TWI575352B - 具有寬共模電壓操作範圍的電壓調整器及其操作方法 - Google Patents

Description

具有寬共模電壓操作範圍的電壓調整器及其操作方法

本發明是有關於一種電壓調整器及其操作方法，且特別是一種具有寬共模電壓(common voltage)操作範圍的電壓調整器及其操作方法。

請參閱圖1，圖1是習知的電壓調整器之電路示意圖。電壓調整器1主要包括誤差放大器10、開關電晶體12、電阻R及定電流源電路14。其中，誤差放大器10的反相輸入端(inverting input)電性連接於電阻R及定電流源電路14間的一節點A，且誤差放大器10的非反相輸入端(non-inverting input)及輸出端，則分別地電性連接於一共模電壓Vcom及開關電晶體12的控制端。

因此，誤差放大器10將可依據節點A的電壓值Va與共模電壓Vcom間的一比較結果，以進而控制開關電晶體12的導通與否。舉例來說，假設當在共模電壓Vcom大於Va的情況下，誤差放大器10則會控制開關電晶體12導通，因而使得電壓調整器1的輸出電壓Vout將會等於共模電壓Vcom加上(I*R)，以藉此達到升壓之效果。

然而，在上述習知技藝中，為了確保定電流源電路14的正常運作，則必須對於共模電壓Vcom的操作範圍進行限制，才可據以獲取得到相對正確的輸出電壓Vout(例如，過低的共模電壓 Vcom將會使得定電流源電路14的失效，並且導致輸出電壓Vout的不正確)。有鑑於此，如何改善共模電壓Vcom的操作範圍所對於電壓調整器1的運作影響，並且使得過低或過高的共模電壓Vcom仍可具有正確結果的輸出電壓Vout，確為所屬領域亟需解決之問題。

本發明實施例提供一種具有寬共模電壓操作範圍的電壓調整器。所述電壓調整器包括第一開關電晶體、第一誤差放大器、第二誤差放大器及第二開關電晶體。第一開關電晶體具有一控制端以接收第一控制信號、一第一端耦接於第一電阻的第一端，以及一第二端耦接於接地電壓。其中，第一開關電晶體係受控於此第一控制信號，以決定其自身的導通或截止狀態。第一誤差放大器則具有一非反相輸入端耦接於第一開關電晶體的第一端與第一電阻的第一端間的第一節點，以及一反相輸入端耦接於共模電壓，並且此第一誤差放大器用以比較此第一節點的電壓及共模電壓，以產生出此第一控制信號。第二誤差放大器則具有一非反相輸入端耦接於第一電阻的第二端與一第一電流源電路間的第二節點，以及一反相輸入端耦接於一第二電阻的第一端與一第二電流源電路間的第三節點，並且此第二誤差放大器用以比較第二節點的電壓及第三節點的電壓，以產生出一第二控制信號。第二開關電晶體具有一控制端以接收此第二控制信號、一第一端耦接於供應電壓，以及一第二端耦接於此第二電阻的第二端，並作為此電壓調整器的輸出節點。其中，第二開關電晶體則受控於此第二控制信號，以控制輸出節點輸出此電壓調整器的輸出電壓。

本發明實施例另提供一種用於具有寬共模電壓操作範圍的電壓調整器的操作方法。其中，所述電壓調整器係依據前述實施例而建立，且此操作方法則包含以下步驟。首先，利用第一誤差放 大器，比較所耦接到的第一節點的電壓及共模電壓，以產生出第一控制信號。其次，利用第一開關電晶體，根據所接收到的第一控制信號，以決定其自身的導通或截止狀態。接著，利用第二誤差放大器，比較所耦接到的第二節點的電壓及第三節點的電壓，以產生出第二控制信號。最後，利用第二開關電晶體，根據所接收到的第二控制信號，以控制輸出節點輸出電壓調整器的輸出電壓。

