CN103472883B - 电压产生器及能带隙参考电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电压产生器,包括有一第一晶体管、一第二晶体管、一运算放大器、一电容、一第三晶体管、一第四晶体管及一第一电阻。该运算放大器包括有一第一输入端耦接于该第一晶体管的第二端及一第二输入端耦接于该第二晶体管的第二端。该电容耦接于该运算放大器的一输出端及一地端之间。该第三晶体管耦接于该第一晶体管及该运算放大器的输出端。该第四晶体管耦接于该第二晶体管、该运算放大器的该输出端及该地端。该第一电阻用来根据该第三晶体管的栅源极电压及该第四晶体管的栅源极电压的电压差,产生一负温度系数电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种电压产生器及能带隙参考(bandgap reference)电路,尤其涉及一种具有较小版图面积并适于实现高精确度参考电压的电压产生器及能带隙参考电路。
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,能带隙参考电路是将一正温度系数(proportional to absolute temperature,PTAT)的电流/电压与一负温度系数(complementary to absolute temperature,CTAT)的电流/电压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/电压。
详细来说,请参考图1,图1为公知技术中一能带隙参考电路10的示意图。能带隙参考电路10包括有一运算放大器100、双载子晶体管Q1、Q2及电阻R1~R3。如图1所示,在能带隙参考电路10中,运算放大器100的正负输入端输入电压VX与VY相等(VX=VY=VEB1,VEB1为双载子晶体管Q1的基射极电压),通过电压VY与VZ(即VEB2)的电压差(即VY-VZ)及电阻R3,可产生一正温度系数电流Iptat,如式(1)所示:
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。由于热电压VT是正温度系数,因此由式(1)可知电阻R3所载的正温度系数电流Iptat是正温度系数。
由于双载子晶体管Q2的基射极电压VEB2具有负温度系数,Vout代表能带隙参考电路10在其输出端所输出的能带隙参考电压,如式(2)所示:
其中,由式(2)可知,适当选择K、R2及R3的值,可使为零,借此能带隙参考电压Vout为零温度系数电压。
然而,公知能带隙参考电路使用双载子晶体管来做温度补偿,通常需使用较高的电源电压且所产生的参考电压也较大,因而导致较高的静态功率损耗而无法有效应用于较低供应电压的环境中,同时,使用双载子晶体管的电路也大大的增加版图面积。因此,业者提出以互补式金氧半晶体管(complementary metal oxide semiconductor,CMO S)做温度补偿的能带隙参考电路,然而此电路所产生的负温度系数电压随制程变化较大,所产生的零温度系数电压精确度也会随之变低,如此一来,也不利于使用。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电压产生器及能带隙参考电路。
本发明公开一种电压产生器,包括有一第一晶体管、一第二晶体管、一运算放大器、一电容、一第三晶体管、一第四晶体管及一第一电阻。该第一晶体管包括有一第一端耦接于一电压源,及一第二端耦接于一第三端;该第二晶体管包括有一第一端耦接于该电压源,及一第二端耦接于一第三端;该运算放大器包括有一第一输入端耦接于该第一晶体管的该第二端及该第三端,一第二输入端耦接于该第二晶体管的该第二端及该第三端,及一输出端;该电容包括有一第一端耦接于该运算放大器的该输出端,以及一第二端耦接于一地端;该第三晶体管包括有一第一端耦接于该第一晶体管的该第三端,一第二端耦接于该运算放大器的该输出端与该电容的该第一端,及一第三端;该第四晶体管包括有一第一端耦接于该第二晶体管的该第三端,一第二端耦接于该运算放大器的该输出端与该电容的该第一端,及一第三端耦接于该地端;以及该第一电阻耦接于该第三晶体管的该第三端与该地端之间,用来根据该第三晶体管的栅源极电压及该第四晶体管的栅源极电压的电压差,产生一负温度系数电压。
