TW201437785A - 輸出電壓低於能隙電壓參考源且可同時提供多種不同低輸出電壓準位的穩壓電路 - Google Patents

輸出電壓低於能隙電壓參考源且可同時提供多種不同低輸出電壓準位的穩壓電路 Download PDF

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Abstract

一種輸出電壓低於能隙電壓參考源且可同時提供多種不同低輸出電壓準位的穩壓電路，係包括一能隙電壓參考源，一能隙電壓調整電路與一由數個穩壓分支電路所組成之多種電壓準位輸出穩壓電路。能隙電壓調整電路係由一電源電壓經由一偏壓電流源提供所需之工作電流至能隙電壓調整電路，而能隙電壓調整電路係包括有一源極隨耦電晶體、一負載電晶體、一第二放大器及一分壓電路。經由能隙電壓調整電路之電路特性，可使得偏壓電流端節點之電壓準位等於能隙電壓參考源的電壓準位，而分壓輸出節點之電壓準位則低於能隙電壓參考源的電壓準位，故驅動元件之輸出電壓端之電壓準位低於能隙電壓調整電路之偏壓電流端節點的電壓準位。

Description

輸出電壓低於能隙電壓參考源且可同時提供多種不同低輸出電壓準位的穩壓電路
本發明係關於一穩壓電路設計，尤指一種輸出電壓低於能隙電壓參考源，並且並聯多個穩壓分支電路來同時提供多種不同輸出電壓準位的穩壓電路。
隨著科技的進步，各種消費性電子產品的發展，如數位相機、智慧型手機、筆記型電腦、個人數位助理(personal digital assistant,PDA)、或多媒體娛樂裝置等已經成為人們所不可獲缺的一項重要工具。在通訊市場逐漸成熟發展之際，相關IC的應用更是不斷成長，而各種消費性電子產品多由電池提供能量。因此，供應電源的電池之使用時間的長短更顯得額外重要，而如何提高電池的效率並且維持其一定的穩定度是一個相當有挑戰的課題。
各種消費性電子產品的使用，其在電力供給及輸出之使用上，通常為求實際機具或輸出品質的穩定，對於實際供電品質都會以穩定的供壓為前提，期能使通電使用的各種消費性電子產品發揮高效率的輸出品質，其更重要的是可維持各種消費性電子產品的安全使用。
而幾乎所有消費性電子產品都具有經調節的電源，調節的目的是為了迎合電子設備的需求。其中，穩壓器就是這種電源的重要組成部分，它的作用是使輸出電壓和/或電流保持在期 望的範圍內，使輸入的電流及電壓做一較平穩的控制。另外，在各種消費性電子產品低功耗的要求下，愈來愈多的電子設備應用，需要有電源同時可以提供多種不同低電壓準位。因此，一種穩壓器的設計，可以滿足同時提供多種不同輸出電壓準位的需求，亦是非常的重要。
請參閱第1圖，係顯示習知穩壓電路之電路架構示意圖。如圖所示，一般傳統的穩壓器設計，皆需要有一能隙電壓參考源(Bandgap voltage reference)Vs做為內部參考電壓，能隙電壓參考源Vs能提供一不隨溫度與電源變化的參考電壓準位。其中，能隙電壓參考源Vs大約為1.25伏特。
習知穩壓電路100係包括有一驅動元件11、一第一放大器12及一輸出分壓電路13。
驅動元件11具有一閘極端111、一電源端節點112及一輸出電壓端113，其中電源端節點112係連接至一電源電壓Vin，輸出電壓端113係可輸出一輸出電壓Vout。而第一放大器12具有一能隙電壓連接端121(即放大器正輸入端)、一回授輸入端122(即放大器負輸入端)及一放大器輸出端123，能隙電壓連接端121係連接至能隙電壓參考源Vs，而放大器輸出端123係連接至驅動元件11之閘極端111。
輸出分壓電路13連接於驅動元件11之輸出電壓端113與一接地電位G之間，輸出分壓電路13包括有一第一輸出分壓電阻131及一第二輸出分壓電阻132。輸出分壓電路13具有一回授節點N1，位於第一輸出分壓電阻131及第二輸出分壓電阻132之連接點，回授節點N1係連接至第一放大器12之回授輸入端122。
經由習知之穩壓電路100之電路特性，可得知回授 節點N1之電壓準位等於能隙電壓參考源Vs的電壓準位(VN1=Vs)，而驅動元件11之輸出電壓Vout之電壓準位係大於能隙電壓參考源Vs的電壓準位(Vout>Vs)。
