專利名稱：可預充電的穩(wěn)壓電路及相關方法
技術領域：
本發(fā)明提供一種用于芯片偏置的穩(wěn)壓電路(regulator)以及相關控制方法，特別指一種能以預充電電路先對穩(wěn)壓電容充電，防止穩(wěn)壓電路中電流傳導晶體管初始電流過大的穩(wěn)壓電路以及相關控制方法。
背景技術：
在現(xiàn)代化的信息社會中，各式各樣電子信息設備(小如手機、大至計算機、網(wǎng)絡服務器)都是基于各種微控制器系統(tǒng)如何使微控制器系統(tǒng)能正常運行，也就成了現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)最重要的研究重點之一。
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)上的一或多個芯片來具體實現(xiàn)的。為了提高芯片中半導體電路的集成度，減少功率消耗，增加運算速度，芯片中用來執(zhí)行數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)處理的核心電路(core circuit)都會用較低的電壓來偏置，電子信號的電壓電平也較低。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)輸入至芯片進行處理時，通常要用電壓電平較高、功率較大的信號才有足夠的信號驅(qū)動能力，所以芯片中會另外設置一輸出入電路(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)、信號具有較低的電壓電平；要將這些數(shù)據(jù)、信號傳輸至外界(像是電路板)時，就要通過輸出入電路將這些數(shù)據(jù)、信號的電壓電平、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)、信號也會由輸出入電路將其信號電平降低，以符合核心電路較低的偏壓，方便核心電路進行數(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。在公知技術中，穩(wěn)壓電路是由一齊納二極管(Zener Diode)來實現(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確、穩(wěn)定的穩(wěn)壓電壓的穩(wěn)壓電路，以克服公知技術的缺點。
在本發(fā)明的原型穩(wěn)壓電路中，是以一運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)型晶體管來對電容模塊充電，以建立、維持穩(wěn)壓電壓。但在開始運行之初，由于穩(wěn)壓電壓極低，運算放大器反饋控制的結(jié)果可能會過度驅(qū)動充電電路，使充電電路導通大量的電流，導致雙極結(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電容模塊充電之前先以一預充電電路先對電容模塊充電，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，此時運算放大器及充電模塊也暫時先不啟動。等到穩(wěn)壓電壓上升至某一預設值，再啟用(enable)運算放大器及充電電路(同時也使預充電電路停止運行)，由運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。由于運算放大器開始運行時，穩(wěn)壓電壓已經(jīng)上升至預設值，運算放大器就能將雙極結(jié)型晶體管導通的電流維持于安全運行的范圍內(nèi)，不會過度驅(qū)動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，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中運算放大器一實施例的電路示意圖。
圖4為圖2中控制電路一實施例的電路示意圖。
圖5為圖2中穩(wěn)壓電路運行時相關電壓隨時間變化的時序示意圖。
附圖符號說明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)部預充電電路 t0-t1、tp時間點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)動電壓 Cp1、C1電容Np1-Np2、N0-N10節(jié)點 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晶體管具體實施方式
請參考圖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運行的功能方塊圖。舉例來說，電路板12可以是一主機板，芯片10則可以是設于主機板上的芯片(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，進行數(shù)據(jù)的緩沖及信號的轉(zhuǎn)換。就像前面提到的，核心電路14會偏置于較低的電壓，所處理的電子數(shù)據(jù)、信號也具有較低的電壓電平；要將這些數(shù)據(jù)、信號傳輸至電路板12時，就要通過輸出入電路16將這些數(shù)據(jù)、信號的電壓電平、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)、信號也會由輸出入電路16將其信號電平降低，以符合核心電路14較低的偏壓，方便核心電路14進行數(shù)據(jù)處理。
