TWI269955B - Circuit for reference current and voltage generation - Google Patents

Description

rtwf.doc/y 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種電流及電壓參考電路，且 於一種適用於手持式電子裝置的電流及電壓灸疋關 【先前技術】 路。 由於手持式電子裝置的應用越來越廣泛，對於電池使 用時間的要求也越來越長。所以如何讓手持式電子】置的 元使查叠機或關閉狀態下所消耗的功率降低，已經^現A 技術的一大課題。而在類比電路中，電流及電壓電ς 的靜態電流消耗，常是技術瓶頸之所在，因此我們希望能 研發出一種電流及電壓參考電路，使其電路易於開啟 閉’而且在關閉狀態下僅消耗極低的靜態電流。 美國專利弟5949227號提出了如圖1所示的電路，用 啟動(startup)電路101啟動電壓參考電路1〇3，在關閉時使 用啟動禁能(startup disable)電路102隔開啟動電路101和 電壓參考電路103。但是這篇專利提出的啟動禁能電路1〇2 並不能完全關閉電流，也就是說，在關閉時仍然有電流消 耗0

Hironori Banba 以及 Hitoshi Shiga 等人在 Journal of Solid-State Circuit，vol. 34, no. 5, ρρ· 670-674, May 1999 發 表的論文 “A CMOS Bandgap Reference Circuit with Sub-l-V Operation”主要是提出了一種可供低電壓使用的 頻帶間隙參考電路(bandgap reference circuit)。其頻帶間隙 參考電路的啟動方法是利用N型金氧半場效電晶體 12699总—e/y (n-channel metal oxide semiconductor field effect transistor，簡稱為 NMOS 電晶體）以及啟動(power-on reset) 信號，使頻帶間隙參考電路能在電路一開始通電的時候， 啟動整個電路。這一篇論文雖然提出了低電壓頻帶間隙參 考電路的實施方法以及啟動方法，但是並沒有提供關閉的 方法。 ^ 另一篇論文是由 Piero Malcovati 與 Franco Maloberti 等人在1〇111*仙1(^8〇仙4&16<：匕1^，¥〇1.36，11〇.7，卩？· , 1076-1081，July 2001 發表的 ”〇irvature_Compensated

