TW201336226A - 多重電源域運算放大器及使用其之電壓產生器 - Google Patents

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Abstract

一種多重電源域運算放大器，包括一輸入級電路、一電源域轉換電路以及一主動負載。輸入級電路用以將一組輸入電壓轉換為在一第一電源域內之一組輸入電流。電源域轉換電路用以轉換此組輸入電流為在一第二電源域內之一組輸出電流。主動負載用以依據此組輸出電流產生一輸出電壓，其中輸出電壓之一共模範圍相對於此組輸入電壓之一共模範圍係產生平移。

Description

多重電源域運算放大器及使用其之電壓產生器
本發明是有關於一種多重電源域運算放大器及使用其之電壓產生器。
導因於半導體元件的特性，許多的應用都需要一組不受溫度影響的正參考電壓及負參考電壓，其電壓大小約為+5伏特及-5伏特，接近中壓元件的耐壓上限6伏特。業界一般利用能隙參考電路(bandgap reference circuit)產生約為1.2伏特的零溫度係數參考電壓，再以此零溫度係數參考電壓為基準透過穩壓器(regulator)進行升壓及降壓的動作，如此即可產生各種應用所需要的參考電壓。
請參照第1圖，其繪示傳統電壓產生器之一例之電路圖。電壓產生器10包括一單位增益緩衝器(unity gain buffer)12、一第一穩壓器14以及一第二穩壓器16。於第1圖中，工作電壓VDD例如為3伏特，能隙參考電路所產生的零溫度係數參考電壓Vref例如為1.2伏特。零溫度係數參考電壓Vref可利用第一穩壓器14以及第二穩壓器16，透過電阻關係(R1+R2)/R1=5/1.2進行升壓及降壓的動作而得到正參考電壓VOUTP=5伏特及負參考電壓VOUTN=-5伏特。其中，第二穩壓器16因為以地電壓0伏特為參考點，故其內部的轉導運算放大器(operational transconductance amplifier，OTA)18之電源域需為VDD~-2VDD=3伏特~-6伏特，超過中壓元件的耐壓限制而必須採用高壓元件。如此一來，高壓元件的元件特性較差會降低整體電路表現，並佔用大量的佈局面積。
請參照第2圖，其繪示傳統電壓產生器之另一例之電路圖。電壓產生器20包括一單位增益緩衝器22、一第一穩壓器24、一第二穩壓器26以及一第三穩壓器28。於第2圖中，工作電壓VDD例如為3伏特，能隙參考電路所產生的零溫度係數參考電壓Vref例如為1.2伏特。零溫度係數參考電壓Vref利用第一穩壓器24，透過電阻關係進行升壓的動作而得到正參考電壓VOUTP=5伏特。此外，零溫度係數參考電壓Vref利用第二穩壓器26以地電壓0伏特為參考點，進行降壓的動作而先得到-Vref=-1.2伏特，再藉由第三穩壓器28進行二次降壓的動作而得到負參考電壓VOUTN=-5伏特。藉由串聯(cascade)的兩級穩壓器結構26及28，使得第二穩壓器26的電源域為VDD~-VDD=3伏特~-3伏特，且第三穩壓器28的電源域為為GND~-2VDD=0伏特~-6伏特，均維持在中壓元件的耐壓範圍內而避免高壓元件的使用。然而，在電壓產生器20的結構中，多一級的穩壓器卻會使輸出電壓發生偏移(offset)以及受到電源雜訊(power noise)的影響。
此外，在正電壓轉換至負電壓的過程中，電壓產生器10及20分別必須使用單位增益緩衝器12及22以使得零溫度係數參考電壓Vref具備推力以提供電流輸出。然而，單位增益緩衝器12及22的使用除了增加電路複雜度與佈局面積，亦會增加輸出電壓的偏移及電源雜訊的影響。
本揭露是有關於一種多重電源域運算放大器及使用其之電壓產生器。藉由多重電源域運算放大器之電源域的轉換，使得電壓產生器不需使用高壓元件即可產生所需的正參考電壓及負參考電壓。
