CN1722043A - N阶补偿温度独立的参考电压的产生方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种参考电压产生器包含有多个信号产生器，用来产生N+1个分别对应N+1个不同的温度相依特性值的信号；耦接于该多个信号产生器的合成模块，用来合成该N+1个信号以产生合成信号；以及耦接于该合成模块的信号至电压转换器，用来根据该合成信号产生补偿参考电压。每一信号产生器包含有N+1个具有p－n结的元件，每个元件都具有对应于p－n结的跨压的特定温度相依特性值(例如晶体管的基极－发射极电压)。藉由调整该N+1个信号，可以产生具有N阶温度补偿且对应预定值的参考电压。

Description

N阶补偿温度独立的参考电压的产生方法及装置

技术领域

本发明是与电子电路相关，尤指一种产生具有N阶温度补偿的参考电压产生方法与装置。

背景技术

能带隙参考电压电路(bandgap reference voltage circuits)广泛地应用于各类应用范围，以便在温度范围内提供稳定的参考电压。该能带隙参考电压电路的操作原理是以热电压(thermal voltage)V_T的正温系数(positivetemperature coefficient)来补偿基极-发射极结电压V_BE的负温系数(negative temperature coefficient)，其中热电压V_T是等于kT/q。一般而言，基极-发射极结电压V_BE对温度的变化大约是-1.5mV/℃，而V_T对温度的变化大约是+0.086mV/℃，所以，将这两项结合可以得到能带隙电压V_BG：

V_BG＝K₁V_BE+K₂V_T                   方程式(1)

其中K₁和K₂为比例常数，以确保上述正、负热因子(thermal factor)能彼此相消，以及使得能带隙电压能任意地调整以适应各种应用需求。

第1图为典型能带隙参考电压电路100的电路图。能带隙参考电压电路100包含多个PMOS晶体管M1、M2、M3，多个双极性晶体管Q1(其发射极面积为KA)、Q2(其发射极面积为A)，多个电阻R0、R1、R2、R3，以及一运算放大器(Op-amp)101。需注意的是，在第1图中，电阻R1和R2的电阻值相同，晶体管Q1和Q2实质上是导通相同的电流。因为晶体管Q1和Q2的发射极面积比为K∶1，所以电压V_BE，亦即V_T1n(K)，是横跨电阻R0的两端，用来提供与绝对温度成比例的电流。运算放大器101会控制节点V1和V2上的电压为相同，因此驱使流经电阻R1和R2的电流正比于电压V_BE且提供与绝对温度互补的电流。流经晶体管M1和M2的上述与绝对温度互补的电流便根据方程式(1)而得到补偿，该补偿后的电流便经由电流镜而映射至晶体管M3以产生输出电压V_OUT。

更明确地说，在第1图所示的能带隙参考电压电路100中，输出电压V_OUT可由以下式子来表示：

$V_{\mathrm{OUT}}=\frac{R3}{R1}{V}_{\mathrm{BE}2}+\frac{R3}{R0}{V}_T\ln \left(K\right)$ 方程式(2)

其中V_BE2是晶体管Q2的基极-发射极电压，以及K是晶体管Q1和Q2之间的面积比。

比较方程式(1)与方程式(2)，很明显地，R0、R1和R3的电阻值以及晶体管Q1和Q2的发射极面积，皆经过适当的选择以提供所需的比例常数K₁和K₂。由方程式(2)可知，对于任何晶体管Q1和Q2的面积比而言，当电阻值被选定以确保前述正、负热因子可以相消时，能带隙参考电压电路100会产生固定参考电压V_OUT。

然而，固定参考电压V_OUT只有在特定的中心温度时才会正确地运行，当能带隙参考电压电路100的操作温度漂移该中心温度时，固定参考电压V_OUT的值会产生显著的变动，例如，由温度-40℃增加至+100℃，则固定参考电压V_OUT通常会有大约1mV的电压变化。

发明内容

因此，本发明的目的之一在于提供一种温度独立的N阶补偿参考电压产生器与方法。

根据本发明的实施例，其系揭露一种具有N阶温度补偿的参考电压产生器。该参考电压产生器包括：多个信号产生器，用来产生多个信号，该多个信号分别对应多个温度相依特性；合成模块，耦接于该多个信号产生器，用来合成该多个信号以产生合成信号；以及信号至电压转换器，耦接于该合成模块，用以根据该合成信号产生补偿参考电压。

根据本发明的实施例，其亦揭露一种产生具有N阶温度补偿的参考电压的方法。该方法包括：产生多个信号，其各别对应于多个温度相依特性值；合成该多个信号以产生合成信号；以及根据该合成信号产生补偿参考电压。

