TWI584097B - 參考電壓緩衝電路 - Google Patents

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Description

參考電壓緩衝電路
本發明係有關於參考電壓緩衝電路，尤指一種應用於低供應電壓系統中的參考電壓緩衝電路。
請參考第1圖，其為一參考電壓緩衝電路100的示意圖。如第1圖所示，參考電壓緩衝電路100包含了兩個運算放大器110、120、四個電晶體M1~M4以及兩個電阻R1、R2，其用來接收兩個輸入參考電壓Vinp、Vinn以分別產生兩個輸出參考電壓Vrefp、Vrefn，其中圖示的VDD是參考電壓緩衝電路100的一供應電壓。一般來說，輸出參考電壓Vrefp的準位通常是0.75*VDD，而輸出參考電壓Vrefn的準位則是0.25*VDD，然而，隨著製程越來越先進，供應電壓VDD也越來越低，但是電晶體的臨界電壓卻無法隨著供應電壓VDD等比例下降，進而導致電晶體M1、M2的閘極電壓太高，而電晶體M3、M4的閘極電壓太低，造成設計上的困難。
舉例來說，假設VDD=1V且電晶體M1~M4的臨界電壓約0.4V~0.5V，則通常電晶體M1、M2的閘極電壓大概需要在1.3V左右以使電路可以穩定地操作。然而，由於M1、M2的閘極電壓高於供應電壓VDD，因此，在一先前技術中，運算放大器110需要使用另一組比供應電壓VDD高的電源電壓來操作，造成設計與製程成本上的增加。另外，在另一先前技術中，可以採用低臨界電壓的元件來實作電晶體M1~M4，然而，如此一來會造成電晶體的處理速度變慢，降低系統效能。
因此，本發明的目的之一在於提供一種參考電壓緩衝電路，其可以在只使用同一個低供應電壓的情形下穩定地產生輸出參考電壓，且不需要採用低臨界電壓的元件，以解決先前技術中的問題。
本發明的一個實施例揭露了一種參考電壓緩衝電路，其包含有一運算放大器、一電容切換模組、一第一電晶體以及一第二電晶體。該運算放大器包含兩個輸入端以及一輸出端，其中該兩個輸入端用來接收一輸入參考電壓以及一回授電壓；該電容切換模組耦接於該運算放大器的該輸出端；該第一電晶體的閘極耦接於該電容切換模組，且源極用來提供該回授電壓；以及該第二電晶體的閘極耦接於該電容切換模組，且源極用來提供一輸出參考電壓；其中該運算放大器的該輸出端在不直接連接到該第一電晶體及第二電晶體的情形下，透過該電容切換模組產生一穩定的控制電壓至該第一電晶體以及該第二電晶體的閘極。
請參考第2圖，其為根據本發明一實施例之應用於一類比數位轉換器中的一參考電壓緩衝電路200的示意圖，其用來接收一輸入參考電壓Vinp以產生一輸出參考電壓Vrefp，其中輸入參考電壓Vinp與輸出參考電壓Vrefp實質上具有相同的電壓值。如第2圖所示，參考電壓緩衝電路200包含了一運算放大器210、一電容切換模組220、兩個電晶體M1、M2、一電容C3及兩個電阻R1、R2。電容切換模組220包含了兩個並聯的電容C1、C2，其中電容C1的兩個端點N1、N2分別耦接至運算放大器的輸出端及電晶體M1、M2的閘極；此外，電容切換模組220另包含了四個開關SW1~SW4，其中第一開關SW1用以選擇性地將電容C2的一端點連接至一偏壓Vb1、開關SW2用以選擇性地將電容C2的該端點連接至運算放大器210的輸出端(即端點N1)、開關SW3用以選擇性地將電容C2的另一端點連接至一偏壓Vb2、開關SW4用以選擇性地將電容C2的該另一端點連接至電晶體M1、M2的閘極(即端點N2)。