根據本揭露之第一方面，提出一種多重電源域運算放大器，包括一輸入級電路、一電源域轉換電路以及一主動負載。輸入級電路用以將一組輸入電壓轉換為在一第一電源域內之一組輸入電流。電源域轉換電路用以轉換此組輸入電流為在一第二電源域內之一組輸出電流。主動負載用以依據此組輸出電流產生一輸出電壓，其中輸出電壓之一共模範圍相對於此組輸入電壓之一共模範圍係產生平移。
根據本揭露之第二方面，提出一電壓產生器，包括一串接電阻、一第一穩壓器以及一第二穩壓器。串接電阻具有一第一回授端與一第二回授端。第一穩壓器用以輸出一第一輸出電壓，第一穩壓器包括具有負回授組態之一多重電源域運算放大器，多重電源域運算放大器操作在一第一電源域內與一第二電源域內，多重電源域運算放大器具有一反相輸入端接收一第一參考電壓，以及一正相輸入端耦接至第一回授端。第二穩壓器用以輸出一第二輸出電壓，第二穩壓器包括操作在一第三電源域內且具有負回授組態之一單一電源域運算放大器，單一電源域運算放大器具有一反相輸入端接收一第二參考電壓，以及一正相輸入端耦接至第二回授端。
為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉一實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本揭露所提出之多重電源域(power domain)運算放大器及使用其之電壓產生器，藉由電源域的轉換以調整多重電源域運算放大器之共模範圍(common mode range)，使得電壓產生器不需使用高壓元件即可產生所需的正參考電壓及負參考電壓。
請參照第3圖，其繪示依照一實施例之多重電源域運算放大器之示意圖。多重電源域運算放大器300包括一輸入級電路310、一電源域轉換電路320以及一主動負載(active load)330。輸入級電路310耦接至一第一電壓源VDD，其可以由單一PMOS輸入對、單一NMOS輸入對、或是一PMOS輸入對及一NMOS輸入對所構成。輸入級電路310用以將一組輸入電壓(Vin+，Vin-)轉換為在一第一電源域內之一組輸入電流(Iin+，Iin-)。第一電源域介於第一電壓源與第二電壓源之間。於此範例中，第一電壓源係舉例為VDD，第二電壓源係舉例為-VDD，亦即第一電源域為(VDD~-VDD)。具體而言，第一電壓源VDD例如為3伏特，第二電壓源-VDD例如為-3伏特。
電源域轉換電路320包括一第一電流緩衝器以及一第二電流緩衝器。第一電流緩衝器耦接至輸入級電路310與第二電壓源-VDD之間，並用以轉換此組輸入電流(Iin+，Iin-)為在一中繼電源域內之一組中繼電流。第一中繼電源域介於第二電壓源與第三電壓源(譬如為GND)之間。於此範例中，第一中繼續電源域係舉例為(-VDD~GND)。第二電流緩衝器耦接於第一電流緩衝器與第三電壓源GND之間，並用以依據此組中繼電流產生在一第二電源域內之一組輸出電流(Iout+，Iout-)。第二電源域介於第三電壓源與第四電壓源(譬如為-2VDD)之間。於此範例中，第二電源域係舉例為(GND~-2VDD)(更具體而言，例如為0伏特~-6伏特)。
主動負載330可以由一電流鏡或一電流源構成，其耦接於第二電流緩衝器與第四電壓源-2VDD之間，並用以依據此組輸出電流(Iout+，Iout-)產生一輸出電壓Vout。其中，輸出電壓Vout之一共模範圍(GND~-2VDD)相對於此組輸入電壓(Vin+，Vin-)之一共模範圍(VDD~-VDD)係產生平移。
請參照第4圖，其繪示依照一實施例之多重電源域運算放大器之電路圖。多重電源域運算放大器400包括一輸入級電路410、一電源域轉換電路420以及一主動負載430。輸入級電路410可由一PMOS輸入對所構成，其耦接至第一電壓源VDD。輸入級電路410將輸入電壓(Vin+，Vin-)轉換為輸入電流(Iin+，Iin-)。於第4圖中，茲舉電源域轉換電路420係一電流鏡架構電路為例做說明。電流鏡架構電路420具有一第一組電流鏡422及一第二組電流鏡424以分別實現第一電流緩衝器以及第二電流緩衝器。
