负电压产生器及其负电压检测器的制作方法

本发明涉及一种电压产生装置，尤其涉及一种负电压产生器及其负电压检测器。

背景技术：

一般的负电压产生器都是先产生正值的设定电压，再通过其负泵电路将此正值的设定电压转换为负值的参考电压，以在其输出端提供负参考电压，其中负参考电压的电压绝对值等于设定电压的电压值。然而，上述的负电压产生器所产生的负参考电压的安定时间(settlingtime)会很长。此外，即使在安定时间之后，上述的负电压产生器内仍存在突波电流(spikecurrent)。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种负电压产生器及其负电压检测器，可降低负参考电压的安定时间以快速地提供稳定的负参考电压，且在负参考电压达到设定值之后，负电压产生器内无突波电流。

本发明的负电压产生器用以提供负参考电压。负电压产生器包括负电压检测器以及电压泵电路。负电压检测器包括第一电路、第二电路以及比较电路。第一电路用以接收负参考电压，且根据负参考电压产生第一电压。第二电路用以产生第二电压。比较电路耦接第一电路以接收第一电压，耦接第二电路以接收第二电压，且对第一电压及第二电压进行比较以产生控制信号。电压泵电路耦接负电压检测器以接收控制信号，且根据控制信号产生负参考电压。

在本发明的一实施例中，第一电路包括第一p型晶体管、第一电阻器以及第一电流源。第一p型晶体管的第一端耦接接地电压，且第一p型晶体管的控制端接收负参考电压。第一电阻器的第一端耦接第一p型晶体管的第二端。第一电流源耦接第一电阻器的第二端以提供第一电压。第二电路包括第二p型晶体管以及第二电流源。第二p型晶体管的第一端及控制端耦接接地电压，且第二p型晶体管的第二端提供第二电压。第二电流源耦接第二p型晶体管的第二端。

在本发明的一实施例中，第一p型晶体管的基体耦接第一电阻器的第二端。第二电路还包括第二电阻器。第二电阻器的第一端耦接第二p型晶体管的第二端，且第二电阻器的第二端耦接第二电流源以及第二p型晶体管的基体。

在本发明的一实施例中，第二电路还包括第三电阻器。第三电阻器的第一端耦接接地电压，且第三电阻器的第二端耦接第二p型晶体管的第一端。

在本发明的一实施例中，当第一电压大于第二电压时，比较电路产生控制信号以致能电压泵电路，致使电压泵电路根据电源电压来递增负参考电压的电压绝对值。

在本发明的一实施例中，当第一电压等于第二电压时，比较电路产生控制信号以禁能电压泵电路，致使电压泵电路将负参考电压的电压绝对值维持在设定电压值，其中设定电压值小于电源电压的电压绝对值。

在本发明的一实施例中，电压泵电路包括时脉信号产生电路以及负泵电路。时脉信号产生电路用以根据控制信号以产生时脉信号组。负泵电路耦接时脉信号产生电路以接收时脉信号组，且根据时脉信号组以及电源电压产生负参考电压，其中负参考电压的电压绝对值小于电源电压的电压绝对值。

本发明的负电压检测器用以检测负参考电压。负电压检测器包括第一电路、第二电路以及比较电路。第一电路用以接收负参考电压，且根据负参考电压产生第一电压。第二电路用以产生第二电压。比较电路耦接第一电路以接收第一电压，耦接第二电路以接收第二电压，且对第一电压及第二电压进行比较以判断负参考电压的电压绝对值是否等于设定电压值。

基于上述，本发明实施例的负电压产生器采用电源电压来产生负参考电压，基于电源电压的电压绝对值大于负参考电压的电压绝对值，故可让负参考电压的电压绝对值快速地到达设定电压值。除此之外，本发明实施例的负电压检测器并未自负参考电压获取电流。因此，在负参考电压的电压绝对值到达设定电压值之后，可让负电压产生器中的电压泵电路停止泵运作以避免产生突波电流，同时负参考电压的电压绝对值仍可维持在设定电压值。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

下面的所附附图是本发明的说明书的一部分，示出了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起说明本发明的原理。

