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TWI667563B - 電壓調節電路 - Google Patents

電壓調節電路 Download PDF

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TWI667563B
TWI667563B TW106111858A TW106111858A TWI667563B TW I667563 B TWI667563 B TW I667563B TW 106111858 A TW106111858 A TW 106111858A TW 106111858 A TW106111858 A TW 106111858A TW I667563 B TWI667563 B TW I667563B
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傅嘉韋
賴成孝
林英廷
陳元輝
莫亞楠
林永祥
鄭學誠
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聯華電子股份有限公司
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Abstract

一種調電壓節電路，用於根據第一電壓提供第二電壓及輸出電壓。調節電路包括:降壓電路與補償電路。降壓電路接收第一電壓及產生第二電壓。降壓電路包括阻抗，其具有第一端與第二端，其中該第二端耦接到地電壓，且在該第一端由第一電流流經該阻抗以產生該第二電壓。補償電路包括負臨界電壓電晶體，其具有源極端、汲極端、及閘極端，其中該源極端接收第三電壓，該汲極端連接到該閘極端且經由一路徑耦接到該阻抗的該第一端。當該負臨界電壓電晶體在操作條件是在快-快角落而被導通時對該第一電流加入第二電流。

Description

電壓調節電路
本發明是有關於一種電壓的調節(regulating)電路。
基於操作機制的不同，不同作用的電子電路的系統電壓可能不同，例如3.3V或是1.2V。對於控制電源的電壓控制電路，其例如是調節電路，會使用較高的電壓為單一電壓，而藉由降壓電路獲得較低的電壓。
調節電路的設計會包括場效電晶體(Field Effect Transistor，FET)。這些電晶體是利用半導體製造技術來完成。但是由於製造因素，這些電晶體因可能會有偏移，而造成電路性能不穩定。例如，電路在一些操作條件下，電晶體的性能變化，而使得電壓的調節效果或降壓效果會有變化，因此電路不穩定。其中例如在快-快(Fast-Fast，FF)角落(corner)的操作條件下，很可能會不穩定，而造成經降壓電路所輸出的電壓源會偏移而不穩定。前述的快角落(fast corner)是針對摻雜濃度高的情形下的操作條件。
如何減少調節器在FF角落的操作條件下有較小的偏移， 是調節電壓所需要考慮的問題。
本發明提供電壓調節電路，用於根據第一電壓提供第二電壓及輸出電壓，其中在FF角落的操作條件下仍可以維持在小幅度的電壓偏移，而得到較為穩定的電壓調節效果。
依據本發明的一實施例，本發明提供一種電壓調節電路，包括降壓電路、補償電路及輸出電路。降壓電路接收第一電壓產生第二電壓，其中該降壓電路包括一比較器，一第一控制開關及一阻抗。該第一控制開關及該阻抗串接於該第一電壓與地電壓之間。該阻抗具有第一端與第二端，該第二端連接到該地電壓，且在該第一端與該第一控制開關連接，由第一電流匯入該阻抗以產生該第二電壓，該第二電壓回授到該比較器與一參考電壓比較，該比較器的輸出端控制該第一控制開關。補償電路包括一負臨界電壓電晶體及第二控制開關。其中負臨界電壓電晶體具有第一源極端、第一汲極端、及第一閘極端。該第一源端接收第三電壓，該第一汲極端連接到該第一閘極端且經由第二控制開關連接到該阻抗的該第一端，其中當該負臨界電壓電晶體在操作條件是在N型電晶體摻雜濃度高的時候時而被導通並產生第二電流，其中該第二電流加入該第一電流也匯入該阻抗。輸出電路包括一第三控制開關及一固定電流源，串接於該第一電壓與該地電壓之間。該第三控制開關與該固定電流源的連接點當作一電壓輸出端，該第三控制開關也受該比較器的該輸出端控制。
依據本發明的一實施例，對於所述的電壓調節電路，該第一控制開關是電晶體開關，當該第一電流在該降壓電路被產生時，該電晶體開關是被導通。
依據本發明的一實施例，對於所述的電壓調節電路，該電晶體開關也是負臨界電壓電晶體。