本发明还公开一种能带隙参考电路,包括有一正温度系数电流源、一负温度系数电压产生器及一零温度系数电压产生器。该正温度系数电流源用来产生一正温度系数电流;该负温度系数电压产生器包括有一第一晶体管、一第二晶体管、一运算放大器、一电容、一第三晶体管、一第四晶体管及一第一电阻。该第一晶体管包括有一第一端耦接于一电压源,及一第二端耦接于一第三端;该第二晶体管包括有一第一端耦接于该电压源,及一第二端耦接于一第三端;该运算放大器包括有一第一输入端耦接于该第一晶体管的该第二端及该第三端,一第二输入端耦接于该第二晶体管的该第二端及该第三端,及一输出端;该电容包括有一第一端耦接于该运算放大器的该输出端,以及一第二端耦接于一地端;该第三晶体管包括有一第一端耦接于该第一晶体管的该第三端,一第二端耦接于该运算放大器的该输出端与该电容的该第一端,及一第三端;该第四晶体管包括有一第一端耦接于该第二晶体管的该第三端,一第二端耦接于该运算放大器的该输出端与该电容的该第一端,及一第三端耦接于该地端;以及该第一电阻耦接于该第三晶体管的该第三端与该地端之间,用来根据该第三晶体管的栅源极电压及该第四晶体管的栅源极电压的电压差,产生一负温度系数电压;以及该零温度系数电压产生器耦接于该正温度系数电流源与该负温度系数电压产生器之间,用来加总一正温度系数电压及一负温度系数电压,以产生一零温度系数电压。
在此配合下列图示、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在后。
附图说明
图1为公知一能带隙参考电路的示意图。
图2A为本发明实施例一负温度系数电压产生器的示意图。
图2B为本发明实施例图2A中负温度系数电压产生器在不同温度及制程的负温度系数电压比较图。
图3A为本发明实施例一能带隙参考电路的示意图。
图3B为本发明实施例图3A中能带隙参考电路在不同温度及制程的零温度系数电压比较图。
其中,附图标记说明如下:
10、30 能带隙参考电路
100、200、306 运算放大器
20、302 负温度系数电压产生器
300 正温度系数电流源
304 零温度系数电压产生器
R1~R6 电阻
Q1、Q2 双载子晶体管
VCC 电源电压
VX、VY、VZ、VR4 电压
Vout 能带隙参考电压
M1~M4 金氧半晶体管
C 容
Ictat’ 负温度系数电流
Iptat、Iptat’ 正温度系数电流
Vref 零温度系数参考电压
M9 电流镜
V_ff、V_tt、V_ss 负温度系数电压曲线
Vref_ff、Vref_tt、Vref_ss 零温度系数电压曲线
具体实施方式
请参考图2A,图2A为本发明实施例一负温度系数(complementary toabsolute temperature,CTAT)电压产生器20的示意图。负温度系数电压产生器20包括有晶体管M1~M4、一运算放大器200、一电容C及一电阻R4。如图2A所示,运算放大器200包括有一输入端耦接于晶体管M1及另一输入端耦接于晶体管M2。运算放大器200用来根据其输入端所接收的信号,产生一控制信号,以控制晶体管M3、M4的操作。电容C耦接于运算放大器200的输出端及一地端之间。晶体管M3耦接于晶体管M1及运算放大器200的输出端,晶体管M4耦接于晶体管M2、运算放大器200的输出端及地端。其中,晶体管M3、M4为N型金氧半场效晶体管。电阻R4耦接于晶体管M3与地端之间,用来根据晶体管M3、M4的栅源极电压的电压差,产生负温度系数电压。举例来说,如图2A所示,电阻R4的两端电压差VR4等于晶体管M3的栅源极电压及晶体管M4的栅源极电压的电压差。电阻R4的两端电压差VR4即为负温度系数电压。
简单来说,本发明的负温度系数电压产生器20可根据晶体管M3、M4的栅源极电压差,来产生能带隙参考电路所需的负温度系数电压。也就是说,负温度系数电压产生器20不需使用双载子晶体管,即可产生高精确度的负温度系数电压,同时使电路版图面积大幅降低。
详细来说,晶体管M1耦接于运算放大器200的一输入端,而晶体管M2耦接于运算放大器200的另一输入端,借此,运算放大器200可根据晶体管M1、M2所输入的信号,产生控制信号,以控制晶体管M3、M4操作在亚阈值区。较佳地,晶体管M3、M4是不同类型的金氧半场效晶体管,如此一来,晶体管M3的阈值电压不同于晶体管M4的阈值电压。进一步说明,当晶体管M3、M4具不同阈值电压且同时操作在亚阈值区时,根据晶体管的电流-电压(I-V)特性可知,此时晶体管M3、M4的栅源极电压差实质上会等于晶体管M3、M4的阈值电压差。以下将通过表达式(3)、(4)逐步说明。当晶体管M3、M4操作在亚阈值区且晶体管M3、M4的漏源极电压大于四倍的热电压VT时,晶体管M3、M4的电流-电压特性分别如式(3)所示:
