TW201310189A - 動態偏壓電路與相關方法 - Google Patents

Abstract

一種動態偏壓電路與相關方法，依據一第一時脈提供一偏壓。動態偏壓電路包括一第一參考產生器、一第二參考產生器、一比較器與一調整電路。第一參考產生器依據一回授訊號提供第一參考訊號，第二參考產生器提供第二參考訊號。比較器比較第一參考訊號與第二參考訊號，調整電路依據比較結果提供回授訊號與偏壓；其中，第一參考訊號係關聯於第一時脈。

Description

動態偏壓電路與相關方法

本發明是有關於一種動態偏壓電路與相關方法，且特別是有關於一種在依據時脈提供偏壓時可藉由數位調整而在偏壓中隔絕時脈雜訊以省去雜訊低通濾波器且可在低頻時脈下維持適當最小偏壓的動態偏壓電路與相關方法。

各種各樣的電子電路，尤其是基於時脈運作的電路，已經成為現代資訊社會最重要的硬體基礎。對於各種時脈運作電路而言，時脈的頻率高低與其所需的功率有關；當時脈的頻率較高時，時脈運作電路需要較大的偏壓(如較大的偏壓電流)以提供較多的功率。反之，當時脈的頻率較低時，時脈運作電路所需的功率也較低，較低的偏壓即可滿足其功率需求。

因此，為提昇時脈運作電路的功率運用效能，動態偏壓電路即應運而生。動態偏壓電路可依據時脈來為時脈運作電路調整其偏壓(如偏壓電流)的大小。舉例而言，當頻率較高時，動態偏壓電路可提供較高的偏壓以傳遞較高的功率給時脈運作電路；反之，當時脈運作電路運作於較低頻率時，動態偏壓電路就會適應性地動態降低偏壓。

請參考第1圖，其所示意的是一習知技術的動態偏壓電路10，如Andersen等人於2005年7月發表於IEEE Journal of solid-state circuits，vol. 40，no. 7，的論文「A Cost-Efficient High-Speed 12-bit Pipeline ADC in 0.18-μm Digital CMOS」。習知動態偏壓電路10中設有一放大器12、兩電晶體PL與PR(p通道金氧半電晶體)、一負載14及一低通濾波器LPF，以依據一時脈CK來調整其所提供的偏壓電流Io1。動態偏壓電路10運作於工作電壓Vcc與G之間。

在動態偏壓電路10中，放大器12的正負兩輸入端分別耦接節點nb與一參考電壓VBG，輸出端於節點na耦接電晶體PL的閘極，使節點nb的電壓因虛擬接地而等於電壓VBG。電壓VBG可以是一個常數的定電壓，例如說是由一帶隙電路(bandgap circuit)所產生的電壓，使電壓VBG的電壓值可抵抗溫度、工作電壓與製程的漂移/變異。

負載14中設有一電容Cp與兩開關SpB、Sp；開關SpB與Sp分別受控於時脈CK與CKB，時脈CKB則為時脈CK的反相。也就是說，當開關SpB將節點nb導通至節點nc時，開關Sp不會在節點nc與工作電壓G之間導通；此時，節點nb的電流會向電容Cp充電。當時脈CKB使開關SpB不導通時，開關Sp將節點nc導通至工作電壓G，使電容Cp向工作電壓G放電。因此，在時脈CK的一個週期Ts中，電容Cp的電荷變化量為Cp*VBG，平均電流為Cp*VBG/Ts；換言之，負載14可等效為一電阻Req，其阻值為VBG/Ix=Ts/Cp=1/(Cp*Fck)，其中Fck為時脈CK的頻率，其值為1/Ts。

由上述討論可知，負載14的等效電阻Req會隨時脈CK的頻率Fck改變。當時脈CK較快(頻率Fck較高)時，電阻Req的阻值會較低，流經負載14的等效電流Ix則較高(因節點nb的電壓固定)；經由電晶體PL與PR的電流鏡配置，電晶體PR提供的偏壓電流Io1也就隨之提高。相對地，當時脈CK較慢時，電阻Req的阻值較高，電流Ix較低，故動態偏壓電路10提供的電流Io1也隨之降低。如此，習知動態偏壓電路10就能實現動態偏壓的功能。

不過，習知動態偏壓電路10也有缺點。首先，由於開關SpB與Sp會隨時脈CK週期性地在導通/不導通間切換，故會在負載14中造成週期性的暫態變化，進而導致時脈雜訊(clock noise)。此時脈雜訊會經由電晶體PL而耦合至節點na，並進一步耦合至電晶體PR的閘極，使偏壓電流Io1也會受時脈雜訊影響。因此，習知動態偏壓電路10必須在節點na與電晶體PR的閘極間設置低通濾波器LPF，以抑制節點na的時脈雜訊，減輕時脈雜訊對電晶體PR的影響。

