TWI528369B - 參考供應電壓產生裝置 - Google Patents

Description

參考供應電壓產生裝置

本發明系關於一種電子裝置；特別關於一種參考供應電壓產生裝置。

第1圖顯示一習知參考供應電壓產生電路100之示意圖。參考供應電壓產生電路100包含有一高壓電晶體MHV、一PMOS電晶體MPS、一放大器AMP、一電流源Ibias、以及電阻R1、R2、Ra、Rb。而參 考供應電壓產生電路100之回授數值係回授至放大器AMP之正端。

另一利用負回授運作之習知參考供應電壓產生電路200，如第2圖所示。參考供應電壓產生電路200包含有一高壓電晶體MHV、一電晶體MNS、一放大器AMP、一電流源Ibias、以及電阻R1、R2、Ra、Rb。習知參考供應電壓產生電路200與100之差異在於，習知參考供應電壓產 生電路200之內部採用NMOS電晶體，且回授數值係回授至放大器AMP之負端。

以第1圖之習知參考供應電壓產生電路100說明。習知電壓產生電路100利用負回授架構產生大小介於高壓供應電壓VDDH與低壓供應電壓VDD間的參考供應電壓VSSH，如該圖所示，將高壓供應電壓 VDDH乘以回授數值後經由放大器AMP放大，以驅動電晶體MPS。接著，再提供低壓供應電壓VDD來驅動高壓電晶體MHV後產生參 考供應電壓VSSH。

依此方式，習知參考供應電壓產生電路100中除了高壓電晶體MHV以外，其他電路的設計可以避免使用高壓電晶體。然而，習知參考供應電壓產生電路100、200採用之負回授架構需要進行頻率響應分析與頻率補償，且因為需要進行頻率補償，因此參考供應電壓產生電路100、200之頻寬會受到限制，進而造成習知參考供應電壓產生電路100、200之反應速度較慢。

為解決上述問題，本發明之目地之一在提供一種開迴路系統之參考供應電壓產生裝置。

本發明之目地之一在提供一種非回授系統之參考供應電壓產生裝置。

本發明之目地之一在提供一種可達到高速的暫態反應之參考供應電壓產生裝置。

本發明之目地之一在提供一種參考供應電壓產生裝置，用以解決習知技術負回授架構之頻寬限制導致暫態反應緩慢的問題。

本發明之一實施例提供了一種參考供應電壓產生裝置，包含有一第一電阻元件、一第二電阻元件、一第一高壓電晶體、一第二高壓電晶體、以及一高壓電流源。第一電阻元件之一第一端耦接一高壓供應電壓，用以於一第一路徑產生一電壓。第二電阻元件之一第一端耦接高壓供應電壓，用以限制一第二路徑之電流。第一高壓電晶體，其第一端耦接第 一電阻元件之一第二端，控制端耦接第一高壓電晶體之第二端，形成一第一節點。第二高壓電晶體之第一端耦接第二電阻元件之一第二端，形成一輸出節點，控制端耦接第一高壓電晶體之控制端，第二端耦接一低電壓位準。高壓電流源之一端耦接第一節點，另一端耦接低電壓位準。其中，輸出節點依據高壓電流源提供之一參考電流產生一參考供應電壓，參考供應電壓用以供電給包含反相器及放大器的數位與類比電路使用。

本發明之另一實施例提供了一種參考供應電壓產生裝置，包含有一第一電阻元件、一第二電阻元件、一第一高壓電晶體、一第二高壓電晶體、以及一高壓電流源。第一電阻元件之一第一端耦接一高壓供應電壓，用以於一第一路徑產生一電壓。第二電阻元件之一第一端耦接高壓供應電壓，用以限制一第二路徑之電流。第一高壓電晶體之第一端耦接第一電阻元件之一第二端，控制端耦接第一高壓電晶體之第二端，形成一第一節點。第二高壓電晶體之第一端耦接第二電阻元件之一第二端，形成一輸出節點，一控制端耦接第一高壓電晶體之控制端，一第二端耦接一參考電壓位準。高壓電流源包含由一低壓供應電壓控制之一第三高壓電晶體，高壓電流源之第一端耦接第一節點，第二端耦接參考電壓位準。其中，輸出節點依據高壓電流源提供之一參考電流產生一參考供應電壓，參考供應電壓小於高壓供應電壓之位準且大於低壓供應電壓之位準。

