專利名稱：可預(yù)充電的穩(wěn)壓電路及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種用于芯片偏置的穩(wěn)壓電路(regulator)以及相關(guān)控制方法，特別指一種能以預(yù)充電電路先對(duì)穩(wěn)壓電容充電，防止穩(wěn)壓電路中電流傳導(dǎo)晶體管初始電流過大的穩(wěn)壓電路以及相關(guān)控制方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代化的信息社會(huì)中，各式各樣電子信息設(shè)備(小如手機(jī)、大至計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器)都是基于各種微控制器系統(tǒng)如何使微控制器系統(tǒng)能正常運(yùn)行，也就成了現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)最重要的研究重點(diǎn)之一。
一般來說，各種微控制器系統(tǒng)在硬件上都是以安裝于電路板(像是印刷電路板)上的一或多個(gè)芯片來具體實(shí)現(xiàn)的。為了提高芯片中半導(dǎo)體電路的集成度，減少功率消耗，增加運(yùn)算速度，芯片中用來執(zhí)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理的核心電路(core circuit)都會(huì)用較低的電壓來偏置，電子信號(hào)的電壓電平也較低。但要將核心電路中的數(shù)據(jù)輸出至芯片外的電路板，或是由電路板將數(shù)據(jù)輸入至芯片進(jìn)行處理時(shí)，通常要用電壓電平較高、功率較大的信號(hào)才有足夠的信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，所以芯片中會(huì)另外設(shè)置一輸出入電路(i/o buffer)，作為輸出入緩沖之用。由于核心電路所處理的電子數(shù)據(jù)、信號(hào)具有較低的電壓電平；要將這些數(shù)據(jù)、信號(hào)傳輸至外界(像是電路板)時(shí)，就要通過輸出入電路將這些數(shù)據(jù)、信號(hào)的電壓電平、功率提高后再輸出。同理，要由外界傳輸至核心電路14的待處理數(shù)據(jù)、信號(hào)也會(huì)由輸出入電路將其信號(hào)電平降低，以符合核心電路較低的偏壓，方便核心電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。要提供核心電路及輸出入電路不同的偏壓，通常就會(huì)以一穩(wěn)壓電路根據(jù)較高的直流電壓來產(chǎn)生一較低的穩(wěn)壓電壓，并分別以該直流電壓及該穩(wěn)壓電壓來偏置輸出入電路及核心電路。在公知技術(shù)中，穩(wěn)壓電路是由一齊納二極管(Zener Diode)來實(shí)現(xiàn)，此二極管一端反向偏置于直流電壓，另一端就能輸出大小為該直流電壓及該二極管兩端之間電壓之差的穩(wěn)壓電壓。
然而，這樣的公知穩(wěn)壓電路并不能穩(wěn)定地維持準(zhǔn)確的穩(wěn)壓電壓，其輸出的穩(wěn)壓電壓也不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種能以反饋控制方式提供準(zhǔn)確、穩(wěn)定的穩(wěn)壓電壓的穩(wěn)壓電路，以克服公知技術(shù)的缺點(diǎn)。
在本發(fā)明的原型穩(wěn)壓電路中，是以一運(yùn)算放大器檢測電容模塊建立的穩(wěn)壓電壓的大小以反饋控制一充電電路中的雙極結(jié)型晶體管來對(duì)電容模塊充電，以建立、維持穩(wěn)壓電壓。但在開始運(yùn)行之初，由于穩(wěn)壓電壓極低，運(yùn)算放大器反饋控制的結(jié)果可能會(huì)過度驅(qū)動(dòng)充電電路，使充電電路導(dǎo)通大量的電流，導(dǎo)致雙極結(jié)型晶體管容易燒毀。
因此，本發(fā)明易提出一改良后的穩(wěn)壓電路，是在充電電路開始對(duì)電容模塊充電之前先以一預(yù)充電電路先對(duì)電容模塊充電，以便在電容模塊中建立一略低于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)壓電壓的電壓，此時(shí)運(yùn)算放大器及充電模塊也暫時(shí)先不啟動(dòng)。等到穩(wěn)壓電壓上升至某一預(yù)設(shè)值，再啟用(enable)運(yùn)算放大器及充電電路(同時(shí)也使預(yù)充電電路停止運(yùn)行)，由運(yùn)算放大器的反饋控制以控制充電電路在后續(xù)過程中建立、維持穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)壓電壓。由于運(yùn)算放大器開始運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)壓電壓已經(jīng)上升至預(yù)設(shè)值，運(yùn)算放大器就能將雙極結(jié)型晶體管導(dǎo)通的電流維持于安全運(yùn)行的范圍內(nèi)，不會(huì)過度驅(qū)動(dòng)充電電路中的雙極結(jié)型晶體管。如此一來，就可避免原型穩(wěn)壓電路中的缺點(diǎn)，并提供芯片正確、穩(wěn)定的偏壓。


圖1為一原型穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)于一芯片及一電路板間的功能方塊示意圖。
圖2為本發(fā)明穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)于一芯片及一電路板間的功能方塊示意圖。
圖3為圖2中運(yùn)算放大器一實(shí)施例的電路示意圖。
圖4為圖2中控制電路一實(shí)施例的電路示意圖。
圖5為圖2中穩(wěn)壓電路運(yùn)行時(shí)相關(guān)電壓隨時(shí)間變化的時(shí)序示意圖。