BiCMOS Bandgap with 1-V Supply Voltage，，。這一篇論文主 要是提出了低電壓下，在低電壓頻帶間隙參考電路中的運 算放大器（operational amplifier)以及啟動功能的設計方 法’但是並沒有提出關閉的方法。另外，上述的啟動方法 需要BiCMOS製程，也就是雙載子接面電晶體（bip〇lar junction transistor，簡稱為BJT電晶體）以及互補式金氧 半場效電晶體（complementary MOS，簡稱為CMOS)的 | 複合製程來實現。 由以上說明可知，目前的技術還不能滿足我們的期 望。 【發明内容】 本發明的目的是在提供一種電流及電壓參考電路，有 元整的開啟與關閉功能，在關閉時幾乎不消耗電流，可延 長手持式電子裝置的使用時間，而且只需要CM〇s製程就 能實現。 〜 6 1269概·/y 為達成上述及其他目的，本發明提出一種電流及電壓 參考電路，包括電流偏壓電路以及電壓參考電路。電流偏 壓電路接收致能信號，於致能信號處於開啟狀態時提供參 考電流、偏壓信號與啟動信號，並且於致能信號處於關閉 狀悲日守提供第一預設電壓與第二預設電壓。電壓參考電路 耦接於電流偏壓電路，若接收偏壓信號與啟動信號，則進 入開啟狀態並且提供參考電壓，若接收第一預設電壓與第 二預設電壓，則進入關閉狀態。 上述之電流及電壓參考電路，在一實施例中，電流偏 壓電路更包括啟動電路、第一隔離器（isolator)、常數跨導 偏壓電路、以及弟一隔離器。啟動電路接收狀態信號，若 • 狀態信號處於關閉狀態，則輸出啟動信號。第一隔離器接 收致能彳§號，並且自啟動電路接收啟動信號，若致能信號 為開啟狀態，則輸出啟動信號，若致能信號為關閉狀態， 則輸出第三預設電壓。常數跨導偏壓 constant tmnsconductance bias)電路根據其狀態提供狀態 # 信號至啟動電路，並且耦接於第一隔離器。若自第一隔離 器接收啟動信號，則進入開啟狀態並且輸出參考電流與偏 壓信號；若自第一隔離器接收第三預設電壓，則進入關閉 狀悲。最後，弟一隔離為接收致能信號，若致能信號為開 啟狀態，則傳遞常數跨導偏壓電路輸出的偏壓信電壓 芩考電路，並且傳遞第一隔離器輸出的啟動信號至電壓參 考電路。反之，若致能信號為關閉狀態，則輸出第一預設 電壓與第二預設電壓至電壓參考電路。 ^ 7 >口上述之電流及電壓參考電路，在一實施例中，若致能 信號為關閉狀態，則第-隔離器隔離啟動電路、常數跨導 偏壓包路、以及第二隔離器。而且第二隔離器隔離常數跨 導偏壓電路、第一隔離器、以及電壓參考電路。 依照本發_難實蘭所述，本發暇以啟動電路 啟動常數跨導偏壓電路，進而以啟動電路及常數跨導偏壓 電路啟動電壓參考電路。至於關時，本發明是以隔離器 本身輸出的預設電壓義常數跨導偏壓電路以及電壓參考 電路。所以本發明有完整的開啟與關閉功能。 一另外，在關閉時，本發明的隔離器會隔絕啟動電路、 常數跨導偏壓電路、以及f壓參考電路，完全阻斷電流， 所以本發明提出的電流及賴參考電路在關時幾乎不消 耗電"IL可延長手持式電子裝置的使用時間。而且本發明 不使用BJT電晶體，所以只需要CM〇s製程就能實現。 ▲為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式， 作洋細說明如下。 【實施方式】 圖2為根據於本發明一實施例的電流及電壓參考電路 2〇〇的電路示意圖。f流及電壓參考電路包括互相耦 接的電流偏壓電路2〇1以及電壓參考電路2〇2。 ^電流偏壓電路201包括啟動電路203、隔離器204、 系數導偏壓電路2G5、以及隔離器施。隔離器2G4麵接 《啟動電路203。常數跨導偏壓電路2()5搞接於啟動電路 8 12699^5^^0^ 203以及隔離器204。隔離器206耦接於常數跨導偏壓電路 205以及隔離器204。 另一方面，電壓參考電路202包括開關電路207與 208、啟動電晶體NS(在本實施例為NMOS電晶體） 及頻帶間隙參考電路(bandgap reference circuit) 209。開關 電路207耦接於電壓源VDD。開關電路208耦接於開關電 路207以及隔離器206二啟動電晶體NS轉接於隔離器2〇6 以及開關電路207。最後，頻帶間隙參考電路209耦接於 • 開關電路207、208、啟動電晶體NS、以及地線GND之間。 電流及電壓參考電路200有開啟與關閉兩種狀態。在 開啟狀態時’隔離器204與206會導通啟動電路203、常 數跨導偏壓電路205、以及頻帶間隙參考電路209。常數跨 導偏壓電路205會進入開啟狀態，輸出參考電流IREF。頻 帶間隙參考電路209也會進入開啟狀態，輸出參考電壓 VREF。而另一方面，當電流及電壓參考電路2〇〇處於關 閉狀態時，隔離器204與206會隔斷啟動電路203、常數 _ 跨導偏壓電路205、以及頻帶間隙參考電路209之間的電 流。常數跨導偏壓電路205與頻帶間隙參考電路209會隨 之進入關閉狀態，此時常數跨導偏壓電路2〇5與頻帶間隙 參考電路209之中的偏壓電流會趨近於零。以下詳細說明 整個電流及電壓參考電路200的啟動與關閉過程。 