CN102375468A - 能带隙参考电路及能带隙参考电流源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能带隙参考电路包含有一第一双载子晶体管；一第一电阻，用来产生一正温度系数电流；一第二双载子晶体管；一第二电阻，用来产生一负温度系数电流；一第一运算放大器，耦接于该第一双载子晶体管及该第一电阻；一第二运算放大器，耦接于该第一双载子晶体管及该第二电阻；以及一零温度系数电流产生器，用来加总该正温度系数电流及该负温度系数电流，以产生一零温度系数电流。

Description

能带隙参考电路及能带隙参考电流源

技术领域

本发明涉及一种能带隙参考电路及能带隙参考电流源，尤指一种具有较小布局面积的能带隙参考电路及能带隙参考电流源。

背景技术

模拟电路应用中常使用不受温度变化影响的稳定参考电压源或电流源，来提供一参考电压或参考电流，以利监督电源或是其它电路的操作正确性，而能带隙参考电路(Bandgap Reference Circuit)即为此类电路。简单来说，能带隙参考电流源是将一正温度系数(proportional to absolute temperature，PTAT)的电流与一负温度系数(complementary to absolute temperature，CTAT)的电流以适当比例混合相加，将正温度系数与负温度系数相互抵销后，产生一零温度系数的电流。

详细来说，请参考图1，图1为公知技术中一能带隙参考电流源10的示意图。能带隙参考电流源10包含有一启动电路100及一能带隙参考电路102。启动电路100可于一系统电压VDD大于P型金氧半晶体管104、106的源闸极电压差时(即VDD＞2VSG)，启动能带隙参考电路102的运作。如图1所示，在能带隙参考电路102中，一功率放大器108的正负输入端输入电压VA与VB相等(VA＝VB＝VEB1)，通过双载子晶体管Q1及Q2的基射极电压差VEB1-VEB2及阻值为R的一电阻Rptat，可产生一正温度系数电流Iptat，如式(1)所示：

$\mathrm{Iptat}=\frac{\mathrm{VEB}1-\mathrm{VEB}1}{R}=\frac{V_T\ln K}{R}---\left(1\right)$

其中，K表示双载子晶体管Q2可视为由K个双载子晶体管Q1并联而成。由于临限电压VT是正温度系数，因此由式(1)可知电阻Rptat所载的正温度系数电流Iptat是正温度系数。

另一方面，通过双载子晶体管Q1的基射极电压差VEB1及阻值为L*R的一电阻Rctat，可产生一负温度系数电流Ictat，如式(2)所示：

$I_{\mathrm{CTAT}}=\frac{\mathrm{VEB}1}{L*R}---\left(2\right)$

其中，由于VEB1具有负温度系数，因此电阻Rctat所载的负温度系数电流Ictat是负温度系数。如此一来，经过适当调整电阻Rctat的阻值L*R，可通过加总正温度系数电流Iptat与负温度系数电流Ictat产生一零温度系数电流Iref，如式(3)所示：

$\mathrm{Iref}=\mathrm{Iptat}+\mathrm{Ictat}=\frac{V_T\ln K}{R}+\frac{\mathrm{VEB}1}{L*R}$

$\frac{\∂\mathrm{Iref}}{\∂T}=\frac{\ln K}{R}*\frac{\∂V_T}{\∂T}+\frac{1}{L*R}*\frac{\∂\mathrm{VEB}1}{\∂T}=0$

$\⇒\mathrm{LL}=-\frac{\frac{\∂\mathrm{VEB}1}{\∂T}}{\frac{{\∂V}_T}{\∂T}\ln K}\≈-\frac{-1.6}{0.085\ln K}---\left(3\right)$

其中，基射极电压差VEB1与临限电压VT对时间偏微分后，分为负温度系数-1.6mv/C与正温度系数0.085mv/C。因此，由式(3)可知，当L＝1.6/0.085lnK时，零温度系数电流Iref是零温度系数，而电流镜M1、M2及M3可将此零温度系数电流Iref复制输出。

