CN1831698A - 电压产生器、集成电路、和产生参考电压的方法 - Google Patents

电压产生器、集成电路、和产生参考电压的方法 Download PDF

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Abstract

一种参考电压产生器，包括一第一电路、一第二电路、和一外部组件。第一电路产生正温度系数(positive temperature coefficient)电压。第二电路耦接到上述第一电路，由一大致固定电流偏压，产生负温度系数(negativetemperature coefficient)电压，以及结合上述负温度系数电压和上述正温度系数电压作为一参考电压。外部组件耦接到上述第二电路，并且产生上述大致固定电流。

Description

电压产生器、集成电路、和产生参考电压的方法
技术领域
本发明涉及参考电压，特别是涉及参考电压产生器电路和产生参考电压的方法。
背景技术
模拟电路广泛使用到参考电压，这种参考电压需要具有高精确度，其相对于工艺因素和电压源的关联性很低或甚至没有，而相对于温度有一定义清楚的关联性。目前已经发展了许多实现零温度系数的技术方案，其中能带间隙(bandgap)参考电压是一种热门方法。
为了解释方便起见这里先定义两个名词，即正温度系数(positivetemperature coefficient)和负温度系数(negative temperature coefficient)。正温度系数数值表示对于绝对温度成正比例关系，也称为正比例绝对温度(proportional to absolute temperature，PTAT)，而负温度系数数值表示对于绝对温度成负比例关系也称为负比例绝对温度(counter proportional to absolutetemperature，CTAT)。
能带间隙参考电压电路通常以合适比例系数，结合由正温度系数电压和负温度系数电压，用以产生零温度系数电压。
图1示出了现有能带间隙参考电压电路的电路图，包括第一电路10和第二电路12。第一电路10耦接到第二电路12。第一电路10产生正温度系数电压VPTAT，第二电路产生负温度系数电压VCTAT。将正温度系数电压VPTAT和负温度系数电压VCTAT结合产生能带间隙参考电压Vbg，在理想状态下为一固定数值。该固定数值和工艺、电压源、和温度的变化无关，并且由以下关系式表示：
Vbg＝VPTAT+VCTAT                                      (1)
第一电路10包括第一双极晶体管Q1、第二双极晶体管Q2、操作放大器(Operational amplifier，OP)OP1、第一电阻R1、和第二电阻R2。第一双极晶体管Q1耦接到第一电阻R1，然后到操作放大器OP1的非反向输入。第二双极晶体管Q2耦接到操作放大器OP1的反向输入，使得在第一双极晶体管Q1和第二双极晶体管Q2分别建立不同的射极基极电压(emitter-basevoltage)Veb1和Veb2，在Veb1和Veb2间产生一射极基极电压差ΔVeb(ΔVeb＝Veb2-Veb1)于操作放大器OP1的输出和第二电阻R2。该射极基极电压差ΔVeb为一组件原本就存在的正温度系数电压VPTAT。接着上述正温度系数电压VPTAT控制一正温度系数电流IPTAT穿过第二电阻R2，用以建立正温度系数电压VPTAT。
第二电路12包括第三双极晶体管Q3，其耦接到第二电阻R2，并且在第三双极晶体管Q3的射极和基极间产生组件原本就存在的负温度系数电压VCTAT。
然而，因为正温度系数电流IPTAT随工艺和温度变动，而且引入一和负温度系数电压VCTAT相反的量，用以偏压第三双极晶体管Q3的正温度系数电流IPTAT将使得负温度系数电压VCTAT的效果减弱。在实际操作上正温度系数电流IPTAT可以因为集成电路的工艺产生20％的变动，导致能带间隙参考电压Vbg无法维持和工艺和温度无关的电压电平。为了解决这个问题通常需要额外的电路仿真和校正，也因此增加产品的制造周期和电路复杂度。
因此，这里需要一种参考电压产生器和产生参考电压的方法，用以产生一种和偏压无关的参考电压。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种参考电压产生器，包括一第一电路、一第二电路、和一外部组件。第一电路产生正温度系数(positive temperaturecoefficient)电压。第二电路耦接到上述第一电路，由一大致固定电流偏压，产生负温度系数(negative temperature coefficient)电压，以及结合上述负温度系数电压和上述正温度系数电压作为一参考电压。外部组件耦接到上述第二电路，并且产生上述大致固定电流。
此外，本发明还提出一种集成电路，用以产生一参考电压，包括一第一电路和一第二电路。第一电路产生一正温度系数电流和一正温度系数电压。第二电路耦接到上述第一电路，由一非上述正温度系数电流的大致固定电流偏压，产生一负温度系数电压，以及结合上述负温度系数电压和上述正温度系数电压作为上述参考电压。
本发明还提出一种产生参考电压的方法，包括在一第一电路提供一正温度系数电压，由一大致固定电流偏压一第二电路，上述大致固定电流由一外部组件而来，在上述第二电路形成一负温度系数电压，以及结合上述负温度系数电压和上述正温度系数电压作为上述参考电压。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并结合附图详细说明如下。
