动态电压产生装置与其使用方法.pdf

一种动态电压产生装置与其使用方法，用以输出动态电压而调整取样开关的取样电阻值。该装置包含参考开关，其中，如果参考开关与取样开关互相匹配，则参考开关的参考电阻值等于取样电阻值。参考开关根据固定电压与参考电流得到其参考电阻值，其中，固定电压与参考电流的比值为目标电阻值。反馈电路耦接于参考开关，用以输出动态电压至参考开关与取样开关，并依据固定电压与参考电流调整动态电压，使得参考电阻值等于目标电阻值。

1.  一种动态电压产生装置，用以输出一动态电压以导通一取样开关，该装置包含：
一参考开关，系根据该取样开关而得；及
一反馈电路，根据该参考开关产生该动态电压；
其中，该取样开关的一取样电阻值系根据该动态电压而改变。

2.  如权利要求1所述的动态电压产生装置，其中该参考开关与该取样开关互相匹配。

3.  如权利要求1所述的动态电压产生装置，其中该取样电阻值与制程、电压、温度独立。

4.  如权利要求1所述的动态电压产生装置，其中该参考开关的一参考电阻值实质上等于该取样电阻值。

5.  如权利要求1所述的动态电压产生装置，其中该参考开关根据一固定电压与一参考电流产生该参考电阻值。

6.  如权利要求5所述的动态电压产生装置，其中该固定电压与该参考电流的比值为一目标电阻值。

7.  如权利要求6所述的动态电压产生装置，其中该参考电流反比于一外部电阻值，使得该目标电阻值正比于该外部电阻值。

8.  如权利要求6所述的动态电压产生装置，其中该参考电流正比于一取样电容值，使得该目标电阻值反比于该取样电容值。

9.  如权利要求5所述的动态电压产生装置，其中该参考开关为一MOS开关，其漏极接收该参考电流与该固定电压。

10.  如权利要求9所述的动态电压产生装置，其中该反馈电路包含一OP放大器，其负输入端耦接于该固定电压，其正输入端耦接于该MOS开关的漏极，其输出端耦接于该MOS开关的栅极，并于其输出端输出该动态电压。

11.  一种导通取样开关的方法，包含下列步骤：
根据该取样开关提供一动态电压；及
利用该动态电压调整该取样开关的一取样电阻值，使该取样电阻值与制程、电压、温度独立。

