TWI505194B - 溫度感測裝置、切換電容裝置及其電壓積分電路 - Google Patents

Description

溫度感測裝置、切換電容裝置及其電壓積分電路

本發明是有關於一種電壓積分電路，且特別是有關於一種具有低增益且/或低速運算放大器的電壓積分電路。

請參照圖1，圖1是傳統電壓積分器100的電路圖。電壓積分器100包括電容C1與運算放大器OP1。運算放大器OP1具有正相輸入端、反相輸入端以及輸出端。運算放大器的正相輸入端接收參考電壓Vref。電容C1耦接於運算放大器OP1的反相輸入端與輸出端之間。運算放大器OP1的反相輸入端接收電流I_IN ，且運算放大器OP1的輸出端產生輸出差值(output delta)Vout。

在電壓積分器100的運作中，電流I_IN 流入運算放大器OP1的反相輸出端，且運算放大器其輸出端上的輸出電壓Vout可以如方程式(1)所示：輸出差值Vout=I_IN ×C1×t+Vneg，其中t代表時間。

若運算放大器OP1的增益夠大(即大於60dB)，則運算 放大器OP1其反相輸入端上的電壓Vneg與參考電壓Vref幾乎相等，故輸出差值Vout=I_IN ×C1×t+Vref。然而，若運算放大器OP1的增益不夠大時，輸出差值Vout=I_IN ×C1×t+Vref+Voffset，其中電壓Voffset為運算放大器OP1的偏移電壓(offset voltage)。

當電流I_IN 流入運算放大器OP1時，輸出電壓Vout可被運算放大器OP1的輸出狀態拉低(或拉升)。若運算放大器OP1不具高增益或運算放大器OP1的響應時間(response time)很慢，運算放大器OP1將具有可變的電壓Voffset，電壓積分器的性能也會因此而降低。

本發明提供一種電壓積分電路，藉以提供具有高度準確的輸出電壓。

本發明提供一種具有上述電壓積分電路的溫度感測裝置。

本發明更提供一種具有上述電壓積分電路的切換電容裝置。

電壓積分電路包括運算放大器、電容以及電流源。運算放大器具有正相輸入端、反相輸入端以及輸出端。運算放大器的輸出端產生輸出電壓，且其正相輸入端接收參考電壓。電容耦接於運算放大器的輸出端與反相輸入端之間。電流源耦接於運算放 大器的輸出端。電流源從電容汲取複製電流，且此複製電流的電流準位是依據流入運算放大器其反相輸入端的電流的電流準位來決定。

溫度感測裝置包括電流產生器以及電壓積分電路。電流產生器依據環境溫度而產生溫度感測電流。電壓積分電路包括運算放大器、電容以及電流源。運算放大器具有正相輸入端、反相輸入端以及輸出端。運算放大器的輸出端產生輸出電壓，其正相輸入端接收參考電壓，且運算放大器的反相輸入端接收溫度感測電流。電容耦接於運算放大器的輸出端與反相輸入端之間。電流源耦接於運算放大器的輸出端。電流源從電容汲取複製電流，且複製電流的電流準位是依據溫度感測電流的電流準位來決定。

切換電容裝置包括切換電容電路以及電壓積分電路。切換電容電路具有第一電容，且切換電容電路切換第一電容以接收輸入電壓或參考電壓，並藉以產生輸出電流。電壓積分電路耦接於切換電容電路以接收輸出電流。電壓積分電路包括第一運算放大器、第二電容以及電流源。第一運算放大器具有正相輸入端、反相輸入端以及輸出端。第一運算放大器的輸出端產生輸出電壓。正相輸入端接收一參考電壓，且該運算放大器的反相輸入端接收該輸出電流。第二電容耦接於第一運算放大器的輸出端與反相輸入端之間。電流源耦接於第一運算放大器的輸出端。電流源從第二電容汲取複製電流，且複製電流的電流準位是依據輸出電流的電流準位來決定。