本發明之另一實施例提供了一種參考供應電壓產生裝置，包含有一第一電阻元件、一第二電阻元件、一第一高壓電晶體、一第二高壓電晶體、以及一高壓電流源。第一電阻元件之一第一端耦接一參考電壓，用以於一第一路徑產生一電壓。第二電阻元件之一第一端耦接參考電壓， 用以限制一第二路徑之電流。第一高壓電晶體之第一端耦接第一電阻元件之一第二端，控制端耦接第一高壓電晶體之第二端，形成一第一節點。第二高壓電晶體之第一端耦接第二電阻元件之一第二端，形成一輸出節點，一控制端耦接第一高壓電晶體之控制端，一第二端耦接一低壓供應電壓。高壓電流源，其包含由一低電壓位準控制之一第三高壓電晶體，高壓電流源之第一端耦接第一節點，第二端耦接低壓供應電壓。其中，輸出節點依據高壓電流源提供之一參考電流產生一相對低準位之參考供應電壓，相對低準位之參考供應電壓小於低壓供應電壓之位準且大於參考電壓之位準。

本發明實施例之參考供應電壓產生裝置為一開迴路(open loop)系統，非為回授系統，可達成高速的暫態反應，並產生介於高壓供應電壓與低壓供應電壓之間的參考供應電壓，或是產生介於低壓供應電壓與參考電壓之間的相對低準位之參考供應電壓。而可解決習知技術中負回授架構之頻寬限制導致暫態反應緩慢的問題。且其中，參考供應電壓、或相對低位準之參考供應電壓用以供電給包含反相器及放大器的數位與類比電路使用，亦即以參考供應電壓或相對低位準之參考供應電壓作為其電壓源。

100、200‧‧‧電壓產生電路

300、400a、400b‧‧‧參考供應電壓產生裝置

R1、R2、Ra、Rb‧‧‧電阻

AMP‧‧‧放大器

MHV、MHV1、MHV2、MHV3‧‧‧高壓電晶體

MPS、MNS、MP1、MP2

IHbias‧‧‧高壓電流源

Ibias‧‧‧電流源

第1圖顯示一習知電壓產生電路100之示意圖。

第2圖顯示另一習知負回授電壓產生電路200之示意圖。

第3圖顯示本發明一實施例之一種參考供應電壓產生裝置300之示意圖。

第4A圖顯示本發明另一實施例之參考供應電壓產生裝置400a之示意圖。

第4B圖顯示本發明另一實施例之參考供應電壓產生裝置400b之示意圖。

第5A圖顯示第1圖習知電壓產生電路100之電流、參考供應電壓與電晶體之閘源電壓之波形圖。

第5B圖顯示本發明一實施例之參考供應電壓產生裝置之電流、參考供應電壓與電晶體之閘源電壓之波形圖。

第5C圖顯示本發明另一實施例之參考供應電壓產生裝置之電流、參考供應電壓與電晶體之閘源電壓之波形圖。

第3圖顯示本發明一實施例之一種參考供應電壓產生裝置之示意圖。參考供應電壓產生裝置300包含有一第一電阻元件R1、一第二電阻元件R2、一第一高壓電晶體MHV1、一第二高壓電晶體MHV2、以及一高壓電流源IHbias。

第一電阻元件R1，其一第一端耦接一高壓供應電壓VDDH，用以於一第一路徑P1產生一電壓VR1。

第二電阻元件R2，其一第一端耦接高壓供應電壓VDDH，用以限制一第二路徑P2之電流I2。

第一高壓電晶體MHV1，其源極(第一端)耦接第一電阻元件R1之一第二端，閘極(控制端)耦接該第一高壓電晶體MHV1之汲極(第二 端)，形成一第一節點N1。

第二高壓電晶體MHV2，其源極(第一端)耦接第二電阻元件R2之一第二端，形成一輸出節點NO，閘極(控制端)耦接第一高壓電晶體MHV1之閘極(控制端)，其汲極(第二端)耦接一低電壓位準VSS。其中，低電壓位準VSS可為0V或其他大小之電壓值。

