TW201444257A - 頻率偵側裝置 - Google Patents

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Abstract

一頻率偵測裝置包含：一定電流產生單元，用來提供一定電流予一電壓輸出端；一第一電容器，其係耦接於該電壓輸出端及一第一參考電壓之間；一第一電晶體，具有一第一連接端耦接至該電壓輸出端、一控制端耦接至一輸入訊號；一第二電容器，其係耦接於該第一電晶體之該第二連接端以及該第一參考電壓之間；一第二電晶體，具有一第一連接端耦接至該第一電晶體之該第二連接端、一第二連接端耦接至該第一參考電壓、一控制端耦接至一反相輸入訊號，其與該輸入訊號係彼此反相；其中該電壓輸出端之一電壓輸出會隨著該輸入訊號的一輸入訊號頻率而改變。

Description

頻率偵側裝置
本發明所揭露之實施例係相關於頻率偵測，尤指一種內部電壓輸出會隨著輸入訊號的輸入訊號頻率而改變的頻率偵測裝置。
隨著通訊系統的快速發展與省電的要求，許多電子設備在作業模式與待機模式中都必須考量功耗，尤其是可攜式裝置的電源管理設計更面臨了核心及輸入/輸出(I/O)電壓、電源管理與電池使用時間等方面的新挑戰。現今可攜式應用的同步降壓轉換器提供一省電運作模式，以維持整個負載範圍的高效率。其在輕度負載的情況下，轉換器以脈衝頻率調變(Pulse Frequency Modulation,PFM)模式運作，並在中度負載或重度負載時自動切換為脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)模式。習知的架構可能會需要偵測核心元件(core device)之外的元件(例如I/O元件)的電壓負載，因此較為耗電且需要較大的晶片面積。因此，在通訊系統中，如何更有效率地切換脈衝頻率調變與脈衝寬度調變，儼然已成為此領域中一個相當重要的議題。
本發明之目的之一在於提供一種內部電壓輸出會隨著輸入訊號的輸入訊號頻率而改變的頻率偵測裝置，以更有效率地於脈衝頻率調變與脈衝寬度調變間切換。
依據本發明之一第一實施例，其係提供一種頻率偵測裝置。該頻率偵測裝置包含有一定電流產生單元、一第一電容器、一第一電晶體、一第二電容器以及一第二電晶體。其中該定電流產生單元係用來提供一定電流予 一電壓輸出端；該第一電容器係耦接於該電壓輸出端以及一第一參考電壓之間；該第一電晶體具有一第一連接端、一控制端以及一第二連接端，其中該第一連接端係耦接至該電壓輸出端，且該控制端係耦接至一輸入訊號；該第二電容器係耦接於該第一電晶體之該第二連接端以及該第一參考電壓之間；以及該第二電晶體具有一第一連接端、一控制端以及一第二連接端，其中該第二電晶體之該第一連接端係耦接至該第一電晶體之該第二連接端，該第二電晶體之該第二連接端係耦接至該第一參考電壓，且該第二電晶體之該控制端係耦接至一反相輸入訊號，其中該反相輸入訊號與該輸入訊號係彼此反相；其中該電壓輸出端之一電壓輸出會隨著該輸入訊號的一輸入訊號頻率而改變。
依據本發明之一第二實施例，其係提供一種頻率偵測裝置。該頻率偵測裝置包含有一定電流產生單元以及一頻率-電壓轉換單元。其中該定電流產生單元係用來提供一定電流予一電壓輸出端；該頻率-電壓轉換單元係用來接收一輸入訊號、一反相輸入訊號與該定電流，並根據該輸入訊號、該反相輸入訊號與該定電流而於一電壓輸出端產生一電壓輸出；其中該電壓輸出端之該電壓輸出係與該輸入訊號的該輸入訊號頻率具有一預定比例關係。
本發明所提出的頻率偵測裝置可不需要偵測核心元件之外的元件的電壓負載，並可自動地判斷何時應將脈衝頻率調變轉換為脈衝寬度調變，以發揮更高的效率且減少能源的浪費。換句話說，本發明所提出的頻率偵測裝置能延長多功能可攜式應用的電池使用時間，而且耗能與散熱更少。
