TW201441786A - 電流電壓轉換器及其電子裝置 - Google Patents

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Abstract

一種電流電壓轉換器，其包括增益電路、翻轉電路與截波電路。增益電路接收輸入電流，並放大輸入電流，以產生放大電流。翻轉電路接收放大電流，依據充電信號與放電信號的控制，使用放大電流對其電容進行充電或放電，以產生輸出電壓，其中於使用放大電流對電容進行充電與放電前，翻轉電路分別根據充電重置信號與放電重置信號將輸出電壓重置為充電重置電壓與放電重置電壓。於電容被充電時，截波電路對輸出電壓進行取樣與保持，以產生還原電壓；且於電容被放電時，截波電路對輸出電壓進行取樣、保持與翻轉，以產生還原電壓。

Description

電流電壓轉換器及其電子裝置
本發明是有關於一種電流電壓轉換器，且特別是有關於一種可應用於觸控感應器之單端(single stage)電流電壓轉換器及使用該電流電壓轉換器的電子裝置。
目前一般電子裝置都具有電流電壓轉換器，所述電流電壓轉換器可以將電流轉換為電壓，並將此轉換的電壓送給電子裝置中的其他功能電路，以使功能電路得以接收此電壓，並依據此電壓執行相應的功能。在觸控感應器的應用中，電流電壓轉換器可以有一個增益電路與一個翻轉(flip)電路，其中增益電路用以作為電流放大器，而翻轉電路則用以基於充電信號與放電信號的控制使用根據增益電路所放大輸出之電流產生輸出電壓。翻轉電路透過上述動作可以將負的信號翻轉為正的信號，以藉此增加動態範圍。
請參照圖1，圖1是傳統電流電壓轉換器的電路圖。傳統電流電壓轉換器1包括增益電路11與翻轉電路12，其中增益電路11連接翻轉電路12。增益電路11包括多個N型電晶體N1~N3與多個P型電晶體P1~P3，而翻轉電路包括多個N型電晶體N4~N7、多個P型電晶體P4~P6、多個電流源CS1~CS4、電容Cint與多個開關SW1~SW3。
增益電路11為電流放大器，其透過電容Ct用以接收驅動信號Vdrv所對應的輸入電流Iin，放大輸入電流Iin，以產生第一電 流。更進一步地說，增益電路11由兩個電流鏡所組成，兩個電流鏡的兩端彼此連接，且兩電流鏡的另外兩端分別連接供應電壓VDD與接地GND。上述其中一個電流鏡由P型電晶體P1、P2與N型電晶體N1所組成且被施加偏壓biasa，而上述另一個電流鏡則由P型電晶體P3與N型電晶體N2、N3所組成且被施加偏壓biasb。
翻轉電路12接收第一電流，並依據第一電流產生輸出電壓Vout。進一步地說，多個電流源CS1~CS4、多個N型電晶體N4~N7、多個P型電晶體P4~P6組成多個電流鏡，多個電流鏡能根據第一電流而產生第二電流，而多個開關SW1與SW2受控於充電信號ΦC與放電信號ΦDC，以讓第二電流對電容Cint充電或放電，而產生輸出電壓Vout。另外，翻轉電路中的其中一個開關SW3還受控於重置信號ΦRST，以決定是否將輸出電壓Vout重置為重置電壓VRST。
請接著參照圖1與圖2，圖2是傳統電流電壓轉換器中部份信號的波形圖。如圖2所示，於驅動信號Vdrv由邏輯低準位變成邏輯高準位前，放電信號ΦDC會由低準位變為高準位(開關SW1會導通)，充電信號ΦC會維持低準位(開關SW2會斷開)，且重置信號ΦRST亦會由低準位變為高準位(開關SW3會導通)，以先將輸出電壓Vout重置為重置電壓VRST。接著，驅動信號Vdrv由邏輯低準位變成邏輯高準位，且重置信號ΦRST亦會由低準位變為高準位(開關SW3會斷開)。此時，放電信號ΦDC維持邏輯高準位(開關SW1會導通)，以讓第二電流對電容Cint放電，而輸出正的輸出電壓Vout。
