TWI557528B - 電壓產生電路 - Google Patents

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TWI557528B
TWI557528B TW103134588A TW103134588A TWI557528B TW I557528 B TWI557528 B TW I557528B TW 103134588 A TW103134588 A TW 103134588A TW 103134588 A TW103134588 A TW 103134588A TW I557528 B TWI557528 B TW I557528B
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円星科技股份有限公司
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices

Description

電壓產生電路
本發明涉及一種電壓產生電路，特別是有關一種經由電容補償來產生電壓的電壓產生電路。
通常由於系統沒有提供適當的供應電壓，積體電路會使用低壓差線性穩壓器(LDO)或脈衝寬度調變電路(PWM)來另產生一適當準位值的供電電壓，但此舉除增加電路成本外，LDO或PWM其速度有限且須考慮穩定度的問題，例如當電路應用於操作速度高於1GHz之高速串列資料時LDO或PWM可能就會無法符合需求。
因此本發明的目的之一即在於提供一開關電容式的電壓產生電路以解決上述問題。
根據本發明之一實施例，其包含：(1)一第一驅動單元，具有一第一輸入端及一第一輸出端，其中該第一輸入端用以接收一第一輸入訊號，當該第一輸入訊號為一第一邏輯準位時，一第一電壓端對該第一輸出端充電，並且當該第一輸入訊號為一第二邏輯準位時，該第一輸出端對一第二電壓端放電；(2)一第一開關，根據該第一輸入訊號耦接該第二電壓端至一第一補償電容端；(3)一第一補 償電容，耦接於該第一補償電容端與一第三電壓端之間；以及(4)一第二開關，根據該第一輸入訊號耦接該第一補償電容端至一第四電壓端。
以下將經由說明性實施例及隨附圖式之詳細描述，使本發明之特徵、效益及優勢變得更加明朗。
100、200、500、600、700、800、900、1000‧‧‧電壓產生電路
30‧‧‧第一驅動單元
30a‧‧‧第一驅動單元
30b‧‧‧第二驅動單元
40、80‧‧‧補償單元
41‧‧‧第一開關
42‧‧‧第一補償電容
43‧‧‧第二開關
50‧‧‧穩壓電容
70a‧‧‧開關式電容陣列
70b‧‧‧開關式電容陣列
71‧‧‧補償電容
72‧‧‧補償電容開關
81‧‧‧第一開關
82‧‧‧第一補償電容
83‧‧‧第二開關
84‧‧‧第三開關
85‧‧‧第二補償電容
86‧‧‧第四開關
90‧‧‧電壓比較單元
91‧‧‧控制單元
第1圖為根據本發明一實施例之電壓產生電路的電路圖；第2圖為根據本發明另一實施例之電壓產生電路的電路圖；第3圖為根據本發明一實施例之可調式第一補償電容的電路圖；第4圖為根據本發明另一實施例之可調式第一補償電容的電路圖；第5圖為根據本發明另一實施例之電壓產生電路的電路圖；第6圖為根據本發明另一實施例之電壓產生電路的電路圖；第7圖為根據本發明另一實施例之電壓產生電路的電路圖；第8圖為根據本發明另一實施例之電壓產生電路的電路圖；第9圖為根據本發明另一實施例之電壓產生電路的電路圖；以及第10圖為根據本發明另一實施例之電壓產生電路的電路圖。
以下揭示本發明之說明性實施例。當相同的標號出現在不同圖式中時，其係指相同或類似元件。