动态电压产生装置与其使用方法
技术领域
本发明是一种动态电压产生装置与方法，特别是一种依据制程、电压、温度(PVT)的动态电压产生装置与方法。
背景技术
开关电路的设计中，当开关需求的速度越快、线性度(linearity)越高时，开关的电阻值也就需要越低。如此，才能让开关在导通与断路间顺利的切换，也使得开关于导通(turn on)时即可视为短路，而不会因其过大的开关电阻值，而阻碍电压、电流或信号的流通。在电子电路的设计上，常以MOS来实现开关。因此，必须把MOS开关的栅极电压(gate voltage)适度的超压，才能获得够低的电阻值。
请参照「图1A 」已知技术在保留模式(hold mode)下的升压电路示意图。传统的方法在保留模式下，首先，利用固定电压产生器A10将升压电容A20充电到所欲提升的电压V_fix。此时，取样开关A30是断路(turn off)的状态，而信号被保留在取样电容A40上。
请参照「图1B 」已知技术在取样模式(sample mode)下的升压电路示意图。接下来转换到取样模式下，此时，利用升压电容A20上所储存的电压V_fix直接导通(turn on)取样开关A30。而取样开关A30的电阻值(R_s)由一般电子学书籍可得如下式所示：
Rs=1μnCoxWL(VGS-VTH)=1μnCoxWL(Vfix-VTH)---(1)]]>
其中，R_s为取样开关A30的电阻值、μ_n为电子移动率(electronmobility)、C_ox为氧化层电容(oxide capacitance)、W/L为取样开关A30的宽长比、V_GS为取样开关A30的栅极-源极电压、V_fix为固定电压产生器A10所提供的电压，及V_TH为门限电压(threshold voltage)。
一般来说μ_n、C_ox、V_TH均会受到制程及温度的影响，所以其数值会随着制程不同而有所变动。且由上述(1)式可知，要获得到较低的电阻值R_s，必须通过适当的调高V_fix，也就是适度的超压来让电阻值R_s降低。当V_fix电压值固定为一数值时，在制程最佳区域(best case corner)下，或许可以得到理想的电阻值R_s，但由于制程的变动或良率的问题，同样的V_fix电压值在最差区域(worst case corner)下，所得到的电阻值R_s便会不够低而无法满足需求。因此，必须选择足够高的V_fix才能在取样开关A30的制程偏向最差区域时，也能得到够低的取样开关A30的电阻值(Rs)。但是，过高的V_fix会影响到元件的可靠度(device reliability)，容易造成元件的损毁。
因此，如何通过适当的调整电压值，以获得理想的开关电阻值，同时又能顾及元件的可靠度，为一亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此本发明提出一种动态电压产生装置与方法。依据制程、电压、温度(Process-Voltage-Temperature，PVT)，而动态调整提供予开关的电压值。
依照制程上的研究，设备的耐压包括两种特性。第一点，偏向最差区域的制程，其氧化层(oxide)越厚，所以耐压越高。第二点，温度越低时，耐压也越高，以台积电90奈米制程(TSMC 90nm)而言，正常温度下其最大耐压为1.26伏特，当温度降为零下10度时，耐压可以增加为1.5伏特。
本发明针对上述的特性，设计一个会根据制程、电压、温度(PVT)，动态调整施予开关的动态电压，其调整的目标是使得开关的电阻值符合设计上的最低要求。当制程偏向最差区域时，开关的电阻值会比较高，但其耐压也变得比较高，因此，适当调高动态电压让开关的电阻值回到设计上的需求。当制程偏向最佳区域时，可以适当降低动态电压以增强元件的可靠度，延长集成电路(IC)元件的寿命。加上开关的门限电压是负温度系数，在低温时门限电压会上升，如果此时动态电压保持不变，则开关电阻值便会增加。因此，可以利用低温耐压增加的特性，适当提高动态电压，让开关电阻值可以降低到设计上的要求。同理，在高温时，降低动态电压以增强元件的可靠度。
本发明所提出的一种动态电压产生装置，用以输出动态电压而调整取样开关的取样电阻值。该动态电压产生装置包含：参考开关及反馈电路。
