TWI720305B

TWI720305B - 電壓產生電路

Info

Publication number: TWI720305B
Application number: TW107112327A
Authority: TW
Inventors: 陳金生
Original assignee: 智原科技股份有限公司
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2021-03-01
Also published as: US10423188B1; CN110362149A; US20190310676A1; TW201944192A

Abstract

一種電壓產生電路。在電壓產生電路中，能帶隙電壓產生器具有第一運算放大器，以接收第一電壓與第二電壓，並依據比較第一電壓與第二電壓以產生偏壓電壓，其中，能帶隙電壓產生器依據偏壓電壓以產生能帶隙電流，並依據能帶隙電流產生輸出電壓。在啟動電路中，比較電路使第一電壓或第二電壓與參考電壓進行比較以產生第一比較結果，並且依據第一比較結果產生第一電流。電壓調整器依據第一電流以產生第二電流，比較第二電流以及參考電流以產生第二比較結果，依據第二比較結果以調整偏壓電壓的電壓值。

Description

電壓產生電路

本發明是有關於一種電壓產生電路，且特別是有關於一種可以有效地調整能帶隙電壓產生器所輸出的偏壓電壓的電壓值的電壓產生電路。

在習知的能帶隙電壓產生器中，通常會利用一運算放大器來對其正輸入端及負輸入端的電壓進行比較，藉以產生偏壓電壓，並且能帶隙電壓產生器可以依據所述偏壓電壓來產生能帶隙電流。值得注意的是，在啟動能帶隙電壓產生器的過程中，若運算放大器的正輸入端及負輸入端上的電壓值過低時，將會導致運算放大器中的差動輸入電路被關閉，進而使運算放大器無法提供有效或正常的偏壓電壓。因此，如何有效地調整偏壓電壓的電壓值，藉以提升能帶隙電壓產生器的穩定性，將是本領域相關技術人員重要的課題之一。

本發明提供一種電壓產生電路，可以利用啟動電路中的電壓調整器來將運算放大器所輸出的偏壓電壓的電壓值進行調整，藉以改善能帶隙電壓產生器的穩定性及準確性。

本發明的電壓產生電路包括能帶隙電壓產生器以及啟動電路。能帶隙電壓產生器具有第一運算放大器，第一運算放大器接收第一電壓與第二電壓，並依據比較第一電壓與第二電壓以產生偏壓電壓，其中，能帶隙電壓產生器依據偏壓電壓以產生能帶隙電流，並依據能帶隙電流產生輸出電壓。啟動電路包括比較電路以及電壓調整器。比較電路使第一電壓以及第二電壓的其中之一與參考電壓比較以產生第一比較結果，並依據第一比較結果產生第一電流，其中，參考電壓依據第一電流來產生。電壓調整器耦接比較電路以及能帶隙電壓產生器，依據第一電流以產生第二電流，比較第二電流以及參考電流以產生第二比較結果，依據第二比較結果以調整偏壓電壓的電壓值。

基於上述，本發明的電壓產生電路可以利用啟動電路中的電壓調整器來拉低運算放大器所輸出的偏壓電壓的電壓值，藉以拉高能帶隙電流的電流值。如此一來，本發明的電壓產生電路可以提升運算放大器的正輸入端及負輸入端上的電壓值，以進一步改善能帶隙電壓產生器的穩定性及準確性。

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。

圖1是依照本發明一實施例說明一種電壓產生電路的電路圖。電壓產生電路100包括能帶隙電壓產生器110與啟動電路120。其中，能帶隙電壓產生器110包括運算放大器OP1、電晶體M1～M5以及電阻R1～R4，並且，啟動電路120包括比較電路130與電壓調整器140。具體來說，在能帶隙電壓產生器110中，運算放大器OP1的負輸入端可以接收電壓V1，運算放大器OP1的正輸入端可以接收電壓V2，並且，運算放大器OP1依據比較電壓V1及電壓V2以產生偏壓電壓VB。此外，能帶隙電壓產生器110依據偏壓電壓VB以產生能帶隙電流IBG1～IBG3與輸出電壓Vout。