在本實施例中，運算放大器210具有兩個輸入端，其分別用來接收輸入參考電壓Vinp以及來自電晶體M1源極的一回授電壓VFB。電容切換模組220中的偏壓Vb1、V2b可由第3圖所示的分壓電路(包含電阻R3~R6)所產生，開關SW1、SW3由第4圖所示的時脈訊號CLK1所控制，開關SW2、SW4由和時脈訊號CLK1相位相反的一時脈訊號CLK2所控制，電容切換模組220根據運算放大器210的輸出以在電晶體M1、M2的閘極產生一穩定的控制電壓Vc。此外，電晶體M1根據控制電壓Vc而產生回授電壓 VFB至運算放大器210，以形成一負回授迴路；電晶體M2則根據控制電壓Vc來產生輸出參考電壓Vrefp。
詳細來說，請同時參考第2~5圖，其中第5圖為端點N1、N2上的電壓變化圖，為了方便了解，後續的說明係假設VDD=1V、Vb1=0.25V、Vb2=0.75V、Vinp=0.88V、C1=500fF、C2=200fF、C3=4000fF，但這並非是作為本發明的限制。在參考電壓緩衝電路200的操作中，首先，第5圖所示的時間t1是電路的初始狀態，亦即參考電壓緩衝電路200才剛剛接收供應電壓VDD的供電以進行操作，此時由於端點N2的電壓趨近於0(即，控制電壓Vc等於0)，因此回授電壓VFB也是具有接近0的電壓準位；接著，由於回授電壓VFB趨近於0，再加上輸出參考電壓Vinp=0.88V，因此，運算放大器210會因為輸入訊號之間的壓差很大而產生很接近供應電壓VDD的輸出電壓。在本實施例中，此時運算放大器210的輸出電壓，亦即端點N1上的電壓，約為1V。
接著，在時間t1之後，透過時脈訊號CLK1、CLK2反覆地切換開關SW1~SW4，以使得偏壓Vb2可以持續地對電容C2進行充電，且電容C2也持續地提供電荷到到端點N2，以不斷拉升電晶體M1、M2之閘極的電壓(即，端點N2的電壓)。具體來說，當時脈訊號CLK1為高準位而時脈訊號CLK2為低準位時，開關SW1及SW3導通，且開關SW2及SW4不導通，此時電容C2的兩個端點分別連接到偏壓Vb1、Vb2，偏壓Vb1、Vb2會對電容C2進行充電；接著，當時脈訊號CLK1為低準位而時脈訊號CLK2為高準位時，開關SW2及SW4導通，而開關SW1及SW3則不導通，此時電容C2會將電荷提供到端點N2而拉升其直流電壓準位(DC voltage)；當端點N2的電壓上升，回授訊號VFB的準位也會跟著上升，使得運算放大器210兩個輸入端的壓差降低，而產生較低的輸出電壓(即，端點N1的電壓下降)。如第5圖所示的時間t2附近，端點N2的電壓不斷提升，且端點N1的電壓不斷下降；換句話說，透過上述操作，電容C1的跨壓會逐漸逼近電容C2的跨壓。
在第5圖所示之時間t3時，整個電路達到了負回授的穩態，在本實施例中，穩態時端點N1的電壓約為0.7V，且端點N2的電壓值約為1.35V，且回授電壓VFB約為0.88V。如上所述，由於端點N2在穩態時的電壓可以高於供應電壓VDD，因此，參考電壓緩衝電路200可以在僅使用一個具有較低準位的供應電壓VDD的情形下，順利地產生輸出參考電壓Vrefp。此外，在時間t3之後，開關SW1~SW4仍然會持續地根據時脈訊號CLK1、CLK2的控制來反覆地開啟/關閉，但由於電容C3的電容值遠比電容C2來的大，且電容C2的跨壓(即，Vb2-Vb1)會設計成和電容C1在穩態時的跨壓差不多，因此可以讓參考電壓緩衝電路200持續地保持在穩態。