請參閱第1圖，其為根據本發明一實施例之電壓產生電路100，其包含一第一驅動單元30、一第一開關41、一第一補償電容42、及一第二開關43。第一驅動單元30具有一第一輸入端I和一第一輸出端O，該第一輸入端I用以接收一第一輸入訊號，當該第一輸入訊號為一第一邏輯準位(如邏輯0)時，一第一電壓端H(例如Vdd端)對該第一輸出端O充電，並且當該第一輸入訊號為一第二邏輯準位(例如邏輯1)時，該第一輸出端O對一第二電壓端L放電。第一驅動單元例如可以包含反向器、緩衝器或前級驅動器。第一開關41根據該第一輸入訊號耦接該第二電壓端L至一第一補償電容端。第一補償電容42耦接於該第一補償電容端與一第三電壓端(例如Vss端或接地)之間。第二開關43，根據該第一輸入訊號耦接該第一補償電容端至一第四電壓端(例如Vss端)。其中，該第三電壓端亦可以為Vdd端，本發明不以此為限。
以第一驅動單元30為一反向器以及第一開關41與第二開關43為NMOS為例，當該第一輸入訊號為邏輯0時，第一電壓端H對該第一輸出端O充電而輸出Vdd準位或邏輯1；第一開關41不導通，亦即該第二電壓端L與該第一補償電容端間不導通；但此時第二開關43導通，亦即該第一補償電容端導通至該第三電壓端(如接地)，以將之前儲存在第一補償電容之第一補償電容端的電荷放電至第三電壓端。另一方面，當該第一輸入訊號為邏輯1時，該第一輸出端O對一第二電壓端L放電，第二開關43不導通，但第一開關41導通，亦即該第二電壓端與該第一補償電容端間導通，此時原本在第一輸入訊號為邏輯0時儲存在該第一輸出端O的電荷將對第一補償電容42之第一補償電容端充電，或說原本在第一輸入訊號為邏輯0時儲存在該第一輸出端O的第一電荷將自其中分享一第二電荷自該第一補償電 容42之第一補償電容端，以在該第二電壓端產生一第二電壓，而此時第一輸出端O的輸出電壓準位即為該第二電壓準位，此即為電荷分享(charge sharing)的概念。若該第一輸出端具有一第一輸出端電容值CL，該第一電壓端經由一第一電壓(如Vdd)供電，則該第一電壓將根據該第一補償電容的電容值與該第一輸出端電容值CL之比例來產生該第二電壓。例如，若Vdd等於1.2V，該第一輸出端電容值CL等於該第一補償電容42的電容值，則該第二電壓等於0.6V；若Vdd等於1.2V，該第一輸出端電容值CL等於該第一補償電容42的電容值的五分之一，則該第二電壓等於0.2V；亦即可以藉由調整該第一補償電容42的電容值來調整該第二電壓端之第二電壓之大小。其中該第一輸出端電容值CL可為該第一輸出端O所看到的電容值，例如負載電容值、雜散電容值、或下級電路的輸入電容...等。
因此，當該第一輸入訊號為邏輯0時，第一輸出端O輸出代表邏輯1之Vdd電壓準位值，而當該第一輸入訊號為邏輯1時，第一輸出端O輸出代表邏輯0之該第二電壓端之第二電壓準位值，此第二電壓係由該第一電壓根據該第一補償電容42的電容值與該第一輸出端電容值CL之比例所產生，而之後當該第一輸入訊號再為邏輯0時第二開關43將導通以將之前儲存在第一補償電容42之第一補償電容端的電荷放電至第三電壓端(如接地)。其中，該第一輸入訊號可以為操作速度高於1GHz之高速串列資料。其中於一段預設時間內，若該第一輸入訊號之該第一邏輯準位與該第二邏輯準位的資料周期數實質上相等，則於該段預設時間內，該第一開關41與該第二開關43的導通時間實質上相等，且該第二電壓實質上維持於一穩定電壓值。例如於100個資料周期之時間內第一輸入訊號包含均勻分布之近50個第一邏輯準位資料與近50個第二邏輯準位資料，且例如Vdd等於1.2V，該第一輸 出端電容值CL等於該第一補償電容42的電容值的五分之一，則該第二電壓實質上維持於0.2V之穩定電壓值。此種於一段預設時間內第一邏輯準位與第二邏輯準位的資料周期數實質上相等的資料流係為直流平衡訊號，例如8b/10b訊號。此外，電壓產生電路100另可操作說明如下，該電壓產生電路100由Vdd與Vss供電，並包含一第一驅動單元30及一補償單元40。第一驅動單元30具有一第一輸入端I和一第一輸出端O，其中該第一輸入端O用以接收一第一輸入訊號，當該第一輸入訊號為一第一邏輯準位(如邏輯0)時，輸出一第一準位訊號(如Vdd)，並且當該第一輸入訊號為一第二邏輯準位(如邏輯1)時，輸出一第二準位訊號(如上述之第二電壓)。補償單元40包含一第一開關41、一第一補償電容42、及一第二開關43，其根據Vdd與該第一輸入訊號產生該第二電壓來做為該第二準位訊號的電壓準位。其相關操作請見前述，不再贅述。
