CN1896900B

CN1896900B - 能阶参考电路

Info

Publication number: CN1896900B
Application number: CN2005100847305A
Authority: CN
Inventors: 陈安忠; 黄宏政; 郑文隆; 林铭泽
Original assignee: Nvidia Corp
Current assignee: The British Virgin Islands Business Huida Limited by Share Ltd. Viking; Nvidia Corp
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2025-07-13
Also published as: CN1896900A

Abstract

一种对温度与供应电压低敏感度的能阶参考电路，是针对一能阶参考电路上设置一补偿电路，取代现有利用电阻匹配达成电路激活的目的，以解决因为制程误差造成的激活错误的问题，该能阶参考电路包括一第一放大器、一第二放大器，并且其中包括有多个晶体管、多个双极性接面晶体管的参考电路，再与参考电路电性连接于共同的一供应电源，其中包括有多个晶体管与第二放大器的一补偿电路，借以输出一对温度变化与供应电压变化低敏感度的稳定激活电压。

Description

能阶参考电路

技术领域

本发明涉及一种能阶参考电路，特别是指为使电路有更稳定的激活机制，而使产生对温度变化与供应电压变化低敏感度的能阶参考电路。

背景技术

在一般的能阶参考电压(bandgap reference voltage)的课题上，晶体管通过于PN接面(PN junction)的基极射极偏压(V_BE)的正向电压产生压降，加上基极射极偏压与绝对温度成比例(proportional to absolutetemperature，PTAT)的特性下，产生一用于电路激活的参考电压。

现有的能阶参考电路如美国专利US6,788,041号公开一种用以产生一参考电压的低功率能阶电路，其中包括晶体管、产生偏压电流的偏压电路、PTAT电流源、电阻等，借以提供一低功率且精确的参考电压，其中借适当的电阻值并其PTAT电流值，保持该电路的稳定性，以降低对温度的敏感度。其它如美国专利US6,531,857所公开包括有多个晶体管与放大器的低电压能阶参考电路，或以一激活电路实现的能阶参考电路，如美国专利US6,191,644号，皆为了提供一较佳的激活电路，然本发明为解决现有技术用于电路激活时产生的错误，提出一稳定的电压提出解决方案。

现有技术的能阶电路如图1所示，其中，所示包括有相同且闸极相连接的P型金氧半晶体管(PMOS)P1、P2与P3，P型金氧半晶体管P1形成P型金氧半晶体管P2与P3的电流镜晶体管(current mirror transistor)，并且此三个晶体管的闸极(gate)都相连于放大器(operational amplifier)OP1的输出端，故P型金氧半晶体管P1，P2，P3有相同的汲极电流(draincurrent)，也就是I1＝I2＝I3。另外设置一PNP型双极性接面晶体管(BJT)Q1与Q2，将其射极(emitter)连结于晶体管P1与P2汲极(drain)，形成如同二极管的结构，并且PNP型双极性接面晶体管Q2为晶体管Q1的射极面积(emitter area)的一整数倍(N)。

再者，放大器OP1中控制相同的输入端电压Va、Vb，也如金氧半晶体管P1、P2的汲极电压Va＝Vb，并且因为相同特征的电阻R1与R2(R1＝R2)形成通过结构的电流为VBE/R1，并且基极射极偏压VBE与温度T为反比关系，其中VBE为双极性接面晶体管的基极射极偏压。因为电压Va＝Vb，与经过电阻R3的电流形成与绝对温度成比例(PTAT)的电流，故此PTAT电流等于VT.lnN/R3，其中VT等于KT/q，V为电压值，T为绝对温度值，N为上述双极性接面晶体管Q2与Q1的射极面积比例，K为波兹曼常数(Boltzmann constant)，q为电荷值(单位：库伦)。

流经晶体管P2的电流I2为流经电阻R2的电流(＝VBE/R1)与流经电阻R3的电流(VBE/R3＝VT.lnN/R3)总和，如：

I2＝(VBE/R1)+(VT.lnN/R3)

并且因为I1＝I2＝I3，所以参考电压Vref＝R4.I3＝R4.I2，故：

Vref＝R4.((VBE/R1)+(VT.lnN/R3))

因此Vref＝(R4/R3).((VBE.R3/R1)+(VT.lnN))

由此式可看出，若将R3/R1的比例与N值最佳化，将可产生对温度与供应电压低敏感度的参考电压Vref。

然而，在半导体制程中，电阻R1与R2将因制程造成的误差而有所不同，使放大器OP1产生的偏移让参考电压Vref的输出产生偏移，并且易受温度的影响。更严重的是，因为连接晶体管P1、P2汲极端的电阻R1与R2在制程上的误差会造成电路激活的错误。