图1是依照本发明一实施例所示出的负电压产生器的电路方块示意图。

图2是依照本发明一实施例所示出的电压泵电路的电路方块示意图。

图3是依照本发明一实施例所示出的负泵电路的电路架构示意图。

图4是依照本发明一实施例所示出的时脉信号组的信号波形示意图。

图5a是依照本发明一实施例所示出的负电压检测器的第一电路及第二电路的电路示意图。

图5b是依照本发明另一实施例所示出的负电压检测器的第一电路及第二电路的电路示意图。

图5c是依照本发明又一实施例所示出的负电压检测器的第一电路及第二电路的电路示意图。

图5d是依照本发明又一实施例所示出的负电压检测器的第一电路及第二电路的电路示意图。

【符号说明】

100：负电压产生器

120：负电压检测器

121、521a、521b、521c、521d：第一电路

122、522a、522b、522c、522d：第二电路

123：比较电路

140：电压泵电路

142：时脉信号产生电路

144：负泵电路

c1、cl：电容器

cs：控制信号

gnd：接地电压

i1、i2：电流源

m1、m2：p型晶体管

nvref：负参考电压

r1、r2、r3：电阻器

s_ph：时脉信号组

s_ph1、s_ph2：时脉信号

sw1～sw4：开关

tp1、tp2：时间区间

v1：第一电压

v2：第二电压

vdd：电源电压

vr3：跨压

vsg：电压差

vset：设定电压值

具体实施方式

为了使本发明的内容可以被更容易明了，以下特举实施例作为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件，是代表相同或类似部件。

图1是依照本发明一实施例所示出的负电压产生器的电路方块示意图。请参照图1，负电压产生器100用以提供负参考电压nvref，亦即负参考电压nvref的电压低于零伏特。负电压产生器100包括负电压检测器120以及电压泵电路140。负电压检测器120可包括第一电路121、第二电路122以及比较电路123，但本发明不限于此。第一电路121用以接收负参考电压nvref，且根据负参考电压nvref产生第一电压v1。第二电路122用以产生第二电压v2。比较电路123耦接第一电路121以接收第一电压v1，且耦接第二电路122以接收第二电压v2。比较电路123对第一电压v1及第二电压v2进行比较以判断负参考电压nvref的电压绝对值是否等于设定电压值vset，并据以产生一控制信号cs。电压泵电路140耦接负电压检测器120以接收控制信号cs，且根据控制信号cs产生负参考电压nvref。

在本发明的一实施例中，当第一电压v1大于第二电压v2时，比较电路123判断负参考电压nvref的电压绝对值小于设定电压值vset，故比较电路123可产生第一电平(例如逻辑高电平)的控制信号cs以致能电压泵电路140，致使电压泵电路140根据电源电压vdd来进行泵运作以递增负参考电压nvref的电压绝对值，其中电源电压vdd为正电压，且设定电压值vset小于电源电压vdd的电压值。相对地，当第一电压v1等于第二电压v2时，比较电路123判断负参考电压nvref的电压绝对值等于设定电压值vset，故比较电路123可产生第二电平(例如逻辑低电平)的控制信号cs以禁能电压泵电路140，致使电压泵电路140停止泵运作以将负参考电压nvref的电压绝对值维持在设定电压值vset，其中第一电平与第二电平互补。可以理解的是，负参考电压nvref的电压绝对值小于电源电压vdd的电压值。

附带一提的，上述范例的控制信号cs的逻辑高低电平与电压泵电路140致能与否的关系仅只是一个范例。本领域具通常知识者皆知，控制信号cs的逻辑高低电平与电压泵电路140致能与否的关系是可以由设计者依实际需求来进行定义的。

图2是依照本发明一实施例所示出的电压泵电路的电路方块示意图。请参照图2，电压泵电路140可包括时脉信号产生电路142以及负泵电路144，但本发明不限于此。时脉信号产生电路142可根据控制信号cs产生时脉信号组s_ph。负泵电路144耦接时脉信号产生电路142以接收时脉信号组s_ph，且可根据时脉信号组s_ph以及电源电压vdd产生负参考电压nvref。

在本发明的一实施例中，时脉信号产生电路142可采用已知的时脉信号产生电路来实现。在本发明的一实施例中，负泵电路144可采用图3所示的两相负泵电路来实现。请合并参照图2及图3，负泵电路144可包括电容器c1和cl以及开关sw1～sw4，但本发明不限于此。开关sw1的第一端耦接电源电压vdd。开关sw1的第二端耦接电容器c1的第一端。开关sw2的第一端耦接接地电压gnd。开关sw2的第二端耦接电容器c1的第二端。开关sw3的第一端耦接电容器c1的第一端。开关sw3的第二端耦接接地电压gnd。开关sw4的第一端耦接电容器c1的第二端。电容器cl的第一端耦接接地电压gnd。电容器cl的第二端耦接开关sw4的第二端以提供负参考电压nvref。另外，时脉信号组s_ph(示于图2)可例如包括如图4所示的时脉信号s_ph1及s_ph2，其中时脉信号s_ph1为逻辑高电平的时间区间不重叠于时脉信号s_ph2为逻辑高电平的时间区间，图3的开关sw1及sw2受控于时脉信号s_ph1，且开关sw3及sw4受控于时脉信号s_ph2，但本发明不限于此。在本发明的另一实施例中，开关sw1及sw2可受控于时脉信号s_ph2，而开关sw3及sw4可受控于时脉信号s_ph1。