第一組電流鏡422耦接至輸入級電路410與第二電壓源-VDD之間，並用以轉換輸入電流(Iin+，Iin-)為中繼電流(Ire+，Ire-)。第二組電流鏡424耦接於第一組電流鏡422與第三電壓源GND之間，並用以依據第三電壓源GND為基準點而提供輸出電流(Iout+，Iout-)給主動負載430以產生輸出電壓Vout。主動負載430耦接於第二組電流鏡424與第四電壓源-2VDD之間。由於輸出電壓Vout之共模範圍相對於輸入電壓(Vin+，Vin-)之共模範圍產生平移，故不需使用高壓元件即可以GND=0伏特為基準點輸出GND~-2VDD=0伏特~-6伏特的電壓。
請參照第5圖，其繪示依照另一實施例之多重電源域運算放大器之電路圖。多重電源域運算放大器500包括一輸入級電路510、一電源域轉換電路520以及一主動負載530。輸入級電路510由一PMOS輸入對所構成，其耦接至第一電壓源VDD。輸入級電路510將輸入電壓(Vin+，Vin-)轉換為輸入電流(Iin+，Iin-)。於第5圖中，茲舉電源域轉換電路520係一摺疊式疊接架構電路為例做說明。電流鏡架構電路520具有一第一組疊接電路(folded-cascode)522及一第二組疊接電路(folded-cascode)524以分別實現第一電流緩衝器以及第二電流緩衝器。
第一組疊接電路522耦接至輸入級電路510與第二電壓源-VDD之間，並用以轉換輸入電流(Iin+，Iin-)為中繼電流(Ire+，Ire-)。第二組疊接電路524耦接於第一組疊接電路522與第三電壓源GND之間，並用以依據第三電壓源GND為基準點而提供輸出電流(Iout+，Iout-)給主動負載530以產生輸出電壓Vout。主動負載530耦接於第二組疊接電路524與第四電壓源-2VDD之間。由於輸出電壓Vout之共模範圍相對於輸入電壓(Vin+，Vin-)之共模範圍產生平移，故不需使用高壓元件即可以GND=0伏特為基準點輸出GND~-2VDD=0伏特~-6伏特的電壓。此外，由於多重電源域運算放大器500以摺疊式疊接結構接收並輸出電流，具有更佳的線性穩壓與抗噪能力，且可在同樣功率的條件下提供更高的輸入共模範圍與輸出共模範圍。
在上述的電源域轉換電路420/520中，雖僅以二個電流緩衝器為例進行說明，然並不限於此，電源域轉換電路420/520更可包括一至多個第三電流緩衝器，耦接於第一電流緩衝器與第二電流緩衝器之間，用以依據輸入電流(Iin+，Iin-)，而產生其他一至多組中繼電流，並將其他一至多組中繼電流當中之一組提供給第二電流緩衝器，其中其他一至多組中繼電流之電源域係彼此不相同。
請參照第6圖，其繪示依照一實施例之電壓產生器之電路圖。電壓產生器600包括一串接電阻R1、一第一穩壓器610以及一第二穩壓器620。串接電阻R1具有一第一回授端(節點A)與一第二回授端(節點B)。第一穩壓器610用以輸出一第一輸出電壓VOUTN。第一穩壓器610包括具有負回授組態之一多重電源域運算放大器615、彼此串接之電阻R3及R4、以及電晶體M1，其中R3=R1且R4=R2。電阻R3之第一端耦接於第一回授端(節點A)。電晶體M1具有一第一端耦接至電壓源-2VDD、一第二端耦接至電阻R4之第二端、以及一控制端耦接至多重電源域運算放大器615之一輸出端。
多重電源域運算放大器615之實際電路架構可如前述之多重電源域運算放大器300/400/500所示。多重電源域操作放大器615耦接於一第一電壓源VDD與一第二電壓源-VDD之間，並耦接於一第三電壓源GND與一第四電壓源-2VDD之間。多重電源域運算放大器615操作在一第一電源域(VDD~-VDD)內與一第二電源域(GND~-2VDD)內。多重電源域運算放大器615具有一反相輸入端接收一第一參考電壓GND，以及一正相輸入端耦接至第一回授端(節點A)。如此一來，第一回授端(節點A)會穩定於第一參考電壓GND。
