TW200944983A - Bandgap voltage reference circuit - Google Patents

Description

200944983 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係糊於，能帶_參考電_電路，尤指一種使 用低電壓供應電源之能帶間隙參考電壓源電路。 【先前技術】 參考電壓產生n是類比及混合電財不可錢的設計，用來 ❹提供-不隨溫度變化的參考電壓。通常參考電壓產生器使用能帶 間隙參考電壓源電路來產生參考電壓，可排除溫度及供應電源的 影響。先前技術之能帶間隙參考電壓源電路之輸出參考電壓大約 為1.2V ’幾乎相等於以電子伏特⑽ectr〇nV〇lt)所量得的肌的 矽之能帶間隙（SiliconBandgap)。因此，所需的供應電源至少為 1.4V或更高的電壓。 ◎ 雙極性接面電晶體（BJT)的基射極電壓v^e以及兩個雙極 性接面電晶體基射極電壓的電壓差（△Vbe)是影響參考電壓的因 素。雙極性接面電晶體的基射極電壓Vbe具有負溫度係數特性， 亦即當溫度升高時基射極電壓會下降。另外，兩個雙極性接面電 晶體基射極電壓的電壓差AVbe則是正溫度係數的函數，亦即當 溫度升高時基射極電壓也會升高。為了使參考電壓不受溫度的影 響，可以調整雙極性接面電晶體基射極電壓差AVbe的大小並將 其加至第一個電晶體的基射極電壓Vbe。 6 200944983 明參考第1圖’第1圖為先前技術之能帶間隙參考電壓源電 路1〇之不意圖。參考電壓源電路1〇包含一運算放大器〇p〇、兩 電晶體MO、M1及兩電阻如、R1。在互補式金氧半場效電晶體 (CMOS)製私中’集極及基極接地之雙極性電晶體之 p /n well/p sub垂直接面可形成寄生二極體。於順偏主動操作之基 極-射極電壓可表示為：

Vbe = Vt*\n{IdIs) • Vt = kT/q ❺ 其中Ic為集極電流，Is為飽和電流，k為波次曼常數，τ為 溫度，q為電子的電荷，Vt為熱電壓，vt在室溫（〜·κ)大約 為 26mV。 電阻R0之跨壓為Vbel及VbeO之電壓差可表示為： Δ Vbe ~ Vbe\ - VbeO = Ft* ln(n) 其中Vbel為二極體Q1之基極_射極電壓，Vbe為二極體Q〇 之^^-射極電壓，且一極體Q1之大小為二極體Q2之η倍時，通 ©過電阻R1之電流與通過電阻RG之電流相同，輸出參考電壓· 可表示為：

Vref = Vbe\ + Λ1 *-- Vbe\ + Vt^ Μ R0 通常基極-射極電壓為0.6V，是與絕對溫度互補 (complementary to absolute temperature，CTAT)之函數，其負溫度係 數為-2mV/K，熱電壓則是與絕對溫度成正比(pr〇p〇rti⑽“奶 absolute temperature，PTAT)之函數，其正溫度係數為+〇 〇85mV/K 〇 因此，溫度對輸出參考電壓的影響可以忽略，當時，彖考 200944983 電壓 Vref 等於 〇.6V+23*26mV，大約為 1.2V。 然而’如第1圖所示之先前技術之能帶間隙參考電壓源電路

10無法用於低供應電源的應用上，例如供應電源VDD小於12V 的深次微米（deep submicron)的CMOS元件，因此先前技術提 供一種低電壓能帶間隙參考電壓源電路。請參考第2圖，第2圖 為先前技術之低電壓能帶間隙參考電壓源電路2〇之示意圖。參考 〇電壓源電路20包含一運算放大器ΟΡΟ、三電晶體MO、Μ卜M2 及㈣阻心版^仏兩二極體^仏輸出參考電壓 Vref可表示為：