参考开关与取样开关互相匹配(match)，因此，参考开关的参考电阻值等于取样开关的取样电阻值。此外，参考开关接收参考电流与固定电压，且依据固定电压与参考电流的比值取得目标电阻值。
反馈电路耦接于参考开关，输出动态电压至参考开关与取样开关，依据固定电压与参考电流调整动态电压。再通过调整动态电压使得参考电阻值等于目标电阻值。
其中，上述的参考电流反比于外部电阻值，使得目标电阻值正比于外部电阻值。也就是说目标电阻值乃是与外部电阻值相关的定值。如此，可通过调整动态电压，让最终的取样电阻值为参照(refer to)外部电阻，且制程、电压、温度独立(PVT independent)的定值。达到通过外部电阻追踪机制(Rtracking mechanism)，而动态调整电压的效果。
再者，上述的参考电流也可设计为正比于取样电容值，使得目标电阻值反比于取样电容值。也就是说目标电阻值乃是与取样电容值相关的定值。如此，可通过调整动态电压，让最终的取样电阻值乘上取样电容(RC)为制程、电压、温度独立的定值。达到利用外部电阻电容追踪机制(RC trackingmechanism)，而动态调整电压的效果。
有关本发明的优选实施例及其效果，现在配合附图说明如后。
附图说明
图1A：已知技术在保留模式下的升压电路示意图。
图1B：已知技术在取样模式下的升压电路示意图。
图2A：动态电压产生装置在保留模式下的升压电路示意图。
图2B：动态电压产生装置在取样模式下的升压电路示意图。
图3：动态电压产生装置的示意图。
图4：动态电压产生的第一方法流程图。
图5：动态电压产生的第二方法流程图。
【主要元件符号说明】
A10：固定电压产生器
A20：升压电容
A30：取样开关
A40：取样电容
1：动态电压产生装置
2：升压电容
3：取样开关
4：取样电容
10：参考开关
12：漏极
14：源极
16：栅极
20：反馈电路
22：负输入端
24：正输入端
26：输出端
30：参考电流
40：固定电压
具体实施方式
请参照「图2A 」与「图2B 」，其分别为本发明一实施例的动态电压产生装置在保留及取样模式下的升压电路示意图。本发明的动态电压产生装置1耦合于取样开关3，用以输出动态电压(V_dyn)而调整取样开关3的取样电阻值。「图2A 」保留模式下，取样开关3是未导通的状态，信号被保留在取样电容4上。本发明利用动态电压产生装置1将升压电容2充电至适当的动态电压(V_dyn)。
「图2B 」取样模式下，通过升压电容2将动态电压产生装置1所输出的动态电压(V_dyn)施予取样开关3，而导通取样开关3。由于，动态电压产生装置1会依据取样开关3的制程、电压、温度动态的调整电压值(V_dyn)，因此，利用该动态电压(V_dyn)导通取样开关3，将使得取样开关3的电阻值符合设计上的最低要求。
请参照「图3」为本发明一实施例的动态电压产生装置的示意图。动态电压产生装置1包含参考开关10及反馈电路20。参考开关10系根据「图2A 」中的取样开关3而来，其中为方便起见，可让该两开关互相匹配。让该两开关互相匹配的实际作法是制程上于非常相近的距离下，共同生成参考开关10与取样开关3。因为两开关互相匹配，所以参考开关10的所有特性参数，例如：μ_n、C_ox、V_TH等，便会与取样开关3相同。当制程为最佳、最差区域，或制程温度上升、下降而影响开关电阻值时，也因为两开关互相匹配的关系，所以制程的影响同时改变了参考电阻值与取样电阻值。因此，参考开关10的参考电阻值会等于取样开关3的取样电阻值。
参考开关10接收参考电流30与固定电压(V_R)40，并由固定电压40与参考电流30的比值取得目标电阻值。
反馈电路20耦接于参考开关10，通过流经参考开关10的反馈(feedback)回路，来检测参考电阻值。由于制程、电压、温度均会影响参考开关10的参考电阻值，使得参考电阻值不是定值而会有所变动。所以，利用反馈电路20来检测参考电阻值，便可得知此次制程所产生的参考开关10的参考电阻值。
