TW201443603A - 電壓追蹤電路 - Google Patents

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    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
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    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/563—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices including two stages of regulation at least one of which is output level responsive, e.g. coarse and fine regulation

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Abstract

一種電壓追蹤電路包含一電壓產生裝置、一第一運算放大器、一第一電壓產生器及一接成二極體形式的裝置。電壓產生裝置用於提供一固定電壓。第一運算放大器包含一第一輸入端、一第二輸入端和一輸出端。第一運算放大器的第一輸入端施加該固定電壓，第一運算放大器的第二輸入端耦接一受保護電路模型。第一電壓產生器耦接第一運算放大器的輸出端和一限壓器，其中該限壓器耦接受保護裝置。接成二極體形式的裝置設置在一回饋回路上，該回饋回路連接第一運算放大器的第二輸入端和第一電壓產生器。

Description

電壓追蹤電路
本發明係關於一種電壓追蹤電路
當閘極至源極電壓(gate to source voltages)太高時，具薄氧化層的半導體裝置會有可靠性的問題。於是，通路電晶體(pass transistor)通常被運用來作為電壓限制器(voltage limiter)，以保護這些半導體裝置。然而，如果閘極電壓不夠高，此電壓限制器也會有計時(timing)上和性能方面等的隱憂。為降低這些隱憂的影響，會使用臨界電壓追蹤電壓產生器(Vt-tracking voltage generator)，以在即便電壓限制器受到PVT(製程(process)、電壓(voltage)和溫度(temperature))變異的影響下，電壓限制器可擁有固定最大的電壓。
圖1為一傳統的臨界電壓(Vt)追蹤電壓產生器1。Vt追蹤電壓產生器1具有一運算放大器11。運算放大器11的正輸入端連接一參考電壓源Vref。運算放大器11的輸出端連接電晶體12的閘極端。電晶體12可為P型金氧半電晶體，其源極可施加一電壓，其汲極可連接電晶體Mtrack的閘極、電晶體Mtrack的汲極及電晶體MPG的閘極。電晶體Mtrack的源極連接串聯電阻(R1和R2)的一端，而串聯電阻(R1和R2)的另一端則接地。一負回饋(negative feedback)連接運算放大器11的負輸入端和串聯電阻(R1和R2)間的接點(connection node)。電晶體MPG的源極電壓Vout可利用下列式子計算：
其中Vgs為電晶體Mtrack中從閘極至源極的電壓；Vt為電晶 體MPG的臨界電壓(threshold voltage)。
如果電壓Vgs非常接近電壓Vt，則電壓Vout會概略等於一安全電壓(safe voltage)Vsafe。因為電壓Vgs是用來追蹤電晶體MPG的臨界電壓Vt，所以電壓Vout會可限制不超過安全電壓Vsafe。
Vt追蹤電壓產生器1使用一二極體連接電晶體(diode-connected transistor)Mtrack來追蹤相同大小的電晶體MPG的臨界電壓Vt。然而，流經電晶體Mtrack(或從汲極到源極)的電流Ifb不會隨著流經電晶體MPG的電流Ids的變化而變化，因此電流Ifb的變化(因PVT變異而產生)可能會使電壓Vgs和電壓Vt間有顯著的差異，從而導致產生無法接受的追蹤誤差的問題。
根據上述問題，本發明對應地實現不同實施例的電壓追蹤電路。
本發明一實施例之電壓追蹤電路包含一電壓產生裝置、一第一運算放大器、一第一電壓產生器及一接成二極體形式的裝置。電壓產生裝置用於提供一固定電壓。第一運算放大器包含一第一輸入端、一第二輸入端和一輸出端。第一運算放大器的第一輸入端施加該固定電壓，第一運算放大器的第二輸入端耦接一受保護電路模型。第一電壓產生器耦接第一運算放大器的輸出端和一限壓器，其中該限壓器耦接受保護裝置。接成二極體形式的裝置設置在一回饋回路上，該回饋回路連接第一運算放大器的第二輸入端和第一電壓產生器。
在一些實施例中，第一電壓產生器包含一第一電晶體，第一電晶體包含一閘極端和一第一端，其中第一電晶體的閘極端耦接第一運算放大器的輸出端，第一電晶體的第一端耦接限壓器。
在一些實施例中，第一電壓產生器包含兩串聯的電阻，其中該兩串聯的電阻和第一電晶體串聯。
在一些實施例中，電壓產生裝置包含一多路供應開關。
在一些實施例中，電壓追蹤電路更包含一開關，其中該開關 與兩串聯的電阻中一者並聯。
在一些實施例中，電壓追蹤電路更包含另一開關，其中該另一開關和接成二極體形式的裝置並聯。
在一些實施例中，電壓產生裝置包含一第二運算放大器及一第二電壓產生器。第二運算放大器包含一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，其中第二運算放大器的第一輸入端與一參考電壓源耦接。第二電壓產生器與第二運算放大器的第二輸入端和輸出端耦接，以產生固定電壓。
在一些實施例中，第二電壓產生器包含一第二電晶體，第二電晶體包含一閘極端和一電極端，其中第二電晶體的閘極端耦接第二運算放大器的輸出端，第二電晶體的電極端耦接第二運算放大器的第二輸入端。