由于輸出入電路16和電路板12在電路設計上能直接交換數(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運行時的電力需求。
如圖1所示，在穩(wěn)壓電路18中，會利用到電路板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中則設有一運算放大器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；運算放大器20則具有兩個差動輸入端(圖1中分別標示為“+”、“-”)，分別電連接到節(jié)點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)動電壓Vd0做為一驅(qū)動信號，控制晶體管Qp1的基極偏壓。在實際實施時，舉例而言，芯片10上可設有一引腳(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Np0電連接到電容模塊24。電容模塊24中設有一高電容值的電容Cp1，用來穩(wěn)壓，并可旁路(bypass)交流波動的干擾；當電容Cp1被充電至穩(wěn)態(tài)后，就能在節(jié)點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Np0的穩(wěn)壓電壓Vp25即可經(jīng)由芯片10的另一對應引腳回傳至芯片10中。此穩(wěn)壓電壓Vp25一方面會提供至核心電路14作為偏置的電壓，一方面也會經(jīng)由電阻Rp0、Rp1的分壓而在節(jié)點Np1建立一電壓Vs0。運算放大器20比較參考電壓Vbg0、電壓Vs0后，就能反饋控制對晶體管Qp1的驅(qū)動電壓Vd0。
穩(wěn)壓電路18運行的情形可描述如下當電路板12要使芯片10開始運行時，會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開始運行。此時參考電壓發(fā)生器22及運算放大器20也會開始運行，由運算放大器20開始比較節(jié)點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開始運行前，節(jié)點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；因此當運算放大器20剛開始運行時，運算放大器20會因為電壓Vs0遠小于參考電壓Vbg0而使其輸出端Op0的驅(qū)動電壓Vd0也會是低電平的電壓。此時，晶體管Qp1射極、基極間的電壓也就幾乎相當于直流電壓Vcc、Vss間的電壓差，并使得晶體管Qp1導通大量的電流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。隨著充電過程的進行，節(jié)點Np0的電壓會逐漸上升，節(jié)點Np1的電壓Vs0也會逐漸上升；而運算放大器20也就會隨之升高其輸出端Op0的驅(qū)動電壓Vd0。驅(qū)動電壓Vd0的上升會降低晶體管Qp1射極、基極間的電壓，減少其導通程度，使電流Ic0的電流大小也漸漸減少。經(jīng)由對電壓Vs0的檢測反饋，運算放大器20會控制驅(qū)動電壓Vd0的大小，使得節(jié)點Np0的電壓Vp25逐漸趨于穩(wěn)態(tài)的定值。到了穩(wěn)態(tài)時，運算放大器20會維持電壓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運行時所需的電流Ic1，也就由晶體管Qc1調(diào)節(jié)提供。當電壓Vp25的電壓大小偶有改變時，運算放大器20就會對應地控制驅(qū)動電壓Vd0來進行動態(tài)的補償。舉例來說，若核心電路14因運算量增加而加大電流需求，此時電容Cp2會防止節(jié)點Np0的電壓Vp25突然間快速地下降，而略降的電壓Vp25會使電壓Vs0連帶地下降，也使驅(qū)動電壓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導通的電流Ic0，以響應核心電路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，但此技術有可能有一潛在缺點，就是穩(wěn)壓電路18會在一開始運行的初期于晶體管Qp1導通較大的電流，容易導致晶體管Qp1被燒毀。如前所述，當穩(wěn)壓電路18剛開始運行時，由于節(jié)點Np0的電壓為低電平，連帶地運算放大器20于輸出端Op0的驅(qū)動電壓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，就能導通相當?shù)碾娏?。相較之下，可知穩(wěn)態(tài)電路18在運行之初導通的電流實已大幅超越晶體管Qp1在正常工作情形下所需導通的電流。而這么大的電流，可能會易在穩(wěn)壓電路18運行之初就將晶體管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中也設有核心電路34及輸出入電路36；核心電路34運行于較低的穩(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。