请参阅图2，其中所示为分别将放大器的输出端与金氧半晶体管P1、P2与P3的联机中断时的输出电压与其输入电压的变化示意图，附图中的稳定斜线为输入稳定测试电压时，所量出放大器OP1的输出电压，而曲线部分为分别断开与晶体管P1、P2与P3联机的电压示意波形。其中可观察到有三个电压解(a，b，c)，有两个电压在一急降曲线的部分(a，b)，也是让电路开启错误的电压值，而电压值c所处的点为正确电路开启的值，电阻R1与R2的误差所影响的变化即为a点与b点间形成一个急降的波形，也就是说，若电阻R1确实等于R2，则不会出现让电路激活错误的情形。

为解决现有技术中因电阻R1与R2误差所造成电路激活的错误，本发明为达成电路有更稳定的激活机制，提出一较佳的能阶参考电路的解决方案，忽略电阻可能造成的错误，使输出电压不会对温度变化与供应电压的变化太敏感。

发明内容

一种能阶参考电路，为达成电路有更稳定的激活机制，提出一较佳的能阶参考电路的解决方案，其中忽略电阻可能造成的错误，使输出电压对温度变化与供应电压变化有较小的敏感度。

其中电路至少包括：

一第一放大器与一第二放大器，而第二放大器的一输入端为耦接于第一放大器的输入端；电路包括分别连接于不同晶体管的第一双极性接面晶体管与第二双极性接面晶体管，而第一双极性接面晶体管的射极端电性连接第一金氧半晶体管的汲极端，第二双极性接面晶体管的射极端经电阻电性连接第二金氧半晶体管的汲极端，其中第二双极性接面晶体管为第一双极性接面晶体管射极面积的一整数倍；

还包括有第一金氧半晶体管，其汲极端电性连接第一双极性接面晶体管的射极端；第二金氧半晶体管的汲极端也电性连接第二双极性接面晶体管的射极端，并且上述第二金氧半晶体管的汲极端还电性连接一电阻，以校正其端电压；

参考电路部分还有第三金氧半晶体管与补偿电路部分的第五金氧半晶体管的源极端电性连接，并共同电性连接于供应电源，而此第五金氧半晶体管与第三金氧半晶体管的汲极端则共同电性连接一参考电压端Vref，并经一电阻后接地；

再有第四金氧半晶体管，其汲极端电性连接第二放大器的输入端，再电性连接一电阻后接地。

上述多个金氧半晶体管的闸极端电性连接于第一放大器的输出端，而源极端还共同电性连接于供应电源，其提供相同的汲极电流，该此能阶参考电路输出一对温度变化与供应电压的大小低敏感度的一稳定激活电压。

附图说明

图1为现有技术能阶参考电路示意图；

图2为现有技术放大器输出电压测试波形图；

图3为本发明能阶参考电路实施例示意图；

图4为本发明能阶参考电路方块示意图；

图5为本发明放大器输出电压测试波形图。

附图标记说明：

P1、P2、P3、P4、P5 P型金氧半晶体管

OP1、OP2 放大器

Q 1、Q2 双极性接面晶体管

I1、I2、I3 电流

Va、Vb 电压

R1、R2、R3、R4、R5 电阻

Vref 参考电压

Vcc 供应电源

30 参考电路

40 补偿电路

具体实施方式

本发明为使一能阶参考电路的输出电压对温度变化与供应电压低敏感，故提出如图3所示的能阶参考电路实施例，相对于现有技术(图1)，忽略其中电阻R1与R2，加上两个P型金氧半晶体管P4与P5、一第二放大器OP2与电阻R5，并且PNP型双极性接面晶体管Q2为晶体管Q1的射极面积(emitter area)的一整数倍N。

如图所示的一种能阶参考电路详述如下：

其中，至少包括第一放大器OP1与第二放大器OP2，而第二放大器OP2的一输入端为耦接于第一放大器的输入端，都如图所示的输入电压Va；

包括分别连接于不同晶体管的第一双极性接面晶体管Q1与第二双极性接面晶体管Q2，而第一双极性接面晶体管Q1的射极端电性连接第一金氧半晶体管P1的汲极端，而集极端与基极端接地(ground)，第二双极性接面晶体管Q2的射极端电性连接第二金氧半晶体管P2的汲极端，其集极端与基极端也接地，其中第二双极性接面晶体管Q2为第一双极性接面晶体管Q1射极面积的一整数倍；