當電流及電壓參考電路200處於關閉狀態，而且電源 從零升高到某個固定電壓時，電流及電壓參考電路200就 會開始啟動。首先，致能信號220會進入開啟狀態，使隔 9 I269%5_oc/y 離器204與206導通啟動電路203、常數跨導偏壓電路 205、以及頻帶間隙參考電路209。接著常數跨導偏壓電路 2〇5會提供狀態信號223給啟動電路203。狀態信號223 的内容就是反映常數跨導偏壓電路205的狀態，此時常數 跨導偏壓電路205仍然是關閉的，所以狀態信號223自然 也處於關閉狀態。 啟動電路203 —接收到關閉狀態的狀態信號223，就 會輸出啟動信號221。隔離器204會將啟動信號221傳遞 給常數跨導偏壓電路205。接收到啟動信號221之後，常 數跨導偏壓電路205就會進入開啟狀態，輸出參考電流 IREF以及偏壓信號222。隔離器206會將偏壓信號222傳 遞給開關電路208，使開關電路208導通開關電路207以 及頻帶間隙參考電路209。 另一方面，隔離器204與206會將啟動電路203的啟 動信號221傳遞給啟動電晶體NS，使啟動電晶體NS導 通。導通之後，啟動電晶體NS汲極(drain)的低電位會使 開關電路207導通電壓源VDD以及開關電路208。這時候 啟動電晶體NS、開關電路207以及208都已經導通，頻帶 間隙參考電路209就會進入開啟狀態，輸出參考電壓 VREF。 接下來，若電流及電壓參考電路200要從開啟狀態進 入關閉狀態，首先致能信號220會進入關閉狀態，使隔離 器204與206隔斷啟動電路203、常數跨導偏壓電路205、 以及頻帶間隙參考電路209之間的電流。然後隔離器204 、dy 會輸出第三預設電壓以關閉常數跨導偏壓電路2〇5。之後 雖然狀悲信號223會使啟動電路2〇3輸出啟動信號221， 因為隔離态204已經隔絕啟動電路與常數跨導偏壓電 路205，常數跨導偏壓電路2〇5不會再度啟動。 另一方面，隔離器206會輸出第一預設電壓使開關電 路208關斷，並且輸出第二預設電壓使啟動電晶體NS關 斷。啟動電晶體NS —關斷，開關電路2〇7也隨之關斷。 這時候因為啟動電晶體NS、開關電路2〇7以及208都已經 籲 關斷，頻帶間隙參考電路209也會進入關閉狀態。 接下來請參照圖3,圖3為隔離器204的電路示意圖。 隔離裔204主要包含多工器(muitipiexer) 3〇1與3〇2。多工 斋301與302皆接收致能信號220。當致能信號22〇為開 啟狀態時’多工器301會傳遞啟動電路203的啟動信號221 至常數跨導偏壓電路205，而多工器302則傳遞上述的啟 動信號221至隔離器206。反之，當致能信號220為關閉 狀悲時，多工器301會傳遞第三預設電壓313至常數跨導 • 偏壓電路205，多工器302則導通其輸出端與地線〇^^。 由圖2及圖3不難看出，當啟動信號220處於關閉狀態時， 隔離器204確實可隔離啟動電路2〇3、常數跨導偏壓電路 205、以及隔離器206。 接下來請參照圖4,圖4為隔離器206的電路示意圖。 隔離器206主要包含多工器4〇1與4〇2。多工器4〇1與4〇2 皆接收致能信號220。當致能信號220為開啟狀態時，多 工器401會傳遞常數跨導偏壓電路2〇5的偏壓信號222至 12699為啊 開關電路208，多工器402則傳遞來自多工器3〇2的啟動 4吕號221至啟動電晶體NS。反之’當致能信號22〇為關閉 狀恶日$，多工裔401會傳遞弟一^員設電壓411至開關電路 208，多工為402則傳遞第二預没電壓412至啟動電晶體 NS。由圖2及圖4不難看出，當啟動信號22〇處於關閉狀 悲時，隔離器206破實可隔離常數跨導偏壓電路2〇5、隔 離器204、以及頻帶間隙參考電路2〇9。 綜上所述，本發明是以啟動電路啟動常數跨導偏壓電 _ 路，進而以啟動電路及常數跨導偏壓電路啟動頻帶間隙參 考電路。至於關閉時，本發明是以隔離器本身輸出的預設 電壓關閉常數跨導偏壓電路以及頻帶間隙參考電路。所二 本發明有完整的開啟與關閉功能。 另外，在關閉時，本發明的隔離器會隔絕啟動電路、 常數跨導偏壓電路、以及頻帶間隙參考電路，完全阻斷電 流，所以本發明提出的電流及電壓參考電路在關閉時幾乎 不消耗電流，可延長手持式電子裝置的使用時間。而且本 • 發明不使用BJT電晶體，所以只需要CMOS製程就能實現。 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，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之^護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 圖1為先前技術的電路示意圖。 圖2為根據於本發明一實施例的電流及電壓參考電路 12 I2699^7twf.doc/y 的電路圖。 圖3與圖4為圖2當中的隔離器的電路圖。 【主要元件符號說明】 101 :啟動電路 102 :啟動禁能電路 103 :電壓參考電路 200 :電流及電壓參考電路 201 :電流偏壓電路