在一些實施例中，第二電壓產生器包含兩串聯的可調式電阻。
在一些實施例中，第一電晶體的第一端是正輸入端。
本發明至少部分實施例揭露之電壓追蹤電路可避免因PVT變異而產生的電流變化，所造成電壓追蹤誤差。
1‧‧‧臨界電壓追蹤電壓產生器
2‧‧‧電壓追蹤電路
3‧‧‧電壓限制器
4‧‧‧輸入緩衝器
5‧‧‧輸入緩衝器模型
6‧‧‧電壓追蹤電路
7‧‧‧單位緩衝器
8‧‧‧列譯碼器模型
11‧‧‧運算放大器
12‧‧‧電晶體
21‧‧‧電壓產生裝置
22‧‧‧運算放大器
23‧‧‧電壓產生器
24‧‧‧接成二極體形式的裝置
61‧‧‧多路供應開關
62‧‧‧運算放大器
63‧‧‧電壓產生器
64‧‧‧接成二極體形式的裝置
211‧‧‧運算放大器
212‧‧‧電壓產生器
220‧‧‧回饋回路
221‧‧‧第一輸入端
222‧‧‧第二輸入端
223‧‧‧輸出端
231‧‧‧電晶體
232‧‧‧電阻
631‧‧‧電晶體
2111、2112‧‧‧輸入端
2113‧‧‧輸出端
2121‧‧‧電晶體
2311‧‧‧閘極端
2312、2313‧‧‧電極端
Ids、Ifb、Igate‧‧‧電流
MPG、Mtrack‧‧‧電晶體
R1、R2、R3、R4、R5、R6‧‧‧電阻
sw1、sw2‧‧‧開關
V1‧‧‧固定電壓
Vbgr、Vcc‧‧‧電源供應
VccpGidl、VccpRdec、Vnwl‧‧‧電源供應端
Vccp、Vin‧‧‧電源
VFB、Vfb、Vgate、Vccrdec‧‧‧電壓
Vgs‧‧‧閘極至源極的電壓
Vout‧‧‧源極電壓
Vref‧‧‧參考電壓源
Vsafe‧‧‧安全電壓
Vt‧‧‧臨界電壓
圖1為一傳統的臨界電壓(Vt)追蹤電壓產生器。
圖2為本發明一實施例之電壓追蹤電路之示意圖。
圖3為本發明一實施例之電壓追蹤電路之應用之示意圖。
圖4為本發明一實施例之輸入緩衝器模型之示意圖。
圖5為本發明一實施例之電壓追蹤電路之示意圖。
圖2為本發明一實施例之電壓追蹤電路2之示意圖。參照圖2所示，電壓追蹤電路2用於連接一電壓限制器(voltage limiter)3。電壓追蹤電路2可包含一運算放大器(operational amplifier)22、一電壓產生器(voltage generator)23和一接成二極體形式的裝置(diode-connected device)24。接成二極體形式的裝置24和電壓限制器3可具有相同的臨界電壓(threshold voltage)Vt。接成二極體形式的裝置24設置在運算放大器22的回饋回路(feedback loop)220上，其中回饋回路220是從電壓產生器23至運算放大器22的一輸入端間延伸。運算放大器22可接受一固定電壓V1，並提供一電壓於電壓產生器23，如此電壓產生器23可相應地產生一電壓Vgate，其中電壓Vgate可約略等於電壓V1及電壓限制器3的臨界電壓(threshold voltage)之和。
在一實施例中，電壓限制器3可為一電晶體。在一實施例中，電壓限制器3可為一N型金氧半導體電晶體(NMOS transistor)。
在一實施例中，運算放大器22包含一第一輸入端221、一第二輸入端222及一輸出端223。固定電壓V1施加在第一輸入端221。回饋回路220連接第二輸入端222至電壓產生器23。輸出端223連接電壓產生器23。在一實施例中，第一輸入端221是正輸入端(positive input terminal)，而第二輸入端222是負輸入端(negative input terminal)。
如圖2所示，電壓產生器23與電壓限制器3耦接，以提供電壓限制器3電壓Vgate。電壓產生器23可包含一電晶體231。電晶體231包含一閘極端2311、一電極端2313及另一電極端2312，其中閘極端2311連接運算放大器22的輸出端223；電極端2313可為源極或汲極，且連接電壓限制器3；另一電極端2312連接電源供應端(power supply node)。運算放大器22的回饋回路220可連接電晶體231的電極端2313至運算放大器22的一輸入端，例如：負輸入端。在一實施例中，電晶體231為P型金氧半電晶體(PMOS transistor)。
電壓產生器23可進一步包含一電阻232，其中該電阻232可連接電晶體231的電極端2313至接地(ground)。回饋電流Ifb流經電阻232。
參照圖2所示，電壓追蹤電路2可包含一電壓產生裝置21。電壓產生裝置21用於提供運算放大器22一固定電壓V1。在一實施例中，電壓產生裝置21可包含一運算放大器(operational amplifier)211和一電壓產生器(voltage generator)212，其中運算放大器211的一輸入端2111連接至一 參考電壓源Vref；回饋回路連接運算放大器211的另一輸入端2112至電壓產生器212；而運算放大器211的輸出端2113連接電壓產生器212，以提供固定電壓V1。
在一實施例中，電壓產生器212可包含一電晶體2121及兩串聯之電阻(R3和R4)。電晶體2121和兩串聯之電阻(R3和R4)是串聯，並設置在一電源和接地之間。運算放大器211的輸出端2113連接電晶體2121的閘極端(gate terminal)，運算放大器211的輸入端2112連接一回饋回路，其中該回饋回路延伸並連接至在兩串聯之第一和第二電阻(R3和R4)之接點(connection node)。電晶體2121的源極端或汲極端連接一電源接點(power supply node)，而電晶體2121的另一端連接至兩串聯之第一和第二電阻(R3和R4)。在一實施例中，第一和第二電阻(R3和R4)中至少一電阻是可調的(adjustable)。在一實施例中，電晶體2121是P型金氧半電晶體。
