CN101739055A - 产生参考电压与参考电流的产生器与产生方法 - Google Patents

Abstract

产生参考电压与参考电流的产生器与产生方法。该参考电压与参考电流产生器包括一参考电压产生电路，用来产生一第一电压与一第二电压，且组合产生一参考电压。第一电压与第二电压分别是对应一温度变化有一第一方向响应变化与一第二方向响应变化。一电压到电流转换电路耦接至参考电压产生电路，用来根据该第一电压输出一第一电流。第一电流随温度变化有该第一方向响应变化。一加法电路耦接至参考电压产生电路以及该电压到电流转换电路，用来从参考电压产生电路取出对应该第二电压的一第二电流，并且将该第一电流与该第二电流相加后产生一参考电流。第二电流随该温度变化有第二方向响应变化。

Description

产生参考电压与参考电流的产生器与产生方法

技术领域

本发明涉及一种产生与温度无关的参考电压与参考电流的技术，且特别涉及一种同时可以产生实质上与温度无关的参考电压与参考电流的技术。

背景技术

在集成电路设计中经常须要使用与温度无相关的参考电压及电流。这些参考电压及电流一般使用带差参考电路(Band-gap reference)产生，但是传统的带差参考电路无法在同一电路中产生出与温度无相关的电压与电流，必须分别设计为产生与温度无相关电压的带差参考电路及产生与温度无相关电流的带差参考电路。如此将会增加电路的元件数目，增加面积及功率消耗。

传统的产生与温度无相关电压的带差参考电路，如图1-3所示。这些电路都可以产生与温度无相关的电压，但是这些电路的电流为正温度相关的电流，因此如前面提到的，传统电路不能同时产生与温度不相关的电流。

在图1中，传统的带差参考电路，由两个PMOS晶体管100、104与两个NMOS晶体管102、106构成二条对称的路径，PMOS晶体管100、104的一端与一电压源108联接。NMOS晶体管102的一端通过双载子晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)110连接到地电压，然而NMOS晶体管106的一端通过电阻器R1及双载子晶体管112连接到地电压。双载子晶体管110的面积为A，而双载子晶体管112的面积为nA，因此例如产生V_Tln(n)/R1的电流，ln(n)代表对n值取自然对数。另外，另一路径包括串接的PMOS 114、电阻器R2以及面积为A的双载子晶体管116。如此，所产生的电流V_T ln(n)/R1流经电阻器R2得到(R2/R1)V_T 1n(n)的电压差。另外双载子晶体管116的V_BE也产生一电压差。在输出端的一参考电压Vref得到：

(1)Vref＝(R2/R1)V_T ln(n)+V_BE，

其中由于(R2/R1)V_T ln(n)是随温度变化有正方向的响应变化(正温度系数)，V_BE是随温度变化有负方向的响应变化(负温度系数)，因此，在适当的参数设计下，可使正温度系数与负温度系数彼此的影响相互抵消，而得到与温度无相关的参考电压Vref。

然而，虽然前述电路能取得一个与温度无关的参考电压Vref，但所能取得的电流V_T ln(n)/R1仍与温度正相关。

图1绘示了一种传统带差参考电路的设计方式。另外，图2绘示了另一种传统带差参考电路的设计方式。在图2中，PMOS 120、122、130以及BJ晶体管126、128、132与图1的电路一样，然而在图2的带差参考电路使用一运算放大器124取代NMOS晶体管102、106的使用。例如运算放大器124的负端连接到节点132，且正端连接到节点134。节点132与晶体管126连接，节点134与电阻器R1及晶体管128连接。

另一种传统的带差参考电路如图3所示。在图3中，再根据图2的电路做设计，将PMOS晶体管130以及BJ晶体管132省去，然而将电阻器R2与电阻器R1以节点134串联，如此也可以达到输出与温度无相关的参考电压。

上述图1～3的带差参考电路虽然可以产生与温度无相关的参考电压，但所取得的电流V_T ln(n)/R1仍与温度正相关。

另外，图4的带差参考电路是用来产生与温度无相关的参考电流的电路设计中的一种。参阅图4，其以图3的电路为基础，适当修改后可以得到与温度无相关的参考电流

(2)Iref＝V_T ln(n)/R1+V_BE/R2。

其中二个电阻器R2分别是连接在节点132、134与接地电压之间。然而图4的电路无法产生与温度无相关的参考电压。所以对传统的带差参考电路而言、无法在同一个电路中产生出与温度无相关的电压和电流。

