TWI474620B - 參考電壓穩定裝置及相關的電壓穩定方法 - Google Patents

Description

參考電壓穩定裝置及相關的電壓穩定方法

本發明涉及一種電子裝置，尤指一種電壓穩定裝置。

在電路設計中，經常需要將穩定的參考電壓提供至各個電路區塊，以使各個電路區塊能夠正常運作。電路區塊可以包含有主動元件及/或被動元件，當參考電壓耦接至電路區塊時，電路區塊可能會自參考電壓處汲取電流或輸出電流而造成參考電壓的抖動(或稱為突波，glitch)，因此，電路區塊需要等待一段時間，至參考電壓穩定後才能依據參考電壓進行後續的運作，而限制了電路區塊的運作速率。所謂穩定，是指參考電壓已經適合讓電路區塊用以參考而進行運作。

因此，為了降低突波的影響，實作上經常會將參考電壓耦接至電壓緩衝器(voltage buffer)，藉由較高驅動能力(driving capability)的電壓緩衝器來驅動電路區塊，而向電路區塊(以下簡稱負載)提供穩定的參考電壓。例如，在電路設計中採用單位增益的放大器(unity gain amplifier)等方式實施的電壓緩衝器。

然而，當負載的阻抗值變大或是用以驅動負載的時間降低時，電 壓緩衝器若要在預設的時間內向負載提供穩定的參考電壓，則必須提高電壓緩衝器的頻寬、降低電壓緩衝器的輸出阻抗、及/或動態地改變電壓緩衝器的輸出電流。因此，電壓緩衝器的電路面積及功率消耗皆會以將近平方倍的速度大幅上升，而造成硬體成本與能源的浪費。

有鑑於此，如何降低突波，讓參考電壓能快速的穩定，並且降低能源消耗，實為業界有待解決的問題。

本說明書提供了一種參考電壓穩定裝置，其包含有：一輸入端，用以接收一參考電壓；一輸出端，用以耦接至一負載；一電壓緩衝器，耦接於該輸入端及該輸出端之間；一電荷儲存裝置，耦接於該輸出端；以及一充放電電路，耦接於該電荷儲存電路；其中該充放電電路會對該電荷儲存裝置進行充電或放電，並且該電壓緩衝器及充電或放電後的該電荷儲存裝置會對該負載供電，使該負載端的電壓經過一段時間後等於該參考電壓。

本說明書另提供一種參考電壓穩定方法，其包含有：利用一電壓緩衝器接收一參考電壓；對一電荷儲存裝置進行充電或放電；以及利用該電壓緩衝器及充電或放電後的該電荷儲存裝置對一負載供電，使該負載端的電壓經過一段時間後等於該參考電壓。

本說明書另提供一種參考電壓穩定裝置，其包含有：一第一輸入端，用以接收一第一參考電壓；一第二輸入端，用以接收一第二參考電壓；一第一輸出端及一第二輸出端；一第一電壓緩衝器，耦接於該第一輸入端及該第一輸出端之間；一第二電壓緩衝器， 耦接於該第二輸入端及該第二輸出端之間；一第一電荷儲存裝置，耦接於該第一輸出端；一第二電荷儲存裝置，耦接於該第二輸出端；一充電電路，耦接於該第一電荷儲存電路；以及一放電電路，耦接於該第二電荷儲存電路；其中該充電電路會對該第一電荷儲存裝置進行充電，並且該放電電路會對該第二電荷儲存裝置進行放電，該第一電壓緩衝器及該充電後的第一電荷儲存裝置會於該第一輸出端提供一第一輸出電壓，而該第二電壓緩衝器及該放電後的第二電荷儲存裝置會於該第二輸出端提供一第二輸出電壓，並且該第一輸出電壓與該第二輸出電壓間的電壓差值與該第一參考電壓與該第二參考電壓間的電壓差值經過一段時間後會相等。