請參閱第2圖，其為根據本發明一實施例之電壓產生電路200，其係電壓產生電路100選擇性地另包含電壓比較單元90及控制單元91。請另參考第3圖及第4圖，其分別為可調式第一補償電容42之實施例之開關式電容陣列70a和70b的電路圖，第一補償電容42可由開關式電容陣列70a或開關式電容陣列70b實現，其包含複數個相互並聯的補償電容單元，每一該些補償電容單元包含相互串聯之一補償電容開關72與一第二補償電容71。其中，該補償電容單元可以耦接於該第一補償電容端與Vss之間亦可以耦接於該第一補償電容端與Vdd之間，本發明不以此為限。電壓比較單元90，用以比較該第二電壓端L之該第二電壓與一參考電壓，據以產生一比較結果。控制單元，用以根據該比較結果來控制該些補償電容開關72，據以調整該第一補償電容42的電容值來調整該第二電壓端L的電壓值。例如電壓比 較單元90將該第二電壓與該參考電壓(如0.2V)進行比較，若比較結果顯示該第二電壓較大，則將至少一補償電容開關72導通以增加第一補償電容42的電容值來調降該第二電壓；如此可以例如進行至比較結果顯示該第二電壓較小而停止。於此，相關的電路操作可為本領域者所理解，不再贅述。此外，於該第二電壓端L可以選擇性地利用一穩壓電容50來穩定第二電壓或抑制雜訊。
請參閱第5圖，其為根據本發明一實施例之電壓產生電路500，其可以應用於差動(differential)電路。請亦參考第1圖，電壓產生電路500可以視為由兩組的電壓產生電路100組成並於第二電壓端L耦接，而一組電壓產生電路100以該第一輸入訊號為第一驅動單元30a的輸入訊號，而另一組以該第一輸入訊號的反向訊號為第二驅動單元30b的輸入訊號，亦即電壓產生電路500係接收一對差動訊號。其中，第一開關81與第三開關84對應第一開關41，第一補償電容82與第二補償電容85對應第一補償電容42，第二開關83與第四開關86對應第二開關43，第一輸出端電容值CL1與第二輸出端電容值CL2對應第一輸出端電容值CL，補償單元80對應兩組補償單元40，而關於電壓產生電路500的操作可參考前述對電壓產生電路100的說明，於此不再贅述。須注意的是，由於是差動訊號，故第一開關81與第三開關84不同時導通，第二開關83與第四開關86不同時導通；且第一電壓Vdd除了根據該第一補償電容82的電容值與該第一輸出端電容值CL1之比例，亦會根據第二補償電容85的電容值與該第二輸出端電容值CL2之比例，來產生第二電壓端L之第二電壓。
請參閱第6圖，其為根據本發明一實施例之電壓產生電路600的電路圖，其係電壓產生電路500選擇性地另包含電壓比較單元90及控制單元91，其操作請參考前述對電壓產生電路200及相關實施例的說明，於此不再贅述。
請參閱第7圖，其為根據本發明一實施例之電壓產生電路700，其包含一第一驅動單元30、一第一開關41、一第一補償電容42、一第二開關43。第一驅動單元30具有一第一輸入端I和一第一輸出端O，第一輸入端I用以接收一第一輸入訊號，當該第一輸入訊號為第一邏輯準位(例如邏輯0)時，該第一輸出端O與一第二電壓端H導通，並且當該第一輸入訊號為一第二邏輯準位(例如邏輯1)時，該第一輸出端O與一第一電壓端L(如Vss)導通。第一驅動單元例如可以包含反向器、緩衝器或前級驅動器。第一開關41根據該第一輸入訊號耦接該第二電壓端至一第一補償電容端。第一補償電容42耦接於該第一補償電容端與一第三電壓端(例如Vss端或接地)之間。第二開關43，根據該第一輸入訊號耦接該第一補償電容端至該第四電壓端(例如Vdd端)。其中，該第三電壓端亦可以為Vdd端，本發明不以此為限。