此外，一般應用在類比數位轉換器中的參考電壓緩衝電路200會需要兩個參考電壓，第2圖所示的參考電壓Vrefp為其一，而另一個參考電壓則可以直接使用接地電壓。
請參考第6圖，其為根據本發明另一實施例之應用於一類比數位轉換器中的一參考電壓緩衝電路600的示意圖，其用來接收一輸入參考電壓Vinp以產生一輸出參考電壓Vrefp，其中輸入參考電壓Vinp與輸出參考電壓Vrefp實質上具有相同的電壓值。如第6圖所示，參考電壓緩衝電路600包含了一運算放大器610、一電容切換模組620、兩個電晶體M1、M2、一電容C3及兩個電阻R1、R2，其中電容切換模組620包含了一電容C1及四個開關SW1~SW4，其中第一開關SW1用以選擇性地將電容C1的端點N1連接至運算放大器610的輸出端、開關SW2用以選擇性地將電容C1的端點N1連接至電晶體M1、M2的閘極、開關SW3用以選擇性地將電容C1的端點N2連接至一偏壓Vb1、且開關SW4用以選擇性地將電容C1的端點N2連接至一偏壓Vb2。
在本實施例中，運算放大器610具有兩個輸入端，其分別用來接收輸入參考電壓Vinp以及來自電晶體M1源極的一回授電壓VFB。電容切換模組620中的偏壓Vb1、V2b可以由類似第3圖所示的分壓電路所產生，開關SW1、SW3由第4圖所示的時脈訊號CLK1所控制，開關SW2、SW4由和時脈訊號CLK1相位相反的另一時脈訊號CLK2所控制，且電容切換模組620用來根據運算放大器610的輸出以產生一穩定的控制電壓Vc至電晶體M1、M2的閘極。此外，電晶體M1用來根據控制電壓Vc來產生回授電壓 VFB至運算放大器610，以形成一負回授；以及電晶體M2用來根據控制電壓Vc來產生輸出參考電壓Vrefp。
詳細來說，請同時參考第6~7圖，其中第7圖為控制電壓Vc以及運算放大器610之輸出電壓的變化圖，為了方便了解，後續的說明係假設VDD=1V、Vb1=0V、Vb2=0.7V、Vinp=0.8V、C1=40fF、C3=1000fF，但這並非是作為本發明的限制。在參考電壓緩衝電路600的操作中，首先，第7圖所示的時間t1是電路的初始狀態，參考電壓緩衝電路600開始接收供應電壓VDD的供電以進行操作，此時由於控制電壓Vc趨近於0，因此回授電壓VFB也是具有接近0的電壓準位；由於回授電壓VFB趨近於0，而輸入參考電壓Vinp為0.8V，此時運算放大器610會因為輸入訊號之間的壓差很大而產生很接近供應電壓VDD的輸出電壓，在本實施例中，此時運算放大器610的輸出電壓約為1V。
接著，在時間t1之後，透過時脈訊號CLK1、CLK2反覆地切換開關SW1~SW4，偏壓Vb1、V2b所提供的電荷先儲存至電容C1，再分享至電容C3，以持續拉升控制電壓Vc的準位。具體來說，當時脈訊號CLK1為高準位而時脈訊號CLK2為低準位時，開關SW1及SW3導通，而開關SW2及SW4則不導通，此時電容C1的兩個端點N1、N2會分別連接到運算放大器610的輸出端以及偏壓Vb1；接著，當時脈訊號CLK1為低準位而時脈訊號CLK2為高準位時，開關SW2及SW4導通，而開關SW1及SW3則不導通，此時電容C1的兩個端點N1、N2會分別連接到電晶體M1、M2的閘極以及偏壓Vb2，而由於偏壓Vb2大於偏壓Vb1，因此，端點N1的準位會提升且提供電荷到電容C3的端點，亦即控制電壓Vc的準位會隨之提升；而由於控制電壓Vc提升了，回授訊號VFB也會跟著提升，進而使得運算放大器610會因為輸入端的壓差降低而產生一個較低的輸出電壓。如第7圖所示的時間t2附近，控制電壓Vc不斷提升，且運算放大器610的輸出電壓不斷下降。