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，對應的直流電壓Vss則是0伏的電壓基準)，其包括了設置于芯片30中的參考電壓發(fā)生器42、運算放大器40、控制電路48、作為預充電電路的n型金屬氧化物半導體晶體管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。運算放大器40則設有兩差動的正負輸入端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N1。當運算放大器40運行時，即可根據(jù)兩輸入端Inp、Inn的電壓差于輸出端Op輸出一對應驅(qū)動電壓Vd做為一驅(qū)動信號。
晶體管Q1的基極受運算放大器40輸出端Op輸出的驅(qū)動電壓Vd控制；在實際實施時，舉例來說，芯片30上可設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N0；根據(jù)驅(qū)動電壓Vd的控制，晶體管Q1可提供一充電電流Ic注入節(jié)點N0。電容模塊46中設有高電容值的電容C1，用來穩(wěn)壓，并可旁路不必要的交流干擾，使節(jié)點N0的電壓容易維持于一穩(wěn)定值；利用電容模塊46當作負載，穩(wěn)壓電路38即可在節(jié)點N0建立穩(wěn)壓電壓V25。節(jié)點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N3，將節(jié)點N0的穩(wěn)壓電壓V25回傳至核心電路34，以偏置核心電路34；同時電阻R0、R1也會根據(jù)穩(wěn)壓電壓V25在節(jié)點N1分壓出一個電壓Vs(使電壓Vs等于R1/(R0+R1)V25)，并將電壓Vs傳輸至運算放大器40的輸入端Inp。
在本發(fā)明中，控制電路48產(chǎn)生電壓信號Vpc、Vop及Vopb作為控制信號；晶體管Q2則用來做為一預充電電路，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的控制而提供一預充電電流Ipc注入節(jié)點N3。而運算放大器40另接受電壓Vop及Vopb的控制，選擇性地使運算放大器40被禁止(disable)而停止運行，或是啟用而開始運行。在本發(fā)明的較佳實施例中，運算放大器40被禁止而不運行時，會固定地在其輸出端Op輸出一高電平的電壓(也就是直流電壓Vcc的電壓電平)，以關斷晶體管Q1。當運算放大器40啟用而開始運行后，即可根據(jù)兩輸入端Inp、Inn的電壓差于輸出端Op輸出對應的驅(qū)動電壓Vd。
配合本發(fā)明中上述的配置，本發(fā)明穩(wěn)壓電路38運行的原理可描述如下。當電路板32要使芯片30開始運行時，會開始對芯片30及穩(wěn)壓電路38提供直流電壓Vcc。此時控制電路48會先以電壓Vop、Vopb控制運算放大器40被禁止而不運行；如前所述，運算放大器40在被禁止時會在輸出端Op輸出一高電平的驅(qū)動電壓Vd，連帶地使晶體管Q1因射極、基極間電壓實質(zhì)為零而不導通電流。在運算放大器40受控被禁止的同時，控制電路48也會以高電平的電壓Vpc控制晶體管Q3導通。以提供預充電電流Ipc，經(jīng)由節(jié)點N3、N0向電容模塊46充電。換句話說，在此時晶體管Q1并不導通，而是由晶體管Q導通預充電電流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N0的穩(wěn)壓電壓V25也會由初始時的低電平(直流電壓Vss的電平)開始上升。同時控制電路48也會持續(xù)估計穩(wěn)壓電壓V25上升的幅度，直到控制電路48估計穩(wěn)壓電壓V25已經(jīng)升高至某一預設值；在較佳實施例中，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估計穩(wěn)壓電壓V25已經(jīng)升高至該預設值，控制電路48就會改變各信號Vop、Vopb及Vpc的電壓大小，以將運算放大器40啟用而開始運行，晶體管Q3則關斷不導通而停止提供預充電電流Ipc。運算放大器40開始運行后，就會根據(jù)電壓Vs與參考電壓Vbg的電壓差來產(chǎn)生對應的驅(qū)動電壓Vd，以控制晶體管Q1開始導通充電電流Ic向電容模塊46充電，最終運算放大器40會動態(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在開始運行之初而穩(wěn)壓電壓V25(及電壓Vs)為零時，不會啟動運算放大器40、晶體管Q1間的反饋控制，使運算放大器40也不會因為電壓Vs及參考電壓Vbg間較大的電壓差而過度驅(qū)動晶體管Q1。在使運算放大器40被禁止的同時，本發(fā)明則是以晶體管Q3做為一預充電電路，提供預充電電流Ipc至電容模塊46以對電容C1、C2充電，使節(jié)點N0的穩(wěn)壓電壓V25逐漸由低準上升。等到穩(wěn)壓電壓V25上升到預設值后，控制電路48就會以信號Vpc控制晶體管Q3不導通而停止提供預充電電流Ipc，同時也利用信號Vop、Vopb將運算放大器40啟用，讓運算放大器40、晶體管Q1間的反饋控制開始運行，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，當運算放大器40開始運行時，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，這也使得運算放大器40輸出的驅(qū)動電壓Vd會高于低電平的電壓。這樣一來，當驅(qū)動電壓Vd控制晶體管Q1開始導通時，射極、基極間的初始電壓過小的缺點便獲得改善，晶體管Q1也就不會被過度驅(qū)動而導通過大的電流了。
