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1、用于提供参考电压的装置和方法专利名称：用于提供参考电压的装置和方法技术领域：本发明一般地涉及电子应用，更具体地，涉及用于提供参考电压的电路和方法。背景技术：许多电子设备在各种条件下使用参考电压对电路供电来工作。在许多这种设备 中，如果对于设备的操作来说不是非常重要的话，至少希望节省电力。例如，用电池电源来 工作的便携式设备必须节省电力以延长该设备的使用期限。不幸地，从电力需量和电路功 能的观点来看，很难实现低功耗。在这方面，实现这种低功率操作很重要，也很具挑战性。许多低功率电路设计针对各种操作特性采用参考电压(Vref)。用在这些设计 中的电路通常依赖于温度和工艺，参考电压电平根据电源噪声而变
2、化，这可由电源抑制比 (PSRR)来表示。PSRR值依赖于电源噪声的频率以及电源的相应变化(Vdd的变化)。对于Vdd的甚低频电源变化，PSRR的DC值(PSRR(DC)通常过小以至于不能用于 许多应用。例如，如果Vdd在大约5%到10%的范围内变化(这是许多电路的特性)，则不 稳定Vref变化在几十毫伏的量级上，这通常是可承受的。然而，如果Vdd在更大范围(例 如，超过10% )上变化，则Vref的容限范围通常是不可接受的。例如，在Vref从2V到4V 波动的情况下，当Vdd上升到大约2. 2V以上一直到4V时，使用Vdd来提供恒定低电压(2V) 电源导致显著的功率损耗，因为这种更高的功率是
3、在2V-4V操作的大范围上提供的但却未 得以利用。这些和其他问题对转换电路的实现提出了挑战。发明内容正如以下详细说明中直接和间接地提出的，本发明的各个方面涉及用于产生参考 电压的装置和方法，该参考电压服从低功率操作，使其针对和克服上述问题和其他问题。根据本发明的示例实施例，一种系统从电源提供低功率参考电压，所述电源提供 在电压范围上波动的电压。所述系统包括调节电路，从电源电压产生内部电压，所述内部 电压与电压范围内的低电压相对应；参考电压电路，耦合至调节电路，用于接收所产生的内 部电压以及从内部电压产生参考电压；采样和保持存储电路，耦合至参考电压电路，用于接 收所产生的参考电压，存储参考电压，
4、以及提供所存储的电压作为输出。控制电路，周期地 耦合电源以产生参考电压，以及周期地耦合存储电路以存储参考电压，其中根据存储电路 以及将参考电压连接至存储电路的电路的电路特性来控制耦合性质(即，耦合和去耦合的 定时)。这些特性可以包括例如与随时间将参考电压维持在存储状态的能力有关的充电和 漏电特性。根据本发明的另一示例实施例，一种存储和控制电路装置用于从电源提供参考电 压，所述装置包括电源开关，与电源连接用于产生参考电压；存储电路，接收并存储所产 生的参考电压。存储开关将存储电路耦合至所产生的参考电压。控制电路控制电源开关和 存储开关的闭合和断开，以根据存储电路和存储开关的电路特性来分别周期性地
5、耦合电源和存储电路。通过以下方式来实现这种控制针对每个周期，在第一时间段内闭合电源开 关，并在第一时间段之后断开电源开关。还针对每个周期，在第一时间段期间的第二时间段 内闭合存储开关，并在第二时间段之后断开存储开关。在给定周期断开存储开关与在后续 周期闭合存储开关之间的时间是存储时间，响应于第一时间段来控制所述存储时间。根据本发明的另一示例实施例，从在电压范围上波动的电源电压来产生参考电 压。从电源电压产生内部电压，内部电压与电压范围内的低电压相对应，从内部电压产生参 考电压。参考电压存储在存储电路处，作为输出来提供所存储的电压。周期性地耦合电源 以产生参考电压，周期性地耦合存储电路以存储参考
6、电压。根据存储电路以及将参考电压 连接至存储电路的电路的电路特性来控制周期耦合。本发明的以上概述并不旨在描述本发明的每一个实施例或每一种实现方式。通 过结合附图参考以下详细描述以及权利要求，本发明的其他方面将变得显而易见并得以理解。结合附图，通过以下对本发明不同实施例的详细描述，将更全面地连接本发明，附 图中图1示出了根据本发明示例实施例的采用采样和保持方法的参考电压电路和方 法；图2示出了根据本发明示例实施例的低电压电源控制电路；图3示出了根据本发明另一示例实施例的经过调节的电源电压；以及图4示出了根据本发明另一示例实施例的低电压电源电路。具体实施例方式尽管本发明可以有各种修改和替代形式，然