然而，低通濾波器LPF的設置又衍生其他問題。由於低通濾波器LPF為類比電路(如電阻-電容的類比電路)，會佔用額外的布局面積；若時脈CK的頻率變動範圍具有較低的下限頻率，為了濾除低頻的時脈雜訊，低通濾波器LPF的布局面積就要更大，終至難以實現。

再者，當時脈CK的頻率低於下限頻率時，負載14的等效阻值會過高而使電流Ix過低，連帶地使偏壓電流Io1也過低，無法提供適當的偏壓。對於仰賴電流Io1的時序運作電路(未示於第1圖)而言，若偏壓電流Io1過低，其電晶體的運作就無法維持在正常的操作區(如飽和區)；這樣一來，時序運作電路也就無法正常運作。

為克服習知技術的缺點，本發明的目的之一係提供一種動態偏壓電路，依據一第一時脈提供一偏壓(如偏壓電流)。此動態偏壓電路包含一第一參考產生器、一比較器與一調整電路。第一參考產生器依據一回授訊號提供一第一參考訊號。比較器比較第一參考訊號與一第二參考訊號，並提供一比較結果。調整電路則依據比較結果提供回授訊號並產生偏壓。其中，第一參考訊號係動態關聯於第一時脈。

本發明的又一目的係提供一種動態地依據一第一時脈而提供一偏壓(如偏壓電流)的方法，包括：依據一回授訊號與第一時脈提供一第一參考訊號；比較第一參考訊號與一第二參考訊號，並提供一比較結果；以及，依據比較結果提供回授訊號並產生偏壓。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參考第2圖，其所示意的是依據本發明一實施例的動態偏壓電路20；動態偏壓電路20可依據一第一時脈而為一時脈運作電路(未圖示)提供一偏壓(如偏壓電流Io)，此時脈運作電路即基於第一時脈的觸發而運作。動態偏壓電路20設有一第一參考產生器22a、一第二參考產生器22b、一比較器24與一調整電路26；其中，比較器24耦接於第一參考產生器22a、第二參考產生器22b與調整電路26之間，第一參考產生器22a亦另行耦接調整電路26。

在動態偏壓電路20中，第一參考產生器22a是一動態參考產生器，依據一訊號Sf(即一回授訊號)提供一訊號Sr1作為第一參考訊號。第二參考產生器22b是另一參考產生器，提供一訊號Sr2作為第二參考訊號。訊號Sr1可以是一個關聯於第一時脈的參考訊號，其訊號值隨第一時脈改變；舉例而言，訊號Sr1可以是一個隨第一時脈改變電壓值的電壓訊號，以及/或者是一個隨第一時脈改變電流值的電流訊號。訊號Sr2則可以是一常數值(定值)的訊號，例如說是一個定電壓值的電壓訊號，以及/或者是一個定電流值的電流訊號。

比較器24接收訊號Sr1與Sr2，比較兩者的訊號大小，並向調整電路26提供一訊號CMP以反映比較結果。舉例而言，比較器24可在一比較時脈(未圖示)的觸發下取樣、閂鎖訊號Sr1與訊號Sr2的比較結果，並以數位的訊號CMP來代表比較結果，因此，訊號CMP的時序會關聯於比較時脈的週期。其中，比較時脈係關聯於第一時脈；舉例而言，第一時脈的頻率可以是比較時脈的K倍，K可以是大於1、等於1或小於1的整數或有理數。也就是說，比較時脈的頻率可隨第一時脈的頻率升高而升高，並隨第一時脈的頻率降低而降低。

調整電路26可以是一個基於數位電路的調整電路，其可依據訊號CMP中的比較結果提供回授訊號Sf並產生偏壓電流Io。回授訊號Sf可以是一個攜載數位數值的數位訊號；在一實施例中，調整電路26可依據訊號CMP中的比較結果產生訊號Sf，使訊號Sf的時序亦關聯於比較時脈。

在一實施例中，當第一參考產生器22a依據訊號Sf產生訊號Sr1時，是依據訊號Sf的數值調整訊號Sr1的改變率(即單位時間內的訊號值改變量)；調整電路26則依據訊號Sf的數值提供電流Io。舉例而言，當訊號Sf的數值增強訊號Sr1的改變率，調整電路26也會相應地增強電流Io；反之，當訊號Sf的數值減少訊號Sr1的改變率，調整電路26也會相應地降低電流Io。

在比較時脈的某一週期中，若訊號CMP反映訊號Sr1大於訊號Sr2，訊號Sf的數值會使第一參考產生器22a在此週期中以一較低的改變率改變訊號Sr1的訊號值，以減抑訊號Sr1。反之，在此週期中，若訊號CMP反映訊號Sr1小於訊號Sr2時，訊號Sf則使第一參考產生器22a以較高的改變率改變訊號Sr1的訊號值，以增強訊號Sr1。經由訊號Sf的回授，訊號Sr1的訊號值會逐漸鎖定至訊號Sr2的訊號值。

