TWI477942B

TWI477942B - 電壓緩衝裝置

Info

Publication number: TWI477942B
Application number: TW101124801A
Authority: TW
Inventors: Chun Hsiung Hung; Ju An Chiang
Original assignee: Macronix Int Co Ltd
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2015-03-21
Also published as: TW201403284A

Description

電壓緩衝裝置

本案係關於一種適用於低電壓帶隙電路之電壓緩衝裝置，尤其，本發明係關於一種使用電晶體互補切換，提供晶片不受溫度與環境變化影響之穩定電壓源，以提昇帶隙系統之訊號處理品質。

習知的低電壓帶隙緩衝(low voltage bandgap buffer)裝置為帶隙系統不可或缺的一環，從實務上來考量，此裝置能將帶隙電路所產生的電壓差異作補償，而使得在運作電壓越來越低的電晶體電路中，此不利影響因素不會阻礙電路系統中結構設計的進步性。但在低電壓操作環境下，如何設計此電壓緩衝裝置就顯得越加困難，尤其是當低臨界電壓(low threshold Vt)的元件不容易取得，吾人無法在電路設計上克服元件特性的限制。另一方面，由於提供一不隨溫度、其它電壓與環境變動的穩定電壓源給包含晶片的電路，能符合現行所採用的現場可編程輯閘陣列(field-programmable gate arrays)與特殊應用積體電路(application-specific integrated circuit)等電路設計軟體對電晶體硬體架構的電性要求，故在電晶體尺寸朝向越來越小的方向持續進展，此電壓緩衝裝置所具有能穩定電壓源以及提供高階電路應用的功能，益顯得有進一步作改進以提升其在系統中關鍵地位的之必要性。

請參閱第一圖，在傳統的電壓緩衝裝置中(其包含供電電壓源105與接地點106)，輸入訊號101藉由運算放大器10之第一級放大與連接該運算放大器10的輸出端103之一電晶體11的第二級放大，而提供穩定一輸出電壓104給下一級電路使用，其中藉由通過可變電阻12改變的迴授電壓102之調變，以將輸入訊號101的可變動性之因素補償回來，但由於該迴授電壓102位準在低電壓的條件下無法使用場效應電晶體來傳遞，此架構的迴授路徑並不能有效進行補償作用。另外，該可變電阻12阻值的改變方式為在回授節點的上端與下端同時改變，例如調節開關13位於一第一位置131時，該回授電壓102較高，而調節開關13位於一第二位置132時，該回授電壓102較低，但此方式也無法滿足電路結構在進行調整電壓時，吾人希求元件值變動的範圍越小越好，以利於進行電路分析與控制之需求。故實有必要，對此電壓緩衝裝置作結構上的改進，以符合在目前所普遍採用之帶隙系統的電壓緩衝裝置須同時具有電性元件匹配與操作簡單穩定之雙重要求。

職是之故，申請人鑑於習知技術中所產生之缺失，經過悉心推論與研究，構思出本案「電壓緩衝裝置」，能夠克服上述之缺點，以下為本案之簡要說明。

鑑於習知技術中的缺陷，因此本發明提出一種電壓緩衝裝置，經由結合場效應電晶體訊號處理技術與運算器放大級回饋技術，使電壓緩衝在帶隙系統中的傳遞更有效率，該系統架構不僅具有完整的穩定電壓傳輸效益，能支援任何低於帶隙電壓之穩壓處理，也能讓運算放大器經由回饋連結進行輸入訊號之有效補償，以對帶隙核心架構提供穩定訊號。

依據本發明的第一構想，提出一種電壓緩衝裝置，係用於對一晶片提供一帶隙緩衝電壓，其包含：一運算放大器，具有一輸出端，以及接收一輸入電壓之一輸入端；一共用源極電晶體，具有連接於該輸出端之一閘極端與對該晶片提供該帶隙緩衝電壓之一汲極端；以及一開關元件陣列，其包含具有複數第一型電晶體之一第一型電晶體子陣列與具有複數第二型電晶體之一第二型電晶體子陣列，其中該第一型電晶體子陣列之一共用源極端係耦接於該共用源極電晶體之一汲極端，該第一型電晶體子陣列之一汲極端係耦接於該第二型電晶體子陣列之一汲極端，該第二型電晶體子陣列之複數源極端則接地，該第一型電晶體子陣列之複數閘極端以及該第二型電晶體子陣列之複數閘極端分別用於接收複數外部控制訊號。

