CN101241379A - 能隙参考电路 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种能隙参考电路，包括：参考电流产生电路，在第一与第二电流路径上产生第一与第二参考电流；电流镜，根据第一与第二参考电流以在第三电流路径上产生第三参考电流；操作放大器，以令该第一参考电流等于该第二参考电流；以及回授电路，以令第一电流路径上的一节点电压等于该第三电流路径上的一节点电压，以消除该电流镜的可能通道长度调变效应所导致的误差。
Description
技术领域
本发明是有关于能隙参考电路的一种改良方式，能改善能隙参考电路的电源斥拒比(PSRR)与温度系数的电气特性。
背景技术
数字模拟转换器(DAC)、模拟数字转换器(ADC)或稳压器(regulator)会需要至少一种固定且稳定的参考电压。此参考电压最好在每次电源启动时能稳定地再生。理想的参考电压最好不受到制程差异，操作温度变化，与电源变异等影响。
能隙参考电路(bandgap reference circuit)可用于提供参考电压。故而，在许多电子系统中，能隙参考电路扮演重要角色，因为其会决定系统整体的稳定度与精准度。
一般而言，能隙参考电路会包括数个主要部份：电流镜，操作放大器，能隙电流产生器(bandgap current generator)与负载。
图1显示传统能隙参考电路的电路图。此能隙参考电路包括：MOS晶体管M11～M13；操作放大器OP1；BJT晶体管Q11与Q12、电阻R11与R12(其组成能隙电流产生器)；以及电阻R13。
图1的能隙电流产生器包含两条电流路径：I1A与I1B，I1A＝I1B＝I11+I12。I11为正温度系数(PTAT)电流，而I12则为负温度系数(CTAT)电流。所以，理想上，由I11+I12所合成的I1A/I1B可被视为温度无关电流。另外，因为电流镜的操作，I1C＝I1A＝I1B，所以I1C也可被视为温度无关电流。因为VREF＝I1C*R13，VREF也可被视为温度无关电压。
但是当考虑到MOS晶体管的通道长度调变效应时，I1A＝I1B≠I1C。这是因为，通过操作放大器的虚拟接地效应(V1A＝V1B)会使得MOS晶体管M11与M12的汲极-源极电压相等。但是，另一节点电压V1C却未必等于V1A/V1B。如此一来，MOS晶体管M11与M12的汲极-源极电压未必等于MOS晶体管M13的汲极-源极电压；亦即，VDSM11＝VDSM12≠VDSM13。此汲极-源极电压的不匹配对于电源与温度是相当灵敏，也就是将导致不良的电源斥拒比(PSRR)温度系数。
为此，最好有一种能隙参考电路的改良技术，能够改良现有习知技术的缺点，亦即较差的温度系数与PSRR特性。此外，最好是，能不需特殊电路组件即可达成，也就是能在标准的CMOS制程来实现。
发明内容
故而，本发明的目的在于，提供一种能隙参考电路的改良架构，其能适用于一般的电流型(current mode)能隙参考电路。
本发明又提供能隙参考电路的一种改良架构，其可提供较佳的温度系数与PSRR特性。
本发明另提供一种可在低电压电源下操作且对温度系数相关性低的能隙参考电路，其可用CMOS制程来实现。
基于上述及其它目的，本发明提出一种能隙参考电路的改良方式，包括：一参考电流产生电路，在第一与第二电流路径上产生第一与第二参考电流；一电流镜，根据该第一与第二参考电流以在第三电流路径上产生第三参考电流；一第一操作放大器，耦接至该第一与第二电流路径，以令该第一电流路径上的一第一节点电压本质上等于该第二电流路径上的一第二节点电压；一回授电路，耦接至该第一与第三电流路径，以令该第一节点电压本质上等于该第三电流路径上的一第三节点电压；以及一参考负载，耦接至该回授电路，以提供一参考电压。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1显示传统能隙参考电路的电路图。