第一穩壓器610由於使用多重電源域操作放大器615，故可在不使用高壓元件的情況下，以第一參考電壓GND為基準點並產生GND~-2VDD=0伏特~-6伏特的電壓輸出。
第二穩壓器620用以輸出一第二輸出電壓VOUTP。第二穩壓器620包括操作在一第三電源域(2VDD~GND)內且具有負回授組態之一單一電源域運算放大器625、電阻R2、以及電晶體M2。電阻R2之第一端耦接於第二回授端(節點B)。電晶體M2具有一第一端耦接至電壓源2VDD、一第二端耦接至電阻R2之第二端、以及一控制端耦接至單一電源域運算放大器625之一輸出端。單一電源域操作放大器625耦接於一第五電壓源2VDD與第三電壓源GND之間。單一電源域運算放大器625具有一反相輸入端接收一第二參考電壓Vref，以及一正相輸入端耦接至第二回授端(節點B)。如此一來，第二回授端(節點B)會穩定於第二參考電壓Vref。
由第二穩壓器620耦接之第二回授端(節點B)提供第一穩壓器610耦接之第一回授端(節點A)所需之電流，即可以合併第一穩壓器610以及第二穩壓器620。如此一來，藉由Vfeedback,B=Vref=1.2伏特與Vfeedback,A=GND=0伏特於電阻R1產生所需的直流電流流經電阻R2、R3及R4，即可得到第一輸出電壓VOUTN=-5伏特與第二輸出電壓VOUTP=5伏特。
本揭露上述實施例所揭露之多重電源域運算放大器及使用其之電壓產生器，藉由多重電源域運算放大器之電源域的轉換，可以調整多重電源域運算放大器之共模範圍，使得電壓產生器不需使用高壓元件，且利用少數量的穩壓器即可產生所需的正參考電壓及負參考電壓。如此一來，不僅簡化電路設計複雜度與降低佈局面積，亦可以大幅降低元件不匹配所造成的電壓偏移及透過電源電晶體而產生的電源雜訊。
綜上所述，雖然本發明已以多個實施例揭露如上，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、20、600．．．電壓產生器
12、22．．．單位增益緩衝器
14、24、610．．．第一穩壓器
16、26、620．．．第二穩壓器
18．．．轉導運算放大器
28．．．第三穩壓器
300、400、500、615．．．多重電源域運算放大器
310、410、510．．．輸入級電路
320、420、520．．．電源域轉換電路
422．．．第一組電流鏡
424．．．第二組電流鏡
522．．．第一組疊接電路
524．．．第二組疊接電路
330、430、530．．．主動負載
625．．．單一電源域運算放大器
第1圖繪示傳統電壓產生器之一例之電路圖。
第2圖繪示傳統電壓產生器之另一例之電路圖。
第3圖繪示依照一實施例之多重電源域運算放大器之示意圖。
第4圖繪示依照一實施例之多重電源域運算放大器之電路圖。
第5圖繪示依照另一實施例之多重電源域運算放大器之電路圖。
第6圖繪示依照一實施例之電壓產生器之電路圖。
300．．．多重電源域運算放大器
310．．．輸入級電路
320．．．電源域轉換電路
330．．．主動負載

Claims (27)

  1. 一種多重電源域運算放大器，包括：一輸入級電路，用以將一組輸入電壓轉換為在一第一電源域內之一組輸入電流；一電源域轉換電路，用以轉換該組輸入電流為在一第二電源域內之一組輸出電流；以及一主動負載，用以依據該組輸出電流產生一輸出電壓，其中該輸出電壓之一共模範圍相對於該組輸入電壓之一共模範圍係產生平移。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多重電源域運算放大器，其中該電源域轉換電路包括：一第一電流緩衝器，用以轉換該組輸入電流為在一中繼電源域內之一組中繼電流；以及一第二電流緩衝器，用以依據該組中繼電流產生該組輸出電流。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之多重電源域運算放大器，其中該輸入級電路耦接至一第一電壓源，該第一電流緩衝器耦接至該輸入級電路與一第二電壓源之間，該第二電流緩衝器耦接於該第一電流緩衝器與一第三電壓源之間，該主動負載耦接於該第二電流緩衝器與一第四電壓源之間。