圖3為本發(fā)明中運算放大器40一具體實施例的電路示意圖，圖4則是本發(fā)明中控制電路48一具體實施例的電路示意圖。如圖3所示，本發(fā)明運算放大器40偏置于直流電壓Vcc、Vss之間，是以n型金屬氧化物半導體晶體管T1、T2、T5至T8、T12、T14以及p型金屬氧化物半導體晶體管T3、T4、T9至T11及T13形成運算放大器的主要基本結(jié)構(gòu)；n型金屬氧化物半導體晶體管S1至S3、S7及p型金屬氧化物半導體晶體管S4至S5則做為開關晶體管，以配合本發(fā)明中運算放大器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形成一差動對，分別以晶體管T1、T2的柵極作為運算放大器40的輸入端Inp、Inn。與差動對電連接到節(jié)點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對于節(jié)點N5偏置電流的大小。晶體管T3、T4作為差動對的主動負載，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形成運算放大器40的差動輸入級，其初步放大的信號會由晶體管T6至T11做次級的放大，晶體管T13、T12做為運算放大器40的AB類(class AB)輸出級，并以節(jié)點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，分別控制晶體管T1至T14柵極的偏壓，以進一步控制運算放大器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Vop控制(請同時參考圖2)，晶體管S3至S5的柵極則受控制電路48的信號Vopb控制。運算放大器40受信號Vop、Vopb控制而被禁止、啟用的運行情形可說明如下。當控制電路48要使運算放大器40被禁止時，可使信號Vop為高電平，信號Vopb為低電平；此時晶體管S1至S7全部導通。導通的晶體管S1、S3會將節(jié)點N6的電壓拉低至低電平的直流電壓Vss，使晶體管T5至T7、T14皆不導通，支援電路50產(chǎn)生的電流Ir也會流至導通的晶體管S3，不會流入晶體管T14。同理，導通的晶體管S2及S7會分別將晶體管T8及T12的柵極電壓拉低至低電平，將這兩個晶體管關斷；晶體管T10則導通。導通的晶體管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，使這四個晶體管關斷而不導通。導通的晶體管T10配合上不導通的晶體管T11，會使晶體管T13的柵極電壓被拉至低電平，使得晶體管T13導通，并將輸出端Op的電壓(也就是驅(qū)動電壓Vd，見圖2)拉高至高電平的直流電壓Vcc。當本發(fā)明的穩(wěn)壓電路38開始運行之初，運算放大器40會先被禁止，其輸出端Op的高電平驅(qū)動電壓Vd電壓就能使晶體管Q1射極、基極間電壓極小，讓晶體管Q1也不導通。
相對地，當控制電路48要控制運算放大器40啟用時，可將電壓Vop升為高電平，電壓Vopb為低電平，此時各晶體管S1至S7都會關斷而不導通，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)行運算放大器40的正常功能，根據(jù)兩差動輸入端Inp、Inn間的電壓差以于輸出端Op輸出對應的驅(qū)動電壓Vd。
如圖4所示，本發(fā)明中的控制電路48設有n型金屬氧化物半導體晶體管M1至M3、M5、M6、M9至M11，p型金屬氧化物半導體晶體管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)部預充電電路56，與晶體管M6的柵極電連接到節(jié)點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)部預充電電路56可對晶體管M6形成的電容充電，以在節(jié)點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N10輸出控制電路48要用來控制晶體管Q3的電壓Vpc(請同時參考圖2)。經(jīng)由或非門54、兩個反相器52，控制電路48就能利用電壓Vpc產(chǎn)生出另外兩個控制信號Vop及Vopb，以控制運算放大器40啟用或被禁止。
