TWI413882B - 參考電流產生裝置及方法 - Google Patents

Description

參考電流產生裝置及方法

本發明是有關於一種參考電流產生裝置及其方法，且特別是有關於一種能產生控制訊號的參考電流產生裝置及其方法。

能隙參考電路廣泛地應用於積體電路中，用以提供一穩定的參考電壓。此參考電壓較外界電源供應之電壓更為準確，並且其受溫度變化及電源供應之變異的影響也小。能隙參考電路是利用一個正比於絕對溫度的電路來補償雙載子電晶體基射極的負溫度係數，從而得能實質上不受溫度變化影響的參考電壓。

如第1圖所示，為一習知參考電流產生裝置10，其包括一能隙參考電路100以及一電流產生電路110。能隙參考電路100包括運算放大器、PMOS電晶體、BJT電晶體以及電阻。藉由上述能隙參考電路的原理，參考電流產生裝置10產生實質上不受溫度變化影響的參考電壓VBG。再藉由接上電阻Rext之電流產生電路110以產生對應的電流Iext，最後產生參考電流Iref。參考電流Iref為一與製程、電壓和溫度不敏感的參考電流源，當電流產生電路的設計完成例如使其內容的電晶體的數目固定後即得到固定的的參考電流值，電阻Rext也就必須固定在某一阻值。一般而言，在晶片的設計中，會讓上述電阻Rext置於包含參考電流產生裝置10之晶片以外而成為外部電阻Rext；電路設計者在使用此晶片時，必須依照晶片的規格外接一個固定阻值的外部電阻Rext，才能使晶片按照其規格正常運作。

本發明係有關於一種參考電流產生裝置及其方法。此參考電流產生裝置接上預設的不同阻值的外接電阻能產生所欲得到的參考電流，例如產生相同大小的參考電流，並且可產生對應到不同外接電阻阻值的不同之控制訊號。

根據本發明之第一方面，提出一種參考電流產生裝置。此參考電流產生裝置包括一電流產生電路、一補償電流產生單元以及一控制訊號產生單元。電流產生電路，耦接一外接電阻，用以依據一參考電壓產生一參考電流。補償電流產生單元，耦接到電流產生電路，包括至少一電流支路以提供一補償電流；補償電流產生單元選擇性地依據一控制訊號輸出補償電流給電流產生電路以產生參考電流。控制訊號產生單元，耦接到電流產生電路及補償電流產生單元，依據對應到外接電阻阻值大小之一檢測電壓產生控制訊號，其中控制訊號代表複數個狀態之一，各個狀態對應到外接電阻之一阻值。

根據本發明之第二方面，提出一種參考電流產生方法。此方法包括以下步驟。提供一電流產生電路以依據一參考電壓及一外接電阻產生一參考電流。依據對應到外接電阻阻值大小之一檢測電壓產生一控制訊號，其中控制訊號代表複數個狀態之一，各個狀態對應到外接電阻之一阻值。選擇性地依據控制訊號提供補償電流以給電流產生電路以產生參考電流。

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：

以下提出一種參考電流產生裝置及其方法之實施例。在一實施例中，此參考電流產生裝置接上預設的不同阻值的外接電阻均能產生相同大小的參考電流，並且可產生與外接電阻對應的、不同的控制訊號。再者，此參考電流產生裝置透過使用不同的外接電阻阻值，所產生的不同的控制訊號可以用作改變其他電路的設定，可帶來多種新用途，以增進設定電路的方便性，並可令整體電路設計的複雜度減少。

第2A圖所示為依據一實施例的一種參考電流產生裝置之電路方塊圖。參考電流產生裝置20包括一電流產生電路210、一補償電流產生單元220以及一控制訊號產生單元230。電流產生電路210，耦接一外接電阻Rext，用以依據一參考電壓VBG產生一參考電流Iref。參考電壓VBG例如藉由一能隙參考電路200所產生，或視作包含參考電流產生裝置20之晶片或系統內部所提供。補償電流產生單元220，耦接到電流產生電路210並且包括一或多個電流支路(current branch)以提供一補償電流Icp，補償電流產生單元220選擇性地依據一控制訊號OPT提供補償電流Icp給電流產生電路210以產生參考電流Iref。控制訊號產生單元230，耦接到電流產生電路210及補償電流產生單元230，依據對應到外接電阻Rext阻值大小之一檢測電壓產生控制訊號OPT，以控制補償電流產生單元230選擇性地提供補償電流Icp給電流產生電路210以產生參考電流Iref。此外，外接電阻Rext可實作為包含於參考電流產生裝置20內或為包含參考電流產生裝置20之晶片或系統之外。

