CN101770249B - 低电压能带隙参考电路 - Google Patents

Abstract

本发明是一种能带隙参考电路，用以产生实质上与温度及电源供应无关的输出参考电压，其包括：第一参考信号产生器、第一阻抗、第二参考信号产生器与第二阻抗。第一参考信号产生器能产生正比于绝对温度的第一参考信号。第二参考信号产生器依据第一参考信号产生一随绝对温度作互补的第二参考信号。而第二阻抗、串联耦接的第一阻抗与第二参考信号产生器，以及第一参考信号产生器并联耦接至两节点间并通过此两节点提供输出参考电压。依据本发明，此能带隙参考电路能以复杂度低的额外电路实施以得到能改变及较低的参考电压。

Description

低电压能带隙参考电路

技术领域

本发明是有关于一种能带隙参考电路(bandgap reference circuit)，且特别是有关于一种低电压能带隙参考电路。

背景技术

能带隙参考电路广泛地应用于集成电路中，其典型的应用，是用以提供约1.25V的参考电压。此参考电压较外界电源供应的电压更为准确，并且其受温度变化及电源供应的变异的影响也小。能带隙参考电路是利用一个正比于绝对温度的电路来补偿双载子晶体管基射极的负温度系数，从而得能实质上不受温度变化影响的参考电压。

为了符合不同集成电路的应用需求，希望能得到低于此标准值约1.25V的参考电压。例如，请参见图1所示的现有模拟系统的能带隙参考电路，此电路是出自Behzad Razavi所著的“模拟CMOS集成电路设计(DESIGN OF ANALOGCMOS INTEGRATED CIRCUITS)”一书。在图1中，能带隙参考电路100的核心电路110的节点E及F是与一额外的电路120的运算放大器125的两输入端连接，并在运算放大器125两输入端与两输出端之间分别接上电阻。最后，能带隙参考电路100能产生可改变的参考电压。

故此，为了取得低于1.25V的参考电压，现有的做法是于能带隙参考电路的核心电路接上额外的电路，例如图1中的额外的电路120。而此额外的电路往往是采用复杂的模拟元件而成，如是造成整体系统的电路面积增大，电路复杂度及制作成本亦随之提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种低电压能带隙参考电路，其能产生能改变的低参考电压。依据本发明实施例，此低电压能带隙参考电路能以复杂度较低的额外的电路达成。

根据本发明的第一方面，提出一种能带隙参考电路，用以产生一输出参考电压。此能带隙参考电路包括：第一参考信号产生器、第一阻抗、第二参考信号产生器以及第二阻抗。第一参考信号产生器，具有一输出端耦接至一第一节点，用以自输出端产生一正比于绝对温度的第一参考信号。第一阻抗与第二参考信号产生器串联耦接，第二参考信号产生器用以依据第一参考信号产生一随绝对温度作互补的第二参考信号。而第二阻抗、串联耦接的第一阻抗与第二参考信号产生器，以及第一参考信号产生器是并联耦接至第一节点及一第二节点之间；其中，能带隙参考电路通过第一节点及第二节点提供输出参考电压。

根据本发明的第二方面，提出一种能带隙参考电路，用以产生一输出参考电压。此能带隙参考电路包括：第一参考信号产生器、第一阻抗、第二参考信号产生器以及第二阻抗。第一参考信号产生器，具有一输出端耦接至一第一节点，用以自输出端产生一随绝对温度作互补的第一参考信号。第一阻抗与第二参考信号产生器串联耦接，第二参考信号产生器用以依据第一参考信号产生一正比于绝对温度的第二参考信号。而第二阻抗、串联耦接的第一阻抗与第二参考信号产生器，以及第一参考信号产生器是并联耦接至第一节点及一第二节点之间；其中，能带隙参考电路通过第一节点及该第二节点提供输出参考电压。

对于上述所提的能带隙参考电路，第一参考信号与第二参考信号是互相补偿使得输出参考电压与温度及电源实质上无关，而且输出参考电压实质上是由第一阻抗及第二阻抗以及一能带隙电压值而决定。