Vref = R2*(ICTAT + IPTAT) R\a R〇 } =* (Vbel + R\a * ^

Rla R0 } 〜座*1.2V m ❹ 綜上所述’能帶間隙參考電壓源電路可提供一穩定之輸 壓’且對溫度與供應電源具有低敏感度。先前技術之參考電 之輸出參考電壓大約為12v，所需的供應電源猶^至少為1… 或更高的電壓。然而，在電源供應VDD小於12V的深次微乎 CMOS元射，職錢用低賴能帶_參考電麵電路切 【發明内容】 因此’本發明提供—種低電壓之能帶間隙參考電壓源電路， 200944983 以解決上述之問題 ^本發明係提供―概帶喝:參考電麵電路 運算放大器；一第一電晶體，該〜-第-運算放大紅輸_ „ ^之__於該第一 該第-電晶體之卿接於該第:=_於-供蝴^ 二電晶體’該第二電晶體之__於該第第 ❹ Ο :广電晶體之源極_於該供應電源，4 ::體: _接於該第-職放大私 ⑨科-電㈤體之攻 電晶體之閘極雛於該第-運算放’—第三電晶體’該第三 之源極耗接於該供應電源；—第—電^之輪出端，該第二電晶徵 接於該運放大器之正輸入端；—第二=’該第—電阻之第1輕 耦接於該第三電晶體之汲極；—第—_^且5亥第二電阻之第〜喁 第一端耦接於該第一電阻之第二端二極體，該第一二極體的之 接於一接地端；-第二二極體，^ 4第—二極體的之第二端輕 該第-運算放All之負輸人端，核體的之第-端轉接於 該接地端;及—除法器，該除、、:器：二極體的之第二端耦镇柃 大器之負輸入端，該除法器之輸㈣接於該第一運算敌 、Μ第一電阻之第二端。 本發明另提供—種能帶 運算放大器；—第—金氧半場效電晶電路，包含：一第〜 體之閘極ϋ接於該第—運算放大日’麵-金氧半場效電晶 電晶體之源極_於—供應電源’該第—金氧半場效 Μ〜金氣半場效電晶體之歧 9 200944983 極耦接於該第一運算放大器之正— 體，該第二錢輸咖.嫩^β t金氧半場效電晶體之源 端；-第三錄物之入 _竭-輪#蝴體之間極 源極轉接於該供應電源；—第^；=+磁電晶體之 Ο ❹ 於該運放大H之正輸人端1且之第—端輕接 接於今第m ’第—電阻’該第二電阻之第-端耦 ==半場效電晶雜之祕;-第-雙極性接面電晶 端，^極性接面電晶體的之集極耗接於該第-電ia之第二 μ第一雙極性接面電晶體 雙極性接面電晶體的之美_, 接地端’該第- 射極·第雔接於該第一雙極性接面電晶體的之 耵棧，一第二雙極性接面電晶體， 集極耦接於 —Π各 μ ^ -雙極性接面電晶體的之 晶體的之㈣ί 大益之負輸入端，該第二雙極性接面電 的之射極耦接於該接地端， s雙極性接面電晶趙的之基 器，該第二Si::體的之射極;-第二運算放大 輪入端，該第二運接於該第-運算放大器之負 之輸出浐n °°負輪入端耦接於該第二運算放大器 端:及二 運算放大器之輪出端耦接於該第二電阻之第二 -端，#第—f阻’謂二電阻之第—她接於該第二電阻之第 而料三電阻之第二端轉接於該接地端。 【實施方式】 10 200944983 ㈣或更低的供應電源侧。參考糕源電路3q包含—第一運 鼻放大器⑽、—第—電晶體鳩、-第二電晶咖、—第三^ ::M2」、一第一電阻R〇、一第二電阻幻、—第一二極峰 第-.軍置妨士 L Χ°第一電晶體Μ〇之問極祕於 ❹ 〇 ☆ Q之輸出端’第—電晶體Μ0之源極耦接於一 供應電源獅第-電晶義之汲極祕於第—運算放大器⑽ 之正輸入端帛一電晶體⑷之開極祕於第一運算放大器Op。 之輸出端’第二電晶體奶之源極輕接於供應電源伽，第二電 晶體M1之汲_接於第一運算放大器⑽之負輸入端。第三電 晶體M2之間極输於第_運算放大器⑽之輸出端，第三電晶 體M2之源極婦於供應電源卿，第三電晶體M2之源_接 於第一電阻R1之第-端。第一電阻R〇之第一端輛接於運放大器 之，輸入端⑽’第一電阻R〇之第一端祕於第一二極體W的 之第-端’第-二鋪Q〇的之第二端輛接於一接地端GND。第 ^二極體φ的之第-端轉接於第—運算放大器⑽之負輸入 知第一極體的之第—端麵接於接地端⑽〇。除法器⑽之輸 入_接於第-運算放大器⑽之負輸入端，除法器⑽之輸出 端轉接於第二電阻R1之第二端。第—電晶體膽、第二電晶體 吣及第三電晶體M2為P型金氧半場效電晶體。第-二極體Q〇 及第二二極體Q1分勒—聊雙極性接面電晶體卿成，雙極 性接面電晶體之集軸接於雙極性接面電晶體之基極。 200944983 本發明之參考電壓源電路3〇利用除法器1/χ來降低輸出考電 壓Vref ’使參考電壓源電路3〇可使用較低的供應電源VDD。參 考電壓源電路30之輸出考電壓Vref分析如下，首先，第一電晶體 M0、第二電晶體Ml及第三電晶體M2形成電流鏡，所以，第三 電晶體M2P及第二電晶體M1之汲極電流與第一電晶體则之没 極電流相等。由於第-運算放大器⑽之正輸入端及負輸入端之 ❹間為虛短路（virtualshort)，所以在第一電晶體之汲極形成參考電 Οώ Vbe\ - VbeO ^ _ ；，L —~^'一，虽一極體Q1之大小為二極體Q2之η倍時，該參考 電"丨L等於-、。。再者’除法器1/χ之輸出端¥_與輸入端Vin 之關係為-=学’因此，輸出參考電壓㈣可表示為： 一其中Μ為設計參數’當M=23時，輸岭考電壓醫可表 >1;為 * 如/ = 士 * (〇.6厂 + 23 * 26所 F)〜义