在本實施例中，電晶體M1的第一端（例如是源極端）耦接至電源電壓端VDD，電晶體M1的第二端（例如是汲極端）耦接至運算放大器OP1的負輸入端，電晶體M1的控制端（例如是閘極端）受控於偏壓電壓VB。電晶體M2的第一端（例如是源極端）耦接至電源電壓端VDD，電晶體M2的第二端（例如是汲極端）耦接至運算放大器OP1的正輸入端，電晶體M1的控制端（例如是閘極端）受控於偏壓電壓VB。電晶體M3的第一端（例如是源極端）耦接至電源電壓端VDD，電晶體M3的第二端（例如是汲極端）接收輸出電壓Vout，電晶體M3的控制端（例如是閘極端）受控於偏壓電壓VB。電晶體M4的第一端（例如是射極端）耦接至運算放大器OP1的負輸入端，電晶體M4的第二端（例如是集極端）與控制端（例如是基極端）皆耦接至參考接地端GND。

另一方面，電阻R1耦接於運算放大器OP1的負輸入端與參考接地端GND之間。電阻R2的第一端耦接至運算放大器OP1的正輸入端。電阻R3耦接於運算放大器OP1的正輸入端與參考接地端GND之間。電阻R4耦接於電晶體M3的汲極端與參考接地端GND之間。電晶體M5的第一端（例如是射極端）耦接至電阻R2的第二端，電晶體M5的第二端（例如是集極端）與控制端（例如是基極端）皆耦接至參考接地端GND。

順帶一提的是，在本實施例中，電晶體M1～M3可以是P型金屬氧化物半導體場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET），電晶體M4～M5可以是PNP型雙極性接面型電晶體（Bipolar Junction Transistor, BJT）。但本發明實施例並不限於此。

值得一提的是，本實施例的電晶體M1與電晶體M2可以依據偏壓電壓VB來產生對應的能帶隙電流IBG1及能帶隙電流IBG2。藉此，電晶體M4可以依據其所流經的能帶隙電流IBG1以產生電壓V1，電晶體M5以及電阻R2可以依據其所流經的能帶隙電流IBG2以產生電壓V2。運算放大器OP1則依據電壓V1以及電壓V2的差值來產生偏壓電壓VB。

另一方面，本實施例的比較電路130包括運算放大器OP2、電晶體M6以及電晶體M7。具體來說，在本實施例中，比較電路130中的運算放大器OP2的負輸入端可以耦接至運算放大器OP1的負輸入端，並藉以接收電壓V1。並且，運算放大器OP2的正輸入端可以接收參考電壓Vref。藉此，運算放大器OP2可以比較電壓V1與參考電壓Vref以產生比較結果CP1。

在另一方面，電晶體M6的第一端（例如是源極端）耦接至電源電壓端VDD，電晶體M6的第二端（例如是汲極端）耦接至運算放大器OP2的正輸入端，電晶體M6的控制端（例如是閘極端）則接收比較結果CP1。其中，本實施例的電晶體M6可以依據比較結果CP1以產生電流I1。此外，電晶體M7串接於運算放大器OP2的正輸入端與參考接地端GND之間，並且，電晶體M7可以接收電晶體M6所提供的電流I1，並藉以產生參考電壓Vref。其中，電晶體M7可以作為比較電路130中的負載LD，並且負載LD可以由耦接為二極體組態（diode connection）的電晶體來建構。

在本實施例中，電壓調整器140包括電晶體M8～M9、參考電流源Iref以及緩衝器A1。具體來說，電壓調整器140耦接在比較電路130與能帶隙電壓產生器110之間，並且，在電壓調整器140中，電晶體M8的第一端（例如是源極端）耦接至電源電壓端VDD，電晶體M8的控制端（例如是閘極端）耦接至運算放大器OP2的輸出端以接收比較結果CP1。電晶體M9的第一端（例如是源極端）耦接至參考接地端GND，電晶體M9的第二端（例如是汲極端）接收偏壓電壓VB。此外，參考電流源Iref耦接於電晶體M8的第二端（例如是汲極端）與參考接地端GND之間，並用以產生參考電流IR1。參考電流源Iref用以由電晶體M8的汲極端來汲取參考電流IR1。緩衝器A1耦接於電晶體M8的第二端（例如是汲極端）與電晶體M9的控制端（例如是閘極端）之間。其中，上述的緩衝器A1可以為本領域技術人員所熟知的反向史密特觸發器，電晶體M6、M8～M9可以是P型金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET），電晶體M7可以是PNP型雙極性接面型電晶體（BJT），但本實施例並不限於此。

