专利名称：具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种参考电压源(reference voltage source)的噪声抑制(noiserejection)的装置，尤其涉及一种具有快速启动机制的装置，此装置用来补偿由噪声抑制滤波器所引起的启动延迟(delay in start-up)。
背景技术：
在深次微米(deep sub-micron)技术的进步下，随着电路工作电压的降低，信号振幅(signal amplitude)也随之降低。此环境下，电路噪声较昔日更为显著。为了维持一定的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)，许多文献已提出多种如何降低电路噪声的解决方案。特别是抑制出现在参考电压源里的噪声。
以往如需抑制参考信号源的噪声，必须在信号路径(signal path)中使用大电阻及大电容，以形成低通极点(low-pass pole)，将该噪声滤除。但在集成电路的设计中，该大电阻及大电容会占用相当大的芯片区域(chip area)，此法并不经济实惠。因此在实际应用上，这种方法相当罕见，除非是参考信号源的噪声抑制是非常必要的。甚至在这样的应用上，仍存在着另外的问题，例如电路的开关延迟(circuit switching on/off delay)。
Hakkinen等人提出的论文“An integrated programmable low-noise chargepump(ICECS，1999)”里，公开了一种低噪声电流源，如图1所示，并应用在锁相回路(lock-phase loop)中对噪声要求较为严格的电荷泵(charge pump)电路中。此电路利用一个运算放大器(op-amp)101构成反馈电路(feedbackcircuit)，并且以此负反馈电路的特性为基础，电流源(current source)ID的噪声有效地被运算放大器101所提供的回路增益(loop gain)抑制，达到降低噪声的作用。然而，此电路并没有解决由参考信号源Vref.所产生的噪声。若参考信号源有噪声电压，则此噪声电压会直接加在电阻(resistor)103上，产生噪声电流而流入电路。
在美国专利公告号2003/0169872的文献里，提出一种提供给用户线接口电路(subscriber line interface circuit)的滤除参考信号源噪声的滤波器(voltagereference filter)，如图2所示。参考信号REF通过电阻电容(电容201和电阻202)的高通滤波器(high-pass RC filter)，将直流(direct current，DC)信号滤除，剩余的交流(alternating current，AC)噪声经过缓冲放大器(amplifier)203与204之后，再经过减法器(subtracting circuit)205，与参考信号相减，如此可以将参考信号中的AC噪声扣除，所得到的就是干净的DC参考信号。然而，若要此高通滤波器的零点频率足够低，所需的电阻电容值势必极大，甚至需要使用外部元件。并且，此公知技术采用多个运算放大器，会消耗大量的静态电流(static current)。所以，尽管对此公知技术所应用的系统或许可行，然而对于成本低、体积小、高度集成化(high integration)有需求的系统而言，此公知技术是不可行的方法。
图3为一种传统的电流镜(current mirror)的示意图。此电流镜将电流通过一个主动元件，不管其负载(loading)多少，将此电流复制到另一个主动元件上，并使此输出电流(output current)保持固定值。此被复制的电流可以是一种变化的(varying)信号电流。电流镜也容许信号电流有至少一个的扇出(fanout)，并且可以利用适当的W/L比例，调整每一输出的电流大小。电流镜的另一重要的功能是将电流方向反向(reverse)。如图3所示，参考电流IREF通过晶体管M1镜射至M2，再由M3镜射至M4，最后流入需要此电流的电路之中。
参考电流IREF是另一电路方块所产生的固定电流(fixed current)，通常此电路方块为能隙参考电压产生器(bandgap reference voltage generator)。如图3所示，IREF所产生的噪声电流会随着它自己的直流电流，从M1镜射至M4，然后通过M4直接进入工作电路之中。随此电流流动，会加入更多的M1、M2和M3所产生的噪声电流。此噪声电流若没有消除，将会影响工作电路的噪声特性。
