TWI490678B - 電壓產生裝置 - Google Patents

Description

電壓產生裝置

本發明是有關於一種電壓產生裝置，且特別是有關於一種用以產生高度精確的輸出電壓的電壓產生裝置。

在積體電路中，能隙電壓產生器(band-gap voltage generator)用以提供高度精確的輸出電壓。由能隙電壓產生器產生的輸出電壓與環境溫度的變化無關，且輸出電壓供積體電路的核心電路使用，藉以維持核心電路的性能穩定。

在習知的能隙電壓產生器中，往往需要多個雙極性電晶體(bipolar transistor)以及高增益的運算放大器。也就是說，當能隙電壓產生器運作時，將會消耗大量電流。

本發明提供一種用以產生高精確輸出電壓以及低能源消耗的電壓產生裝置。

電壓產生裝置包括參考電壓產生器以及輸出電壓產生器。參考電壓產生器用以產生參考電壓，且參考電壓產生器依據 控制訊號決定是否產生參考電壓。輸出電壓產生器耦接於參考電壓產生器。輸出電壓產生器包括比較器、可變電阻以及電流源。比較器比較參考電壓以及輸出電壓，藉以產生校準訊號。可變電阻耦接於比較器，且可變電阻的電阻值由校準訊號決定。電流源耦接於可變電阻，且電流源提供輸出電流以流經可變電阻，藉以產生輸出電壓。其中，參考電壓在初始週期(initial timing period)期間產生，而參考電壓產生器在初始週期之後關閉，且初始週期依據控制訊號而決定。

基於上述，本發明提供一種參考電壓產生器，用以產生高度精確的參考電壓至輸出電壓產生器。輸出電壓產生器依據參考電壓而產生輸出電壓，且當輸出電壓穩定產生時，參考電壓產生器關閉。也就是說，輸出電壓產生器會依據高度精確的參考電壓，藉以產生高度精確的輸出電壓。此外，參考電壓產生器關閉是為了節省電壓產生裝置的能源消耗。用以產生高度精確的輸出電壓並具低能源消耗的電壓產生裝置可被實現。

為讓本案的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧電壓產生裝置

110‧‧‧參考電壓產生器

111‧‧‧電流產生器

112、113‧‧‧截波器

120‧‧‧輸出電壓產生器

121‧‧‧電流源

122‧‧‧二元搜尋邏輯電路

VREF‧‧‧參考電壓

CTRL‧‧‧控制訊號

CMP‧‧‧比較器

VR‧‧‧可變電阻

D1‧‧‧二極體

IO1‧‧‧輸出電流

I1、IA1、I2、I11、I12‧‧‧電流

GND‧‧‧參考接地

VOUT‧‧‧輸出電壓

CALS‧‧‧校準訊號

CK‧‧‧時脈訊號

M1~M5、T1~T2、M11~M13‧‧‧電晶體

R1、R2~R5‧‧‧電阻

VDD‧‧‧操作電壓

OP1、OP2、OP11、OP12‧‧‧放大器

VB1、VB2‧‧‧偏壓

SW1‧‧‧開關

圖1是依照本發明一實施例所繪示的電壓產生裝置的電路圖。

圖2是依照本發明一實施例所繪示的參考電壓產生器的電路圖。

圖3是依照本發明一實施例所繪示的參考電壓產生器的另一電路圖。

現將詳細參考本發明之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。

請參照圖1，圖1是依照本發明一實施例所繪示的電壓產生裝置的電路圖。電壓產生裝置100包括參考電壓產生器110以及輸出電壓產生器120。參考電壓產生器110產生參考電壓VREF，且參考電壓產生器110依據控制訊號CTRL決定是否產生參考電壓VREF。參考電壓VREF被提供給輸出電壓產生器120，其中參考電壓VREF的電壓準位可與環境溫度無關。

參考電壓產生器110受控於控制訊號CTRL，且在初始週期期間，參考電壓產生器110提供參考電壓VREF至輸出電壓產生器120。此外，參考電壓產生器110在初始週期之後關閉，其中，初始週期是由控制訊號CTRL決定。