高壓電流源IHbias一端耦接第一節點N1，一端耦接低電壓位準VSS。

於運作時，輸出節點NO依據高壓電流源IHbias提供之一參考電流Iref產生一參考供應電壓VSSH，且參考供應電壓VSSH小於高壓供應電壓VDDH之電壓大小。一實施例，假設R1=R2、第一高壓電晶體MHV1之寬長比(Width/Length)小於第二高壓電晶體MHV2之寬長比，根據參考電流Iref與電阻R1之大小，可設計出電阻R1跨壓VR1之大小，且依據電流鏡原理，第一路徑P1之參考電流Iref近似於第二路徑之電流Io。接著，因為電流Iref與Io約略相同，則第一電阻R1之跨壓VR1約略等於第二電阻R2之跨壓VR2。因此，參考供應電壓VSSH等於高壓供應電壓VDDH減第二電阻跨壓VR2，VSSH=VDDH-VR2；或參考供應電壓VSSH約略等於高壓供應電壓VDDH減第一電阻跨壓VR1，VSSH≒VDDH-VR1。依此方式，參考供應電壓產生裝置200可依據所欲設計之電壓需求，藉由調整參考電流Iref的電流大小、或第一電阻R1與第二電阻R2與的電阻值，來產生所需大小之參考供應電壓VSSH。一實施例之設計中，參考供應電壓VSSH之位準可設計為低於高壓供應電壓VDDH之位準，且高於一低壓供應電壓VDD之位準。其中，參考供應電壓VSSH用以供電給包含反相器及 放大器的數位與類比電路使用，亦即參考供應電壓VSSH作為包含反相器及放大器的數位與類比電路之電壓源。

依此方式，本發明實施例之參考供應電壓產生裝置200可藉由調整高壓電流源IHbias與電阻R1、R2之大小，產生相對應之參考電壓VSSH。再者，本發明實施例之參考供應電壓產生裝置200為一開迴路系統，非為回授系統，因此可達成高速的暫態反應，解決習知技術負回授因為頻寬限制而導致暫態反應緩慢的問題。

需注意，一實施例中，上述第一電阻元件R1與第二電阻元件R2大小可不同(不匹配)。第一電阻元件R1與第二電阻元件R2除了利用電阻實現外，亦可利用其他元件來實現。例如第一電阻元件R1是用以製造跨壓，因此第一電阻元件R1一實施例可採用一金氧半導體電路(Metal oxide semiconductor structure MOS)或二極體來實施。而第二電阻元件R2是利用第二電阻元件R2之阻抗跨壓來決定一靜態電流(Quiescent current)，亦即在電路穩態(steady state)時提供一限流功能，因此第二電阻元件R2一實施例可採用金氧半導體電路來實施。

另一實施例中，第一高壓電晶體MHV1與第二高壓電晶體MHV2可不相同(不匹配)。通常第二高壓電晶體MHV2之寬長比遠大於第一高壓電晶體MHV1之寬長比，第二高壓電晶體MHV2用以提供大電流至低電壓位準VSS或其它節點，以使參考供應電壓VSSH有足夠的驅動能力供電給包含反相器及放大器的數位與類比電路。

第4A圖顯示本發明另一實施例之參考供應電壓產生裝置400a之示意圖。參考供應電壓產生裝置400a與參考供應電壓產生裝置300 之差異為，參考供應電壓產生裝置400a包含有高壓電流源IHbias之一實施例之示意圖。該圖中，高壓電流源IHbias包含有一電流源Ibias、一第一電晶體MP1、一第二電晶體MP2、以及一第三高壓電晶體MHV3。