較佳地，該電壓緩衝裝置，其中該第一型電晶體子陣列為一P型開關元件，而該第二型電晶體子陣列為一N型開關元件。

依據本發明的第二構想，提出一種電壓緩衝裝置，係用於對一晶片提供一帶隙緩衝電壓，其包含：一電壓調節模組，接收一輸入電壓及一回饋訊號，並根據該回饋訊號調整該輸入電壓而產生該帶隙緩衝電壓；以及一開關元件陣列，耦接於該電壓調節模組，並包含複數互補開關元件組，使一外部控制訊號根據該輸入電壓所屬之位準範圍並經由每一互補開關元件組所具有之一共用控制端，致能該等互補開關元件組其中之一，俾經由所致能之該互補開關元件組產生該回饋訊號。

較佳地，該電壓緩衝裝置，其中該電壓調節模組更包含：一運算放大器，具有一輸出端；以及一共用源極電晶體，具有連接於該輸出端之一閘極端；而該開關元件陣列更包含具有複數P型電晶體之一P型電晶體子陣列與具有複數N型電晶體之一N型電晶體子陣列，並且該每一互補開關元件組包含一P型開關元件與一N型開關元件。

依據本發明的第三構想，提出一種電壓緩衝裝置，其包含：一電壓處理模組，因應一輸入電壓及一回饋訊號而產生一帶隙緩衝電壓；以及一對稱電路，耦接於該電壓處理模組，以產生該回饋訊號，並因應該輸入電壓而調整該回饋訊號。

較佳地，該電壓緩衝裝置，其中該電壓處理模組包括：一運算放大器，具有一輸出端；以及一共用源極電晶體，具有一閘極端連接於該輸出端；而該對稱電路更包含：一子陣列P型金氧半場效電晶體，連接於該共用源極電晶體之一汲極端；以及一子陣列N型金氧半場效電晶體，其一端與該子陣列P型金氧半場效電晶體相耦接，另一端則接地，其中，該子陣列P型金氧半場效電晶體之一電晶體導通提供一第一電阻，該子陣列N型金氧半場效電晶體之另一電晶體導通提供一第二電阻，並且該些電晶體導通為互補形式。

為讓本發明之上述目的、特徵和功效能明顯易懂，特別舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

10‧‧‧運算放大器

101‧‧‧輸入訊號

102‧‧‧迴授電壓

103‧‧‧輸出端

104‧‧‧輸出電壓

105‧‧‧供電電壓源

106‧‧‧接地點

107‧‧‧基底

11‧‧‧電晶體

12‧‧‧可變電阻

13‧‧‧調節開關

131‧‧‧第一位置

132‧‧‧第二位置

22‧‧‧接地之可變電阻

23‧‧‧固定電阻

31‧‧‧共源極電晶體

32、33‧‧‧電晶體陣列

3200、3201...3230‧‧‧n-通道場效應電晶體的閘極端

3300、3301...3330‧‧‧p-通道場效應電晶體的閘極端

第一圖為傳統電壓緩衝裝置之示意圖。

第二圖為本發明之電壓緩衝裝置具有一接地之可變電阻之示意圖。

第三圖為本發明之電壓緩衝裝置具有一改變電阻之電晶體陣列示意圖。

本案所提出之「電壓緩衝裝置」將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本案之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態。

請參閱第二圖，本發明的電壓緩衝裝置具有一接地之可變電阻22，輸入訊號101帶隙核心電壓(bandgap core voltage)為可變動之1伏特(V)，而為符合運算放大器10之輸入端的兩訊號，即輸入訊號101與迴授電壓102須呈現為虛擬短路，一固定電阻23串接該接地之可變電阻22，而該接地之可變電阻22的阻值之改變會使得該迴授電壓102的大小跟隨著該輸入訊號101而變化，從而產生修剪效應(trim up/down)，意即該輸入訊號101變動的現象會在通過此電壓緩衝裝置的放大作用中被消除。在此工作條件中，該接地之可變電阻22的阻值之改變是透過與其相連的n-通道場效應電晶體之閘極端(在此未示出)而使該電晶體短路，因此在低電壓操作中，高臨界電壓(high threshold Vt)所浮現的問題就可被避免。且由於回授節點必須位於該固定電阻23與該接地之可變電阻22的連接處，其迴授電壓102位準會比該輸出電壓104位準低，換句話說，因該迴授電壓102位準會接近該輸入訊號101位準，該輸出電壓104實際上會比被調整的該輸入訊號101為大。