以第一驅動單元30為一反向器以及第一開關41與第二開關43為PMOS為例，當該第一輸入訊號為邏輯1時，第二開關43導通，第一補償電容端耦接至該第四電壓端(例如Vdd端)，此時第四電壓端對第一補償電容42之第一補償電容端充電；第一開關41不導通，亦即該第二電壓端H與該第一補償電容端間不導通；第一輸出端O與第一電壓端L(例如Vss端或接地)導通並輸出Vss或邏輯0。另一方面，當該第一輸入訊號為邏輯0時，第二開關43不導通，但第一開關41導通，亦即該第二電壓端H與該第一補償電容端間導通，此時原本在第一輸入訊號為邏輯1時儲存 在第一補償電容之第一補償電容端的電荷將經由第二電壓端H對第一輸出端O充電，或說原本在第一輸入訊號為邏輯1時儲存在該第一補償電容之第一補償電容端的第一電荷將自其中分享一第二電荷至第一輸出端O，以在該第二電壓端H產生一第二電壓，而此時第一輸出端O的輸出電壓即為該第二電壓，此即為電荷分享(charge sharing)的概念。若該第一輸出端O具有一第一輸出端電容值CL，該第四電壓端經由一第四電壓(如Vdd)供電，則該第四電壓將根據該第一補償電容的電容值與該第一輸出端電容值CL之比例來產生該第二電壓。例如，若Vdd等於1.8V，該第一輸出端電容值CL等於該第一補償電容42的電容值，則該第二電壓等於0.9V；若Vdd等於1.8V，該第一輸出端電容值CL該第一補償電容42的電容值的二分之一，則該第二電壓等於1.2V；亦即可以藉由調整該第一補償電容42的電容值來調整該第二電壓端H之第二電壓之大小。其中該第一輸出端電容值CL可為該第一輸出端O所看到的電容值，例如負載電容值、雜散電容值、或下級電路的輸入電容...等。
因此，當該第一輸入訊號為邏輯1時，第一輸出端O輸出代表邏輯0之該第一電壓端之Vss電壓值，而當該第一輸入訊號為邏輯0時，第一輸出端O輸出代表邏輯1之第二電壓值，而此第二電壓係由該第四電壓根據該第一補償電容42的電容值與該第一輸出端電容值CL之比例所產生，而之後當該第一輸入訊號再為邏輯1時第一驅動單元會將之前儲存在第一輸出端O的電荷放電至第一電壓端L。其中，該第一輸入訊號可以為操作速度高於1GHz之高速串列資料。其中於一段預設時間內，若該第一輸入訊號之該第一邏輯準位與該第二邏輯準位的資料周期數實質上相等，則於該段預設時間內，該第一開關與該第二開關的導通時間實質上相等，且該第二電壓實質上維持於一穩定電壓值。此外，電壓產生電路700另可操 作說明如下，該電壓產生電路700由Vdd與Vss供電，並包含一第一驅動單元30及一補償單元40。第一驅動單元30具有一第一輸入端I和一第一輸出端O，其中該第一輸入端I用以接收一第一輸入訊號，當該第一輸入訊號為一第一邏輯準位(如邏輯1)時，輸出一第一準位訊號(如Vss)，並且當該第一輸入訊號為一第二邏輯準位(如邏輯0)時，輸出一第二準位訊號(如上述之第二電壓)。補償單元40包含一第一開關41、一第一補償電容42、及一第二開關43，其根據Vdd與該第一輸入訊號產生該第二電壓來做為該第二準位訊號的電壓準位。其相關操作請見前述，不再贅述。
請參閱第8圖，其為根據本發明一實施例之電壓產生電路800，其係電壓產生電路700選擇性地另包含電壓比較單元90及控制單元91。請另參考第3圖及第4圖，其為可調式第一補償電容42之實施例之開關式電容陣列70a和70b的電路圖。電壓比較單元90，用以比較該第二電壓端H之第二電壓與一參考電壓，據以產生一比較結果。控制單元91，用以根據該比較結果來控制該些補償電容開關72，據以調整該第一補償電容42的電容值來調整該第二電壓端H的電壓。電壓產生電路800操作請參考前述對電壓產生電路700及相關實施例(如電壓產生電路200)的說明，於此不再贅述。此外，於該第二電壓端H可以選擇性地利用一穩壓電容50來穩定第二電壓或抑制雜訊。
