TWI401889B - 產生一可調整直流斜度之電壓產生系統及其方法 - Google Patents

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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

Description

產生一可調整直流斜度之電壓產生系統及其方法
本發明係關於一種電壓產生系統，尤指一種用來產生一可調整直流斜度(DC slope)之電壓產生系統及其方法。
參考電壓是依據一外部供應電壓所產生的電壓，而穩定的參考電壓一般都是利用電阻分壓電路(resistor divider circuit)來產生之，這種透過電阻分壓電路所產生之參考電壓是屬於該外部供應電壓的一部分分壓，但是該參考電壓的大小卻總是跟外部供應電壓密不可分。
請參照第1圖，第1圖係為先前技術中一電阻分壓電路100之示意圖。電阻分壓電路100包含有一第一分壓電阻R11以及一第二分壓電阻R12，兩者係串聯方式(in series)耦接在一起，其中第一分壓電阻R11係接收一外部供應電壓Vext，而第二分壓電阻R12則係耦接於一接地端。如第1圖所示，輸出電壓Vout等效於跨在第二分壓電阻R12兩端之電壓差，因此，可以透過改變第一分壓電阻R11及/或第二分壓電阻R12的電阻值來調整輸出電壓Vout的大小，舉例來說，如果第一分壓電阻R11的電阻值等於第二分壓電阻R12的電阻值(亦即，R11=R12)，則輸出電壓Vout的大小會等於外部供應電壓Vext的一半(亦即，)。
雖然電阻分壓電路100所產生的參考電壓(亦即，輸出電壓Vout)總是跟外部供應電壓Vext密不可分(例如，Vout=m×Vext)，但是這種密切的關係並不見得是必要的。舉例來說，當一參考電壓是用來作為一超頻(over-clocking)電路之參考基準時，則所需要的輸出電壓應為該外部供應電壓的一特定比率(例如，梯度m)，且該特定比率係可視實際需求來調整之。然而，電阻分壓電路100所能產生之輸出電壓Vout的梯度(gradient)卻會受到限制，因此電阻分壓電路100所產生之輸出電壓Vout的梯度永遠都跟外部供應電壓Vext的梯相同。舉例而言，上述所定義之梯度m是固定的，且Y軸截距(intercept)永遠是零。
因此，本發明的主要之目的之一即在於提供一種可以產生與外部供應電壓較少的相關性(slight dependence)之參考電壓的電壓產生系統，且其直流斜度係為可調整。
因此，本發明的主要之目的之一在於提供一種產生一可調整直流斜度(DC slope)之電壓產生系統及其方法，以解決上述之問題。
於本發明之一實施例中，係提供一種產生一可調整直流斜度之電壓產生系統。該電壓系統包含有一第一級電路、一第二級電路以及一第三級電路。該第一級電路係用來接收一個不會隨著製程、電壓、溫度的變化而改變之參考電壓，並產生一個與外部供應電壓無關之電壓獨立電流。該第二級電路係耦接於該第一級電路，用來產生一個與該外部供應電壓有關之電壓相關電流，並根據該電壓相關電流以及該電壓獨立電流之電流總和來產生一斜度電壓。該第三級電路係耦接於該第二級電路，用來調變該斜度電壓以產生一調變後斜度電壓，並利用該調變後斜度電壓來產生該可調整直流斜度。於一實施例中，係可將該調變後斜度電壓指定在一特定點來產生該可調整直流斜度。
於本發明之另一實施例中，係提供一種產生一可調整直流斜度之方法。該方法包含以下步驟：接收一個不會隨著製程、電壓、溫度的變化而改變之參考電壓；產生一個與一外部供應電壓無關之電壓獨立電流；產生一個與該外部供應電壓有關之電壓相關電流；根據該電壓相關電流以及該電壓獨立電流之電流總和來產生一斜度電壓；調變該斜度電壓以產生一調變後斜度電壓；以及利用該調變後斜度電壓來產生該可調整直流斜度。
本發明採用一個新的架構來產生一直流斜度(DC slope)，且該直流斜度可以具有任何的Y軸截距(b)以及任何的正梯度(m)，意即：Y=mX+b，m>0。
