電壓轉(zhuǎn)換裝置及其電子系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有自參考特性的電壓轉(zhuǎn)換裝置，用于一電子系統(tǒng)中，包含有一差動電流產(chǎn)生模組，實現(xiàn)于一互補式金屬氧化物半導(dǎo)體制程，用來根據(jù)一轉(zhuǎn)換電壓產(chǎn)生一差動電流對；以及一電壓轉(zhuǎn)換模組，耦接于該差動電流產(chǎn)生模組及該電子系統(tǒng)的一第一供應(yīng)電壓以及一第二供應(yīng)電壓，用來根據(jù)該差動電流對、該第一供應(yīng)電壓及該第二供應(yīng)電壓，產(chǎn)生該轉(zhuǎn)換電壓。
【專利說明】電壓轉(zhuǎn)換裝置及其電子系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電壓轉(zhuǎn)換裝置，尤其涉及一種具有自參考特性且以互補式金屬氧 化物半導(dǎo)體（CMOS)實現(xiàn)的電壓轉(zhuǎn)換裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 在集成電路中，電壓調(diào)整器（VoltageRegulator)，如直流對直流轉(zhuǎn)換器（DC-DC converter)，是常用于產(chǎn)生準(zhǔn)確且穩(wěn)定電壓的電路。電壓調(diào)整器所輸出的電壓通常會作為 集成電路中其他電路的參考電壓或是供應(yīng)電壓。依據(jù)不同的電壓需求及集成電路中元件的 特性，集成電路通常需要多個電壓調(diào)整器，以產(chǎn)生不同的供應(yīng)電壓。
[0003] 請參考圖1，圖1為現(xiàn)有一電子系統(tǒng)10的示意圖。電子系統(tǒng)10可為一集成電路， 其包括一供應(yīng)電壓產(chǎn)生單元100、一正電壓電路102、一電壓范圍轉(zhuǎn)換單元104以及一負(fù)電 壓電路106。電子系統(tǒng)10主要利用工作在正供應(yīng)電壓VDDPl?地端電壓GND之間的正電壓 電路102與工作在地端電壓GND?負(fù)供應(yīng)電壓VDDNl的負(fù)電壓電路106,分別產(chǎn)生相互對 應(yīng)的正輸出信號VOUTP與負(fù)輸出信號V0UTN。由于當(dāng)集成電路中電子元件的跨壓過大時， 會造成電子元件損壞，因此電子系統(tǒng)10需要利用電壓范圍轉(zhuǎn)換單元104作為緩沖，以進(jìn)行 電壓與信號的轉(zhuǎn)換。電壓范圍轉(zhuǎn)換單元104工作于正供應(yīng)電壓VDDP2與負(fù)供應(yīng)電壓VDDN2 之間，其中正供應(yīng)電壓VDDPl大于正供應(yīng)電壓VDDP2且負(fù)供應(yīng)電壓VDDNl小于負(fù)供應(yīng)電壓 VDDN2。換言之，電壓范圍轉(zhuǎn)換單元104的工作電壓范圍橫跨正負(fù)電壓范圍，且分別與正電 壓電路102及負(fù)電壓電路106的工作電壓范圍重疊。
[0004] 在實際應(yīng)用中，電子系統(tǒng)10通常僅擁有一外部系統(tǒng)電壓VDDE作為電源來源。電 子系統(tǒng)10需要通過供應(yīng)電壓產(chǎn)生單元100,來產(chǎn)生正電壓電路102、電壓范圍轉(zhuǎn)換單元104 以及負(fù)電壓電路106所需要的供應(yīng)電壓。因此，供應(yīng)電壓產(chǎn)生單元100需要至少四個電壓 調(diào)整器，以分別產(chǎn)生正供應(yīng)電壓VDDP1、正供應(yīng)電壓VDDP2、負(fù)供應(yīng)電壓VDDNl以及負(fù)供應(yīng)電 壓VDDN2。隨著電子系統(tǒng)10所需達(dá)成的功能增加，電子系統(tǒng)10內(nèi)部電路所需的供應(yīng)電壓的 數(shù)目也隨之上升。