綜上所述，本發明實施例所提供的具有寬共模電壓操作範圍的電壓調整器及其操作方法，可以有效地解決現有技術中過低或過高的共模電壓，將會容易使得電壓調整器的無法正常運作，並且導致輸出電壓不正確的問題。除此之外，上述具有寬共模電壓操作範圍的電壓調整器及其操作方法，可以是藉由額外增設的開關電晶體及誤差放大器來完成部份升壓的操作，而不需要引入複雜的電路設計，便可讓偏低的共模電壓仍能滿足電壓調整器的運作需求，並且據以輸出正確的輸出電壓。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

1、2‧‧‧電壓調整器

10‧‧‧誤差放大器

12‧‧‧開關電晶體

R‧‧‧電阻

I‧‧‧電流

14‧‧‧定電流源電路

A‧‧‧節點

Va‧‧‧電壓值

Vcom‧‧‧共模電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

GND‧‧‧接地電壓

Vcc‧‧‧供應電壓

20‧‧‧第一誤差放大器

22‧‧‧第二誤差放大器

24‧‧‧第一電流源電路

26‧‧‧第二電流源電路

M1‧‧‧第一開關電晶體

M2‧‧‧第二開關電晶體

S1‧‧‧第一控制信號

S2‧‧‧第二控制信號

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

P1‧‧‧第一節點

P2‧‧‧第二節點

P3‧‧‧第三節點

Pout‧‧‧輸出節點

HP1‧‧‧第一P型電晶體

HP2‧‧‧第二P型電晶體

30‧‧‧第一定電流源電路

I1‧‧‧第一電流

HN1‧‧‧第一N型電晶體

HN2‧‧‧第二N型電晶體

40‧‧‧第二定電流源電路

I2‧‧‧第二電流

S501~S507‧‧‧流程步驟

圖1是習知的電壓調整器之電路示意圖。

圖2是本發明實施例所提供的具有寬共模電壓操作範圍的電壓調整器之電路示意圖。

圖3是圖2之電壓調整器的第一電流源電路之電路示意圖。

圖4是圖2之電壓調整器的第二電流源電路之電路示意圖。

圖5是本發明實施例所提供的具有寬共模電壓操作範圍的電壓調整器的操作方法之流程示意圖。

在下文中，將藉由圖式說明本發明之各種實施例來詳細描述本發明。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。此外，在圖式中相同參考數字可用以表示類似的元件。

首先，請參閱圖2，圖2是本發明實施例所提供的具有寬共模電壓操作範圍的電壓調整器之電路示意圖。所述電壓調整器2主要包括第一開關電晶體M1、第一誤差放大器20、第二誤差放大器22及第二開關電晶體M2。其中，上述各元件可以是透過純硬件電路來實現，或者是透過硬件電路搭配固件或軟件來實現。總而言之，本發明並不限制電壓調整器2的具體實現方式。除此之外，上述第一開關電晶體M1、第一誤差放大器20、第二誤差放大器22及第二開關電晶體M2可以是整合或是分開設置，且本發明亦不以此為限制。

進一步來說，第一開關電晶體M1具有一控制端以接收第一控制信號S1、一第一端耦接於第一電阻R1的第一端，以及一第二端耦接於接地電壓GND，其中第一開關電晶體M1係受控於第一控制信號S1，以決定其自身的導通或截止狀態。

另外，第一誤差放大器20具有一非反相輸入端耦接於第一開關電晶體M1的第一端與第一電阻R1的第一端間的第一節點P1，以及一反相輸入端耦接於共模電壓Vcom，並且此第一誤差放大器20用以比較第一節點P1的電壓及共模電壓Vcom，以產生出此第一控制信號S1。

再者，第二誤差放大器22具有一非反相輸入端耦接於第一電阻R1的第二端與一第一電流源電路24間的第二節點P2，以及一反相輸入端耦接於第二電阻R2的第一端與一第二電流源電路26間的第三節點P3，並且此第二誤差放大器22則用以比較第二節點P2的電壓及第三節點P3的電壓，以產生出第二控制信號S2。