7、而在附图中以示例的方式示出了本发 明的特定细节，并将详细描述这些特定细节。然而，应理解，本发明不希望限于所描述的具 体实施例。相反，本发明希望覆盖落入由所附权利要求所限定的本发明的范围之内的所有 修改、等同和替代方案。相信本发明可以应用于各种用于提供低功率的装置和方法。尽管本发明不必限于 这样的应用，然而通过在这种环境下对示例的讨论可以最佳地理解本发明的各方面。根据本发明的示例实施例，功率控制电路从波动的电源提供低功率的一致的参考 电压。电源调节器从波动的电源产生内部电源电压，所述内部电源电压被周期地存储。相 对于功率控制电路的特性来具体控制存储和后续更新事件的定时，以使得可以针对多种应 用来
8、产生一致的低功率参考电压。根据本发明的另一示例实施例，参考电压控制电路以缓解不期望的功耗和/或损 耗情况(包括与电源电压(Vdd)的波动相关的功耗和/或损耗情况)的方式耦合电源。调 节回路在Vdd上产生恒定的内部电源电压，以提供参考电压(Vref)，所述参考电压(Vref) 通常不具有电源电压Vdd所呈现的波动。从而将电源电压Vdd作为电源电压用到调节回路， 调节回路使用Vdd并通常以平坦或无波动的电源电压(例如，相对于Vdd的波动)的形式 来提供Vref。使用采样和保持方法来降低电流消耗，如下所述。参考电压Vref存储在存储器 件处(例如，电容器)，其中Vref的值根据漏电电流在存储周期之间
9、下降(例如，经由连 接存储器件的电路而连接至地以提供电压)。该方法可能具有几毫伏的纹波效应(ripple effect)o补偿电路通过相对于电路的元件而控制提供和存储电力所用的定时，来控制前述 漏电效应(纹波效应)。将电源开关控制为将电源耦合至存储开关，所述存储开关被控制为 将电源耦合至存储器件。每个开关分别在每个周期期间闭合设定的时间，其中，当存储开关 闭合时，电源开关闭合以将电源耦合至存储开关。在针对特定周期闭合存储开关与针对后 续周期断开存储开关之间的时间，相对于每个周期期间闭合电源开关的时间的时间比被设 置为是至少大约2 1。在这种情况下，针对每个周期，电源开关刚好在存储开关断开之前
10、断开，并刚好在存储开关闭合之后闭合。现在转向附图，图1示出了针对实施例的示例电路100和时间曲线图105，所述实 施例涉及采用如下采样和保持型方法对相关的电源开关和存储开关的应用的控制。电源 110提供电压“vdd”并通过电源开关S1 (122)耦合至参考电压源120。参考电压源122提 供参考电压“vref”并通过存储开关S2(132)耦合至存储电路130。如曲线图105所示，电源开关122(S1)和存储开关132(S2)分别闭合时间“tsl” 和“ts2”，其中绘制了随时间每个开关的电平以及参考电压vref。在特定周期闭合存储开 关与在随后的周期断开存储开关之间的时间表征为“Tmem”(在
11、该时间内电压电平被保持 或“存储”在存储器件中)。通过控制开关操作或操作特性和电路元件的选择(如，开关的 大小以及存储器件130的特性(例如，电容器的大小)，将比率Tmem tsl控制为大于大 约2 1。这种控制缓解了 vref随时间的显著“纹波”或波动(由“mV纹波”表示)，这种 “纹波”对于各种应用来说可以几乎或近似为零。图2示出了根据本发明另一示例实施例的用于使用电源(vdd)来提供参考电压 (vref)的系统200。通常，系统200使用调节放大器(regulation amplifier)将参考电压 的内部电源(vdd_int)保持为大致恒定。采用采样和保持技术(例如，如上所述)来实现
12、调 节放大器，以便降低在提供相对恒定的与温度无关的vref中的电流消耗。例如，在vdd从 2V到5. 5V波动的情况下，以大约300nA的电流消耗以及上述采样和保持方法来实现的这种 调节放大器以非常低的电流消耗(例如，对于5. 5V的电源vdd，大约800nA)产生vref。产生vdd_int的调节回路包括两级放大器。第一级是单端差分放大器，所述单端 差分放大器具有被示为W/L = 3. 6/1. 8的的NM0S晶体管以及被示为W/L = 1. 8/1. 8的的 PM0S负载晶体管。W/L = 18/1. 8的差分放大器的NM0S电流源传输大约75nA的低电流。第 二级包括30X1. 8/1.