若第一時脈較慢，比較時脈的週期也較長；因此，在比較時脈的各週期中，即使訊號Sf的數值使訊號Sr1的改變率較低，訊號Sr1還是能累積足夠的改變量而鎖定至定值的訊號Sr2，故電流Io也會較低，以因應低頻的第一時脈。若第一時脈的頻率較高，比較時脈的週期會隨之縮短，訊號Sf的數值要使訊號Sr1的改變率升高才能快速累積足夠的改變量來鎖定訊號Sr2，故電流Io也會提高。如此，便能實現動態偏壓的功能。

請參考第3圖與第4圖；第3圖所示意的是依據本發明一實施例的動態偏壓電路30，第4圖則示意第3圖中相關訊號的波形時序。動態偏壓電路30依據一時脈CK(第一時脈)而為一時脈運作電路56提供一偏壓，例如說一偏壓電流Io；時脈運作電路56即是基於時脈CK的觸發而運作。舉例而言，時脈運作電路56中可包括一n通道金氧半電晶體N1；電晶體N1必須能得到充足的汲極偏壓電流，才能維持正常運作(例如說是運作於電晶體的飽和區)。一實施例中，時脈運作電路56可以是一管線式(pipeline)類比至數位轉換器。

動態偏壓電路30運作於工作電壓Vcc與G之間，如節點n0與n4即分別耦接工作電壓Vcc與G。舉例而言，工作電壓G可以是一地端電壓，工作電壓Vcc則是一個高於地端電壓的正電壓。

動態偏壓電路30中包括有一第一參考產生器32a、一第二參考產生器32b、一比較器34與一調整電路36。第一參考產生器32a依據一訊號Df(即一回授訊號)提供一電壓VC以作為第一參考訊號。第二參考產生器32b則提供一電壓VR以作為第二參考訊號。

比較器34可以是一電壓模式(voltage mode)的比較器，以比較兩電壓訊號。比較器34具有一第一比較輸入端、一第二比較輸入端與一比較輸出端；第一比較輸入端與第二比較輸入端(在第3圖中分別以「+」、「-」標示)分別於節點n3與n2耦接第一參考產生器32a與第二參考產生器32b，在一時脈CKcmp(比較時脈)的觸發下比較電壓VR與VC並取樣比較結果，以由節點n6的比較輸出端提供一訊號CMP來反映比較結果。舉例而言，當時脈CKcmp由低位準轉換為高位準時，其升緣就可觸發比較器34對電壓VC與VR的比較結果進行取樣閂鎖：若電壓VC大於電壓VR，比較器34在訊號CMP中維持(閂鎖)一邏輯1，直到下一個升緣；反之，當升緣觸發時，若電壓VC小於電壓VR，比較器34則在訊號CMP中維持一邏輯0，直到次一升緣。其中，時脈CKcmp係關聯於時脈CK；舉例而言，時脈CK的頻率可以是時脈CKcmp的K倍，K可以是大於1、等於1或小於1的整數或有理數。也就是說，時脈CKcmp的頻率可隨時脈CK的頻率升高而升高，並隨第一時脈的頻率降低而降低。

調整電路36於節點n6耦接比較器34的比較輸出端，依據訊號CMP提供訊號Df與另一訊號Do(即一輸出訊號)，並依據訊號Do產生偏壓電流Io。訊號Df與Do可以是攜載多位元數值的數位訊號。

第一參考產生器32a中包括有兩電流源48a、50a與一負載54。電流源48a為一可變電流源(第一可變電流源)，耦接於節點n0與n3之間，並設有一受控端58a(第一受控端)與一電流端(第一電流端)，前者耦接訊號Df，後者於節點n3耦接比較器34的第一比較輸入端。電流源48a依據訊號Df中的資料數值而於節點n3提供電流Itune1；當訊號Df的數值改變，電流Itune1的電流大小也隨之改變。

舉例而言，訊號Df中的資料可以是一N位元數值，其數值可以是由0至(2^N-1)；對應地，電流源48a提供的電流Itune1也可以是由0至(2^N-1)個單位的電流。一實施例中，電流源48a中可包括(2^N-1)個可提供相同電流的電流源單元，各電流源可依據訊號Df選擇性地導通至節點n3；訊號Df的數值越大，被導通至節點n3的電流源單元越多，使電流Itune1也隨之增加。舉例而言，每個電流源單元可提供Iu1/(2^N)的電流(其中Iu1為一常數)，而電流Itune1則可以是：Itune1=Df*Iu1/(2^N)。

另一電流源50a為一定電流源(第一定電流源)，亦耦接於節點n0與n3之間，於節點n3耦接比較器34的第一比較輸入端，並提供一電流值固定的電流Ifx1。電流Itune1與Ifx1會在節點n3匯合成電流Ix1，注入負載54。