请参考图2A及图2B，图2A及图2B分别为图1中功率放大器108为P型及N型金氧半晶体管输入对的功率放大器的示意图。当功率放大器108为P型金氧半晶体管输入对的功率放大器时，P型金氧半晶体管输入对Q3、Q4的输入电压VA、VB需小于VDD-VDS5-VSG3，而当功率放大器108为N型金氧半晶体管输入对的功率放大器时，N型金氧半晶体管输入对Q6、Q7的输入电压VA、VB需大于VDS8+VGS7，因此使用P型金氧半晶体管输入对时，输入电压VA、VB可较使用N型金氧半晶体管输入对时低，以降低图1中双载子晶体管Q1及Q2的耗电。

然而，如图1及图2A所示，在使用P型金氧半晶体管输入对时，输出电压Vo等于系统电压VDD减去电流镜M1的源闸极电压差VSGM1，因此系统电压VDD上升时会造成P型金氧半晶体管输入对进入线性区(linear-region)而使功率放大器108失效，无法适应操作范围较广的系统电压VDD。相较之下，虽然使用N型金氧半晶体管输入对可适应操作范围较广的系统电压VDD，却因无法降低输入电压VA、VB，而增加双载子晶体管Q1及Q2的耗电。

此外，在能带隙参考电流源10中，启动电路100的启动条件需VDD＞2VGS，在制程变异与温度变化底下易启动不良，而且能带隙参考电路102另需使用一阻值为L*R的电阻来平衡负温度系数电流，造成大量布局面积耗费。有鉴于此，公知技术实有改进的必要。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供一种能带隙参考电路及能带隙参考电流源。

本发明公开一种能带隙参考电路，具有较小布局面积。该能带隙参考电路包含有一第一双载子晶体管，包含有一第一端及一第二端耦接于一地端；一第一电阻，用来产生一正温度系数电流；一第二双载子晶体管，包含有一第一端耦接于该第一电阻，及一第二端与一第三端耦接于一地端；一第二电阻，具有与该第一电阻的阻值呈一特定比例的阻值，用来产生一负温度系数电流；一第一运算放大器，包含有一第一输入端耦接于该第一双载子晶体管的一第三端，及一第二输入端耦接于该第一电阻；一第二运算放大器，包含有一第一输入端耦接于该第一双载子晶体管的该第三端，及一第二输入端耦接于该第二电阻；以及一零温度系数电流产生器，用来加总该正温度系数电流及该负温度系数电流，以产生一零温度系数电流。

本发明另公开一种能带隙参考电流源。该能带隙参考电流源包含有一能带隙参考电路，具有较小布局面积，用来产生一零温度系数电流；以及一启动电路，用来启动该能带隙参考电路。