請參照第2圖，第2圖係為本發明根據一外部供應電壓來產生 可調整直流斜度之一電壓產生系統200之一實施例的示意圖。如第2圖所示，電壓產生系統200包含有三級電路，分別為：一第一級電路210、一第二級電路220以及一第三級電路230。請注意，為簡潔起見，後續說明書中所提到的場效電晶體皆係以P型場效電晶體為例來進行說明，然而，此並非本發明之限制條件，熟知此項技藝人士應可了解，只要能達到本發明之目地的任何型式的場效電晶體皆落入本發明所涵蓋之精神。
請繼續參考第2圖，第一級電路210係包含一封閉環路(closed loop)，且該封閉環路係用來產生一個與外部供應電壓Vext無關(voltage-independent)之一電壓獨立電流I2。該封閉環路係由一第一運算放大器240耦接至一第一第一場效電晶體P1以及一第一電阻R1所構成。此外，該封閉環路另耦接至一第二場效電晶體P2以及一第二電阻R2，且第二場效電晶體P2以及一第二電阻R2係以串聯方式(in serise)耦接在一起來組成一電流鏡(current mirror)250。
其中，第一運算放大器240具有一正輸入端241、一負輸入端242以及一輸出端243，且負輸入端242係用來接收一個不會隨著製程、電壓、溫度的變化而改變(PVT-insensitive)之參考電壓Vref，而正輸入端241則係耦接於第一場效電晶體P1以及第一電阻R1。第一場效電晶體P1具有一控制端211、一第一端212以及一第二端213，控制端211係耦接於第一運算放大器240之輸出端243，第一端212係耦接於外部供應電壓Vext，而第二端213則係用來將一回 授電壓VFB 回饋至第一運算放大器240之正輸入端241。換言之，一個不會隨著製程、電壓、溫度的變化而改變(PVT-insensitive)之參考電壓Vref係先輸入至第一運算放大器240並接著流過第一場效電晶體P1，因此，流過第一電阻R1之一第一電流I1會等於將參考電壓Vref除以第一電阻R1之電阻值所得到的數值(亦即，I1=Vref/R1)。另外，第一場效電晶體P1之第二端213所輸出的回授電壓VFB 會回饋至第一運算放大器240之正輸入端241。而由第二場效電晶體P2以及第二電阻R2所組成的電流鏡250則會鏡射流過第一電阻R1之第一電流I1以產生與外部供應電壓Vext無關之電壓獨立電流I2，並將電壓獨立電流I2輸出至第二級電路220。
接著，第二級電路220係耦接於第一級電路210，並用來產生一直流斜度(DC slope)，且此直流斜度係與外部供應電壓Vext相關(voltage-dependent)。再者，由第一級電路210所產生之電壓獨立電流I2亦會由第二級電路220所接收。另外，第二級電路220所產生之一斜度電壓V1係與第三電阻R3有關且可由第三電阻R3的電阻值來決定之，也就是說，流經第三電阻R3所產生之電壓相關電流I3係與外部供應電壓Vext相關(voltage-dependent)。如此一來，第二級電路220所輸出的電流I4即為電壓獨立電流I2以及電壓相關電流I3的電流總合(亦即，I4=I2+I3)。假設第三電阻R3的電阻值係為無限大，則流經第三電阻R3所產生之電壓相關電流I3幾乎為零，此時斜度電壓V1等於參考電壓Vref。因此，可藉由第二級電路220來產生斜度相關性。換言之，可透過改變第三電阻R3 之電阻值來調整該直流斜度，來使得所產生之該直流斜度係與外部供應電壓Vext呈現密切相關或者毫不相關。而上述之斜度電壓V1係可由下列式子來表示之： 請繼續參考第2圖，第三級電路230係用來調變(例如，放大)該斜度電壓V1，且用來產生Y軸截距(亦即該斜線與原點相距之截距)。如第2圖所示，第三級電路230包含有一第二運算放大器260、一第三場效電晶體P3、一第四電阻R4以及一第五電阻R5。其中，第二運算放大器260具有一正輸入端261、一負輸入端262以及一輸出端263，第二運算放大器260之負輸入端262係用來接收斜度電壓V1，並調變(放大)斜度電壓V1以於第二運算放大器260之輸出端263產生該調變後斜度電壓V2。另外，第三場效電晶體P3亦具有一控制端231、一第一端232以及一第二端233，且第三場效電晶體P3之控制端231係耦接於第二運算放大器之該輸出端263，而第三場效電晶體P3之第一端232係耦接於外部供應電壓Vext。