包括有第一金氧半晶体管P1，其汲极端电性连接第一双极性接面晶体管Q1的射极端，第二金氧半晶体管P2的汲极端也电性连接第二双极性接面晶体管Q2的射极端，并且第二金氧半晶体管P2的汲极端还电性连接一电阻R3，以校正其端电压；

参考电路部分还有第三金氧半晶体管P3，其与本发明用以补偿的电路部分的第五金氧半晶体管P5的源极端相连接，并电性连接于供应电源Vcc，而第五金氧半晶体管P5与第三金氧半晶体管P3的汲极端则共同电性连接一参考电压端Vref，并经一电阻R4后接地；

再有第四金氧半晶体管P4，其汲极端电性连接第二放大器OP2的一输入端，即输入端电压Vc，再电性连接一电阻R5后接地。

上述各金氧半晶体管P1、P2与P3的闸极端电性连接于第一放大器OP1的输出端，另外于补偿电路部分，其金氧半晶体管P4与P5的闸极端则电性连接于第二放大器OP2的输出端，而上述多个金氧半晶体管的源极端还共同连接于供应电源Vcc，并以汲极端电性接地，以提供相同的汲极电流，此能阶参考电路输出一对温度变化与供应电压的大小低敏感度的稳定激活电压。

如图3中所设置的P型金氧半晶体管P1、P2与P3仍为相同的晶体管，其闸极端共同电性连接第一放大器OP1，其源极端共同电性连接一供应电源Vcc，并产生相同的汲极电流I1＝I2＝I3。

而本发明加入的晶体管P4与P5也为相同的晶体管，两者的闸极端共同电性连接于第二放大器OP2的输出端，晶体管P5形成晶体管P4的电流镜晶体管(current mirror transistor)，并且两者由供应电源Vcc来的汲极电流也相同，即I4＝I5。

第二放大器OP2使其输入电压Va等于电压Vc，而电压Vc使经过电阻R5的电流形成如同现有技术中的电流VBE/R5(其中VBE为双极性接面晶体管的基极射极偏压)，故I4＝I5＝VBE/R5。并且，基于电压值Va等于Vb，还使经过电阻R3的电流I3形成与绝对温度成比例的PTAT电流，然基极射极偏压VBE与温度T为反比关系，故此电流等于VT.lnN/R3，推导如下：

其中双极性接面晶体管Q2为晶体管Q1射极面积的一整数倍N，Is为供应电压，而其中晶体管的基极射极偏压为VBE，故产生的汲极电流I1与I2分别为：

I1＝Is·e^VBE1/VT

I2＝N·Is·e^VBE2/VT

所以

V_BE1＝VT·ln(I1/Is)

V_BE2＝VT·ln(I2/(N·Is))

因为I1＝I2，并且Va＝VBE1＝Vb＝VBE2+dVf

dVf为Va与Vb电压的差异，故

VT·ln(I1/Is)＝VT·ln(I2/(N·Is))+I2·R3

因此，I1＝I2＝I3＝VT.lnN/R3

其中晶体管P2的汲极端电性连接的电阻R3为校正其端电压，并且VT等于KT/q，V为电压值，T为绝对温度值，N为上述双极性接面晶体管Q2与Q1的射极面积比例，K为波兹曼常数(Boltzmann constant)，q为电荷值(单位：库伦)。

因为晶体管P3与P5的源极端共同连接于供应电源Vcc，并且其汲极端也共同电性连接至电阻R4，使经过电阻R4的电流为经过二晶体管的电流I3与I5的总和，故参考电压为：

Vref＝R4.(I5+I3)

＝R4.((VBE/R5)+(VT.lnN/R3))

＝(R4/R3).((VBE.R3/R5)+(VT.lnN))

相对于现有技术，本发明的参考电路中变量包括有R3、R4、R5等，省去了电阻R1与R2需要相等或相互匹配的因素，如附图中包含晶体管Q1与Q2的现有参考电路30，是以一补偿电路取代电阻R1与R2的贡献，故并不需特别作R1与R2电阻值的匹配，相对于现有技术，此实施例则减低了因为制程上误差造成电路激活的错误。

图4显示本发明能阶参考电路的方块示意图，其中参考电路30如图3所示的现有去除电阻匹配的考量的电路，另需设置一补偿电路40来满足本发明能阶参考电路对温度与电压不敏感的要求，其中设置有一晶体管P4与P5形成的晶体管对(pair)，其闸极端共同电性连接于第二放大器OP2的输出端。

图5所示为将每个连结于第一放大器OP1的输出端电压的晶体管P 1、P2与P3断线后与其输入电压的变化图，可以观察到仅有一个稳定电压值(d点)，也就是成功的电路激活电压值。