附图说明

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下面将配合附图对本发明的较佳实施例作详细说明，其中：

图1绘示一现有的能带隙参考电路的电路图。

图2绘示依照本发明的一第一实施例的能带隙参考电路的方块图。

图3绘示依照本发明的第一实施例的能带隙参考电路的一实作例子的电路图。

图4A及图4B是图3的能带隙参考电路分别于两种不同的电阻值的设计下，供给不同电源电压之下操作，其输出参考电压随温度的变化的示意图。

图5绘示依照本发明的第一实施例的能带隙参考电路的另一实作例子的电路图。

第6及7图绘示可应用于本发明的第一实施例的正温度系数特性的电路的其它例子。

图8绘示依照本发明的一第二实施例的能带隙参考电路的方块图。

图9、图10及图11绘示可应用于实施本发明的第二实施例的负温度系数特性的电路。

具体实施方式

第一实施例

请参考图2，本发明的一第一实施例的能带隙参考电路的方块图。在图2中，能带隙参考电路200，用以产生一输出参考电压V_BG。能带隙参考电路200包括：一第一参考信号产生器210、一第一阻抗220、一第二参考信号产生器230与一第二阻抗240。能带隙参考电压V_BG实质下与温度无关，并且可随第一阻抗220与第二阻抗240的阻抗值Z₁及Z₂而决定大小，如下实施例所示，输出参考电压V_BG可得到低于此标准值约1.25V的能带隙参考电压。

第一参考信号产生器210，具有一输出端耦接至一第一节点N1，用以自该输出端产生一正比于绝对温度(proportional to absolute temperature，PTAT)的第一参考信号，例如是一正温度系数的电流I_PTAT。第一阻抗(Z₁)220与第二参考信号产生器230串联耦接，第二参考信号产生器230用以依据第一参考信号产生一随绝对温度作互补(complementary to absolute temperature，CTAT)的第二参考信号，例如是一负温度系数的电压。第二阻抗240、串联耦接的第一阻抗220与第二参考信号产生器230，以及第一参考信号产生器210，其并联耦接至第一节点N1及一第二节点N2之间。又如图2，上述三者并联耦接至第一节点N1及接地(或某一电位点)，故亦可视其为并联耦接至两节点之间。能带隙参考电路200通过第一节点N1及第二节点N2提供输出参考电压V_BG。

第一参考信号与该第二参考信号是互相补偿使得输出参考电压V_BG与温度及电源实质上无关，而且输出参考电压V_BG实质上是由第一阻抗220及第二阻抗240以及一能带隙电压值而决定，例如是此约1.25V的值。

第二阻抗240是用以使输出参考电压V_BG小于能带隙电压值。

请参考图3的依照本发明的第一实施例的能带隙参考电路的一实作例子的电路图，其中的第一阻抗及第二阻抗皆为电阻。在图3中，能带隙参考电路300包括：第一参考信号产生器310、第一电阻320、第二参考信号产生器330与第二电阻340。能带隙参考电路300通过节点N相对及接地点之间提供输出参考电压V_BG。

在图3中，第一参考信号产生器310在节点N输出一正温度系数的电流I_PTAT。在此命名I_PTAT为I₁，在节点N经分流后，第一电阻的跨压为一正比于绝对温度的电压为I₂R2。第二参考信号产生器330包含一依定电流而操运作的晶体管Q₃，其所产生的第二参考信号为一随绝对温度作互补的电压，亦即一负温度系数的电压V_BE3。此正比于绝对温度的电压I₂R2与随绝对温度作互补的电压V_BE3互相补偿使得输出参考电压V_BG与温度及电源实质上无关。

以下针对图3中，节点N及第一电阻320、第二参考信号产生器330与第二电阻340所形成的回路，来计算输出参考电压V_BG，依上述分析电路，可得到：

I₁＝I₂+I₃                (1)

V_BG＝I₃R₃＝V_BE3+I₂R₂     (2)

将第(1)式代入第(2)式中消去I₃，并以V_BE3及I₁表I₂，可得：

$I_2=\frac{I_1{R}_3-V_{\mathrm{BE}3}}{R_2+R_3}---\left(3\right)$

将第(3)式代入第(2)式，可得：

$V_{\mathrm{BG}}=V_{\mathrm{BE}3}+\left(\frac{I_1{R}_3-V_{\mathrm{BE}3}}{R_2+R_3}\right)R_2=\frac{V_{\mathrm{BE}3}{R}_3+I_1{R}_3{R}_2}{R_2+R_3}=\frac{R_3}{R_2+R_3}(V_{\mathrm{BE}3}+I_1{R}_2)$

$=\frac{R_3}{R_2+R_3}(V_{\mathrm{BE}3}+\frac{V_T\ln n}{R_1}{R}_2)---\left(4\right)$

$\≈\frac{R_3}{R_2+R_3}\×1.25$

其中，1.25V即传统的能带隙参考电压，在此可称为能带隙电压值V_g。

能带隙电压值V_g的推导如下。第一参考信号产生器310的晶体管Q1与Q2之间的ΔV_BE，在除以R₁后而产生一个正温度系数的电流I_PTAT即I₁，其关系式为：I_PTAT＝ΔV_BE/R₁＝(V_Tln n)/R₁。在室温下 $\∂V_{\mathrm{BE}}/\∂T\≈-1.5\mathrm{mV}/K,$ $\∂V_T/\∂T\≈+0.087\mathrm{mV}/K.$ 为了使V_BG是零温度系数的电压源，可以计算得出：(0.087mV/K)ln n·(R₂/R₁)＝1.5mV/K，也就是：ln n·(R₂/R₁)＝1.5/0.087≈17.2。因此，在公式(4)的推演过程中的V_BE3+(V_Tln n)(R₂/R₁)≈1.25V，此即传统的约为1.25V的能带隙参考电压。