上述參考電壓穩定裝置的優點之一是能夠降低電壓緩衝器的硬體需求，因而降低硬體成本與所消耗的能源。

上述參考電壓穩定裝置的另一優點是能降低突波的影響，並且讓參考電快速的穩定，而能適用於各種高速的系統應用。

100‧‧‧參考電壓穩定裝置

110‧‧‧電壓緩衝器

120‧‧‧電荷儲存裝置

130‧‧‧充放電電路

140‧‧‧控制電路

150、160‧‧‧開關

170‧‧‧輸入端

180‧‧‧輸出端

300‧‧‧參考電壓穩定裝置

310、311‧‧‧電壓緩衝器

320、321‧‧‧電荷儲存裝置

330‧‧‧充電電路

331‧‧‧放電電路

340‧‧‧控制電路

350、351、360、361‧‧‧開關

370、371‧‧‧輸入端

380、381‧‧‧輸出端

圖1為本發明一實施例的參考電壓穩定裝置簡化後的功能方塊圖。

圖2為圖1的參考電壓穩定裝置運作時的一實施例簡化後的流程圖。

圖3為本發明另一實施例的參考電壓穩定裝置簡化後的功能方塊圖。

以下將配合相關圖式來說明本發明之實施例。在這些圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或流程步驟。

圖1為本發明的實施例之一的參考電壓穩定裝置100簡化後的功能方塊圖，參考電壓穩定裝置100包含有電壓緩衝器110、電荷儲存裝置120、充放電電路130、控制電路140、開關150和160、輸入端170及輸出端180。參考電壓穩定裝置100可用以接收參考電壓Vref，並且將輸出端的電壓Vo提供至負載，以使負載能夠接收到與參考電壓Vref相同的輸出電壓Vo。負載可以包含有由各種主動元件及/或被動元件所組成的電路，並且耦接於參考電壓穩定裝置100的輸出端180和第二電位間。

電壓緩衝器110可以採用負回授組態的放大器電路，或者以放大器電路搭配源級隨偶器(source follower)、共源級放大器(common source amplifier)及/或AB類的放大器(class-AB amplifier)等方式實施。在另一些實施例中，也可以採用其他電路設計，自輸入端170接收輸入的參考電壓Vref，並提供與參考電壓Vref相同的輸出電壓。

電荷儲存裝置120，耦接於充放電電路130及第一電位之間，其可以採用一個或多個電容、或者以電容搭配其他電路元件所實施，以儲存電荷。

充放電電路130用以對電荷儲存裝置120進行充電及/或放電(以下簡稱充放電)，使電荷儲存裝置120儲存有預設的電荷量。例如，充放電電路130可以採用各種架構的電流源電路等方式實施。

控制電路140用以設置充放電電路130，使電荷儲存裝置120能夠 儲存合適的電荷量。例如，控制電路140可以依據參考電壓Vref及輸出端的電壓Vo的數值，採用查表的方式，設置充放電電路130將電荷儲存裝置120充電或放電至合適的電荷量。或者，控制電路140也可以依據參考電壓Vref及輸出端的電壓Vo的數值，採用其他的類比及/或數位的信號處理電路，而設置充放電電路130將電荷儲存裝置120充電或放電至合適的電荷量。此外，控制電路140還會控制開關150和160適時地呈現導通或不導通狀態，以於適當的時刻於輸出端180提供輸出電壓Vo。

圖2為圖1的參考電壓穩定裝置100運作時的一實施例簡化後的流程圖200，以下將以圖2搭配圖1，進一步說明參考電壓穩定裝置100的運作方式。

在流程210中，參考電壓穩定裝置100接收參考電壓Vref，此時控制電路140將開關150設置為導通，並且將開關160設置為不導通。使充放電電路130導通於電荷儲存裝置120，並使電壓緩衝器110及電荷儲存裝置120不導通於負載。

在流程220中，控制電路140會依據參考電壓Vref及輸出端的電壓Vo，而設置充放電電路130將電荷儲存裝置120充放電至合適的電荷量。

在流程230中，控制電路140會將開關150設置為不導通，並且將開關160設置為導通，而將電壓緩衝器110及電荷儲存裝置120耦接至負載，使負載於輸出端180所接收到的電壓Vo能夠快速地與參考電壓Vref相同。

在上述的實施例中，控制電路140可以採用各種合適的方式決定 電荷儲存裝置120的充電或放電方式。例如，在一些實施例中，控制電路140可以設置充放電電路130對電荷儲存裝置120充放電的時間、電流、及/或電壓等。在另一實施例中，電荷儲存裝置120包含有多個電容，控制電路140可以設置充放電電路130僅對多個電容的部分電容充放電，而改變電荷儲存裝置120所儲存的電荷量。