在本實施例中，輸出電壓產生器120耦接於參考電壓產生器110。輸出電壓產生器120包括比較器CMP、電流源121、二元搜尋邏輯電路(binary search logic circuit)122、可變電阻VR 以及二極體D1。電流源121耦接於可變電阻VR，並提供輸出電流IO1至可變電阻VR。可變電阻VR與二極體D1串接於電流源121與參考接地GND之間。當輸出電流IO1流經可變電阻VR以及二極體D1時，可在電流源121與可變電阻VR的耦接端點上產生輸出電壓VOUT。

在此請注意，輸出電壓VOUT的電壓準位可由可變電阻VR的電阻值決定。在圖1中，可變電阻VR的電阻值受控於校準訊號CALS。校準訊號CALS是由二元搜尋邏輯電路122產生。在此，二元搜尋邏輯電路122耦接於比較器CMP與可變電阻VR之間。比較器CMP用以比較來自參考電壓產生器110的參考電壓VREF，並傳送比較結果至二元搜尋邏輯電路122。二元搜尋邏輯電路122依據比較器的輸出，並藉由根據時脈訊號CK的二元搜尋演算法而產生校準訊號CALS。

二元搜尋演算法為本領域技術人員所熟知，故二元搜尋演算法的細節在此不再贅述。

電流源121包括電晶體M1~M5以及電阻R1。電晶體M1~M3的第一端耦接於操作電壓VDD，且電晶體M1~M3的控制端共接。電晶體M3的控制端更耦接於電晶體M3的第二端。電晶體M1的第二端耦接於可變電阻VR，藉以提供輸出電流IO1。電晶體M2和M3的第二端分別耦接於電晶體M4和M5的第一端。電晶體M4的控制端耦接於電晶體M2的第二端與電晶體M5的控制端。電晶體M4的第二端耦接於參考接地GND。電阻R1耦接於 電晶體M5的第二端與參考接地GND之間。

對於電壓產生裝置100的詳細運作，首先，在初始週期期間，參考電壓產生器110產生並提供參考電壓VREF至輸出電壓產生器120。接著，輸出電壓產生器120藉由參照參考電壓VREF而產生輸出電壓VOUT，且參考電壓產生器110在初始週期之後關閉。

輸出電壓VOUT藉由參照高度準確的參考電壓產生器110而可具有高準確度，並由於參考電壓產生器110在初始週期之後關閉而可減少能源消耗。也就是說，藉由電壓產生裝置100可實現具有低能源消耗的輸出電壓VOUT。

請參照圖2，圖2是依照本發明一實施例所繪示的參考電壓產生器的電路圖。在圖2中，參考電壓產生器110包括電流產生器111、電阻R2~R5、電晶體T1~T2以及放大器OP1和OP2。電流產生器111依據偏壓VB1和VB2而產生電流I1、IA1以及I2。其中，電流I1和IA1形成電流產生器111的第一電流，而電流I2則為電流產生器111的第二電流。電阻R2的第一端接收電流I1的一部分(I11)，而電阻R2的第二端則耦接於電晶體T1的第一端。電晶體T1的第二端與控制端耦接至參考接地GND。電阻R3和R4串接於電流產生器111和電晶體T2之間。電阻R3的第一端接收電流I1的另一部分(I12)，而電阻R3的第二端則耦接於電阻R4的第一端。電阻R4的第二端耦接於電晶體T2的第一端，而電晶體T2的第二端和控制端耦接至參考接地GND。

放大器OP1的兩個輸入端分別耦接於電阻R2和R3的第二端。放大器OP1的輸出端產生偏壓VB1。放大器OP2的兩個輸入端分別耦接於電阻R4和R5的第一端。放大器OP2的輸出端產生偏壓VB2。此外，電阻R5的第二端耦接至參考接地GND，而電阻R5的第一端接收來自電流產生器111的電流I2。

在本實施例中，電流產生器111包括電晶體M11~M13。電晶體M11~M13的第一端耦接至操作電壓VDD，電晶體M11和M12的第二端耦接於電阻R2和R3的第一端以提供電流I1，且M13的第二端耦接於電阻R5的第一端以提供電流I2。電晶體M11的控制端耦接於放大器OP1的輸出端，用以接收偏壓VB1。電晶體M12和M13的控制端耦接於放大器OP2的輸出端，用以接收偏壓VB2。