然後，放電信號ΦDC會由高準位變為低準位(開關SW1會斷開)，且充電信號ΦC與重置信號ΦRST緊接著由低準位變為高準位(開關SW2與SW3會導通)，以在驅動信號Vdrv由邏輯高準位變成邏輯低準位前，以先將輸出電壓Vout重置為重置電壓VRST。之 後，驅動信號Vdrv由邏輯低準位變成邏輯高準位，且重置信號ΦRST亦會由高準位變為低準位(開關SW3會斷開)。此時，充電信號ΦC維持邏輯高準位(開關SW2會導通)，以讓第二電流對電容Cint充電，而輸出正的輸出電壓Vout。由此可知，翻轉電路12可將負的驅動電壓Vdrv所對應的負的輸入電流Iin轉換為正的輸出電壓Vout。
由上述的說明可以得知，傳統電流電壓轉換器1的翻轉電路12由於具有多個電流鏡，因此所產生的電流消耗較大。除此之外，由於傳統電流電壓轉換器1具有兩條電流路徑(充電路徑與放電路徑)，因此本質電路不匹配(intrinsic circuit mismatch)的校正(calibration)會變得複雜。
本發明實施例提供一種電流電壓轉換器，所述電流電壓轉換器包括增益電路、翻轉電路與截波電路。增益電路接收輸入電流，並放大輸入電流，以產生放大電流。翻轉電路接收放大電流，依據充電信號與放電信號的控制，使用放大電流對其電容進行充電或放電，以產生輸出電壓，其中於使用放大電流對電容進行充電與放電前，翻轉電路分別根據充電重置信號與放電重置信號將輸出電壓重置為充電重置電壓與放電重置電壓。於電容被充電時，截波(chopper)電路輸出電壓進行取樣與保持，以產生還原電壓；且於電容被放電時，截波電路對輸出電壓進行取樣、保持與翻轉，以產生還原電壓。
較佳地，於本發明實施例中，翻轉電路包括電容與第一至第四開關。電容的一端連接輸出電壓。第一開關受控於放電重置信號，且其兩端分別連接放電重置電壓與輸出電壓。第二開關受控於充電重置信號，且其兩端分別連接充電重置電壓與輸出電壓。第三開關受控於放電信號，且其兩端分別連接供應電壓與電容的 另一端。第四開關受控於充電信號，且其兩端分別連接接地與該電容的該另一端。
較佳地，於本發明實施例中，電流電壓轉換器包括類比數位轉換器，類比數位轉換器對還原電壓進行數位類比轉換，以產生數位電壓。
較佳地，於本發明實施例中，截波電路包括運算放大器、第一至第四電容與第五至第六開關。第一電容的兩端分別連接輸出電壓與運算放大器的正輸入端。第二電容的兩端分別連接接地與運算放大器的負輸入端。第三電容的兩端分別連接運算放大器的正輸入端與負輸出端。第四電容的兩端分別連接運算放大器的負輸入端與正輸出端。第五開關受控於放電取樣保持信號，且其兩端分別連接運算放大器的負輸出端與類比數位轉換器的正輸入端。第六開關受控於一充電取樣保持信號，且其兩端分別連接運算放大器的負輸出端與類比數位轉換器的負輸入端。第七開關受控於放電取樣保持信號，且其兩端分別連接運算放大器的正輸出端與類比數位轉換器的正輸入端。第八開關受控於放電取樣保持信號，且其兩端分別連接運算放大器的正輸出端與類比數位轉換器的負輸入端。
本發明實施例還提供一種電子裝置，且此電子裝置包括上述電流電壓轉換器與功能電路，其中功能電路連接電流電壓轉換器。功能電路用以接收輸出電壓，並據此執行相應的功能。
綜合以上所述，本發明實施例提供的。
為了能更進一步瞭解本發明為達成既定目的所採取之技術、方法及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明、圖式，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得以深入且具體之瞭解，然而所附圖式與附件僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
1‧‧‧傳統電流電壓轉換器
11、31‧‧‧增益電路