電流源Ibias設於第三路徑P3。

第一電晶體MP1設於第三路徑P3，其源極(第一端)耦接電流源Ibias與其閘極(控制端)，汲極(第二端)耦接低電壓位準VSS(例如接地位準0V或其他數值之低電壓位準)。

第二電晶體MP2設於第二路徑P2，其閘極(控制端)耦接第一電晶體MP1之閘極(控制端)，其汲極(第二端)耦接低電壓位準VSS。

第三高壓電晶體MHV3設於第一路徑P1，第三高壓電晶體MHV3用以承受高壓，保護電路中的低壓電晶體如電晶體MP1與MP2。第三高壓電晶體MHV3之源極(第一端)耦接第一節點N1，汲極(第二端)耦接第二電晶體MP2之源極(第一端)。一實施例中，第三高壓電晶體MHV3之閘極(控制端)接收一低壓供應電壓VDD，依據低壓供應電壓VDD之控制運作，因此由於高壓電晶體MHV1、MHV2、與MHV3及第4A圖中其它元件之耦接關係，參考供應電壓VSSH之位準為低於高壓供應電壓VDDH之位準，且高於低壓供應電壓VDD之電壓位準。需注意，本發明第三高壓電晶體MHV3接收之電壓不限於此，第三高壓電晶體MHV3之閘極(控制端)可接收其他數值大小之電壓。

在一些實施例中，在一般使用狀況下，即高壓電晶體與(標準)電晶體不混用的一些電路中，高壓電晶體的供電電源為高壓供應電壓VDDH，(標準)電晶體的供電電源為低壓供應電壓VDD(標準電壓)。

在一些實施例中，在高壓供應電壓VDDH與低壓供應電壓VDD(標準電壓)混合使用之環境下，使用的元件包含高壓電晶體與一般之(標準電壓)電晶體，其汲極源極之間(Drain-Source)的耐壓分別為大於高壓供應電壓VDDH與大於低壓供應電壓VDD，閘極源極之間的耐壓皆為低壓供應電壓VDD，為了使(標準電壓)P型電晶體可以在安全的驅動電壓開關，需設計產生一參考供應電壓VSSH，使得VDDH-VSSH<VDD，透過參考供應電壓產生裝置400a中電流源電流大小、(高壓)電晶體寬長比大小、各元件與高壓供應電壓VDDH及低壓供應電壓VDD的連接關係、以及電阻元件大小的選取設計可使得其相關電壓滿足上述條件。

一實施例，參考供應電壓產生裝置400a運作時，可控制參考供應電壓VSSH之位準大小，即利用調整高壓電流源IHbias之量相對應控制參考供應電壓VSSH之位準變動量。舉例說明，一實施例，可調整高壓電流源IHbias之電流源Ibias之電流，使第三路徑P3之電流增加或減少，相對應地讓第一路徑P1之參考電流Iref增加或減少，而當參考電流Iref增加或減少時第二路徑P2之電流Io亦會相對應地增加或減少，以減小或增大參考供應電壓VSSH之大小。依此方式，可控制參考供應電壓產生裝置400a產生之參考供應電壓VSSH大小。另外，如前述本發明實施例之參考供應電壓產生裝置400a亦可利用調整第一電阻R1與第二電阻R2與的電阻值來相對應地控制參考供應電壓VSSH之位準變動量。其中，當參考電流Iref或電流源Ibias之電流及第一電阻R1或第二電阻R2之電阻越大時，參考供應電壓VSSH其中，當參考電流Iref或電流源Ibias之電流及第一電阻R1或第二電阻R2之數值越大時，參考供應電壓VSSH的準位越低。