因此，本發明提供一種電壓積分電路，以及用以從電壓積分電路中的運算放大器的電容汲取複製電流的電流源。藉此，運算放大器其反相輸入端上的電壓為常數，而與流入運算放大器其反相輸入端的電流的變化無關。也就是說，運算放大器的偏移電壓在電壓積分電路運作期間不會改變，進而實現藉由電壓積分電路來產生高度準確的輸出電壓。

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‧‧‧電壓積分器

200‧‧‧電壓積分電路

210、410‧‧‧電流源

300‧‧‧溫度感測裝置

310‧‧‧電流源

330‧‧‧電流產生器

400‧‧‧切換電容裝置

430‧‧‧切換電容電路

C1、C2、C3‧‧‧電容

CTB‧‧‧控制訊號

CT‧‧‧反向控制訊號

GND‧‧‧參考電壓

IE1‧‧‧正相輸入端

IE2‧‧‧反相輸入端

I_IN 、I_IN 1、I_IN 2‧‧‧電流

I_IN _RE‧‧‧複製電流

INV1‧‧‧反向器

IS1、IS2‧‧‧電流源

OE‧‧‧輸出端

OP1、OP2‧‧‧運算放大器

ph1、ph2‧‧‧控制訊號

SW1~SW4、SW41~SW48‧‧‧開關

TA‧‧‧端點

VCC‧‧‧參考電壓

Vclamp‧‧‧箝位電壓

Vin‧‧‧輸入電壓

Vneg‧‧‧反相輸入端上的電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

Vref‧‧‧參考電壓

W1、W2‧‧‧曲線

圖1是傳統電壓積分器100的電路圖。

圖2是依照本發明一實施例所繪示的電壓積分電路200的電路圖。

圖3A是依照本發明一實施例所繪示的溫度感測裝置300的電路圖。

圖3B繪示溫度感測碼(Temperature sensor code)對於環境溫度的關係。

圖4是切換電容裝置400的電路圖。

請參照圖2，圖2是依照本發明一實施例所繪示的電壓積 分電路200的電路圖。電壓積分電路200包括運算放大器OP1、電容C1以及電流源210。運算放大器OP1具有正相輸入端IE1、反相輸入端IE2以及輸出端OE。運算放大器OP1的輸出端OE產生輸出電壓Vout，運算放大器OP1並經由正相輸入端IE1接收參考電壓Vref。電流I_IN 饋入運算放大器OP1的反相輸入端IE2，藉此而在運算放大器OP1的反相輸入端IE2上產生電壓Vneg。運算放大器OP1在其輸出端OE上產生輸出電壓Vout。電流源210耦接於運算放大器OP1的輸出端OE以及電容C1，且電流源210用來從電容C1汲取複製電流I_IN _RE。在此請注意，複製電流I_IN _RE會依據電流I_IN 而變化。詳細來說，複製電流I_IN _RE的電流準位正比於流入運算放大器OP1其反相輸入端IE2的電流的電流準位。此外，當電流I_IN 因變化的複製電流I_IN _RE以及運算放大器OP1的負回饋而變化時，電壓Vneg可維持在定值。

由於在運算放大器OP1其反相輸入端IE2上的電壓Vneg為定值，運算放大器OP1的偏移電壓不會改變。若運算放大器OP1是低增益運算放大器，則輸出電壓Vout=I_IN ×C1×t+Vref+Voffset(其中電壓Voffset為運算放大器OP1的偏移電壓)。因為電壓Voffset為定值，故並不需額外對運算放大器OP1拉升或拉低輸出電壓Vout。