依據第2A圖中之參考電流產生裝置20，可以設計多個外接電阻Rext的阻值，以令控制訊號產生單元230對應地產生不同的控制訊號OPT，以控制補償電流產生單元220提供適當大小的補償電流Icp。電流產生電路210得到補償電流Icp後，結合其內部產生的電流，就能產生所欲得到的參考電流Iref。在第2A圖中之控制訊號OPT可代表著一個或多個控制訊號，例如數位訊號或邏輯位準。

請參考第2B圖，其示意參考電流產生裝置20所產生的不同的控制訊號可以用作改變其他電路的設定。電路單元1係包括上述之參考電流產生裝置20，而外接電阻Rext設計為適用於兩個阻值，如100Ω或200Ω，相對應的控制訊號OPT代表邏輯0或1。如此，電路單元2可以設計為回應於控制訊號OPT而作不同的處理或進入某種操作模式。如此，可不必使用韌體或其他軟體或改變電路設計之類的手段來設定電路單元2。

以下以實際例子說明，在利用第2B圖中的電路單元1及2來客製化電子產品時，假設電路單元2為一多媒體晶片，對於A客戶的產品，如上述般讓控制訊號OPT代表邏輯0，使之開機時自動進入A客戶所需要的低耗能的一般操作模式即可。而對B客戶的產品，其需求為高效能表現，如此則可讓控制訊號OPT代表邏輯1，使之開機時自動進入A客戶所需要的高效能操作模式即可。如此，可說明參考電流產生裝置20可帶來多種新用途，以增進設定電路的方便性，並可令整體電路的複雜度減少。

以下更依據參考電流產生裝置20以舉例說明多種實施方式。

第3A圖為依據第2A圖之實施例的一參考電流產生裝置30的例子，其中外接電阻Rext可以為兩個預先設計的阻值之一，對應地可以產生控制訊號表示兩個不同狀態。於第3A圖之電晶體，例如電晶體m1及m2旁邊所示之符號Xm及Xn，分別表示電晶體m1可以用實質上相當於m個電晶體結構的寛長比(W/L)相同的電晶體(如PMOS或NMOS)以並聯的方式實施，電晶體m2可以用實質上相當於n個如此的電晶體以並聯的方式實施，其中m及n皆為正整數。

參考電流產生裝置30包括一電流產生電路310、一補償電流產生單元320以及一控制訊號產生單元330。舉例而言，電流產生電路310可實施為電流鏡或其他電流產生電路，例如第3A圖所示之具有回授之電流鏡，包括一運算放大器OP、電晶體m1及m2。而補償電流產生單元320則包括至少一個電流支路(current branch)，例如由電晶體m3及開關sw所組成的電流支路，用以選擇性地依據一控制訊號OPT提供一補償電流Icp給電流產生電路310以產生參考電流Iref。控制訊號產生單元330依據對應到外接電阻Rext阻值大小之一檢測電壓VT產生控制訊號OPT，以控制補償電流產生單元330選擇性地提供補償電流Icp給電流產生電路310以產生參考電流Iref。控制訊號產生單元330例如包括由電晶體m4及電阻R1組成之一分壓電路以產生檢測電壓VT，並且包括比較器comp以藉由比較檢測電壓VT及一門閥值(如參考電壓VBG)來產生控制訊號OPT。於此例中並不限於使用參考電壓VBG作為門閥值，其他例子為由電源VDD經分壓取得或是由其他電源取得，無論何種設計，比較結果能配合需求產生對應的控制訊號OPT即可。

外接電阻Rext阻值分別為兩個不同的阻值Rx及k1*Rx，其中k1>0。如第2A圖所示，當使用外接電阻Rext=Rx時，流過外接電阻Rext的電流大小Iext為VBG/Rx。控制訊號產生單元330得到檢測電壓VT為VBG*R1/Rx*(n/m)。本例中，透過設計電阻R1的阻值使得檢測電壓VT會大於門閥值(如參考電壓VBG)，如此比較器comp輸出控制訊號OPT(如為低電位或視為邏輯0)以代表不需要補償電流。補償電流產生單元320之一電流支路上的開關sw由控制訊號OPT所控制，此時控制訊號OPT為0，開關sw為開路，故與開關sw所對應的補償電流Icp不會提供給電流產生電路310，或可視為所提供的補償電流Icp此時的值為0。在此種情形下，參考電流Iref為VBG/Rx*(n/m)。