在第7圖所示之時間t3時整個電路達到了負回授的穩態，而在本實施例中，在穩態時的控制電壓Vc約為0.95V，而回授電壓VFB約為0.8V。在時間t3之後，開關SW1~SW4仍然會持續地根據時脈訊號CLK1、CLK2的控制來反覆地開啟/關閉，但由於電容C3的電容值遠比電容C1來的大，且電容C1在不同開關狀態下的跨壓會設計地較為接近(亦即，穩態時運算放大器620之輸出電壓與Vb1之間的差值，跟(Vc-Vb2)的差距不會太大)，因此可以讓參考電壓緩衝電路600持續地保持在穩態。
此外，一般應用在類比數位轉換器中的參考電壓緩衝電路600會需要兩個參考電壓，第6圖所示的參考電壓Vrefp為其一，而另一個參考電壓則可以直接使用接地電壓。
簡要歸納本發明，在本發明的參考電壓緩衝電路中，運算放大器的輸出端不會直接連接到電晶體M1、M2，而是透過電容切換模組220/620產生一穩定的控制電壓Vc至電晶體M1、M2的閘極。透過上述電容切換模組220/620中的操作，可以使得參考電壓緩衝電路可以在僅使用一個具有較低準位的供應電壓的情形下，順利地產生輸出參考電壓。   以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100、200、600‧‧‧參考電壓緩衝電路
110、120、210、610‧‧‧運算放大器
220、620‧‧‧電容切換模組
C1~C3‧‧‧電容
CLK1、CLK2‧‧‧時脈訊號
M1、M2、M3、M4‧‧‧電晶體
N1、N2‧‧‧端點
R1~R6‧‧‧電阻
SW1~SW4‧‧‧開關
Vb1、Vb2‧‧‧偏壓
Vc‧‧‧控制電壓
VDD‧‧‧供應電壓
VFB‧‧‧回授電壓
Vinp、Vinn‧‧‧輸入參考電壓
Vrefp、Vrefn‧‧‧輸出參考電壓
第1圖為一參考電壓緩衝電路的示意圖。 第2圖為根據本發明一實施例之應用於一類比數位轉換器中的一參考電壓緩衝電路的示意圖。 第3圖為分壓電路的示意圖。 第4圖為兩個時脈訊號的時序圖。 第5圖為第2圖所示之端點N1、N2之電壓變化圖。 第6圖為根據本發明另一實施例之應用於一類比數位轉換器中的一參考電壓緩衝電路的示意圖。 第7圖為控制電壓以及運算放大器之輸出電壓的變化圖。
200‧‧‧參考電壓緩衝電路
210‧‧‧運算放大器
220‧‧‧電容切換模組
C1~C3‧‧‧電容
CLK1、CLK2‧‧‧時脈訊號
M1、M2‧‧‧電晶體
N1、N2‧‧‧端點
R1~R2‧‧‧電阻
SW1~SW4‧‧‧開關
Vb1、Vb2‧‧‧偏壓
Vc‧‧‧控制電壓
VDD‧‧‧供應電壓
VFB‧‧‧回授電壓
Vinp‧‧‧輸入參考電壓
Vrefp‧‧‧輸出參考電壓

Claims (7)

  1. 一種參考電壓緩衝電路，包含有：一運算放大器，包含兩個輸入端以及一輸出端，其中該兩個輸入端用來接收一輸入參考電壓以及一回授電壓；一電容切換模組，耦接於該運算放大器的該輸出端；一第一電晶體，其閘極耦接於該電容切換模組，且源極用來提供該回授電壓；以及一第二電晶體，其閘極耦接於該電容切換模組，且源極用來提供一輸出參考電壓；其中該運算放大器的該輸出端在不直接連接到該第一電晶體及第二電晶體的情形下，透過該電容切換模組產生一穩定的控制電壓至該第一電晶體以及該第二電晶體的閘極，以及該電容切換模組包含有：一第一電容，耦接於該運算放大器的該輸出端以及該第一電晶體的