故此，图3所示的能带隙参考电路300的输出参考电压V_BG实质上依据：Vg×Z₂/(Z₁+Z₂)而决定，其中Z₁，Z₂，V_g分别代表第一阻抗的值及第二阻抗的值以及能带隙电压值V_g。在图3的中，Z₁＝R₂，Z₂＝R₃，V_g＝1.25伏特。由公式(4)可知，输出参考电压V_BG的值小于1.25伏特，并可值由调整R₂或R₃的数值以作调整。

图4A是图3的能带隙参考电路于R₂＝199KΩ及R₃＝597KΩ时，分别供给不同电源电压之下操作，其输出参考电压V_BG随温度的变化的模拟结果的示意图。图4B是图3的能带隙参考电路于R₂＝378KΩ及R₃＝696KΩ时，供给不同电源电压之下操作，其输出参考电压V_BG随温度的变化的模拟结果的示意图。在图4A(或图4B)所代表的模拟中，是分别设定供应电压为3、3.3及3.6伏特，在此三种供应电压下操作，输出参考电压V_BG随温度变化的三条曲线的差异很小，故三条曲线重叠在一起。由此可见，输出参考电压V_BG可视为实质上与电源供应的变化无关。另外，从图4A观察得知，在-20℃至100℃之间，输出参考电压V_BG的变化范围在约884.1mV(相对应为-20℃)至约886.4mV(相对应约为55.12℃)之间。另外，从图4B观察得知，在-20℃至100℃之间，输出参考电压V_BG在约721.5mV(相对应为-20℃)至约725.85mV(相对应约为28.34℃)之间变化。由此可见，输出参考电压V_BG可视为实质上与温度的变化无关。

接着，图5绘示第一实施例的能带隙参考电路的另一实作例子，其中，能带隙参考电路500与图3的能带隙参考电路300不同之处在于采用了不同的第一参考信号产生器510。图6及图7绘示可应用于本发明的第一实施例的正温度系数特性的电路的其它例子。图6中的能带隙参考电路600包括一第一参考信号产生器610，其是具有正温度系数特性的电路。图7中的能带隙参考电路700包括一第一参考信号产生器710，其是具有正温度系数特性的电路。依此，熟悉此技术者当可采用其它具有正温度系数特性的电路以实作第一参考信号产生器。

第二实施例

图8绘示依照本发明的一第二实施例的能带隙参考电路的方块图。在图8中，能带隙参考电路800与图2中的能带隙参考电路200的主要差异在于：能带隙参考电路800的第一参考信号产生器810为具有负温度系数特性的电路及第二参考信号产生器830则为具有正温度系数特性的电路。

第一参考信号产生器810用以自输出端产生一随绝对温度作互补的第一参考信号，例如一负温度系数的电流I_CTAT。图9、图10及图11绘示可应用于实施本发明的第二实施例的负温度系数特性的电路的实作例子。

至于第二参考信号产生器830，是用以依据第一参考信号产生一正比于绝对温度的第二参考信号，例如一正温度系数的电流I_PTAT或是电压，而且第一参考信号与第二参考信号是互相补偿使得输出参考电压V_BG与温度及电源实质上无关。如此，输出参考电压V_BG实质上是由第一阻抗820及第二阻抗840以及一能带隙电压值V_g而决定。故此，此领域中熟悉此技术者可依据上述图3、图5、图6或图7的具有正温度系数特性的电路，将的应用或经调整之后依照本发明的实施例以应用于第二实施例中以实作第二参考信号产生器830。

反之，对于实施第一实施例而言，此领域中熟悉此技术者亦可依据上述图9、图10或图11的中具有负温度系数特性的电路的范例，将其应用或经调整之后应用于第一实施例中以实作的第二参考信号产生器230。

另外，对于上述的第一及第二实施例的能带隙参考电路的在其它例子中，第二阻抗可为一等效阻抗回路，此回路包括多个阻抗以串联或并联或串并联的方式形成。又，在其它例子中，第二阻抗为一可变阻抗；第二阻抗是可变阻抗并受控于一控制信号以改变其阻抗值。由此，在其它实施例中，输出参考电压V_BG可随着需要而作动态的改变，或者以数字方式来选择改变欲得的输出参考电压V_BG-的大小。