图2显示根据本发明较佳实施例的能隙参考电路的电路方块图。
图3～图6显示本发明实施例的数个例子。
图7a与图7b显示现有习知技术(图1)与本实施例(图3)的参考电压VREF对温度的关系曲线图。
图8a～图8f显示在不同电压源下，现有习知技术(图1)与本实施例(图3)的参考电压VREF对温度的关系曲线图。
图9a与图9b显示现有习知技术(图1)与本实施例(图3)的参考电压VREF对电压源的关系曲线图。
图10a～图10f显示在不同仿真温度下，现有习知技术(图1)与本实施例(图3)的参考电压VREF对电压源的关系曲线图。
M11～M13、M21、M31～M34、M41～M44、M51～M55、M61～M66：MOS晶体管
OP1、OP21、OP22、OP31、OP32、OP41、OP42、OP51、OP52、OP61、OP62：操作放大器
Q11、Q12、Q31、Q32、Q41、Q42、Q51～Q53：BJT晶体管
R11～R13、R2、R31～R33、R41～R43、R51～R56、R61～R64：电阻
210：电流镜
220：能隙电流产生器
230：回授电路
具体实施方式
为了使本发明的内容更为明了，以下特举实施例作为本发明确实能够据以实施的范例。
在本发明实施例中，为改良现有习知技术中的电流镜的MOS晶体管的汲极-源极电压的不匹配，故利用另一操作放大器来使得电流镜中所有MOS晶体管的汲极-源极电压彼此实质相等，因而可降低由通道长度调变效应所带的电路误差。
请参考图2，其显示根据本发明较佳实施例的能隙参考电路的电路方块图。能隙参考电路包括：电流镜210，操作放大器OP21，能隙电流产生器220，回授电路230与负载R2。
能隙电流产生器220用于产生温度无关电流I2A与I2B。在此，能隙电流产生器220的架构可不特别限定，至少能达成此功能即可。操作放大器OP21可令节点电压V2A＝V2B。
电流镜210根据能隙电流产生器220所产生的电流I2A与I2B而镜射出另一温度无关电流I2C。同样地，在此，电流镜210的架构可不特别限定，至少能达成此功能即可。
回授电路230可令节点电路V2C＝V2A，如此一来，可令电流镜210内的所有MOS晶体管(未显示出)实质上具有相同的汲极-源极电压。因而，即使考虑通道长度调变效应，电流镜210内的所有MOS晶体管所产生的电流实质上会彼此匹配。也就是，假设用于产生电流I2A，I2B与I2C的MOS晶体管的尺寸皆相同，则I2A＝I2B＝I2C，且电流I2A，I2B与I2C皆为温度无关。
回授电路230比如包括操作放大器OP22与MOS晶体管M21。操作放大器OP22的正负输入端分别耦接至节点V2A与节点V2C，其输出端则耦接至MOS晶体管M21的闸极。MOS晶体管M21的源极耦接至节点V2C与电流镜210，其闸极耦接至操作放大器OP22的输出端，其汲极耦接至负载R2。
图3～图6显示本实施例的数个例子，熟习此项技艺者当知本发明并不受限于该些例子。图3的能隙参考电路包括：MOS晶体管M31～M33(其组成电流镜)；操作放大器OP31；操作放大器OP32与MOS晶体管M34(其组成回授电路)；数个电流组件(比如为BJT晶体管Q31与Q32、电阻R31与R32；以及电阻R33。此外，电流组件除了用BJT晶体管来实施外，也可用：二极管、运作于次临界区的金氧半晶体管或二极管连接方式N信道金氧半晶体管(DTNMOS，diode turn-on NMOS)等来实施。