附圖符號(hào)說明10、30芯片 12、32電路板14、34核心電路 16、36輸出入電路18、38穩(wěn)壓電路 20、40運(yùn)算放大器22、42參考電壓發(fā)生器24、46電容模塊
48控制電路50支援電路52反相器 54或非門56內(nèi)部預(yù)充電電路 t0-t1、tp時(shí)間點(diǎn)Ic0-Ic1、Ic、Ipc、Ir電流Vreg0、Vreg、Vop、Vopb、Vs0、Vs電壓Vbg0、Vbg參考電壓 Op0、Op輸出端Vp25、V25穩(wěn)壓電壓 Vcc、Vss直流偏壓Vd0、Vd驅(qū)動(dòng)電壓 Cp1、C1電容Np1-Np2、N0-N10節(jié)點(diǎn) Rp0-Rp1、R0-R1電阻Inn、Inp輸入端虛線曲線Vc2pV25m、V25s、V25mp電壓電平Qp1-Qp2、Q1-Q3、T1-T14、S1-S7、M1-M11晶體管具體實(shí)施方式
請(qǐng)參考圖1。圖1示意的即為一微控制器系統(tǒng)中，一芯片10配合一電路板12運(yùn)行的功能方塊圖。舉例來說，電路板12可以是一主機(jī)板，芯片10則可以是設(shè)于主機(jī)板上的芯片(像是南北橋芯片)；或者電路板12也可以是一附插卡(add-on card，像是網(wǎng)絡(luò)卡)上的印刷電路板，芯片10就是用來控制該附插卡的功能。如前所述，芯片10中即設(shè)有一核心電路14及一輸出入電路16。核心電路14主要用來執(zhí)行數(shù)據(jù)運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理。核心電路14處理完后要輸出至電路板12的數(shù)據(jù)，或是經(jīng)由電路板12要傳入至核心電路14的待處理數(shù)據(jù)，則都要經(jīng)由輸出入電路16，進(jìn)行數(shù)據(jù)的緩沖及信號(hào)的轉(zhuǎn)換。就像前面提到的，核心電路14會(huì)偏置于較低的電壓，所處理的電子數(shù)據(jù)、信號(hào)也具有較低的電壓電平；要將這些數(shù)據(jù)、信號(hào)傳輸至電路板12時(shí)，就要通過輸出入電路16將這些數(shù)據(jù)、信號(hào)的電壓電平、功率提高，以便于傳輸至電路板12上。同理，要由電路板12傳輸至核心電路14的待處理數(shù)據(jù)、信號(hào)也會(huì)由輸出入電路16將其信號(hào)電平降低，以符合核心電路14較低的偏壓，方便核心電路14進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
由于輸出入電路16和電路板12在電路設(shè)計(jì)上能直接交換數(shù)據(jù)，輸出入電路16和電路板12通常偏置于相同的電壓；圖1中的直流電壓Vcc、Vss(直流電壓Vss可看做是地端的電壓)即用來偏置電路板12以及芯片10中的輸出入電路16。不過，如前所述，核心電路14會(huì)偏置較低的直流電壓，因此，芯片10就要配合電路板12組合出一個(gè)穩(wěn)壓電路18，以產(chǎn)生出一穩(wěn)壓電壓Vp25來偏置核心電路14。以典型的例子來說，電路板12能向芯片10提供3.3伏(volt)的直流偏壓(也就是直流電壓Vcc為3.3伏)，而核心電路14則會(huì)被偏置于較低的2.5伏；在這種配置下，穩(wěn)壓電路18就要利用3.3伏的直流電壓Vcc，產(chǎn)生出2.5伏的穩(wěn)壓電壓V25，提供核心電路14運(yùn)行時(shí)的電力需求。
如圖1所示，在穩(wěn)壓電路18中，會(huì)利用到電路板12上一用以提供電流及壓降的雙極結(jié)型晶體管Qp1做為一充電電路，并具有一高電容值電容Cp1做為一電容模塊24。配合電路板12上的晶體管Qp1、電容模塊24，芯片10中則設(shè)有一運(yùn)算放大器20、一參考電壓發(fā)生器(bandgap circuit)22以及用來分壓的兩個(gè)電阻Rp0、Rp1。穩(wěn)壓電路18偏置于直流電壓Vcc、Vss之間；其中參考電壓發(fā)生器22用來產(chǎn)生一參考電壓Vbg0；運(yùn)算放大器20則具有兩個(gè)差動(dòng)輸入端(圖1中分別標(biāo)示為“+”、“-”)，分別電連接到節(jié)點(diǎn)Np1以及參考電壓發(fā)生器22的參考電壓輸出；輸出端Op0則電連接到晶體管Qp1的基極(base)，并以一驅(qū)動(dòng)電壓Vd0做為一驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制晶體管Qp1的基極偏壓。在實(shí)際實(shí)施時(shí)，舉例而言，芯片10上可設(shè)有一引腳(pin)，以使輸出端Op0可連出至電路板12上的晶體管Qp1。晶體管Qp1的射極(emitter)偏置于直流電壓Vcc，集電極(collector)則于節(jié)點(diǎn)Np0電連接到電容模塊24。電容模塊24中設(shè)有一高電容值的電容Cp1，用來穩(wěn)壓，并可旁路(bypass)交流波動(dòng)的干擾；當(dāng)電容Cp1被充電至穩(wěn)態(tài)后，就能在節(jié)點(diǎn)Np0建立起穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)壓電壓Vp25。而電容模塊24在節(jié)點(diǎn)Np0的穩(wěn)壓電壓Vp25即可經(jīng)由芯片10的另一對(duì)應(yīng)引腳回傳至芯片10中。此穩(wěn)壓電壓Vp25一方面會(huì)提供至核心電路14作為偏置的電壓，一方面也會(huì)經(jīng)由電阻Rp0、Rp1的分壓而在節(jié)點(diǎn)Np1建立一電壓Vs0。運(yùn)算放大器20比較參考電壓Vbg0、電壓Vs0后，就能反饋控制對(duì)晶體管Qp1的驅(qū)動(dòng)電壓Vd0。