依據本發明的一實施例，對於所述的電壓調節電路，該第三電壓與該第一電壓是相同、或是不相同。
依據本發明的一實施例，對於所述的電壓調節電路，該降壓電路的該第一控制開關是第一電晶體開關，具有第二源極端、第二汲極端、第二閘極端，其中該第二源極端接收該第一電壓，該第二閘極端連接到該比較器的該輸出端，其中該阻抗的該第一端連接到該第二汲極端。
依據本發明的一實施例，對於所述的電壓調節電路，該補償電路的該第二控制開關是第二電晶體開關。
依據本發明的一實施例，對於所述的電壓調節電路，該第一電晶體開關與該第二電晶體開關的至少其一是負臨界電壓電晶體。
依據本發明的一實施例，對於所述的電壓調節電路，該輸出電路的該第三控制開關是一第三電晶體開關，具有第三源極端、第三汲極端、第三閘極端，其中該第三源極端接收該第一電壓，該第三閘極端連接到該比較器的該輸出端，該第三汲極端與該固定電流源連接。
依據本發明的一實施例，對於所述的電壓調節電路，該第一電晶體開關、該第二電晶體開關、該第三電晶體開關的至少其一是負臨界電壓電晶體。
依據本發明的一實施例，對於所述的電壓調節電路，該第三電壓與該第一電壓是相同、或是不相同。
基於上述，本發明使用補償電路，在FF角落的操作條件時基於負臨界電壓電晶體而被啟動，而補償一些電流，其流經阻抗而能維持較高的輸出電壓，使的較接近在其它角落的輸出電壓。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
50‧‧‧電壓調節電路
60‧‧‧比較器
100‧‧‧降壓電路
102、106‧‧‧電晶體
104‧‧‧阻抗
108‧‧‧固定電流源
150‧‧‧電壓調節電路
200‧‧‧補償電路
201‧‧‧比較器
202‧‧‧第一控制開關
210‧‧‧第二控制開關
212‧‧‧第三控制開關
204‧‧‧阻抗
208‧‧‧NVT電晶體
214‧‧‧固定電流源
240‧‧‧輸出電路
250‧‧‧基板
260‧‧‧電晶體
270‧‧‧電晶體
300‧‧‧N型井區
302‧‧‧源/汲極端
304‧‧‧閘集結構
310‧‧‧P型井區
312‧‧‧源/汲極端
314‧‧‧閘集結構
320‧‧‧NVT電晶體
324‧‧‧源/汲極端
326‧‧‧閘集結構
350、352‧‧‧區域
360、362‧‧‧曲線
圖1是依照本發明，一種調節電路示意圖。
圖2是依照本發明一實施例，一種調節電路示意圖。
圖3是依照本發明一實施例，多種操作角落的示意圖。
圖4是依照本發明一實施例，多種電晶體剖面結構示意圖。
圖5是依照本發明一實施例，負臨界電壓電晶體的I-V曲線在SS角落與FF角落的變化示意圖。
圖6是依照本發明一實施例，根據圖1與圖2的電路的模擬效能示意圖。
本發明在調節電路的設計，提出利用負臨界電壓電晶體來增加補償電路。當調節電路操作在FF角落時，補償電路啟動而提供補償電流，如此可以減少操作在FF角落時，其輸出電壓的下降偏移。
以下舉多個實施例來說明本發明，但是本發明不限於所舉的實施例。
圖1是依照本發明，一種調節電路示意圖。參閱圖1，本發明所考慮的調節電路50，其基本架構是由比較器60、電晶體102、電晶體106、阻抗104所組成，以能提供固定電流源108或是輸出電壓Vout給外部電路。電晶體102與電晶體106例如是一般的金氧半導體(metal-oxide-semiconductor MOS)電晶體，其閘極受比較器60的控制而導通。比較器60是根據參考電壓REF以及由電晶體102回授的電壓來決定輸出電壓。電晶體102與電晶體106的第一源極端是連接到系統電壓VDD。阻抗104的電壓會被映射成為輸出電壓Vout。此輸出端也可以當作電流源214，提供電流給所需要的外部電路。
在電壓調節電路50的設計，因為包含電晶體的特性。而電晶體的特性在製造上可能會有偏移，其一般在FF角落的操作條件下會較為明顯，而造成電路的不穩定。關於操作條件的SS、FF、FS、與SF等角落會在後面圖3有較詳細的定義說明。
本發明至少在考慮前述電壓調節電路50在FF角落的操作時所產生輸出電壓下降的問題，提出補償電路的設計。圖2是 依照本發明一實施例，一種調節電路示意圖。
參閱圖2，根據一實施例，電壓調節電路150包含降壓電路(step-down circuit)100，另外還包括補償電路200與輸出電路240。電壓調節電路150的降壓電路100例如包括比較器201、第一控制開關202、阻抗204。第一控制開關202例如是電晶體開關。補償電路200包含負臨界電壓(negative threshold voltage，NVT)電晶體208與第二控制開關210。輸出電路240包括第三控制開關212與固定電壓源214。調節電路150的輸出可以當作固定電流源214提供電流，又或是當作電壓源提供輸出電壓Vout給外部電路。第一控制開關202、第二控制開關210、第三控制開關212例如是電晶體開關，受比較器201的輸出端來控制。
