电压不足侦测电路的制作方法

1.本发明涉及电压侦测，特别是涉及一种电压不足(undervoltage)侦测电路。


背景技术：

2.电压不足侦测电路被应用在芯片中，以侦测芯片的电源电压是否足够大。当判定电源电压不够大时，芯片的其他电路会被闭锁，以避免误动作及短路电流。电压不足侦测电路与制程和温度变异的相关性很小是重要的。
3.现有的电压不足侦测电路包括一个带隙电路及一个比较器。带隙电路产生与制程和温度变异无关的一个带隙电压。比较器比较带隙电压及从电源电压得出的一个电压，以决定电源电压是否足够大。带隙电路在电源电压大于一个大的启动阈值时才会工作，因此现有的电压不足侦测电路不利地具有一个大的未定义区域(也就是电压不足侦测电路无法正常提供输出的电源电压范围)。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种电压不足侦测电路。当所述电压不足侦测电路的电压至电流转换函数被适当地设计时，所述电压不足侦测电路与制程和温度变异的相关性很小。
5.本发明电压不足侦测电路包含分压器、电压至电流转换器及电流比较器。所述分压器接收电源电压，且对所述电源电压进行分压以产生分压电压。所述电压至电流转换器电连接到所述分压器以接收所述分压电压，基于第一电压至电流转换函数将所述分压电压转换成第一电流，且基于第二电压至电流转换函数将所述分压电压转换成第二电流。所述第二电压至电流转换函数不同于所述第一电压至电流转换函数。所述电流比较器电连接到所述电压至电流转换器以接收所述第一电流及所述第二电流，且比较所述第一电流及所述第二电流以产生比较信号。所述比较信号指示所述电源电压是否足够大。
6.本发明电压不足侦测电路中，所述电压至电流转换器包括第一电阻器、第二电阻器、第一双极性结型晶体管及第二双极性结型晶体管。所述第一电阻器具有第一端及第二端。所述第一电阻器的所述第一端接收所述电源电压及地电压中的一者。所述第二电阻器具有第一端及第二端。所述第二电阻器的所述第一端电连接到所述第一电阻器的所述第二端。所述第一双极性结型晶体管具有发射极端、集电极端及基极端。所述第一双极性结型晶体管的所述发射极端电连接到所述第二电阻器的所述第二端。所述第一双极性结型晶体管的所述集电极端电连接到所述电流比较器且提供所述第一电流。所述第一双极性结型晶体管的所述基极端电连接到所述分压器以接收所述分压电压。所述第二双极性结型晶体管具有发射极端、集电极端及基极端。所述第二双极性结型晶体管的所述发射极端电连接到所述第一电阻器的所述第二端。所述第二双极性结型晶体管的所述集电极端电连接到所述电流比较器且提供所述第二电流。所述第二双极性结型晶体管的所述基极端电连接到所述分压器以接收所述分压电压。所述第二双极性结型晶体管的饱和电流小于所述第一双极性结
型晶体管的饱和电流。
7.本发明电压不足侦测电路中，所述电流比较器包括第一电流镜、第二电流镜及第三电流镜。所述第一电流镜具有输入端及输出端。所述第一电流镜的所述输入端电连接到所述电压至电流转换器以接收所述第一电流。所述第二电流镜具有输入端及输出端。所述第二电流镜的所述输入端电连接到所述电压至电流转换器以接收所述第二电流。所述第三电流镜具有输入端及输出端。所述第三电流镜的所述输入端电连接到所述第一电流镜的所述输出端。所述第三电流镜的所述输出端电连接到所述第二电流镜的所述输出端。所述比较信号在所述第二电流镜及所述第三电流镜的共同节点处提供。
8.本发明电压不足侦测电路中，所述分压电压对所述电源电压的比值随着所述比较信号而改变。