另外，電流I1的溫度係數和電流I2的溫度係數為互補。電流I2的溫度係數和電流IA1的溫度係數為相同。舉例來說，電流I1的溫度係數為正溫度係數，而電流IA1的溫度係數為負溫度係數。據此，電阻R2所接收的電流I11與環境溫度無關，參考電壓VREF也因此而與環境溫度無關。

在此請注意，電流產生器111也接收控制訊號CTRL。當控制訊號CTRL指示電流產生器111是處於初始週期時，電流產生器111正常產生電流I1、IA1以及I2。相對而言，當控制訊號CTRL指示電流產生器111不是處於初始週期時，電流產生器111停止產生電流I1、IA1以及I2。電流產生器111可藉由關閉電晶 體M11~M13接收操作電壓VDD的路徑而關閉。

請參照圖3，圖3是依照本發明一實施例所繪示的參考電壓產生器的另一電路圖。在圖3中，參考電壓產生器110包括電流源111、電阻R2~R5、電晶體T1~T2、放大器OP11和OP12、開關SW1以及截波器(chopper)112和113。與圖2的參考電壓產生器110不同的是，圖3的參考電壓產生器110包括兩個截波器112和113，截波器112耦接於放大器OP11和電阻R2~R4之間，且截波器113耦接於放大器OP12和電阻R3~R5之間。詳細來說，截波器112的兩個輸入端分別耦接於電阻R2和R3的第二端，而其兩個輸出端分別耦接於放大器OP11的輸入端。截波器113的兩個輸入端分別耦接於電阻R4和R5的第一端，而其兩個輸出端分別耦接於放大器OP12的輸入端。此外，放大器OP11和OP12各具有截波輸出級(chopper output stage)。截波器112和113以及截波輸出級根據時脈訊號CK而運作，且截波器112和113以及截波輸出級用以消除放大器OP11和OP12的偏移電壓(offset voltage)。

在圖3中，受控於控制訊號CTRL的開關SW1可被放置於電晶體M11~M13以及操作電壓VDD之間。開關SW1依據控制訊號CTRL在初始週期期間可被開啟，並在初始週期之後可被關閉。

綜上所述，電壓產生裝置提供用以產生具有高度準確的參考電壓的參考電壓產生器。電壓產生裝置也提供藉由參照參考 電壓而產生輸出電壓的輸出電壓產生器。當輸出電壓已產生，參考電壓產生器關閉以節省能源消耗。也就是說，藉由本發明實施例，可以產生高度準確的輸出電壓，並可節省能源消耗。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電壓產生裝置

110‧‧‧參考電壓產生器

120‧‧‧輸出電壓產生器

121‧‧‧電流源

122‧‧‧二元搜尋邏輯電路

VREF‧‧‧參考電壓

CTRL‧‧‧控制訊號

CMP‧‧‧比較器

VR‧‧‧可變電阻

D1‧‧‧二極體

IO1‧‧‧輸出電流

GND‧‧‧參考接地

VOUT‧‧‧輸出電壓

CALS‧‧‧校準訊號

CK‧‧‧時脈訊號

M1~M5‧‧‧電晶體

R1‧‧‧電阻

VDD‧‧‧操作電壓

Claims (8)