請參閱第9圖，其為根據本發明一實施例之電壓產生電路900，其可以應用於差動(differential)電路。請亦參考第7圖，電壓產生電路900可以視為由兩組的電壓產生電700組成並於第二電壓端耦接，而一組電壓產生電路700以第一輸入訊號為驅動單元30a的輸入訊號，而另一組以第一輸入訊號的反向訊號為驅動單元30b的輸入訊號，亦即電壓產生電路900係接收一對差動訊號。其中，第一開關 81與第三開關84對應第一開關41，第一補償電容82與第二補償電容85對應第一補償電容42，第二開關83與第四開關86對應第二開關43，第一輸出端電容值CL1與第二輸出端電容值CL2對應第一輸出端電容值CL，補償單元80對應兩組補償單元40，而關於電壓產生電路900的操作可參考前述對電壓產生電路700的說明，於此不再贅述。須注意的是，由於是差動訊號，故第一開關81與第三開關84不同時導通，第二開關83與第四開關86不同時導通；且第四電壓(如Vdd)除了根據該第一補償電容82的電容值與該第一輸出端電容值CL1之比例，亦會根據第二補償電容85的電容值與該第二輸出端電容值CL2之比例，來產生該第二電壓。而第10圖之電壓產生電路1000，其係電壓產生電路900選擇性地另包含電壓比較單元90及控制單元91，其操作請參考前述相關實施例的說明，於此不再贅述。
由上述的說明可以了解根據本發明之實施例其可以藉由一電壓Vdd來產生低於Vdd之邏輯1電壓以及高於Vss(如接地)之邏輯0電壓，其可應用於高速串列資料且沒有穩定度的問題。
以上所述係藉由實施例說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能暸解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故，凡其他未脫離本發明所揭示之精神所完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。
30‧‧‧第一驅動單元
40‧‧‧補償單元
41‧‧‧第一開關
42‧‧‧第一補償電容
43‧‧‧第二開關
100‧‧‧電壓產生電路

Claims (11)

  1. 一種電壓產生電路，包含：一第一驅動單元，具有一第一輸入端和一第一輸出端，其中該第一輸入端用以接收一第一輸入訊號，當該第一輸入訊號為一第一邏輯準位時，一第一電壓端對該第一輸出端充電，並且當該第一輸入訊號為一第二邏輯準位時，該第一輸出端對一第二電壓端放電；一第一開關，根據該第一輸入訊號耦接該第二電壓端至一第一補償電容端；一第一補償電容，耦接於該第一補償電容端與一第三電壓端之間；一第二開關，根據該第一輸入訊號耦接該第一補償電容端至一第四電壓端；以及其中於一段預設時間內，若該第一輸入訊號之該第一邏輯準位的資料周期數與該第一輸入訊號之該第二邏輯準位的資料周期數實質上相等時，可藉由調整該第一補償電容的電容值來調整該第二電壓端之一第二電壓，該第二電壓實質上維持於一穩定電壓值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓產生電路，其中在該段預設時間內，該第一開關與該第二開關的導通時間實質上相等。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電壓產生電路，其中當該第一輸入訊號為該第一邏輯準位時，該第一電壓端儲存一第一電荷至該第一輸出端，並且當該第一輸入訊號為該第二邏輯準位時，從該第一輸出端儲存一第二電荷至該第一補償電容以形成該第二電壓端之一第二電壓來據以為該第一輸出端的輸 出電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電壓產生電路，其中該第一補償電容包含複數個相互並聯的補償電容單元，每一該些補償電容單元包含相互串聯之一補償電容開關與一第二補償電容，其中該電壓產生電路還包含：一電壓比較單元，用以比較該第二電壓端之電壓與一參考電壓，據以產生一比較結果；以及一控制單元，用以根據該比較結果來控制該些補償電容開關，據以調整該第一補償電容的電容值來調整該第二電壓端的電壓值。