如第3B圖所示，當使用外接電阻Rext為k1倍的Rx時，流過外接電阻Rext的電流大小Iext為VBG/(k1*Rx)。控制訊號產生單元330得到的檢測電壓VT則為VBG*R1/(k1*Rx)*(n/m)。此時檢測電壓VT小於門閥值(如參考電壓VBG)，比較器comp輸出控制訊號OPT如為高電位或視為邏輯1以代表需要補償電流。由於控制訊號OPT為1，開關sw為閉路，故與開關sw所對應的補償電流Icp會提供給電流產生電路310。由於電晶體m3代表著(k1-1)n個上述之寛長比相同的電晶體之並聯結構。故此，在此種情形下，參考電流Iref仍為VBG/Rx*(n/m)。

如上可知，對於任意選擇的Rx或k1倍Rx當作外接電阻值，參考電流產生裝置30都能夠產生穩定電流源VBG/Rx*(n/m)，而且回應於不同的阻值，所產生控制訊號OPT有不同的電位，此控制訊號OPT可以用來控制其他功能的電路，如第2B圖所示者。

在其他實施例中，如第4圖所的參考電流產生裝置40，更擴充上述例子的應用，可使用三種不同的外接電阻阻值，如Rx、k1*Rx及k2*Rx，以產生出控制訊號以表示三種不同狀態，如以二位元數位訊號00、10、11表示之。

請參考第4圖，參考電流產生裝置40包括一電流產生電路410、一補償電流產生單元420以及一控制訊號產生單元430。舉例而言，電流產生電路410可實施為電流產生電路310。

與第3A圖不同的是，補償電流產生單元420包括至少兩個電流支路，例如：由電晶體m3及開關sw1所組成之一電流支路，以及由電晶體m4及開關sw2所組成之另一電流支路。補償電流產生單元420選擇性地依據控制訊號OPT1及OPT2(其可視為控制訊號OPT之子訊號)提供一補償電流Icp給電流產生電路410以產生一參考電流Iref。

此外，控制訊號產生單元430則依據對應到外接電阻Rext阻值大小之一檢測電壓VT產生控制訊號OPT1及OPT2，以控制補償電流產生單元430選擇性地提供補償電流Icp給電流產生電路410以產生參考電流Iref。控制訊號產生單元430例如包括電晶體m5及電阻R1以產生檢測電壓VT。控制訊號產生單元430更包括兩個比較器，第一比較器comp1及第二比較器comp2，以分別比較檢測電壓VT及一第一門閥值(如電壓VREF)來產生控制訊號OPT1，及比較檢測電壓VT及一第二門閥值(如電壓VBG2)來產生控制訊號OPT2。於第4圖中，舉例使用了比較電壓產生電路440來產生上述之第一門閥值(如電壓VREF)及第二門閥值(如電壓VBG2)。比較電壓產生電路440係依據電源電壓VDD及參考電壓VBG，使用運算放大器OP2及電晶體m6透過電阻R2及R3分壓產生兩個門閥值。比較電壓產生電路440並不以上述的架構為限，亦不限於使用參考電壓VBG作為門閥值的參考來源。故此，無論何種設計，比較結果能配合需求產生對應的控制訊號OPT1及OPT2即可。

第4圖所的參考電流產生裝置40可使用三種不同的外接電阻阻值，如Rx、k1*Rx及k2*Rx。當使用外接電阻Rext的阻值為Rx時，流過外接電阻Rext的電流大小Iext為VBG/Rx。控制訊號產生單元430得到檢測電壓VT為VBG*R1/Rx*(n/m)。本例中，透過設計電阻R1、R2及R3的阻值使得檢測電壓VT會大於第一門閥值(如電壓VREF，即相當於參考電壓VBG)，如此第一比較器comp1及第二比較器comp2分別輸出控制訊號OPT1及OPT2皆為低電位或視為邏輯0。補償電流產生單元420中流過電晶體m3及m4’之電流支路上的開關sw1及sw2由控制訊號OPT1及OPT2所控制，此時開關sw1及sw2為開路，故補償電流Icp不會提供給電流產生電路410，或可視為所提供的補償電流Icp此時的值為0。在此種情形下，參考電流Iref為VBG/Rx*(n/m)。