9.本发明电压不足侦测电路中，所述分压器包括第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器及开关。所述第一电阻器具有第一端及第二端。所述第一电阻器的所述第一端接收所述电源电压及地电压中的一者。所述第一电阻器的所述第二端电连接到所述电压至电流转换器。所述第二电阻器具有第一端及第二端。所述第二电阻器的所述第一端电连接到所述第一电阻器的所述第二端。所述第三电阻器具有第一端及第二端。所述第三电阻器的所述第一端电连接到所述第二电阻器的所述第二端。所述第三电阻器的所述第二端接收所述电源电压及所述地电压中的另一者。所述开关与所述第三电阻器并联，且具有控制端。所述开关在所述比较信号指示所述电源电压足够大时导通，且在所述比较信号指示所述电源电压不够大时不导通。所述分压电压在所述第一电阻器及所述第二电阻器的共同节点处提供。
10.本发明电压不足侦测电路，还包含未定义区域限制器。所述未定义区域限制器包括第一金属氧化物半导体场效晶体管、电阻性元件及第二金属氧化物半导体场效晶体管。所述第一金属氧化物半导体场效晶体管具有漏极端、源极端及栅极端。所述第一金属氧化物半导体场效晶体管的所述源极端接收所述电源电压及地电压中的一者。所述第一金属氧化物半导体场效晶体管的所述栅极端电连接到所述电流比较器。所述第一金属氧化物半导体场效晶体管产生电流，且其产生的电流是所述第一电流及所述第二电流中的一者的镜像。所述电阻性元件具有第一端及第二端。所述电阻性元件的所述第一端接收所述电源电压及所述地电压中的另一者。所述电阻性元件的所述第二端电连接到所述第一金属氧化物半导体场效晶体管的所述漏极端。所述第二金属氧化物半导体场效晶体管是低临界电压金属氧化物半导体场效晶体管，且具有漏极端、源极端及栅极端。所述第二金属氧化物半导体场效晶体管的所述漏极端电连接到所述电流比较器。所述第二金属氧化物半导体场效晶体管的所述源极端电连接到所述第一金属氧化物半导体场效晶体管的所述源极端。所述第二金属氧化物半导体场效晶体管的所述栅极端电连接到所述第一金属氧化物半导体场效晶体管的所述漏极端。当所述第二金属氧化物半导体场效晶体管导通时，所述电流比较器使所述比较信号指示所述电源电压不够大。
11.本发明电压不足侦测电路中，所述电阻性元件包括多个金属氧化物半导体场效晶体管。所述电阻性元件的每一个金属氧化物半导体场效晶体管是低临界电压金属氧化物半导体场效晶体管。所述电阻性元件的所述金属氧化物半导体场效晶体管在所述电阻性元件的所述第一端及所述第二端间串联。所述电阻性元件的每一个金属氧化物半导体场效晶体管具有栅极端，且其栅极端接收所述地电压。
12.本发明电压不足侦测电路，还包含电容器。所述电容器具有第一端及第二端。所述电容器的所述第一端接收所述电源电压及地电压中对应所述电源电压不够大的一者。所述电容器的所述第二端电连接到所述电流比较器的节点。所述比较信号在所述节点处提供。
13.本发明电压不足侦测电路，还包含第一反相器及第二反相器。所述第一反相器是低偏斜反相器及高偏斜反相器中的一者，且具有输入端及输出端。所述第一反相器的所述输入端电连接到所述电流比较器以接收所述比较信号。所述第二反相器是所述低偏斜反相器及所述高偏斜反相器中的另一者，且具有输入端及输出端。所述第二反相器的所述输入端电连接到所述第一反相器的所述输出端。
14.本发明的有益的效果在于：通过适当地设计所述第一电压至电流转换函数及所述第二电压至电流转换函数，所述电压不足侦测电路与制程和温度变异的相关性可以很小。
附图说明
15.图1是一个电路图，说明本发明电压不足侦测电路的第一实施例；
16.图2是一个示意图，说明第一实施例的一个第一电压至电流转换函数及一个第二电压至电流转换函数；
17.图3是一个时序图，说明第一实施例的一个电源电压、一个比较信号及一个输出信号；
18.图4是一个电路图，说明第一实施例的变形；
19.图5是一个电路图，说明本发明电压不足侦测电路的第二实施例；
20.图6是一个电路图，说明本发明电压不足侦测电路的第三实施例；及
21.图7是一个电路图，说明本发明电压不足侦测电路的第四实施例。