電子系統(tǒng)10需要使用更多的電壓調(diào)整器，來提供足夠數(shù)量的供應(yīng)電壓。 然而，電壓調(diào)整器通常需要使用外部電感或是外部電容，以提供穩(wěn)定且準(zhǔn)確的供應(yīng)電壓。電 子系統(tǒng)10的制造成本將會隨著電壓調(diào)整器的數(shù)量上升而大幅增加。更甚者，當(dāng)外部系統(tǒng)電 壓VDDE開啟電子系統(tǒng)10的瞬間，各供應(yīng)電壓（如正供應(yīng)電壓VDDP1、正供應(yīng)電壓VDDP2、負(fù) 供應(yīng)電壓VDDNl以及負(fù)供應(yīng)電壓VDDN2)的產(chǎn)生時間之間將會產(chǎn)生時間差，這些時間差可能 會使得電子系統(tǒng)10中產(chǎn)生閂鎖（latch-up)現(xiàn)象。
[0005] 另一方面，由于電子系統(tǒng)10內(nèi)供應(yīng)電壓通常會與外部系統(tǒng)電壓VDDE間呈現(xiàn)倍數(shù) 關(guān)系（如正供應(yīng)電壓VDDPl可為外部系統(tǒng)電壓VDDE的1. 5倍，而正供應(yīng)電壓VDDP2可為外 部系統(tǒng)電壓VDDE的一半)，電子系統(tǒng)10內(nèi)供應(yīng)電壓將會隨著外部系統(tǒng)電壓VDDE而變動，從 而可能造成供應(yīng)電壓偏離原始設(shè)計值的狀況。舉例來說，當(dāng)外部系統(tǒng)電壓VDDE由電池所提 供時，外部系統(tǒng)電壓VDDE將會隨著電池的電荷存儲程度而變動。因此，電子系統(tǒng)10需要加 入一參考電路，以提供不隨外部系統(tǒng)電壓VDDE變動的參考電壓，并通過回授機(jī)制將各供應(yīng) 電壓控制在原始設(shè)計值。
[0006] -般而言，用來提供穩(wěn)定參考電壓的參考電路是通過帶隙（bandgap)電路所實現(xiàn)， 其可由實現(xiàn)于互補式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS)制程的雙極性晶體管（BJT)或是互補式金 屬氧化物半導(dǎo)體所組成。由雙極性晶體管實現(xiàn)的帶隙電路雖有不易隨制程飄移影響的優(yōu) 點，然而實現(xiàn)于互補式金屬氧化物半導(dǎo)體的雙極性晶體管容易在電源啟動時產(chǎn)生閂鎖現(xiàn) 象。并且，實現(xiàn)于互補式金屬氧化物半導(dǎo)體制程的雙極性晶體管的元件特性也會造成設(shè)計 上的限制。另一方面，帶隙電路雖可利用工作在次臨界（sub-threshold)區(qū)的金氧半場效 晶體管（MOSFET)替代雙極性晶體管，然而，工作在次臨界區(qū)的金氧半場效晶體管的溫度系 數(shù)容易受到制程飄移的影響，造成參考電壓與設(shè)計產(chǎn)生偏差。
[0007] 此外，帶隙電路僅能產(chǎn)生一固定的參考電壓，且其輸出的參考電壓不具備推動負(fù) 載的能力。在此狀況下，帶隙電路產(chǎn)生的參考電壓必須通過額外的電壓調(diào)節(jié)器，才可產(chǎn)生具 有不同電壓值且具備推動負(fù)載能力的參考電壓，從而增加了電子系統(tǒng)10的制造成本且使 電子系統(tǒng)10的設(shè)計更為復(fù)雜。因此，如何簡化電子系統(tǒng)中用來產(chǎn)生供應(yīng)電壓的電路，便成 為目前產(chǎn)業(yè)中一重要的課題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 因此，本發(fā)明提出一種具有自參考特性的電壓轉(zhuǎn)換裝置，其可產(chǎn)生不隨溫度變化 且具有推動能力的供應(yīng)電壓。