若運算放大器OP1的響應速度很慢，運算放大器OP1實際上不需要大幅拉升或拉低其輸出電壓Vout。如此一來，具有低響應速度的運算放大器OP1可用於相對高速電路。

請參照圖3A，圖3A是依照本發明一實施例所繪示的溫 度感測裝置300的電路圖。溫度感測裝置300包括電流產生器330，以及由運算放大器OP1、電容C1和電流源310組成的電壓積分電路。電流源310為電流鏡。電流產生器330藉由感測環境溫度以產生溫度感測電流I_IN 1。詳細來說，電流產生器330包括電流源IS1、IS2以及開關SW1~SW4。電流源IS1耦接參考電壓VCC，且電流源IS1提供具有第一溫度係數的第一電流。電流源IS2耦接參考電壓GND，且電流源IS2提供具有第二溫度係數的第二電流。其中，第一和第二溫度係數為互補。在本實施例中，第一溫度係數為正溫度係數，而第二溫度係數為負溫度係數。

開關SW1耦接於電流源IS1與端點TA之間，並受控於 控制訊號CTB以連接或斷開電流源IS1和端點TA之間的連接路徑。當開關SW1為閉合時，電流源IS1提供第一電流至端點TA，而當開關SW1為截止時，電流源IS1停止提供第一電流至端點TA。第二開關SW2耦接於端點TA與第二電流源IS2之間。開關SW2受控於反向控制訊號CT。當開關SW2閉合時，電流源IS2提供第二電流至端點TA，而當開關SW2截止時，電流源IS2停止提供第二電流至端點TA。

開關SW3耦接於電流源IS1與箝位電壓(clamping voltage)Vclamp之間。開關SW3受控於反向控制訊號CT以開啟(閉合)或關閉(截止)。開關SW4耦接於電流源IS2與箝位電壓Vclamp之間。開關SW4受控於控制訊號CTB以開啟(閉合)或 關閉(截止)。

在溫度感測裝置300的運作中，電流源IS1和IS2用以感測環境溫度。當環境溫度增高時，第一電流源IS1產生的第一電流增加，而第二電流源IS2產生的第二電流因此減少。藉由開關SW1至SW4的切換動作，電流I_IN 1根據增加的環境溫度而增加，運算放大器OP1因此產生相對應的輸出電壓Vout。相對而言，當環境溫度降低時，第一電流源IS1產生的第一電流減少，而第二電流源IS2產生的第二電流因此增加。藉由開關SW1~SW4的切換動作，電流I_IN 1依據降低的環境溫度而減少．運算放大器OP1也因此產生相對應的輸出電壓Vout。

另一方面，透過將反向控制訊號CT饋入至反向器INV1，控制訊號CTB可經由反向器INV1而產生。此外，在本實施例中，參考電壓Vref與箝位電壓Vclamp可為相同。

在此請注意，藉由維持電壓Vneg為定值，當環境溫度改變時，運算放大器OP1的偏移電壓將不會改變。也就是說，運算放大器OP1可產生準確的輸出電壓Vout。

請參照圖3B，圖3B繪示溫度感測碼對於環境溫度的關係，其中溫度感應碼是依據來自運算放大器OP1的輸出電壓Vout而產生。曲線W1是對於圖3A的實施例的關係曲線，曲線W2則是藉由使用圖1的電壓積分器100而得到的關係曲線。可以明顯看出，曲線W2上具有大變化。

請參照圖4，圖4是切換電容裝置400的電路圖。切換電 容裝置400包括切換電容電路430，以及由電流源410、運算放大器OP1與電容C1組成的電壓積分電路。切換電容電路430具有電容C2，且切換電容電路430切換電容C2以接收輸入電壓Vin或參考電壓Vref，藉以產生輸出電流I_IN 2。切換電容電路430更包括開關SW45-SW48。開關SW45耦接於輸入電壓Vin與電容C2之間，並依據控制訊號ph1決定是否傳送輸入電壓Vin至電容C2的第一端。開關SW46耦接於參考電壓Vref與電容C2之間，並依據控制訊號ph2決定是否傳送參考電壓Vref至電容C2的第一端。開關SW47耦接於電容C2與運算放大器OP1之間，並用以依據控制訊號ph2決定是否連接電容C2的第二端至運算放大器OP1的反相輸入端。開關SW48耦接於電容C2與參考電壓Vref之間，並用以依據控制訊號ph1決定是否連接電容C2的第二端至參考電壓Vref。