但隨著製程技術的不斷演進，穩壓器所需要提供的輸出電壓準位越來越低，而依據輸出電壓Vout之電壓準位係高於能隙電壓參考源Vs的電壓準位之電路特性，若需要提供低於的輸出電壓Vout，則需降低能隙電壓參考源Vs之電壓準位。
然而，一般傳統的穩壓器設計，若因需要較低的輸出電壓Vout而降低能隙電壓參考源Vs之電壓準位，容易發生輸出電壓不穩定之情形，進而影響消費性電子產品的使用。再則，為滿足單一穩壓器同時可以提供多種不同輸出電壓準位的電子設備應用需求趨勢，穩壓器多準位輸出設計也是非常重要的。因此，如何設計一個能同時提供多種不同較低且穩定的輸出電壓Vout之穩壓器是一個重要的課題。
緣此，鑑於傳統穩壓器無法提供一較低且穩定之輸出電壓之缺失，而且還要滿足單一穩壓器同時可以提供多種不同低輸出電壓準位的電子設備應用需求，本發明之主要目的即是提供一種輸出電壓低於能隙電壓參考源的穩壓電路，且此穩壓電路可同時提供多種不同低輸出電壓準位。
本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係在習知的穩壓器中增加一能隙電壓調整電路，藉由能隙電壓調整電路之電路特性，使本發明之輸出電壓低於能隙電壓參考源的穩壓電路能提供一可低於能隙電壓參考源之電壓準位的輸出電壓。並且設計使用一多種電壓準位輸出穩壓電路。
本發明中的能隙電壓調整電路係由一電源電壓經由一偏壓電流源提供所需之工作電流至能隙電壓調整電路，而能隙電壓調整電路係包括有一源極隨耦電晶體、一負載電晶體、一第二放大器及一分壓電路。其中，在能隙電壓調整電路中具有一能隙電壓參考源輸入端、一偏壓電流端節點及一分壓輸出節點。
負載電晶體之汲極端係連接至源極隨耦電晶體之汲極端，源極端係連至接地電位，而閘極端係連接至電源電壓。其中，源極隨耦電晶體之源極端係連接至偏壓電流端節點。
第二放大器之放大器負輸入端係連接至偏壓電流端節點，第二放大器之放大器正輸入端係連接至能隙電壓參考源，而第二放大器之放大器輸出端係連接至源極隨耦電晶體之閘極端。分壓電路之第一分壓電阻與第二分壓電阻之連接點係作為分壓輸出節點，第一分壓電阻之另一端係連接至偏壓電流端節點，而第二分壓電阻之另一端係連接至接地電位。
藉由能隙電壓調整電路之電路特性，可使得偏壓電流端節點之電壓準位等於能隙電壓參考源的電壓準位(VN2=Vs)，而分壓輸出節點之電壓準位則低於能隙電壓參考源的電壓準位(VN3<Vs)，故驅動元件之輸出電壓端之電壓準位低於能隙電壓調整電路之偏壓電流端節點的電壓準位(Vout<VN2)。
本發明的較佳實施例中，多種電壓準位輸出穩壓電路係由數個穩壓分支電路並聯所組成。穩壓分支電路各別包括有一驅動元件、一第一放大器及一輸出分壓電路。驅動元件之電源端節點係連接至一電源電壓，另一端係作為輸出電壓端。而第一放大器之放大器正輸入端係連接至能隙電壓調整電路之分壓輸出節點，而第一放大器之放大器輸出端係連接至驅動元件之閘極 端。藉由其中各別穩壓分支電路中輸出分壓電路電阻值的不同組合，來產生多種不同的輸出電壓準位。
經由本發明所採用之技術手段，使輸出電壓低於能隙電壓參考源的穩壓電路提供一可低於能隙電壓參考源之電壓準位的輸出電壓，供需要較低的輸出電壓各種消費性電子產品使用，取代傳統無法提供較低的輸出電壓之穩壓器。且藉由本發明中的多種電壓準位輸出穩壓電路可同時提供多種不同輸出電壓準位。
本發明所採用的具體技術，將藉由以下之實施例及附呈圖式作進一步之說明。
100‧‧‧習知穩壓電路
1‧‧‧多種電壓準位輸出穩壓電路
1A~1M‧‧‧穩壓分支電路
11‧‧‧驅動元件
11A~11M‧‧‧驅動元件
111‧‧‧閘極端
111A~111M‧‧‧閘極端
112‧‧‧電源端節點
112A~112M‧‧‧電源端節點
113‧‧‧輸出電壓端
113A~113M‧‧‧輸出電壓端
12‧‧‧第一放大器
12A~12M‧‧‧第一放大器
121‧‧‧能隙電壓連接端
121A~121M‧‧‧能隙電壓連接端
122‧‧‧回授輸入端