負載54(第一負載)於節點n3耦接比較器34的第一比較輸入端，並於節點n4耦接工作電壓G。負載54依據時脈CK與第一比較輸入端(節點n3)的電流Ix1而在節點n3建立電壓VC(第一電壓)。負載54中包括有一電容C(第一電容)與一開關S。電容C耦接於節點n3與n4之間。開關S亦耦接於節點n3與n4之間，依據一時脈CKc(開關時脈)而選擇性地使節點n3導通至工作電壓G。舉例而言，當時脈CKc為低位準時，開關S停止在節點n3與n4間導通，使電流Ix1可對電容C充電；相對地，當時脈CKc為高位準時，開關S則將節點n3導通至節點n4的工作電壓G，使電流Ix1旁路於電容C，電容C也可被重設為節點n4的電壓。其中，時脈CKc係關聯於時脈CKcmp，故也關聯於時脈CK。時脈CKcmp與時脈CKc的頻率可以是相同的，但兩者間的相位相差90度。

第二參考產生器32b中包括有一放大器52(如一差動放大器)、一電晶體P1與一電阻Rset。放大器52具有一第一放大器輸入端、一第二放大器輸入端(第3圖中分別以「+」、「-」標示)與一放大器輸出端；第二放大器輸入端耦接一電壓VBG(即一參考電壓)，第一放大器輸入端則耦接節點n2。在一實施例中，電壓VBG係由一帶隙電路(未圖示)所提供的帶隙(bandgap)參考電壓。

電晶體P1可以是一p通道金氧半電晶體，其可等效為一受控電流源。電晶體P1於節點n1的閘極可視為一參考控制端，耦接放大器52的放大器輸出端。電晶體P1的源極於節點n0耦接工作電壓Vcc，汲極則可作為一參考電流端，於節點n2耦接第一放大器輸入端。

電阻Rset可視為一參考負載，耦接於節點n2與n4之間，依據電晶體P1於節點n2提供的電流Ix2而提供電壓VR。一實施例中，電阻Rset為一外接的精確電阻。也就是說，除電阻Rset之外，動態偏壓電路30與時脈運作電路56可整合於同一晶片中，電阻Rset則經由此晶片的外接接腳而耦接至晶片中的節點n2(與n4)。

在第3圖實施例中，調整電路36包括一判斷電路38與兩電流源48b與50b。判斷電路38於節點n6耦接比較器34的比較輸出端，以依據訊號CMP中的比較結果提供訊號Df與訊號Do。電流源48b可視為一第二可變電流源，耦接於節點n0與n7之間，具有一受控端58b(第二受控端)與一電流端(第二電流端)，前者耦接訊號Do，後者則耦接節點n7。電流源48b依據訊號Do而於節點n7提供電流Itune2；當訊號Do的數值改變，電流Itune2的電流大小也隨之改變。舉例而言，訊號Do中的資料可以是一N位元數值，其數值可以是由0至(2^N-1)；對應地，電流源48b提供的電流Itune2也可以是由0至(2^N-1)個單位的電流。舉例而言，類似於電流源48a，電流源48b的電流Itune2也可以是：Itune2=Do*Iu2/(2^N)，其中Iu2為一常數。

另一電流源50b則可作為一第二定電流源，亦耦接於節點n0與n7之間，並於節點n7提供電流Ifx2。電流Itune2與Ifx2會在節點n7匯合成電流Io，也就是要供應至時脈運作電路56的偏壓電流。

在第3圖實施例中，判斷電路38設有一計數器40、一溢位偵測器42與一鎖定偵測器46，三者可以是數位邏輯電路。計數器40於節點n6耦接比較器34，依據訊號CMP中的比較結果而選擇性地增加與減少一筆數位的計數值Dv。舉例而言，計數值Dv可以是一N位元的數值，故其數值可以是0至(2^N-1)。若訊號CMP為邏輯0(即電壓VR小於VC)，則計數器40的計數值Dv會增加1；相對地，若訊號CMP為邏輯1(電壓VR大於VC)，計數值Dv則會減少1。調整電路36就是依據記數值Dv提供訊號Df、Do與電流Io。舉例而言，當計數值Dv增加時，調整電路36使訊號Df的數值也隨之增加；反之，當計數值Dv減少時，調整電路36也使訊號Df的數值減少。

鎖定偵測器46於節點n5與n6分別耦接計數器40與比較器34，並另耦接於溢位偵測器42與電流源48b的受控端58b。鎖定偵測器46依據訊號CMP中的比較結果偵測計數值Dv是否已趨近一穩態值，並據以提供訊號Do。舉例而言，當計數值Dv隨時間變化的幅度仍然很大時，鎖定偵測器46不會改變訊號Do的數值。反之，當計數值Dv於一穩態值上增減的幅度已小於一容忍範圍並持續一段預設時間，可判斷計數值Dv已經趨近於該穩態值，故鎖定偵測器46會依據該穩態值設定訊號Do的數值，而調整電路36即可依據訊號Do控制電流源48b以產生偏壓電流Io。