其中,ID_M3、ID_M4分别为晶体管M3、M4的漏极电流,μ为沟槽电子迁移率,VGS_M3、VGS_M4分别为晶体管M3、M4的栅源极电压,Vth_M3、Vth_M4分别为晶体管M3、M4的阈值电压,m为亚阈值区斜率因子,W/L为晶体管的宽长比。当ID_M3=ID_M4,且(W/L)3=(W/L)4时,表达式(3)可表示为下列表达式(4):
换言之,由式(4)可知,在晶体管M3、M4操作在亚阈值区且晶体管M3、M4的漏源极电压大于四倍的热电压VT的情况下,晶体管M3的栅源极电压与晶体管M4的栅源极电压的电压差会等于晶体管M3的阈值电压与晶体管M4的阈值电压的电压差。
再者,如图2A所示,电阻R4的两端电压差VR4为晶体管M3的栅源极电压及晶体管M4的栅源极电压的电压差。因此结合式(4)的关系可知,电阻R4的两端电压差VR4即等于晶体管M3的阈值电压与晶体管M4的阈值电压的电压差。晶体管M3、M4的阈值电压为负温度系数电压,因此电阻R4的两端电压差VR4也为负温度系数电压,进而通过电阻R4的电流为负温度系数电流Ictat’。简言之,在相同环境下,不同类型的晶体管会有不同的阈值电压与温度系数。本发明利用了不同类型的晶体管来实现晶体管M3、M4,进而能产生随制程变化较小的负温度系数电压。也就是说,本发明的负温度系数电压产生器20根据操作在亚阈值区的晶体管M3、M4的阈值电压差,将可产生高精确度的负温度系数电压。
请参考图2B,图2B为本发明实施例图2A中负温度系数电压产生器20在不同温度及制程的负温度系数电压比较图。其中,TT、FF及SS为本领域的技术人员所熟知的不同制程环境,在此不赘述。由图2B可知,根据操作在亚阈值区的晶体管M3、M4的阈值电压差,产生负温度系数电压,负温度系数电压产生器20确实可达到高精确度要求,更重要的是,可满足电路应用的空间限制。
值得注意的是,本发明的主要精神在于利用晶体管M3、M4的阈值电压差产生负温度系数电压,以达到高精确度要求。其中,晶体管M3、M4是不同类型的N型金氧半场效晶体管,举例来说,晶体管M4的阈值电压(如442mV)高于晶体管M3的阈值电压(如340mV),且晶体管M3、M4具有不同的温度系数。此外,晶体管M1、M2为P型金氧半场效晶体管,而运算放大器200可由不同晶体管组合而成。举例来说,运算放大器200可包括P型金氧半场效晶体管及N型金氧半场效晶体管。由上述可知,本发明的负温度系数电压产生器的电路结构主要是由金氧半场效晶体管及电阻所组成而且晶体管M3、M4是操作在亚阈值区,借此,负温度系数电压产生器所需电源电压VCC较低(可低至1V),进而能有效降低功率损耗。
另一方面,本发明的负温度系数电压产生器20可适用于产生零温度系数(zero temperature correlated,zero-TC)电压的电路。举例来说,请参考图3A,图3A为本发明实施例一能带隙参考(bandgap reference)电路30的示意图。能带隙参考电路30包括有一正温度系数电流源300、一负温度系数电压产生器302及一零温度系数电压产生器304。正温度系数电流源300用来产生正温度系数电流Iptat’。负温度系数电压产生器302用来产生负温度系数电压,并根据负温度系数电压,产生负温度系数电流Ictat’。其中,负温度系数电压产生器302产生负温度系数电压的方法与负温度系数电压产生器20大致相似,在此不再赘述。此外,负温度系数电压产生器302的架构与负温度系数电压产生器20相似,故相同组件沿用相同符号。负温度系数电压产生器302与负温度系数电压产生器20不同之处在于负温度系数电压产生器302以一运算放大器306取代运算放大器200。运算放大器306为运算放大器200的一实施例结构图,但不限于此。零温度系数电压产生器304耦接于正温度系数电流源304与负温度系数电压产生器302之间,用来根据正温度系数电流Iptat’及负温度系数电压,以产生一零温度系数参考电压Vref。在此情况下,能带隙参考电路30根据正温度系数电流源304所产生的正温度系数电流Iptat’及负温度系数电压产生器302所产生的负温度系数电流Ictat’,即可产生高精确度的零温度系数电压,相较于公知技术使用双载子晶体管来做温度补偿的能带隙参考电路,本发明可使版图面积有效减小,同时降低电源电压VCC,达到低功率损耗。值得注意的是,图3A的能带隙参考电路30仅为本发明的一举例说明,本领域的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。