A V ^參考第4圖’第4圖為第3圖之實施例之示意圖。第3 中的除法ϋ 1/X包含-第二運算放 -運管裔〇Pl及一第三電阻R2。 一 大器〇P1之正輸入端耦接於第-運算放*哭_名 入端，第二運算放大器OP1之負輸入媳 ° 之、 OP1之輸出端，第二運算放大_ ^接於第二運算放大器 之輪出端耦接於第二電阻] 200944983 之第二端。第三電阻R2之第一端耦接於第二電阻 第^阻把之第二端倾於接地編D。於 第 的節點可得到下列等式： 巧电iVref R0 因此，輸出參考電壓Vref可表示為 vref ^Rl + R2 )* (ϋ+ _ R2 , '"(Vbel + Ri R\ + R2 〜R2 , Ί.2Κ RI + R2 R0 R0 ❹ 在本實施例中，除法器1/X之係數相當於_^， Λ1 * 尺1 + R2 ^ 一^，當R2=RJ ’ Μ=23時，參考電壓大Vref大約為〇 6V。 凊參考第5圖，第5圖為本發明之參考電壓源電路3〇之輪出 參考電壓Vref對溫度之枝圖。第5圖讀座標為溫度，縱座標 為電壓，四條曲線分別表示供應電源VDD於〇 8ν、〇9ν、ι 〇ν及 UV於溫度0度至100度之輸出參考電壓Vref<3當供應電源VDD 在· 1.1V至0.9V之時’參考電壓源電路3〇於溫度〇度至1〇〇度之 輸出參考電壓大約介於593mV到597mV，但是當供應電源VDD 下降到0.8V時’參考電壓源電路3〇之輸出參考電壓Vref就會隨 溫度產生很大的變化。因此’參考電壓源電路3〇在供應電源VDD 在1.1V至0.9V可輸出穩定的參考電壓Vref。 13 200944983 ”不上所述’本刺之參考電麼源電路利躲法时降低 考電壓，使參考電壓源電路3〇可使用較低的供應電源VDD 帶間隙參考賴源電路包含—運算放大器…第—電晶體、 -電晶體、-第三電晶體、一第—電阻、一第二電阻、一第—二 =體、-第二二極體、及—除法器。第—電晶體、第财 第三電晶體形成電流鏡，電流鏡之參考電流根據第一二極體= d體及第-電阻所纽。參考龍源之參考電 Ο :二第-端輸出，除法曝於該第二電阻之第二端 之輸岭考錢。目此，參考縣 = 較低之供應電源。 η 呆作在 範 以上所述f堇為本發明之較佳實施例，凡依本發明 圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋簡。° €> 【圖式簡單說明】 前技術之能帶間隙參考電壓源電路之示意圖。 圖為先讀術之低電壓能帶_參考 第3圖為本發明之能帶_參考電==之不意圖^ 第4圖為第3圖之實施例之示意圖。電〜圖。 第⑽為圖本翻之參考賴源f路之獅參考雙對溫度之示意 【主要元件符號說明】 14 200944983 10、20 、30 參考電壓源電路 ΟΡΟ 第一運算放大器 OP1 第二運算放大器 MO 第一電晶體 Ml 第二電晶體 M2 第三電晶體 R0 第一電阻 R1 第二電阻 R2 第三電阻 QO 第一二極體 Q1 第二二極體 1/X 除法器 ❹ 15