具体实施方式
22.下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
23.在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。
24.参阅图1，本发明电压不足侦测电路的第一实施例包括一个分压器1、一个电压至电流转换器2、一个电流比较器3、一个未定义区域限制器4及两个反相器5、6。
25.分压器1接收一个电源电压v
dd
，且对电源电压v
dd
进行分压以产生一个分压电压v
div
。
26.电压至电流转换器2电连接到分压器1以接收分压电压v
div
，基于一个第一电压至电流转换函数将分压电压v
div
转换成一个第一电流i1，且基于一个第二电压至电流转换函数将分压电压v
div
转换成一个第二电流i2。第二电压至电流转换函数不同于第一电压至电流转换函数。
27.电流比较器3电连接到电压至电流转换器2以接收第一电流i1及第二电流i2，且比较第一电流i1及第二电流i2以产生一个比较信号comp。比较信号comp指示电源电压v
dd
是否足够大。
28.未定义区域限制器4电连接到电流比较器3。当电源电压v
dd
低于电流比较器3能正常提供比较信号comp的范围时，未定义区域限制器4使比较信号comp指示电源电压v
dd
不够
大。
29.反相器5具有一个输入端及一个输出端。反相器5的输入端电连接到电流比较器3以接收比较信号comp。反相器5的输出端提供与比较信号comp互补的一个输出信号out1。
30.反相器6具有一个输入端及一个输出端。反相器6的输入端电连接到反相器5的输出端以接收输出信号out1。反相器6的输出端提供与输出信号out1互补的一个输出信号out2。
31.在本实施例中，分压电压对电源电压的比值(也就是v
div
/v
dd
)随着比较信号comp而改变，且分压器1包括三个电阻器11～13及一个开关14。电阻器11～13各自具有一个第一端及一个第二端，且其各自的电阻值分别为r3、r4及r5。电阻器11的第一端电连接到一个第一电源导轨8以接收电源电压v
dd
。电阻器12的第一端电连接到电阻器11的第二端。电阻器13的第一端电连接到电阻器12的第二端。电阻器13的第二端电连接到一个第二电源导轨9以接收一个地电压。开关14(例如一个n型金属氧化物半导体场效晶体管(nmosfet))与电阻器13并联，且具有一个控制端(例如一个栅极端)。开关14的控制端电连接到反相器5的输出端以接收输出信号out1。分压电压v
div
在电阻器11、12的共同节点处提供。当比较信号comp在一个逻辑0状态时，开关14导通，且比值v
div
/v
dd
等于r4/(r3 r4)。当比较信号comp在一个逻辑1状态时，开关14不导通，且比值v
div
/v
dd
等于(r4 r5)/(r3 r4 r5)。
32.在本实施例中，电压至电流转换器2包括两个电阻器21、22及两个pnp双极性结型晶体管(bjt)23、24。电阻器21、22各自具有一个第一端及一个第二端，且其各自的电阻值分别为r1及r2。电阻器21的第一端电连接到第一电源导轨8以接收电源电压v
dd
。电阻器22的第一端电连接到电阻器21的第二端。pnp双极性结型晶体管23、24各自具有一个发射极端、一个集电极端及一个基极端。pnp双极性结型晶体管23的发射极端电连接到电阻器22的第二端。pnp双极性结型晶体管23的集电极端提供第一电流i1。pnp双极性结型晶体管23的基极端电连接到电阻器11、12的共同节点以接收分压电压v
div
。pnp双极性结型晶体管24的发射极端电连接到电阻器21的第二端。pnp双极性结型晶体管24的集电极端提供第二电流i2。pnp双极性结型晶体管24的基极端电连接到电阻器11、12的共同节点以接收分压电压v