詳細來說，在本實施例中，電晶體M6與電晶體M8的長寬比可以設計為相同，以使流經電晶體M6與電晶體M8的電流I1與電流I2的電流值實質上相同。或者，電晶體M6與電晶體M8的長寬比也可以設計具有特定的比例關係，並使電流I1與電流I2的電流值具有特定的比例關係。值得一提的是，本實施例的緩衝器A1的輸入端可接收電流I2與參考電流IR1之間的電流差值，並且，緩衝器A1可以依據此電流差值以產生比較結果CP2。進一步來說，當電壓產生電路100操作於啟動（start-up）時間區間時，電壓調整器140可以依據緩衝器A1所產生的比較結果CP2來調整偏壓電壓VB的電壓值。舉例來說，若參考電流IR1的電流值大於電流I2的電流值時，則緩衝器A1可以提供比較結果CP2以使電晶體M8導通。在此同時，電壓調整器140可以依據比較結果CP2以調低偏壓電壓VB的電壓值，並藉以拉高電晶體M1與電晶體M2所提供的能帶隙電流IBG1及能帶隙電流IBG2。相對的，在啟動時間區間後的一穩定操作期間，若參考電流IR1的電流值小於電流I2的電流值時，緩衝器A1可以提供比較結果CP2以使電晶體M8斷開。在此同時，電晶體M1與電晶體M2可依據偏壓電壓VB來產生對應的能帶隙電流IBG1及能帶隙電流IBG2。

依據上述可以得知，在本實施例中，電壓產生電路100可以利用啟動電路120中的電壓調整器140來拉低運算放大器OP1所輸出的偏壓電壓VB的電壓值，以使能帶隙電流IBG1、IBG2的電流值也可以同步的被拉高。如此一來，運算放大器OP1的正輸入端與負輸入端上的電壓V1與電壓V2得以被拉高，而不致於因電壓V1與電壓V2過低而導致啟動失敗，進而改善能帶隙電壓產生器110的穩定性及準確性。

圖2是依照本發明另一實施例說明一種電壓產生電路的電路圖。電壓產生電路200包括能帶隙電壓產生器210與啟動電路220。其中，啟動電路220包括比較電路230與電壓調整器240。需注意到的是，在本實施例中，電壓產生電路200大致相同於電壓產生電路100，其中相同或相似元件使用相同或相似標號。其不同之處在於，在圖2中，運算放大器OP2的負輸入端可以耦接至電晶體M5的射極端以接收電壓V2，並且，運算放大器OP2的正輸入端同樣可以接收參考電壓Vref。藉此，運算放大器OP2可以比較電壓V2與參考電壓Vref以產生比較結果CP1。值得一提的是，關於本實施例的電壓產生電路200的相關實施細節皆相同或類似於前一實施例的電壓產生電路100，以下恕不多贅述。

圖3繪示本發明圖1及圖2實施例的參考電流源的電路圖。在本實施例中，參考電流源300包括電晶體Q1～Q9以及電阻R5。其中，電晶體Q8與電晶體Q9可以形成為電流鏡電路310。具體來說，在參考電流源300中，電晶體Q1的第一端（例如是源極端）耦接至電源電壓端VDD，電晶體Q1的控制端（例如是閘極端）耦接至節點P1，並且，電晶體Q1可以依據節點P1上的電壓以使電晶體Q1的第二端（例如是汲極端）產生電流I3。電晶體Q2的第一端（例如是源極端）耦接至電源電壓端VDD，電晶體Q2的控制端（例如是閘極端）耦接至節點P1。電晶體Q3的第一端（例如是源極端）耦接至電源電壓端VDD，電晶體Q3的第二端（例如是汲極端）與控制端（例如是閘極端）皆耦接至節點P1。電晶體Q4的第一端（例如是源極端）耦接至參考接地端GND，電晶體Q4的第二端（例如是汲極端）與控制端（例如是閘極端）皆耦接至電晶體Q2的汲極端。電晶體Q5的第二端（例如是汲極端）耦接至電晶體Q3的汲極端，電晶體Q5的控制端（例如是閘極端）耦接至電晶體Q4的控制端。此外，電阻R5耦接於電晶體Q5的第一端（例如是源極端）與參考接地端GND之間。電晶體Q6的第二端（例如是汲極端）與控制端（例如是閘極端）耦接至節點P1，電晶體Q7的第一端（例如是源極端）耦接至電晶體Q2的汲極端，電晶體Q7的第二端（例如是汲極端）耦接至電晶體Q6的第一端（例如是源極端），電晶體Q7的控制端（例如是閘極端）耦接至節點P1。