在本實施例中，開關SW45與開關SW46不會同時開啟，且開關SW47與開關SW48不會同時開啟。

電流源410包括運算放大器OP2、電容C3以及開關SW41-44。運算放大器OP2的一輸入端耦接於運算放大器OP1的輸出端。開關SW41耦接於參考電壓Vref與電容C3之間，並依據控制訊號ph1決定是否傳送參考電壓Vref至電容C3的第一端。開關SW42耦接於輸入電壓Vin與電容C3之間，並依據控制訊號ph2決定是否傳送輸入電壓Vin至電容C3的第一端。開關SW43耦接於電容C3與運算放大器OP1的輸出端之間，並依據控制訊 號ph2決定是否連接運算放大器OP1的輸出端至電容C3的第二端。開關SW44耦接於電容C3與運算放大器OP2的輸出端之間，並依據控制訊號ph1決定是否連接運算放大器OP2的輸出端至電容C3的第二端。

在本實施例中，開關SW41與SW42不會同時開啟，且開關SW43與開關SW44不會同時開啟。

綜上所述，本發明提供一種用以從電壓積分電路中的電容汲取複製電流的電流源。複製電流的電流準位會依據流入電壓積分電路中運算放大器其反相輸入端的電流準位而改變。也就是說，運算放大器其反相輸入端上的電壓可維持定值，且運算放大器的偏移電壓不會改變。藉此，無論運算放大器是低增益和/或運算放大器的響應時間很慢，皆可實現藉由電壓積分電路來產生高度準確的輸出電壓。

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。

200‧‧‧電壓積分電路

210‧‧‧電流源

C1‧‧‧電容

I_IN ‧‧‧電流

I_IN _RE‧‧‧複製電流

IE1‧‧‧正相輸入端

IE2‧‧‧反相輸入端

OE‧‧‧輸出端

OP1‧‧‧運算放大器

Vneg‧‧‧反相輸入端上的電壓

Vref‧‧‧參考電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

Claims (16)