此時，設定該輸出電壓104為1.25伏特，而回授鏈路訂定的電流為1微安培(1μA)，若取該接地之可變電阻22為1000K歐姆與該固定電阻23為250K歐姆，則為使該回授電壓102能追隨該輸入訊號101，當該輸入訊號101為1V-150mV時，計算得到該接地之可變電阻22為530K歐姆，而回授鏈路的電流為1.6微安培(0.85V/530K)，其大小為該輸入訊號101為1V+150mV時，計算得到該可變電阻22為2880K歐姆，而回授鏈路的電流為 0.4微安培(1.15V/2880K)的四倍之多，且此時總電阻為3130K歐姆(250K+2880K)，其電阻面積也會比傳統架構之1250K歐姆(250K+1000K)高出許多，故此大電流變化的現象與高電阻值的條件，為在設計共源極輸出級時須考量的重點。

在另一實施例中，如第三圖所示的本發明的電壓緩衝裝置，其具有改變電阻之電晶體陣列32、33，該陣列包含一排列型複數n-通道場效應電晶體，其中每一電晶體之源極端接地，而該等電晶體之每一汲極端則連接於一電阻排的不同位置，以及一排列型複數p-通道場效應電晶體，其中每一電晶體之源極端共同連接且相連於一共源極電晶體31之汲極端，該等電晶體之每一汲極端則連接於另一電阻排的不同位置，以及該等電晶體之每一基底107連接於該輸出電壓104。

也就是本發明之電壓緩衝裝置，係用於對一晶片提供一帶隙緩衝電壓，其包含一運算放大器10具有一輸出端103與一第一輸入終端(非反向端)以及一第二輸入終端(反向端)用以接收一輸入電壓(輸入訊號101)，一第一電晶體(共源極電晶體31)具有一控制端(閘極)連接該輸出端103，以及一第一終端(汲極)連接一晶片電源，以提供該帶隙緩衝電壓(輸出電壓104)。以及，一切換陣列(電晶體陣列32、33)其包括(N+1)第一電阻彼此相連，而每一第一電阻具有一第一端與一第二端；一第二電阻具有一另一第一端與另一第二端；一第三電阻更具有一另一第一端與另一第二端；(N+1)第四電阻彼此相連，而每一第四電阻具有不同一第一端與不同一第二端；(N+1)第二電晶體(P通道)所組成之第一子切換陣列，而每一第二電晶體(P通道)具有一第一端與一第二端，其中，該等第二電晶體(P通道)之第二端(源極)與第 (N+1)個第一電阻之第二端連接於該第一電晶體(共源極電晶體31)之第一終端(汲極)，第m個第二電晶體(P通道)之第一端(汲極)連接於第m個第一電阻之第一端，而m為介於1至N+1之正整數，該第二電阻之第一端連接於該運算放大器之第一輸入終端(非反向端)，該第二電阻之第二端連接於第1個第一電阻之第一端，以及該第三電阻之第二端連接於該第二電阻之第一端；以及(N+1)第三電晶體(N通道)所組成之第二子切換陣列，而每一第三電晶體具有一第一端(汲極)與連接於地106之一第二端(源極)，其中，最後一個第三電晶體之第一端(汲極)連接於該第三電阻之第一端，以及第m個第三電晶體之第一端(汲極)連結於第m個第四電阻之第二端。