100、200‧‧‧頻率偵測裝置
102、202‧‧‧定電流產生單元
104、204‧‧‧頻率-電壓轉換單元
106、206‧‧‧比較器
1022、1032‧‧‧電阻
1024、1026、1028、1044、1048‧‧‧電晶體
1030‧‧‧放大器
1042、1046‧‧‧電容
第1圖為依據本發明之一頻率偵測裝置的一實施例的示意圖。
第2圖為依據本發明之一頻率偵測裝置的另一實施例的示意圖。
請參考第1圖，第1圖為依據本發明之一頻率偵測裝置100的一實施例的示意圖，其中頻率偵測裝置100包含有一定電流產生單元102、一頻率-電壓轉換單元104以及一比較器106。定電流產生單元102係用來提供一定電流Itotal予頻率-電壓轉換單元104的一電壓輸出端Nout；而頻率-電壓轉換單元104係用來接收一輸入訊號S PFM 、一反相輸入訊號與定電流Itotal，其中輸入訊號S PFM 與反相輸入訊號彼此反相；而頻率-電壓轉換單元104並根據輸入訊號S PFM 、反相輸入訊號與定電流Itotal而於電壓輸出端Nout產生一電壓輸出Vout，且電壓輸出Vout會隨著輸入訊號S PFM 的一輸入訊號頻率f而改變；比較器106具有一第一輸入端(+)以及一第二輸入端(-)，其中第一輸入端(+)係耦接至電壓輸出端Nout，而第二輸入端(-)係耦接至對應一預定頻率fpd之一預定電壓Vpd，其中比較器106係用來判斷輸入訊號S PFM 之輸入訊號頻率f是否超過預定頻率fpd。
進一步而言，定電流產生單元102包含有一第一電阻1022、一第一電晶體1024、一第二電晶體1026、一第三電晶體1028、一放大器1030以及一第二電阻1032。第一電阻1022具有一電阻值R耦接於一第二參考電壓V2以及該電壓輸出端之間；第一電晶體1024具有一第一連接端、一控制端以及一第二連接端，其中該第一連接端係耦接至電壓輸出端Nout，該第二連接端係耦接至第二參考電壓V2；第二電晶體1026具有一第一連接端、一控制端以及一第二連接端，其中第二電晶體1026之該第一連接端係耦接至第一電晶體1024之該控制端與第二電晶體1026之該控制端，以及第二電晶體1026之該第二連接端係耦接至第二參考電壓V2；第三電晶體1028具有一第一連接端、一控制端以及一第二連接端，其中第三電晶體1028之該第一連接端係耦接至第二電晶體1026之該第一連接端。放大器1030具有一正相輸入端(+)、一反相輸入端(-)以及一輸出端，其中正相輸入端(+)係耦接至電 壓輸出端Nout，該反相輸入端(-)係耦接至第三電晶體1028之該第二連接端，且該輸出端係耦接至第三電晶體1028之該控制端。此外，第二電阻1032可具有和第一電阻1022的電阻值R相同的電阻值，且耦接於第三電晶體1028之該第二連接端以及第一參考電壓V1(在本實施例中第一參考電壓為接地)之間。應注意的是，於實務上，本實施例中的電晶體可以使用任何能夠達到類似於開關的設計，且這些設計上的變化都屬於本發明的範疇，舉例來說，本實施例中的電晶體可以係金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)，而電晶體的第一連接端、控制端以及第二連接端可以分別係汲極端(drain terminal)、閘極端(gate terminal)以及源極端(source terminal)。
放大器1030之輸出端耦接至第三電晶體1028之控制端，放大器1030之正相輸入端(+)接收由電壓輸出端Nout產生之電壓輸出Vout，以及放大器1030之反相輸入端(-)係輸出一輸出電壓Vout，並耦接至電阻1032，使輸 出電壓Vout經電阻1032而產生一控制電流I(亦即)。另外，本實施例 中的電晶體1024和電晶體1026可具有同樣的寬長比(aspect ratio)設計，因此透過電流鏡電路的架構可以得到電晶體1024會產生和電晶體1026同樣的控制電流I，定電流產生單元1022會提供定電流Itotal予頻率-電壓轉換單元104之該電壓輸出端，因此，整體的定電流Itotal可表示如下：