根據一實施例，調節電路150的降壓電路100的較具體電路連接架構包括比較器201，接收參考電壓VREF以及由阻抗204的第一端回授的回授電壓，其又稱為第二電壓V2。第一控制開關202例如是電晶體開關具有源極端、汲極端、閘極端，其中源極端接收第一電壓V1，其例如是系統高電壓VDD，閘極端耦接到比較器201的輸出端。阻抗204的第一端耦接到第一控制開關202的汲極端。由第一控制開關202的汲極端所輸出的電流I1會流過阻抗204，因此在阻抗204的第一端產生回授的第二電壓V2。在補償電路200尚未啟動時，電流I1等於電流I，也就是等於流過阻抗204的電流，而產生此第二電壓V2。
另外關於補償電路240，其第三控制開關212例如是電晶 體開關具有源極端、汲極端、閘極端，其中源極端接收第一電壓V1(VDD)，閘極端耦接到該比較器201的輸出端，汲極端提供輸出電流當作固定電壓源214以及由第二電壓V2映射所得到的輸出電壓Vout。
於一實施例，本發明的補償電路200，包括負臨界電壓電晶體208，其具有源極端、汲極端、及閘極端，其中源極端接收另一個系統電壓，其例如也是系統高電壓VDD，但也可是其它的電壓，可以稱為第三電壓V3。汲極端連接到該閘極端且經由一路徑耦接到阻抗204的第一端。其路徑例如是包含第二控制開關210。於此，當該負臨界電壓電晶體208在操作條件是在快-快(FF)角落而被導通時對第一電流I1加入第二電流I2而得到電流I，其流過阻抗204。此時的第二電壓V2會包含第二電流I2的補償。
於此先說明各種角落的定義。圖3是依照本發明一實施例，多種操作角落的示意圖。參閱圖3，完整的積體電路混包含N型MOS(NMOS)電晶體與P型MOS(PMOS)電晶體。NMOS電晶體與PMOS電晶體的導通與關閉的切換速度都會有慢(slow，S)與快(fast，F)的操作狀態。所謂“快”與“慢”是指電晶體再高濃度摻雜與低濃度摻雜的情形下的操作條件。以前面的字母代表NMOS電晶體的操作狀態，後面字母代表PMOS電晶體的操作狀態，則在操作條件下存在有四個區分區域，也就是SS、FS、SF、FF角落，其中FF角落代表NMOS電晶體與PMOS電晶體的切換速率都是處於快(F)的狀態。而對於圖1的調節電路50，在FF角落時的輸 出電壓Vout或是第二電壓V2會向下偏移，例如造出輸出電壓不足。
根據一實施例，本發明採用負臨界電壓電晶體208來構成補償電路206。以下負臨界電壓電晶體208的特性。負臨界電壓電晶體208的臨界電壓(VT)在一般的操作條件下是正值，而在FF角落操作時則會改變為負的臨界電壓。
圖4是依照本發明一實施例，多種電晶體剖面結構示意圖。參閱圖4，例如在基板250上可以形成PMOS電晶體260、NVT電晶體320與NMOS電晶體。基板250例如是P型基板(P-substrate)。PMOS電晶體260是形成在N型井區(N-well)300中，包含閘集結構304以及兩個源/汲極端302。NMOS電晶體270是形成在P型井區(P-well)310中，包含閘集結構314以及兩個源/汲極端312。NVT電晶體320與NMOS電晶體270相似，但是沒有P型井區(P-well)310。NVT電晶體320接包含在基板250上形成閘集結構326以及兩個源/汲極端324。由於NVT電晶體320沒有P型井區(P-well)310，因此當操作在FF角落時，其臨界電壓會改變為負值。
圖5是依照本發明一實施例，負臨界電壓電晶體的I-V曲線在SS角落與FF角落的變化示意圖。參閱圖5，曲線360是NVT電晶體320在SS角落的I-V曲線，橫軸為Vgs，縱軸為電流，其中I與V的數值僅是定性，並非絕對值。曲線362是NVT電晶體320在FF角落的I-V曲線，其臨界電壓會改變為負值。
在圖2的補償電路200中，NVT電晶體208的源汲極端會連接到其閘極端，因此在SS角落、FS角落、SF角落的操作條件下是不會導通，此時電流I1等於電流I，流經阻抗204而產生第二電壓V2。然而，當電壓調節電路150處於FF角落時，補償電路200的NVT電晶體208基於負的臨界電壓而會導通。經由第二控制開關210受比較器201的控制而導通，補償電路200就被啟動而提供補償的第二電流I2給第一電流I1。此時而流過阻抗204的電流I大於第一電流I1，可以產生較大的輸出電壓。