穩(wěn)壓電路18運(yùn)行的情形可描述如下當(dāng)電路板12要使芯片10開始運(yùn)行時(shí)，會(huì)開始提供高電平的直流電壓Vcc至穩(wěn)壓電路18，使穩(wěn)壓電路18開始運(yùn)行。此時(shí)參考電壓發(fā)生器22及運(yùn)算放大器20也會(huì)開始運(yùn)行，由運(yùn)算放大器20開始比較節(jié)點(diǎn)Np1的電壓Vs0與參考電壓發(fā)生器20產(chǎn)生的參考電壓Vbg0。由于穩(wěn)壓電路18開始運(yùn)行前，節(jié)點(diǎn)Np0維持為低電平(直流電壓Vss的電平)，連帶地電壓Vs0也維持于低電平；因此當(dāng)運(yùn)算放大器20剛開始運(yùn)行時(shí)，運(yùn)算放大器20會(huì)因?yàn)殡妷篤s0遠(yuǎn)小于參考電壓Vbg0而使其輸出端Op0的驅(qū)動(dòng)電壓Vd0也會(huì)是低電平的電壓。此時(shí)，晶體管Qp1射極、基極間的電壓也就幾乎相當(dāng)于直流電壓Vcc、Vss間的電壓差，并使得晶體管Qp1導(dǎo)通大量的電流Ic0作為充電電流，向電容模塊24中的高電容值電容Cp1、Cp2充電。隨著充電過程的進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)Np0的電壓會(huì)逐漸上升，節(jié)點(diǎn)Np1的電壓Vs0也會(huì)逐漸上升；而運(yùn)算放大器20也就會(huì)隨之升高其輸出端Op0的驅(qū)動(dòng)電壓Vd0。驅(qū)動(dòng)電壓Vd0的上升會(huì)降低晶體管Qp1射極、基極間的電壓，減少其導(dǎo)通程度，使電流Ic0的電流大小也漸漸減少。經(jīng)由對(duì)電壓Vs0的檢測反饋，運(yùn)算放大器20會(huì)控制驅(qū)動(dòng)電壓Vd0的大小，使得節(jié)點(diǎn)Np0的電壓Vp25逐漸趨于穩(wěn)態(tài)的定值。到了穩(wěn)態(tài)時(shí)，運(yùn)算放大器20會(huì)維持電壓Vs0與參考電壓Vbg0相等；換句話說，電壓Vp25也就等于電壓(1+Rp0+Rp1)Vbg0。此穩(wěn)態(tài)的電壓Vp25就能作為核心電路14的直流偏壓，而核心電路14運(yùn)行時(shí)所需的電流Ic1，也就由晶體管Qc1調(diào)節(jié)提供。當(dāng)電壓Vp25的電壓大小偶有改變時(shí)，運(yùn)算放大器20就會(huì)對(duì)應(yīng)地控制驅(qū)動(dòng)電壓Vd0來進(jìn)行動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償。舉例來說，若核心電路14因運(yùn)算量增加而加大電流需求，此時(shí)電容Cp2會(huì)防止節(jié)點(diǎn)Np0的電壓Vp25突然間快速地下降，而略降的電壓Vp25會(huì)使電壓Vs0連帶地下降，也使驅(qū)動(dòng)電壓Vd0下降，并使晶體管Qp1射極、基極間的電壓微升，增加晶體管Qp1導(dǎo)通的電流Ic0，以響應(yīng)核心電路14增大的電力需求。
不過，圖1中的原型穩(wěn)壓電路18雖能產(chǎn)生出穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)壓電壓Vp25來偏置核心電路14，但此技術(shù)有可能有一潛在缺點(diǎn)，就是穩(wěn)壓電路18會(huì)在一開始運(yùn)行的初期于晶體管Qp1導(dǎo)通較大的電流，容易導(dǎo)致晶體管Qp1被燒毀。如前所述，當(dāng)穩(wěn)壓電路18剛開始運(yùn)行時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)Np0的電壓為低電平，連帶地運(yùn)算放大器20于輸出端Op0的驅(qū)動(dòng)電壓Vd0也接近低電平；這樣一來晶體管Qp1射極、基極間的電壓就幾乎等于直流電壓Vcc、Vss間的電壓差。以前述的典型例子來說，直流電壓Vcc、Vss間的電壓差會(huì)有3.3伏；而在一般的情形下，晶體管Qp1射極、基極間的電壓只要有0.7至0.8伏，就能導(dǎo)通相當(dāng)?shù)碾娏?。相較之下，可知穩(wěn)態(tài)電路18在運(yùn)行之初導(dǎo)通的電流實(shí)已大幅超越晶體管Qp1在正常工作情形下所需導(dǎo)通的電流。而這么大的電流，可能會(huì)易在穩(wěn)壓電路18運(yùn)行之初就將晶體管Qp1燒毀。
因此，本發(fā)明還提出一改良的穩(wěn)壓電路。請(qǐng)參考圖2。圖2為本發(fā)明的穩(wěn)壓電路38建構(gòu)于一芯片30及一電路板32間的功能方塊示意圖?；诂F(xiàn)代微控制器的配置，芯片30中也設(shè)有核心電路34及輸出入電路36；核心電路34運(yùn)行于較低的穩(wěn)壓電壓V25，輸出入電路36和電路板32一樣使用較高的直流電壓Vcc來偏置；直流偏壓Vss則可視為地端(ground)的零電壓基準(zhǔn)。為了要產(chǎn)生核心電路34所使用的穩(wěn)壓電壓V25，本發(fā)明也在芯片30與電路板32之間設(shè)置有一穩(wěn)壓電路38，以根據(jù)電路板32提供的直流偏壓Vcc建立穩(wěn)壓電壓V25。本發(fā)明的穩(wěn)壓電路38偏置于直流電壓Vcc、Vss之間(舉例來說，直流電壓Vcd可以是3.3伏的電壓，對(duì)應(yīng)的直流電壓Vss則是0伏的電壓基準(zhǔn))，其包括了設(shè)置于芯片30中的參考電壓發(fā)生器42、運(yùn)算放大器40、控制電路48、作為預(yù)充電電路的n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Q3與用來分壓的電阻R0、R1；配合上述電路，電路板32上也包含用以提供電流及適當(dāng)壓降的雙極結(jié)型晶體管Q1及一電容模塊46。參考電壓發(fā)生器42用來產(chǎn)生一參考電壓Vbg。運(yùn)算放大器40則設(shè)有兩差動(dòng)的正負(fù)輸入端Inp、Inn及一輸出端Op；其中輸入端Inn即用來接受參考電壓Vbg，輸入端Inp則電連接到節(jié)點(diǎn)N1。當(dāng)運(yùn)算放大器40運(yùn)行時(shí)，即可根據(jù)兩輸入端Inp、Inn的電壓差于輸出端Op輸出一對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓Vd做為一驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