在此配合下列附图、实施例的详细说明及权利要求书，将上述及本发明的其它目的与优点详述于后。

附图说明

图1为公知技术中一能带隙参考电流源的示意图。

图2A及图2B分别为图1中功率放大器为P型及N型金氧半晶体管输入对的功率放大器的示意图。

图3为本发明实施例中一能带隙参考电流源的示意图。

图4为本发明图3中运算放大器的示意图。

其中，附图标记说明如下：

10、30                                 能带隙参考电流源

100、300                               启动电路

102、302                               能带隙参考电路

104、106、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、304、金氧半晶体管

Q9、Q10

108、306、308                          功率放大器

310                                    零温度系数电流产生器

VDD                                    系统电压

VA、VB、VA’、VB’、VC’               输入电压

Vo                                     输出电压

Iptat、Iptat’                         正温度系数电流

Q1、Q2、Q1’、Q2’                     双载子晶体管

Rptat、Rptat’、Rctat、Rctat’         电阻

Ictat、Ictat                           负温度系数电流

Iref、Iref’                           零温度系数电流

M1、M2、M3、M1’、M2’、M3’、M4、     电流镜

M5

具体实施方式

请参考图3，图3为本发明实施例中一能带隙参考(bandgap reference)电流源30的示意图。能带隙参考电流源30包含有一启动电路300及一能带隙参考电路302。相较于启动电路100，启动电路300于系统电压VDD＞VSG时，即可启动能带隙参考电路302的运作，而且启动电路300另包含一P型金氧半晶体管304，可于能带隙参考电路302稳定输出一零温度系数电流Iref’后，逐渐关闭以避免直流耗电。在能带隙参考电路302中，产生一正温度系数(proportional to absolute temperature，PTAT)电流Iptat’及一负温度系数(complementary to absolute temperature，CTAT)电流Ictat’的方法与能带隙参考电路102大致相似，于此不再赘述；其主要差别在于，相较于能带隙参考电路102仅利用功率放大器108来产生正温度系数电流Iptat及负温度系数电流Ictat，能带隙参考电路302是分别利用运算放大器306、308产生正温度系数电流Iptat’及负温度系数电流Ictat’，因此不需另外使用一阻值为L*R的电阻来平衡负温度系数电流，可使布局面积有效减小。

详细来说，运算放大器306的正负输入端输入电压VA’及VB’与运算放大器308的正负输入端输入电压VC’及VB’相等(VA’＝VB’＝VC’＝VEB1’)，因此通过与公知技术相似的运算，可得正温度系数电流Iptat’是正温度系数，于此不再赘述。而负温度系数电流Ictat’是由电压-电流转换器(电阻Rctat’)将负温度系数的电压VC’＝VEB1’转换为负温度系数的电流Ictat’。如此一来，相较于能带隙参考电路102中电流镜M1、M2及M3同时复制正温度系数电流Iptat及负温度系数电流Ictat，因而需多使用一个电阻Rctat，以平衡负温度系数电流Ictat。在本发明中，一零温度系数电流(zero temperature correlated，zero-TC)产生器310可利用电流镜M1’、M2’、M3’与电流镜M4’、M5’分别复制正温度系数电流Iptat’与负温度系数电流Ictat’，以加总产生零温度系数电流Iref’，因此不需另外使用一阻值为L*R的电阻来平衡负温度系数电流，而具有较小布局面积。

另外，请参考图4，图4为本发明图3中运算放大器306、308的示意图。如图4所示，运算放大器306、308是使用P型金氧半晶体管输入对配合折迭串接(folded-cascode)的架构，因此不仅可使用较低的输入电压VA、VB，以降低图3中双载子晶体管Q1’及Q2’的耗电外，而且于系统电压VDD上升时，输出电压Vo’可正常上升而不会影响P型金氧半晶体管输入对Q9、Q10，因此可适应大范围的系统电压VDD。如此一来，本发明可在低耗电的条件下适应大范围的系统电压VDD。

值得注意的是，本发明的主要精神，在于分别利用运算放大器306、308产生正温度系数电流Iptat’及负温度系数电流Ictat’，以缩小布局面积。其中，运算放大器306、308是使用P型金氧半晶体管输入对配合折迭串接的架构，以在低耗电的条件下适应大范围的系统电压VDD。本领域普通技术人员当可依本发明的精神加以修饰或变化，而不限于此。举例来说，各项变化可合并使用或分开使用，以达到其效果，如能带隙参考电路302中的运算放大器306、308即使不是P型金氧半晶体管输入对配合折迭串接的架构，仍可达到缩小布局面积的效果，而能带隙参考电路102的功率放大器108若改为P型金氧半晶体管输入对配合折迭串接的架构，亦可在低耗电的条件下适应大范围的系统电压VDD。其它如启动电路100及零温度系数电流产生器310的电路，亦不限于本发明的实施例，只要能达到其效果即可。

在公知技术中，由于电流镜M1、M2及M3同时复制正温度系数电流Iptat及负温度系数电流Ictat，因此需多使用一个电阻Rctat，以平衡负温度系数电流Ictat；而运算放大器108若为P型金氧半晶体管输入对时，虽可降低双载子晶体管Q1及Q2的耗电，但无法适应较广系统电压VDD操作范围，而若为N型金氧半晶体管输入对时，虽可适应较广系统电压VDD操作范围，却不利低耗电的应用。相较之下，本发明利用电流镜M1’、M2’、M3’与电流镜M4’、M5’分别复制正温度系数电流Iptat’与负温度系数电流Ictat’，以加总产生零温度系数电流Iref’，因此不需另外使用一阻值为L*R的电阻来平衡负温度系数电流，可有效减小布局面积，而且功率放大器使用P型金氧半晶体管输入对配合折迭串接的架构，可在低耗电的条件下适应大范围的系统电压VDD。