为了消除此噪声电流，传统方法通常会在M4的栅极(gate)端放置大电容，如图3中的电容C1所示。此电容C1会与晶体管M3产生低通极点，将噪声作一阶滤波(first-order filtering)，此极点所在位置为gm3/C1，其中gm3是晶体管M3的跨导系数(transconductance)。举例来说，若gm3＝0.9mA/V，则一个可整合进集成电路的10pF电容，可以造成一个14MHz的极点。然而，若要滤除更低频的电流噪声电流，所需的电容值将会更大，更不适合整合进集成电路之中。
公知技术中，另一解决方法为在M3以及C1之间放置大电阻，利用此电阻以及C1所产生的低通极点，达到噪声电流的一阶滤波效果。虽然电阻集成化的面积较小，但若要产生足够低频的极点，所需电阻、电容值依旧相当大，集成化所消耗面积将会相当大。
图4是一种电压源里抑制高频噪声的滤波器，其运作的简化方块示意图。Vin是由直流信号和高频噪声组成的输入电压源。假设引入了非常低频的极点，使得此低通滤波器将高频噪声滤除，而让此直流信号通过，因而输出电压Vout仅由此直流信号组成。然而，由于此低通滤波器的低通效应，会使得输出电压Vout无法实时随着Vin的改变做出相同的变化，也因此使得电路的开关速度受到影响。
发明内容
本发明克服前述传统技术为了减低参考噪声而衍生的缺点，其主要目的为提供一种参考电流里的噪声抑制的装置，以减少此噪声对信号-噪声比(signal-to-noise ratio，SNR)的影响。
本发明的另一目的为提供一种参考噪声抑制的装置，此装置使用一种快速启动机制，来克服低频低通极点所引起的延迟问题。
本发明的又一目的为提供一种参考噪声抑制的装置，此装置占用芯片的区域小，并且没有静态电流的消耗。
为达到上述目的，本发明提供一种电压噪声抑制和快速启动的装置，主要包含一个连接至电压源的低通滤波器、一个与此低通滤波器并联(connectedin parallel)的压控开关(voltage-controlled switch)、以及一个连接至一个直流电压输出(DC-only voltage output)的辅助启动元件(auxiliary start-up element)。通过使用一个工作在三极体区(triode region)的晶体管来取代大电阻，并加上一个可以集成的电容，将这些元件集成并形成低频低通极点，来抑制参考电流里的噪声。此辅助启动元件克服了此低频低通极点所引起的延迟问题。
根据所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中该装置是电流镜。
根据所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中该低通滤波器还包含至少一个电容与一个电阻器。
根据所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中该电阻器是工作在三极体区的晶体管。
根据所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中该电容是由晶体管所形成的等效电容。
根据所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中该压控开关是晶体管，其栅极连接至该辅助启动元件。
根据所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中该辅助启动元件还包含压控电流源，连接至该直流电压输出，并且将电压转为电流；负载，连接至该压控电流源和接地端，并且将来自该压控电流源的电流转为电压；以及电压阈值检测器，将该电压与阈值作比较。
根据所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中当达到该阈值时，该电压阈值检测器输出控制电压去关掉该压控开关。
根据所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中该装置还包括辅助电压控制开关，串联在该压控电流源与该负载之间。
根据所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中当该装置不在启动状态时，该辅助电压控制开关是关上的，以节省静态电流的消耗。
利用本发明，可以达到高度抑制参考噪声电流的作用，并且可以克服因为参考噪声电流抑制所产生的开关延迟效应。此外，此快速启动机制电路简单，多为晶体管所组成，加上在正常操作时没有电流消耗，有低功耗、高度整合的优点。