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之電壓產生電路，其中該第一輸出端具有一第一輸出端電容值，該第一電壓端經由一第一電壓供電，且其中該第一電壓根據該第一補償電容的電容值與該第一輸出端電容值之比例來產生該第二電壓。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電壓產生電路，其中該電壓產生電路還包含：一第二驅動單元，具有一第二輸入端及一第二輸出端，其中該第二輸入端用以接收與該第一輸入訊號反向之一第二輸入訊號，當該第二輸入訊號為該第一邏輯準位時，該第一電壓端對該第二輸出端充電，並且當該第二輸入訊號為該第二邏輯準位時，該第二輸出端對該第二電壓端放電；一第三開關，根據該第二輸入訊號耦接該第二電壓端至一第二補償電容端；一第二補償電容，耦接於該第二補償電容端與該第三電壓端之間；以及 一第四開關，根據該第二輸入訊號耦接該第二補償電容端至該第四電壓端。
  7. 一種電壓產生電路，包含：一驅動單元，具有一第一輸入端和一第一輸出端，其中該第一輸入端用以接收一第一輸入訊號，當該第一輸入訊號為一第一邏輯準位時，該輸出端與一第一電壓端導通，並且當該第一輸入訊號為一第二邏輯準位時，該第一輸出端與一第二電壓端導通；一第一開關，根據該第一輸入訊號耦接該第二電壓端至一第一補償電容端；一第一補償電容，耦接於該第一補償電容端與一第三電壓端之間；一第二開關，根據該第一輸入訊號耦接該第一補償電容端至一第四電壓端；以及其中於一段預設時間內，若該第一輸入訊號之該第一邏輯準位的資料周期數與該第一輸入訊號之該第二邏輯準位的資料周期數實質上相等時，可藉由調整該第一補償電容的電容值來調整該第二電壓端之一第二電壓，該第二電壓實質上維持於一穩定電壓值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電壓產生電路，其中當該第一輸入訊號為該第一邏輯準位時，該第四電壓端儲存一第一電荷至該第一補償電容，並且當該第一輸入訊號為該第二邏輯準位時，該第一補償電容自該第一電荷分享一第二電荷至該輸出端以形成該第二電壓端之一第二電壓來據以為該第一輸出端的輸出電壓。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電壓產生電路，其中該第一輸出端具有一第一輸出端電容值，該第四電壓端經由一第四電壓供電，且其中該第四電壓根據該第一補償電容的電容值與該輸出端電容值之比例來產生該第二電壓。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之電壓產生電路，其中該第一補償電容包含複數個相互並聯的補償電容單元，每一該些補償電容單元包含相互串聯之一補償電容開關與一第二補償電容，其中該電壓產生電路還包含：一電壓比較單元，用以比較該第二電壓端之電壓與一參考電壓，據以產生一比較結果；以及一控制單元，用以根據該比較結果來控制該些補償電容開關，據以調整該第一補償電容的電容值。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之電壓產生電路，其中在該段預設時間內，該第一開關與該第二開關的導通時間實質上相等。
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