122A~122M‧‧‧回授輸入端
123‧‧‧放大器輸出端
123A~123M‧‧‧放大器輸出端
13‧‧‧輸出分壓電路
13A~13M‧‧‧輸出分壓電路
131‧‧‧第一輸出分壓電阻
131A~131M‧‧‧第一輸出分壓電阻
132‧‧‧第二輸出分壓電阻
132A~132M‧‧‧第二輸出分壓電阻
2‧‧‧能隙電壓調整電路
21‧‧‧源極隨耦電晶體
211‧‧‧閘極端
212‧‧‧源極端
213‧‧‧汲極端
22‧‧‧負載電晶體
221‧‧‧閘極端
222‧‧‧汲極端
223‧‧‧源極端
23‧‧‧第二放大器
231‧‧‧偏壓電流連接端
232‧‧‧能隙電壓參考源輸入端
233‧‧‧輸出端
24‧‧‧分壓電路
241‧‧‧第一分壓電阻
242‧‧‧第二分壓電阻
G‧‧‧接地電位
N1‧‧‧回授節點
N1A~N1M‧‧‧回授節點
N2‧‧‧偏壓電流端節點
N3‧‧‧分壓輸出節點
Vin‧‧‧電源電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vout_A~Vout_M‧‧‧輸出電壓
Vs‧‧‧能隙電壓參考源
I‧‧‧偏壓電流源
第1圖係顯示習知穩壓電路之電路架構示意圖。
第2圖係顯示本發明輸出電壓低於能隙電壓參考源且可同時提供多種不同低輸出電壓準位的穩壓電路之電路方塊圖。
第3圖係顯示本發明輸出電壓低於能隙電壓參考源且可同時提供多種不同低輸出電壓準位的穩壓電路之較佳實施例電路圖。
請參閱第2圖及第3圖，係分別顯示本發明輸出電壓低於能隙電壓參考源且可同時提供多種不同低輸出電壓準位的穩壓電路之電路方塊圖及較佳實施例電路圖。第2圖所示，本發明之能隙電壓調整電路2係連接在多種電壓準位輸出穩壓電路1與能隙電壓參考源Vs之間。能隙電壓參考源Vs提供一不隨溫度與電源變化的穩定參考電壓準位至能隙電壓調整電路2。
多種電壓準位輸出穩壓電路1由數個穩壓分支電路1A~1M並聯所組成。穩壓分支電路1A~1M分別具有一電源端節點112A~112M、一輸出電壓端113A~113M、一能隙電壓連接端121A~121M、一回授輸入端122A~122M、一回授節點N1A~N1M、一輸出電壓Vout_A~Vout_M、一接地電位G，其中該電源端節點112A~112M係連接至一電源電壓Vin。
穩壓分支電路1A~1M可採用習知的穩壓電路結構。例如在圖式中所示，各個穩壓分支電路1A~1M中包括有一驅動元件11A~11M、一第一放大器12A~12M及一輸出分壓電路13A~13M。
驅動元件11A~11M具有一閘極端111A~111M、一電源端節點112A~112M及一輸出電壓端113A~113M，其中電源端節點112A~112M係連接至一電源電壓Vin，輸出電壓端113A~113M係可分別輸出一輸出電壓Vout_A~Vout_M。而第一放大器12A~12M具有一能隙電壓連接端121A~121M、一回授輸入端122A~122M及一放大器輸出端123A~123M，能隙電壓連接端121A~121M係連接至能隙電壓調整電路2之分壓輸出節點N3，而放大器輸出端123A~123M係連接至驅動元件11A~11M之閘極端111A~111M。
輸出分壓電路13A~13M連接於驅動元件11A~11M之輸出電壓端113A~113M與一接地電位G之間，輸出分壓電路13A~13M包括有一第一輸出分壓電阻131A~131M及一第二輸出分壓電阻132A~132M。輸出分壓電路13A~13M具有一回授節點N1A~N1M，位於第一輸出分壓電阻131A~131M及第二輸出分壓電阻132A~132M之連接點，回授節點N1A~N1M係連接至第一放 大器12A~12M之回授輸入端122A~122M。