配合下列图示、实施例的详细说明及权利要求书，将上述及本发明的其它目的与优点作详细说明如下。
图1为一种传统的集成化且可程序化的低噪声电荷泵。
图2为一种传统的提供给用户线接口电路的滤除参考信号源噪声的滤波器。
图3为一种传统的电流镜。
图4为一种电压源里抑制高频噪声的滤波器。
图5为本发明的参考电压源的噪声抑制装置的一个结构示意图。
图6为图5中辅助启动元件的一个方块示意图。
图7为图5中辅助启动元件的另一个方块示意图。
图8为根据本发明的一个实施例的详细电路图。
其中，附图标记说明如下
具体实施例方式
图5为本发明的参考电压源的噪声抑制装置的一个结构示意图。如图5所示，此噪声抑制的装置包括一个低通滤波器510、一个压控开关520、以及一个辅助启动元件530。此低通滤波器510连接至电压源Vin，并将高频噪声滤除，以产生一个直流电压输出Vout，如此一来，在节点B的电压与在节点A的电压相同，但没有噪声。此压控开关520在节点A和B与此低通滤波器510并联。当电路启动时，此压控开关520会将A点及B点连接起来，由旁路绕过(bypass)此低通滤波器520。一旦电路完全开启后，此压控开关520会将A点及B点断开(open)，使此低通滤波器510工作。此辅助启动元件530连接至节点B，并且提供一个控制电压给压控开关520。
图6为图5中辅助启动元件的一个方块示意图。如图6所示，此辅助启动元件530还包括压控电流源(voltage-controlled current source)531、负载(load)532、以及电压阈值检测器(threshold voltage detector)533。压控电流源531连接至节点B，并且将电压转为电流。负载(load)532连接至压控电流源531和接地端666，并且将来自压控电流源的电流转为电压，以提供给电压阈值检测器533。此电压阈值检测器533检测负载532的电压，并且当在负载532上的电压超过阈值时，此检测器533输出电压去打开压控开关520。
辅助启动元件530可还包括辅助电压控制开关(auxiliaryvoltage-controlled switch)534，如图7所示，此图7为图5中辅助启动元件的另一个方块示意图。此辅助电压控制开关534的目的是，当电路完全开启时，此辅助电压控制开关534将开关打开(switch open)，如此一来，此压控电流源531会被关掉，因而节省电流的消耗。
辅助启动元件530的运作描述如下。当节点B达到静态状态(steady state)时，来自压控电流源531的电流输出为I。由于负载532有电阻R，在节点B的电压达到静态状态(steady state)时，在负载532上的电压为I×R。所以，此电压阈值检测器533必须设计为，当来自负载532的电压为I×R时，检测器533就输出控制电压去打开压控开关520。
图8为根据本发明的一个实施例的详细电路图。如图8所示，电容C1与晶体管M5形成了图5的低通滤波器510。类似地，晶体管M6形成了图5的压控开关520，并且M7-M10的电路形成了图5的辅助启动元件530。
与图3的电路相比较，在图8的电路里，工作在三极体区的晶体管M5可以设计为具有一个小的纵横比(aspect ratio)W/L，使得此晶体管M5具有大的导通电阻值。举例来说，在0.18μm工艺下，一个W/L＝0.25μm/10μm的晶体管的导通电阻约为1.1MΩ，如此一来，10pF的电容C1便可与该晶体管产生低通极点，且该极点的频率为16kHz。若单一晶体管所产生的导通电阻不够大，亦可串接数个晶体管，以增加其电阻值。
晶体管M6，M7-M10的运作描述如下。当电路关闭时，S1打开，S2B-S4B关上，如此一来，M6将会是导通(conductive)的小电阻，而M7是不导通的(non-conductive)。当接收到开启电路的信号(start-up signal)，S1关上，S2B-S4B打开，此时由于M6为导通的小电阻，C1所产生的低通极点被此小电阻移至相当高频的位置，所以M4以及M7的栅极电压(gate voltage)将会随着在M3的栅极电压快速改变，因此M4以及M7的电流也会快速打开。当M7的电流越来越大之时，其漏电压(drain voltage)也会越米越高，当M7接近完全打开之后，其漏电压会高到一个程度，以致于推动反相器(inveter)INV1以及INV2，如此一来，M6的栅极电压由低(low)转高(high)，M6由导通的小电阻转为断路，因此该低通极点又会由高频被移回低频，造成隔绝参考噪声电流的效果。此时电路回复正常工作(normal operation)。