最後，第二開關電晶體M2具有一控制端以接收此第二控制信號S2、一第一端耦接於供應電壓Vcc，以及一第二端耦接於第二電阻R2的第二端，並作為電壓調整器1的輸出節點Pout。其中，第二開關電晶體M2係受控於此第二控制信號S2，以控制輸出節點Pout輸出此電壓調整器2的輸出電壓Vout。

顯然地，相較於圖1的電壓調整器1而言，圖2的第二誤差放大器22乃可視作為圖1的誤差放大器10以用來根據其比較結果控制第二開關電晶體M2的導通與否，且圖2的第二開關電晶體M2則亦藉此相對提供出電壓調整器2的輸出電壓Vout。有鑑於此，根據以上內容之教示，本技術領域中具有通常知識者應可理解到，本發明的電壓調整器2主要精神之一乃在於，利用所額外增設的一組開關電晶體及誤差放大器(亦即，圖2中的第一開關電晶體M1及第一誤差放大器20)來完成部份的升壓操作，以進而使得即便在共模電壓Vcom偏低的情況下，此電壓調整器2仍可正常運作，並且據以輸出正確的輸出電壓Vout。

值得注意的是，所述第一及第二開關電晶體M1、M2可例如為N型金氧半場效電晶體(N-channel MOSFET，NMOS)或P型金氧半場效電晶體(P-channel MOSFET，PMOS)。總而言之，本發明並不以此為限制。另外，由於第一開關電晶體M1及第一誤差放大器20的運作方式及其升壓之原理為本技術領域中具有通常知識者所習知，因此有關於其細部內容於此就不再多加贅述。

為了更進一步說明關於電壓調整器2中第一電流源電路24的實現細節，本發明進一步提供其第一電流源電路24的一種實施方式。請同時參閱圖3，圖3是圖2之電壓調整器的第一電流源電路之電路示意圖。然而，下述僅是本實施例的電壓調整器2內第一電流源電路24的其中一種詳細實現方式，其並非用以限制本發明。另外，圖3中部分與圖2相同之元件以相同之圖號標示，故於此則不再多加詳述其細節。

具體來說，第一電流源電路24更可包含第一P型電晶體HP1、第二P型電晶體HP2及第一定電流源電路30。於實務上，第一P型電晶體HP1及第二P型電晶體HP2係可用於以電流鏡形式相互連接，且第一定電流源電路30則耦接於此第一P型電晶體HP1的汲極與接地電壓GND之間。因此，顯然地，第二P型電晶體HP2的閘極係耦接於第一P型電晶體HP1的閘極，且第一及第二P型電晶體HP2的源極則分別地耦接於供應電壓Vcc，而第二P型電晶體HP2的汲極則耦接於第二節點P2，以用來生成出一第一電流I1。換言之，根據以上內容之教示，本技術領域中具有通常知識者應可理解到，此第一電流源電路24將可依據分別施加於第一及第二P型電晶體HP1、HP2上的一參考電壓(未繪示)來產生出以向第一電阻R1而流動的第一電流I1。

然而，值得注意的是，由於電流鏡的原理為本技術領域中具有通常知識者所習知，因此有關於第一定電流源電路30的細部內容於此便不再多加贅述。總而言之，相較於先前技術中的電壓調整器，本發明實施例的電壓調整器2更是額外地於整體前端增設了一組電壓調整電路(亦即，由圖2中的第一開關電晶體M1、第一誤差放大器20、第一電阻R1及第一定電流源電路30所構成)。如此一來，由於前端的此組電壓調整電路的電流源來自於PMOS電流鏡，因此即便在共模電壓Vcom偏低的情況下，此組電壓調整電路仍可正常運作，並且導致當在第一開關電晶體M1係為導通狀態時，第二節點P2的電壓則可生成為Vcom+(Ia*Ra)，以藉此達到將共模電壓Vcom預先進行部份升壓的效果。其中，Ia為第一電流I1的值，而Ra則為第一電阻R1的值。