202 :電壓參考電路 203 :啟動電路 204 :隔離器 205 :常數跨導偏壓電路 206 :隔離器 207 :第一開關電路 208 :第二開關電路 209 :頻帶間隙參考電路 301、302、401、402 :多工器 GND :地線 NS :啟動電晶體 P1〜P6 : PMOS電晶體 VDD :電壓源 13

Claims (1)

1269¾^^ 十、申請專利範圍： 1·一種電流及電壓參考電路，包括： 一電流偏壓電路，接收一致能信號，於該致能信號處 於開啟狀態時提供一參考電流、一偏壓信號與一啟動信 號，並且於該致能信號處於關閉狀態時提供一第一預設電 壓與一第二預設電壓；以及 一電壓參考電路，耦接於該電流偏壓電路，若接收該 偏壓信號與該啟動信號，則進入開啟狀態並且提供一參考 •電壓，若接收該第一預設電壓與該第二預設電壓，則進入 關閉狀態。 ~ 2·如申睛專利範圍第1項所述之電流及電壓參考電 路，其中該電流偏壓電路更包括： 一啟動電路，接收一狀態信號，若該狀態信號處於關 閉狀態’則輸出該啟動信號； 一第一隔離器，接收該致能信號，並且自該啟動電路 接收該啟動信號，若該致能信號為開啟狀態，則輪出該啟 • 動信號，若該致能信號為關閉狀態，則輸出一第三預=電 壓； 、。又私 一常數跨導偏壓(constant gm bias)電路，根據該常數 跨導偏壓電路的狀態提供該狀態信號至該啟動電路，並且 耦接於該第一隔離器，若自該第一隔離器接收該啟動信 號，則進入開啟狀態並且輸出該參考電流與該偏壓信號， 若自该第一隔離器接收該第三預設電壓，則進入關閉狀 14 Wf.doc/y 二第二隔離器，接收該致能信號，若該致能信號為開 啟狀，’則傳遞該常數跨導偏壓電路輸出的該偏壓信號至 該電壓參考電路，並且傳遞該第一隔離器輸出的該啟動信 號至该電壓参考電路，若該致能信號為關閉狀態，則輸出 該第一預設電壓與該第二預設電壓至該電壓參考電路。 3·如申請專利範圍第2項所述之電流及電壓參考電 路’若該常數跨導偏壓電路進入開啟狀態，則該狀態信號 亦進入開啟狀態，若該常數跨導偏壓電路進入關閉狀態， 肇 則該狀態信號亦進入關閉狀態。 4·如申睛專利範圍第2項所述之電流及電壓參考電 路，若該致能信號為關閉狀態，則該第一隔離器隔離該啟 動電路、該常數跨導偏壓電路、以及該第二隔離器，而且 該第二隔離器隔離該常數跨導偏壓電路、該第一隔離器、 以及該電壓參考電路。 5·如申請專利範圍第2項所述之電流及電壓參考電 路，其中該第一隔離器更包括： • 一第一多工器，接收該第三預設電壓，自該啟動電路 接收該啟動信號，根據該致能信號，傳遞該第三預設電壓 與該啟動信號其中之一至該常數跨導偏壓電路。 6·如申請專利範圍第2項所述之電流及電壓參考電 路，其中該第一隔離器更包括： 兒 一第二多工器，自該啟動電路接收該啟動信號，當兮 致能信號為開啟狀態時，傳遞該啟動信號至該第二隔離器Y 7·如申請專利範圍第2項所述之電流及電壓參考^電 15 12699&7_/y 路’其中該第二隔離器更包括： 一第三多工器，接收該第一預設電壓，自該常數跨導 偏壓電路接收該偏壓信號，根據該致能信號，傳遞該第一 預設電壓與該偏壓信號其中之一至該電壓參考電路。 8·如申請專利範圍第2項所述之電流及電壓參考電 路，其中該第二隔離器更包括： 一第四多工器，接收該第二預設電壓，自該第一隔離 _ 器接收該啟動信號，根據該致能信號，傳遞該第二預設電 壓與該啟動信號其中之一至該電壓參考電路。 9·如申請專利範圍第1項所述之電流及電壓參考電 路’其中該電壓參考電路更包括： 一啟動電晶體，耦接於該電流偏壓電路與一地線； 一第一開關電路，耦接於一電壓源與該啟動電晶體； 一第二開關電路，耦接於該電流偏壓電路與該第一開 關電路；以及 頻V間隙參考(bandgap reference)電路，搞接於該第 鲁二開關電路與該啟動電晶體；其中 上—該啟動電晶體自該電流偏壓電路接收該啟動信號與 j第二預設電壓其中之一，若接收該啟動信 號，則導通該 第一開關電路、該頻帶間隙參考電路、以及該地線，若接 收該第二預設電壓，則關斷該第一開關電路、該頻帶間隙 參考電路、以及該地線； ^該第一開關電路根據該啟動電晶體的導通與關斷狀 悲，導通或關斷該電壓源與該第二開關電路； 16 12699為„ 該第二開關電路自該電流偏壓電路接收該偏壓信號 與該第一預設電壓其中之一，若接收該偏壓信號，則導通 該第一開關電路與該頻帶間隙參考電路，若接收該第一預 設電壓，則關斷該第一開關電路與該頻帶間隙參考電路； 若該啟動電晶體、該第一開關電路、以及該第二開關 電路皆導通，則該頻帶間隙參考電路進入開啟狀態並輸出 該參考電壓； 若該啟動電晶體、該第一開關電路、以及該第二開關 ® 電路皆關斷，則該頻帶間隙參考電路進入關閉狀態。 10.如申請專利範圍第9項所述之電流及電壓參考電 路，其中當該啟動電晶體導通時，該第一開關電路導通該 電壓源與該第二開關電路，當該啟動電晶體關斷時，該第 一開關電路關斷該電壓源與該第二開關電路。

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