如圖2所示，電壓限制器3可連接受保護裝置(devices under protection)。一受保護電路模型(protected device model)可使用且連接運算放大器22的第二輸入端222，以複製流入受保護裝置的電流Igate，所以接成二極體形式的裝置24可用來追蹤電壓限制器3的臨界電壓(threshold voltage)Vt。如此，可避免因電流Ifb的變異(由於PVT變異而產生)所造成接成二極體形式的裝置24的電壓Vgs和臨界電壓Vt之差異之問題。
圖3為本發明一實施例之電壓追蹤電路2之應用之示意圖。圖4為本發明一實施例之輸入緩衝器模型(input buffer model)5之示意圖。參照圖3與圖4所示，電壓追蹤電路2可運用在輸入緩衝器(input buffer)4上。在此應用中，電壓限制器3可連接至輸入緩衝器4，運算放大器22的第二輸入端222可連接至輸入緩衝器模型5。
在一實施例中，電壓V1或VFB可為2至2.1伏特；而且，為確保在輸入緩衝器4內的NMOS裝置能安全地操作，從運算放大器211將NCOM設為(例如)1.05伏特的電壓值，以減低輸入緩衝器模型5內的NMOS裝置的電壓Vgs，其中NCOM的電壓值代表在輸入緩衝器4內一輸入NMOS對(input NMOS pair)的源極直流電壓(source DC voltage)。
在一實施例中，為使流入輸入緩衝器模型5的電流Igate相同 於流入輸入緩衝器4的電流Igate，在輸入緩衝器模型5的NMOS裝置被設計成較在輸入緩衝器4內的NMOS裝置大18倍以上，如此可補償在輸入緩衝器4內的NMOS裝置的截止電壓(cut down voltage)Vgs。
在一實施例中，輸入緩衝器4包含輸入PLVT(low Vt PMOS；低臨界電壓PMOS)裝置，其中輸入緩衝器4的輸入PLVT裝置與輸入緩衝器模型5的輸入PLVT裝置具有相同大小。
在一實施例中，PCOM從運算放大器211接受1.15伏特電壓，PCOM的電壓值代表在輸入緩衝器4內輸入PMOS對(input PMOS pair)的源極直流電壓(source DC voltage)。NCOM從運算放大器211接受1.05伏特的電壓。
圖5為本發明一實施例之電壓追蹤電路6之示意圖。如圖5所示，電壓追蹤電路6包含一多路供應開關(multiplex supply switch)61、一運算放大器62、一電壓產生器(voltage generator)63及一接成二極體形式的裝置64。多路供應開關61連接兩電源供應Vbgr和Vcc。運算放大器62具有一連接多路供應開關61的輸入端，連接一回饋回路的另一端，以及連接電壓產生器63的輸出端。接成二極體形式的裝置64設置在運算放大器62的回饋回路。
在一實施例中，電壓產生器63包含一電晶體631和兩串聯的電阻(R5和R6)。電晶體631具有一閘極端、一源極端(source terminal)及一汲極端(drain terminal)，其中閘極端連接運算放大器62的輸出端，源極端連接一電源(Vccp)，汲極端連接串聯的電阻(R5和R6)。運算放大器62的回饋回路連接串聯的電阻(R5和R6)間的連接處。
電晶體631的汲極端可連接電壓限制器3的閘極端(輸出電壓Vccrdec)，電壓限制器3的源極端連接電源(Vin)，電壓限制器3的汲極端連接字線驅動器(word line driver)或單位緩衝器(unit buffer)7，字線驅動器或單位緩衝器7的電路與電源供應端(VccpGidl、VccpRdec和Vnwl(negative word line voltage；負字線電壓))一同顯示。對應地，運算放大器62的負輸入端可連接列譯碼器模型(row decoder model)8，如此流入列驅動裝置8的電流Igate可被複製，而且接成二極體形式的裝置64可被用來正確地追蹤電壓限制器 3的臨界電壓Vt。
參照圖5所示，電壓追蹤電路6進一步包含一開關sw1，其中開關sw1和電阻R5是並聯。電壓追蹤電路6可進一步包含另一開關sw2，其中開關sw2和接成二極體形式的裝置64是並聯。
參照圖5所示，當開關sw1關閉(closed)，開關sw2是打開(open)，且多路供應開關61供應電壓Vbgr時，單位緩衝器7接受電壓(Vbgr+Vt)，其中電壓Vt是電壓限制器3的臨界電壓。當開關sw1關閉，開關sw2是打開，且多路供應開關61供應電壓Vcc時，單位緩衝器7接受電壓(Vcc+Vt)。當開關sw1打開，開關sw2是關閉，單位緩衝器7可接受固定電壓(Vbgr或Vcc)×(1+R5/R6)。
本揭露之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本揭露之教示及揭示而作種種不背離本揭露精神之替換及修飾。因此，本揭露之保護範圍應不限於實施範例所揭示者，而應包括各種不背離本揭露之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
2‧‧‧電壓追蹤電路
3‧‧‧電壓限制器
21‧‧‧電壓產生裝置
22‧‧‧運算放大器
23‧‧‧電壓產生器
24‧‧‧接成二極體形式的裝置
211‧‧‧運算放大器
212‧‧‧電壓產生器
220‧‧‧回饋回路
221‧‧‧第一輸入端
222‧‧‧第二輸入端
223‧‧‧輸出端
231‧‧‧電晶體
232‧‧‧電阻
2111、2112‧‧‧輸入端
2113‧‧‧輸出端
2121‧‧‧電晶體
2311‧‧‧閘極端
2312、2313‧‧‧電極端
Ifb、Igate‧‧‧電流
R3、R4‧‧‧電阻
V1‧‧‧固定電壓
Vgate‧‧‧電壓
Vin‧‧‧電源
Vout‧‧‧源極電壓

