TWI428725B - 差動參考電壓產生器 - Google Patents

Description

差動參考電壓產生器

本發明是有關於一種差動參考電壓產生器，且特別是有關於一種可應用於類比數位轉換器的差動參考電壓產生器。

管線化類比數位轉換器(Pipelined Analog-to-Digital Converter)係為一多階段量化器(Muti-step Quantizer)，由數個類比數位轉換器相互疊接(Cascade-coupled)而成，且這些類比數位轉換器具有相同或是近似的結構。也就是說管線化類比數位轉換器含有數個階級，每個階級各自含有採樣保持電路(Sample and Hold Circuit)、數位類比轉換器(Digital-to-analog converter)，以及餘數放大器(Residue Amplifier)。此外，傳統的管線化類比數位轉換器會採用參考電壓驅動電路，來提供下級電路差動參考電壓。

差動參考電壓的穩定性會直接影響管線化類比數位轉換器的效能，因此需要一個精確的差動參考電壓來驅動各個階級的類比數位轉換器，使管線化類比數位轉換器能更精確的運作。然而，差動參考電壓的數值直接與電源供應電壓相關，倘若製程使電源供應電壓產生變化，差動參考電壓將隨之改變而無法穩定，使管線化類比數位轉換器的運作受到影響。

因此，需要一個新的差動參考電壓產生器，能夠持續地產生穩定的差動參考電壓，使管線化類比數位轉換器正常運作。

因此，本發明之一態樣是在提供一種差動參考電壓產生器，能夠在電源供應電壓發生變化時，仍然提供穩定且有力的差動參考電壓來驅動下一級的電路，使下一級的電路能夠正常地運作，維持正常的效能。

依據本發明之一實施例，差動參考電壓產生器係產生一第一差動參考電壓以及一第二差動參考電壓，此差動參考電壓產生器包含一第一運算放大器、一第一電晶體、一第一電阻以及一第二電阻。第一運算放大器具有一負輸入端以接收一參考電壓。第一電晶體具有一源極端以及一閘極端，源極端接收一電源供應電壓，閘極端電性連接第一運算放大器之一輸出端。第一電阻具有一第一端以及一第二端，第一端電性連接至第一電晶體之一汲極端，以輸出第一差動參考電壓，第二端電性連接至第一運算放大器之一正輸入端。第二電阻具有一第一端以及一第二端，第一端電性連接至第一電阻之第二端，第二端則電性連接至一電流鏡，以輸出第二參考電壓。

根據上述實施例，即使電源供應電壓因為製程等因素發生變化，差動參考電壓產生器仍然能提供穩定且有力的差動參考電壓來驅動下一級電路，確保下一級電路能夠正常地運作。

請參照第1圖，其係繪示本發明一實施方式差動參考電壓產生器之電路圖。差動參考電壓產生器100產生類比數位轉換器(Analog-to-Digital Converter)所需要的第一差動參考電壓以及第二差動參考電壓，例如產生管線化類比數位轉換器(Pipelined Analog-to-Digital Converter)所需要的差動參考電壓。差動參考電壓產生器100含有電壓產生電路101來產生差動參考電壓；差動參考電壓產生器100亦含有緩衝器單元103來增強差動參考電壓的驅動能力。

電壓產生電路101含有第一運算放大器105、第一電晶體109、第一電阻113、第二電阻115，以及電流鏡135。第一運算放大器105具有負輸入端(-)以接收參考電壓，例如接收半電源供應電壓1/2VDD，此半電源供應電壓1/2VDD為輸入至數位類比轉換器的共同電壓(Common voltage)。第一電晶體109可為一PMOS電晶體，此第一電晶體109具有源極端來接收電源供應電壓VDD，並具有閘極端電性連接第一運算放大器105之輸出端，來輸出第一差動參考電壓Vrpx。