溢位偵測器42耦接於計數器40與鎖定偵測器46，並另耦接於電流源48a的受控端58a，向電流源48a提供訊號Df。溢位偵測器42偵測計數值Dv是否將超過一預設範圍；若是，則使計數值Dv保持不變。舉例而言，對N位元計數值Dv而言，前述預設範圍可以由0與(2^N-1)定義。若N位元計數值Dv已經等於0，但訊號CMP仍要使計數值Dv減少，則計數值Dv會因欠位(underflow)而使其數循環至(2^N-1)；為防止此種情形發生，當計數值Dv將要由0繼續減少時，溢位偵測器42會使計數值Dv維持為0。當計數值Dv維持不變，訊號Df的數值也維持不變。對應於數值0的計數值Dv，訊號Df會使電流源48a的電流Itune1的電流值為零，訊號Do則使電流源48b的電流Itune2為零；不過，由於電流源50a與50b皆會持續提供電流Ifx1與Ifx2，故電流Io會持續維持一最小值，即電流Ifx2。

相對地，當訊號CMP要使計數值Dv由(2^N-1)持續增加時，溢位偵測器42會將計數值Dv維持於(2^N-1)，避免計數值Dv在遞增1後反而循環回到0。

動態偏壓電路30的運作原理可用第4圖來說明。在第4圖的例子中，時脈CKc與CKcmp的頻率為時脈CK的1/2，也就是說，若時脈CK的週期為Ts，時脈CKc與CKcmp的週期則為2*Ts。時脈CKcmp的相位可以領先於時脈CKc的相位，兩者差異90度，即在時間軸上有Ts/2的差異。

由於電壓VR是基於電壓值固定的電壓VBG而建立的，故電壓VR也是一個定值電壓，不隨時間改變，在第4圖呈一水平線。在時點t1m至t1p之間，時脈CKc的低位準使開關S不導通，電流Ix1對電容C充電，使電壓VC由節點n4的工作電壓G開始上升。在時點t1，時脈CKcmp的升緣觸發比較器34；由於比較器34取樣到的比較結果是電壓VC小於電壓VR，故訊號CMP會在時點t1至t2中維持邏輯0，而計數器40會使計數值Dv增加1，連帶增加訊號Df的數值，使電流Itune1增加，而電流Ix1也隨之增加。不過，在時點t1p至t2m之間，訊號CKc的高位準使開關S導通，電容Cf放電，電壓VC會被重設至節點n4的電壓。在時點t2m至t2p之間，訊號CKc的低位準再度使開關S不導通，電流Ix1就會再度向電容C充電而使電壓VC升高。由於電流Ix1已在時點t1後增加，故在時點t2m至t2p之間，電壓VC的改變率(電壓隨時間上升的速度)會增加，使電壓VC更快速地遞增。

到了時點t2，時脈CKcmp的升緣再度觸發比較器34，假設訊號CMP仍反映電壓VC小於電壓VR。因此，計數值Dv會在時點t2後再度遞增，並經由訊號Df的數值增加而使電流源48a提供的電流Itune1進一步加大，電流Ix1也隨之增大。

經由時點t2p至t3m間的重設，電壓VC於時點t3m至t3p之間再度因電流Ix1的充電而上升，而電壓VC的改變率會因電流Ix1的增加而進一步增強，使電壓VC的電壓值更快速地累積。假設增強的電流Ix1會使電壓VC在時點t3超越電壓VR(如第4圖所示)，當時脈CKcmp在時點t3的升緣再度觸發比較器34後，比較器34的訊號CMP就會在時點t3後改變為邏輯1。連帶地，在時點t3之後，計數值Dv會減少1，訊號Df的數值也減少，而電流Itune1與Ix1也相應減少。

等到時點t4m至t4p之間，由於電流Ix1減少，故電壓VC在時點t4時又會小於電壓VR；經由比較器34與計數器40的運作，訊號Df會使電流Ix1再度增加。故在時點t5m至t5p之間與時點t7m至t7p之間，電壓VC會重複時點t3m與t3p間的波形。同理，在時點t6m至t6p之間，電壓VC會重複時點t4m至t4p間的波形，以此類推。換言之，在時點t3m之後，電壓VC在時脈CKcmp的每個升緣會交替地大於與小於電壓VR，訊號CMP會交替於邏輯1與邏輯0，計數值Dv也會交替地減少1與增加1。這代表計數值Dv已經趨於穩態值並達成鎖定，而鎖定偵測器46便可依據該穩態值設定訊號Do的數值，進而使電流源48b產生對應的偏壓電流Io。一實施例中，鎖定偵測器46可計算訊號CMP在邏輯0與邏輯1間發生交替的連續次數是否已經大於一預設次數，若是，則判斷已經達成穩態鎖定，並依據計數值Dv的穩態值設定訊號Do的數值。