再者，第三級電路230另包含一第四電阻R4以及一第五電阻R5，第四電阻R4與第五電阻R5係以串聯方式耦接在一起，其中第四電阻R4係耦接於第三場效電晶體P3之第二端233以及第二運算放大器260之正輸入端261之間，而第五電阻R5則係耦接於第四電阻R4以及該接地端之間。此外，可將位於第四電阻R4以及第五 電阻R5之間的該特定點指定為輸出電壓Vout，則該特定點係表示該斜度與該原點相交之處。請注意，上述之輸出電壓Vout係可根據下列式子來表示之： 另外，亦可將上述之式子(2)展開，以根據下列式子來表示之： 從上述之式子(3)可得知，所產生之梯度m係可表示為： 以及Y軸截距b係可表示為： 綜上所述，由上述之各式子可得知，可透過改變第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4以及第五電阻R5的電阻值來調整梯度m以及Y軸截距b，以允許一斜度電壓的直流斜度可以具有任何正梯度(positive gradient)以及任何的正Y軸截距。尤其在高速模式下本發明所揭露之電壓產生系統會更為有用的，且其中間電壓可透 過任何一特定點來產生之。
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‧‧‧電阻分壓電路
R11‧‧‧第一分壓電阻
R12‧‧‧第二分壓電阻
Vext‧‧‧外部供應電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
200‧‧‧電壓產生系統
210‧‧‧第一級電路
220‧‧‧第二級電路
230‧‧‧第三級電路
240‧‧‧第一運算放大器
250‧‧‧電流鏡
260‧‧‧第二運算放大器
P1、P2、P3‧‧‧場效電晶體
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧第三電阻
R4‧‧‧第四電阻
R5‧‧‧第五電阻
241、261‧‧‧正輸入端
242、262‧‧‧負輸入端
243、263‧‧‧輸出端
211、231‧‧‧控制端
212、232‧‧‧第一端
213、233‧‧‧第二端
VFB ‧‧‧回授電壓
I1‧‧‧第一電流
I2‧‧‧電壓獨立電流
I3‧‧‧電壓相關電流
I4‧‧‧電流總合
V1‧‧‧斜度電壓
V2‧‧‧調變後斜度電壓
第1圖係為先前技術中一電阻分壓電路之示意圖。
第2圖係為本發明根據一外部供應電壓來產生可調整直流斜度之一電壓產生系統之一實施例的示意圖。
200．．．電壓產生系統
210．．．第一級電路
220．．．第二級電路
230．．．第三級電路
240．．．第一運算放大器
250．．．電流鏡
260．．．第二運算放大器
P1、P2、P3．．．場效電晶體
R1．．．第一電阻
R2．．．第二電阻
R3．．．第三電阻
R4．．．第四電阻
R5．．．第五電阻
241、261．．．正輸入端
242、262．．．負輸入端
243、263．．．輸出端
211、231．．．控制端
212、232．．．第一端
213、233．．．第二端
Vext．．．外部供應電壓
Vout．．．輸出電壓
VFB ．．．回授電壓
I1．．．第一電流
I2．．．電壓獨立電流
I3．．．電壓相關電流
I4．．．電流總合
V1．．．斜度電壓
V2．．．調變後斜度電壓

Claims (8)

  1. 一種產生一可調整直流斜度(DC slope)之電壓產生系統，包含有：一第一級電路，用來接收一個不會隨著製程、電壓、溫度的變化而改變(PVT-insensitive)之參考電壓，並產生一個與外部供應電壓無關(voltage-independent)之電壓獨立電流；一第二級電路，耦接於該第一級電路，用來產生一個與該外部供應電壓有關(voltage-dependent)之電壓相關電流，並根據該電壓相關電流以及該電壓獨立電流之電流總和來產生一斜度電壓；以及一第三級電路，耦接於該第二級電路用來調變該斜度電壓以產生一調變後斜度電壓，並利用該調變後斜度電壓來產生該可調整直流斜度。