在上述的實施例中，控制電路140會依據參考電壓Vref及輸出端的電壓Vo，來判斷電荷儲存裝置120的合適電荷量。例如，在一實施例中，將負載以電容值C1的電容等效表示，並將電荷儲存裝置120以電容值C2的電容等效表示。若要將負載由現有的電位充電或放電至參考電壓Vref時，負載所必須吸收的電荷為Q1(或是釋放的電荷)，則控制電路140可設置充放電電路130將電荷儲存裝置120先行充電至Q1+Q2，其中Q2為電荷儲存裝置120的電位等於參考電壓Vref所需的電荷量。因此，將電壓緩衝器110及電荷儲存裝置120耦接至負載後，Q1的電荷會由電荷儲存裝置120流至負載，而使電壓緩衝器110的輸出、電荷儲存裝置120、及負載的電位皆成為參考電壓Vref。由於電荷於電荷儲存裝置120及負載之間的傳輸非常快，可以使輸出端180的電壓Vo到達參考電壓Vref的時間不會受限於電壓緩衝器110的電流，因而電壓緩衝器110的硬體需求可以大幅降低。此外，藉由控制電路140適當地設置電荷儲存裝置120所儲存的電荷量，也可以使參考電壓穩定裝置100耦接至負載後的突波降低。

在其他的實施例的流程220中，控制電路140也可以採用其他的方式設置充放電電路130，例如，控制電路140不依據參考電壓Vref 或輸出端的電壓Vo設置充放電電路130，而是僅設置充放電電路130對電荷儲存裝置120依據一個或多個固定的時間進行充電及/或放電、或者充電及/或放電至一個或多個固定的電荷量等方式。

在另一些實施例的流程220中，控制電路140也可以僅依據參考電壓Vref或輸出端的電壓Vo的其中之一而設置充放電電路130對電荷儲存裝置120的充放電。例如，在一實施例中，控制電路140可以偵測突波的大小，再根據偵測的結果調整充放電電路130對電荷儲存裝置120所充放電的電荷量。

在另一些實施例中，控制電路140也可以採用多種方式的結合而設置充放電電路130。或者，在另一些實施例中，控制電路140也可以省略或簡化。

在上述的實施例中，也可以在電壓緩衝器110及電荷儲存裝置120間增加另一開關(圖1中未繪示)，使充放電電路130對電荷儲存裝置120進行充放電時，電壓緩衝器110與電荷儲存裝置120之間不會導通。而於對負載供電時，才將電壓緩衝器110與電荷儲存裝置120之間導通。

在上述的實施例的流程230中，當電壓緩衝器110及電荷儲存裝置120耦接至負載時，也可以設置充放電電路130也耦接至負載一段時間，而對負載進行充放電，使負載於輸出端180所接收到的電壓Vo能夠快速地與參考電壓Vref相同。

在上述的實施例的流程230中，電壓緩衝器110及電荷儲存裝置120可以設置為先後耦接至負載或者同時耦接至負載。

在上述的實施例中，控制電路140可以藉由電荷儲存裝置120的電壓來估計其所儲存的電荷量，或者也可以依據充放電電路130進行充放電的時間、電壓、電流及/或電荷儲存裝置120的阻抗值等估計電荷儲存裝置120所儲存的電荷量。

在上述的實施例中，圖1中電荷儲存裝置120所耦接的第一電位與負載所耦接的第二電位可以是相同或不同的電位。

在上述的實施例中，充放電電路130可以僅具有充電功能或放電功能，或者也可以同時具有充電及放電功能。

在上述的實施例中，充放電電路130可以將電荷儲存裝置120耦接至高於參考電壓Vref的電位以進行充電，使充電後的電荷儲存裝置120的電壓大於或等於參考電壓Vref。或者，充放電電路130也可以將電荷儲存裝置120耦接至低於參考電壓Vref的電位以進行放電，使放電後的電荷儲存裝置120的電壓小於或等於參考電壓Vref。

圖3為本發明另一實施例的參考電壓穩定裝置300簡化後的功能方塊圖，參考電壓穩定裝置300包含有電壓緩衝器310和311、電荷儲存裝置320和321、充電電路330、放電電路331、控制電路340、開關350、351、360和361、輸入端370和371、以及輸出端380和381。參考電壓穩定裝置300於輸入端370和371接收差動的參考電壓Vrefp及Vrefn，並且於輸出端380和381將差動的輸出電壓Vop和Von提供至負載，以使負載能夠接收到與差動的參考電壓Vrefp及Vrefn相同的差動輸出電壓Vop和Von。