div
。pnp双极性结型晶体管24的饱和电流为is，且pnp双极性结型晶体管23的饱和电流为k
·is
，其中，k》1。换句话说，pnp双极性结型晶体管24的饱和电流小于pnp双极性结型晶体管23的饱和电流。
33.在本实施例中，电流比较器3包括三个电流镜31～33。电流镜31～33各自具有一个输入端及一个输出端。电流镜31的输入端电连接到pnp双极性结型晶体管23的集电极端以接收第一电流i1。电流镜32的输入端电连接到pnp双极性结型晶体管24的集电极端以接收第二电流i2。电流镜33的输入端电连接到电流镜31的输出端。电流镜33的输出端电连接到电流镜32的输出端。比较信号comp在电流镜32、33的共同节点处提供。电流镜31、32各自包括两个n型金属氧化物半导体场效晶体管311/321、312/322。电流镜33包括两个p型金属氧化物半导体场效晶体管(pmosfet)331、332。电流镜31～33的金属氧化物半导体场效晶体管311～332的尺寸被设计成使得：(1)当n1·
i1》n2·
i2时，比较信号comp在逻辑1状态(也就是其电压等于电源电压v
dd
)；及(2)当n1·
i1《n2·
i2时，比较信号comp在逻辑0状态(也就是其电压等于地电压)，其中，n1及n2是常数，且彼此可以相同或不同。
34.在本实施例中，未定义区域限制器4包括两个n型金属氧化物半导体场效晶体管
41、43及一个电阻性元件42。n型金属氧化物半导体场效晶体管41具有一个漏极端、一个源极端及一个栅极端。n型金属氧化物半导体场效晶体管41的源极端电连接到第二电源导轨9以接收地电压。n型金属氧化物半导体场效晶体管41的栅极端电连接到n型金属氧化物半导体场效晶体管321的栅极端。n型金属氧化物半导体场效晶体管41产生一个电流，且其产生的电流是第二电流i2的镜像。电阻性元件42具有一个第一端及一个第二端。电阻性元件42的第一端电连接到第一电源导轨8以接收电源电压v
dd
。电阻性元件42的第二端电连接到n型金属氧化物半导体场效晶体管41的漏极端。电阻性元件42包括多个p型金属氧化物半导体场效晶体管421。电阻性元件42的每一个p型金属氧化物半导体场效晶体管421是一个低临界电压金属氧化物半导体场效晶体管。电阻性元件42的所述p型金属氧化物半导体场效晶体管421在电阻性元件42的第一端及第二端间串联。电阻性元件42的每一个p型金属氧化物半导体场效晶体管421具有一个栅极端，且其栅极端电连接到第二电源导轨9以接收地电压。n型金属氧化物半导体场效晶体管43是一个低临界电压金属氧化物半导体场效晶体管，且具有一个漏极端、一个源极端及一个栅极端。n型金属氧化物半导体场效晶体管43的漏极端电连接到p型金属氧化物半导体场效晶体管332的栅极端。n型金属氧化物半导体场效晶体管43的源极端电连接到n型金属氧化物半导体场效晶体管41的源极端。n型金属氧化物半导体场效晶体管43的栅极端电连接到n型金属氧化物半导体场效晶体管41的漏极端。当n型金属氧化物半导体场效晶体管43导通时，p型金属氧化物半导体场效晶体管332也会导通，以使比较信号comp在逻辑1状态。
35.图2说明第一电压至电流转换函数及第二电压至电流转换函数。参阅图1及图2，当跨越电阻器21、22及pnp双极性结型晶体管23的基极发射极结的电压(或跨越电阻器21及pnp双极性结型晶体管24的基极发射极结的电压)(也就是v
dd-v
div
)小于一个相应切换阈值v
dif,sw
时，n1·
i1》n2·
i2，且比较信号comp在逻辑1状态以指示电源电压v
dd
不够大。当电压v
dd-v
div
等于切换阈值v
dif,sw
时，n1·
i1＝n2·
i2。当电压v
dd-v
div
大于切换阈值v
dif,sw
时，n1·
i1《n2·