进一步地,以下将通过电流、电压分析以逐步说明能带隙参考电路30的运作方式。零温度系数电压产生器304包括有一电流镜M9及电阻R5、R6。如图3A所示,负温度系数电压产生器302的电阻R4的两端电压差为负温度系数电压,通过的电流为负温度系数电流Ictat’。电流镜M9用来复制负温度系数电压产生器302所产生的负温度系数电流Ictat’。电阻R5耦接于电流镜M9,而电阻R6耦接于电阻R5、正温度系数电流源300及地端,用来产生正温度系数电压。如此一来,当零温度系数电压产生器304接收到电流镜M9所复制的负温度系数电流Ictat’及正温度系数电流源300所产生的正温度系数电流Iptat’时,可根据正温度系数电流Iptat’所产生的正温度系数电压与根据负温度系数电流Ictat’所产生的负温度系数电压,产生零温度系数电压Vref,如式(5)所示:
Vref=Iptat'*R6+Ictat'*(R5+R6)
其中,KP是正温度系数电流Iptat’的正温度系数,KN是负温度系数电流Ictat’的负温度系数。因此,适当调整电阻R5、R6,来满足式(5),即可得到零温度系数电压Vref。因此,利用本发明的架构不需使用双载子晶体管,即可产生高精确度的零温度系数电压,因而可有效减小版图面积与降低功率损耗。此外,本发明通过不同类型且同时操作在亚阈值区的晶体管操作,更能实现不受温度影响的高精确度电压输出。
请参考图3B,图3B为本发明实施例图3A中能带隙参考电路30在不同温度及制程的零温度系数电压Vref比较图。其中,TT、FF及SS为本领域的技术人员所熟知的不同制程,在此不赘述。如图3B所示,当温度由-40度上升至125度时,相同制程的零温度系数电压(如图3B所示的零温度系数电压曲线Vref_tt)随温度变化不大,而不同制程环境下的多个零温度系数电压(如图3B所示的零温度系数电压曲线Vref_ff、Vref_tt及Vref_ff)彼此间变化也不大,也就是说,零温度系数电压随温度变化及制程变化影响不大。因此,能带隙参考电路30可在温度变化及制程变化下,对零温度系数电压Vref进行稳压,进而产生高精确度的零温度系数电压。
值得注意的是,图3A为本发明的一举例说明,但不限于此,只要能达到其效果即可。举例来说,电流镜M9较佳地为P型金氧半场效晶体管,主要用以复制负温度系数电流,但不限于此。正温度系数电流源300也可由其它组件组合而成,以产生正温度系数电流。除此之外,电阻R4、R5、R6的电阻值也可依不同实施例加以调整,以符合式(5)的条件,进而获得所需的零温度系数电压。
综上所述,公知使用双载子晶体管的负温度系数电压产生器需使用较高的电源电压,且所产生的参考电压通常较大,导致无法有效应用于较低供应电压的环境中,并且也必须耗费大量功率与版图面积。相较之下,本发明的负温度系数电压产生器不需使用双载子晶体管,而且通过操作在亚阈值区且类型不同的金氧半场效晶体管的阈值电压差,即可产生高精确度的负温度系数电压,如此一来,可使版图面积有效减小并大幅降低功率损耗。同时,更能实现不受温度影响的高精确度电压输出。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (18)
1.一种电压产生器,包括有:
一第一晶体管,包括有一第一端耦接于一电压源,及一第二端耦接于该第一晶体管的一第三端;
一第二晶体管,包括有一第一端耦接于该电压源,及一第二端耦接于该第二晶体管的一第三端;
一运算放大器,包括有一第一输入端耦接于该第一晶体管的该第二端及该第三端,一第二输入端耦接于该第二晶体管的该第二端及该第三端,及一输出端;
一电容,包括有一第一端耦接于该运算放大器的该输出端,以及一第二端耦接于一地端;
一第三晶体管,包括有一第一端耦接于该第一晶体管的该第三端,一第二端耦接于该运算放大器的该输出端与该电容的该第一端,及一第三端;
一第四晶体管,包括有一第一端耦接于该第二晶体管的该第三端,一第二端耦接于该运算放大器的该输出端与该电容的该第一端,及一第三端耦接于该地端;以及
一第一电阻,耦接于该第三晶体管的该第三端与该地端之间。
