TWI703331B - 電壓差量測電路以及相關的電壓差量測方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種電壓差量測電路，其包含有一準位轉換電路、一類比數位轉換器以及一計算電路。在該電壓差量測電路的操作中，該準位轉換電路調整一供應電壓以及一接地電壓的準位以分別產生一調整後供應電壓以及一調整後接地電壓，該類比數位轉換器對該調整後供應電壓以及該調整後接地電壓進行類比數位轉換操作，以分別產生一第一數位值以及一第二數位值，且該計算電路根據該第一數位值以及該第二數位值以計算出該供應電壓以及該接地電壓的一電壓差。

Description

電壓差量測電路以及相關的電壓差量測方法
本發明係有關於電壓量測，尤指一種電壓差量測電路。
由於連接到晶片的打線(bonding wire)存在著寄生電感、寄生電阻以及寄生電容，因此晶片的供應電壓(或稱，電源電壓)會有抖動的現象，亦即若是供應電壓為1.1伏特(V)，則供應電壓可能會在0.9~1.3V之間抖動。另外，供應電壓與接地電壓之間的電壓差對於數位電路之操作速度以及、功耗與使用壽命有相當大的影響，因此，先前技術通常會在特定應用的晶片中設置一個量測電路以量測晶片的供應電壓與接地電壓。然而，由於供應電壓與接地電壓均會有抖動現象發生，再加上量測電路的工作範圍通常是介於供應電壓與接地電壓之間，因此，傳統的量測電路並無法準確地量測到供應電壓與接地電壓之間的電壓差。舉例來說，假設供應電壓為1.1V，接地電壓為0V，而若是遭遇到電壓抖動後供應電壓為1.1V+0.2V，遭遇到電壓抖動後接地電壓為0V+0.1V，則由於抖動後供應電壓超出了量測電路的工作範圍0~1.1V，則量測電路會將供應電壓與接地電壓之間的電壓差誤判為1.1V-0.1V=1.0V。在另一例子，若是遭遇到電壓抖動後供應電壓為1.1V-0.2V，遭遇到電壓抖動後接地電壓為0V-0.3V，則由於抖動後接地電壓超出了量測電路的工作範圍0~1.1V，則量測電路會將供應電壓與接地電壓之間的電壓差誤判為1.0V-0V=0.9V。
為了解決上述的問題，有些晶片會額外提供一組較高的供應電壓(例如，大於1.1V)與一負電壓(例如，小於接地電壓0V)以供量測電路使用，然而，提供這些額外的電源會大幅提高晶片成本。此外，另一種解決方法是將供應電壓衰減後再由量測電路進行量測，然而，使用衰減器後的數位碼會需要使用到乘法器以將衰減的部分補償回來，因而增加了電路的複雜度及成本，且使用衰減器並無法處理接地電壓抖動的問題。
因此，本發明的目的之一在於提供一種電壓差量測電路，其可以使用簡單的電路來正確地量測到供應電壓與接地電壓之間的電壓差，以解決先前技術的問題。
在本發明的一個實施例中，揭露了一種電壓差量測電路，其包含有一準位轉換電路、一類比數位轉換器以及一計算電路。在該電壓差量測電路的操作中，該準位轉換電路調整一供應電壓以及一接地電壓的準位以分別產生一調整後供應電壓以及一調整後接地電壓，該類比數位轉換器對該調整後供應電壓以及該調整後接地電壓進行類比數位轉換操作，以分別產生一第一數位值以及一第二數位值，且該計算電路根據該第一數位值以及該第二數位值以計算出該供應電壓以及該接地電壓的一電壓差。
在本發明的另一個實施例中，揭露了一種電壓差量測方法，其包含有：使用一準位轉換電路來調整一供應電壓以及一接地電壓的準位以分別產生一調整後供應電壓以及一調整後接地電壓；對該調整後供應電壓以及該調整後接地電壓進行類比數位轉換操作，以分別產生一第一數位值以及一第二數位值；以及根據該第一數位值以及該第二數位值以計算出該供應電壓以及該接地電壓的一電壓差。
第1圖為根據本發明一實施例之電壓差量測電路100的示意圖。如第1圖所示，電壓差量測電路100包含了一準位轉換電路110、一類比數位轉換器120以及一計算電路130。在本實施例中，電壓差量測電路100係用來接收一供應電壓VDD以及一接地電壓GND，並計算供應電壓VDD與接地電壓GND之間的電壓差Dout。