於此，電壓V1與電壓V3可以相同或是不同。又於一實施例，第一控制開關202、第二控制開關210、第三控制開關212的至少其一也可以採用NVT電晶體的設計。
圖6是依照本發明一實施例，根據圖1與圖2的電路的模擬效能示意圖。參閱圖6，對於預定輸出的電流例如3mA如虛線所標示，上圖是根據圖2電路包含補償電路200的設計，其對於SS角落與FF角落的二曲線，在區域350的輸出電壓是接近，沒有明顯偏移。下圖是根據圖1電路不包含補償電路200的設計，其對於SS角落與FF角落的二曲線，在區域352的輸出電壓有明顯分離，FF角落的輸出電壓會有較大的偏移。
本發明在調節電路的設計，提出利用負臨界電壓電晶體來增加補償電路。當調節電路操作在FF角落時，補償電路啟動而提供補償電流，如此可以減少操作在FF角落時，其輸出電壓的偏移。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

  1. 一種電壓調節電路，包括：一降壓電路，接收第一電壓產生第二電壓，其中該降壓電路包括一比較器，一第一控制開關及一阻抗，其中該第一控制開關及該阻抗串接於該第一電壓與地電壓之間，該阻抗具有第一端與第二端，該第二端連接到該地電壓，且在該第一端與該第一控制開關連接，由第一電流匯入該阻抗以產生該第二電壓，該第二電壓回授到該比較器與一參考電壓比較，該比較器的輸出端控制該第一控制開關；一補償電路，包括一負臨界電壓電晶體及第二控制開關，其中負臨界電壓電晶體具有第一源極端、第一汲極端、及第一閘極端，該第一源端接收第三電壓，該第一汲極端連接到該第一閘極端且經由第二控制開關連接到該阻抗的該第一端，其中當該負臨界電壓電晶體在操作條件是在N型電晶體摻雜濃度高的時候時而被導通並產生第二電流，其中該第二電流加入該第一電流也匯入該阻抗；以及一輸出電路，包括一第三控制開關及一固定電流源串接於該第一電壓與該地電壓之間，其中該第三控制開關與該固定電流源的連接點當作一電壓輸出端，該第三控制開關也受該比較器的該輸出端控制。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電壓調節電路，其中該第一控制開關是電晶體開關，當該第一電流在該降壓電路被產生時，該電晶體開關是被導通。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電壓調節電路，其中該電晶體開關也是負臨界電壓電晶體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電壓調節電路，其中該第三電壓與該第一電壓是相同、或是不相同。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電壓調節電路，其中該降壓電路的該第一控制開關是第一電晶體開關，具有第二源極端、第二汲極端、第二閘極端，其中該第二源極端接收該第一電壓，該第二閘極端連接到該比較器的該輸出端，其中該阻抗的該第一端連接到該第二汲極端。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的電壓調節電路，其中該補償電路的該第二控制開關是第二電晶體開關。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電壓調節電路，其中該第一電晶體開關與該第二電晶體開關的至少其一是負臨界電壓電晶體。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的電壓調節電路，其中該輸出電路的該第三控制開關是一第三電晶體開關，具有第三源極端、第三汲極端、第三閘極端，其中該第三源極端接收該第一電壓，該第三閘極端連接到該比較器的該輸出端，該第三汲極端與該固定電流源連接。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的電壓調節電路，其中該第一電晶體開關、該第二電晶體開關、該第三電晶體開關的至少其一是負臨界電壓電晶體。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的電壓調節電路，其中該第三電壓與該第一電壓是相同、或是不相同。
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