CN101042592A - 电压参考电路 - Google Patents

Abstract

电压参考电路包括正温度系数电流产生器、负温度系数电流产生器、以及第一电阻。在正温度系数电流产生器内，有两晶体管操作在弱反转区，且第二电阻串接在两晶体管的栅极之间。第二电阻利用操作在弱反转区的晶体管近似双极晶体管的特性，产生正温度系数电流。负温度系数电流产生器，通过负温度系数电压压降在第三电阻上，产生负温度系数电流。正温度系数电流与负温度系数电流一同流经第一电阻，进而产生稳定的参考电压。

Description

电压参考电路

技术领域

本发明涉及一种电压参考电路，且特别是涉及一种CMOS晶体管的电压参考电路。

背景技术

图1为半导体工艺技术相关参数的曲线图。随着MOS(metal-oxide-silicon)晶体管通道长度缩减的同时，MOS晶体管的临界电压V_TH并没有随着操作电压V_DD成比例的递减。因此在电压空间(headroom)被限制的条件下，所有模拟电路都面临着如何在低操作电压V_DD下，依旧维持电路原有的性能。

图2为传统电压参考电路的电路图，其采用了偏压在次临界区(subthreshold region)的PMOS晶体管MP21和MP22，成功地换取较大的电压空间，让电路得以工作在低操作电压V_DD下。传统电压参考电路包括由PMOS晶体管MP24～MP26所组成的电流镜、PMOS晶体管MP21～MP23、操作放大器201、以及电阻R21与R22。为了以下说明方便，也标示出结点电压V₂₁与V₂₂。接着将以图2来说明传统电压参考电路的工作原理及其缺点。

由图2的节点电压V₂₁和V₂₂来看，通过操作放大器201与PMOS晶体管MP24与MP25所形成的回授机制，让节点电压V₂₁等同于节点电压V₂₂，因此配合简单的电路分析，可以推导出流经电阻R₂₁的电流I₂₁大小为

I₂₁＝(V_SG21-V_SG22)/R₂₁    (1)

在此的电流I₂₁通过电流镜复制到电阻R₂₂上，此时输出的参考电压V_BG就等同于

V_BG＝V_SG23+R₂₂/R₂₁*(V_SG21-V_SG22)    (2)

由于PMOS晶体管MP21和MP22以1∶K的面积比例偏压在次临界区，因此进而可以将参考电压V_BG以近似双极结型晶体管(bipolarjunction transistor)的电流特性表示成：

$V_{\mathrm{BG}}=V_{\mathrm{SG}23}+\frac{R_{22}}{R_{21}}\·n\·V_T\·\ln \left(K\right)---\left(3\right)$

其中n为工艺参数、V_T为热电压。由上述公式(3)可知，传统电压参考电路利用负温度系数电压V_SG23与正温度系数电压V_T合成的情况下，进而产生与温度无关的参考电压V_BG。

然而，随着电路结构的转变，传统电压参考电路为了让PMOS晶体管MP21与MP22操作在次临界区，却也造成电阻R21必须采用较大的电阻值，且电流镜M24～M26可能操作在次临界区的窘境。此外，传统电压参考电路所输出的参考电压V_BG，其中的负温度系数电压V_SG23不是一个单纯只与负温度系数有关的常数项，因为负温度系数电压V_SG23是由PMOS晶体管MP23，偏流在和绝对温度成比例(proportional to absolute temperature，PTAT)的电流下，而产生的栅-源极电压，加上操作放大器201的两输入电压(也就是节点电压V₂₁和V₂₂)过小的情况下，都限制住了传统电压参考电路的电路性能。

发明内容

本发明的目的是在提供一种电压参考电路，以确保电路工作在低操作电压下，依旧可以供应温度依赖性低且稳定的参考电压。

为达成上述及其它目的，本发明提出一种电压参考电路。正温度系数电流产生器用以产生正温度系数电流。负温度系数电流产生器则用以产生负温度系数电流。正温度系数电流与负温度系数电流流经第一电阻，汇集成与温度无关的电流，进而从第一电阻输出稳定的参考电压。正温度系数电流产生器包括：第二电阻、第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、正温度系数电流镜、第一操作放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻、以及第六电阻。第一PMOS晶体管与第二PMOS晶体管偏压于弱反转区，因此串接在两晶体管栅极间的第二电阻，就可利用第一PMOS晶体管与第二PMOS晶体管近似于双极结型晶体管的电流特性，产生正温度系数电流。正温度系数电流镜利用第一操作放大器所形成的负回授机制，产生第一PMOS晶体管与第二PMOS晶体管所需的偏流，并利用第三与第四电阻所提供的另一条到地电流路径，确保正温度系数电流镜维持在强反转区。第一操作放大器的两输入电压则通过第五电阻与第六电阻的压降，而提高至第一操作放大器的共模输入范围中。