也就是說，定電流Itotal的值係一固定值，且不會受到頻率-電壓轉換單元104之電壓輸出端Nout的電壓輸出Vout的影響。應注意的是，定電流產生單元102的詳細操作並非本發明的重點，熟習此領域者應能在參考以上說明以及方程式(1)之後輕易地了解定電流產生單元102的原理，故在此不對定電流產生單元102的實施細節多做贅述，此外定電流產生單元102的設計 (例如電晶體1024和1026的寬長比)在此僅為說明用途，實務上任何其他能夠達到相同目的的設計或是變化，都屬於本發明的範疇。
頻率-電壓轉換單元104包含有一第一電容器1042、一第一電晶體1044、一第二電容器1046以及一第二電晶體1048。第一電容器1042具有一電容值C1，且耦接於電壓輸出端Nout以及第一參考電壓V1之間；第一電晶體1044具有一第一連接端、一控制端以及一第二連接端，其中該第一連接端係耦接至電壓輸出端Nout，且該控制端係耦接至輸入訊號S PFM ；第二電容器1046具有一電容值C2，且耦接於該第一電晶體之該第二連接端以及第一參考電壓V1之間；第二電晶體1048具有一第一連接端、一控制端以及一第二連接端，其中第二電晶體1048之該第一連接端係耦接至第一電晶體1044之該第二連接端，第二電晶體1048之該第二連接端係耦接至第一參考電壓V1，且第二電晶體1048之該控制端係耦接至反相輸入訊號。在此實施例中，輸入訊號S PFM 係脈衝頻率調變的一輸出訊號，其頻率為輸入訊號頻率f。
以下將詳細說明本發明頻率偵測裝置100之操作原理。請參閱第1圖，頻率-電壓轉換單元104中的第一電晶體1044係依據輸入訊號S PFM 來決定第一電晶體1044的導通與否；而第二電晶體1048係依據反相輸入訊號來決定第二電晶體1048的導通與否，因此，頻率-電壓轉換單元104的操作可分為兩個階段，在第一階段時，輸入訊號S PFM 為邏輯0，反相輸入訊號為邏輯1，第一電晶體1044為關閉狀態，第二電晶體1048為導通狀態。此時，定電流Itotal對電容1042的充電狀態如下：
其中，V1為電容1042上所增加之電壓，以及f為輸入訊號S PFM 與反相輸入訊號之訊號頻率。
在第二階段時，輸入訊號S PFM 為邏輯1，反相輸入訊號為邏輯0，第一電晶體1044為導通狀態，第二電晶體1048為關閉狀態。由於第一電晶體10442被導通，第二電容1046與第一電容1042將發生電荷共享(charge sharing)效應，而相關之推導式如下所示：
其中，Vx為電容1046上受電荷共享效應影響下所減少之電壓。
因此，在第二階段時，定電流Itotal對第一電容1042的充電狀態可表示為：
其中，V2為在第二階段時，第二電容1046上所增加之電壓。
由於第一階段與第二階段會不斷的重複，因此可以假設：
所以，頻率-電壓轉換單元104之電壓輸出端Nout的電壓輸出Vout可推得如下：
又，控制電流I與電壓輸出Vout之間的關係示如下所示：
結合方程式(6)與方程式(7)，可推得輸入訊號S PFM 與反相輸入訊號的訊號頻率f為：
亦可表示為：
換句話說，頻率-電壓轉換單元104之電壓輸出端Nout之電壓輸出Vout係與輸入訊號S PFM 的輸入訊號頻率f成反比，也就是輸入訊號S PFM 的輸入訊號頻率f越高，電壓輸出端Nout之電壓輸出Vout則會越小。