[0009] 本發(fā)明公開一種具有自參考特性的電壓轉(zhuǎn)換裝置，用于一電子系統(tǒng)中，包括一差 動電流產(chǎn)生模組，實現(xiàn)于互補式金屬氧化物半導(dǎo)體制程，用來根據(jù)一轉(zhuǎn)換電壓產(chǎn)生一差動 電流對；以及一電壓轉(zhuǎn)換模組，耦接于該差動電流產(chǎn)生模組及該電子系統(tǒng)的一第一供應(yīng)電 壓以及一第二供應(yīng)電壓，用來根據(jù)該差動電流對、該第一供應(yīng)電壓及該第二供應(yīng)電壓，產(chǎn)生 該轉(zhuǎn)換電壓。
[0010] 本發(fā)明還公開一種電子系統(tǒng)，包括一供應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換模組，用來產(chǎn)生一第一供應(yīng)電 壓及一第二供應(yīng)電壓；至少一具有自參考特性的電壓轉(zhuǎn)換裝置，用來產(chǎn)生至少一轉(zhuǎn)換電壓， 每一電壓轉(zhuǎn)換裝置包括：一差動電流產(chǎn)生模組，實現(xiàn)于互補式金屬氧化物半導(dǎo)體制程，用來 根據(jù)該至少一轉(zhuǎn)換電壓中一第一轉(zhuǎn)換電壓，產(chǎn)生一對差動電流；以及一電壓轉(zhuǎn)換模組，耦接 于該差動電流產(chǎn)生模組、該第一供應(yīng)電壓及該第二供應(yīng)電壓，用來根據(jù)該對差動電流、該第 一供應(yīng)電壓及該第二供應(yīng)電壓，產(chǎn)生該至少一轉(zhuǎn)換電壓其中之一以及該第一轉(zhuǎn)換電壓。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為一現(xiàn)有電子系統(tǒng)的示意圖。
[0012] 圖2為本發(fā)明實施例一電壓轉(zhuǎn)換裝置的示意圖。
[0013] 圖3為本發(fā)明實施例另一電壓轉(zhuǎn)換裝置的示意圖。
[0014] 圖4為圖2所示的電壓轉(zhuǎn)換裝置另一實現(xiàn)方式的示意圖。
[0015] 圖5為圖3所示的電壓轉(zhuǎn)換裝置另一實現(xiàn)方式的示意圖。
[0016] 第6圖為本發(fā)明實施例一電子系統(tǒng)的不意圖。
[0017] 其中，附圖標(biāo)記說明如下：
[0018] 10,60 電子系統(tǒng)
[0019] 100,600 供應(yīng)電壓產(chǎn)生單元
[0020] 102、602 正電壓電路
[0021] 104,604 電壓范圍轉(zhuǎn)換電路
[0022] 106、606 負(fù)電壓電路
[0023] 20、30、40、50、608、610 電壓轉(zhuǎn)換裝置
[0024] 200、300、400、500 差動電流產(chǎn)生模組
[0025] 202、302、402、502 電壓轉(zhuǎn)換模組
[0026] 204、304、404、504 回授電壓產(chǎn)生單元
[0027]GND 地端
[0028]Idi?Id4 差動電流
[0029] Iregi、Ireg2 電流
[0030]MNl?MNl2、MP1 ?MP12 晶體管
[0031]Rl?R8 電阻
[0032]Vkeci ?Vkec4 轉(zhuǎn)換電壓
[0033]Vfbi、Vfb2 回授電壓

【具體實施方式】
[0034] 請參考圖2,圖2為本發(fā)明實施例一電壓轉(zhuǎn)換裝置20的示意圖。電壓轉(zhuǎn)換裝置20 用于一電子系統(tǒng)中，其具有自參考特性，且可根據(jù)電子系統(tǒng)提供的供應(yīng)電壓產(chǎn)生電子系統(tǒng) 中其余電路的供應(yīng)電壓。如圖2所示，電壓轉(zhuǎn)換裝置20是由一差動電流產(chǎn)生模組200以及 一電壓轉(zhuǎn)換模組202所組成。差動電流產(chǎn)生模組200用來根據(jù)一轉(zhuǎn)換電壓VKEei，產(chǎn)生相對 應(yīng)的差動電流ID1、Id2。