请合并参照图3及图4，以下假设开关sw1及sw2可反应于逻辑高电平的时脉信号s_ph1而被导通，开关sw1及sw2可反应于逻辑低电平的时脉信号s_ph1而被关断，开关sw3及sw4可反应于逻辑高电平的时脉信号s_ph2而被导通，开关sw3及sw4可反应于逻辑低电平的时脉信号s_ph2而被关断。因此，于图4所示的时间区间tp1，开关sw1及sw2为导通状态且开关sw3及sw4为关断状态，致使电源电压vdd对电容器c1充电。接着，于图4所示的时间区间tp2，开关sw1及sw2为关断状态且开关sw3及sw4为导通状态，因此电容器c1将所储存的电荷量转移至电容器cl(亦即电容器c1对电容器cl充电)，以降低负参考电压nvref(亦即增加负参考电压nvref的电压绝对值)。通过反复地切换时脉信号s_ph1的逻辑电平以及时脉信号s_ph2的逻辑电平，可让电容器c1反复地被充电以及对电容器cl充电，以逐步地降低负参考电压nvref(亦即逐步地增加负参考电压nvref的电压绝对值)，直到负参考电压nvref的电压绝对值等于设定电压值vset为止。

由于电源电压vdd的电压值大于设定电压值vset，因此相较于一般采用设定电压值vset的电压源来对电容器c1充电，本实施例采用电源电压vdd来对电容器c1充电可有效提高电容器c1中所储存的电荷量，以及提高自电容器c1转移至电容器cl的电荷量，故而可加快负参考电压nvref的下降速度(亦即加快负参考电压nvref的电压绝对值的上升速度)，从而降低负参考电压nvref的安定时间。除此之外，在负参考电压nvref的电压绝对值等于设定电压值vset之后，图2的时脉信号产生电路142可反应于控制信号cs而停止切换时脉信号s_ph1的逻辑电平以及时脉信号s_ph2的逻辑电平(亦即时脉信号s_ph1及s_ph2的逻辑电平将不再转态)，以让负泵电路144停止泵运作(稍后会再详细说明)。如此一来，可避免开关sw1～sw4启闭切换而产生突波电流。

图5a是依照本发明一实施例所示出的负电压检测器的第一电路及第二电路的电路示意图。请参照图5a，第一电路521a可包括p型晶体管m1、电阻器r1以及电流源i1。p型晶体管m1的第一端耦接接地电压gnd。p型晶体管m1的控制端接收负参考电压nvref。电阻器r1的第一端耦接p型晶体管m1的第二端。电流源i1耦接电阻器r1的第二端以提供第一电压v1。第二电路522a包括p型晶体管m2以及电流源i2。p型晶体管m2的第一端及控制端耦接接地电压gnd。p型晶体管m2的第二端提供第二电压v2。电流源i2耦接p型晶体管m2的第二端。

在本发明的一实施例中，p型晶体管m1及m2可为相同尺寸的p型金氧半场效晶体管，因此第一电压v1及第二电压v2可分别如式(1)及式(2)所示，其中vref为负参考电压nvref的电压绝对值，vsg为p型晶体管m1(或p型晶体管pm2)的第二端与控制端之间的电压差，i为电流源i1的输出电流值，且r为电阻器r1的电阻值。

v1＝-vref+vsg+vset＝-vref+vsg+i×r式(1)

v2＝vsg式(2)

当负参考电压nvref的电压绝对值vref等于设定电压值

vset(亦即i×r)时，第一电压v1等于第二电压v2，故通过第一电压v1与第二电压v2的比较结果，可判断负参考电压nvref的电压绝对值vref是否等于设定电压值vset。另外，通过调整电阻器r1的电阻值r，即可调整设定电压值vset。