根據以上內容可知，本發明實施例所提供的電壓調整器2的技術手段，將完全不同於現有技術中的電壓調整器的技術手段。除此之外，本發明的電壓調整器2還可將整體前端改為增設成多組的電壓調整電路，而非僅僅具有一組的電壓調整電路(亦即，每 一組的電壓調整電路皆由一個第一開關電晶體M1、一個第一誤差放大器20、一個第一電阻R1及一個第一定電流源電路30所構成)。如此一來，由於每一組的第一電阻R1及第一電流I1並不相同，因而可使得共模電壓Vcom於不同階段下，則會具有不同程度的升壓效果，因此適用於滿足各種操作範圍的應用。值得注意的是，本發明並不限制第一電阻R1及第一電流I1的具體實現方式，故本技術領域中具有通常知識者應可依據實際需求或應用來進行設計。

另外一方面，為了更進一步說明關於電壓調整器2中第二電流源電路26的實現細節，本發明進一步提供其第二電流源電路26的一種實施方式。請再同時參閱圖4，圖4是圖2之電壓調整器的第二電流源電路之電路示意圖。然而，下述僅是本實施例的電壓調整器2內第二電流源電路26的其中一種詳細實現方式，其並非用以限制本發明。另外，圖4中部分與圖2相同之元件以相同之圖號標示，故於此則不再多加詳述其細節。

具體來說，第二電流源電路26更可包含第一N型電晶體HN1、第二N型電晶體HN2及第二定電流源電路40。於實務上，第一N型電晶體HN1及第二N型電晶體HN2係可用於以電流鏡形式相互連接，且第二定電流源電路40則耦接於此第一N型電晶體HN1的汲極與供應電壓Vcc之間。因此，顯然地，第二N型電晶體HN2的閘極係耦接於第一N型電晶體HN1的閘極，且第二N型電晶體HN2的源極則耦接於接地電壓GND，而第二N型電晶體HN2的汲極則耦接於第三節點P3，以用於生成一第二電流I2。換言之，根據以上內容之教示，本技術領域中具有通常知識者應可理解到，此第二電流源電路26將可依據分別施加於第一及第二N型電晶體HN1、HN2上的一參考電壓(未繪示)來產生出以向第三節點P3而流動的第二電流I2。

同理，由於電流鏡的原理為本技術領域中具有通常知識者所習 知，因此有關於第二定電流源電路40的細部內容於此便不再多加贅述。總而言之，圖4的第二電流源電路26則可視作為圖1的定電流源電路14，並且由於此處的電流源來自於NMOS電流鏡，因此即便在共模電壓Vcom偏高的情況下，此處的第二電流源電路26仍可正常運作。除此之外，根據以上內容可知，當在第一開關電晶體M1與第二開關電晶體M2皆為導通狀態時，輸出節點Pout的輸出電壓Vout則可生成為Vcom+(Ia*Ra)+(Ib*Rb)，以藉此達到整體升壓之效果。其中，Ib為第二電流I2的值，而Rb則為第二電阻R2的值。值得注意的是，本發明亦不限制第二電阻R2及第二電流I2的具體實現方式，故本技術領域中具有通常知識者應可依據實際需求或應用來進行設計。

再者，為了更進一步說明關於電壓調整器2的運作流程，本發明進一步提供其操作方法的一種實施方式。請參閱圖5，圖5是本發明實施例所提供的具有寬共模電壓操作範圍的電壓調整器的操作方法之流程示意圖。本例所述的操作方法可以在圖2所示的電壓調整器2執行，因此請一併照圖2至圖4以利理解。另外，詳細步驟流程如前述實施例所述，於此僅作概述而不再多加冗述。