在電壓差量測電路100的操作中，準位轉換電路110係用來調整供應電壓VDD以及接地電壓GND的準位以分別產生一調整後供應電壓VDD’以及一調整後接地電壓GND’，其中調整後供應電壓VDD’以及調整後接地電壓GND’係在有電壓抖動的情形下仍然位於類比數位轉換器120的操作範圍之內。接著，類比數位轉換器120對調整後供應電壓VDD’以及調整後接地電壓GND’進行類比數位轉換操作，以分別產生一第一數位值D_VDD以及一第二數位值D_GND。最後，計算電路130根據第一數位值D_VDD以及第二數位值D_GND以計算出供應電壓VDD與接地電壓GND之間的電壓差Dout。在本實施例中，準位轉換電路110以及類比數位轉換器120係在多個不同的時間點來產生多個第一數位值D_VDD以及多個第二數位值D_GND，以供計算電路130計算出電壓差Dout。舉例來說，準位轉換電路110可以依序產生調整後供應電壓VDD’、調整後接地電壓GND’、調整後供應電壓VDD’、調整後接地電壓GND’…，而類比數位轉換器120再依序產生第一數位值D_VDD、第二數位值D_GND、第一數位值D_VDD、第二數位值D_GND…，之後再由計算電路130計算出多個第一數位值D_VDD的平均值以及多個第二數位值D_GND的平均值後再計算出電壓差Dout。
在一實施例中，若是類比數位轉換器120可以處理的類比電壓範圍為GND~AVDD，且AVDD大於供應電壓VDD，則準位轉換電路110可以直接將供應電壓VDD以及接地電壓GND提升一個特定電壓準位，以如第2圖所示地產生調整後供應電壓VDD’以及調整後接地電壓GND’，以供類比數位轉換器120進行操作。舉例來說，若是AVDD、VDD、GND分別為1.8V、1.1V、0V，且接地電壓GND的抖動範圍是(-0.1V)~0.1V，類比數位轉換器120本身的偏差範圍是(-0.012V)~0.012V，則準位轉換電路110可以將供應電壓VDD以及接地電壓GND至少提升0.1V+0.012V=0.112V，以使得即使在最糟的情形下調整後接地電壓GND’仍然不會有低於0V的情況發生。如上所述，由於準位轉換電路110所產生之調整後供應電壓VDD’以及調整後接地電壓GND’可以保證會位於類比數位轉換器120可以處理的類比電壓範圍內，因此，類比數位轉換器120所產生之第一數位值D_VDD以及第二數位值D_GND可以準確地反映出調整後供應電壓VDD’以及調整後接地電壓GND’，且計算電路130也可以簡單地直接將第一數位值D_VDD以及第二數位值D_GND相減以得到供應電壓VDD與接地電壓GND之間的電壓差Dout。
第3圖為對應到第2圖實施例之準位轉換電路300的示意圖，其中準位轉換電路300係為第1圖所示之準位轉換電路110。如第3圖所示，準位轉換電路300包含了一開關SW1、一電容C以及一控制電路310，其中控制電路310包含了一電阻R、兩個開關SW2、SW3以及一電流源I1。在準位轉換電路300的操作中，準位轉換電路300可以交替地提升供應電壓VDD以及接地電壓GND的準位。具體來說，以提升供應電壓VDD的準位來說，準位轉換電路300會先操作在一取樣階段(sample phase)，此時開關SW1、SW2、SW3會在控制訊號VC1、VC2、VC3的控制下分別為導通、導通、非導通狀態，以使得電容C的第一端點N1的電壓為VDD，且電容C的第二端點N2的電壓為GND。接著，準位轉換電路300操作在一保持階段(hold phase)，此時開關SW1、SW2、SW3會在控制訊號VC1、VC2、VC3的控制下分別為非導通、非導通、導通狀態，而由於電容C的第二端點N2的電壓由GND被提升到一參考電壓準位(例如，電流源I1的電流乘上電阻R的電阻值)，故電容C的第一端點N1的電壓為VDD也會被提升一個參考電壓準位，以產生調整後供應電壓VDD’。類似地，接地電壓GND亦使用上述在取樣階段以及保持階段的操作，以產生調整後接地電壓GND’。
