在不影响该方法发明的公开要求及可实施性的前提下，重复的说明在此予以省略。请注意，前揭图示中，元件的形状、尺寸、比例以及步骤的顺序等仅为示意，是供本技术领域技术人员了解本发明的用，非用以限制本发明。

虽然本发明的实施例如上所述，然而所述实施例并非用来限定本发明，本技术领域技术人员可依据本发明的明示或隐含的内容对本发明的技术特征施以变化，凡这种种变化均可能属于本发明所寻求的专利保护范围，换言的，本发明的专利保护范围须视本说明书的权利要求所界定者为准。

Claims (9)

1.一种有源负载产生电路，包含：

一晶体管，提供一阻抗并且具有一控制端及一输入端，其中，该控制端接收一控制电压，该输入端接收一输入信号，且该阻抗与该控制电压有关；

一电压控制电路，根据一电源电压及一第一参考电压产生一中间电压；

一电压偏移及追踪电路，耦接于该电压控制电路与该晶体管之间，用来根据该输入信号及该中间电压产生该控制电压，该控制电压随着该输入信号变化，使得该晶体管的该控制端与该输入端的一电压差保持实质上不受该输入信号影响；以及

一温度检测电路，耦接该电压控制电路，用来检测该有源负载产生电路的一环境温度，并根据该环境温度调整该第一参考电压。

2.如权利要求1所述的有源负载产生电路，其中，该晶体管是一第一晶体管，该控制端是一第一控制端，该电压控制电路包含：

一第二晶体管，具有一第二控制端及一输出端，其中，该第二晶体管的该输出端输出该中间电压；

多个电阻，串接于该第二晶体管与该电源电压之间，或串接于该第二晶体管与一第二参考电压之间；以及

一运算放大器，具有一第一输入端、一第二输入端及一输出端，其中，该第一输入端接收该第一参考电压，该第二输入端耦接所述电阻，以及该运算放大器的该输出端耦接该第二控制端。

3.如权利要求2所述的有源负载产生电路，其中，该第一晶体管为一P型金氧半场效晶体管，当该环境温度上升时，该温度检测电路提高该第一参考电压，且当该环境温度下降时，该温度检测电路降低该第一参考电压。

4.如权利要求2所述的有源负载产生电路，其中，该第一晶体管为一N型金氧半场效晶体管，当该环境温度上升时，该温度检测电路降低该第一参考电压，且当该环境温度下降时，该温度检测电路提高该第一参考电压。

5.如权利要求1所述的有源负载产生电路，还包含：

一电压检测电路，耦接该电压控制电路，用来检测该电源电压以产生一控制值；

其中，该电压控制电路根据该控制值调整该中间电压。

6.如权利要求5所述的有源负载产生电路，其中，该电压检测电路包含：

多个电阻，串接于该电源电压及一第二参考电压之间，用来根据该电源电压及该第二参考电压产生多个分压；以及

多个比较器，耦接所述电阻，用来将所述分压与一预设电压比较，以产生该控制值。

7.一种有源负载产生电路，包含：

一晶体管，提供一阻抗并且具有一控制端，其中，该控制端接收一控制电压且该阻抗与该控制电压有关；

一电压控制电路，耦接该晶体管，用来根据一电源电压及一第一参考电压产生该控制电压；以及

一温度检测电路，耦接该电压控制电路，用来检测该有源负载产生电路的一环境温度，并根据该环境温度调整该第一参考电压；以及

一电压检测电路，耦接该电压控制电路，用来检测该电源电压以产生一控制值；

其中，该电压控制电路根据该控制值调整该控制电压。

8.如权利要求7所述的有源负载产生电路，其中，该晶体管是一第一晶体管，该控制端是一第一控制端，该电压控制电路包含：

一第二晶体管，具有一第二控制端及一输出端，其中，该第二晶体管的该输出端输出该控制电压；

多个电阻，串接于该第二晶体管与该电源电压之间，或串接于该第二晶体管与一第二参考电压之间；以及

一运算放大器，具有一第一输入端、一第二输入端及一输出端，其中，该第一输入端接收该第一参考电压，该第二输入端耦接所述电阻，以及该运算放大器的该输出端耦接该第二控制端。

9.如权利要求7所述的有源负载产生电路，其中，该电压检测电路包含：

多个电阻，串接于该电源电压及一第二参考电压之间，用来根据该电源电压及该第二参考电压产生多个分压；以及

多个比较器，耦接所述电阻，用来将所述分压与一预设电压比较，以产生该控制值。

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