首先，在步驟S501中，利用第一誤差放大器，比較所耦接到的第一節點的電壓及共模電壓，以產生出第一控制信號。其次，在步驟S503中，利用第一開關電晶體，根據所接收到的第一控制信號，以決定其自身的導通或截止狀態。接著，在步驟S505中，利用第二誤差放大器，比較所耦接到的第二節點的電壓及第三節點的電壓，以產生出第二控制信號。最後，在步驟S507中，利用第二開關電晶體，根據所接收到的第二控制信號，以控制輸出節點輸出電壓調整器的輸出電壓。

值得注意的是，如同前面內容所述，第一及第二開關電晶體可例如為N型金氧半場效電晶體或P型金氧半場效電晶體。總而言之，本發明並不以此為限制。另外，本發明亦不限制第一及第二 電流源電路的具體實現方式，故本技術領域中具有通常知識者應可依據實際需求或應用來進行設計。如此一來，根據以上內容可知，當在第一開關電晶體係為導通狀態時，第二節點的電壓係會生成為Vcom+(Ia*Ra)，其中Vcom為共模電壓，Ia為第一電流源電路所生成的第一電流的值，而Ra則為第一電阻的值。同理，當在第一及第二開關電晶體皆為導通狀態時，輸出節點的輸出電壓則會生成為Vcom+(Ia*Ra)+(Ib*Rb)，其中Ib為第二電流源電路所生成的第二電流的值，且Rb則為第二電阻的值。

綜上所述，本發明實施例所提供的具有寬共模電壓操作範圍的電壓調整器及其操作方法，可以有效地解決現有技術中過低或過高的共模電壓，將會容易使得電壓調整器的無法正常運作，並且導致輸出電壓不正確的問題。除此之外，上述具有寬共模電壓操作範圍的電壓調整器及其操作方法，可以是藉由額外增設的開關電晶體及誤差放大器來完成部份升壓的操作，而不需要引入複雜的電路設計，便可讓偏低的共模電壓仍能滿足電壓調整器的運作需求，並且據以輸出正確的輸出電壓。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

2‧‧‧電壓調整器

20‧‧‧第一誤差放大器

22‧‧‧第二誤差放大器

24‧‧‧第一電流源電路

26‧‧‧第二電流源電路

M1‧‧‧第一開關電晶體

M2‧‧‧第二開關電晶體

S1‧‧‧第一控制信號

S2‧‧‧第二控制信號

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

P1‧‧‧第一節點

P2‧‧‧第二節點

P3‧‧‧第三節點

Pout‧‧‧輸出節點

Vcom‧‧‧共模電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

GND‧‧‧接地電壓

Vcc‧‧‧供應電壓

Claims (10)