Claims (10)

  1. 一種電壓追蹤電路，包含：一電壓產生裝置，提供一固定電壓；一第一運算放大器，包含一第一輸入端、一第二輸入端和一輸出端，該第一輸入端施加該固定電壓，該第二輸入端耦接一受保護電路模型；一第一電壓產生器，耦接該第一運算放大器的該輸出端和一限壓器，其中該限壓器耦接受保護裝置；以及一接成二極體形式的裝置，設置在一回饋回路上，該回饋回路連接該第一運算放大器的該第二輸入端和該第一電壓產生器。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之電壓追蹤電路，其中該第一電壓產生器包含一第一電晶體，該第一電晶體包含一閘極端和一第一端，其中該閘極端耦接該第一運算放大器的該輸出端，該第一端耦接該限壓器。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述之電壓追蹤電路，其中該第一電壓產生器包含兩串聯的電阻，其中該兩串聯的電阻和該第一電晶體串聯。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述之電壓追蹤電路，其中該電壓產生裝置包含一多路供應開關。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述之電壓追蹤電路，更包含一開關，其中該開關與該兩串聯的電阻中一者並聯。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述之電壓追蹤電路，更包含另一開關，其中該另一開關和該接成二極體形式的裝置並 聯。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述之電壓追蹤電路，其中該電壓產生裝置包含：一第二運算放大器，包含一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，其中該第一輸入端與一參考電壓源耦接；以及一第二電壓產生器，與該第二運算放大器的該第二輸入端和該輸出端耦接，以產生該固定電壓。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述之電壓追蹤電路，其中該第二電壓產生器包含一第二電晶體，該第二電晶體包含一閘極端和一電極端，其中該第二電晶體的閘極端耦接該第二運算放大器的該輸出端，該電極端耦接該第二運算放大器的該第二輸入端。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述之電壓追蹤電路，其中該第二電壓產生器包含兩串聯的可調式電阻。
  10. 根據申請專利範圍第2項所述之電壓追蹤電路，其中該第一電晶體的該第一端是正輸入端。
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