第一電阻113具有第一端A以及第二端B，第一端A電性連接至第一電晶體109之汲極端，來輸出第一差動參考電壓Vrpx，第二端B電性連接至第一運算放大器105之正輸入端(+)與第二電阻115的第一端。第二電阻115另具有第二端C電性連接至電流鏡135，來提供並輸出第二差動參考電壓Vrnx，其中電流鏡135所提供的定電流會流經此第二電阻115的第二端C。

第一電阻113的電阻值與電壓降可相同或相異於第二電阻115的的電阻值與電壓降，但第一電阻113與第二電阻115個別的電壓降以及兩者的電壓降總和會保持為一常數。若需要產生對稱的差動參考電壓，則第一電阻113與第二電阻115的電阻值要相同，使第一電阻113上的電壓降等於第二電阻115上的電壓降，因此第一差動參考電壓Vrpx與第二差動參考電壓Vrnx的平均值會剛好等於半電源供應電壓，也就是1/2VDD。除了電阻值相同的狀況之外，第一電阻113的電阻值也可以與第二電阻115的電阻值相異。

在此一實施例的電壓產生電路101當中，由於虛短路效應(Intrinsic virtual short)，第一運算放大器105正輸入端(+)與負輸入端(-)上的電壓會相同，使得第二端點B上的電壓Vcmx(也就是共同電壓)會實質上等於半電源供應電壓1/2VDD。在這樣的電路架構之下，即使電源供應電壓VDD的數值會時常改變，第二端點B上的電壓會仍然會維持為電源供應電壓VDD的一半。

電流鏡135會複製定電流源107所產生的電流來提供定電流予第二電阻115。若第一電阻113與第二電阻115的電阻值不變，那麼第一電阻113與第二電阻115上的電壓降就會保持為常數。

電流鏡135內含第一電流鏡電晶體131與第二電流鏡電晶體111。更詳細地說，第一電流鏡電晶體131具有源極端耦接至接地端VSS，以及相互耦接的汲極端與閘極端來接收定電流源107所產生的電流，第二電流鏡電晶體111的汲極則耦接至第二電阻115的第二端C。

緩衝器單元103負責增強第一差動參考電壓Vrpx與第二差動參考電壓Vrnx的驅動能力，此緩衝器單元103含有第一緩衝器電路1031與第二緩衝器電路1032。在此一實施例當中，第一緩衝器電路1031與第二緩衝器電路1032的具有相同的電路架構，此兩緩衝器電路分別接收第一差動參考電壓Vrpx與第二差動參考電壓Vrnx，並輸出第一強化差動參考電壓Vrp與第二強化差動參考電壓Vrn。

第一緩衝器電路1031或第二緩衝器電路1032含有第二運算放大器117或是第二運算放大器119、第二電晶體121或是第二電晶體125，以及第三電晶體123或是第三電晶體127。第二運算放大器117/119具有負輸入端(-)來接收第一/第二差動參考電壓Vrpx/Vrnx。第二電晶體121/125具有源極端來接收電源供應電壓VDD，其閘極則電性連接第二運算放大器117/119之輸出端，汲極電性連接第二運算放大器117/119之正輸入端(+)，來輸出第一強化差動參考電壓Vrp或第二強化差動參考電壓Vrn。第三電晶體123/127之閘極端電性連接第一電阻113之第二端B，汲極端電性連接第二電晶體121/125之汲極，源極電性連接至接地端VSS。

此外，電阻串129的兩端分別接收第一強化差動參考電壓Vrp與第二強化差動參考電壓Vrn，然後產生包括共同電壓Vcm的數個電壓準位。電阻串129電性連接第二運算放大器117與第二運算放大器119的正輸入端(+)，此電阻串129含有許多串接電阻133。如第1圖所繪示，串接電阻133的兩端可分別提供數個端電壓。