附图说明

第1图为典型能带隙参考电压电路的电路图。

第2图为依据本发明一个实施例的二阶补偿参考电压产生器的方块图。

第3图为依据本发明的第一实施例的二阶补偿参考电压产生器的电路图。

第4图为依据本发明的第二实施例的二阶补偿参考电压产生器的电路图。

第5图为依据本发明一个实施例的产生N阶温度补偿参考电压的方法的流程图。

[主要元件标号说明]

100能带隙参考电压电路                  101、320运算放大器

200、300、400二阶补偿参考电压产生器    202、402、424信号产生器

204合成模块                            206、310、428信号至电压转换器

302第一信号产生器                      304第二信号产生器

306第三信号产生器                      308合成模块

312、404第一PMOS晶体管                 314、406第二PMOS晶体管

316、322、326、330、422电阻            318、324、328双极性晶体管

408第一电阻                            410第一双极性晶体管

412第一运算放大器                      414第三PMOS晶体管

415第二运算放大器                      416第二电阻

418第二双极性晶体管                    426输出电阻

具体实施方式

当温度改变的时候，第1图所示的能带隙参考电压电路100的输出电压V_OUT会产生变化，主要是因为能带隙参考电压电路100只具有一阶温度补偿(1storder temperature compensation)，而能带隙参考电压电路100能达到第一阶温度补偿的原因在于，电路中只用到两个基极-发射极电压(Q1和Q2)。为了产生具有第二阶温度补偿的固定参考电压，则至少需要三个不同的温度相依特性值(例如三个基极-发射极电压)。为了解释二阶补偿，方程式(3)为输出参考电压V_REF的泰勒展开式：

V_REF＝K₁V_BE1+K₂V_BE2+K₃V_BE3

    ＝r₀+r₁(T-Tr)+r₂(T-Tr)²+...                     方程式(3)

方程式(3)的近似结果如下列方程式(4)所示：

V_REF≈K₁(β_1，0+β_2，0(T-Tr)+β_3，0(T-Tr)²+...)

      +K₂(β_1，1+β_2，1(T-Tr)+β_3，1(T-Tr)²+...)

      +K₃(β_1，2+β_2，2(T-Tr)+β_3，2(T-Tr)²+...)    方程式(4)

因此，

r₀＝K₁β_1，0+K₂β_2，0+K₃β_3，0

r₁＝K₁β_1，1+K₂β_2，1+K₃β_3，1

r₂＝K₁β_1，2+K₂β_2，2+K₃β_3，2                      方程式(5)，(6)，(7)

其中，对二阶补偿而言，r₁和r₂都等于0。如果是N阶补偿，则至少必须用到N+1个不同的温度相依特性值，例如N+1个基极-发射极电压，而且r₁至r_N皆为0。

第2图是依据本发明一个实施例的二阶补偿参考电压产生器200的方块图。二阶补偿参考电压产生器200包含有多个信号产生器(signalgenerator)202、合成模块(combining module)204以及信号至电压转换器(signal to voltage converter)206。多个信号产生器202依据相对应双极性晶体管的特定基极-发射极结而分别产生多个信号S₁、S₂、S₃，举例来说，在第2图中，每个信号产生器202各自具有电流源I₁、I₂、I₃，基极-发射极结V_BE1、V_BE2、V_BE3，以及用来以缩放系数(scale factor)K₁、K₂、K₃缩放输入的信号的比例缩放元件(scaling device)。合成模块204是接收信号S₁、S₂、S₃，并且对信号S₁、S₂、S₃执行电性加减(electrically add or subtract)以形成合成信号S_C。信号至电压转换器206根据合成信号S_C而产生参考电压V_REF。藉由选取适当的缩放系数K₁、K₂、K₃，可使得方程式(3)中的r₁和r₂等于0，以及热因子(基极-发射极电压)相消，因此，由二阶补偿参考电压产生器200产生的参考电压V_REF即为具有第二阶温度补偿的固定默认值。此外，参考值V_REF可以由缩放系数K₁、K₂、K₃以及信号至电压转换器206的相关缩放系数来加以决定。

第3图是依据本发明的第一实施例的二阶补偿参考电压产生器300的电路图。参考电压产生器300包含有第一信号产生器302、第二信号产生器304、第三信号产生器306、合成模块308以及信号至电压转换器310。第一信号产生器302包含有第一及第二PMOS晶体管312、314、电阻316、双极性晶体管318以及运算放大器(op-amp)320。第一及第二PMOS晶体管312、314是用来作为电流源，并且根据运算放大器320的输出来来产生实质上相同的电流I₁。运算放大器320系用来确保节点A、B的电压值相同，而节点A、B的电压值即为双极性晶体管318的基极-发射极电压V_BE，且节点A、B的电压值与双极性晶体管318的发射极面积及电流I1有关，此外，藉由选取电阻316的电阻值，电流I₁的大小可被适当地缩放。第一信号产生器302的输出信号S₁是运算放大器320的输出，且输出信号S₁实际上系为一控制信号，用来控制第一及第二PMOS晶体管314、314所产生的电流量。第二、第三信号产生器304、306在结构上与第一信号产生器302相似，但是其双极性晶体管324、328的发射极面积以及电阻322、326的电阻值却不尽相同，因此可分别输出具有不同缩放比例的输出信号S₂、S₃。