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之多重電源域運算放大器，其中該電源域轉換電路更包括：至少一第三電流緩衝器，耦接於該第一電流緩衝器與該第二電流緩衝器之間，用以依據該組輸入電流，而產生至少一組其它中繼電流，並將該至少一組其它中繼電流當中之一組提供給該第二電流緩衝器，其中該至少一組其他中繼電流之電源域係彼此不相同。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之多重電源域運算放大器，其中該輸入級電路利用一PMOS輸入對或一NMOS輸入對將該輸入電壓轉換為該組輸入電流。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多重電源域運算放大器，其中該輸入級電路利用一PMOS輸入對及一NMOS輸入對將該輸入電壓轉換為該組輸入電流。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之多重電源域運算放大器，其中該電源域轉換電路係一電流鏡架構電路。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之多重電源域運算放大器，其中該輸入級電路耦接至一第一電壓源，該電流鏡架構電路具有一第一組電流鏡耦接至該輸入級電路與一第二電壓源之間，與一第二組電流鏡耦接於該第一組電流鏡與一第三電壓源之間，該主動負載耦接於該第二組電流鏡與一第四電壓源之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之多重電源域運算放大器，其中該電源域轉換電路係一摺疊式疊接架構電路。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之多重電源域運算放大器，其中該輸入級電路耦接至一第一電壓源，該摺疊式疊接架構電路具有一第一組疊接電路耦接至該輸入級電路與一第二電壓源之間，與一第二組疊接電路耦接於該第一組疊接電路與一第三電壓源之間，該主動負載耦接於該第二組疊接電路與一第四電壓源之間。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之多重電源域運算放大器，其中該主動負載由一電流鏡或一電流源構成。
  12. 一電壓產生器，包括：一串接電阻，具有一第一回授端與一第二回授端；一第一穩壓器，用以輸出一第一輸出電壓，該第一穩壓器包括具有負回授組態之一多重電源域運算放大器，該多重電源域運算放大器操作在一第一電源域內與一第二電源域內，該多重電源域運算放大器具有一反相輸入端接收一第一參考電壓，以及一正相輸入端耦接至該第一回授端；以及一第二穩壓器，用以輸出一第二輸出電壓，該第二穩壓器包括操作在一第三電源域內且具有負回授組態之一單一電源域運算放大器，該單一電源域運算放大器具有一反相輸入端接收一第二參考電壓，以及一正相輸入端耦接至該第二回授端。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電壓產生器，其中該多重電源域操作放大器耦接於一第一電壓源與一第二電壓源之間，並耦接於一第三電壓源與一第四電壓源之間，該單一電源域操作放大器耦接於一第五電壓源與該第三電壓源之間。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之電壓產生器，其中該第一回授端與該第二回授端係分別穩定於該第一參考電壓與該第二參考電壓。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之電壓產生器，其中該第一穩壓器更包括：彼此串接之至少一電阻，具有一第一端與一第二端，該第一端串接於該第一回授端；以及一電晶體，具有一第一端耦接至一電壓源，一第二端耦接至該至少一電阻之該第二端，以及一控制端耦接至該多重電源域運算放大器之一輸出端。