若時脈CK較快，週期Ts會較短，需要數值較大的計數Dv與訊號Df才能以較高的電流Ix1來使電壓VC在短週期內快速累積到足以超越電壓VR；因此，到達穩態鎖定後，高速的時脈CK會對應數值較高的訊號Do，電流Io也較大，以因應時脈運作電路56的較大偏壓需求。相對地，若時脈CK的頻率較低，週期Ts較長，以數值較低的計數值Dv與訊號Df即可達成穩態鎖定，故訊號Do的數值也較低，電流Io也變小。

由穩態鎖定的條件可知，在穩態鎖定時，電流Ix1對電容C充電Ts/2週期後所得的電壓VC會趨近於電壓VR；此時，電壓VC=(Ix1/C)*Ts/2，定值電壓VR=Ix2*Rset(請參考第3圖)。令電壓VC=VR，可得到C*Rset=(Ix1/Ix2)*Ts/2=(Kfix+Df*KR/(2^N))*Ts/2；其中，Ix1=Itune1+Ifx1，Itune1=Df*Iu1/(2^N)，Kfix=(Ifx1/Ix2)，KR=(Iu1/Ix2)。一實施例中，電流源48a與48b為互相匹配、互為複製(replica)，電流源50a與50b亦互為複製；達到鎖定時，由於訊號Do的數值可以等於訊號Df，故電流Itune1=Itune2，且電流Ifx1=Ifx2。因此，完成鎖定時，時脈CK的頻率Fck可計算為：

Fck=1/Ts=(Kfix+Do*KR/(2^N))/(2*C*Rset)　--(式1)。

由(式1)可知，時脈CK的頻率越高，訊號Do的數值也越大，使偏壓電流Io也對應地變大，以實現時脈動態偏壓的功能。

時脈運作電路56的時脈CK會在一頻率變動範圍中變動，也就是說，時脈CK的頻率Fck會在此頻率變動範圍的上限頻率與下限頻率間變動。為了因應時脈CK的變動而動態調整偏壓電流Io，訊號Do的數值上限與下限應分別對應頻率變動範圍上限頻率與下限頻率。因此，將訊號Do的數值上限與下限代入至(式1)中，就能得知動態偏壓電路30所能支援的頻率變動範圍。

在(式1)中，假設N=5(即訊號Do與Df同為5位元資料，其數值可以是由0至31)，Kfix=1/8，KR=1，Rset*C=6.25奈秒(nanosecond)，則當訊號Do的數值為0時，時脈CK的頻率Fck為10MHz(1MHz為一百萬赫茲)；當訊號Do為31時，時脈CK的頻率Fck則為87.5MHz。換言之，在此例中，動態偏壓電路30可支援的頻率變動範圍是由10MHz至87.5MHz。

在一種實施例中，電流源48a與48b互為複製，電流源50a與50b亦互相複製。另一種實施例中，電流源48a的電流驅動能力可以是電流源48b的M倍，電流源50a的電流驅動能力也可以是電流源50b的M倍。

相較於第1圖習知動態偏壓電路10，本發明動態偏壓電路30的優點可討論如下。由於本發明動態偏壓電路能以數位調整技術來抑制時脈雜訊，因此，本發明不需要低通濾波器，也不會因低通濾波器的布局面積考量而無法因應較低的下限頻率。舉例而言，當數位的判斷電路38運作時，計數值Dv與訊號Df可能會在時脈CKcmp的每個週期中增減改變其數值，但在達成鎖定前，判斷電路38不會改變訊號Do的數值。因此，訊號Df的增減不會影響訊號Do的穩定，而時脈雜訊也就不會經由訊號Do而耦合至偏壓電流Io。再者，即使時脈運作電路56的頻率Fck低於下限頻率時，偏壓電流Io也不會隨之降低，其可維持一適當的最小值，即電流Ifx2。適當的電流最小值可確保時脈運作電路56在低頻下仍能得到足夠的偏壓電流，以維持其正常運作。

本發明亦提供一種動態偏壓技術，其施行可由動態偏壓電路30的運作來舉例說明。當要動態地依據時脈CK而提供偏壓電流Io時，可依據訊號Df與時脈CK而提供電壓(電壓訊號)VR，比較電壓VR與VC並提供訊號CMP反映比較結果，並依據訊號CMP中的比較結果提供訊號Df並產生偏壓電流Io。如判斷電路38的運作，其係依據訊號CMP中的比較結果選擇性地增加與減少計數值Dv，並依據計數值Dv提供訊號Df與Do。判斷電路38亦依據訊號CMP進行一鎖定偵測，以判斷計數值Dv是否趨近一穩態值；若是，則依據該穩態值提供訊號Do，使調整電路36依據訊號Do產生偏壓電流Io。再者，判斷電路38也會進行一溢位偵測，以偵測計數值Dv是否將超過一預設範圍；若是，則使計數值Dv保持不變。

請參考第5圖，其所示意的是依據本發明又一實施例的動態偏壓電路60，以依據時脈CK的頻率提供偏壓，如偏壓電流Io。動態偏壓電路60包括一第一參考產生器62a、一第二參考產生器62b、一比較器64與一調整電路66。