负温度系数电流产生器包括：负温度系数电流镜、第二操作放大器、第七电阻、第三PMOS晶体管、以及温度无关电流源。温度无关电流源提供偏流给第三PMOS晶体管，使第三PMOS晶体管的栅-源极电压为单纯只与负温度系数相关的电压。此负温度系数电压(第三PMOS晶体管的栅-源极电压)通过第二操作放大器两输入端虚短路的特性，压降在第七电阻上，进而产生负温度系数电流。

故而，在本发明之电压参考电路中，正温度系数电流与负温度系数电流汇集成温度依赖性低的电流后来流经第一电阻，进而产生稳定的参考电压。与传统结构相比之下，其中的正温度系数电流产生器还通过变换第二电阻的连接方式，让电路得以操作在低操作电压的同时，也降低了电路布局面积的消耗。

为让本发明之上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明之较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为半导体工艺技术相关参数的曲线图。

图2为传统电压参考电路的电路图。

图3为根据本发明一实施例的电压参考电路的电路图。

图4～图8为根据本实施例的电压参考电路的电路特性曲线图。

主要元件标记说明

201、311、312：操作放大器

300：电压参考电路

301：正温度系数电流产生器

302：负温度系数电流产生器

304：正温度系数电流镜

305：负温度系数电流镜

313：温度无关电流源

R37、R21、R22、R31、R32、R33、R34、R35、R36：电阻

MP21、MP22、MP23、MP24、MP25、MP26、MP31、MP32、MP33、MP34、MP35、MP36、MP37、MP38、MP39：PMOS晶体管

具体实施方式

图3为本发明一实施例的电压参考电路，包括正温度系数电流产生器301、负温度系数电流产生器302、以及电阻R37。正温度系数产生器301与负温度系数产生器302的输出，都通过电阻R37连接至地端。正温度系数产生器301用以产生正温度系数电流I_PTC，而负温度系数电流产生器302用以产生负温度系数电流I_NTC。之后两电流I_PTC和I_NTC合成与温度无关的电流I_TC，此电流I_TC会流经电阻R37，形成与温度依赖性低的稳定参考电压V_BG。

正温度系数电流产生器301包括操作放大器311、由PMOS晶体管MP31～MP34所组成的正温度系数电流镜304、PMOS晶体管MP35和MP36、以及电阻R31～R34。操作放大器311的两输入端分别连接至PMOS晶体管MP31与MP32的漏极，而其输出端则与PMOS晶体管MP31～MP34的栅极电连接。PMOS晶体管MP31具有：连接于操作电压V_DD的源极；连接于电阻R31的漏极；以及连接于操作放大器311的栅极。PMOS晶体管MP32具有：连接于操作电压V_DD的源极；连接于电阻R32的漏极；以及连接于操作放大器311的栅极。PMOS晶体管MP33具有：连接于操作电压V_DD的源极；连接于电阻R35的漏极；以及连接于操作放大器311的栅极。晶体管MP34具有：连接于操作电压V_DD的源极；连接于电阻R37的漏极；以及连接于操作放大器311的栅极。电阻R31串接在PMOS晶体管MP31的漏极与PMOS晶体管MP35的漏极之间，而电阻R32则串接在PMOS晶体管MP32的漏极与PMOS晶体管MP36的漏极之间。两电阻R31与R32还分别通过另两电阻R33与R34连接至地端。电阻R35的两端分别连接至PMOS晶体管MP35与MP36的栅极。为了以下说明方便，在此标示出结点电压Va与Vb。

正温度系数电流产生器301通过操作放大器311与PMOS晶体管MP31与MP32所形成的回授机制，让节点电压Va等同于节点电压Vb。如此，可知推导出压降在电阻R35上的电压差ΔV_SG可表示如下：

ΔV_SG＝V_SG35-V_SG36    (4)

相对的流经电阻R35的电流I31可表示如下：

I31＝(V_SG35-V_SG36)/R35    (5)