值得一提的是，本发明的能阶参考电路可沿用一个电阻R1，成为实施例中的电阻R5，故将不会出现因为半导体制程造成电阻R1与R2的偏差所产生的问题。

上述附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。综上所述，本发明能阶参考电路省略现有因为电阻匹配误差造成的错误，借一补偿电路产生稳定激活电压，实为一不可多得的发明物品，极具产业上的利用性、新颖性及进步性，完全符合发明专利申请要件，故依法提出申请，敬请详查并准予本案专利，以保障发明者权益。

但以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，非因此即拘限本发明的专利范围，故凡运用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变化，均同理包含于本发明的权利要求范围内。

Claims

1.一种能阶参考电路，其特征在于，包括有：

一第一放大器；

一第二放大器；

一参考电路，电性连接于所述第一放大器的输出端，其中包括有第一多个晶体管、多个双极性接面晶体管，并且所述第一多个晶体管的闸极端共同连结于所述第一放大器的输出端；

一补偿电路，与所述的参考电路电性连接于共同的一供应电源，其中包括有第二多个晶体管与所述第二放大器，并且所述第二多个晶体管的闸极端共同连结于所述的第二放大器的输出端；

由上述能阶参考电路输出一对温度变化与供应电压变化低敏感度的一稳定激活电压。

2.如权利要求1所述的能阶参考电路，其特征在于，所述的参考电路的所述第一多个晶体管包括：

一第一金氧半晶体管；

一第二金氧半晶体管；

一第三金氧半晶体管；

所述多个双极性接面晶体管包括一第一双极性接面晶体管，电性连接所述第一金氧半晶体管的汲极端，其射极端电性连接所述第一金氧半晶体管的汲极端，而集极端与基极端接地；以及

所述多个双极性接面晶体管还包括一第二双极性接面晶体管，电性连接所述第二金氧半晶体管的汲极端，其射极端电性连接所述第二金氧半晶体管的汲极端，而集极端与基极端接地；

其中多个金氧半晶体管的源极端共同电性连接于供应电源，并提供相同的汲极电流。

3.如权利要求2所述的能阶参考电路，其特征在于，所述的第二金氧半晶体管的汲极端还电性连接一电阻，以校正其端电压。

4.如权利要求2所述的能阶参考电路，其特征在于，所述的第二双极性接面晶体管射极面积为所述第一双极性接面晶体管射极面积的一整数倍。

5.如权利要求1所述的能阶参考电路，其特征在于，所述的补偿电路的所述第二多个晶体管包括：

一第四金氧半晶体管，其闸极端电性连接所述第二放大器的输出端；

一第五金氧半晶体管，其闸极端电性连接所述第二放大器的输出端，其汲极端连结于所述参考电路的第三金氧半晶体管的汲极端；

其中，多个金氧半晶体管的源极端共同电性连接于供应电源，以提供相同的汲极电流。

6.如权利要求5所述的能阶参考电路，其特征在于，所述的第四金氧半晶体管的汲极端电性连接所述第二放大器的一输入端，并电性连接一电阻后接地。

7.如权利要求5所述的能阶参考电路，其特征在于，所述的第五金氧半晶体管的汲极端经一电阻后接地。

8.一种能阶参考电路，其特征在于，包括有：

一第一放大器；

一第二放大器，第二放大器的一输入端为耦接于所述第一放大器的一输入端；

一第一双极性接面晶体管，所述第一双极性接面晶体管的射极端电性连接第一金氧半晶体管的汲极端，而集极端与基极端接地；

一第二双极性接面晶体管，其中，所述第二双极性接面晶体管射极面积为所述第一双极性接面晶体管射极面积的一整数倍，所述第二双极性接面晶体管的射极端电性连接第二金氧半晶体管的汲极端，而集极端与基极端接地；

一第一金氧半晶体管，其汲极端电性连接所述第一双极性接面晶体管；

一第二金氧半晶体管，其汲极端电性连接所述第二双极性接面晶体管；

一第三金氧半晶体管；

一第五金氧半晶体管，其闸极端电性连接所述第二放大器的输出端，其汲极端连结于所述第三金氧半晶体管的汲极端；

上述多个金氧半晶体管的源极端共同电性连接于供应电源，并提供相同的汲极电流，并且由该能阶参考电路输出一对温度变化与供应电压变化低敏感度的一稳定激活电压。

9.如权利要求8所述的能阶参考电路，其特征在于，所述的第二金氧半晶体管的汲极端还电性连接一电阻，以校正其端电压。

10.如权利要求8所述的能阶参考电路，其特征在于，所述的第四金氧半晶体管的汲极端电性连接所述第二放大器的一输入端，并电性连接一电阻后接地。