附图说明
图1示出了示现有能带间隙参考电压电路的电路图。
图2示出了本发明实施例中之参考电压产生器的电路图。
图3示出了使用在图2参考电压产生器的装置3的电路概要图。
附图符号说明
10-PTAT电路；12-CTAT电路；20-中间电路；22-外部组件。
具体实施方式
在此必须说明的是，下面披露的内容中所提出的不同实施例或范例，是用以说明本发明所揭示的不同技术特征，其所描述的特定范例或排列是用以简化本发明，并非用以限定本发明。此外，在不同实施例或范例中可能重复使用相同的参考数字与符号，其所重复使用的参考数字与符号是用以说明本发明所揭示的内容，并非用以表示不同实施例或范例间的关系。
图2示出了本发明实施例中的参考电压产生器的电路图，包括PTAT电路10(第一电路)、CTAT电路12(第二电路)、中间电路20(第三电路)、和外部组件22。PTAT电路10耦接到CTAT电路12、中间电路20、接着耦接到外部组件22。
参考图2，PTAT电路10产生一正温度系数电压VPTAT，而CTAT电路12利用外部电流Iext产生一负温度系数电压VCTAT，该外部电流Iext和电流nIext以n倍数相关。外部电流Iext由外部组件产生，该外部组件可以为电阻、电容、或任何可以提供大致固定电流Iext的组件。正温度系数电压VPTAT和负温度系数电压VCTAT一起产生一大致固定参考电压Vbg。
一大致固定电压应用于外部组件两端，用以建立大致固定电流Iext，接着该大致固定电流Iext经由中间电路20导入至CTAT电路12作为偏压电流nIext。上述大致固定电压可以为由CTAT电路12经由中间电路20而来的参考电压。
PTAT电路10和CTAT电路12可以使用现有的第一电路及第二电路，如图1显示的电路配置，两者和中间电路20都位于一集成电路组件。外部组件22在集成电路组件之外。既然外部组件22和集成电路组件并非一个整体，外部组件22不会被集成电路制造中的20％制成变动所影响，所以为一可控制的组件。实际应用上，外部组件22的正确性可以维持在其阻抗的1％内。因此，使用现有的第一电路及第二电路，利用一中间电路20及外部组件22可提供一稳定的参考电压。
中间电路20包括操作放大器(operational amplifier，OA)200、电流镜(current mirror)电路202、和晶体管204。操作放大器200的非反向输入耦接到CTAT电路12，其反向输入耦接到外部组件22，以及其输出耦接到晶体管204。晶体管204接着耦接到外部组件22和电流镜电路202。
参考电压Vbg由CTAT电路12经由操作放大器200送到外部组件22，使得一大致固定电压施加到外部组件22两端，并且固定电流nIext经由电流镜电路202回馈到CTAT电路12，得到真的负温度系数电压VCTAT和非偏压敏感的参考电压Vbg。
图3示出了使用在图2参考电压产生器的装置3的电路概要图。装置3包括PTAT电路10(第一电路)、CTAT电路12(第二电路)、和中间电路20(第三电路)。PTAT电路10耦接到CTAT电路12、接着耦接到中间电路20。
PTAT电路10产生正温度系数电流IPTAT和正温度系数电压VPTAT。CTAT电路12由一大致固定电流nIext偏压用以产生负温度系数电压VCTAT，以及结合负温度系数电压VCTAT和正温度系数电压VPTAT作为参考电压Vbg。上述大致固定电流nIext并非上述正温度系数电流IPTAT。
PTAT电路10，CTAT电路12，和中间电路20可以由图2显示的电路配置实现。另外，CTAT电路12可以耦接到一外部组件，用以接受大致固定电流nIext穿过其中。上述外部组件可以为电阻、电容、或任何可以提供大致固定电流Iext的组件。
本发明还包括一种产生参考电压Vbg的方法，使用图2所披露的参考电压产生器。
在初始化之后，该产生参考电压Vbg的方法包括在PTAT电路10提供正温度系数电压VPTAT，并且由大致固定电流nIext偏压CTAT电路12来产生负温度系数电压VCTAT。上述大致固定电流nIext由外部组件22而来。最后结合负温度系数电压VCTAT和正温度系数电压VPTAT作为参考电压Vbg。
接着经由中间电路20中的操作放大器200将参考电压Vbg施加于外部组件22。因为外部组件22的值具有控制良好的精确性，参考电压产生器2的电路配置所产生的电流Iext为一大致固定电流，其经由中间电路20内的电流镜电路202传送到CTAT电路12。CTAT电路12使用大致固定电流Iext做为偏压电流，用以产生负温度系数电压VCTAT。这个方法可以持续直到上述产生参考电压程序结束为止。
本发明和互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal-OxideSemiconductor，CMOS)、双极(Bipolar)、双载流子互补型金属氧化物半导体(BIpolarCMOS，BiCMOS)工艺完全兼容，本领域的技术人员可以在不偏离本发明的发明精神的前提下，依其需要做相对应的改变到双极或BiCMOS工艺。
本发明虽以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可做若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。