13、 8的低欧姆PM0S晶体管，该低欧姆PM0S晶体管与单端差分放大器的 PM0S负载元件以及包括W/L = 3X18/1. 8的NM0S电流源在内的NM0S负载元件匹配。第二 级的电流消耗是大约225nA。图2的系统200结合不同实施例实现了在图3的电路300中所示的(并且正如结 合图1而实现的那样)功能特性。图3的反馈回路中的电阻器R1和R2分别由三个堆叠的 被示为W/L = 3/11. 8的PM0S晶体管(针对R1)以及3XW/L = 18/1. 8的匪OS电流源(针 对R2)来实现。通过确定比率R1/R2的大小来实现vdd_int = 2V的调节。在许多应用中， R1的堆叠的PM0S晶体管
14、是控制该比率的主器件，NM0S电流源通常确定调节vdd_int的时间常数。在一些应用中，调节回路放大器的电流消耗(大约300nA)将调节的时间常数设置 为相对较大，从而特性为DC调节(例如，相对于高速调节)。根据AC特性，放大器的闭合回 路增益是大约17dB，相补角(phase margin)是大约65度。对于在2V至5. 5V的示例vdd电力范围上的DC电源抑制比(PSRR(DC)值，以表 格的形式示出了图2中系统200的示例工作特性。这些PSRR(DC)值在从77dB到95dB的 范围内。 对于这些方法，低vdd值通常与包括NMOS和PMOS晶体管的阈值电压在内的工艺 参数有关。例如，对于
15、图2中给定的1 m CMOS工艺，由于温度(T)是大约_40C，所以vdd 的最低值通常是大约2V，vctat (与绝对温度互补的电压(complementary-to-absolute-te mperaturevoltage)的特性产生大约1. 95V的vdd_int值。采用该方法，低温度确定了低 (例如最小)vdd值。如果在这一点上，vdd = 2V并且Vddnt = 1. 95V，则PMOS增益晶体 管的VDS值是50mV，通常与95dB左右的vref的DC调节相对应。将PMOS增益晶体管的W/ L值设置为相对较大(30X 1. 8/1. 8)，以将通过该晶体管的IDS电流设置为可应用于
16、略微低 于2V的vdd值。在室温下，vdd_int的值是大约1. 7V。如果vdd的相应最小值是1. 7V并 且vdd_int还应被调节为1.7V，则PMOS增益晶体管的VDS值大约为0。因此，可以将vdd 的最小值设置为大约1. 75V,以产生高PSRR(DC)值。除了上述以外，参考源中的电流镜也对vdd最小值相应的vdd_int的值有影响。例 如，如果设计表现出最小尺寸的W和L(例如W/L = 1/1) JUvdcLint的变化可以在IOOmV 的量级上，认为vdd的最小值也在同样的量级上变化。参考图2，通常可以相应地使用大约 6. 2/6. 2的更大W/L值来实现电流镜，以减小这种影响。这实现了鲁棒的设计并且便于在从 2V到5. 5V的vdd的大功率范围上以参考电压源的较高PSRR(DC)值来实现高产出。如果调节放大器的增益级的所有负载元件都级联，则PSRR(DC)值大于大约90dB。 在这些情况下，不同实施例旨在工作于高PSRR(DC)与vdd的大功率范围之间的折中处。将vdd的最小值减小或以其他方式控制为1.