能隙電壓調整電路2包括有一偏壓電流端節點N2、一分壓輸出節點N3、一能隙電壓參考源輸入端232，其中該能隙電壓參考源輸入端232係連接於能隙電壓參考源Vs，該偏壓電流端節點N2之電壓準位等於該能隙電壓參考源Vs的電壓準位，該分壓輸出節點N3之電壓準位低於該能隙電壓參考源Vs的電壓準位，且該穩壓分支電路1A~1M之輸出電壓端113A~113M所輸出之輸出電壓Vout_A~Vout_M之電壓準位低於偏壓電流端節點N2的電壓準位，亦即該多種電壓準位輸出穩壓電路1之輸出電壓端113A~113M所輸出的輸出電壓Vout_A~Vout_M之電壓準位低於該能隙電壓參考源Vs的電壓準位。
電源電壓Vin經由一偏壓電流源I提供所需之工作電流至能隙電壓調整電路2。
能隙電壓調整電路2包括有一源極隨耦電晶體21、一負載電晶體22、一第二放大器23及一分壓電路24。其中，在能隙電壓調整電路2中具有一偏壓電流端節點N2及一分壓輸出節點N3。
源極隨耦電晶體21具有一閘極端211、一源極端212及一汲極端213。其中，源極端212係連接至偏壓電流端節點N2。而負載電晶體22具有一閘極端221、一汲極端222及一源極端223，其中汲極端222係連接至源極隨耦電晶體21之汲極端213，源極端223係連至接地電位G，而閘極端221係連接至電源電壓Vin。
第二放大器23具有一偏壓電流連接端231，其為第二放大器23之負輸入端、一能隙電壓參考源輸入端232，其為第 二放大器23之正輸入端、及一輸出端233，其中偏壓電流連接端231係連接至偏壓電流端節點N2，能隙電壓參考源輸入端232係連接至能隙電壓參考源Vs，而輸出端233係連接至源極隨耦電晶體21之閘極端211。
分壓電路24具有一第一分壓電阻241及一與第一分壓電阻241串聯連接之第二分壓電阻242，其中第一分壓電阻241與第二分壓電阻242之連接點係作為分壓輸出節點N3，第一分壓電阻241之另一端係連接至偏壓電流端節點N2，而第二分壓電阻242之另一端係連接至接地電位G。
經由能隙電壓調整電路2之電路特性，可使得偏壓電流端節點N2之電壓準位等於能隙電壓參考源Vs的電壓準位(VN2=Vs)，而分壓輸出節點N3之電壓準位則低於能隙電壓參考源Vs的電壓準位(VN3<Vs)，故驅動元件11A~11M之輸出電壓端113A~113M之輸出電壓Vout_A~Vout_M之電壓準位低於能隙電壓調整電路2之偏壓電流端節點N2的電壓準位(Vout_A~Vout_M<VN2)。
由上述可知，本發明之輸出電壓低於能隙電壓參考源的穩壓電路係可提供一可低於能隙電壓參考源Vs之多種不同低輸出電壓準位的輸出電壓Vout_A~Vout_M，用以供需要較低的多種不同輸出電壓的各種消費性電子產品使用。
以上所舉實施例僅係用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍，凡其他未脫離本發明所揭示之精神下而完成的等效修飾或置換，均應包含於後述申請專利範圍內。
1‧‧‧多種電壓準位輸出穩壓電路
1A‧‧‧穩壓分支電路
112A‧‧‧電源端節點
113A‧‧‧輸出電壓端
121A‧‧‧能隙電壓連接端
122A‧‧‧回授輸入端
1B‧‧‧穩壓分支電路
112B‧‧‧電源端節點
113B‧‧‧輸出電壓端
121B‧‧‧能隙電壓連接端
122B‧‧‧回授輸入端
1M‧‧‧穩壓分支電路
112M‧‧‧電源端節點
113M‧‧‧輸出電壓端
121M‧‧‧能隙電壓連接端
122M‧‧‧回授輸入端
2‧‧‧能隙電壓調整電路
232‧‧‧能隙電壓參考源輸入端
G‧‧‧接地電位
N1A‧‧‧回授節點
N1B‧‧‧回授節點
N1M‧‧‧回授節點
N2‧‧‧偏壓電流端節點
N3‧‧‧分壓輸出節點
Vin‧‧‧電源電壓
Vout_A‧‧‧輸出電壓
Vout_B‧‧‧輸出電壓
Vout_M‧‧‧輸出電壓
Vs‧‧‧能隙電壓參考源
I‧‧‧偏壓電流源

Claims (5)