12、32‧‧‧翻轉電路
3、81‧‧‧電流電壓轉換器
33‧‧‧截波電路
34‧‧‧類比數位轉換器
8‧‧‧電子裝置
82‧‧‧功能電路
A、B‧‧‧端點
Ct、Cint、C1~C4‧‧‧電容
CS1~CS4‧‧‧電流源
N1~N7‧‧‧N型電晶體
OP3‧‧‧運算放大器
P1~P6‧‧‧P型電晶體
SW1~SW8‧‧‧開關
圖1是傳統電流電壓轉換器的電路圖。
圖2是傳統電流電壓轉換器中部份信號的波形圖。
圖3是本發明實施例的電流電壓轉換器的方塊圖。
圖4是本發明實施例的電流電壓轉換器的增益電路與翻轉電路的電路圖。
圖5A是本發明實施例的電流電壓轉換器的增益電路與翻轉電路於充電信號為邏輯高電壓準位時的等效電路圖。
圖5B是本發明實施例的電流電壓轉換器的增益電路與翻轉電路於放電信號為邏輯高電壓準位時的等效電路圖。
圖6是本發明實施例的電流電壓轉換器的截波電路與類比數位轉換器的電路圖。
圖7是本發明實施例的本發明實施例的電流電壓轉換器中部份信號的波形圖。
圖8是本發明實施例的電子裝置的方塊圖。
在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本新型將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本新型概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。
應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本新型概念之教示。如本文中所使用，術語「及/或」 包括相關聯之列出項目中之任一者及一或多者之所有組合。
〔電流電壓轉換器的實施例〕
本發明之實施例的電流電壓轉換器使用開關電容(switch capacitor)與截波技術，以增加輸入電流的動態範圍。請參照圖3，圖3是本發明實施例的電流電壓轉換器的方塊圖。電流電壓轉換器3包括增益電路31、翻轉電路32、截波電路33與類比數位轉換器34，其中增益電路31連接翻轉電路32，翻轉電路32連接截波電路33，且截波電路33連結類比數位轉換器34。
增益電路31為電流放大器，其透過電容Ct用以接收驅動信號Vdrv所對應的輸入電流Iin，放大輸入電流Iin，以產生放大電流。翻轉電路32接收放大電流，並依據放大電流產生輸出電壓Vout。進一步地說，翻轉電路32受控於充電信號ΦC與放電信號ΦDC，以讓放大電流對翻轉電路32的電容充電或放電，而產生輸出電壓Vout。於輸入電流Iin為負的電流時，翻轉電路32會對其電容充電，以使輸出電壓Vout由第一準位上升至第二準位，其中第一準位小於第二準位。另外，於輸入電流Iin為正的電流時，翻轉電路32會對其電容放電，以使輸出電壓由第三準位下降至第四準位，其中第四準位小於第三準位。另外，翻轉電路32在對其電容充電或放電前會還可以分別將輸出電壓Vout重置為第一準位與第三準位。
接著，截波電路33用以對輸出電壓Vout進行取樣與保持，並且使用截波技術來還原輸出電壓Vout，以產生還原電壓。類比數位轉換器34則用以接收還原電壓，並對還原電壓進行類比數位轉換，以藉此輸出數位電壓Vout’。在此請注意，於輸出電壓Vout由第一準位上升第二準位的時間內，截波電路33對輸出電壓Vout進行取樣與保持，以獲得邏輯高準位的還原電壓，而於輸出電壓Vout由第三準位下降至第四準位的時間內，截波電路33對輸出電壓Vout進行取樣與保持後，再對取樣與保持的電壓進行翻轉，以 獲得的邏輯高準位的還原電壓。