1. 一種具有寬共模電壓操作範圍的電壓調整器，包括：一第一開關電晶體，具有一控制端以接收一第一控制信號、一第一端耦接於一第一電阻的一第一端，以及一第二端耦接於一接地電壓，其中該第一開關電晶體係受控於該第一控制信號，以決定其自身的導通或截止狀態；一第一誤差放大器，具有一非反相輸入端耦接於該第一開關電晶體的該第一端與該第一電阻的該第一端間的一第一節點，以及一反相輸入端耦接於一共模電壓，並且該第一誤差放大器用以比較該第一節點的電壓及該共模電壓，以產生出該第一控制信號；一第二誤差放大器，具有一非反相輸入端耦接於該第一電阻的一第二端與一第一電流源電路間的一第二節點，以及一反相輸入端耦接於一第二電阻的一第一端與一第二電流源電路間的一第三節點，並且該第二誤差放大器用以比較該第二節點的電壓及該第三節點的電壓，以產生出一第二控制信號；以及一第二開關電晶體，具有一控制端以接收該第二控制信號、一第一端耦接於一供應電壓，以及一第二端耦接於該第二電阻的一第二端，並作為該電壓調整器的一輸出節點，其中該第二開關電晶體係受控於該第二控制信號，以控制該輸出節點輸出該電壓調整器的一輸出電壓；其中，該第一及該第二開關電晶體係分別為一N型金氧半場效電晶體。
2. 如請求項第1項所述的電壓調整器，其中該第一電流源電路更包括：一第一P型電晶體及一第二P型電晶體，係以一電流鏡形式相互連接；以及一第一定電流源電路，耦接於該第一P型電晶體的一汲極 與該接地電壓之間。
3. 如請求項第2項所述的電壓調整器，其中該第二P型電晶體的一閘極係耦接於該第一P型電晶體的一閘極，且該第二P型電晶體的一源極則耦接於該供應電壓，而該第二P型電晶體的一汲極則耦接於該第二節點，以用於生成一第一電流。
4. 如請求項第3項所述的電壓調整器，其中當在該第一開關電晶體係為導通狀態時，該第二節點的電壓係生成為Vcom+(Ia*Ra)，其中Vcom為該共模電壓，Ia為該第一電流的值，且Ra則為該第一電阻的值。
5. 如請求項第4項所述的電壓調整器，其中該第二電流源電路更包括：一第一N型電晶體及一第二N型電晶體，係以該電流鏡形式相互連接；以及一第二定電流源電路，耦接於該第一型電晶體的汲極與該供應電壓之間。
6. 如請求項第5項所述的電壓調整器，其中該第二N型電晶體的一閘極係耦接於該第一N型電晶體的一閘極，且該第二N型電晶體的一源極則耦接於該接地電壓，而該第二N型電晶體的一汲極則耦接於該第三節點，以用於生成一第二電流。
7. 如請求項第6項所述的電壓調整器，其中當在該第一與該第二開關電晶體皆為導通狀態時，該輸出節點的該輸出電壓係生成為Vcom+(Ia*Ra)+(Ib*Rb)，其中Ib為該第二電流的值，且Rb則為該第二電阻的值。
8. 一種用於具有寬共模電壓操作範圍的電壓調整器的操作方法，其中該電壓調整器包括一第一開關電晶體、一第一誤差放大器、一第二誤差放大器以及一第二開關電晶體，且該操作方法包括：利用該第一誤差放大器，比較所耦接到的一第一節點的電 壓及一共模電壓，以產生出一第一控制信號，其中該第一誤差放大器的一非反相輸入端係耦接於該第一開關電晶體的一第一端與一第一電阻的一第一端間的該第一節點，且該第一誤差放大器的一反相輸入端則耦接於該共模電壓；利用該第一開關電晶體，根據所接收到的該第一控制信號，以決定其自身的導通或截止狀態，其中該第一開關電晶體具有一控制端以接收該第一控制信號、該第一端耦接於該第一電阻的該第一端，以及一第二端耦接於一接地電壓；利用該第二誤差放大器，比較所耦接到的一第二節點的電壓及一第三節點的電壓，以產生出一第二控制信號，其中該第二誤差放大器的一非反相輸入端係耦接於該第一電阻的一第二端與一第一電流源電路間的該第二節點，且該第二誤差放大器的一反相輸入端則耦接於一第二電阻的一第一端與一第二電流源電路間的該第三節點；以及利用該第二開關電晶體，根據所接收到的該第二控制信號，以控制一輸出節點輸出該電壓調整器的一輸出電壓，其中該第二開關電晶體具有一控制端以接收該第二控制信號、一第一端耦接於一供應電壓，以及一第二端耦接於該第二電阻的一第二端，並作為該電壓調整器的該輸出節點；其中，該第一及該第二開關電晶體係分別為一N型金氧半場效電晶體。
9. 如請求項第8項所述的操作方法，其中當在該第一開關電晶體係為導通狀態時，該第二節點的電壓係生成為Vcom+(Ia*Ra)，其中Vcom為該共模電壓，Ia為該第一電流源電路所生成的一第一電流的值，且Ra則為該第一電阻的值。
10. 如請求項第8項所述的操作方法，其中當在該第一與該第二開關電晶體皆為導通狀態時，該輸出節點的該輸出電壓係生成為Vcom+(Ia*Ra)+(Ib*Rb)，其中Ib為該第二電流源電路所生成的一 第二電流的值，且Rb則為該第二電阻的值。