第一參考產生器62a包括兩電流源70a與74a，電流源70a可以是一可變電流源，具有一受控端72a與一電流端，分別耦接訊號Df(回授訊號)與節點n3；電流源70a會依據訊號Df的數值而於節點n3提供電流Itune1。電流源74a可以是一個定電流源，耦接節點n3，並於節點n3端提供一電流值固定的定值電流Ifx1。電流Itune1與Ifx1在節點n3匯合為電流Ix1，以作為一第一參考訊號。

第二參考產生器62b中設有一電流源76，例如說是一個定電流源，提供一電流值固定的預設定電流Ifx0以作為一第二參考訊號。

比較器64可以是一電流模式的比較器，用以比較電流Ix1與Ifx0這兩個電流訊號，並提供一訊號CMP以反映比較結果。比較器64具有一第一比較輸入端、一第二比較輸入端與一比較輸出端，前兩者分別耦接於節點n3、n2以接收電流Ix1與Ifx0。

調整電路66設有一判斷電路68與兩電流源70b及74b。判斷電路68可以是一數位電路，耦接比較器64的比較輸出端，依據訊號CMP反映的比較結果提供訊號Df與另一訊號Do(即一輸出訊號)。電流源70b可以是一可變電流源，具有一受控端72b與一電流端，分別耦接訊號Do與節點n7，以依據訊號Do的數值大小而於節點n7提供電流Itune2。電流源74b可以是一個提供定值電流的定電流源，耦接節點n7，提供一個定電流Ifx2。電流Itune2與Ifx2於節點n7匯合為電流Io。

動態偏壓電路60的運作可由動態偏壓電路30的運作類推。舉例而言，當第一參考產生器62a產生電流Ix1時，可以依據訊號Df的數值大小設定電流Ix1的改變率(單位時間內的電流改變量)，並以其累積的改變量反映時脈CK的頻率。電流Ifx0則是電流值固定的定電流。電流模式的比較器64比較電流Ix1與Ifx0的電流大小，判斷電路68則依據比較結果更新訊號Df的數值，以回授改變電流Ix1的改變率，進而使電流Ix1的大小能鎖定至電流Ifx0的電流大小。達成鎖定後，判斷電路68依據訊號Df設定訊號Do的數值，使偏壓電流Io能因應時脈CK的頻率。

總結來說，相較於習知技術，本發明時脈動態偏壓技術可以用數位技術隔離、減抑時脈雜訊，不需使用低通濾波器，並可避免時脈頻率過低時偏壓不足。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10、20、30、60．．．動態偏壓電路

12、52．．．放大器

14、54．．．負載

22a、32a、62a．．．第一參考產生器

22b、32b、62b．．．第二參考產生器

24、34、64．．．比較器

26、36、66．．．調整電路

38、68．．．判斷電路

40．．．計數器

42．．．溢位偵測器

46．．．鎖定偵測器

48a-48b、50a-50b、70a-70b、74a-74b、76．．．電流源

56．．．時脈運作電路

58a-58b、72a-72b．．．受控端

Sr1、Sr2、CMP、Sf、Df、Do．．．訊號

Dv．．．記數值

LPF．．．低通濾波器

PL、PR、P1、N1．．．電晶體

Ix、Io1、Io、Ix2、Ix1、Ifx0-Ifx2、Itune1-Itune2．．．電流

Vx、VBG、VR、VC．．．電壓

Vcc、G．．．工作電壓

Cp、C．．．電容

Req、Rset．．．電阻

na-nc、n1-n7．．．節點

Sp、SpB、S．．．開關

CK、CKB、CKc、CKcmp．．．時脈

Ts．．．週期

t1-t7、t1m-t7m、t1p-t7p．．．時點

第1圖示意一習知動態偏壓電路。

第2圖示意的是依據本發明一實施例的動態偏壓電路。

第3圖示意的是依據本發明一實施例的動態偏壓電路。

第4圖示意第3圖中各相關訊號的波形時序。

第5圖示意的是依據本發明又一實施例的動態偏壓電路。

20．．．動態偏壓電路

22a．．．第一參考產生器

22b．．．第二參考產生器

24．．．比較器

26．．．調整電路

Sr1、Sr2、CMP、Sf．．．訊號

Io．．．電流

Claims (20)