請接著參照圖4，圖4是本發明實施例的電流電壓轉換器的增益電路與翻轉電路的電路圖。增益電路31包括P型電晶體P1~P3、N型電晶體N1~N3與電流源CS1，其中電流源CS1非必要元件，且可以被移除。增益電路31由兩個電流鏡所組成，兩個電流鏡的兩端彼此連接，且兩電流鏡的另外兩端分別連接供應電壓VDD與接地GND。上述其中一個電流鏡由P型電晶體P1、P2與N型電晶體N1所組成且被施加偏壓biasa，而上述另一個電流鏡則由P型電晶體P3與N型電晶體N2、N3所組成且被施加偏壓biasb。
接著，進一步地說明增益電路31的詳細結構。P型電晶體P1、P2的源極連接供應電壓VDD，且P型電晶體P1、P2的閘極彼此連接。N型電晶體N1的汲極連接P型電晶體P1的閘極與汲極，且N型電晶體N1的源極與P型電晶體P2的汲極分別連接端點A與B，其中端點A用以接收輸入電流Iin，且端點B用以將輸出電壓Vout輸出至截波電路33。
N型電晶體N2、N3的源極連接接地GND，且N型電晶體N2、N3的閘極彼此連接。P型電晶體P3的汲極連接N型電晶體N2的閘極與汲極，且P型電晶體P3的源極與N型電晶體N3的汲極分別連接端點A與B。另外，電流源CS1的兩端分別連接供應電壓VDD與端點B。
接著，進一步地說明翻轉電路32的詳細結構。翻轉電路32包括電容Cint與多個開關SW1~SW4。開關SW1~SW4分別受控於放電重置信號ΦDCRST、充電重置信號ΦCRST、放電信號ΦDC與充電信號ΦC。SW1的兩端分別連接第三準位的放電重置電壓VRST1與端點B，而SW2的兩端分別連接第一準位的放電重置電壓VRST2與端點B。SW3的兩端分別連接第供應電壓VDD與電容Cint的一端，而SW4的兩端分別連接接地GND與電容Cint的一端。 電容Cint的另一端連接端點B。
於本發明實施例中，放電信號ΦDC與放電重置信號ΦDCRST為用於對電容Cint進行放電時的一組控制信號，另外，充電信號ΦC與充電重置信號ΦCRST為用於對電容Cint進行充電時的一組控制信號。當驅動信號Vdrv所對應的輸入電流Iin為負的電流時，開關SW1與SW3會斷開(亦即放電重置信號ΦDCRST與放電信號ΦDC為邏輯低準位)，開關SW4會導通(亦即充電信號ΦC為邏輯高準位)，而在開關SW2僅有驅動信號Vdrv所對應的輸入電流Iin由正的電流變為負的電流前的一段時間暫時導通。透過上述的描述，電流電壓轉換器3的增益電路31與翻轉電路32於充電信號ΦC為邏輯高電壓準位時的等效電路圖將如同圖5A所示。此時，輸出電壓Vout會由第一準位上升至第二準位。
當驅動信號Vdrv所對應的輸入電流Iin為正的電流時，開關SW2與SW4會斷開(亦即充電重置信號ΦCRST與充電信號ΦC為邏輯低準位)，開關SW3會導通(亦即放電信號ΦDC為邏輯高準位)，而在開關SW1僅有驅動信號Vdrv所對應的輸入電流Iin由負的電流變為正的電流前的一段時間暫時導通。透過上述的描述，電流電壓轉換器3的增益電路31與翻轉電路32於放電信號ΦDC為邏輯高電壓準位時的等效電路圖將如同圖5B所示。此時，輸出電壓Vout會由第三準位下降至第四準位。
請接著參照圖6，圖6是本發明實施例的電流電壓轉換器的截波電路與類比數位轉換器的電路圖。截波電路33包括運算放大器OP3、電容C1~C4與多個開關SW5~SW8。運算放大器OP3為一個差動式的運算放大器，其具有正輸入端、負輸入端、正輸出端與負輸出端。另外，類比數位轉換器34亦為差動式的類比數位轉換器，其具有正輸入端與負輸入端。
運算放大器OP3與電容C1~C4構成一個取樣與保持電路。另外，開關SW5、SW8受控於放電取樣保持信號ΦDCSH，且開關 SW6、SW7受控於充電取樣保持信號ΦCSH。如此，於放電信號ΦDC為邏輯高準位時，截波電路33除了具有取樣與保持的功能外，還具有翻轉功能；而於充電信號ΦC為邏輯高準位時，截波電路33則僅具有取樣與保持的功能。