2.如权利要求1所述的电压产生器,其特征在于,该第一晶体管及该第二晶体管为P型金氧半场效晶体管。
3.如权利要求1所述的电压产生器,其特征在于,该运算放大器为具有P型金氧半场效晶体管及N型金氧半场效晶体管的一运算放大器。
4.如权利要求1所述的电压产生器,其特征在于,该运算放大器用来根据该第一输入端与该第二输入端所接收的信号,产生一控制信号,以控制该第三晶体管操作在一第一亚阈值区与控制该第四晶体管操作在一第二亚阈值区。
5.如权利要求1所述的电压产生器,其特征在于,该第三晶体管与该第四晶体管为N型金氧半场效晶体管。
6.如权利要求1所述的电压产生器,其特征在于,该第三晶体管与该第四晶体管为不同类型的晶体管,该第三晶体管的阈值电压与该第四晶体管的阈值电压不同,且该第一电阻的两端电压差等于该第三晶体管的阈值电压及该第四晶体管的阈值电压的电压差。
7.如权利要求1所述的电压产生器,其特征在于,该第一电阻的两端电压差等于该第三晶体管的一栅源极电压及该第四晶体管的一栅源极电压的电压差。
8.如权利要求1所述的电压产生器,其特征在于,该第一电阻根据该第三晶体管的栅源极电压及该第四晶体管的栅源极电压的电压差,产生一负温度系数电压并根据该负温度系数电压,产生一负温度系数电流。
9.一种能带隙参考电路,包括有:
一正温度系数电流源,用来产生一正温度系数电流;
一负温度系数电压产生器,包括有:
一第一晶体管,包括有一第一端耦接于一电压源,及一第二端耦接于该第一晶体管的一第三端;
一第二晶体管,包括有一第一端耦接于该电压源,及一第二端耦接于该第二晶体管的一第三端;
一运算放大器,包括有一第一输入端耦接于该第一晶体管的该第二端及该第三端,及一第二输入端耦接于该第二晶体管的该第二端及该第三端,及一输出端;
一电容,包括有一第一端耦接于该运算放大器的该输出端,以及一第二端耦接于一地端;
一第三晶体管,包括有一第一端耦接于该第一晶体管的该第三端,一第二端耦接于该运算放大器的该输出端与该电容的该第一端,及一第三端;
一第四晶体管,包括有一第一端耦接于该第二晶体管的该第三端,一第二端耦接于该运算放大器的该输出端与该电容的该第一端,及一第三端耦接于该地端;以及
一第一电阻,耦接于该第三晶体管的该第三端与该地端之间,用来根据该第三晶体管的一栅源极电压及该第四晶体管的一栅源极电压的电压差,产生一负温度系数电压;以及
一零温度系数电压产生器,耦接于该正温度系数电流源与该负温度系数电压产生器之间,用来根据一正温度系数电流及该负温度系数电压,以产生一零温度系数电压。
10.如权利要求9所述的能带隙参考电路,其特征在于,该第一晶体管及该第二晶体管为P型金氧半场效晶体管。
11.如权利要求9所述的能带隙参考电路,其特征在于,该运算放大器为具有P型金氧半场效晶体管及N型金氧半场效晶体管的一运算放大器。
12.如权利要求9所述的能带隙参考电路,其特征在于,该运算放大器用来根据该第一输入端与该第二输入端所接收的信号,产生控制信号,以控制该第三晶体管操作在一第一亚阈值区与控制该第四晶体管操作在一第二亚阈值区。
13.如权利要求9所述的能带隙参考电路,其特征在于,该第三晶体管与该第四晶体管为N型金氧半场效晶体管。
14.如权利要求9所述的能带隙参考电路,其特征在于,该第三晶体管与该第四晶体管为不同类型的晶体管,该第三晶体管的阈值电压与该第四晶体管的阈值电压不同,且该第一电阻的两端电压差等于该第三晶体管的阈值电压及该第四晶体管的阈值电压的电压差。
15.如权利要求9所述的能带隙参考电路,其特征在于,该第一电阻的两端电压差等于该第三晶体管的该栅源极电压及该第四晶体管的该栅源极电压的电压差。
16.如权利要求9所述的能带隙参考电路,其特征在于,该第一电阻还根据该负温度系数电压,产生一负温度系数电流。
17.如权利要求9所述的能带隙参考电路,其特征在于,该零温度系数电压产生器,包括有:
一电流镜,用来复制该负温度系数电流;
一第二电阻,包括有一第一端耦接于该电流镜;以及
一第三电阻,包括有一第一端耦接于该第二电阻的一第二端与该正温度系数电流源,及一第二端耦接于该地端;
其中,该正温度系数电流通过该第三电阻,该负温度系数电流通过该第二电阻与该第三电阻,且该零温度系数电压为该第二电阻的两端电压差与该第三电阻上的两端电压差的总和。
18.如权利要求17所述的能带隙参考电路,其特征在于,该电流镜为一P型金氧半场效晶体管。
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