  2. 如專利申請範圍第1項所述之電壓產生系統，其中該第一級電路包含有：一第一運算放大器(operational amplifier)，具有一正輸入端、一負輸入端以及一輸出端，該負輸入端係用來接收不會隨著製程、電壓、溫度的變化而改變之該參考電壓；一第一場效電晶體(FET)，具有一控制端、一第一端以及一第二端，該控制端係耦接於該第一運算放大器之該輸出端，該第一端係耦接於該外部供應電壓，以及該第二端係用來將一 回授電壓回饋至該第一運算放大器之該正輸入端；一第一電阻，耦接於該第一場效電晶體之該第二端以及一接地端之間，用來根據該第一場效電晶體之該回授電壓來產生一第一電流；以及一電流鏡(current mirror)，用來鏡射流過該第一電阻之該第一電流以產生與該外部供應電壓無關之該電壓獨立電流，並輸出該電壓獨立電流至該第二級電路。
  3. 如專利申請範圍第2項所述之電壓產生系統，其中該電流鏡包含有：一第二場效電晶體，具有一控制端、一第一端以及一第二端，該第二場效電晶體之該控制端係耦接於該第一場效電晶體之該控制端，以及該第二場效電晶體之該第一端係耦接於該外部供應電壓；以及一第二電阻，耦接於該第二場效電晶體之該第二端以及該接地端之間，用來輸出與該外部供應電壓無關之該電壓獨立電流至該第二級電路。
  4. 如專利申請範圍第1項所述之電壓產生系統，其中該第二級電路包含有：一第三電阻，耦接於外部供應電壓以及該第一級電路之一輸出端之間，用來產生與該外部供應電壓有關之該電壓相關電流，並根據該電壓相關電流以及該電壓獨立電流之總和來產生該 斜度電壓。
  5. 如專利申請範圍第1或4項所述之電壓產生系統，其中該第三級電路包含有：一第二運算放大器，具有一正輸入端、一負輸入端以及一輸出端，該第二運算放大器之該負輸入端係用來接收該斜度電壓，並調變該斜度電壓以於該第二運算放大器之該輸出端產生該調變後斜度電壓；一第三場效電晶體，具有一控制端、一第一端以及一第二端，該之該控制端係耦接於該第二運算放大器之該輸出端，該第一端係耦接於該外部供應電壓；一第四電阻，耦接於該第三場效電晶體之該第二端以及該第二運算放大器之該正輸入端之間；以及一第五電阻，該第四電阻與該第五電阻係以串聯方式耦接在一起，且該第五電阻係耦接於該第四電阻以及該接地端之間；其中，該可調整直流斜度係透過將該調變後斜度電壓指定為位於該第四電阻以及該第五電阻之間的該特定點來產生之。
  6. 一種產生一可調整直流斜度(DC slope)之方法，包含有以下步驟：接收一個不會隨著製程、電壓、溫度的變化而改變之參考電壓；產生一個與一外部供應電壓無關之電壓獨立電流；產生一個與該外部供應電壓有關之電壓相關電流； 根據該電壓相關電流以及該電壓獨立電流之電流總和來產生一斜度電壓；調變該斜度電壓以產生一調變後斜度電壓；以及利用該調變後斜度電壓來產生該可調整直流斜度。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中產生與該外部供應電壓無關之電壓獨立電流的步驟包含有：利用一第一場效電晶體來產生一回授電壓，並將該回授電壓回饋至一第一運算放大器之一正輸入端；利用一第一電阻以根據該回授電壓來產生一第一電流；以及利用一電流鏡來鏡射該第一電流，以產生與該外部供應電壓無關之該電壓獨立電流。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中利用該調變後斜度電壓來產生該可調整直流斜度的步驟包含有：利用一第二運算放大器來接收該斜度電壓，並調變該斜度電壓以於該第二運算放大器之輸出端產生該調變後斜度電壓；將一第三場效電晶體耦接至該第二運算放大器之輸出端；將一第四電阻與一第五電阻係以串聯方式耦接在一起，且該第四電阻係耦接於該第三場效電晶體以及該第二運算放大器之間，以及該第五電阻係耦接於該第四電阻以及該接地端之間；以及將該調變後斜度電壓指定為位於該第四電阻以及該第五電阻之 間的該特定點，以產生該可調整直流斜度。
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