本发明上述实施例所揭露的能带隙参考电路，能有效产生实质上与温度及电源供应变化无关的输出参考电压，并能随着需要，通过设计或调改阻抗值以改变输出参考电压的大小，特别是能得到小于标准值约1.25V的能带隙参考电压。再者，依据本发明的低电压能带隙参考电路能以复杂度较低的额外的电路达成，例如实施例中以单纯的电阻而达成，如此可减少集成电路面积及复杂度。在此实施例中，改以单纯的方式代替现有复杂的额外的电路，不但能达成有效地产生较小的参考电压，并带来应用设计上的弹性。再者，本发明的实施例更能有效降低制作成本。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种等同的改变或替换。因此，本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。

Claims (18)

1.一种能带隙参考电路，用以产生一输出参考电压，该能带隙参考电路包括：

一第一参考信号产生器，具有一输出端耦接至一第一节点，用以自该输出端产生一正比于绝对温度的第一参考信号；

一第一阻抗；

一第二参考信号产生器，其中该第一阻抗与该第二参考信号产生器串联耦接，用以依据该第一参考信号产生一随绝对温度作互补的第二参考信号；以及

一第二阻抗，其中该第二阻抗、串联耦接的该第一阻抗与该第二参考信号产生器，以及该第一参考信号产生器并联耦接至该第一节点及一第二节点之间；其中，该能带隙参考电路通过该第一节点及该第二节点提供该输出参考电压；

其中，该第一参考信号与该第二参考信号是互相补偿使得该输出参考电压与温度及电源无关，而且该输出参考电压依据：

而决定，其中Z₁，Z₂，V_g分别代表该第一阻抗的值及该第二阻抗的值以及该能带隙电压值。

2.根据权利要求1所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第二阻抗是用以使该输出参考电压小于该能带隙电压值。

3.根据权利要求2所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第二阻抗为一回路的等效阻抗，该回路包括多个阻抗。

4.根据权利要求2所述的能带隙参考电路，其特征在于，该能带隙电压值Vg约等于1.25伏特。

5.根据权利要求2所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第二阻抗为一可变阻抗。

6.根据权利要求5所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第二阻抗是该可变阻抗并受控于一控制信号。

7.根据权利要求1所述的能带隙参考电路，其特征在于，该能带隙电压值V_g约等于1.25伏特。

8.根据权利要求1所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第一阻抗的跨压为一正比于绝对温度的电压，该第二参考信号为一随绝对温度作互补的电压，该正比于绝对温度的电压与该随绝对温度作互补的电压互相补偿使得该输出参考电压与温度及电源无关。

9.根据权利要求1所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第一阻抗及该第二阻抗皆为电阻。

10.一种能带隙参考电路，用以产生一输出参考电压，该能带隙参考电路包括：

一第一参考信号产生器，具有一输出端耦接至一第一节点，用以自该输出端产生一随绝对温度作互补的第一参考信号；

一第一阻抗；

一第二参考信号产生器，其中该第一阻抗与该第二参考信号产生器串联耦接，用以依据该第一参考信号产生一正比于绝对温度的第二参考信号；以及

一第二阻抗，其中该第二阻抗、串联耦接的该第一阻抗与该第二参考信号产生器，以及该第一参考信号产生器并联耦接至该第一节点及一第二节点之间；其中，该能带隙参考电路通过该第一节点及该第二节点提供该输出参考电压；

其中，该第一参考信号与该第二参考信号是互相补偿使得该输出参考电压与温度及电源无关，而且该输出参考电压依据：

而决定，其中Z₁，Z₂，V_g分别代表该第一阻抗的值及该第二阻抗的值以及该能带隙电压值。

11.根据权利要求10所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第二阻抗是用以使该输出参考电压小于该能带隙电压值。

12.根据权利要求11所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第二阻抗为一回路的等效阻抗，该回路包括多个阻抗。

13.根据权利要求11所述的能带隙参考电路，其特征在于，该能带隙电压值V_g约等于1.25伏特。

14.根据权利要求11所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第二阻抗为一可变阻抗。

15.根据权利要求14所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第二阻抗是该可变阻抗并受控于一控制信号。

16.根据权利要求10所述的能带隙参考电路，其特征在于，该能带隙电压值Vg约等于1.25伏特。

17.根据权利要求10所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第一阻抗的跨压为一随绝对温度作互补的电压，该第二参考信号为一正比于绝对温度的电压，该正比于绝对温度的电压与该随绝对温度作互补的电压互相补偿使得该输出参考电压与温度及电源无关。

18.根据权利要求10所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第一阻抗及该第二阻抗皆为电阻。

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