合成模块308利用信号S₁、S₂、S₃以及多个PMOS晶体管和NMOS晶体管，分别由第一、第二及第三信号产生器302、304、306再产生电流I₁、I₂和I₃。随后结合这三个电流I₁、I₂和I₃而使得SC等于I₁-I₃-I₂。信号至电压转换器310利用输出电阻330，将合成模块308输出的结合电流信号S_C耦合至地面。藉由选择第一、第二及第三双极性晶体管318、324及328的发射极面积，以及电阻316、322、326及330的电阻值，可以使V_REF的值成为具有第二阶温度补偿而与温度无关的固定预定值。

请注意，经由观察本实施例的合成模块308可知，其包括数个晶体管，每个晶体管通过信号S₁、S₂、S₃而分别与位于信号产生器302、304、306中的晶体管构成电流镜的电路架构。虽然在本实施例中，由合成模块308的晶体管所生成的电流系分别相等于相对应的信号产生器中的电流，但是如业界所已知，通过适当地设计便可以藉由调整一电流镜中晶体管的面积比，亦即合成模块308中的晶体管与一信号产生器中晶体管的面积比，而改变这些电流的大小。接着，利用另一电流镜来将合成模块中的这些电流结合在一起，也就是说，合成模块308根据对多个信号S₁、S₂、S₃进行算术上的处理而产生所要的合成电流信号S_C。

为了决定特定电阻值，本实施例会利用以下的方法。首先，决定三个双极性晶体管318、324、、328的发射极面积比，在下面的例子中，假设三个双极性晶体管318、324、328的发射极面积比为3∶45∶1，而且流过晶体管的电流皆相同。然后，利用模拟工具或实验结果，得出三个双极性晶体管318、324、328个别的发射极-基极电压V_BE1、V_BE2、V_BE2的温度依赖关系。例如，以中心温度T_r＝40℃为例：

V_EB1＝748.6218      1.7308(T-T_r)      0.0006(T-T_r)²

V_BE2＝651.7201      2.0533(T-T_r)      0.0007(T-T_r)²

V_BE3＝760.4482      1.6918(T-T_r)      0.0006(T-T_r)²

接着，可以利用下列的方程式(8)决定出电阻316、322、326、330的电阻值R₁、R₂、R₃、R₄之间的比例，其中对第二阶温度补偿来说，r₁＝r₂＝0。

V_REF＝K₁V_BE1+K₂V_BE2+K₃V_BE3

$=R_4(\frac{V_{\mathrm{BE}1}}{R_1}-\frac{V_{\mathrm{BE}3}}{R_3}-\frac{V_{\mathrm{BE}2}}{R_2})$

    ＝r₀+r₁(T-Tr)+r₂(T-Tr)²+...               方程式(8)

为了达到低功率损耗，可以选用较大的电阻值。继续上述的例子，为了产生对应700mV的参考电压，经过计算后，可以得到以下的电阻值：

电阻316＝24.52kΩ

电阻322＝50kΩ

电阻326＝57.3kΩ

输出电阻330＝200kΩ

根据本实施例，参考电压V_REF的实际值是由信号产生器302、304、306以及信号至电压转换器310中各别的缩放系数(电阻316、322、326、330)而决定，如此一来，即使是很小的参考电压V_REF也可产生。由于参考电压V_REF具有N阶温度补偿，所以相较于已知第一阶能带间隙参考电压电路100所产生的电压，本实施例的参考电压V_REF显得更为精确。此外，低于1.2V的参考电压V_REF也能够产生，因此，本发明能带间隙参考电压电路可以用于供应电压非常低的电路，例如使用低于1.5V电力轨(sub 1.5V power rail)VDD的应用装置。

第4图是依据本发明的第二实施例的二阶补偿参考电压产生器400的电路图。参考电压产生器400的元件与第3图中参考电压产生器300的元件类似，但是参考电压产生器400中，第一与第二信号产生器合并为信号产生器402。第一信号产生器包含有第一PMOS晶体管404、第二PMOS晶体管406、第一电阻408、第一双极性晶体管410、第一运算放大器412；而第二信号产生器则包含有第三PMOS晶体管414、第二PMOS晶体管406、第二电阻416、第二运算放大器415、该第一双极性晶体管410以及第二双极性晶体管418。组成该第一信号产生器的所有元件，其连接方式跟第3图相似，而组成该第二信号产生器的所有元件也以相似的方式连接，除了该第二电阻416连接至该第二双极性晶体管418的发射极，而且该第二双极性晶体管418的基极与集电极皆接地。因此该第一信号产生器与该第二信号产生器共享该第二PMOS晶体管406以及该第一双极性晶体管410。而且，藉由将该第二电阻416连接至参考电压，也就是该第二双极性晶体管418的发射极，计算该信号产生器402、424的电阻408、416、422以及该信号至电压转换器428的电阻426的值时，就变得更为容易，而其中该第二双极性晶体管418的基极-发射极电压为V_BE。除此之外，第4图的二阶补偿参考电压产生器400的操作方式皆与第3图中所描述的相同。