電壓轉(zhuǎn)換模組202耦接于差動電流產(chǎn)生模組200及供應(yīng)電壓VDDH、 VDDL，用來根據(jù)差動電流ID1、Id2及供應(yīng)電壓VDDH、VDDL，產(chǎn)生轉(zhuǎn)換電壓VKEei。值得注意的是， 由于電壓轉(zhuǎn)換模組202具有推動能力，因此轉(zhuǎn)換電壓VKEei不需利用額外的電壓轉(zhuǎn)換器即可 作為電子系統(tǒng)中其余電路的供應(yīng)電壓。通過電壓轉(zhuǎn)換裝置20,電子系統(tǒng)所需的電壓調(diào)整器 的數(shù)量可大幅降低，從而減低電子系統(tǒng)的制造成本。
[0035] 詳細(xì)來說，差動電流產(chǎn)生模組200包括回授電壓產(chǎn)生單元204、晶體管麗1、麗2以 及電阻Rl、R2?；厥陔妷寒a(chǎn)生單元204包括電阻R3、R4,用來根據(jù)轉(zhuǎn)換電壓Vmn及電阻R3、 R4間的比例，產(chǎn)生回授電壓Vfbi。晶體管麗1、麗2為N型金氧半場效晶體管（NM0S)，其形 成一差動對，以分別產(chǎn)生差動電流ID1、ID2。其中，晶體管麗1的長寬比為晶體管麗2的長寬 比的K1倍，且晶體管麗1與晶體管麗2都操作于次臨界（sub-threshold)區(qū)。晶體管麗1、 麗2以及電阻Rl、R2的耦接關(guān)系如下所述，晶體管麗1、麗2的柵極都耦接于回授電壓VFB1， 電阻Rl的兩端分別耦接于晶體管麗1、麗2的源極，電阻R2的兩端則分別耦接于晶體管麗2 的源極與地端GND。需注意的是，電阻R2、R4耦接于地端GND的端點可改為耦接于其他位 于供應(yīng)電壓VDDH與供應(yīng)電壓VDDL之間的電壓準(zhǔn)位，而不限于耦接于地端GND。通過差動電 流產(chǎn)生模組200與電壓轉(zhuǎn)換模組202組成的負(fù)回授路徑，當(dāng)電壓轉(zhuǎn)換裝置20進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時， 差動電流Idi會等同于差動電流ID2。因此，回授電壓Vfbi可表不為：
[0036]VFB1=VGS2+2XIdiXR2 (1)
[0037] 其中，Ves2為晶體管麗2柵極與源極間的電壓差。接下來，通過計算流經(jīng)電阻Rl的 電流(即電流ID1)，可將公式（1)修改為：

【權(quán)利要求】
1. 一種具有自參考特性的電壓轉(zhuǎn)換裝置，用于一電子系統(tǒng)中，包括： 一差動電流產(chǎn)生模組，實現(xiàn)于一互補式金屬氧化物半導(dǎo)體制程，用來根據(jù)一轉(zhuǎn)換電壓 產(chǎn)生一差動電流對；以及 一電壓轉(zhuǎn)換模組，耦接于該差動電流產(chǎn)生模組及該電子系統(tǒng)的一第一供應(yīng)電壓以及一 第二供應(yīng)電壓，用來根據(jù)該差動電流對、該第一供應(yīng)電壓及該第二供應(yīng)電壓，產(chǎn)生該轉(zhuǎn)換電 壓。
2. 如權(quán)利要求1所述的電壓轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于該第一供應(yīng)電壓為該電子系統(tǒng)的一 最商電壓。
3. 如權(quán)利要求1所述的電壓轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于該第一供應(yīng)電壓為該電子系統(tǒng)的一 最低電壓。