閘極之間；一第二電容，耦接於該運算放大器的該輸出端以及該第一電晶體的閘極之間，且與該第一電容並聯；一第一開關，用以選擇性地將該第二電容的一第一端點連接至一第一偏壓；一第二開關，用以選擇性地將該第二電容的該第一端點連接至該運算放大器的該輸出端；一第三開關，用以選擇性地將該第二電容的一第二端點連接至一第二偏壓，其中該第二偏壓高於該第一偏壓；以及一第四開關，用以選擇性地將該第二電容的該第二端點連接至該第一電晶體的閘極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的參考電壓緩衝電路，其中該第一開關與該第三開關由一第一時脈訊號所控制，而該第二開關與該第四開關由一第二時脈訊號所控制，其中該第一時脈訊號與該第二時脈訊號相位相反。
  3. 一種參考電壓緩衝電路，包含有：一運算放大器，包含兩個輸入端以及一輸出端，其中該兩個輸入端用來接收一輸入參考電壓以及一回授電壓；一電容切換模組，耦接於該運算放大器的該輸出端；一第一電晶體，其閘極耦接於該電容切換模組，且源極用來提供該回授電壓；以及一第二電晶體，其閘極耦接於該電容切換模組，且源極用來提供一輸出參考電壓；其中該運算放大器的該輸出端在不直接連接到該第一電晶體及第二電晶體的情形下，透過該電容切換模組產生一穩定的控制電壓至該第一電晶體以及該第二電晶體的閘極；以及該運算放大器、該電容切換模組、該第一電晶體以及該第二電晶體均由同一個供應電壓來供電，且該穩定的控制電壓大於該供應電壓。
  4. 一種參考電壓緩衝電路，包含有：一運算放大器，包含兩個輸入端以及一輸出端，其中該兩個輸入端用來接收一輸入參考電壓以及一回授電壓；一電容切換模組，耦接於該運算放大器的該輸出端；一第一電晶體，其閘極耦接於該電容切換模組，且源極用來提供該回授電 壓；以及一第二電晶體，其閘極耦接於該電容切換模組，且源極用來提供一輸出參考電壓；其中該運算放大器的該輸出端在不直接連接到該第一電晶體及第二電晶體的情形下，透過該電容切換模組產生一穩定的控制電壓至該第一電晶體以及該第二電晶體的閘極；其中該電容切換模組包含有：多個開關；以及一電容，包含一第一端點以及一第二端點，其中該第一端點透過該多個開關而選擇性地連接至該運算放大器的該輸出端或是該第一電晶體的閘極，且該第二端點透過該多個開關而選擇性地連接至一第一偏壓或是一第二偏壓。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的參考電壓緩衝電路，其中該多個開關包含有：一第一開關，用以選擇性地將該電容的該第一端點連接至該運算放大器的該輸出端；一第二開關，用以選擇性地將該電容的該第一端點連接至該第一電晶體的閘極；一第三開關，用以選擇性地將該電容的該第二端點連接至該第一偏壓；以及一第四開關，用以選擇性地將該電容的該第二端點連接至該第二偏壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的參考電壓緩衝電路，其中該第一開關與 該第三開關由一第一時脈訊號所控制，而該第二開關與該第四開關由一第二時脈訊號所控制，其中該第一時脈訊號與該第二時脈訊號相位相反。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的參考電壓緩衝電路，其中該第二偏壓高於該第一偏壓。
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