为了使本电压参考电路能工作在低操作电压V_DD下，本实施例的PMOS晶体管MP35和MP36以1∶K的面积比例操作在次临界区。两晶体管MP35和MP36的电流特性在近似于双极结型晶体管的情况下，可以将电压V_SG35和V_SG36以下列公式表示

$V_{\mathrm{SG}35}\≈V_{\mathrm{TH}}+n\·V_T\·\ln \left(\frac{I_{D35}}{{(W/L)}_{35}\·I_{\mathrm{DO}}}\right)---\left(6\right)$

$V_{\mathrm{SG}36}\≈V_{\mathrm{TH}}+n\·V_T\·\ln \left(\frac{I_{D36}}{{(W/L)}_{36}\·I_{\mathrm{DO}}}\right)---\left(7\right)$

其中V_TH为临界电压、n与I_DO为工艺参数、V_T为热电压、I_D为流经MOS晶体管的漏极电流、(W/L)₃₅为PMOS晶体管MP35的元件宽长比、(W/L)₃₆为PMOS晶体管MP36的元件宽长比。通过公式(4)～(7)，可以进一步推导出流经电阻R35的电流I31为

$I31=\frac{1}{R35}\·n\·V_T\·\ln \left(K\right)---\left(8\right)$

由于热电压V_T为正温度系数的常数项，因此通过正温度系数电流镜304复制电流I31而形成的输出电流I_PTC为正温度系数电流。

为了避免正温度系数电流镜304操作在次临界区，正温度系数电流产生器301利用电阻R33与R34，形成另一电流路径给正温度系数电流镜304使用，使得正温度系数电流镜304可以通过分支电流I32与I33维持在强反转区(strong inversion region)。此外，操作放大器311的两输入端分别通过电阻R31与R32连接至PMOS晶体管MP35与MP36。电阻R31与R32上的压降，将有助于操作放大器311两输入电压(也就是节点电压Va与Vb)的提高，进而让操作放大器311在使用上，不会受限于共模输入范围的考虑。

在依照本实施例的电压参考电路中，负温度系数电流产生器302包括操作放大器312、温度无关电流源313、由PMOS晶体管MP37和MP38所组成的负温度系数电流镜305、PMOS晶体管MP39、以及电阻R36。操作放大器312的两输入端分别通过，以二极管连接方式的PMOS晶体管MP39与电阻R36连接至地端，其输出则连接至PMOS晶体管MP37与MP38的栅极。温度无关电流源313串接在操作电压V_DD与PMOS晶体管MP39之间。PMOS晶体管MP39的栅极与漏极相互连接至地端，且其源极连接至温度无关电流源313。负温度系数电流镜305的连接关系的描述如下。PMOS晶体管MP37具有：源极，连接至操作电压V_DD；栅极，连接至操作放大器312的输出端；漏极，连接至电阻R37。PMOS晶体管MP38具有：源极，连接至操作电压V_DD；栅极，连接至操作放大器312的输出端；漏极，连接至电阻R36。

负温度系数电流产生器302为了提供负温度系数的电流，因此利用温度无关电流源313提供PMOS晶体管MP39的偏流，以产生只与负温度系数相关的电压V_SG39。利用操作放大器312两输入端虚短路的特性，将电压V_SG39压降在电阻R36上，形成电流大小为V_SG39/R36的电流I34。之后，电流I34通过负温度系数电流镜305的复制，让负温度系数电流产生器302产生负温度系数的电流I_NTC。

为了进一步了解本实施例的电压参考电路，图4～图8标示出了本实施例的电路特性，以下将分别一一作说明。于图4中，标示出本实施例在操作电压V_DD为1V的情况下，输出参考电压V_BG在温度从-40℃变换到125℃的过程中，参考电压变化量ΔV_BG为2.73mV。于图5中，标示出本实施例在操作电压V_DD为1V、参考电压变化量ΔV_BG为2.66mV的情况下，正温度系数电流I_PTC与负温度系数电流I_NTC的相互关系。于图6中，标示出本实施例的电压参考电路，在正常操作下，可容许的最小操作电压V_DD约为600mV。于图7中，标示出本实施例在不同操作电压V_DD(V_DD＝0.6V～1.5V)下，参考电压V_BG随着温度变化的情况，其中由不同操作电压V_DD所引起的参考电压变化量ΔV_BG为8.91mV。最后于图8中，标示出本实施例的电压参考电路在工艺参数变动下，也就是在不同模型下(FF、TT、SF、FS、SS)下，参考电压V_BG的变动情形。上数这些模型为本发明所采用的工艺技术，所附有的工艺变化考虑。