在另一實施例中，若是類比數位轉換器120可以處理的類比電壓範圍為GND~AVDD，且AVDD約等於供應電壓VDD，則準位轉換電路110可以降低供應電壓VDD的準位並提升接地電壓GND的準位，以如第4圖所示地產生調整後供應電壓VDD’以及調整後接地電壓GND’，以供類比數位轉換器120進行操作。舉例來說，若是AVDD、VDD、GND分別為1.1V、1.1V、0V，且接地電壓GND的抖動範圍是(-0.1V)~0.1V，再加上類比數位轉換器120本身的偏差範圍是(-0.012V)~0.012V，則準位轉換電路110可以將供應電壓VDD至少降低0.1V+0.012V=0.112V，並將接地電壓GND至少提升0.1V+0.012V=0.112V，以使得即使在最糟的情形下調整後供應電壓VDD’仍然不會有高於1.1V的情形發生，且調整後接地電壓GND’也不會有低於0V的情況發生。如上所述，由於準位轉換電路110所產生之調整後供應電壓VDD’以及調整後接地電壓GND’可以保證會位於類比數位轉換器120可以處理的類比電壓範圍內，因此，類比數位轉換器120所產生之第一數位值D_VDD以及第二數位值D_GND可以準確地反映出調整後供應電壓VDD’以及調整後接地電壓GND’，且計算電路130也可以根據供應電壓VDD的準位降低量以及接地電壓GND的準位提升量來調整第一數位值D_VDD以及第二數位值D_GND的差異，以得到供應電壓VDD以及接地電壓GND的電壓差Dout。
第5圖為對應到第4圖實施例之準位轉換電路500的示意圖，其中準位轉換電路500係為第1圖所示之準位轉換電路110。如第5圖所示，準位轉換電路300包含了一開關SW1、一電容C以及一控制電路510，其中控制電路510包含了一電阻R、兩個開關SW2、SW3以及一電流源I1。在準位轉換電路500的操作中，準位轉換電路500可以交替地降低供應電壓VDD以及提升接地電壓GND的準位。具體來說，以降低供應電壓VDD的準位來說，準位轉換電路500會先操作在取樣階段，此時開關SW1、SW2、SW3會在控制訊號VC1、VC2、VC3的控制下分別為導通、導通、非導通狀態，且開關SW2係用來將電容C的第二端點N2連接到供應電壓VDD，以使得電容C的第一端點N1的電壓為VDD，且電容C的第二端點N2的電壓也是VDD。接著，準位轉換電路500操作在保持階段，此時開關SW1、SW2、SW3會在控制訊號VC1、VC2、VC3的控制下分別為非導通、非導通、導通狀態，而由於電容C的第二端點N2的電壓由VDD被降低到一參考電壓準位(例如，電流源I1的電流乘上電阻R的電阻值)，故電容C的第一端點N1的電壓為VDD也會被降低一個參考電壓準位，以產生調整後供應電壓VDD’。另一方面，以提升接地電壓GND的準位來說，準位轉換電路500會先操作在取樣階段，此時開關SW1、SW2、SW3會在控制訊號VC1、VC2、VC3的控制下分別為導通、導通、非導通狀態，且開關SW2係用來將電容C的第二端點N2連接到接地電壓GND，以使得電容C的第一端點N1的電壓為VDD，且電容C的第二端點N2的電壓是GND；接著，準位轉換電路500操作在保持階段，此時開關SW1、SW2、SW3會在控制訊號VC1、VC2、VC3的控制下分別為非導通、非導通、導通狀態，而由於電容C的第二端點N2的電壓由GND被提升到一參考電壓準位，故電容C的第一端點N1的電壓GND也會被提升一個參考電壓準位，以產生調整後接地電壓GND’。
第6圖為根據本發明一實施例之一種電壓差量測方法的流程圖。參考以上實施例所述的內容，流程如下所述。
步驟600：流程開始。
步驟602：使用一準位轉換電路來調整一供應電壓以及一接地電壓的準位以分別產生一調整後供應電壓以及一調整後接地電壓；