在此一實施例當中，第一電晶體109與第二電晶體121/125為P通道電晶體，第三電晶體123/127則為N通道電晶體。

根據上述實施例，由差動參考電壓產生器所提供的共同電壓可隨著電源供應電壓改變而持續維持為電源供應電壓的一半，同時避免製程改變而影響兩差動參考電壓之間的電壓差距。此外，更可增強差動參考電壓的驅動能力，更有效率地驅動類比數位轉換器。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．差動參考電壓產生器

101．．．電壓產生電路

103．．．緩衝器單元

1031．．．第一緩衝器電路

1032．．．第二緩衝器電路

105．．．第一運算放大器

107．．．定電流源

109．．．第一電晶體

111．．．第二電流鏡電晶體

113．．．第一電阻

115．．．第二電阻

117．．．第二運算放大器

119．．．第二運算放大器

121．．．第二電晶體

123．．．第三電晶體

125．．．第二電晶體

127．．．第三電晶體

129．．．電阻串

131．．．第一電流鏡電晶體

133．．．串接電阻

135．．．電流鏡

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示本發明一實施方式的差動參考電壓產生器之電路圖。

100．．．差動參考電壓產生器

101．．．電壓產生電路

103．．．緩衝器單元

1031．．．第一緩衝器電路

1032．．．第二緩衝器電路

105．．．第一運算放大器

107．．．定電流源

109．．．第一電晶體

111．．．第二電流鏡電晶體

113．．．第一電阻

115．．．第二電阻

117．．．第二運算放大器

119．．．第二運算放大器

121．．．第二電晶體

123．．．第三電晶體

125．．．第二電晶體

127．．．第三電晶體

129．．．電阻串

131．．．第一電流鏡電晶體

133．．．串接電阻

135．．．電流鏡

Claims (4)

1. 一種差動參考電壓產生器，以產生一第一差動參考電壓以及一第二差動參考電壓，該差動參考電壓產生器包含：一第一運算放大器，具有一負輸入端以接收一參考電壓；一第一電晶體，具有：一源極端，以接收一電源供應電壓；以及一閘極端，電性連接該第一運算放大器之一輸出端；一第一電阻，具有：一第一端，電性連接至該第一電晶體之一汲極端，以輸出該第一差動參考電壓；以及一第二端，電性連接至該第一運算放大器之一正輸入端；一第二電阻，具有：一第一端，電性連接至該第一電阻之該第二端；以及一第二端，電性連接至一電流鏡，以輸出該第二差動參考電壓；以及複數個緩衝器電路，以分別加強該第一差動參考電壓與該第二差動參考電壓之驅動能力，各個緩衝器電路包含：一第二運算放大器，具有一負輸入端，以接收該第一差動參考電壓或該第二差動參考電壓； 一第二電晶體，具有：一源極端以接收該電源供應電壓；一閘極端，電性連接該第二運算放大器之一輸出端；以及一汲極端，電性連接該第二運算放大器之一正輸入端，以輸出一第一強化差動參考電壓或一第二強化差動參考電壓；以及一第三電晶體，具有：一閘極端，電性連接該第一電阻之該第二端；一汲極端，電性連接該第二電晶體之一汲極；以及一源極端，電性連接至一接地端。
2. 如請求項1所述之差動參考電壓產生器，其中該電流鏡係用以複製一定電流源所產生之電流，來提供一定電流予該第二電阻。
3. 如請求項2所述之差動參考電壓產生器，其中該電流鏡包含：一第一電流鏡電晶體，具有：一源極端，耦接至一接地端；以及一汲極端與一閘極端，該汲極端耦接至該閘極端並接收該定電流源所產生的電流；以及一第二電流鏡電晶體，具有： 一源極端，耦接至該接地端；一閘極端，耦接至該第一電流鏡電晶體之該閘極端；以及一汲極端，耦接至該第二電阻之該第二端。
4. 如請求項1所述之差動參考電壓產生器，其中該第一電晶體以及該第二電晶體為P通道電晶體，該第三電晶體則為N通道電晶體。