請注意，參考供應電壓VSSH與高壓供應電壓VDDH或低壓供應電壓VDD之間並沒有(負)回授路徑。

再者，第4B圖顯示本發明另一實施例之參考供應電壓產生裝置400b之示意圖。參考供應電壓產生裝置400b包含有一第一電阻元件R1、一第二電阻元件R2、一第一高壓電晶體MHV1、一第二高壓電晶體MHV2、以及一高壓電流源IHbias。高壓電流源IHbias包含有一電流源Ibias、一第一電晶體MP1、一第二電晶體MP2、以及一第三高壓電晶體MHV3。如該圖所示，若已知參考供應電壓產生裝置400b耦接一參考電壓VREF，則可設計出一相對低準位之相對低準位之參考供應電壓VDDL，使得相對低準位之參考供應電壓VDDL減參考電壓會小於低壓供應電壓VDD，VDDL-VREF<VDD、或另一實施例為相對低準位之參考供應電壓VDDL小於低壓供應電壓VDD之位準且大於參考電壓VREF之位準依此方式，可將適用於標準電壓的電晶體或其他元件設計於參考供應電壓VDDL與參考電壓VREF之間，其中參考電壓VREF可為一負壓，且相對低位準之參考供應電壓VDDL用以供電給包含反相器及放大器的數位與類比電路使用，亦即以相對低位準之參考供應電壓VDDL作為包含反相器及放大器的數位與類比電路之電壓源。熟悉本領域之技術者應依據上述說明了解第4B圖之電路運作方式與細節，不再此贅述。相似地，相對低位準之參考供應電壓VDDL與低壓供應電壓VDD或參考電壓VREF之間亦沒有(負)回授路徑。

第5A圖顯示第1圖習知電壓產生電路100之參考供應電壓VSSH之輸出或輸入電流、參考供應電壓VSSH與電晶體之閘源電壓VGS 之波形圖。第5B、5C圖顯示本發明實施例之參考供應電壓產生裝置400a、400b之參考供應電壓VSSH之輸出或輸入電流、參考供應電壓VSSH與電晶體之閘源電壓VGS之波形圖。由第5A圖中可知，當電壓產生電路100之參考供應電壓VSSH的輸出或輸入電流I產生變化時，習知技術電壓產生電路100之參考供應電壓VSSH與電晶體閘源電壓VGS會有一不穩定之下降突波pw，其回穩需要一段時間，此為負回授導致回穩品值不佳之問題；相對地，第5B、5C圖顯示本發明實施例中，在參考供應電壓產生裝置400a、400b之參考供應電壓VSS或相對低準位之參考供應電壓VDDL的輸出或輸入電流I產生變化時，其相對變化小且迅速回穩，可達快速穩定之功效。

本發明實施例之電壓產生裝置，利用高壓電晶體MHV2提供電流路徑，且參考電流Iref與電阻R1、R而設計出參考電壓VSSH=VDDH-VR2，而可達成產生需求參考電壓之功效，且屬於開迴路系統，無使用回授系統，因此可達成高速暫態反應之功效。

300‧‧‧參考供應電壓產生裝置

R1、R2‧‧‧電阻

MHV1、MHV2‧‧‧高壓電晶體

IHbias‧‧‧高壓電流源

Claims (15)