请合并参照图3及图5a。在此值得一提的是，由于负参考电压nvref是耦接至p型晶体管m1的控制端(亦即p型金氧半场效晶体管的栅极端)，因此并无电流自图3的电容器cl流至图5a的p型晶体管m1。换句话说，图5a实施例的负电压检测器并不会自图3的电容器cl获取电流。因此，在负参考电压nvref的电压绝对值vref等于设定电压值vset之后，即使图3的负泵电路144停止泵运作，负参考电压nvref的电压绝对值vref仍可维持在设定电压值vset。

另外值得一提的是，于图5a中，p型晶体管m1的第二端的电压(为-vref+vsg)须大于p型晶体管m1的第一端的电压(为接地电压gnd)，致使负参考电压nvref的电压绝对值vref必须小于电压差vsg。因此，在本发明的其他实施例中，可通过增加p型晶体管m1及m2的基体效应(bodyeffect)以提高p型晶体管m1及m2的临界电压(thresholdvoltage)，从而提高电压差vsg以及负参考电压nvref的电压绝对值vref的上限。

图5b是依照本发明另一实施例所示出的负电压检测器的第一电路及第二电路的电路示意图。请合并参照图5a及图5b，图5b的第一电路521b类似于图5a的第一电路521a，两者的差异仅在于：第一电路521b的p型晶体管m1的基体是耦接电阻器r1的第二端，以增加第一电路521b的p型晶体管m1的基体效应来提高p型晶体管m1的临界电压，从而提高负参考电压nvref的电压绝对值的上限。另外，图5b的第二电路522b类似于图5a的第二电路522a，两者的差异仅在于：第二电路522b还包括电阻器r2。

详细来说，如图5b所示，电阻器r2的第一端耦接p型晶体管m2的第二端，且电阻器r2的第二端耦接电流源i2，其中p型晶体管m2的基体耦接电阻器r2的第二端以增加p型晶体管m2的基体效应。通过增加第二电路522b的p型晶体管m2的基体效应，可对应地提高第二电路522b的p型晶体管m2的临界电压，致使第二电路522b的p型晶体管m2的特性与第一电路521b的p型晶体管m1的特性相匹配。

请再重新参照图5a，p型晶体管m1的第二端与第一端的电压差为-vref+vsg，而p型晶体管m2的第二端与第一端的电压差为vsg。由于p型晶体管m1的第二端与第一端的电压差不等于p型晶体管m2的第二端与第一端的电压差，致使p型晶体管m1与m2的特性不匹配。

图5c是依照本发明又一实施例所示出的负电压检测器的第一电路及第二电路的电路示意图。请合并参照图5a及图5c，图5c的第一电路521c类似于图5a的第一电路521a，故可参酌上述的相关说明，在此不再赘述。另外，图5c的第二电路522c类似于图5a的第二电路522a，两者的差异仅在于：第二电路522c还包括电阻器r3。

详细来说，如图5c所示，电阻器r3的第一端耦接接地电压gnd。电阻器r3的第二端耦接p型晶体管m2的第一端。由于第二电路522c的p型晶体管m2的第一端通过电阻器r3耦接至接地电压gnd，因此第二电路522c的p型晶体管m2的第一端的电压为电阻器r3两端的跨压vr3，且第二电路522c的p型晶体管m2的第二端与第一端的电压差为vsg－vr3。另外，第二电路521c的p型晶体管m1的第二端与第一端的电压差为-vref+vsg，故通过调整电阻器r3的电阻值来让跨压vr3等于负参考电压nvref的电压绝对值vref，即可让p型晶体管m1的第二端与第一端的电压差等于p型晶体管m2的第二端与第一端的电压差，致使p型晶体管m1与m2的特性匹配。

类似地，图5c的第二电路522c中的电阻器r3的设计也可套用在图5b的第二电路522b中，如图5d的第二电路522d所示。第二电路522d的实施细节及运作可参酌上述的相关说明，在此不再赘述。另外，图5d的第一电路521d类似于图5b的第一电路521b，故可参酌上述的相关说明，在此不再赘述。

综上所述，本发明实施例的负电压产生器采用电源电压对电容器充电以产生并提供负参考电压，基于电源电压的电压绝对值大于负参考电压的电压绝对值，故可让负参考电压的电压绝对值快速地到达设定电压值。除此之外，本发明实施例的负电压检测器并未自电容器获取电流。因此，在负参考电压的电压绝对值到达设定电压值之后，可让负电压产生器中的电压泵电路停止泵运作以避免产生突波电流，同时负参考电压的电压绝对值仍可维持在设定电压值。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。