步驟604：對該調整後供應電壓以及該調整後接地電壓進行類比數位轉換操作，以分別產生一第一數位值以及一第二數位值；以及
步驟606：根據該第一數位值以及該第二數位值以計算出該供應電壓以及該接地電壓的一電壓差。
在本發明的另一實施例中，第1圖所示的準位轉換電路110亦可被整合在類比數位轉換器120中，亦即在類比數位轉換器120內部的比較器之前加上一個偏壓電路以實現準位轉換電路110的功能。詳細來說，參考第7圖所示之設置在類比數位轉換器120中的比較器710，其用以接收兩個輸入訊號Vin+、Vin-以產生一比較結果，其中輸入訊號Vin+可以是第1圖所示的供應電壓VDD或是接地電壓GND。在第7圖中，偏壓電路720係在輸入訊號Vin+上加上一個偏壓值Vos，其中偏壓值Vos在第2圖的實施例中是一個正向偏壓，而偏壓值Vos在第4圖的實施例則是會在正向偏壓與負向偏壓之間切換(亦即，當量測供應電壓VDD時是負向偏壓，當量測接地電壓GND時是正向偏壓)。另外，比較器710可以是導管式類比數位轉換器(pipeline ADC)中的比較器、或是連續逼近式(successive-approximation-register，SAR)類比數位轉換器。
簡要歸納本發明，本發明之電壓差量測電路係使用準位轉換電路來解決先前技術中供應電壓與接地電壓的電壓抖動問題，因此，可以在使用簡單的電路架構下準確地量測到供應電壓以及接地電壓的電壓差，且電壓差量測電路本身不需要使用到低於接地電壓的電壓源，因此，可以有效地降低電壓差量測電路的複雜度與製造成本。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:電壓差量測電路 110、300、500:準位轉換電路 120:類比數位轉換器 130:計算電路 310、510:控制電路 600~606:步驟 710:比較器 720:偏壓電路 VDD:供應電壓 GND:接地電壓 VDD’:調整後供應電壓 GND’:調整後接地電壓 D_VDD:第一數位值 D_GND:第二數位值 Dout:電壓差 SW1、SW2、SW3:開關 VC1、VC2、VC3:控制訊號 C:電容 R:電阻 I1:電流源 N1:第一端點 N2:第二端點 AVDD:電壓 Vin+、Vin-:輸入訊號 Vos:偏壓值
第1圖為根據本發明一實施例之電壓差量測電路的示意圖。 第2圖為根據本發明一實施例之提升供應電壓與接地電壓的示意圖。 第3圖為對應到第2圖實施例之準位轉換電路的示意圖。 第4圖為根據本發明另一實施例之降低供應電壓與提升接地電壓的示意圖。 第5圖為對應到第4圖實施例之準位轉換電路的示意圖。 第6圖為根據本發明一實施例之一種電壓差量測方法的流程圖。 第7圖為在類比數位轉換器內部的比較器前加上偏壓電路以實現準位轉換電路功能的示意圖。
100:電壓差量測電路
110:準位轉換電路
120:類比數位轉換器
130:計算電路
VDD:供應電壓
GND:接地電壓
VDD’:調整後供應電壓
GND’:調整後接地電壓
D_VDD:第一數位值
D_GND:第二數位值
Dout:電壓差

Claims (10)

  1. 一種電壓差量測電路，包含有： 一準位轉換電路，用以調整一供應電壓以及一接地電壓的準位以分別產生一調整後供應電壓以及一調整後接地電壓； 一類比數位轉換器，耦接於該準位轉換電路，用以對該調整後供應電壓以及該調整後接地電壓進行類比數位轉換操作，以分別產生一第一數位值以及一第二數位值；以及 一計算電路，耦接於該類比數位轉換器，用以根據該第一數位值以及該第二數位值以計算出該供應電壓以及該接地電壓的一電壓差。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電壓差量測電路，其中該準位轉換電路提升該供應電壓以及該接地電壓的準位以分別產生該調整後供應電壓以及該調整後接地電壓，且該計算電路直接計算該第一數位值以及該第二數位值的差異以得到該供應電壓以及該接地電壓的該電壓差。