Claims (13)

1.一种参考电压产生器，包括：
一第一电路，产生正温度系数电压；
一第二电路，耦接到上述第一电路，由一大致固定电流偏压，产生负温度系数电压，以及结合上述负温度系数电压和上述正温度系数电压作为一参考电压；以及
一外部组件，耦接到上述第二电路，并且产生上述大致固定电流。
2.如权利要求1所述的参考电压产生器，其中上述外部组件为一耦接到上述参考电压的电阻。
3.如权利要求1所述的参考电压产生器，还包括一第三电路，耦接上述第二电路和上述外部组件，使得上述参考电压耦接到上述外部组件，并且经由上述第三电路导入上述大致固定电流到上述第二电路。
4.如权利要求3所述的参考电压产生器，其中上述第三电路包括一操作放大器，耦接到上述第二电路和上述外部组件，使得上述参考电压施加到上述外部组件。
5.如权利要求3所述的参考电压产生器，其中上述第三电路还包括一电流镜电路，耦接到上述第二电路和上述外部组件，使得上述第二电路接收到上述大致固定电流。
6.一种集成电路，加入用以产生一参考电压，包括：
一第一电路，产生一正温度系数电流和一正温度系数电压；以及
一第二电路，耦接到上述第一电路，由一非上述正温度系数电流的大致固定电流偏压，产生一负温度系数电压，以及结合上述负温度系数电压和上述正温度系数电压作为上述参考电压。
7.如权利要求6所述的集成电路，其中上述第二电路更耦接到一外部组件，用以接收上述大致固定电流穿过其中。
8.如权利要求6所述的集成电路，还包括一操作放大器，耦接到上述第二电路和一外部组件，使得上述参考电压施加到上述外部组件。
9.如权利要求6所述的集成电路，还包括一电流镜电路，耦接到上述第二电路和一外部组件，使得上述第二电路接收到上述大致固定电流。
10.一种产生参考电压的方法，包括：
在一第一电路提供一正温度系数电压；
由一大致固定电流偏压一第二电路，上述大致固定电流由一外部组件而来；
在上述第二电路形成一负温度系数电压；以及
结合上述负温度系数电压和上述正温度系数电压作为上述参考电压。
11.如权利要求10所述的产生参考电压的方法，其中上述外部组件为一耦接到上述参考电压的电阻。
12.如权利要求10所述的产生参考电压的方法，还包括经由一第三电路施加上述参考电压到上述外部组件。
13.如权利要求10所述的产生参考电压的方法，还包括经由一第四电路导入上述大致固定电流到上述第二电路。
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