如何设计出能同时产生与温度无相关的电压及电流的带差参考电路，以期节省电路使用面积及功率消耗，这是要考虑的课题。

发明内容

本发明提供一种参考电压与参考电流同时产生器与产生方法，无须使用两个带差参考电路，就可以同时产生与温度实质上无关的参考电压与参考电流。

本发明提供一种参考电压与参考电流产生器，包括一参考电压产生电路，用来产生一第一电压与一第二电压，并将该第一电压与该第二电压加以组合以产生一参考电压。第一电压与第二电压分别是对应一温度变化有一第一方向响应变化与一第二方向响应变化。一电压到电流转换电路耦接至该参考电压产生电路，用来根据该第一电压输出一第一电流。第一电流随温度变化有该第一方向响应变化。一加法电路耦接至该参考电压产生电路以及该电压到电流转换电路，用来从参考电压产生电路取出对应该第二电压的一第二电流，并且将该第一电流与该第二电流相加后产生一参考电流。第二电流随该温度变化有第二方向响应变化，以及参考电压与该参考电流皆与温度实质上无相关。

依据本发明一实施例，所述的参考电压与参考电流产生器中，例如该电压到电流转换电路还包括一映射电路，将该第一电流映射输入到该加法电路。

依据本发明一实施例，所述的参考电压与参考电流产生器中，例如该电压到电流转换电路包含一电阻器，用来将该第一电压转换成该第一电流。

依据本发明一实施例，所述的参考电压与参考电流产生器中，例如该第一方向响应变化是一负响应变化，该第二方向响应变化是一正响应变化。

依据本发明一实施例，所述的参考电压与参考电流产生器中，例如该第一方向响应变化是一正响应变化，该第二方向响应变化是一负响应变化。

依据本发明一实施例，所述的参考电压与参考电流产生器中，例如该参考电压产生电路是一带差参考电压产生器。

依据本发明一实施例，所述的参考电压与参考电流产生器中，例如该电压到电流转换电路从该带差参考电压产生器取出该第一电压，该加法电路从该带差参考电压产生器取出对应该第二电压的该第二电流。

依据本发明一实施例，所述的参考电压与参考电流产生器中，例如该参考电压是由该第一电压与该第二电压的相加电压。

本发明提供一种参考电压与参考电流产生方法，包括利用一电压产生电路产生一第一电压与一第二电压，该第一电压与该第二电压分别是对应一温度变化有一第一方向响应变化与一第二方向响应变化；根据该第一电压与该第二电压产生一参考电压；转换该第一电压以输出一第一电流，该第一电流随该温度变化有该第一方向响应变化；取得对应该第二电压的一第二电流，该第二电流随该温度变化有该第二方向响应变化；将该第一电流与该第二电流相加，以产生一参考电流。该参考电压与该参考电流皆与温度无相关。

依据本发明一实施例，所述的参考电压与参考电流产生方法中，例如该第一方向响应变化是一负响应变化，该第二方向响应变化是一正响应变化。

依据本发明一实施例，所述的参考电压与参考电流产生方法中，例如该第一方向响应变化是一正响应变化，该第二方向响应变化是一负响应变化。

依据本发明一实施例，所述的参考电压与参考电流产生方法中，例如该电压产生电路是一带差参考电压产生器。

依据本发明一实施例，所述的参考电压与参考电流产生方法中，例如从该带差参考电压产生器取得该第一电压，以及从该带差参考电压产生器取得对应该第二电压的该第二电流。

依据本发明一实施例，所述的参考电压与参考电流产生方法中，例如该参考电压是由该第一电压与该第二电压的相加电压。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1-3绘示传统产生与温度无相关电压的带差参考电路示意图。

图4绘示传统产生与温度无相关电流的带差参考电路示意图。

图5绘示依据本发明一实施例，同时产生参考电压与参考电流的电路区块示意图。

图6～8绘示依据本发明实施例，同时产生参考电压与参考电流的电路架构示意图。

【主要元件符号说明】

100、104、114：PMOS晶体管

102、106     ：NMOS晶体管

110、112、116：BJ晶体管

120、122、130：PMOS晶体管

124、157     ：运算放大器

126、128、132：BJT晶体管

132、134     ：节点

150          ：参考电压电流同时产生器

152          ：参考电压产生器

154          ：电压到电流转换器

156          ：加法单元

157          ：运算放大器

158          ：NMOS晶体管

160          ：映射电路

162、164、166：PMOS晶体管

具体实施方式

本发明的设计机制是加入电流温度系数消除机制于传统的带差参考电路中，使参考电路中电压以及电流的正温度系数与负温度系数都可以同时消除，让产生与温度无相关电压的带差参考电路可以同时产生与温度无相关的电流，藉此可以达到降低成本与节省功率消耗的效果。