综上所述，本发明之实施例利用正温度系数产生器与负温度系数产生器，产生与温度依赖性低的稳定参考电压。在与传统结构相比之下，本发明通过变换电阻连接方式的电路结构，使电路得以工作在低操作电压下的同时，也降低了电路的布局面积，以及本身电路对操作放大器的限制。电阻R35的电阻值比公知技术大为减少，故而可更进一步缩减本实施例的电路面积。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (12)

1.一种电压参考电路，其特征是包括：

正温度系数电流镜，用于产生正温度系数电流；

负温度系数电流镜，连接于该正温度系数电流镜，用于产生负温度系数电流；

第一电阻，该正温度系数电流流经该第一电阻；

第一晶体管，连接于该正温度系数电流镜与该第一电阻；

第二晶体管，连接于该正温度系数电流镜、该第一电阻与该第一晶体管；以及

第二电阻，连接于该正温度系数电流镜与该负温度系数电流电流镜，该正温度系数电流与该负温度系数电流流经该第二电阻，参考电压从该第二电阻输出。

2.根据权利要求1所述的电压参考电路，其特征是该正温度系数电流电流镜包括：

第三晶体管，具有：连接于电源端的第三源极；第三栅极；以及第三漏极；

第四晶体管，具有：连接于该电源端的第四源极；连接于该第三晶体管的该第三栅极的第四栅极；以及第四漏极；

第五晶体管，具有：连接于该电源端的第五源极；连接于该第三晶体管的该第三栅极的第五栅极；以及连接于该第一电阻的第五漏极；以及

第六晶体管，具有：连接于该电源端的第六源极；连接于该第三晶体管的该第三栅极的第六栅极；以及连接于该第二电阻的第六漏极。

3.根据权利要求2所述的电压参考电路，其特征是该负温度系数电流电流镜包括：

第七晶体管，具有：连接于该电源端的第七源极；第七栅极；以及连接于该第六晶体管的该第六漏极的第七漏极；以及

第八晶体管，具有：连接于该电源端的第八源极；连接于该第七晶体管的该第七栅极的第七栅极；以及第八漏极。

4.根据权利要求3所述的电压参考电路，其特征是还包括第一操作放大器，具有：连接于该第四晶体管的该第四漏极的第一正输入端；连接于该第三晶体管的该第三漏极的第一负输入端；以及连接于该第三、第四、第五与第六晶体管的该第三、第四、第五与第六栅极的第一输出端，其中该第一正输入端与该第一负输入端的电压相等。

5.根据权利要求4所述的电压参考电路，其特征是该第一晶体管包括：第一源极；连接于该第一电阻的第一栅极；以及接地的第一漏极。

6.根据权利要求5所述的电压参考电路，其特征是该第二晶体管包括：第二源极；连接于该第一电阻的第二栅极；以及接地的第二漏极，其中该第一电阻连接于该第一晶体管的该第一栅极与该第二晶体管的该第二栅极之间。

7.根据权利要求6所述的电压参考电路，其特征是还包括：

第三电阻，连接于该第三晶体管的该第三漏极与该第一晶体管的该第一源极之间；以及

第四电阻，连接于该第四晶体管的该第四漏极与该第二晶体管的该第二源极之间。

8.根据权利要求6所述的电压参考电路，其特征是还包括：

第五电阻，连接于该第一晶体管的该第一源极与该接地端之间；以及

第六电阻，连接于该第二晶体管的该第二源极与该接地端之间。

9.根据权利要求6所述的电压参考电路，其特征是还包括第七电阻，连接于该第八晶体管的该第八漏极与该接地端之间，该负温度系数电流流经该第七电阻。

10.根据权利要求9所述的电压参考电路，其特征是还包括温度无关电流源，连接于该电源，以产生温度无关电流。

11.根据权利要求10所述的电压参考电路，其特征是还包括第九晶体管，具有：连接于该温度无关电流源的第九源极，以及接地的第九栅极与第九漏极，该第九晶体管的栅极-源极电压为负温度系数电压。

12.根据权利要求11所述的电压参考电路，其特征是还包括第二操作放大器，具有：连接于该第八晶体管的该第八漏极的第二正输入端；连接于该温度无关电流源的第二负输入端；以及连接于该第七晶体管的该第七栅极与该第八晶体管的该第八栅极的第二输出端；该第二正输入端的电压为该负温度系数电压。

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