另一方面，在電流鏡電路310中，電晶體Q8的第一端（例如是源極端）耦接至參考接地端GND，電晶體Q8的第二端（（例如是汲極端）耦接至電晶體Q1的汲極端以接收電流I3。電晶體Q9的第一端（例如是源極端）耦接至參考接地端GND，電晶體Q9的第二端（例如是汲極端）與控制端（例如是閘極端）皆耦接至電晶體Q8的控制端（例如是閘極端）。值得一提的是，本實施例的電流鏡電路310可以依據電流I3以產生參考電流IR1。其中，上述的電流鏡電路310可以是本領域技術人員所熟知可提供參考電流的電流源電路，但本實施例並不限於此。

順帶一提的是，在本實施例中，電晶體Q1～Q3可以是P型金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET），電晶體Q4～Q9可以是N型金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）。但本發明實施例並不限於此。

當然，參考電流源300僅只是本案實施例的參考電流源的一個示範性實施方式。本領域具通常知識者可應用其他種類，且為本領域具通常知識者所熟知的常數轉導值（Constant-Gm）的電流源電路，來實施本發明實施例中的參考電流源，沒有特定的限制。

綜上所述，本發明的電壓產生電路透過啟動電路中的電壓調整器，以在啟動過程中，透過調低偏壓電壓的電壓值，來拉高能帶隙電流的電流值。如此一來，本發明的電壓產生電路可以提升運算放大器的正輸入端及負輸入端上的電壓值，以確保電壓產生電路中，能帶隙電壓產生器的穩定性及準確性。

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。

100、200‧‧‧電壓產生電路110、210‧‧‧能帶隙電壓產生器120、220‧‧‧啟動電路130、230‧‧‧比較電路140、240‧‧‧電壓調整器300‧‧‧參考電流源310‧‧‧電流鏡電路OP1、OP2‧‧‧運算放大器M1～M9、Q1～Q9‧‧‧電晶體R1～R5‧‧‧電阻LD‧‧‧負載A1‧‧‧緩衝器CP1、CP2‧‧‧比較結果V1、V2‧‧‧電壓VB‧‧‧偏壓電壓Vref‧‧‧參考電壓Vout‧‧‧輸出電壓IBG1～IBG3‧‧‧能帶隙電流I1～I3‧‧‧電流Iref‧‧‧參考電流源IR1‧‧‧參考電流P1‧‧‧節點VDD‧‧‧電源電壓端GND‧‧‧參考接地端

圖1是依照本發明一實施例說明一種電壓產生電路的電路圖。圖2是依照本發明另一實施例說明一種電壓產生電路的電路圖。圖3繪示本發明圖1及圖2實施例的參考電流源的電路圖。