圖5為本發(fā)明穩(wěn)壓電路38運行時各相關節(jié)點電壓變化的波形時序圖；各波形的橫軸為時間，縱軸為電壓的大小；圖5中由上至下的實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、運算放大器40的信號Vpc、Vop及Vopb。以下將利用圖5來進一步討論控制電路48(如圖4)乃至于整個穩(wěn)壓電路38(如圖2)運行的情形。如圖5所示，假設在時間點t0電路板32要使芯片30開始運行；就如前面討論過的，此時電路板32開始對穩(wěn)壓電路38提供直流電壓Vcc。在時間點t0時，低電平的電壓Vreg使得控制電路48中的晶體管M4、M8導通(請參考圖4)，晶體管M5、M11則關斷而在漏極、源極間形同開路(open)；同時內(nèi)部預充電電路56也會因直流電壓Vcc的偏置而開始導通一電流Ipc2做為一第二預充電電流，由節(jié)點N9注入至晶體管M6的柵極，相對于晶體管M6形成的電容充電，并使節(jié)點N9的電壓Vc2由低電平開始上升。不過，在時間點t0時，節(jié)點N9的電壓應該還是低電平的電壓，此低電平的電壓會使晶體管M7導通，晶體管M9、M10關斷，而使節(jié)點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中所標示的)，而控制電路48中的反相器52則使信號Vopb為低電平(直流電壓Vss的電壓電平，如圖5中所標示)。如前所述，高電平的電壓Vpc會導通晶體管Q3(請參考圖2)，使晶體管Q3開始導通預充電電流Ipc，對電容模塊46開始充電，并使電壓V25開始上升。同時，信號Vop為高電平、信號Vopb為低電平則會使運算放大器40被禁止而停止運行，并于輸出端Op輸出高電平的驅(qū)動電壓Vd，使晶體管Q1也關斷而不導通(請參考圖2、圖3及相關說明)。
就如圖5所示，在時間點t0之后，隨著內(nèi)部預充電電路56對晶體管M6的充電，節(jié)點N9的電壓Vc2也會由低電平逐漸升高，最后在時間點t1升高到使晶體管M7由導通轉(zhuǎn)變?yōu)殛P斷。也使晶體管M9、M10由原來的關斷轉(zhuǎn)變?yōu)閷ǎ瑢⒐?jié)點N10的電壓Vpc由時間點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)榈碗娖剑妷篤opb也同時在時間點t1由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?。此外，在時間點t0至t1之間，除了控制電路48中的內(nèi)部預充電電路56(見圖4)在對晶體管M6形成的電容充電之外，穩(wěn)壓電路38(見圖2)中作為預充電電路的晶體管Q3同時也在對電容模塊46中的電容C1、C2充電，使節(jié)點N0的穩(wěn)壓電壓V25也由時間點t0的低電平電壓開始上升；到了時間點t1，穩(wěn)壓電壓V25也升至一電壓電平V25m。由于在時間點t1時電壓Vpc、Vop及Vopb的改變，晶體管Q3關斷而不再導通預充電電流Ipc，而運算放大器40在時間點t1之后開始啟用，并開始反饋控制，以調(diào)整驅(qū)動電壓Vd驅(qū)動晶體管Q1接手對電容模塊46的充電，使得穩(wěn)壓電壓V25在時間點t1后繼續(xù)上升至穩(wěn)態(tài)的電壓電平V25s(見圖5)，并由運算放大器40的反饋控制動態(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，在時間點t0及t1之間，穩(wěn)態(tài)電壓V25是由預充電電路的晶體管Q3來建立的；等到時間點t1之后運算放大器40、晶體管Q1開始運行時，穩(wěn)態(tài)電壓V25已經(jīng)上升到電壓電平V25m，不再是時間點t0時低電平的電壓了。當運算放大器40在時間點t1開始根據(jù)穩(wěn)態(tài)電壓V25的大小反饋控制對晶體管Q1的驅(qū)動時，就不會用低電平的驅(qū)動電壓Vd來過度驅(qū)動晶體管Q1，而晶體管Q1也不會因?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，就能控制運算放大器40、晶體管Q1開始運行的時機。舉例來說，若電壓Vc2的電壓上升曲線是如虛線曲線Vc2p所示，在時間點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會在上升到電壓電平V25mp時就由運算放大器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上升至某一預設值時交接運行，可調(diào)整控制電路48中內(nèi)部預充電電路56對晶體管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，預充電電路的晶體管Q3剛好也將電容模塊46充電至該預設值的電壓。這樣也就能適當?shù)匕才胚\算放大器40在開始運行后對晶體管Q1的驅(qū)動電壓Vd的大小。而要調(diào)整內(nèi)部預充電電路56對晶體管M6充電的速度，可適當?shù)卣{(diào)整內(nèi)部預充電電路56導通電流的大小，以及晶體管M6的電容值。舉例來說，若預充電電路56導通的電流Ipc2為晶體管Q3的預充電電流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(電壓值在單位時間內(nèi)增加的比率)和穩(wěn)壓電壓V25在晶體管Q3運行時的上升速度就會相同；這樣一來就能利用電壓Vpc2的上升速度來估計穩(wěn)壓電壓V25的上升速度，并掌控晶體管Q3、Q1交接運行的時機。