1. 一種參考供應電壓產生裝置，包含：一第一電阻元件，一第一端耦接一高壓供應電壓，用以於一第一路徑產生一電壓；一第二電阻元件，一第一端耦接該高壓供應電壓，用以限制一第二路徑之電流；一第一高壓電晶體，其第一端耦接該第一電阻元件之一第二端，控制端耦接該第一高壓電晶體之第二端，形成一第一節點；一第二高壓電晶體，其第一端耦接該第二電阻元件之一第二端，形成一輸出節點，一控制端耦接該第一高壓電晶體之控制端，一第二端耦接一參考電壓位準；以及一高壓電流源，一端耦接該第一節點，另一端耦接該參考電壓位準；其中該輸出節點依據該高壓電流源提供之一參考電流產生一參考供應電壓，該參考供應電壓用以供電給包含反相器及放大器的數位與類比電路使用。
2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該高壓電流源包含有：一電流源，設於一第三路徑；一第一電晶體，設於該第三路徑，其第二端耦接該電流源與其控制端，第一端耦接該參考電壓位準；一第二電晶體，設於該第一路徑，其控制端耦接該第一電晶體之控制端，其第一端耦接該參考電壓位準；以及一第三高壓電晶體，設於該第一路徑，其第二端耦接該第一節點，第一端耦接該第二電晶體之第二端。
3. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中該高壓電流源之該參考電流、該電流源之電流、該第一電阻、及該第二電阻之其中一者數值越大時，該參考供應電壓之準位越低。
4. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中該第三高壓電晶體之控制端耦接一低壓供應電壓。
5. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該參考供應電壓之位準低於該高壓供應電壓之位準，且高於該低壓供應電壓之電壓位準。
6. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該參考供應電壓之位準減去一預設參考電壓小於該低壓供應電壓。
7. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該第二高壓電晶體之寬長比大於該第一高壓電晶體之寬長比。
8. 一種參考供應電壓產生裝置，包含：一第一電阻元件，一第一端耦接一高壓供應電壓，用以於一第一路徑產生一電壓；一第二電阻元件，一第一端耦接該高壓供應電壓，用以限制一第二路徑之電流；一第一高壓電晶體，其第一端耦接該第一電阻元件之一第二端，控制端耦接該第一高壓電晶體之第二端，形成一第一節點；一第二高壓電晶體，其第一端耦接該第二電阻元件之一第二端，形成一輸出節點，一控制端耦接該第一高壓電晶體之控制端，一第二端耦接一參考電壓位準；以及一高壓電流源，其包含由一低壓供應電壓控制之一第三高壓電晶體，該高壓電流源之第一端耦接該第一節點，第二端耦接該參考電壓位準；其中該輸出節點依據該高壓電流源提供之一參考電流產生一參 考供應電壓，該參考供應電壓小於該高壓供應電壓之位準且大於該低壓供應電壓之位準。
9. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該高壓電流源包含有：一電流源，設於一第三路徑；一第一電晶體，設於該第三路徑，其第二端耦接該電流源與其控制端，第一端耦接該參考電壓位準；一第二電晶體，設於該第一路徑，其控制端耦接該第一電晶體之控制端，其第一端耦接該參考電壓位準；以及該第三高壓電晶體，設於該第一路徑，其第二端耦接該第一節點，第一端耦接該第二電晶體之第二端。
10. 如申請專利範圍第9項所述之裝置，其中該高壓電流源之該參考電流、該電流源之電流、該第一電阻、及該第二電阻之其中一者數值越小時，該參考供應電壓之準位越高。
11. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中，該參考供應電壓與該高壓供應電壓或該低壓供應電壓之間沒有回授路徑。
12. 一種參考供應電壓產生裝置，包含：一第一電阻元件，一第一端耦接一參考電壓，用以於一第一路徑產生一電壓；一第二電阻元件，一第一端耦接該參考電壓，用以限制一第二路徑之電流；一第一高壓電晶體，其第一端耦接該第一電阻元件之一第二端，控制端耦接該第一高壓電晶體之第二端，形成一第一節點；一第二高壓電晶體，其第一端耦接該第二電阻元件之一第二端，形成一輸出節點，一控制端耦接該第一高壓電晶體之控制端，一第二端耦接一低壓供應電壓；以及一高壓電流源，其包含由一低電壓位準控制之一第三高壓電晶 體，該高壓電流源之第一端耦接該第一節點，第二端耦接該低壓供應電壓；其中該輸出節點依據該高壓電流源提供之一參考電流產生一相對低準位之參考供應電壓，該相對低準位之參考供應電壓小於該低壓供應電壓之位準且大於該參考電壓之位準。
13. 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中該相對低準位之參考供應電壓與該參考電壓或該低壓供應電壓之間沒有回授路徑。
14. 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中，其中該參考電壓為一負壓。
15. 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中該高壓電流源包含有：一電流源，設於一第三路徑；一第一電晶體，設於該第三路徑，其第二端耦接該電流源與其控制端，第一端耦接該低壓供應電壓；一第二電晶體，設於該第一路徑，其控制端耦接該第一電晶體之控制端，其第一端耦接該參考電壓位準；以及該第三高壓電晶體，設於該第一路徑，其第二端耦接該第一節點，第一端耦接該第二電晶體之第二端。