1. 一種電壓產生裝置，包括：一參考電壓產生器，用以產生一參考電壓，該參考電壓產生器依據一控制訊號決定是否產生該參考電壓；以及一輸出電壓產生器，耦接於該參考電壓產生器，該輸出電壓產生器包括：一比較器，用以比較該參考電壓以及一輸出電壓，藉以產生一校準訊號；一可變電阻，耦接於該比較器，該可變電阻的一電阻值由該校準訊號決定；一電流源，耦接於該可變電阻，該電流源提供一輸出電流以流經該可變電阻，藉以產生該輸出電壓；一二元搜尋邏輯電路，耦接於該比較器與該可變電阻之間，該二元搜尋邏輯電路依據基於二元搜尋演算法的該比較器的一輸出而產生該校準訊號；以及一二極體，該二極體的陰極耦接於一參考接地，而該二極體的陽極耦接於該可變電阻，其中該參考電壓在一初始週期期間產生，而該參考電壓產生器在該初始週期之後關閉，且該初始週期依據該控制訊號而決定。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電壓產生裝置，其中該電流源包括：一第一電晶體，具有第一端、第二端以及控制端的，該第一 電晶體的第一端耦接於一操作電壓，該第一電晶體的第二端耦接於該可變電阻，而該輸出電壓產生於該第一電晶體的第二端；一第二電晶體，具有第一端、第二端以及控制端的，該第二電晶體的第一端耦接於該操作電壓，該第二電晶體的控制端耦接於該第一電晶體的控制端；一第三電晶體，具有第一端、第二端以及控制端的，該第三電晶體的第一端耦接於該操作電壓，該第三電晶體的控制端耦接於該第二電晶體的控制端與該第三電晶體的第二端；一第四電晶體，具有第一端、第二端以及控制端的，該第四電晶體的第一端耦接於該第二電晶體的第二端與該第四電晶體的控制端，該第四電晶體的第二端耦接於一參考接地；一第五電晶體，具有第一端、第二端以及控制端的，該第五電晶體的第一端耦接於該第三電晶體的第二端，該第五電晶體的控制端耦接於該第四電晶體的控制端；以及一電阻，耦接於該第五電晶體的第二端與該參考接地之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述的電壓產生裝置，其中該參考電壓產生器包括：一電流產生器，接收該控制訊號、一第一偏壓以及一第二偏壓，在該初始週期期間，該電流產生器依據該第一偏壓和該第二偏壓產生一第一電流和一第二電流；一第一電阻，該第一電阻的第一端耦接於該電流產生器以接收該第一電流的一第一部分； 一第二電阻，具有用以接收該第一電流的一第二部分的第一端；一第三電阻，具有耦接於該第二電阻的第二端的第一端；一第一電晶體，具有第一端、第二端以及控制端，該第一電晶體的第一端耦接於該第一電阻的第二端，該第一電晶體的第二端和控制端耦接至一參考接地；一第二電晶體，具有第一端、第二端以及控制端，該第二電晶體的第一端耦接於該第三電阻的第二端，該第二電晶體的第二端和控制端耦接至該參考接地；一第四電阻，該第四電阻的第一端耦接於該電流產生器以接收該第二電流，該第四電阻的第二端耦接至該參考接地；一第一放大器，具有第一輸入端、第二輸入端以及輸出端，該第一放大器的第一輸入端耦接於該第一電阻的第二端，該第一放大器的第二輸入端耦接於該第二電阻的第二端，且該第一放大器的輸出端產生該第一偏壓；以及一第二放大器，具有第一輸入端、第二輸入端以及輸出端，該第二放大器的第一輸入端耦接於該第二電阻的第二端，該第二放大器的第二輸入端耦接於該第四電阻的第一端，且該第二放大器的輸出端產生該第二偏壓。
4. 如申請專利範圍第3項所述的電壓產生裝置，其中該初始週期由該控制訊號決定。
5. 如申請專利範圍第3項所述的電壓產生裝置，其中該電流 產生器包括：一第三電晶體，具有第一端、第二端以及控制端，該第三電晶體的第一端耦接至一操作電壓，該第三電晶體的控制端接收該第一偏壓，該第三電晶體的第二端提供該第一電流；一第四電晶體，具有第一端、第二端以及控制端，該第四電晶體的第一端耦接至該操作電壓，該第四電晶體的控制端接收該第二偏壓，該第四電晶體的第二端耦接於該第三電晶體的第二端；以及一第五電晶體，具有第一端、第二端以及控制端，該第五電晶體的第一端耦接至該操作電壓，該第五電晶體的控制端接收該第二偏壓，該第五電晶體的第二端提供該第二電流。
6. 如申請專利範圍第3項所述的電壓產生裝置，其中該電流產生器更包括：一第一截波器，具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端以及第二輸出端，該第一截波器的第一輸入端和第二輸入端分別耦接於該第一電阻與該第二電阻的第二端，該第一截波器的第一輸出端和第二輸出端分別耦接於該第一放大器的第一輸入端和第二輸入端。
7. 如申請專利範圍第3項所述的電壓產生裝置，其中該電流產生器更包括：一第二截波器，具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端以及第二輸出端，該第二截波器的第一輸入端和第二輸入端分別 耦接於該第三電阻與該第四電阻的第一端，該第二截波器的第一輸出端和第二輸出端分別耦接於該第二放大器的第一輸入端和第二輸入端。
8. 如申請專利範圍第3項所述的電壓產生裝置，其中該第一放大器與該第二放大器各具有一截波輸出級。