i2，且比较信号comp在逻辑0状态以指示电源电压v
dd
足够大。因此，在操作中，比较信号comp在电压v
dd-v
div
等于切换阈值v
dif,sw
时切换。
36.第一电流i1及第二电流i2可以分别用下列公式来表示：
[0037][0038][0039]
其中，v
be1
表示pnp双极性结型晶体管23的基极发射极结的跨压，v
be2
表示pnp双极性结型晶体管24的基极发射极结的跨压，及v
t
表示热电压。
[0040]
此外，第一电流i1可以用下列公式来表示：
[0041][0042]
基于公式1～3，切换阈值v
dif,sw
可以推导如下。
[0043][0044]
电压v
be2
的温度系数约为-1.5mv/
°
k。热电压v
t
的温度系数约为0.087mv/
°
k。通过适当地选择参数k、n1、n2、r1、r2，切换阈值v
dif,sw
的温度系数可以为零。
[0045]
参阅图1及图3，当电源电压v
dd
逐渐上升且电流比较器3正常提供比较信号comp时，本实施例的电压不足侦测电路操作如下。一开始，比较信号comp在逻辑1状态，开关14不导通，且分压电压v
div
等于之后，当电源电压v
dd
等于一个相应切换阈值v
dd,sw1
(其值为)时，比较信号comp切换到逻辑0状态。当电源电压v
dd
逐渐下降且电流比较器3正常提供比较信号comp时，本实施例的电压不足侦测电路操作如下。一开始，比较信号comp在逻辑0状态，开关14导通，且分压电压v
div
等于之后，当电源电压v
dd
等于一个相应切换阈值v
dd,sw2
(其值为)时，比较信号comp切换到逻辑1状态。切换阈值v
dd,sw2
不同于切换阈值v
dd,sw1
。因此，本实施例的电压不足侦测电路具有迟滞现象。
[0046]
在未定义区域限制器4被省略了的一个例子中，电流比较器3能正常提供比较信号comp的范围的下限由p型金属氧化物半导体场效晶体管331的栅极端和源极端间的电压及n型金属氧化物半导体场效晶体管312的漏极端和源极端间的电压决定，且约为0.7v～0.8v。因此，未定义区域(也就是电压不足侦测电路无法正常提供输出信号out1、out2的电源电压v
dd
范围)的上限约为0.8v。在本实施例中，当电源电压v
dd
逐渐上升、电源电压v
dd
大于n型金属氧化物半导体场效晶体管43的临界电压及每一个p型金属氧化物半导体场效晶体管421的临界电压、电源电压v
dd
小于切换阈值v
dd,sw1
时，未定义区域限制器4操作如下。一开始，n型金属氧化物半导体场效晶体管41不导通，且p型金属氧化物半导体场效晶体管421和n型金属氧化物半导体场效晶体管43导通，所以p型金属氧化物半导体场效晶体管332导通以使比较信号comp在逻辑1状态。之后，第二电流i2随着电源电压v
dd
的上升而快速增加，所以n型金属氧化物半导体场效晶体管41导通，且n型金属氧化物半导体场效晶体管43不导通。因此，
未定义区域的上限等于n型金属氧化物半导体场效晶体管43的临界电压及每一个p型金属氧化物半导体场效晶体管421的临界电压中的最大者(约为0.4v～0.5v)。与前述例子相比，在本实施例中未定义区域被缩小了。
[0047]
回归参阅图1，需注意的是，在其它实施例中，可以对本实施例进行下列修改。
[0048]
(1)电阻性元件42由p型金属氧化物半导体场效晶体管外的主动元件来实现，或由被动元件(例如电阻器)来实现。
[0049]
(2)如图4所示，反相器5是一个低偏斜(low skew)反相器，且反相器6是一个高偏斜(high skew)反相器，借此进一步缩小未定义区域。
[0050]
(3)未定义区域限制器4被省略了，反相器5是一个低偏斜反相器，且反相器6是一个高偏斜反相器。
[0051]
综上所述，本实施例的电压不足侦测电路具有下列优点。