當此電路作動時，該各n-通道場效應電晶體的閘極端3200、3201...3230之一會使其電晶體導通或全不導通而提供一電阻值，故該架構共可產生32種不同阻值的電阻，相同地，該各p-通道場效應電晶體的閘極端3300、3301...3330之一也會使其電晶體導通或全不導通而提供另一電阻值，故該架構共也可產生32種不同阻值的電阻，但由於該導通n-通道場效應電晶體與該導通p-通道場效應電晶體在該等電晶體陣列32、33中之排列順序上為互補，意即產生之兩個電阻之阻值雖然會隨著電晶體陣列訊號的調變而有不同，但其總和為一固定值。此變動電阻值之方式能產生與上述第一實施例相同之具有一10mV間隔，且介於該輸入訊號101變動補償範圍±150mV內之該回授電壓102，並產生與上述實施例相同效果，即該回授電壓102可對變動中之該輸入訊號101亦進行補償作用，以產生穩定之該輸出電壓104。

經由第二實施例電路拓墣之演變，此時上述兩個電阻阻值總和(即該固定值)根據第三圖中所列之參考值為1250K歐姆，其明顯比第一實施例所需之3130K歐姆小許多。在此同時，因該等電阻值會跟隨著該輸入訊號101之變動而做改變，以及對該固定輸出電壓104而言，其連接到接地點106的電阻值於操作中保持固定，故此共源極輸出級的電流也會保持不變。除此之外，該輸出電壓104必須高於p-通道場效應電晶體中的該臨界電壓，否則此電路架構將無法順利運作，以上述實施例之該輸出電壓為1.25伏特為例，其會比p-通道場效電晶體最高臨界電壓要高。此種由該輸出電壓104所看到的總電阻與共源極輸出級的固定電流，為電子電路學上小信號模型分析之重要特徵。

另外，在本發明之電壓緩衝裝置中，其所包含之電壓處理模組能因應一輸入電壓(輸入訊號101)及一回饋訊號(迴授電壓102)而產生一帶隙緩衝電壓(輸出電壓104)，以提供給下一級晶片電路穩定電壓源，其主要方式乃是藉由一對稱電路來耦接於該電壓處理模組，以產生該回饋訊號，並因應該輸入電壓而調整該回饋訊號。本發明的電壓緩衝裝置不僅可有效整合帶隙系統中低電壓帶隙電路與所連接的具晶片之電路間的訊號處理，更可提供不隨操作溫度、其他電壓與環境改變而穩定的輸出電壓源。

實施例：

一種電壓緩衝裝置，係用於對一晶片提供一帶隙緩衝電壓，其包含：一運算放大器，具有一輸出端，以及接收一輸入電壓之一輸入端；一共用源極電晶體，具有連接於該輸出端之一閘極端與對該晶片提供該帶隙緩衝電壓之一汲極端；以及一開關元件陣列，其包含具有複數第一型電晶體之一第一型電晶體子陣列與具有複數第二型電晶體之一第二型電晶體子陣列，其中該第一型電晶體子陣列之一共用源極端係耦接於該共用源極電晶體之一汲極端，該第一型電晶體子陣列之一汲極端係耦接於該第二型電晶體子陣列之一汲極端，該第二型電晶體子陣列之複數源極端則接地，該第一型電晶體子陣列之複數閘極端以及該第二型電晶體子陣列之複數閘極端分別用於接收複數外部控制訊號。

如上述實施例所述之裝置，其中該第一型電晶體子陣列為一P型開關元件，而該第二型電晶體子陣列為一N型開關元件。

一種電壓緩衝裝置，係用於對一晶片提供一帶隙緩衝電壓，其包含：一電壓調節模組，接收一輸入電壓及一回饋訊號，並根據該回饋訊號調整該輸入電壓而產生該帶隙緩衝電壓；以及一開關元件陣列，耦接於該電壓調節模組，並包含複數互補開關元件組，使一外部控制訊號根據該輸入電壓所屬之位準範圍並經由每一互補開關元件組所具有之一共用控制端，致能該等互補開關元件組其中之一，俾經由所致能之該互補開關元件組產生該回饋訊號。

如上述實施例所述之裝置，其中該電壓調節模組更包含：一運算放大器，具有一輸出端；以及一共用源極電晶體，具有連接於該輸出端之一閘極端。

如上述任一實施例所述之裝置，其中該開關元件陣列更包含具有複數P型電晶體之一P型電晶體子陣列與具有複數N型電晶體之一N型電晶體子陣列。

如上述任一實施例所述之裝置，其中該P型電晶體子陣列之一共用源極端係耦接於該共用源極電晶體之一級極端，該P型電晶體子陣列之一汲極端係耦接於該N型電晶體子陣列之一汲極端，該N型電晶體子陣列之複數源極端則接地，該P型電晶體子陣列之複數閘極端以及該N型電晶體子陣列之複數閘極端分別用於接收複數外部控制訊號。