  1. 一種輸出電壓低於能隙電壓參考源且可同時提供多種不同低輸出電壓準位的穩壓電路，包括：一能隙電壓參考源，具有一預定的電壓準位；一多種電壓準位輸出穩壓電路，係由數個穩壓分支電路所組成，每一個穩壓分支電路，包括有：一驅動元件，具有一閘極端、一電源端節點及一輸出電壓端，其中該電源端節點係連接至一電源電壓；一第一放大器，具有一能隙電壓連接端、一回授輸入端及一輸出端，該輸出端係連接至該驅動元件之閘極端；一輸出分壓電路，連接於該驅動元件之輸出電壓端與一接地電位之間，該輸出分壓電路具有一回授節點連接至該第一放大器之回授輸入端；其特徵在於：該第一放大器之能隙電壓連接端與該能隙電壓參考源之間包括有一能隙電壓調整電路，該能隙電壓調整電路包括有一偏壓電流端節點、一分壓輸出節點、一能隙電壓參考源輸入端，其中該能隙電壓參考源輸入端係連接於該能隙電壓參考源，該偏壓電流端節點之電壓準位等於該能隙電壓參考源的電壓準位，該分壓輸出節點之電壓準位低於該能隙電壓參考源的電壓準位，且該驅動元件之輸出電壓端之電壓準位低於該能隙電壓調整電路之偏壓電流端節點的電壓準位，亦即該驅動元件之輸出電壓端之電壓準位低於該能隙電壓參考源的電壓準位。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之輸出電壓低於能隙電壓參考源且可同時提供多種不同低輸出電壓準位的穩壓電路，其中該能隙 電壓調整電路包括：一源極隨耦電晶體，具有一閘極端、一源極端及一汲極端，其中該源極端係連接至該偏壓電流端節點；一負載電晶體，具有一閘極端、一源極端及一汲極端，其中該汲極端係連接至該源極隨耦電晶體之汲極端，該源極端係連至該接地電位，而該閘極端係連接至該電源電壓；一第二放大器，具有一偏壓電流連接端、一能隙電壓參考源輸入端及一輸出端，其中該偏壓電流連接端係連接至該偏壓電流端節點，該能隙電壓參考源輸入端係連接至該能隙電壓參考源，而該輸出端係連接至該源極隨耦電晶體之閘極端；一分壓電路，具有一第一分壓電阻及一與該第一分壓電阻串聯連接之第二分壓電阻，其中該第一分壓電阻與該第二分壓電阻連接點係作為該分壓輸出節點，該第一分壓電阻之另一端係連接至該偏壓電流端節點，而該第二分壓電阻之另一端係連接至該接地電位。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之輸出電壓低於能隙電壓參考源且可同時提供多種不同低輸出電壓準位的穩壓電路，其中該能隙電壓調整電路之偏壓電流端節點係經由一偏壓電流源連接於該電源電壓。
  4. 一種輸出電壓低於能隙電壓參考源且可同時提供多種不同低輸出電壓準位的穩壓電路，包括：一能隙電壓參考源，具有一預定的電壓準位；至少一穩壓分支電路，該穩壓分支電路具有一電源端節點、一輸出電壓端、一能隙電壓連接端、一回授輸入端、一回授節點，其中該電源端節點係連接至一電源電壓； 一能隙電壓調整電路，包括：一源極隨耦電晶體，具有一閘極端、一源極端及一汲極端，其中該源極端係連接至該一偏壓電流端節點；一負載電晶體，具有一閘極端、一源極端及一汲極端，其中該汲極端係連接至該源極隨耦電晶體之汲極端，該源極端係連至一接地電位，而該閘極端係連接至該電源電壓；一第二放大器，具有一偏壓電流連接端、一能隙電壓參考源輸入端及一輸出端，其中該偏壓電流連接端係連接至該偏壓電流端節點，該能隙電壓參考源輸入端係連接至該能隙電壓參考源，而該輸出端係連接至該源極隨耦電晶體之閘極端；一分壓電路，具有一第一分壓電阻及一與該第一分壓電阻串聯連接之第二分壓電阻，其中該第一分壓電阻與該第二分壓電阻連接點係作為一分壓輸出節點，連接於該穩壓電路之能隙電壓連接端，該第一分壓電阻之另一端係連接至該偏壓電流端節點，而該第二分壓電阻之另一端係連接至該接地電位；其中該偏壓電流端節點之電壓準位等於該能隙電壓參考源的電壓準位，該分壓輸出節點之電壓準位低於該能隙電壓參考源的電壓準位，且該穩壓電路之輸出電壓端之電壓準位低於該能隙電壓調整電路之偏壓電流端節點的電壓準位，亦即該穩壓電路之輸出電壓端之電壓準位低於該能隙電壓參考源的電壓準位。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之輸出電壓低於能隙電壓參考源且可同時提供多種不同低輸出電壓準位的穩壓電路，其中該能隙 電壓調整電路之偏壓電流端節點係經由一偏壓電流源連接於該電源電壓。
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