當經由脈衝頻率調變所產生的輸入訊號S PFM 的輸入訊號頻率f越來越高時，為了整體的調變效率，把脈衝頻率調變切換為脈衝寬度調變會是一個比較節省整體功率消耗的做法，在此實施例中，我們可以利用頻率-電壓轉換單元104之電壓輸出端Nout之電壓輸出Vout來判斷輸入訊號頻率f的大小，例如預先設定一預定頻率fpd，當輸入訊號S PFM 的輸入訊號頻率f超過預定頻率fpd時，便把脈衝頻率調變切換為脈衝寬度調變，因此可利用方程式(9)來得到相對應於預定頻率fpd的一預定電壓Vpd，並且使用比較器106來將電壓輸出Vout與預定電壓Vpd進行比較，當電壓輸出Vout越來越低，且低於預定電壓Vpd時，則比較器106會產生邏輯1至邏輯0的變化，藉此來控制脈衝頻率調變切換至脈衝寬度調變。
應注意的是，以上所述僅為本發明頻率偵測裝置的一實施例細節，實務上任何其他能夠達到相同目的的設計或是變化，都屬於本發明的範疇。請參考第2圖，第2圖為依據本發明之一頻率偵測裝置200的一實施例的示意圖，其中頻率偵測裝置200包含有一定電流產生單元202、一頻率-電壓轉換單元204以及一比較器106。定電流產生單元102係用來提供一定電 流Itotal予頻率-電壓轉換單元204的一電壓輸出端；而頻率-電壓轉換單元204係用來接收一輸入訊號、一反相輸入訊號與定電流Itotal，其中輸入訊號與反相輸入訊號彼此反相；而頻率-電壓轉換單元104會根據輸入訊號、反相輸入訊號與定電流Itotal而於該電壓輸出端產生一電壓輸出Vout，且電壓輸出Vout會隨著該輸入訊號的一輸入訊號頻率f而改變；比較器106具有一第一輸入端(+)以及一第二輸入端(-)，其中第一輸入端(+)係耦接至該電壓輸出端，而第二輸入端(-)係耦接至對應一預定頻率fpd之一預定電壓Vpd，其中比較器106係用來判斷輸入訊號之輸入訊號頻率f是否超過預定頻率fpd。在此實施例中，頻率偵測裝置200中的頻率-電壓轉換單元204的電路架構可以不同於頻率-電壓轉換單元104，只要頻率-電壓轉換單元204的輸出端的電壓係與頻率-電壓轉換單元204的輸入訊號的頻率具有一預定比例關係，即符合本發明的精神。
綜上所述，本發明所提出的頻率偵測裝置可以利用偵測頻率變化的方式來對執行訊號處理的模組進行控制，舉例來說，頻率偵測裝置100/200可不需要偵測核心元件之外的元件的電壓負載，且可自動地藉由偵測輸入訊號的頻率來判斷何時應將脈衝頻率調變轉換為脈衝寬度調變，使其發揮更高的效率且減少能源的浪費。換句話說，本發明所提出的頻率偵測裝置能延長多功能可攜式應用的電池使用時間，而且耗能與散熱更少。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，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。
100‧‧‧頻率偵測裝置
102‧‧‧定電流產生單元
104‧‧‧頻率-電壓轉換單元
106‧‧‧比較器
1022、1032‧‧‧電阻
1024、1026、1028、1044、1048‧‧‧電晶體
1030‧‧‧放大器
1042、1046‧‧‧電容

Claims (10)

  1. 一種頻率偵測裝置，包含有：一定電流產生單元，用來提供一定電流予一電壓輸出端；一第一電容器，耦接於該電壓輸出端以及一第一參考電壓之間；一第一電晶體，具有一第一連接端、一控制端以及一第二連接端，其中該第一連接端係耦接至該電壓輸出端，且該控制端係耦接至一輸入訊號；一第二電容器，耦接於該第一電晶體之該第二連接端以及該第一參考電壓之間；以及一第二電晶體，具有一第一連接端、一控制端以及一第二連接端，其中該第二電晶體之該第一連接端係耦接至該第一電晶體之該第二連接端，該第二電晶體之該第二連接端係耦接至該第一參考電壓，且該第二電晶體之該控制端係耦接至一反相輸入訊號；其中該電壓輸出端之一電壓輸出會隨著該輸入訊號的一輸入訊號頻率而改變。