晶體管Q1的基極受運(yùn)算放大器40輸出端Op輸出的驅(qū)動(dòng)電壓Vd控制；在實(shí)際實(shí)施時(shí)，舉例來說，芯片30上可設(shè)置一引腳以使輸出端Op能向外電連接到晶體管Q1的基極。而晶體管Q1的一射極則偏置于直流電壓Vcc，集電極則電連接到節(jié)點(diǎn)N0；根據(jù)驅(qū)動(dòng)電壓Vd的控制，晶體管Q1可提供一充電電流Ic注入節(jié)點(diǎn)N0。電容模塊46中設(shè)有高電容值的電容C1，用來穩(wěn)壓，并可旁路不必要的交流干擾，使節(jié)點(diǎn)N0的電壓容易維持于一穩(wěn)定值；利用電容模塊46當(dāng)作負(fù)載，穩(wěn)壓電路38即可在節(jié)點(diǎn)N0建立穩(wěn)壓電壓V25。節(jié)點(diǎn)N0可通過芯片38上的另一引腳電連接到芯片30中的節(jié)點(diǎn)N3，將節(jié)點(diǎn)N0的穩(wěn)壓電壓V25回傳至核心電路34，以偏置核心電路34；同時(shí)電阻R0、R1也會(huì)根據(jù)穩(wěn)壓電壓V25在節(jié)點(diǎn)N1分壓出一個(gè)電壓Vs(使電壓Vs等于R1/(R0+R1)V25)，并將電壓Vs傳輸至運(yùn)算放大器40的輸入端Inp。
在本發(fā)明中，控制電路48產(chǎn)生電壓信號(hào)Vpc、Vop及Vopb作為控制信號(hào)；晶體管Q2則用來做為一預(yù)充電電路，其漏極偏置于直流電壓Vcc，本體(body)偏置于直流電壓Vss，柵極受控于控制電路48產(chǎn)生的電壓Vpc，源極則電連接到節(jié)點(diǎn)N3；上述電路結(jié)構(gòu)即可使晶體管Q3受控制電路48的控制而提供一預(yù)充電電流Ipc注入節(jié)點(diǎn)N3。而運(yùn)算放大器40另接受電壓Vop及Vopb的控制，選擇性地使運(yùn)算放大器40被禁止(disable)而停止運(yùn)行，或是啟用而開始運(yùn)行。在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，運(yùn)算放大器40被禁止而不運(yùn)行時(shí)，會(huì)固定地在其輸出端Op輸出一高電平的電壓(也就是直流電壓Vcc的電壓電平)，以關(guān)斷晶體管Q1。當(dāng)運(yùn)算放大器40啟用而開始運(yùn)行后，即可根據(jù)兩輸入端Inp、Inn的電壓差于輸出端Op輸出對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓Vd。
配合本發(fā)明中上述的配置，本發(fā)明穩(wěn)壓電路38運(yùn)行的原理可描述如下。當(dāng)電路板32要使芯片30開始運(yùn)行時(shí)，會(huì)開始對(duì)芯片30及穩(wěn)壓電路38提供直流電壓Vcc。此時(shí)控制電路48會(huì)先以電壓Vop、Vopb控制運(yùn)算放大器40被禁止而不運(yùn)行；如前所述，運(yùn)算放大器40在被禁止時(shí)會(huì)在輸出端Op輸出一高電平的驅(qū)動(dòng)電壓Vd，連帶地使晶體管Q1因射極、基極間電壓實(shí)質(zhì)為零而不導(dǎo)通電流。在運(yùn)算放大器40受控被禁止的同時(shí)，控制電路48也會(huì)以高電平的電壓Vpc控制晶體管Q3導(dǎo)通。以提供預(yù)充電電流Ipc，經(jīng)由節(jié)點(diǎn)N3、N0向電容模塊46充電。換句話說，在此時(shí)晶體管Q1并不導(dǎo)通，而是由晶體管Q導(dǎo)通預(yù)充電電流Ipc，來向電容模塊46充電。隨著晶體管Q3持續(xù)向電容模塊46充電，節(jié)點(diǎn)N0的穩(wěn)壓電壓V25也會(huì)由初始時(shí)的低電平(直流電壓Vss的電平)開始上升。同時(shí)控制電路48也會(huì)持續(xù)估計(jì)穩(wěn)壓電壓V25上升的幅度，直到控制電路48估計(jì)穩(wěn)壓電壓V25已經(jīng)升高至某一預(yù)設(shè)值；在較佳實(shí)施例中，其可為一略低于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)壓電壓V25的電壓值。等到控制電路48估計(jì)穩(wěn)壓電壓V25已經(jīng)升高至該預(yù)設(shè)值，控制電路48就會(huì)改變各信號(hào)Vop、Vopb及Vpc的電壓大小，以將運(yùn)算放大器40啟用而開始運(yùn)行，晶體管Q3則關(guān)斷不導(dǎo)通而停止提供預(yù)充電電流Ipc。運(yùn)算放大器40開始運(yùn)行后，就會(huì)根據(jù)電壓Vs與參考電壓Vbg的電壓差來產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓Vd，以控制晶體管Q1開始導(dǎo)通充電電流Ic向電容模塊46充電，最終運(yùn)算放大器40會(huì)動(dòng)態(tài)地維持一穩(wěn)壓的穩(wěn)壓電壓V25，使穩(wěn)壓電壓V25的穩(wěn)態(tài)電壓大小維持于電壓(1+R0/R1)Vbg。