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之電壓產生器，其中該第二穩壓器更包括：彼此串接之至少一電阻，具有一第一端與一第二端，該第一端串接於該第二回授端；以及一電晶體，具有一第一端耦接至一電壓源，一第二端耦接至該至少一電阻之該第二端，以及一控制端耦接至該單一電源域運算放大器之一輸出端。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之電壓產生器，其中該多重電源域運算放大器包括：一輸入級電路，包括一組輸入端作為該多重電源域運算放大器之該正相輸入端與該反相輸入端，並依據該組輸入端所接收之一組輸入電壓，而產生在該第一電源域內之一組輸入電流；一電源域轉換電路，用以轉換該組輸入電流為在該第二電源域內之一組輸出電流；以及一主動負載，用以依據該組輸出電流產生一第三輸出電壓，其中該第三輸出電壓之一共模範圍相對於該組輸入電壓之一共模範圍係產生平移。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之電壓產生器，其中該電源域轉換電路包括：一第一電流緩衝器，用以轉換該組輸入電流為在一中繼電源域內之一組中繼電流；以及一第二電流緩衝器，用以依據該組中繼電流產生該組輸出電流。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之電壓產生器，其中該輸入級電路耦接至一第一電壓源，該第一電流緩衝器耦接至該輸入級電路與一第二電壓源之間，該第二電流緩衝器耦接於該第一電流緩衝器與一第三電壓源之間，該主動負載耦接於該第二電流緩衝器與一第四電壓源之間。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之電壓產生器，其中該電源域轉換電路更包括：至少一第三電流緩衝器，耦接於該第一電流緩衝器與該第二電流緩衝器之間，用以依據該組輸入電流，而產生至少一組其它中繼電流，並將該至少一組其它中繼電流當中之一組提供給該第二電流緩衝器，其中該至少一組其它中繼電流之電源域係彼此不相同。
  21. 如申請專利範圍第17項所述之電壓產生器，其中該輸入級電路利用一PMOS輸入對或一NMOS輸入對將該輸入電壓轉換為該組輸入電流。
  22. 如申請專利範圍第17項所述之電壓產生器，其中該輸入級電路利用一PMOS輸入對及一NMOS輸入對將該輸入電壓轉換為該組輸入電流。
  23. 如申請專利範圍第17項所述之電壓產生器，其中該電源域轉換電路係一電流鏡架構電路。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之電壓產生器，其中該輸入級電路耦接至一第一電壓源，該電流鏡架構電路具有一第一組電流鏡耦接至該輸入級電路與一第二電壓源之間，與一第二組電流鏡耦接於該第一組電流鏡與一第三電壓源之間，該主動負載耦接於該第二組電流鏡與一第四電壓源之間。
  25. 如申請專利範圍第17項所述之電壓產生器，其中該電源域轉換電路係一摺疊式疊接架構電路。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之電壓產生器，其中該輸入級電路耦接至一第一電壓源，該摺疊式疊接架構電路具有一第一組疊接電路耦接至該輸入級電路與一第二電壓源之間，與一第二組疊接電路耦接於該第一組疊接電路與一第三電壓源之間，該主動負載耦接於該第二組疊接電路與一第四電壓源之間。
  27. 如申請專利範圍第17項所述之電壓產生器，其中該主動負載由一電流鏡或一電流源構成。
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