1. 一種電壓積分電路，包括：一運算放大器，具有一正相輸入端、一反相輸入端以及輸出端，該運算放大器的輸出端產生一輸出電壓，且該正相輸入端接收一參考電壓；一電容，具有第一端直接連接該反相輸入端，並具有第二端直接連接該運算放大器的輸出端；以及一電流源，耦接於該運算放大器的該輸出端，該電流源從該電容的第二端汲取一複製電流，且該複製電流的電流準位是依據流入該運算放大器的該反相輸入端的電流的電流準位來決定。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電壓積分電路，其中該運算放大器的該反相輸入端上的電壓的電壓準位為定值。
3. 如申請專利範圍第1項所述的電壓積分電路，其中該複製電流的電流準位正比於流入該運算放大器的該反相輸入端的電流的電流準位。
4. 如申請專利範圍第1項所述的電壓積分電路，其中該複製電流是藉由鏡射流入該運算放大器的該反相輸入端的電流而產生。
5. 如申請專利範圍第4項所述的電壓積分電路，其中該電流源包括：一電流鏡，耦接於該運算放大器的輸出端，該電流鏡產生該複製電流，且該複製電流是藉由鏡射流入該運算放大器的該反相 輸入端的電流而產生。
6. 一種溫度感測裝置，包括：一電流產生器，依據一環境溫度而產生一溫度感測電流；以及一電壓積分電路，耦接該電流產生器，包括：一運算放大器，具有一正相輸入端、一反相輸入端以及輸出端，該運算放大器的輸出端產生一輸出電壓，該正相輸入端接收一參考電壓，且該運算放大器的該反相輸入端接收該溫度感測電流；一電容，具有第一端直接連接該反相輸入端，並具有第二端直接連接該運算放大器的該輸出端；以及一第一電流源，耦接於該運算放大器的該輸出端，該第一電流源從該電容的第二端汲取一複製電流，且該複製電流的電流準位是依據該溫度感測電流的電流準位來決定。
7. 如申請專利範圍第6項所述的溫度感測裝置，其中該運算放大器的該反相輸入端上的電壓的一電壓準位為定值。
8. 如申請專利範圍第6項所述的溫度感測裝置，其中該複製電流的電流準位正比於該溫度感測電流的電流準位。
9. 如申請專利範圍第6項所述的溫度感測裝置，其中該複製電流是藉由鏡射該溫度感測電流而產生。
10. 如申請專利範圍第9項所述的溫度感測裝置，其中該第一電流源包括： 一電流鏡，耦接於該運算放大器的該輸出端，該電流鏡產生藉由鏡射該溫度感測電流而產生的該複製電流。
11. 如申請專利範圍第6項所述的溫度感測裝置，其中該電流產生器包括：一第二電流源，提供具有一第一溫度係數的一第一電流；一第三電流源，提供具有一第二溫度係數的一第二電流，該第一溫度係數與該第二溫度係數為互補；一第一開關，耦接於該第二電流源與該運算放大器的該反相輸入端之間，該第一開關受控於一控制訊號以開啟或關閉；一第二開關，耦接於該第三電流源與該運算放大器的該反相輸入端之間，該第二開關受控於一反向控制訊號以開啟或關閉，其中該第一開關與該第二開關的狀態為互補；一第三開關，耦接於該第二電流源與一箝位電壓之間，該第三開關受控於該反向控制訊號以開啟或關閉；以及一第四開關，耦接於該第三電流源與該箝位電壓之間，該第四開關受控於該控制訊號以開啟或關閉，其中該第三開關與該第四開關的狀態為互補，且該第三開關與該第一開關的狀態為互補。
12. 一種切換電容裝置，包括：一切換電容電路，該切換電容電路具有一第一電容，且該切換電容電路切換該第一電容以接收一輸入電壓或一參考電壓，並藉以產生一輸出電流；以及一電壓積分電路，耦接於該切換電容電路以接收該輸出電 流，該電壓積分電路包括：一第一運算放大器，具有一正相輸入端、一反相輸入端以及輸出端，該第一運算放大器的輸出端產生一輸出電壓，該正相輸入端接收該參考電壓，且該運算放大器的該反相輸入端接收該輸出電流；一第二電容，具有第一端直接連接該反相輸入端，並具有第二端直接連接該第一運算放大器的輸出端；以及一電流源，耦接於該第一運算放大器的輸出端，該電流源從該第二電容的第二端汲取一複製電流，且該複製電流的一電流準位是依據該輸出電流的電流準位來決定。
13. 如申請專利範圍第12項所述的切換電容裝置，其中該第一運算放大器的該反相輸入端上的電壓的電壓準位為定值。
14. 如申請專利範圍第12項所述的切換電容裝置，其中該複製電流的電流準位正比於該輸出電流的電流準位。
15. 如申請專利範圍第12項所述的切換電容裝置，其中該電流源包括：一第二運算放大器，該第二運算放大器的一輸入端耦接於該第一運算放大器的輸出端；一第三電容，具有第一端以及第二端；一第一開關，依據一第一控制訊號來決定是否傳送該參考電壓至該第三電容的第一端；一第二開關，依據一第二控制訊號來決定是否傳送該輸入電 壓至該第三電容的第一端；一第三開關，用以依據該第二控制訊號決定是否連接該第一運算放大器的該輸出端至該第三電容的該第二端；以及一第四開關，用以依據該第一控制訊號決定是否連接該第二運算放大器的輸出端至該第三電容的該第二端。
16. 如申請專利範圍第15項所述的切換電容裝置，其中該切換電容電路更包括：一第五開關，依據該第一控制訊號來決定是否傳送該輸入電壓至該第一電容的第一端；一第六開關，依據該第二控制訊號來決定是否傳送該參考電壓至該第一電容的第一端；一第七開關，用以依據該第二控制訊號決定是否連接該第一電容的第二端至該第一運算放大器的該反相輸入端；以及一第八開關，用以依據該第一控制訊號決定是否連接該第一電容的第二端至該參考電壓。