反馈电路20输出动态电压(V_dyn)至参考开关10，并通过调整动态电压，使得参考电阻值等于目标电阻值。而目标电阻值便是符合设计上最低要求的电阻值。利用欧姆定理：电阻等于电压除以电流(R＝V/I)，因此，固定电压40与参考电流30的比值即为目标电阻值。所以，便可利用施加予参考开关10的参考电流30与固定电压40，取得设计上所需的目标电阻值。也就是说，可以依据固定电压40与参考电流30来调整动态电压，使得参考电阻值等于目标电阻值。
最后，将调整后的动态电压(V_dyn)输出至取样开关3，由于取样开关3与参考开关10互相匹配，所以调整后的动态电压(V_dyn)可以使得取样开关3的取样电阻值也等于目标电阻值。
由「图3」可知，在本实施例中，参考开关10可以为MOS开关并包括漏极(D)12、源极(S)14及栅极(G)16。此外，反馈电路20包括负输入端22、正输入端24及输出端26。其中，负输入端22耦接于固定电压40，正输入端24耦接于参考开关10的漏极(D)12，输出端26输出动态电压(V_dyn)并耦接于该参考开关10的栅极(G)16。上述的反馈电路20在本实施例中以OP放大器表示之，但不应以此为限。
由「图3」可知，反馈回路20便是由输出端26经参考开关10再回到正输入端24，而反馈回路20的功用除了如上述可以检测参考开关10的参考电阻值外，同时可以让正输入端24的电压，维持与负输入端22所耦接的固定电压(V_R)40相同。如此，使得与正输入端24耦接的漏极(D)12，也可以接收到固定电压(V_R)40。
接下来介绍两种调整动态电压的例子。第一例，让参考电流30反比于外部电阻值(R_ext)，使得目标电阻值(R_tar)正比于外部电阻值(R_ext)。也就是说目标电阻值乃是与外部电阻值相关的定值。一般晶片上会有一个参考外部电阻值(R_ext)所产生的固定电流源，且该外部电阻值(R_ext)通常很精准，因此可以产生较精准的固定电流。让参考电流(I_R)30镜射(mirror)该固定电流源，则参考电流(I_R)30为：IR=VFRext=αVRRext.]]>
其中，V_F为固定的能隙电压值(bandgap voltage)，本发明的固定电压(V_R)40也同样为一定值，两者的差异仅在于常数的比例(V_F＝αV_R，α为一常数)，在不考虑常数的状态下(即α＝1时)V_F＝V_R。
配合「图3」可知，参考开关10根据参考电流(I_R)30与固定电压(V_R)40，其目标电阻值(R_tar)为：Rtar=VRIR=VR(VR/Rext)=Rext.]]>由此可知，目标电阻值(R_tar)与精密的外部电阻值(R_ext)相关。
参考开关10与取样开关3互相匹配，所以参考电阻值(R_dyn)等于取样电阻值(R_s)。因此，当参考电阻值(R_dyn)等于目标电阻值(R_tar)时，则可如下式表示：
Rs=Rdyn=1μnCoxWL(Vdyn-VTH)=Rtar=Rext---(2)]]>
由(2)式可知，仅能通过调整动态电压(V_dyn)使得参考电阻值(R_dyn)等于目标电阻值(R_tar)。因此，动态电压产生装置1自动调整动态电压(V_dyn)，让动态电压(V_dyn)可以使得参考电阻值(R_dyn)等于目标电阻值(R_tar)，再由「图2B」取样模式下，将调整后的动态电压(V_dyn)传送至取样开关3。由于取样开关3与参考开关10互相匹配，所以该动态电压(V_dyn)也可以使得取样电阻值(R_s)等于目标电阻值(R_tar)。
此外由(2)式可知，此例中动态电压产生装置1所产生的动态电压(V_dyn)，可以让取样电阻值(R_s)只与外部电阻值(R_ext)相关，而成为制程、电压、温度独立的定值。
第二例，让参考电流30正比于取样电容值(Cs)4，使得该目标电阻值(R_tar)反比于取样电容值(Cs)4。也就是说目标电阻值乃是与取样电容值相关的定值。参考电流(I_R)30为：I_R＝βC_s＝C_s。其中，β为一常数，在不考虑常数的状态下(即β＝1时)I_R＝C_s。
同样配合「图3」可知，参考开关10根据参考电流(I_R)30与固定电压(V_R)40，其目标电阻值(R_tar)为：Rtar=VRIR=VRCs.]]>由此可知，目标电阻值(R_tar)与取样电容值(Cs)4相关。