值得注意的是，M6的栅极(gate)及M8的栅极是接在一起的，也就是说，当M6断开(open-circuited)的同时，M8也会一起断开，如此一来便不会有电流流通M7。所以，当电路在正常操作时，M7是不会消耗静态电流的，只有在启动的时候，M7会有电流通过，如此可以避免不必要的电流浪费。
此外，只有在M7达到其该有的电流的时候，M6才被关掉。也就是说在反馈控制M6的路径上加上一些延迟，以确保M6不会在还没有完成启动时就被关掉。因此，本发明将小电容C2加挂在M7的漏极上，增加M7的漏极的充电时间，以延长M6的导通时间(conductive time)。
利用本发明，可以达到高度抑制参考噪声电流的作用，并且可以克服因为参考噪声电流抑制所产生的开关延迟效应。此外，此快速启动机制电路简单，多为晶体管所组成，加上在正常操作时没有电流消耗，有低功耗、高度整合的优点。
以上所述仅为本发明的例举实施例而已，不能以此限制本发明的实施范围。凡是在不脱离本发明的权利要求书所公开的范围和精神的情况下，所做的更改与修饰，均属本发明的专利保护范围之内。
权利要求
1.一种具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，应用于电压源里噪声的抑制，该装置包含低通滤波器，连接至该电压源，并将高频噪声滤除，以产生一个直流电压输出；压控开关，与该低通滤波器并联，且当电路启动时，该压控开关由旁路绕过该低通滤波器；以及辅助启动元件，连接至该直流电压输出，并且提供控制电压给该压控开关。
2.如权利要求1所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中该装置是电流镜。
3.如权利要求1所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中该低通滤波器还包含至少一个电容与一个电阻器。
4.如权利要求3所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中该电阻器是工作在三极体区的晶体管。
5.如权利要求3所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中该电容是由晶体管所形成的等效电容。
6.如权利要求1所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中该压控开关是晶体管，其栅极连接至该辅助启动元件。
7.如权利要求1所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中该辅助启动元件还包含压控电流源，连接至该直流电压输出，并且将电压转为电流；负载，连接至该压控电流源和接地端，并且将来自该压控电流源的电流转为电压；以及电压阈值检测器，将该电压与阈值作比较。
8.如权利要求7所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中当达到该阈值时，该电压阈值检测器输出控制电压去关掉该压控开关。
9.如权利要求7所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中该装置还包括辅助电压控制开关，串联在该压控电流源与该负载之间。
10.如权利要求9所述的具有电压噪声抑制与快速启动机制的装置，其中当该装置不在启动状态时，该辅助电压控制开关是关上的，以节省静态电流的消耗。
全文摘要
本发明涉及一种参考电压的噪声抑制的装置，具有快速启动机制。其主要包含一个连接至电压源的低通滤波器、一个与此低通滤波器并联的压控开关、以及一个连接至一个直流电压输出的辅助启动元件。通过使用一个工作在三极体区的晶体管来取代大电阻，并加上一个可以集成的电容，将这些元件集成并形成低频低通极点，来抑制参考电压里的噪声。由于在正常工作时没有静态电流，所以此装置的电源消耗低。本发明可以高度抑制参考噪声电流，并且可以克服开关延迟效应，此外还具有低功耗、高度整合的优点。
文档编号G05F3/26GK1959584SQ20061000631
公开日2007年5月9日 申请日期2006年1月18日 优先权日2005年11月3日
发明者苏秉恩, 施鸿源, 郭明清 申请人:财团法人工业技术研究院