综上所述，本发明的能带隙参考电流源可具有较小布局面积，且在低耗电的条件下可适应大范围的系统电压。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1.一种能带隙参考电路，具有较小布局面积，其特征在于，该能带隙参考电路包含有：

一第一双载子晶体管，包含有一第一端及一第二端耦接于一地端；

一第一电阻，用来产生一正温度系数电流；

一第二双载子晶体管，包含有一第一端耦接于该第一电阻，及一第二端与一第三端耦接于一地端；

一第二电阻，具有与该第一电阻的阻值呈一特定比例的阻值，用来产生一负温度系数电流；

一第一运算放大器，包含有一第一输入端耦接于该第一双载子晶体管的一第三端，及一第二输入端耦接于该第一电阻；

一第二运算放大器，包含有一第一输入端耦接于该第一双载子晶体管的该第三端，及一第二输入端耦接于该第二电阻；以及

一零温度系数电流产生器，用来加总该正温度系数电流及该负温度系数电流，以产生一零温度系数电流。

2.如权利要求1所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第一运算放大器及该第二运算放大器为具有P型金氧半输入对及折迭串接式架构的运算放大器。

3.如权利要求1所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第一运算放大器的该第一输入端与该第二输入端的电压及该第二运算放大器的该第一输入端与该第二输入端的电压为该第一双载子晶体管的一集极与一射极间的跨压。

4.如权利要求1所述的能带隙参考电路，其特征在于，该零温度系数电流产生器包含有：

一第一电流镜，用来复制该负温度系数电流；

一第二电流镜，用来复制该正温度系数电流；以及

一加总单元，耦接于该第一电流镜与该第二电流镜，用来产生该零温度系数电流。

5.如权利要求1所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第一双载子晶体管与该第二双载子晶体管为PNP型双载子晶体管。

6.一种能带隙参考电流源，其特征在于，包含有：

一能带隙参考电路，具有较小布局面积，用来产生一零温度系数电流；以及

一启动电路，用来启动该能带隙参考电路。

7.如权利要求6所述的能带隙参考电流源，其特征在于，该能带隙参考电路，包含有：

一第一双载子晶体管，包含有一第一端及一第二端耦接于一地端；

一第一电阻，用来产生一正温度系数电流；

一第二双载子晶体管，包含有一第一端耦接于该第一电阻，及一第二端与一第三端耦接于一地端；

一第二电阻，具有与该第一电阻的阻值呈一特定比例的阻值，用来产生一负温度系数电流；

一第一运算放大器，包含有一第一输入端耦接于该第一双载子晶体管的一第三端，及一第二输入端耦接于该第一电阻；

一第二运算放大器，包含有一第一输入端耦接于该第一双载子晶体管的该第三端，及一第二输入端耦接于该第二电阻；以及

一零温度系数电流产生器，用来加总该正温度系数电流及该负温度系数电流，以产生一零温度系数电流。

8.如权利要求6所述的能带隙参考电流源，其特征在于，该第一运算放大器及该第二运算放大器为具有P型金氧半输入对及折迭串接式架构的运算放大器。

9.如权利要求6所述的能带隙参考电流源，其特征在于，该第一运算放大器的该第一输入端与该第二输入端的电压及该第二运算放大器的该第一输入端与该第二输入端的电压为该第一双载子晶体管的一集极与一射极间的跨压。

10.如权利要求6所述的能带隙参考电流源，其特征在于，该零温度系数电流产生器包含有：

一第一电流镜，用来复制该负温度系数电流；

一第二电流镜，用来复制该正温度系数电流；以及

一加总单元，耦接于该第一电流镜与该第二电流镜，用来产生该零温度系数电流。

11.如权利要求6所述的能带隙参考电流源，其特征在于，该第一双载子晶体管与该第二双载子晶体管为PNP型双载子晶体管。

12.如权利要求6所述的能带隙参考电流源，其特征在于，该启动电路另包含一开关，用来于该能带隙参考电路达到一稳定状态后，逐渐关闭以避免直流耗电。

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