當使用外接電阻Rext為k1倍的Rx時，流過外接電阻Rext的電流大小Iext為VBG/(k1*Rx)。控制訊號產生單元430得到的檢測電壓VT則為VBG*R1/(k1*Rx)*(n/m)。此時檢測電壓VT大於第二門閥值(如電壓VBG2)並小於第一門閥值(如電壓VREF)，如此第一比較器comp1輸出控制訊號OPT1如為高電位或視為邏輯1，第二比較器comp2輸出控制訊號OPT2如為低電位。故此，開關sw1為閉路，開關sw2為開路，故流過電晶體m3的電流經過開關sw1成為補償電流Icp以提供給電流產生電路410。故此，在此種情形下，參考電流Iref仍為VBG/Rx*(n/m)。

當使用外接電阻Rext為k2倍的Rx時，流過外接電阻Rext的電流大小Iext為VBG/(k2*Rx)。控制訊號產生單元430得到的檢測電壓VT則為VBG*R1/(k2*Rx)*(n/m)。此時檢測電壓VT小於第二門閥值(如電壓VBG2)，如此第一比較器comp1及第二比較器comp2輸出控制訊號OPT1及控制訊號OPT2皆為高電位。故此，開關sw1及sw2同為閉路，故流過電晶體m3及m4’的電流經過開關sw1及sw2成為補償電流Icp以提供給電流產生電路410。由於電晶體m4代表著(k2-k1)n個上述之寛長比相同的電晶體之並聯結構。故此，在此種情形下，參考電流Iref仍為VBG/Rx*(n/m)。

由上述第4圖之例子可知，根據不同阻值的外接電阻的選擇，控制訊號OPT1及OPT2能有不同的輸出，並可用作兩位元的控制訊號。

此外，在第4圖中所使用的第一及第二門閥值除了應用上述比較電壓產生電路440產生以外，在其他例子中，可視為參考電流產生裝置40所處的系統或晶片之內部或外部所提供。故此，參考電流產生裝置40可不必包含比較電壓產生電路440。由此可見，補償電流產生單元420及控制訊號產生單元430之實作方式並不以上述實施例為限，控制訊號產生單元430之比較結果能配合外接電阻Rext之多個同阻值所對應的控制訊號OPT1及OPT2，並能適當地令控制訊號產生單元430中的電流支路提供補償電流Icp之各種實施方式，皆可視為本發明所涵蓋之實施例。

此外，上述各個實施例皆以不同外接電阻阻值能對應到實質上相同的參考電流Iref為例作說明。然而，參考電流產生裝置之實施方式並非限於此，在其他實施方式中，當可依實際應用的需求，如設計不同的參考電流Iref對應到不同的外接電阻。在實施時，參考電流產生裝置能針對不同的外接電阻阻值，產生對應的控制訊號之各種實施方式，皆可視為本發現所涵蓋之實施例。

再者，上述實施例中的電晶體，如第2A圖或第4圖的電晶體m1除了可以用m個上述之寛長比相同的電晶體以並聯的方式實施以外，亦可以用其他數目的但寛長比不同的電晶體以其他並聯或串聯方式實施。又其他實施例中，電晶體m1及m2能僅用兩個寬長比合符m:n的關係的電晶體來實施，其中m及n可以取小數或整數的數值。其他電晶體的實施例方式亦可依上所述各種方式實施。

此外，依據上述實施例，本發明亦提出一種參考電流產生方法，其包括以下步驟。提供一電流產生電路以依據一參考電壓及一外接電阻產生一參考電流。依據對應到外接電阻阻值大小之一檢測電壓產生一控制訊號，其中該控制訊號代表複數個狀態之一，各個狀態對應到外接電阻之一阻值。選擇性地依據控制訊號提供補償電流以給電流產生電路以產生參考電流。上述之步驟可依如第2A圖至第4圖之各個實施例以實現。另外，如第2B圖所示，此方法所產生之控制訊號可用以設定其他電路單元。

上述實施例所揭露的參考電流產生裝置及方法，能彈性地接上不同阻值的外接電阻，以產生所欲求大小的參考電流，例如產生相同大小的參考電流，並且可產生不同的控制訊號。再者，此參考電流產生裝置透過使用不同的外接電阻阻值，所產生的不同的控制訊號可以用作改變其他電路的設定，可帶來多種新用途，以增進設定電路的方便性，並可令整體電路設計的複雜度減少。