  2. 如申請權利範圍第1項所述的頻率偵測裝置，其中該電壓輸出端之該電壓輸出係與該輸入訊號的該輸入訊號頻率成反比。
  3. 如申請權利範圍第1項所述的頻率偵測裝置，另包含有：一比較器，具有一第一輸入端以及一第二輸入端，其中該第一輸入端係耦接至該電壓輸出端，而該第二輸入端係耦接至對應一預定頻率之一預定電壓；其中該比較器係用來判斷該輸入訊號之該輸入訊號頻率是否超過該預定頻率。
  4. 如申請權利範圍第1項所述的頻率偵測裝置，其中該定電流產生單元包含有：一第一電阻，耦接於一第二參考電壓以及該電壓輸出端之間；一第一電晶體，具有一第一連接端、一控制端以及一第二連接端，其中該第一連接端係耦接至該電壓輸出端，該第二連接端係耦接至該第二參考電壓；一第二電晶體，具有一第一連接端、一控制端以及一第二連接端，其中該第二電晶體之該第一連接端係耦接至該第一電晶體之該控制端與該第二電晶體之該控制端，以及該第二電晶體之該第二連接端係耦接至該第二參考電壓；一第三電晶體，具有一第一連接端、一控制端以及一第二連接端，其中該第三電晶體之該第一連接端係耦接至該第二電晶體之該第一連接端；一放大器，具有一正相輸入端、一反相輸入端以及一輸出端，其中該正相輸入端係耦接至該電壓輸出端，該反相輸入係耦接至該第三電晶體之該第二連接端，且該輸出端係耦接至該第三電晶體之該控制端；以及一第二電阻，耦接於該第三電晶體之該第二連接端以及該第一參考電壓之間。
  5. 如申請權利範圍第1項所述的頻率偵測裝置，其中該輸入訊號係為執行一脈衝頻率調變程序的一調變單元所輸出之一脈衝頻率調變(Pulse Frequency Modulation,PFM)訊號。
  6. 一種頻率偵測裝置，包含有： 一定電流產生單元，用來提供一定電流予一電壓輸出端；以及一頻率-電壓轉換單元，用來接收一輸入訊號、一反相輸入訊號與該定電流，並根據該輸入訊號、該反相輸入訊號與該定電流而於一電壓輸出端產生一電壓輸出；其中該電壓輸出係與該輸入訊號的一輸入訊號頻率具有一預定比例關係。
  7. 如申請權利範圍第6項所述的頻率偵測裝置，其中該預定比例關係係為一反比關係。
  8. 如申請權利範圍第6項所述的頻率偵測裝置，另包含有：一比較器，具有一第一輸入端以及一第二輸入端，其中該第一輸入端係耦接至該電壓輸出端，而該第二輸入端係耦接至對應一預定頻率之一預定電壓；其中該比較器係用來判斷該輸入訊號之該輸入訊號頻率是否超過該預定頻率。
  9. 如申請權利範圍第6項所述的頻率偵測裝置，其中該定電流產生單元包含有：一第一電阻，耦接於一參考電壓以及該電壓輸出端之間；一第一電晶體，具有一第一連接端、一控制端以及一第二連接端，其中該第一連接端係耦接至該電壓輸出端，該第二連接端係耦接至該參考電壓；一第二電晶體，具有一第一連接端、一控制端以及一第二連接端，其中該第二電晶體之該第一連接端係耦接至該第一電晶體之該控制端與該第二電晶體之該控制端，以及該第二電晶體之該第二連接端 係耦接至該參考電壓；一第三電晶體，具有一第一連接端、一控制端以及一第二連接端，其中該第三電晶體之該第一連接端係耦接至該第二電晶體之該第一連接端；一放大器，具有一正相輸入端、一反相輸入端以及一輸出端，其中該正相輸入端係耦接至該電壓輸出端，該反相輸入係耦接至該第三電晶體之該第二連接端，且該輸出端係耦接至該第三電晶體之該控制端；以及一第二電阻，耦接於該第三電晶體之該第二連接端以及另一參考電壓之間。
  10. 如申請權利範圍第6項所述的頻率偵測裝置，其中該輸入訊號係為執行一脈衝頻率調變程序的一調變單元所輸出之一脈衝頻率調變(Pulse Frequency Modulation,PFM)訊號。
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