参考开关10与取样开关3互相匹配，所以参考电阻值(R_dyn)等于取样电阻值(R_s)。因此，当参考电阻值(R_dyn)等于目标电阻值(R_tar)时，则可如下式表示：
Rs=Rdyn=1μnCoxWL(Vdyn-VTH)=Rtar=VRCs---(3)]]>
因此，动态电压产生装置1自动调整动态电压(V_dyn)，让动态电压(V_dyn)可以使得参考电阻值(R_dyn)等于目标电阻值(R_tar)。再由「图2B 」取样模式下，将调整后的动态电压(V_dyn)传送至取样开关3，同样使得取样电阻值(R_s)等于目标电阻值(R_tar)。
此外由于时间常数(τ)等于电阻乘上电容，因此由(3)式可知：τ＝R_sC_s＝V_R。由于固定电压(V_R)为一定值，所以此例中动态电压产生装置1所产生的动态电压(V_dyn)，可以让时间常数(τ)成为制程、电压、温度独立的定值。如此，可以让取样频宽(sampling band-width)也成为制程、电压、温度独立的定值。
请参照「图4」，其系一种导通取样开关的方法流程图，该方法包含下列步骤：
步骤S1：根据取样开关提供动态电压。取样开关会随着制程的条件不同而有所变化，因此，会造成取样开关的取样电阻值偏离原本设计上的需求值。所以，该步骤中会根据不同制程所产生的取样开关来提供不同的动态电压。
步骤S2：利用动态电压调整取样开关的取样电阻值，使取样电阻值与制程、电压、温度独立。取样开关的取样电阻值，由一般电子学书籍可得知与制程上的参数(例如μ_n、C_ox、V_TH等)，及输入至取样开关的电压相关。当制程条件固定后，该制程上的参数即为定值，因此仅能通过输入至取样开关的电压，也就是本发明所称的动态电压值来调整取样开关的取样电阻值。所以，该步骤中会依据制程的不同而输出不同的动态电压，也就是利用动态电压调整取样开关的取样电阻值，使取样电阻值能维持设计上所需的值，不会因不同制程而影响取样电阻值的变化。如此，可使取样开关的取样电阻值与制程、电压、温度独立。
请参照「图5」，上述所提及的动态电压的产生方法，更可包含下列步骤：
步骤S10：提供与取样开关互相匹配的参考开关，而参考开关的参考电阻值实质上等于取样电阻值。而步骤S1及S2所提及的动态电压，便是利用反馈机制根据参考电阻值所产生。
步骤S20：提供固定电压与参考电流，其中参考开关的参考电阻值与固定电压与参考电流相关。而参考电流可以反比于外部电阻值，或正比于取样电容值。
此外利用欧姆定理：电阻等于电压除以电流(R＝V/I)，固定电压与参考电流的比值即为目标电阻值。因此，参考开关根据固定电压与参考电流可获得设计上所需的目标电阻值。
配合上述，当参考电流反比于外部电阻值时，将使得目标电阻值正比于外部电阻值。也就是目标电阻值乃是与外部电阻值相关的定值。同样的，当参考电流正比于取样电容值时，将使得目标电阻值反比于取样电容值。也就是目标电阻值乃是与取样电容值相关的定值。
在步骤S10所提及的反馈机制，可利用OP放大器配合参考开关来达成，而此实施例中，参考开关可以为MOS开关，其漏极接收步骤S20所提供的参考电流与固定电压，而其源极接地。OP放大器的负输入端耦接于固定电压，其正输入端耦接于MOS开关的漏极，而OP放大器输出端耦接于MOS开关的栅极。
由电子学书籍可得知参考开关的电阻值与多种参数有关，而这些参数会受到制程、电压、温度的影响而变动。当参考开关制造完成后，只能通过调整施予参考开关上的动态电压来调整其参考电阻值，使得参考电阻值等于目标电阻值。
由于取样开关与参考开关互相匹配，所以两开关具有相同的参数。因此，将调整后的动态电压输出予取样开关，该取样开关的取样电阻值一样可以等于目标电阻值。
如此，便可达到依据制程、电压、温度，而动态调整提供予开关的电压值，进而获得设计上所需求与制程、电压、温度独立的开关电阻值。
虽然本发明的技术内容已经以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所作些许的更动与润饰，皆应涵盖于本发明的范畴内，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。