通过操作放大器OP31与OP32的负回授效应，使得V3A＝V3B＝V3C。如此一来，MOS晶体管M31～M33的汲极-源极电压实质上会彼此相等。即使考虑通道长度调变效应，MOS晶体管M31～M33所产生的电流I3A/I3B/I3C也会彼此相等(假设MOS晶体管M31～M33的尺寸皆相等)。
图4的能隙参考电路包括：MOS晶体管M41～M43(其组成电流镜)；操作放大器OP41；MOS晶体管M44与操作放大器OP42(其组成回授电路)；数个电流组件(比如为BJT晶体管Q41/Q42；电阻R41/R42；以及负载R43。此外，电流组件除了以BJT晶体管来实施外，也可用：二极管、运作于次临界区的金氧半晶体管或二极管连接方式N信道金氧半晶体管等来实施。
图5的能隙参考电路包括：MOS晶体管M51～M54(其组成电流镜)；操作放大器OP51；MOS晶体管M55与操作放大器OP52(其组成回授电路)；数个电流组件(比如为BJT晶体管Q51～Q53)；电阻R51～R55；以及负载R56。此外，电流组件除了以BJT晶体管来实施外，也可用：二极管、运作于次临界区的金氧半晶体管或二极管连接方式N信道金氧半晶体管等来实施。
图6的能隙参考电路包括：MOS晶体管M61～M63(其组成电流镜)；操作放大器OP61；MOS晶体管M64与操作放大器OP62(其组成回授电路)；数个电流组件(比如为MOS晶体管M65～M66，其运作于次临界区)；电阻R61～R63；以及负载R64。此外，电流组件除了以运作于次临界区的MOS晶体管来实施外，也可利用：二极管、BJT晶体管，或二极管连接方式N信道金氧半晶体管等来实施。
为简化起见，图4～图6的详细操作原理在此不再重述，但现有习知此技者当可知通过图4～图6的架构及图2的原理，以避免信道长度调变效应所导致的误差。
为更加进一步证明本实施例所能产生的优点，发明人列举数个仿真的特征曲线图于图7～图10。
图7a与图7b显示现有习知技术(图1)与本实施例(图3)的参考电压VREF对温度的关系曲线图。在图7a与图7b中，五条曲线由上而下分别代表在不同电压源(VDD＝1.0V、VDD＝1.1、VDD＝1.2V、VDD＝1.3与VDD＝1.4V)下的关系曲线图。请注意，由于在本实施例中，在各种电压源所得到的参考电压皆非常相近，故而在图7b中不容易分辨出5条曲线。
现有习知技术(图1)与本实施例(图3)在不同电压源下的温度系数比较表如下。
图8a～图8f显示在不同电压源下，现有习知技术(图1)与本实施例(图3)的参考电压VREF对温度的关系曲线图。在图8a～图8f中，符号PFNF代表PMOS Fast NMOS Fast；而PTNT则代表PMOS Typical NMOS Typical，PSNS则代表PMOS Slow NMOS Slow。PFNF、PTNT与PSNS的意思为现有习知此技者所明了，于此不于详述。
同样地，在图8a～8f中，五条曲线由上而下分别代表在不同电压源下(VDD＝1.0V、VDD＝1.1、VDD＝1.2V、VDD＝1.3与VDD＝1.4V)的关系曲线图。请注意，由于在本实施例中，各种电压源所得到的参考电压皆非常相近，故而在图8d～8f中不容易分辨出5条曲线。
图9a与图9b显示现有习知技术(图1)与本实施例(图3)的参考电压VREF对电压源的关系曲线图。在图9a与图9b中，五条曲线由上而下分别代表在不同仿真温度下(-40℃，0℃，+25℃，+85℃与+125℃)所得的关系曲线图。请注意，由于在本实施例中，在不同电压源所得到的参考电压皆非常相近，故而在图9b中不容易分辨出5条曲线。
现有习知技术(图1)与本实施例(图3)在不同温度下的PSRR系数比较表如下。
图10a～图10f显示在不同仿真温度下，现有习知技术(图1)与本实施例(图3)的参考电压VREF对电压源的关系曲线图。