電壓緩衝器310和311、電荷儲存裝置320和321、充電電路330、 放電電路331、控制電路340、開關350、351、360和361與圖1中相對應的功能方塊的連接方式、運作方式與變化形大致相同，因此類似的部分不再贅述。

然而，由於參考電壓穩定裝置300需要產生差動的輸出電壓Vop和Von，因此控制電路340需要設置充電電路330將電荷儲存裝置320充電至合適的電荷量，並且設置放電電路331將電荷儲存裝置321放電至合適的電荷量。因此當控制電路340設置開關350和351不導通，並設置開關360和361導通後，電壓緩衝器310和311以及電荷儲存裝置320和321會耦接至負載，使負載於輸出端380和381所接收到的電壓Vop和Von間的差動電壓能夠快速地與參考電壓Vrefp和Vrefn間的差動電壓相同。

在本實施例中，電荷儲存裝置320和321皆耦接至第一電位。在另一些實施例中，電荷儲存裝置320和321也可以分別耦接至不同的電位。

參考電壓穩定裝置的輸出電壓Vop和Von可以分別與參考電壓Vrefp和Vrefn相同。或者，參考電壓穩定裝置的輸出電壓Vop和Von可以分別與參考電壓Vrefp和Vrefn不相同，但是輸出電壓Vop和Von間的電壓差值與參考電壓Vrefp和Vrefn間的電壓差值相同

在上述的實施例中，也可以在電壓緩衝器310及電荷儲存裝置320間，以/或電壓緩衝器311及電荷儲存裝置321間增加開關，使充電電路330對電荷儲存裝置320進行充電時，及/或放電電路331對電荷儲存裝置321進行放電時，電壓緩衝器310與電荷儲存裝置320之間不會導通，及/或電壓緩衝器311與電荷儲存裝置321之間 不會導通。而於對負載供電時，才將電壓緩衝器310與電荷儲存裝置320之間導通，及/或電壓緩衝器311與電荷儲存裝置321之間導通。

在上述的實施例中，參考電壓穩定裝置藉由將電荷儲存裝置預先充電或放電至合適的電荷量，因此當電壓緩衝器及電荷儲存裝置耦接至負載時，即可快速的將電荷傳送至(或汲取自)負載，使負載可以快速地達到與參考電壓相近或相同的電壓。此時，電壓緩衝器僅需提供電流以對預估的電荷與實際的電荷間的差異量進行充放電的動作，而將參考電壓穩定裝置的輸出電壓修正至與參考電壓相同。因此，對於電壓緩衝器的頻寬及驅動力的要求皆可降低，並且電荷儲存裝置(如，電容)的硬體面積和能源消耗都非常低，因此可以使參考電壓穩定裝置的設計難度、硬體面積和功率消耗都能大幅降低。

由於電荷儲存裝置與負載間傳輸電荷的時間相當快速，並且電壓緩衝器僅須修正小幅的電壓差異。因此，本發明能適用於高速的類比數位轉換器等系統應用中。

此外，在如連續近似類比數位轉換器(successive approximation ADC)等應用中，控制電路可藉由查表等方式，而設置充放電電路預先將電荷儲存裝置充放電至精確的電荷值。

此外，本發明也可以與各種電壓緩衝器的改良方式搭配使用。例如，適當提高電壓緩衝器的頻寬、降低電壓緩衝器的輸出阻抗、及/或動態地改變電壓緩衝器的輸出電流，並且搭配上述實施例中採用充放電電路及電荷儲存電路對負載充放電的方式。

說明書及申請專利範圍中的某些詞彙被用來指稱特定的元件，所屬技術領域的技術人員應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。在說明書及申請專利範圍中，並不以名稱的差異作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來為區分的基準。在說明書及申請專利範圍中所提及的「包含」為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」一詞包含任何直接及間接的連接手段。

以上所述僅為本發明的實施例，各個實施例及各實施例的部份技術特徵間皆能適當的結合而不互斥，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化、修飾與組合，皆屬本發明的涵蓋範圍。

100‧‧‧參考電壓穩定裝置

110‧‧‧電壓緩衝器

120‧‧‧電荷儲存裝置

130‧‧‧充放電電路

140‧‧‧控制電路

150、160‧‧‧開關

170‧‧‧輸入端

180‧‧‧輸出端

Claims (12)