如上述任一實施例所述之裝置，其中該每一互補開關元件組包含一P型開關元件與一N型開關元件。

一種電壓緩衝裝置，其包含：一電壓處理模組，因應一輸入電壓及一回饋訊號而產生一帶隙緩衝電壓；以及一對稱電路，耦接於該電壓處理模組，以產生該回饋訊號，並因應該輸入電壓而調整該回饋訊號。

如上述實施例所述之裝置，其中該電壓處理模組包括：一運算放大器，具有一輸出端；以及一共用源極電晶體，具有一閘極端連接於該輸出端；而該對稱電路更包含：一子陣列P型金氧半場效電晶體，連接於該共用源極電晶體之一汲極端；以及一子陣列N型金氧半場效電晶體，其一端與該子陣列P型金氧半場效電晶體相耦接，另一端則接地。

如上述任一實施例所述之裝置，其中該子陣列P型金氧半場效電晶體之一電晶體導通提供一第一電阻，該子陣列N型金氧半場效電晶體之另一電晶體導通提供一第二電阻，其中該些電晶體導通為互補形式。

如上述任一實施例所述之裝置，其中該第一電阻之阻值與該第二電阻之阻值的總和隨著該第一電阻之阻值與該第二電阻之阻值的各別變化而保持一固定值。

如上述任一實施例所述之裝置，其中該第二電阻之阻值隨著該輸入電壓而改變，亦即一共源級之一電流保持一固定值。

如上述任一實施例所述之裝置，其中該固定值為一小訊號模型分析之重要特徵。

如上述任一實施例所述之裝置，其中該回饋訊號具有±150mV之變動範圍。

如上述任一實施例所述之裝置，其中該帶隙緩衝電壓大於一P型金氧半場效電晶體之臨界電壓。

如上述任一實施例所述之裝置，其中該帶隙緩衝電壓為一定值。

一種電壓緩衝裝置，係用於對一晶片提供一帶隙緩衝電壓，其包含：一運算放大器，具有一輸出端與、一第一輸入終端以及一第二輸入終端用以接收一輸入電壓；一第一電晶體，具有一控制端連接該輸出端，以及一第一終端連接一晶片電源，以提供該帶隙緩衝電壓；以及一切換陣列，其包括：(N+1)第一電阻彼此相連，而每一第一電阻具有一第一端與一第二端；一第二電阻具有一另一第一端與另一第二端；一第三電阻更具有一另一第一端與另一第二端；(N+1)第四電阻彼此相連，而每一第四電阻具有不同一第一端與不同一第二端；(N+1)第二電晶體所組成之第一子切換陣列，而每一第二電晶體具有一第一端與一第二端，其中，該等第二電晶體之第二端與第(N+1)個第一電阻之第二端連接於該第一電晶體之第一終端，第m個第二電晶體之第一端連接於第m個第一電阻之第一端，而m為介於1至N+1之正整數，該第二電阻之第一端連接於該運算放大器之第一輸入終端，該第二電阻之第二端連接於第1個第一電阻之第一端，以及該第三電阻之第二端連接於該第二電阻之第一端；以及(N+1)第三電晶體所組成之第二子切換陣列，而每一第三電晶體具有一第一端與連接於地之一第二端，其中，最後一個第三電晶體之第一端連接於該第三電阻之第一端，以及第m個第三電晶體之第一端連結於第m個第四電阻之第二端。

如上述實施例所述之裝置，其中該第一電晶體包含一第二終端接收一電壓源之訊號，且每一(N+1)第二電晶體與每一(N+1)第三電晶體更具有一控制終端以接收外部控制訊號。

如上述任一實施例所述之裝置，其中該第一電晶體與每一(N+1)第二電晶體為P-型式電晶體，而每一(N+1)第三電晶體為N-型式電晶體。

本案實為一難得一見，值得珍惜的難得發明，惟以上所述者，僅為本發明之最佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。