同样地，在图10a～10f中，五条曲线由上而下分别代表在不同仿真温度下(-40℃，0℃，+25℃，+85℃与+125℃)所得的关系曲线图。请注意，在本实施例中，于各种仿真温度下所得到的参考电压皆非常相近，故而在图10d～10f中不容易分辨出5条曲线。
故而，本实施例的优点在于，其可提供较佳温度系数与PSRR特性，又可在低电压电源下操作且对温度系数相关性低。
此外，因为利用另一操作放大器来使得电流镜中所有MOS晶体管的汲极-源极电压彼此实质相等，因而可降低因为通道长度调变效应所带的电路误差。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1. 一种能隙参考电路，其特征在于：
一参考电流产生电路，在一第一电流路径上产生一第一参考电流；
一电流镜，根据该第一参考电流以在一第二电流路径上产生一第二参考电流；以及
一回授电路，耦接至该第一与第二电流路径，以令该第一电流路径上的一第一节点电压本质上等于该第二电流路径上的一第二节点电压。
2. 根据权利要求1所述的能隙参考电路，其特征在于其更包括一参考负载，耦接至该回授电路，以提供一参考电压。
3. 根据权利要求1所述的能隙参考电路，其特征在于，其中所述的参考电流产生电路更在一第三电流路径上产生一第三参考电流。
4. 根据权利要求3所述的能隙参考电路，其特征在于其更包括一第一操作放大器，具有：一正输入端，耦接至该第三电流路径；一负输入端，耦接至该第一电流路径，以及一输出端，耦接至该电流镜。
5. 根据权利要求2所述的能隙参考电路，其特征在于其中所述的回授电路包括一第二操作放大器与一第一晶体管。
6. 根据权利要求5所述的能隙参考电路，其特征在于其中所述的第二操作放大器具有：一正输入端，耦接至该第一电流路径；一负输入端，耦接至该第二电流路径，以及一输出端，耦接至该第一晶体管。
7. 根据权利要求6所述的能隙参考电路，其特征在于其中所述的第一晶体管具有：一源极，耦接至该第二电流路径；一闸极，耦接至该第二操作放大器的该输出端；以及一汲极，耦接至该参考负载。
8. 根据权利要求1所述的能隙参考电路，其特征在于其中所述的参考电流产生电路包含有：
至少一第一电流组件，耦接于该第一电流路径，其可于该第一电流路径上传导电流；以及
至少一第二电流组件，耦接于该第二电流路径，其可于该第二电流路径上传导电流，
其中，各该第一电流组件与该第二电流组件可从：双载子接面晶体管、二极管、运作于次临界区的金氧半晶体管或二极管连接方式N信道金氧半晶体管中择出。
9. 一种能隙参考电路，其特征在于包括：
一参考电流产生电路，在一第一与一第二电流路径上产生一第一与一第二参考电流；
一电流镜，根据该第一与第二参考电流以在第三电流路径上产生一第三参考电流；
一第一操作放大器，耦接至该第一与第二电流路径，以令该第一电流路径上的一第一节点电压本质上等于该第二电流路径上的一第二节点电压；
一回授电路，耦接至该第一与第三电流路径，以令该第一节点电压本质上等于该第三电流路径上的一第三节点电压；以及
一参考负载，耦接至该回授电路，以提供一参考电压。
10. 根据权利要求9所述的能隙参考电路，其特征在于，其中：
该回授电路包括一第二操作放大器与一第一晶体管；
该第二操作放大器具有：一正输入端，耦接至该第一电流路径；一负输入端，耦接至该第三电流路径，以及一输出端，耦接至该第一晶体管；以及
该第一晶体管具有：一源极，耦接至该第三电流路径；一闸极，耦接至该第二操作放大器的该输出端；以及一汲极，耦接至该参考负载。
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