與公知技術比較，本發(fā)明是以反饋控制的方式來提供更準確、穩(wěn)定的穩(wěn)壓電壓。雖然在原型技術中，由于原型的穩(wěn)壓電路在一開始運行時其運算放大器就會依照低電平的穩(wěn)態(tài)電壓來反饋控制對其雙極結(jié)型晶體管Qp1的驅(qū)動，往往會在開始運行之初過度驅(qū)動晶體管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，也無法順利運行。而本發(fā)明是以晶體管Q3作為預充電電路，在運算放大器、雙極結(jié)型晶體管Q1開始運行之前即先將穩(wěn)壓電壓提升至某一程度；等到運算放大器開始運行后，就不會過度驅(qū)動晶體管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，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種可預充電的穩(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；一預充電電路，電連接到該電容模塊，用以于一第一預定初始期間提供一預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，在一第二預定初始期間之后，該充電電路會產(chǎn)生該充電電流。
2.如權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓電路，其中該預充電電路提供的預充電電流會使該穩(wěn)壓電壓上升；當該穩(wěn)壓電壓上升至一預設電壓時，該預充電電路會停止提供該預充電電流，而該充電電路會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，其中該充電電路會根據(jù)一驅(qū)動信號改變該充電電流的大??；而該穩(wěn)壓電路另包含有一運算放大器，用來根據(jù)該穩(wěn)壓電壓對應地產(chǎn)生該驅(qū)動信號。
4.如權(quán)利要求3所述的穩(wěn)壓電路，其中該運算放大器是根據(jù)該穩(wěn)壓電壓與一參考電壓間的電壓差而對應地產(chǎn)生該驅(qū)動信號。
5.如權(quán)利要求3所述的穩(wěn)壓電路，其中當該穩(wěn)壓電壓上升時，該運算放大器產(chǎn)生的對應驅(qū)動信號會使該充電電路減少該充電電流；而該預充電電路提供的預充電電流會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，用來控制該預充電電路及該運算放大器；當該穩(wěn)壓電路開始運行時，該控制電路會先使該預充電電路開始提供該預充電電流，同時也使該運算放大器被禁止而不產(chǎn)生該驅(qū)動信號，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，其中該預充電電路提供的預充電電流會使該穩(wěn)壓電壓上升；而該控制電路會估計該穩(wěn)壓電壓上升的幅度；當該控制電路使該預充電電路開始提供該預充電電流并估計該穩(wěn)壓電壓已上升至一預設電壓后，該控制電路會使該預充電電路停止提供該預充電電流，同時也啟用該運算放大器，使該運算放大器開始根據(jù)該穩(wěn)壓電壓產(chǎn)生該驅(qū)動信號，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，其設有一輸入端，用來接收一電流；該電容模塊會儲存由該電流提供的電荷，并根據(jù)對應地建立該穩(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應的充電電流；以及一預充電電路，電連接到該輸入端，用來提供一預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，先使該預充電電路開始提供該預充電電流。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中該預充電電路提供的預充電電流會使該穩(wěn)壓電壓上升；而該方法另包含有當該穩(wěn)壓電壓上升至一預設電壓時，使該預充電電路停止提供該預充電電流，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，其中該充電電路會根據(jù)一驅(qū)動信號改變該充電電流的大??；而該穩(wěn)壓電路另包含有一運算放大器，用來根據(jù)該穩(wěn)壓電壓對應地產(chǎn)生該驅(qū)動信號。
全文摘要
本發(fā)明提供一種穩(wěn)壓電路及相關的控制方法，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、一運算放大器以及一參考電壓電路及一預充電電路。該電容電路可以穩(wěn)定輸出電壓，而該運算放大器會根據(jù)該穩(wěn)壓電壓來控制該雙極結(jié)型晶體管的基極偏置，以得到一準確的穩(wěn)壓電壓輸出。當該穩(wěn)壓電路開始運行時，該運算放大器會先被禁止而使該雙極結(jié)型晶體管先不導通，而由一預充電電路先提供一預充電電流至該電容電路以先于該電容電路中建立一電壓，而后該運算放大器才會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G05F1/10GK1432884SQ0310687
公開日2003年7月30日 申請日期2003年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月6日
發(fā)明者林有為 申請人:威盛電子股份有限公司