接著，進一步地描述截波電路33的詳細結構。電容C1的兩端分別連接輸出電壓Vout與運算放大器OP3的正輸入端，而電容C2的兩端分別連接接地GND與運算放大器OP3的負輸入端。電容C3的兩端分別連接運算放大器OP3的正輸入端與負輸出端，而電容C4的兩端分別連接運算放大器OP3的負輸入端與正輸出端。開關SW5的兩端分別連接運算放大器OP3的負輸出端與類比數位轉換器34的正輸入端，而開關SW8的兩端分別連接運算放大器OP3的正輸出端與類比數位轉換器34的負輸入端。開關SW6的兩端分別連接運算放大器OP3的負輸出端與類比數位轉換器34的負輸入端，而開關SW7的兩端分別連接運算放大器OP3的正輸出端與類比數位轉換器34的正輸入端。
請接著參照圖4、圖6與圖7，圖7是本發明實施例的本發明實施例的電流電壓轉換器中部份信號的波形圖。於驅動信號Vdrv由邏輯低準位變成邏輯高準位前，放電信號ΦDC會由低準位變為高準位(開關SW3會導通)，充電信號ΦC會維持低準位(開關SW4會斷開)，且放電重置信號ΦDCRST亦會由低準位變為高準位(開關SW1會導通)，以先將輸出電壓Vout重置為重置電壓VRST1。接著，驅動信號Vdrv由邏輯低準位變成邏輯高準位，且放電重置信號ΦDCRST亦會由低準位變為高準位(開關SW1會斷開)。此時，放電信號ΦDC維持邏輯高準位(開關SW3會導通)，以讓放大電流對電容Cint放電，而輸出位於第三準位與第四準位之間的輸出電壓Vout。然後，於放電信號ΦDC會由高準位變為低準位前，放電取樣保持信號ΦDCSH會由邏輯低準位變成邏輯高準位(開關SW5與SW8會導通)，而充電取樣保持信號ΦCSH會保持邏輯低準位(開關 SW6與SW7會導通)，以使截波電路33對輸出電壓Vout進行取樣、保持與翻轉。
然後，放電信號ΦDC會由高準位變為低準位(開關SW3會斷開)，且充電信號ΦC與充電重置信號ΦCRST緊接著由低準位變為高準位(開關SW2與SW4會導通)，以在驅動信號Vdrv由邏輯高準位變成邏輯低準位前，以先將輸出電壓Vout重置為重置電壓VRST2。之後，驅動信號Vdrv由邏輯低準位變成邏輯高準位，且充電重置信號ΦCRST亦會由高準位變為低準位(開關SW2會斷開)。此時，充電信號ΦC維持邏輯高準位(開關SW4會導通)，以讓放大電流對電容Cint充電，而輸出位於第一準位與第二準位之間的輸出電壓Vout。然後，於充電信號ΦC會由高準位變為低準位前，充電取樣保持信號ΦCSH會由邏輯低準位變成邏輯高準位(開關SW6與SW7會導通)，而放電取樣保持信號ΦDCSH會保持邏輯低準位(開關SW5與SW8會導通)，以使截波電路33對輸出電壓Vout進行取樣與保持。
〔電子裝置的實施例〕
請參照圖8，圖8是本發明實施例的電子裝置的方塊圖。電子裝置8包括電流電壓轉換器81與功能電路82，其中電流電壓轉換器81連接功能電路82，且電流電壓轉換器81可以是本發明實施例的任何一種電流電壓轉換器或其改良。電流電壓轉換器81用以接收電流Iin，並據此輸出電壓Vout給功能電路82。功能電路依據接收的電壓Vout執行相應的功能。電子裝置8可以例如是觸控裝置，且功能電路82可以例如是觸控感測控制電路。然而，在此請注意，上述功能電路82的數量與種類對應於電子裝置8的種類，且電子裝置的種類並非用以限制本發明。
〔實施例的可能功效〕
綜合以上所述，本發明實施例提供的電流電壓轉換器可以減少電流消耗，並且維持同樣的輸入電流之動態範圍。除此之外， 本發明實施例提供的電流電壓轉換器結構簡單，易於實現，且能夠避免充電路徑與放電路徑的不匹配。
以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
3‧‧‧電流電壓轉換器
31‧‧‧增益電路
32‧‧‧翻轉電路
33‧‧‧截波電路