由上述描述可知，本發(fā)明穩(wěn)壓電路38在開始運(yùn)行之初而穩(wěn)壓電壓V25(及電壓Vs)為零時(shí)，不會(huì)啟動(dòng)運(yùn)算放大器40、晶體管Q1間的反饋控制，使運(yùn)算放大器40也不會(huì)因?yàn)殡妷篤s及參考電壓Vbg間較大的電壓差而過度驅(qū)動(dòng)晶體管Q1。在使運(yùn)算放大器40被禁止的同時(shí)，本發(fā)明則是以晶體管Q3做為一預(yù)充電電路，提供預(yù)充電電流Ipc至電容模塊46以對(duì)電容C1、C2充電，使節(jié)點(diǎn)N0的穩(wěn)壓電壓V25逐漸由低準(zhǔn)上升。等到穩(wěn)壓電壓V25上升到預(yù)設(shè)值后，控制電路48就會(huì)以信號(hào)Vpc控制晶體管Q3不導(dǎo)通而停止提供預(yù)充電電流Ipc，同時(shí)也利用信號(hào)Vop、Vopb將運(yùn)算放大器40啟用，讓運(yùn)算放大器40、晶體管Q1間的反饋控制開始運(yùn)行，接手穩(wěn)壓電壓V25的建立與穩(wěn)態(tài)穩(wěn)壓電壓V25的維持。也就是說，當(dāng)運(yùn)算放大器40開始運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)壓電壓V25已不再是低電平的電壓，電壓Vs與參考電壓Vbg間的電壓差已經(jīng)拉近，這也使得運(yùn)算放大器40輸出的驅(qū)動(dòng)電壓Vd會(huì)高于低電平的電壓。這樣一來，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓Vd控制晶體管Q1開始導(dǎo)通時(shí)，射極、基極間的初始電壓過小的缺點(diǎn)便獲得改善，晶體管Q1也就不會(huì)被過度驅(qū)動(dòng)而導(dǎo)通過大的電流了。
圖3為本發(fā)明中運(yùn)算放大器40一具體實(shí)施例的電路示意圖，圖4則是本發(fā)明中控制電路48一具體實(shí)施例的電路示意圖。如圖3所示，本發(fā)明運(yùn)算放大器40偏置于直流電壓Vcc、Vss之間，是以n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管T1、T2、T5至T8、T12、T14以及p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管T3、T4、T9至T11及T13形成運(yùn)算放大器的主要基本結(jié)構(gòu)；n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管S1至S3、S7及p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管S4至S5則做為開關(guān)晶體管，以配合本發(fā)明中運(yùn)算放大器40能受控被禁止、啟用的需要。各n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的本體以直流電壓Vss偏置，各p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的本體則以直流電壓Vcc偏置。晶體管T1、T2形成一差動(dòng)對(duì)，分別以晶體管T1、T2的柵極作為運(yùn)算放大器40的輸入端Inp、Inn。與差動(dòng)對(duì)電連接到節(jié)點(diǎn)N5的晶體管T5做為一偏置的電流源，其柵極并與晶體管T6、T7、T14的柵極共同電連接到節(jié)點(diǎn)N6，形成一電流鏡。支援電路50可產(chǎn)生一電流Ir作為參考電流，通過上述的電流鏡控制差動(dòng)對(duì)于節(jié)點(diǎn)N5偏置電流的大小。晶體管T3、T4作為差動(dòng)對(duì)的主動(dòng)負(fù)載，其柵極并與晶體管T9、T11的柵極共同電連，形成另一電流鏡?？偫▉碚f，晶體管T1至T5形成運(yùn)算放大器40的差動(dòng)輸入級(jí)，其初步放大的信號(hào)會(huì)由晶體管T6至T11做次級(jí)的放大，晶體管T13、T12做為運(yùn)算放大器40的AB類(class AB)輸出級(jí)，并以節(jié)點(diǎn)N8作為輸出端Op。
與形成放大器主體結(jié)構(gòu)的晶體管T1至T14比較，晶體管S1至S7則作為開關(guān)，分別控制晶體管T1至T14柵極的偏壓，以進(jìn)一步控制運(yùn)算放大器40啟用或被禁止。其中晶體管S1、S2、S7的柵極受控制電路48的信號(hào)Vop控制(請(qǐng)同時(shí)參考圖2)，晶體管S3至S5的柵極則受控制電路48的信號(hào)Vopb控制。運(yùn)算放大器40受信號(hào)Vop、Vopb控制而被禁止、啟用的運(yùn)行情形可說明如下。當(dāng)控制電路48要使運(yùn)算放大器40被禁止時(shí)，可使信號(hào)Vop為高電平，信號(hào)Vopb為低電平；此時(shí)晶體管S1至S7全部導(dǎo)通。導(dǎo)通的晶體管S1、S3會(huì)將節(jié)點(diǎn)N6的電壓拉低至低電平的直流電壓Vss，使晶體管T5至T7、T14皆不導(dǎo)通，支援電路50產(chǎn)生的電流Ir也會(huì)流至導(dǎo)通的晶體管S3，不會(huì)流入晶體管T14。同理，導(dǎo)通的晶體管S2及S7會(huì)分別將晶體管T8及T12的柵極電壓拉低至低電平，將這兩個(gè)晶體管關(guān)斷；晶體管T10則導(dǎo)通。導(dǎo)通的晶體管S4、S5則將晶體管T3、T4、T9、T11的柵極拉高至高電平的直流電壓Vcc，使這四個(gè)晶體管關(guān)斷而不導(dǎo)通。導(dǎo)通的晶體管T10配合上不導(dǎo)通的晶體管T11，會(huì)使晶體管T13的柵極電壓被拉至低電平，使得晶體管T13導(dǎo)通，并將輸出端Op的電壓(也就是驅(qū)動(dòng)電壓Vd，見圖2)拉高至高電平的直流電壓Vcc。當(dāng)本發(fā)明的穩(wěn)壓電路38開始運(yùn)行之初，運(yùn)算放大器40會(huì)先被禁止，其輸出端Op的高電平驅(qū)動(dòng)電壓Vd電壓就能使晶體管Q1射極、基極間電壓極小，讓晶體管Q1也不導(dǎo)通。