本发明的带差参考电路可以同时产生与温度实质上无相关的电压及电流。以下举一些实施例做为本发明的描述，但是本发明不仅限于所举多个实施例，且所举实施例之间可以相互做适当结合。

图5绘示依据本发明实施例，参考电压与参考电流同时产生器的电路结构示意图。参阅图5，本实施例的参考电压与参考电流同时产生器150基本上包含三个区块，有参考电压产生器152、电压到电流转换器154以及一加法单元156。

参考电压产生器152用以产生参考电压与参考电流，其例如可以采用传统的带差电路，产生与温度实质上无关的参考电压，其例如包含有一第一电压与一第二电压，用以组合产生参考电压，例如关系式(1)的参考电压Vref，含有一电压V_BE与另一电压(R2/R1)V_T ln(n)分别是对应温度变化有一第一方向响应变化与一第二方向响应变化。Vref例如是由二个电压相加。在此实施例，V_BE是负方向的响应变化，(R2/R1)V_T ln(n)是正方向的响应变化，因此，可通过适当的参数设计，使正负温度系数的效应相互抵消后得到与温度实质上无关的参考电压Vref。

电压到电流转换电路154接收电压V_BE，经转换后输出一电流，例如通过有电阻R3的电阻器，得到电流I_NTAT＝V_BE/R3，其随温度变化有负的响应变化。加法电路156从参考电压产生电路152取出对应电压(R2/R1)V_Tln(n)的电流V_T ln(n)/R1，其随温度变化有正的响应变化。加法电路将第一电流与第二电流相加后产生一参考电流，其与随温度变化实质上无关。参考电流Iref如关系式(3)所示：

(3)Iref＝V_T ln(n)/R1+V_BE/R3。

由于V_T ln(n)/R1与V_BE/R3的二个电流随温度的变化是相反的方向，因此可以通过适当的参数设计，抵消正负温度系数所造成的电流变化，达到实质上与温度无关的参考电流。因此，与温度无关的参考电流与参考电压可以同时被产生。

就较详细的电路而言，图6-8是几个实施例。参阅图6，例如利用图1的传统带差参考电压产生器为基础，其可以产生所要的参考电压Vref，但是传统的带差参考电压产生器无法产生与温度实质上无关的参考电流Iref。依照图5的架构，通过加法单元156的PMOS晶体管166，从带差参考电压产生器取得一部分电流，I_PTAT＝V_Tln(n)/R1，其是与温度正相关的特性。

另外，电压到电流转换电路154例如包括一运算放大器157，例如其正输入端(+)由带差参考电压产生器接收对应BJ晶体管110的Vx＝V_BE电压，运算放大器157的负输入端(-)由输出端反馈，得到一电压Vy以及一电流I_NTAT，流经电阻值为R3的一电阻器，其关系是I_NTAT＝Vy/R3，其中，由于运算放大器157的正负输入端为虚拟接地(virtual ground)，因此Vx与Vy相等，亦即Vy＝V_BE，I_NTAT＝V_BE/R3。电流I_NTAT通过一映射电路160将电流I_NTAT映射到加法单元156与电流I_PTAT相加。电流I_NTAT是与温度负相关的特性，因此与电流I_PTAT抵消温度效应，仅使用一个带差参考电压产生器，可同时得到与温度实质上无关的参考电流Iref。

参阅图7，本发明的电路例如采用图2的带差参考电压产生器也可以达到相同效果。运算放大器157的正输入端(+)由带差参考电压产生器接收对应BJ晶体管110的Vx＝V_BE电压，负输入端(-)由输出端反馈，得到一电压Vy以及一电流I_NTAT。

参阅图8，又本发明的电路例如采用图3的带差参考电压产生器也可以达到相同小效果。运算放大器的正输入端(+)由带差参考电压产生器接收对应BJ晶体管126的Vx＝V_BE电压，负输入端(-)由输出端反馈，得到一电压Vy以及一电流I_NTAT。