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電壓差量測電路，其中該準位轉換電路包含有： 一電容，包含一第一端點以及一第二端點； 一開關，耦接於該供應電壓或是該接地電壓以及該電容的該第一端點之間；以及 一控制模組，用以選擇性地將該接地電壓或是一參考電壓連接到該電容的該第二端點； 其中在一取樣階段時，該開關將該供應電壓或是該接地電壓連接至該電容的該第一端點，且該控制模組將該接地電壓連接到該電容的該第二端點；以及在一保持階段時，該開關阻斷該供應電壓或是該接地電壓與該電容的該第一端點的連接，且該控制模組將該參考電壓連接到該電容的該第二端點，且此時該電容的該第一端點係產生該調整後供應電壓或是該調整後接地電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的電壓差量測電路，其中該準位轉換電路不包含任何連接到低於該接地電壓的電壓源。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電壓差量測電路，其中該準位轉換電路降低該供應電壓的準位並提升該接地電壓的準位，以分別產生該調整後供應電壓以及該調整後接地電壓，且該計算電路根據該供應電壓的準位降低量以及該接地電壓的準位提升量來調整該第一數位值以及該第二數位值的差異，以得到該供應電壓以及該接地電壓的該電壓差。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的電壓差量測電路，其中該準位轉換電路包含有： 一電容，包含一第一端點以及一第二端點； 一開關，耦接於該供應電壓或是該接地電壓以及該電容的該第一端點之間；以及 一控制模組，用以選擇性地將該接地電壓或是一第一參考電壓連接到該電容的該第二端點； 其中該準位轉換電路係在不同的時間點來降低該供應電壓的準位以及提升該接地電壓的準位，且該電容的該第一端點係用來產生該調整後供應電壓或是該調整後接地電壓。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電壓差量測電路，其中在一取樣階段時，該開關將該供應電壓連接至該電容的該第一端點，且該控制模組將一第二參考電壓連接到該電容的該第二端點；以及在一保持階段時，該開關阻斷該供應電壓與該電容的該第一端點的連接，且該控制模組將一第三參考電壓連接到該電容的該第二端點，且此時該電容的該第一端點係產生該調整後供應電壓。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的電壓差量測電路，其中在一取樣階段時，該開關將該接地電壓連接至該電容的該第一端點，且該控制模組將該接地電壓連接到該電容的該第二端點；以及在一保持階段時，該開關阻斷該接地電壓與該電容的該第一端點的連接，且該控制模組將該第一參考電壓連接到該電容的該第二端點，且此時該電容的該第一端點係產生該調整後接地電壓。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的電壓差量測電路，其中該準位轉換電路不包含任何連接到低於該接地電壓的電壓源。
  10. 一種電壓差量測方法，包含有： 使用一準位轉換電路來調整一供應電壓以及一接地電壓的準位以分別產生一調整後供應電壓以及一調整後接地電壓； 對該調整後供應電壓以及該調整後接地電壓進行類比數位轉換操作，以分別產生一第一數位值以及一第二數位值；以及 根據該第一數位值以及該第二數位值以計算出該供應電壓以及該接地電壓的一電壓差。
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