相對(duì)地，當(dāng)控制電路48要控制運(yùn)算放大器40啟用時(shí)，可將電壓Vop升為高電平，電壓Vopb為低電平，此時(shí)各晶體管S1至S7都會(huì)關(guān)斷而不導(dǎo)通，不再影響晶體管T1至T14的柵極偏壓，而晶體管T1至T14就能聯(lián)合起來執(zhí)行運(yùn)算放大器40的正常功能，根據(jù)兩差動(dòng)輸入端Inp、Inn間的電壓差以于輸出端Op輸出對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓Vd。
如圖4所示，本發(fā)明中的控制電路48設(shè)有n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管M1至M3、M5、M6、M9至M11，p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管M4、M7及M8，以及偏置于直流電壓Vcc、Vss間的反相器52、或非門54。各p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的本體偏置于直流電壓Vcc，各n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的本體則偏置于直流電壓Vss。晶體管M1、M2及M3的柵極均電連接到直流電壓Vcc，形成一內(nèi)部預(yù)充電電路56，與晶體管M6的柵極電連接到節(jié)點(diǎn)N9；晶體管M6的漏極、源極均共同偏置于直流電壓Vss，形成一電容，以做為一第二電容模塊。內(nèi)部預(yù)充電電路56可對(duì)晶體管M6形成的電容充電，以在節(jié)點(diǎn)N9建立一電壓Vc2。晶體管M7、M9、M10連接為一反相器型態(tài)的電路，以柵極接收電壓Vc2做為輸入的電壓，并在節(jié)點(diǎn)N10輸出控制電路48要用來控制晶體管Q3的電壓Vpc(請(qǐng)同時(shí)參考圖2)。經(jīng)由或非門54、兩個(gè)反相器52，控制電路48就能利用電壓Vpc產(chǎn)生出另外兩個(gè)控制信號(hào)Vop及Vopb，以控制運(yùn)算放大器40啟用或被禁止。
圖5為本發(fā)明穩(wěn)壓電路38運(yùn)行時(shí)各相關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓變化的波形時(shí)序圖；各波形的橫軸為時(shí)間，縱軸為電壓的大小；圖5中由上至下的實(shí)線曲線分別用來代表穩(wěn)壓電壓V25、電壓Vreg、控制電路48內(nèi)部電壓Vc2(示于圖4)以及控制電路48用來控制晶體管Q3、運(yùn)算放大器40的信號(hào)Vpc、Vop及Vopb。以下將利用圖5來進(jìn)一步討論控制電路48(如圖4)乃至于整個(gè)穩(wěn)壓電路38(如圖2)運(yùn)行的情形。如圖5所示，假設(shè)在時(shí)間點(diǎn)t0電路板32要使芯片30開始運(yùn)行；就如前面討論過的，此時(shí)電路板32開始對(duì)穩(wěn)壓電路38提供直流電壓Vcc。在時(shí)間點(diǎn)t0時(shí)，低電平的電壓Vreg使得控制電路48中的晶體管M4、M8導(dǎo)通(請(qǐng)參考圖4)，晶體管M5、M11則關(guān)斷而在漏極、源極間形同開路(open)；同時(shí)內(nèi)部預(yù)充電電路56也會(huì)因直流電壓Vcc的偏置而開始導(dǎo)通一電流Ipc2做為一第二預(yù)充電電流，由節(jié)點(diǎn)N9注入至晶體管M6的柵極，相對(duì)于晶體管M6形成的電容充電，并使節(jié)點(diǎn)N9的電壓Vc2由低電平開始上升。不過，在時(shí)間點(diǎn)t0時(shí)，節(jié)點(diǎn)N9的電壓應(yīng)該還是低電平的電壓，此低電平的電壓會(huì)使晶體管M7導(dǎo)通，晶體管M9、M10關(guān)斷，而使節(jié)點(diǎn)N10的電壓Vpc被拉至高電平，連帶地電壓Vop也是高電平(也就是直流電壓Vcc的電壓電平，如圖5中所標(biāo)示的)，而控制電路48中的反相器52則使信號(hào)Vopb為低電平(直流電壓Vss的電壓電平，如圖5中所標(biāo)示)。如前所述，高電平的電壓Vpc會(huì)導(dǎo)通晶體管Q3(請(qǐng)參考圖2)，使晶體管Q3開始導(dǎo)通預(yù)充電電流Ipc，對(duì)電容模塊46開始充電，并使電壓V25開始上升。同時(shí)，信號(hào)Vop為高電平、信號(hào)Vopb為低電平則會(huì)使運(yùn)算放大器40被禁止而停止運(yùn)行，并于輸出端Op輸出高電平的驅(qū)動(dòng)電壓Vd，使晶體管Q1也關(guān)斷而不導(dǎo)通(請(qǐng)參考圖2、圖3及相關(guān)說明)。
就如圖5所示，在時(shí)間點(diǎn)t0之后，隨著內(nèi)部預(yù)充電電路56對(duì)晶體管M6的充電，節(jié)點(diǎn)N9的電壓Vc2也會(huì)由低電平逐漸升高，最后在時(shí)間點(diǎn)t1升高到使晶體管M7由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)斷。也使晶體管M9、M10由原來的關(guān)斷轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通，將節(jié)點(diǎn)N10的電壓Vpc由時(shí)間點(diǎn)t0以來的高電平拉低至低電平，連帶地電壓Vop也由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，電壓Vopb也同時(shí)在時(shí)間點(diǎn)t1由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?。此外，在時(shí)間點(diǎn)t0至t1之間，除了控制電路48中的內(nèi)部預(yù)充電電路56(見圖4)在對(duì)晶體管M6形成的電容充電之外，穩(wěn)壓電路38(見圖2)中作為預(yù)充電電路的晶體管Q3同時(shí)也在對(duì)電容模塊46中的電容C1、C2充電，使節(jié)點(diǎn)N0的穩(wěn)壓電壓V25也由時(shí)間點(diǎn)t0的低電平電壓開始上升；到了時(shí)間點(diǎn)t1，穩(wěn)壓電壓V25也升至一電壓電平V25m。