在此请注意，图6～8所示的电路仅为本发明的实施例，而非本发明的限制。也就是说，本发明的基本概念可对应图5的电路区块，其可包含参考电压产生器152、电压到电流转换器154以及一加法单元156。参考电压产生器152可采用传统的带差参考电路产生参考电压。然而，本发明再通过电压到电流转换器154以及加法单元156，将对应二部分电压的二个电流取出后，经过调整其大小值后相加，得到参考电流Iref。

就方法而言，本发明提出一种参考电压与参考电流产生方法，包括利用一电压产生电路产生一第一电压与一第二电压，其分别是对应一温度变化有一第一方向响应变化与一第二方向响应变化，而参考电压是通过组合该第一电压与该第二电压而产生。又、取得第一电压且将其转换输出一第一电流，该第一电流随温度变化有第一方向响应变化，取得对应该第二电压的一第二电流，此第二电流随温度变化有第二方向响应变化，而本发明另将第一电流与该第二电流相加，以产生一参考电流。

换句话说，本发明基于一个参考电压产生电路，并通过其间接产生的电压或电流，经适当转换得到参考电流，因此本发明无须另外设置另一参考电流产生器。

虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

Claims (14)

1.一种参考电压与参考电流产生器，包括：

一参考电压产生电路，用来产生一第一电压与一第二电压，并将该第一电压与该第二电压加以组合以产生一参考电压，其中该第一电压与该第二电压分别是对应一温度变化有一第一方向响应变化与一第二方向响应变化；

一电压到电流转换电路，耦接至该参考电压产生电路，用来根据该第一电压输出一第一电流，其中该第一电流随该温度变化有该第一方向响应变化；以及

一加法电路，耦接至该参考电压产生电路以及该电压到电流转换电路，用来从参考电压产生电路取出对应该第二电压的一第二电流，并且将该第一电流与该第二电流相加后产生一参考电流，

其中该第二电流随该温度变化有该第二方向响应变化，以及该参考电压与该参考电流皆与温度实质上无相关。

2.如权利要求1所述的参考电压与参考电流产生器，其中该电压到电流转换电路还包括一映射电路，将该第一电流映射输入到该加法电路。

3.如权利要求1所述的参考电压与参考电流产生器，其中该电压到电流转换电路包含一电阻器，用来将该第一电压转换成该第一电流。

4.如权利要求1所述的参考电压与参考电流产生器，其中该第一方向响应变化是一负响应变化，该第二方向响应变化是一正响应变化。

5.如权利要求1所述的参考电压与参考电流产生器，其中该第一方向响应变化是一正响应变化，该第二方向响应变化是一负响应变化。

6.如权利要求1所述的参考电压与参考电流产生器，其中该参考电压产生电路是一带差参考电压产生器。

7.如权利要求6所述的参考电压与参考电流产生器，其中该电压到电流转换电路从该带差参考电压产生器取出该第一电压，该加法电路从该带差参考电压产生器取出对应该第二电压的该第二电流。

8.如权利要求1所述的参考电压与参考电流同时产生器，其中该参考电压是由该第一电压与该第二电压的相加电压。

9.一种参考电压与参考电流产生方法，包括：

利用一电压产生电路产生一第一电压与一第二电压，该第一电压与该第二电压分别是对应一温度变化有一第一方向响应变化与一第二方向响应变化；

根据该第一电压与该第二电压产生一参考电压；

转换该第一电压以输出一第一电流，该第一电流随该温度变化有该第一方向响应变化；

取得对应该第二电压的一第二电流，该第二电流随该温度变化有该第二方向响应变化；以及

将该第一电流与该第二电流相加，以产生一参考电流，

其中该参考电压与该参考电流皆与温度无相关。

10.如权利要求9所述的参考电压与参考电流产生方法，其中该第一方向响应变化是一负响应变化，该第二方向响应变化是一正响应变化。

11.如权利要求9所述的参考电压与参考电流产生方法，其中该第一方向响应变化是一正响应变化，该第二方向响应变化是一负响应变化。

12.如权利要求9所述的参考电压与参考电流产生方法，其中该电压产生电路是一带差参考电压产生器。

13.如权利要求12所述的参考电压与参考电流产生方法，是从该带差参考电压产生器取得该第一电压，以及从该带差参考电压产生器取得对应该第二电压的该第二电流。

14.如权利要求9所述的参考电压与参考电流产生方法，其中该参考电压是由该第一电压与该第二电压的相加电压。

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