虽然本发明所举的例子是使用pnp双极性晶体管，但是本发明的实施并不限于pnp晶体管，使用npn晶体管也属于本发明所揭露的范围。此外，其它的温度相依特性值也可以用在本发明中，例如流过二极管而与热电压V_T(与温度相关)相关的电流。一般而言，利用N个各具不同温度相依特性值的不同元件，可以形成N-1阶温度补偿。

因此，第5图即根据本发明的实施例，说明产生N阶温度补偿参考电压的方法。第5图的流程包含以下的步骤：

步骤500：产生N+1个温度相依的信号，这些信号可以是N+1个不同双极性晶体管的N+1个基极-发射极电压，或是其它温度相依的特性值。

步骤502：将该N+1个信号合成以产生合成信号，合成之后，该N+1个信号必须满足方程式(8)，其中r₁至r_N设定为零以达到N阶补偿，如此一来该N+1个信号的热因子就可以相消。

步骤504：根据步骤502的该合成信号产生V_REF。

根据本发明的实施例，参考电压V_REF的值决定于信号产生器与信号至电压转换器的电阻，因此，可以产生适用于低电压的参考电压V_REF，例如，应用于低于1.5伏。所以本发明适用于供应电压(VDD)非常低的电路，而且能产生具有N阶温度补偿的稳定参考电压。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种具有N阶温度补偿的参考电压产生器，其包含有：

多个信号产生器，用来产生多个信号，该多个信号分别对应多个温度相依特性值；

合成模块，耦接于该多个信号产生器，用来合成该多个信号以产生合成信号；以及

信号至电压转换器，耦接于该合成模块，用来根据该合成信号产生补偿参考电压。

2.根据权利要求1所述的参考电压产生器，其中该多个信号为N+1个温度相依的信号。

3.根据权利要求1所述的参考电压产生器，其中该合成模块根据该多个信号而算术上合成多个电流，来合成该多个信号以产生该合成信号。

4.根据权利要求1所述的参考电压产生器，其中该多个信号产生器包含多个具有p-n结的元件，而且每一元件都具有对应于一p-n结的跨压的特定温度相依特性值。

5.根据权利要求1所述的参考电压产生器，其中每一信号产生器皆包含：

第一电流源，用来根据控制信号而提供第一电流；

第二电流源，用来根据该控制信号而提供第二电流，该第二电流与该第一电流实质上相同；

电阻，其具有耦接于该第一电流源的第一节点，该电阻用来将该第一电流耦接至参考节点；

晶体管，其具有耦接于该第二电流源的发射极以及耦接于供应节点的基极与集电极；以及

控制信号产生器，用来产生该控制信号以控制该电阻的该第一节点的电压与该晶体管的该发射极的电压实质上相等；

其中该信号产生器所输出的信号为该控制信号。

6.一种产生具有N阶温度补偿的参考电压的方法，其包含有：

产生多个信号，其分别对应于多个温度相依特性值；

合成该多个信号以产生合成信号；以及

根据该合成信号来产生补偿参考电压。

7.根据权利要求6所述的方法，其中该多个信号为温度相依的N+1个信号。

8.根据权利要求6所述的方法，其中合成该多个信号以生成该合成信号的步骤还包含有：根据该多个信号而算术上合成多个电流。

9.根据权利要求6所述的方法，其还包含有提供多个具有p-n结的元件，其中每一温度相依特性值为一p-n结的跨压。

10.根据权利要求6所述的方法，其中产生多个信号的步骤还包含有提供多个信号产生器，每一信号产生器包含有：

第一电流源，用来根据控制信号而提供第一电流；

第二电流源，用来根据该控制信号而提供第二电流，且该第二电流与该第一电流是实质上相同；

电阻，其具有耦接于该第一电流源的第一节点，该电阻用来将该第一电流耦接至一参考节点；以及

晶体管，其具有耦接于该第二电流源的发射极以及耦接于供应节点的基极与集电极；以及

对每一信号产生器而言，该方法还包含有产生该控制信号以使该电阻的该第一节点的电压与该晶体管的该发射极的电压实质上相等；

其中该N+1个信号分别为对应于该多个信号产生器的多个控制信号。

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