由于在時(shí)間點(diǎn)t1時(shí)電壓Vpc、Vop及Vopb的改變，晶體管Q3關(guān)斷而不再導(dǎo)通預(yù)充電電流Ipc，而運(yùn)算放大器40在時(shí)間點(diǎn)t1之后開始啟用，并開始反饋控制，以調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓Vd驅(qū)動(dòng)晶體管Q1接手對(duì)電容模塊46的充電，使得穩(wěn)壓電壓V25在時(shí)間點(diǎn)t1后繼續(xù)上升至穩(wěn)態(tài)的電壓電平V25s(見圖5)，并由運(yùn)算放大器40的反饋控制動(dòng)態(tài)地將穩(wěn)態(tài)電壓V25維持于此穩(wěn)態(tài)的電壓電平V25s；此穩(wěn)態(tài)電壓電平V25s也就等于電壓(1+R0/R1)Vbg；舉例來說，穩(wěn)態(tài)電壓電平為2.5伏，等到穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)壓電壓V25建立后，就能用來操作核心電路34了。
由以上描述可知，在時(shí)間點(diǎn)t0及t1之間，穩(wěn)態(tài)電壓V25是由預(yù)充電電路的晶體管Q3來建立的；等到時(shí)間點(diǎn)t1之后運(yùn)算放大器40、晶體管Q1開始運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)態(tài)電壓V25已經(jīng)上升到電壓電平V25m，不再是時(shí)間點(diǎn)t0時(shí)低電平的電壓了。當(dāng)運(yùn)算放大器40在時(shí)間點(diǎn)t1開始根據(jù)穩(wěn)態(tài)電壓V25的大小反饋控制對(duì)晶體管Q1的驅(qū)動(dòng)時(shí)，就不會(huì)用低電平的驅(qū)動(dòng)電壓Vd來過度驅(qū)動(dòng)晶體管Q1，而晶體管Q1也不會(huì)因?qū)ǖ碾娏鬟^大而燒毀。此外，由圖5可知，改變控制電路48中電壓Vc2建立的速度，就能控制運(yùn)算放大器40、晶體管Q1開始運(yùn)行的時(shí)機(jī)。舉例來說，若電壓Vc2的電壓上升曲線是如虛線曲線Vc2p所示，在時(shí)間點(diǎn)tp就升高至到使電壓Vpc、Vop由高電平降低至低電平，并使電壓Vopb由低電平升高至高電平，這樣一來穩(wěn)態(tài)電壓V25會(huì)在上升到電壓電平V25mp時(shí)就由運(yùn)算放大器40、晶體管Q1接手來繼續(xù)建立、維持穩(wěn)壓電壓V25。換句話說，要控制晶體管Q3、Q1在穩(wěn)壓電壓V25上升至某一預(yù)設(shè)值時(shí)交接運(yùn)行，可調(diào)整控制電路48中內(nèi)部預(yù)充電電路56對(duì)晶體管M6充電的速度，使得電壓Vc2上升到足以觸發(fā)電壓Vpc、Vop及Vopb轉(zhuǎn)變時(shí)，預(yù)充電電路的晶體管Q3剛好也將電容模塊46充電至該預(yù)設(shè)值的電壓。這樣也就能適當(dāng)?shù)匕才胚\(yùn)算放大器40在開始運(yùn)行后對(duì)晶體管Q1的驅(qū)動(dòng)電壓Vd的大小。而要調(diào)整內(nèi)部預(yù)充電電路56對(duì)晶體管M6充電的速度，可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整內(nèi)部預(yù)充電電路56導(dǎo)通電流的大小，以及晶體管M6的電容值。舉例來說，若預(yù)充電電路56導(dǎo)通的電流Ipc2為晶體管Q3的預(yù)充電電流Ipc的十分之一，而晶體管M6的等效電容值也是電容模塊46等效電容值的十分之一，則電壓Vpc2的上升速度(電壓值在單位時(shí)間內(nèi)增加的比率)和穩(wěn)壓電壓V25在晶體管Q3運(yùn)行時(shí)的上升速度就會(huì)相同；這樣一來就能利用電壓Vpc2的上升速度來估計(jì)穩(wěn)壓電壓V25的上升速度，并掌控晶體管Q3、Q1交接運(yùn)行的時(shí)機(jī)。
與公知技術(shù)比較，本發(fā)明是以反饋控制的方式來提供更準(zhǔn)確、穩(wěn)定的穩(wěn)壓電壓。雖然在原型技術(shù)中，由于原型的穩(wěn)壓電路在一開始運(yùn)行時(shí)其運(yùn)算放大器就會(huì)依照低電平的穩(wěn)態(tài)電壓來反饋控制對(duì)其雙極結(jié)型晶體管Qp1的驅(qū)動(dòng)，往往會(huì)在開始運(yùn)行之初過度驅(qū)動(dòng)晶體管Qp1，使晶體管Qp1燒毀，使穩(wěn)壓電路無法順利建立穩(wěn)壓電壓，芯片中的核心電路也就不能得到偏壓，也無法順利運(yùn)行。而本發(fā)明是以晶體管Q3作為預(yù)充電電路，在運(yùn)算放大器、雙極結(jié)型晶體管Q1開始運(yùn)行之前即先將穩(wěn)壓電壓提升至某一程度；等到運(yùn)算放大器開始運(yùn)行后，就不會(huì)過度驅(qū)動(dòng)晶體管Q1，防止晶體管Q1燒毀，并維持本發(fā)明穩(wěn)壓電路后續(xù)的正常運(yùn)行，確保芯片中的核心電路能得到正確、穩(wěn)定的偏壓。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的等效變化與修改，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種可預(yù)充電的穩(wěn)壓電路，用來提供一穩(wěn)壓電壓，該穩(wěn)壓電路包含有一電容模塊，利用接收一充電電流所提供的電荷而建立該穩(wěn)壓電壓；一預(yù)充電電路，電連接到該電容模塊，用以于一第一預(yù)定初始期間提供一預(yù)充電電流至該輸入端；以及一充電電路，電連接到該電容模塊，在一第二預(yù)定初始期間之后，該充電電路會(huì)產(chǎn)生該充電電流。