1. 一種動態偏壓電路，依據一第一時脈提供一偏壓；該動態偏壓電路包含：一第一參考產生器，依據一回授訊號提供一第一參考訊號；一比較器，具有一第一比較輸入端、一第二比較輸入端與一比較輸出端；該第一比較輸入端與該第二比較輸入端分別耦接該第一參考產生器與一第二參考訊號，該比較器比較該第一參考訊號與該第二參考訊號以由該比較輸出端提供一比較結果，其中該第一參考訊號係關聯於該第一時脈；以及一調整電路，耦接該比較輸出端，依據該比較結果提供該回授訊號並產生該偏壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述的動態偏壓電路，其中該第一參考產生器包含：一第一可變電流源，具有一第一受控端與一第一電流端，分別耦接該回授訊號與該第一比較輸入端；該第一可變電流源依據該回授訊號而於該第一電流端提供電流。
3. 如申請專利範圍第2項所述的動態偏壓電路，其中該第一參考產生器更包含：一第一定電流源，耦接該第一比較輸入端，並於該第一比較輸入端提供電流。
4. 如申請專利範圍第2項所述的動態偏壓電路，其中該第一參考產生器更包含：一第一負載，耦接該第一比較輸入端，依據該第一時脈與該第一比較輸入端的電流而在該第一比較輸入端建立一第一電壓以作為該第一參考訊號。
5. 如申請專利範圍第4項所述的動態偏壓電路，其中該第一負載包含：一第一電容，耦接於該第一比較輸入端與一工作電壓之間；以及一開關，耦接於該第一比較輸入端與該工作電壓之間，依據一開關時脈而選擇性地使該第一比較輸入端導通至該工作電壓；其中，該開關時脈係關聯於該第一時脈。
6. 如申請專利範圍第5項所述的動態偏壓電路，其中，該比較器係在一比較時脈的觸發下比較該第一參考訊號與一第二參考訊號以提供該比較結果，該比較時脈係關聯於該第一時脈，且該比較時脈與該開關時脈的頻率相同，相位相異。
7. 如申請專利範圍第1項所述的動態偏壓電路，更包含：一第二參考產生器，耦接該比較器，並提供該第二參考訊號。
8. 如申請專利範圍第7項所述的動態偏壓電路，其中該第二參考產生器包含一定電流源，提供一預設定電流以作為該第二參考訊號。
9. 如申請專利範圍第8項所述的動態偏壓電路，其中該第二參考產生器包含：一放大器，具有一第一放大器輸入端、一第二放大器輸入端與一放大器輸出端；該第二放大器輸入端耦接一參考電壓；一受控電流源，具有一參考控制端與一參考電流端，分別耦接該放大器輸出端與該第一放大器輸入端；以及一參考負載，耦接該參考電流端，依據該受控電流源於該參考電流端提供的電流而提供該第二參考訊號。
10. 如申請專利範圍第9項所述的動態偏壓電路，其中該參考負載係一電阻，而該參考電壓係一帶隙(bandgap)參考電壓。
11. 如申請專利範圍第1項所述的動態偏壓電路，其中該調整電路包含：一計數器，耦接該比較器，依據該比較結果而選擇性地增加與減少一計數值，而該調整電路係依據該計數值提供該回授訊號與該偏壓。
12. 如申請專利範圍第11項所述的動態偏壓電路，其中該調整電路更包含：一鎖定偵測器，耦接該比較器，依據該比較結果偵測該計數值是否趨近一穩態值，並據以提供一輸出訊號；而該調整電路係依據該輸出訊號產生該偏壓。
13. 如申請專利範圍第12項所述的動態偏壓電路，其中該調整電路更包含：一溢位偵測器，耦接該計數器與該鎖定偵測器，偵測該計數值是否將超過一預設範圍；若是，則使該計數值保持不變。
14. 如申請專利範圍第1項所述的動態偏壓電路，其中該調整電路包含：一判斷電路，耦接該比較輸出端，依據該比較結果提供該回授訊號與一輸出訊號；以及一第二可變電流源，具有一第二受控端與一第二電流端，該第二受控端耦接該輸出訊號；該第二可變電流源依據該輸出訊號而於該第二電流端提供電流。
15. 如申請專利範圍第14項所述的動態偏壓電路，其中該調整電路更包含：一第二定電流源，耦接該第二電流端，並於該第二電流端提供電流。
16. 如申請專利範圍第11項所述的動態偏壓電路，其中，該比較器係在一比較時脈的觸發下比較該第一參考訊號與該第二參考訊號以提供該比較結果，且該比較時脈係關聯於該第一時脈。
17. 一種動態地依據一第一時脈而提供一偏壓的方法，包含：依據一回授訊號與該第一時脈提供一第一參考訊號；比較該第一參考訊號與一第二參考訊號，並提供一比較結果；以及依據該比較結果提供該回授訊號並產生該偏壓。
18. 如申請專利範圍第17項所述的方法，更包含：依據該比較結果選擇性地增加與減少一計數值；以及依據該計數值提供該回授訊號與該偏壓。
19. 如申請專利範圍第18項所述的方法，更包含：進行一鎖定偵測，以偵測該計數值是否趨近一穩態值；若是，則依據該穩態值提供一輸出訊號，並依據該輸出訊號產生該偏壓。
20. 如申請專利範圍第18項所述的方法，更包含：進行一溢位偵測，以偵測該計數值是否將超過一預設範圍；若是，則使該計數值保持不變。