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．．．習知參考電流產生裝置

20、30、40．．．參考電流產生裝置

100、200．．．能隙參考電路

110、210、310、410．．．電流產生電路

220、320、420．．．補償電流產生單元

230、330、430．．．控制訊號產生單元

440．．．比較電壓產生電路

comp、comp1、comp2．．．比較器

OP、OP1、OP2．．．運算放大器

m1、m2、m3、m4、m4’、m5．．．電晶體

sw、sw1、sw2．．．開關

R1、R2、R3．．．電阻

VBG．．．參考電壓

Iref．．．參考電流

Icp．．．補償電流

OPT、OPT1、OPT2．．．控制訊號

Rext．．．外接電阻

第1圖為一習知參考電流產生裝置。

第2A圖所示為依據一實施例的一種參考電流產生裝置之電路方塊圖。

第2B圖示意參考電流產生裝置所產生的不同的控制訊號可以用作改變其他電路的設定。

第3A及3B圖為依據第2A圖之實施例的一參考電流產生裝置的一例子的電路方塊圖。

第4圖為參考電流產生裝置之另一例子，可使用三種不同的外接電阻阻值。

20．．．參考電流產生裝置

200．．．能隙參考電路

210．．．電流產生電路

220．．．補償電流產生單元

230．．．控制訊號產生單元

VBG．．．參考電壓

Iref．．．參考電流

Icp．．．補償電流

OPT．．．控制訊號

Rext．．．外接電阻

Claims (10)

1. 一種參考電流產生裝置，包括：一電流產生電路，耦接一外接電阻，用以依據一參考電壓產生一參考電流；一補償電流產生單元，耦接到該電流產生電路，包括至少一電流支路(current branch)以提供一補償電流，該補償電流產生單元選擇性地依據一控制訊號輸出該補償電流給該電流產生電路以產生該參考電流；以及一控制訊號產生單元，耦接到該電流產生電路及該補償電流產生單元，依據對應到該外接電阻阻值大小之一檢測電壓產生該控制訊號，其中該控制訊號代表複數個狀態之一，各該些狀態對應到該外接電阻之一阻值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之參考電流產生裝置，其中該電流產生電路包括一電流鏡，該電流鏡耦接該外接電阻，用以依據該參考電壓產生該參考電流。
3. 如申請專利範圍第1項所述之參考電流產生裝置，其中該補償電流產生單元包括複數個電流支路和至少一開關元件，該些電流支路透過該至少一開關元件並聯耦接以提供該補償電流，其中該至少一開關元件係由該控制訊號所控制。
4. 如申請專利範圍第3項所述之參考電流產生裝置，其中該電流產生電路包括一電流鏡，且各該些電流支路為對應到該電流鏡之一電流支路。
5. 如申請專利範圍第4項所述之參考電流產生裝置，其中各該些電流支路包括一電晶體。
6. 如申請專利範圍第1項所述之參考電流產生裝置，其中該控制訊號產生單元包括：一分壓電路，耦接到該電流產生電路，用以取得對應到該外接電阻阻值大小之該檢測電壓；以及一比較電路，依據該檢測電壓及至少一門閥值以產生該控制訊號。
7. 如申請專利範圍第1項所述之參考電流產生裝置，其中該控制訊號產生單元，比較該檢測電壓及至少一門閥值以產生該控制訊號，以控制該補償電流產生單元選擇性地依據該控制訊號輸出該補償電流給該電流產生電路以產生該參考電流，使該參考電流實質上維持在一電流值。
8. 如申請專利範圍第1項所述之參考電流產生裝置，其中當該外接電阻為一第一阻值時，該控制訊號代表該些狀態中之一第一狀態，該參考電流為一電流值；當該外接電阻為一第二阻值時，該控制訊號代表該些狀態中之一第二狀態，該補償電流產生單元產生之該補償電流為對應到該第二阻值，並提供該補償電流給該電流產生電路以產生該參考電流，使該參考電流實質上維持在該電流值。
9. 一種參考電流產生方法，包括：提供一電流產生電路以依據一參考電壓及一外接電阻產生一參考電流；依據對應到該外接電阻阻值大小之一檢測電壓產生一控制訊號，其中該控制訊號代表複數個狀態之一，各該些狀態對應到該外接電阻之一阻值；以及依據該控制訊號選擇性地輸出該補償電流給該電流產生電路以產生該參考電流。
10. 如申請專利範圍第9項所述之參考電流產生方法，其中該控制訊號產生步驟係藉由比較該檢測電壓及至少一門閥值以產生該控制訊號，且令該參考電流實質上維持在一電流值。