1. 一種參考電壓穩定裝置，其包含有：一輸入端，用以接收一參考電壓；一輸出端，用以耦接至一負載；一電壓緩衝器，耦接於該輸入端及該輸出端之間；一電荷儲存裝置，耦接於該輸出端；一充放電電路，耦接於該電荷儲存電路；以及一控制電路，於一第一時段時，使該電荷儲存裝置與該負載不導通，並且使該充放電電路與該電荷儲存電路導通，以使該充放電電路對該電荷儲存裝置進行充電或放電，並且於一第二時段時，使該充放電電路與該電荷儲存電路不導通，並且使該電荷儲存裝置與該負載導通，使該電荷儲存裝置向該負載傳送電荷或從該負載接收電荷；其中該電壓緩衝器及充電或放電後的該電荷儲存裝置會對該負載供電，使該負載端的電壓經過一段時間後等於該參考電壓。
2. 如請求項1所述的參考電壓穩定裝置，其中該控制電路會依據該參考電壓及/或該負載端的電壓，控制該充放電電路對該電荷儲存裝置進行充放電的時間、電流、及/或電壓。
3. 如請求項1所述的參考電壓穩定裝置，其中該控制電路會依據該參考電壓及/或該負載端的電壓，控制該充放電電路對該電荷儲存裝置中多個電容的至少部分進行充放電。
4. 如請求項1、2或3所述的參考電壓穩定裝置，其中該控制電路會 採用類比及/或數位的信號處理電路、或查表的方式，控制該充放電電路會對該電荷儲存裝置進行充電或放電。
5. 如請求項1、2或3所述的參考電壓穩定裝置，其中該電荷儲存電路充電後的電壓大於或等於該參考電壓，及/或該電荷儲存電路放電後的電壓小於或等於該參考電壓。
6. 如請求項1所述的參考電壓穩定裝置，其中該控制電路會於該第一時段時，設置該電壓緩衝器與該電荷儲存電路不導通，並且會於該第二時段時，設置該電壓緩衝器與該負載導通。
7. 一種參考電壓穩定方法，其包含有：利用一電壓緩衝器接收一參考電壓；於一第一時段時，使該電荷儲存裝置與該負載不導通，並且對該電荷儲存電路進行充電或放電；於一第二時段時，使該電荷儲存裝置與該負載導通，而使該電荷儲存裝置向該負載傳送或從該負載接收電荷；以及利用該電壓緩衝器及充電或放電後的該電荷儲存裝置對一負載供電，使該負載端的電壓經過一段時間後等於該參考電壓。
8. 如請求項7所述的參考電壓穩定方法，另包含有：依據該參考電壓及/或該負載端的電壓，控制該電荷儲存裝置進行充放電的時間、電流、及/或電壓。
9. 如請求項7所述的參考電壓穩定方法，另包含有：依據該參考電壓及/或該負載端的電壓，而對該電荷儲存裝置中多個電容的至少部分進行充放電。
10. 如請求項7、8或9所述的參考電壓穩定方法，其中：該電荷儲存電路充電後的電壓大於或等於該參考電壓，及/或該電荷儲存電路放電後的電壓小於或等於該參考電壓。
11. 如請求項7所述的參考電壓穩定方法，另包含有：於該第一時段時，使該電壓緩衝器與該電荷儲存電路不導通，並且於該第二時段時，設置該電壓緩衝器與該負載導通。
12. 一種參考電壓穩定裝置，其包含有：一第一輸入端，用以接收一第一參考電壓；一第二輸入端，用以接收一第二參考電壓；一第一輸出端及一第二輸出端；一第一電壓緩衝器，耦接於該第一輸入端及該第一輸出端之間；一第二電壓緩衝器，耦接於該第二輸入端及該第二輸出端之間；一第一電荷儲存裝置，耦接於該第一輸出端；一第二電荷儲存裝置，耦接於該第二輸出端；一充電電路，耦接於該第一電荷儲存電路；以及一放電電路，耦接於該第二電荷儲存電路；其中該充電電路會對該第一電荷儲存裝置進行充電，並且該放電電路會對該第二電荷儲存裝置進行放電，該第一電壓緩衝器及該充電後的第一電荷儲存裝置會於該第一輸出端提供一第一輸出電壓，而該第二電壓緩衝器及該放電後的第二電荷儲存裝置會於該第二輸出端提供一第二輸出電壓，並且該第一輸出電壓與該第二輸出電壓間的電壓差值與該第一參考電壓與該第二參考電壓間的電壓差值經過一段時間後會相等。