100‧‧‧電壓產生電路

110‧‧‧能帶隙電壓產生器

120‧‧‧啟動電路

130‧‧‧比較電路

140‧‧‧電壓調整器

OP1、OP2‧‧‧運算放大器

M1~M8‧‧‧電晶體

R1~R4‧‧‧電阻

LD‧‧‧負載

A1‧‧‧緩衝器

CP1、CP2‧‧‧比較結果

V1、V2‧‧‧電壓

VB‧‧‧偏壓電壓

Vref‧‧‧參考電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

IBG1~IBG3‧‧‧能帶隙電流

I1、I2‧‧‧電流

Iref‧‧‧參考電流源

IR1‧‧‧參考電流

VDD‧‧‧電源電壓端

GND‧‧‧參考接地端

Claims

一種電壓產生電路，包括：一能帶隙電壓產生器，具有一第一運算放大器，所述第一運算放大器接收一第一電壓與一第二電壓，並依據比較所述第一電壓與所述第二電壓以產生一偏壓電壓，其中，所述能帶隙電壓產生器依據所述偏壓電壓以產生一能帶隙電流，並依據所述能帶隙電流產生一輸出電壓；以及一啟動電路，包括：一比較電路，使所述第一電壓以及所述第二電壓的其中之一與一參考電壓比較以產生一第一比較結果，並依據所述第一比較結果產生一第一電流，其中，所述參考電壓依據所述第一電流來產生；以及一電壓調整器，耦接所述比較電路以及所述能帶隙電壓產生器，依據所述第一電流以產生一第二電流，比較所述第二電流以及一參考電流以產生一第二比較結果，依據所述第二比較結果以調整所述偏壓電壓的電壓值；其中在所述電壓產生電路的一啟動時間區間中，所述電壓調整器依據所述第二比較結果以調低所述偏壓電壓的電壓值，並藉以拉高所述能帶隙電流。
如申請專利範圍第1項所述的電壓產生電路，其中所述電壓調整器依據所述第一比較結果產生所述第二電流，其中所述第一電流與所述第二電流成正比。
如申請專利範圍第1項所述的電壓產生電路，其中所述能帶隙電壓產生器更包括：一第一電晶體，其第一端耦接至一電源電壓端，其第二端耦接至所述第一運算放大器的負輸入端，受控於所述偏壓電壓；一第二電晶體，其第一端耦接至所述電源電壓端，其第二端耦接至所述第一運算放大器的正輸入端，受控於所述偏壓電壓；一第三電晶體，其第一端耦接至所述電源電壓端，其第二端接收所述輸出電壓，受控於所述偏壓電壓；一第一電阻，耦接於所述第一運算放大器的負輸入端與一參考接地端之間；一第二電阻，其第一端耦接至所述第一運算放大器的正輸入端；一第三電阻，耦接於所述第一運算放大器的正輸入端與所述參考接地端之間；一第四電阻，耦接於所述第三電晶體的第二端與所述參考接地端之間；一第四電晶體，其第一端耦接至所述第一運算放大器的負輸入端，其第二端與控制端耦接至所述參考接地端；以及一第五電晶體，其第一端耦接至所述第二電阻的第二端，其第二端與控制端耦接至所述參考接地端。
如申請專利範圍第3項所述的電壓產生電路，其中所述第一電晶體依據所述偏壓電壓以產生所述能帶隙電流，所述第四電晶體以及所述第五電晶體依據所述能帶隙電流以分別產生所述第一電壓與所述第二電壓。
如申請專利範圍第1項所述的電壓產生電路，其中所述比較電路包括：一第二運算放大器，其負輸入端耦接至所述第一運算放大器的負輸入端以及正輸入端的其中之一，所述第二運算放大器的正輸入端接收所述參考電壓，所述第二運算放大器的輸出端產生所述第一比較結果；一負載，串接於所述第二運算放大器的正輸入端以及一參考接地端間，接收所述第一電流以產生所述參考電壓；以及一第一電晶體，其第一端耦接至一電源電壓端，其第二端耦接至所述第二運算放大器的正輸入端，其控制端接收所述第一比較結果，其中，所述第一電晶體依據所述第一比較結果以產生所述第一電流。
如申請專利範圍第1項所述的電壓產生電路，其中所述電壓調整器包括：一第一電晶體，其第一端耦接至一電源電壓端，其控制端接收所述第一比較結果，其中，所述第一電晶體依據所述第一電流以產生所述第二電流；一第二電晶體，其第一端耦接至所述參考接地端，其第二端接收所述偏壓電壓；一參考電流源，耦接於所述第一電晶體的第二端與一參考接地端之間，產生一參考電流，並由所述第一電晶體的第二端汲取所述參考電流；以及一緩衝器，耦接至所述第一電晶體的第二端，接收所述第二電流與所述參考電流的一電流差值，並依據所述電流差值以產生所述第二比較結果。
如申請專利範圍第6項所述的電壓產生電路，其中所述緩衝器為一反向史密特觸發器。
如申請專利範圍第6項所述的電壓產生電路，其中所述參考電流源包括：一第三電晶體，其第一端耦接至所述電源電壓端，其控制端耦接至一第一節點，其中，所述第三電晶體依據所述第一節點上的電壓使其第二端產生一第三電流；一第四電晶體，其第一端耦接至所述電源電壓端，其控制端耦接至所述第一節點；一第五電晶體，其第一端耦接至所述電源電壓端，其第二端與其控制端耦接所述第一節點；一第六電晶體，其第一端耦接至所述參考接地端，其第二端與其控制端耦接至所述第四電晶體的第二端；一第七電晶體，其第二端耦接至所述第五電晶體的第二端，其控制端耦接至所述第六電晶體的控制端；一第一電阻，耦接於所述第七電晶體的第一端與所述參考接地端之間。
如申請專利範圍第6項所述的電壓產生電路，其中所述參考電流源還包括：一電流鏡電路，耦接於所述第三電晶體的第二端與所述參考接地端之間，以接收所述第三電流，並依據所述第三電流以產生所述參考電流。
如申請專利範圍第6項所述的電壓產生電路，其中所述參考電流源更包括：一第八電晶體，其第二端及控制端耦接至所述第一節點；一第九電晶體，其第一端耦接至所述第四電晶體的第二端，其第二端耦接至所述第八電晶體的第一端，其控制端耦接至所述第一節點。