4. 如權(quán)利要求1所述的電壓轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于該差動電流產(chǎn)生模組包括： 一回授電壓產(chǎn)生單元，用來根據(jù)該轉(zhuǎn)換電壓，產(chǎn)生一回授電壓； 一第一晶體管，包括一柵極稱接于該回授電壓，一源極稱接于一第一節(jié)點，以及一漏極 奉禹接于一第一輸出端，用來根據(jù)該回授電壓，產(chǎn)生該差動電流對的一第一差動電流； 一第二晶體管，包括一柵極稱接于該回授電壓，一源極耦接于一第二節(jié)點，以及一漏極 耦接于一第二輸出端，用來根據(jù)該回授電壓，產(chǎn)生該差動電流對的一第二差動電流； 一第一電阻，耦接于該第一節(jié)點與該第二節(jié)點之間；以及 一第二電阻，耦接于該第二節(jié)點與該電子系統(tǒng)中一第三供應(yīng)電壓之間。
5. 如權(quán)利要求4所述的電壓轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于該第三供應(yīng)電壓為地端電壓。
6. 如權(quán)利要求4所述的電壓轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于該第一晶體管與該第二晶體管為金 屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管，且運作于次臨界區(qū)。
7. -種電子系統(tǒng)，包括： 一供應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換模組，用來產(chǎn)生一第一供應(yīng)電壓及一第二供應(yīng)電壓；以及 至少一具有自參考特性的電壓轉(zhuǎn)換裝置，用來產(chǎn)生至少一轉(zhuǎn)換電壓，每一電壓轉(zhuǎn)換裝 置包括： 一差動電流產(chǎn)生模組，實現(xiàn)于一互補式金屬氧化物半導(dǎo)體制程，用來根據(jù)該至少一轉(zhuǎn) 換電壓中一第一轉(zhuǎn)換電壓，產(chǎn)生一對差動電流；以及 一電壓轉(zhuǎn)換模組，耦接于該差動電流產(chǎn)生模組、該第一供應(yīng)電壓及該第二供應(yīng)電壓，用 來根據(jù)該對差動電流、該第一供應(yīng)電壓及該第二供應(yīng)電壓，產(chǎn)生該至少一轉(zhuǎn)換電壓其中之 一以及該第一轉(zhuǎn)換電壓。
8. 如權(quán)利要求7所述的電子系統(tǒng)，其特征在于該第一供應(yīng)電壓為該電子系統(tǒng)的一最高 電壓。
9. 如權(quán)利要求7所述的電子系統(tǒng)，其特征在于該第一供應(yīng)電壓為該電子系統(tǒng)的一最低 電壓。
10. 如權(quán)利要求7所述的電子系統(tǒng)，其特征在于該差動電流產(chǎn)生模組包括：一回授電壓 產(chǎn)生單元，用來根據(jù)該轉(zhuǎn)換電壓，產(chǎn)生一回授電壓； 一第一晶體管，包括一柵極稱接于該回授電壓，一源極稱接于一第一節(jié)點，以及一漏極 奉禹接于一第一輸出端，用來根據(jù)該回授電壓，產(chǎn)生該差動電流對的一第一差動電流； 一第二晶體管，包括一柵極耦接于該回授電壓，一源極耦接于一第二節(jié)點，以及一漏極 耦接于一第二輸出端，用來根據(jù)該回授電壓，產(chǎn)生該差動電流對的一第二差動電流； 一第一電阻，耦接于該第一節(jié)點與該第二節(jié)點之間；以及 一第二電阻，耦接于該第二節(jié)點與該電子系統(tǒng)中一第三供應(yīng)電壓之間。
11. 如權(quán)利要求10所述的電子系統(tǒng)，其特征在于該第三供應(yīng)電壓為地端電壓。
12. 如權(quán)利要求10所述的電子系統(tǒng)，其特征在于該第一晶體管及該第二晶體管為金屬 氧化物半導(dǎo)體場效晶體管且工作于次臨界區(qū)。
【文檔編號】H02M5/42GK104426384SQ201310362099
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月19日
【發(fā)明者】胡敏弘, 蘇品翰, 吳振聰, 黃秋皇, 黃俊為 申請人:聯(lián)詠科技股份有限公司