34‧‧‧類比數位轉換器
Ct‧‧‧電容

Claims (9)

  1. 一種電流電壓轉換器，包括：一增益電路，接收一輸入電流，並放大該輸入電流，以產生一放大電流；一翻轉電路，連接該增益電路，接收該放大電流，依據一充電信號與一放電信號的控制，使用該放大電流對其一電容進行充電或放電，以產生一輸出電壓，其中於使用該放大電流對該電容進行充電與放電前，該翻轉電路分別根據一充電重置信號與一放電重置信號將該輸出電壓重置為一充電重置電壓與一放電重置電壓；以及一截波電路，連接該翻轉電路，於該電容被充電時，對該輸出電壓進行取樣與保持，以產生一還原電壓，且於該電容被放電時，對該輸出電壓進行取樣、保持與翻轉，以產生該還原電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項的電流電壓轉換器，其中於該輸入電流為負的電流時，該電容被充電；於該輸入電流為正的電流時，該電容被放電。
  3. 如申請專利範圍第1項的電流電壓轉換器，更包括：一類比數位轉換器，連接該截波電路，對該還原電壓進行數位類比轉換，以產生一數位電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項的電流電壓轉換器，其中該增益電路包括兩個電流鏡，該兩個的兩端彼此連接，且該兩個電流鏡的另外兩端分別連接一供應電壓與一接地。
  5. 如申請專利範圍第4項的電流電壓轉換器，其中該增益電路更包括一電流源，該電流源的兩端分別連接該供應電壓與該輸出電壓。
  6. 如申請專利範圍第1項的電流電壓轉換器，其中該翻轉電路包括： 一電容，其一端連接該輸出電壓；一第一開關，受控於該放電重置信號，其兩端分別連接該放電重置電壓與該輸出電壓；一第二開關，受控於該充電重置信號，其兩端分別連接該充電重置電壓與該輸出電壓；一第三開關，受控於該放電信號，其兩端分別連接一供應電壓與該電容的另一端；以及一第四開關，受控於該充電信號，其兩端分別連接一接地與該電容的該另一端。
  7. 如申請專利範圍第3項的電流電壓轉換器，其中該類比數位轉換器具有一正輸入端與一負輸入端，且該截波電路包括：一運算放大器，其具有一正輸入端、一負輸入端、一正輸出端與一負輸出端；一第一電容，其兩端分別連接該輸出電壓與該運算放大器的正輸入端；一第二電容，其兩端分別連接一接地與該運算放大器的負輸入端；一第三電容，其兩端分別連接該運算放大器的正輸入端與負輸出端；一第四電容，其兩端分別連接該運算放大器的負輸入端與正輸出端；一第五開關，受控於一放電取樣保持信號，其兩端分別連接該運算放大器的負輸出端與該類比數位轉換器的正輸入端；一第六開關，受控於一充電取樣保持信號，其兩端分別連接該運算放大器的負輸出端與該類比數位轉換器的負輸入端；一第七開關，受控於該放電取樣保持信號，其兩端分別連接該運算放大器的正輸出端與該類比數位轉換器的正輸入端；以及 一第八開關，受控於該放電取樣保持信號，其兩端分別連接該運算放大器的正輸出端與該類比數位轉換器的負輸入端。
  8. 如申請專利範圍第1項的電流電壓轉換器，其中於該電容被充電時，該輸出電壓由一第一準位上升至一第二準位，且於該輸出電壓由一第一準位上升至一第二準位的期間，該截波電路取樣與保持該輸出電壓；於該電容被放電時，該輸出電壓由一第三準位下降至一第四準位，且於該輸出電壓由一第三準位下降至一第四準位的期間，該截波電路取樣、保持與翻轉該輸出電壓，其中該第三準位大於該第二準位。
  9. 一種電子裝置，包括：如申請專利範圍第1至8項其中之一所述的電流電壓轉換器；以及一功能電路，連接該電流電壓轉換器，用以接收該輸出電壓，並據此執行相應的功能。
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