2.如權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓電路，其中該預(yù)充電電路提供的預(yù)充電電流會(huì)使該穩(wěn)壓電壓上升；當(dāng)該穩(wěn)壓電壓上升至一預(yù)設(shè)電壓時(shí)，該預(yù)充電電路會(huì)停止提供該預(yù)充電電流，而該充電電路會(huì)開始向該輸入端提供該充電電流。
3.如權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓電路，其中該充電電路會(huì)根據(jù)一驅(qū)動(dòng)信號(hào)改變?cè)摮潆婋娏鞯拇笮?；而該穩(wěn)壓電路另包含有一運(yùn)算放大器，用來根據(jù)該穩(wěn)壓電壓對(duì)應(yīng)地產(chǎn)生該驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的穩(wěn)壓電路，其中該運(yùn)算放大器是根據(jù)該穩(wěn)壓電壓與一參考電壓間的電壓差而對(duì)應(yīng)地產(chǎn)生該驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
5.如權(quán)利要求3所述的穩(wěn)壓電路，其中當(dāng)該穩(wěn)壓電壓上升時(shí)，該運(yùn)算放大器產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)使該充電電路減少該充電電流；而該預(yù)充電電路提供的預(yù)充電電流會(huì)在該充電電路開始提供該充電電流之前就使該穩(wěn)壓電壓上升。
6.如權(quán)利要求3所述的穩(wěn)壓電路，其另包含有一控制電路，用來控制該預(yù)充電電路及該運(yùn)算放大器；當(dāng)該穩(wěn)壓電路開始運(yùn)行時(shí)，該控制電路會(huì)先使該預(yù)充電電路開始提供該預(yù)充電電流，同時(shí)也使該運(yùn)算放大器被禁止而不產(chǎn)生該驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以使該充電電路不提供該充電電流。
7.如權(quán)利要求6所述的穩(wěn)壓電路，其中該預(yù)充電電路提供的預(yù)充電電流會(huì)使該穩(wěn)壓電壓上升；而該控制電路會(huì)估計(jì)該穩(wěn)壓電壓上升的幅度；當(dāng)該控制電路使該預(yù)充電電路開始提供該預(yù)充電電流并估計(jì)該穩(wěn)壓電壓已上升至一預(yù)設(shè)電壓后，該控制電路會(huì)使該預(yù)充電電路停止提供該預(yù)充電電流，同時(shí)也啟用該運(yùn)算放大器，使該運(yùn)算放大器開始根據(jù)該穩(wěn)壓電壓產(chǎn)生該驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并使該充電電路開始提供該充電電流。
8.一種用于一穩(wěn)壓電路的方法，用來控制該穩(wěn)壓電路提供一穩(wěn)壓電壓，其中該穩(wěn)壓電路包含有一電容模塊，其設(shè)有一輸入端，用來接收一電流；該電容模塊會(huì)儲(chǔ)存由該電流提供的電荷，并根據(jù)對(duì)應(yīng)地建立該穩(wěn)壓電壓；一充電電路，電連接到該輸入端，用來向該輸入端提供一對(duì)應(yīng)的充電電流；以及一預(yù)充電電路，電連接到該輸入端，用來提供一預(yù)充電電流至該輸入端；而該方法包含有在使該充電電路開始提供該充電電流前，先使該預(yù)充電電路開始提供該預(yù)充電電流。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中該預(yù)充電電路提供的預(yù)充電電流會(huì)使該穩(wěn)壓電壓上升；而該方法另包含有當(dāng)該穩(wěn)壓電壓上升至一預(yù)設(shè)電壓時(shí)，使該預(yù)充電電路停止提供該預(yù)充電電流，并使該充電電路開始向該輸入端提供該充電電流。
10.如權(quán)利要求8的方法，其中該充電電路會(huì)根據(jù)一驅(qū)動(dòng)信號(hào)改變?cè)摮潆婋娏鞯拇笮。欢摲€(wěn)壓電路另包含有一運(yùn)算放大器，用來根據(jù)該穩(wěn)壓電壓對(duì)應(yīng)地產(chǎn)生該驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種穩(wěn)壓電路及相關(guān)的控制方法，以提供一直流穩(wěn)壓電壓。該穩(wěn)壓電路中包括有用以提供充電電流的雙極結(jié)型晶體管、電容電路、一運(yùn)算放大器以及一參考電壓電路及一預(yù)充電電路。該電容電路可以穩(wěn)定輸出電壓，而該運(yùn)算放大器會(huì)根據(jù)該穩(wěn)壓電壓來控制該雙極結(jié)型晶體管的基極偏置，以得到一準(zhǔn)確的穩(wěn)壓電壓輸出。當(dāng)該穩(wěn)壓電路開始運(yùn)行時(shí)，該運(yùn)算放大器會(huì)先被禁止而使該雙極結(jié)型晶體管先不導(dǎo)通，而由一預(yù)充電電路先提供一預(yù)充電電流至該電容電路以先于該電容電路中建立一電壓，而后該運(yùn)算放大器才會(huì)啟用以控制該雙極結(jié)型晶體管開始向該電容電路提供充電的電流，并建立穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)壓電壓。
文檔編號(hào)G05F1/10GK1432884SQ0310687
公開日2003年7月30日 申請(qǐng)日期2003年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月6日
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