[0052]
(1)通过将第一电压至电流转换函数及第二电压至电流转换函数设计成使得切换阈值v
dif,sw
的温度系数为零，电压不足侦测电路与制程和温度变异的相关性可以很小。
[0053]
(2)通过未定义区域限制器4在电源电压v
dd
低于电流比较器3能正常提供比较信号comp的范围时使比较信号comp指示电源电压v
dd
不够大，可以缩小未定义区域。
[0054]
参阅图5，本发明电压不足侦测电路的第二实施例类似于第一实施例，且与第一实施例不同的地方在于：n型金属氧化物半导体场效晶体管41的栅极端是电连接到n型金属氧化物半导体场效晶体管311的栅极端，而不是电连接到n型金属氧化物半导体场效晶体管321的栅极端。因此，在第二实施例中，n型金属氧化物半导体场效晶体管41产生的电流是第一电流i1的镜像。
[0055]
参阅图6，本发明电压不足侦测电路的第三实施例类似于第一实施例，且与第一实施例不同的地方在于：(1)未定义区域限制器4(见图1)被省略了；及(2)电压不足侦测电路还包括五个电容器71～75。
[0056]
在第三实施例中，电容器71～75各自具有一个第一端及一个第二端。电容器71的第一端电连接到第一电源导轨8以接收电源电压v
dd
。电容器71的第二端电连接到n型金属氧化物半导体场效晶体管312的栅极端。电容器72的第一端电连接到n型金属氧化物半导体场效晶体管322的栅极端。电容器72的第二端电连接到第二电源导轨9以接收地电压。电容器73的第一端电连接到p型金属氧化物半导体场效晶体管332的栅极端。电容器73的第二端电连接到第二电源导轨9以接收地电压。电容器74的第一端电连接到第一电源导轨8以接收电源电压v
dd
。电容器74的第二端电连接到电流镜32、33的共同节点。电容器75的第一端电连接到反相器5的输出端。电容器75的第二端电连接到第二电源导轨9以接收地电压。当电源电压v
dd
低于电流比较器3能正常提供比较信号comp的范围时，电容器71～75相配合使得比较信号comp、输出信号out1及输出信号out2分别在逻辑1状态、逻辑0状态及逻辑1状态，借此缩小未定义区域。需注意的是，在其他实施例中，可以省略电容器71～75中的一些。
[0057]
参阅图7，本发明电压不足侦测电路的第四实施例类似于第一实施例，且与第一实施例不同的地方在于：(1)第一电源导轨8是传输地电压，而不是传输电源电压v
dd
；(2)第二电源导轨9是传输电源电压v
dd
，而不是传输地电压；(3)双极性结型晶体管23、24是npn双极性结型晶体管，而不是pnp双极性结型晶体管；(4)开关14和金属氧化物半导体场效晶体管311、312、321、322、41、43是p型金属氧化物半导体场效晶体管，而不是n型金属氧化物半导
体场效晶体管；(5)金属氧化物半导体场效晶体管331、332、421是n型金属氧化物半导体场效晶体管，而不是p型金属氧化物半导体场效晶体管。因此，在第四实施例中，当n1·
i1》n2·
i2时，比较信号comp在逻辑0状态以指示电源电压v
dd
不够大，且开关14不导通；而当n1·
i1《n2·
i2时，比较信号comp在逻辑1状态以指示电源电压v
dd
足够大，且开关14导通。
[0058]
需注意的是，对第一实施例进行以获得第四实施例的修改也可以对第二实施例及第三实施例中的每一个进行。
[0059]
还需注意的是，在其它实施例中，可以对第四实施例进行下列修改。
[0060]
(1)电阻性元件42由n型金属氧化物半导体场效晶体管外的主动元件来实现，或由被动元件(例如电阻器)来实现。
[0061]
(2)反相器5是一个高偏斜反相器，且反相器6是一个低偏斜反相器，借此进一步缩小未定义区域。
[0062]
(3)未定义区域限制器4被省略了，反相器5是一个高偏斜反相器，且反相器6是一个低偏斜反相器。