Claims (1)

1. 200944983 十、申請專利範圍： 1. 一種能帶間隙參考電壓源電路，包含· 一第一運算放大器； 之輸出端，該第-電晶體〜第—運算放大器 一雷曰俨之、、及魅拉_/原極麵接於一供應電源，該第 電曰曰體之絲_於該第 -第二電晶體，該第二電日日日h叫大狀正輪入端； Ο ❹ 尾曰曰體之閘極_於該第 之輸出端，該第二電晶體之源極麵接第 二電晶體之汲_接於該第一運第 一苐三電晶體，該第三雷曰 角珣入端， 之輸出端，該第三電:曰:體：耦接於該第-運算放大器 一第-電阻，該第-軌之第源_接_供應電源； 端； 第1輕接於該運放大器之正輸入 一第二電阻，該第二電 極； 第—_接於該第三電晶體之汲 ―第第：：第一二極體的之第-端_該第-電阻之 -第二二極體，該第二 第-蝴妾於-接地端； 大器之負輸入端，該第_ _接於該第一運算放 端，·及 第一二極體的之第二端输於該接地 -除法器，該除法H之輪人接 入蠕，該除法器之輸出端轉接於大器之負輸 爾^亥第一電阻之苐二端。 16 200944983 2.如請求項】々所述之參考電_電路，射該除法 器包含： 入端耦接於該第 端 運异放大器，該第二運算放大器之正輪 一運算放大器之負輪人端， 琢 倾於該第二運算放大器^ 』 益之負輸入 輸出端耦接於該第二電阻之第二端；及 大器之 ❹ ❹ H戰咖之第—端鱗卿：電阻之第一 "第一電阻之第二翻接於該接地端。 3.如t求項！所述之參考電壓源電路，其中該第—電晶體 -電晶體及該第三電晶體為p型錢半場效電晶^ μ 4·如凊求項1所述之參考賴源電路，其中該第—二極體及 =二極體分別由一 ΡΝΡ雙極性接面電晶體所形成，該雙極性 妾面電晶體之集極雛於該雙極性接面電晶體之基極。 5· 1所述之參考電壓源電路，其中該第二電晶體及該第 -電晶體之汲極電流與該L0體之汲極電流相等。 6·,請求们所述之參考賴源魏，其中料二電阻之第 糸用來輪出一參考電壓。 種能帶間隙參考電壓源電路，包含： —第—運算放大器； 200944983 一 半場效電Μ，㈣^ I 接於該第—運算放大器之輪中⑽穷電曰曰體之閘_ 體之源_接於-供應二該第—金氧半場效電晶 汲極耗接於該第-運算^轉—金氧半場效電晶體之 v 八為之正輪入端； 第一金虱+場效電晶體，該 接於該第-運算放大器之^氧半場效電晶體之間極賴 Ο Q =、極_於該供應電源，該第二金氧半場效電曰= 二極輕接於該第—運算放大器之負輸人端；曰曰體之 一第二金氧半場效電晶體， 接於嗲第…丄金氧+场效電晶體之閑極耦 體之源極耦接於該供應電源； 電日日 第端電阻’該第—電阻之第接於該運放大器之正輸入 ^㈣㈣㈣—物綱象錢半場效電 曰日體之汲極； 第雙極性接面電晶體，該第一雙極性接面電晶體的之集極 耦接於《亥第i阻之第二端，該第一雙極性接面電晶體的 射極_接於接地端，該第一雙極性接面電晶體的之基 +極墟於該第—雙極性麵電晶義之射極,· 第-雙極性接面電晶體’該第二雙極性接面電晶體的之集極 輕接於該第-運算放大||之諸人端，該第二雙極性接面 電晶體的之射極耦接於該接地端，該第二雙極性接面電晶 體的之基極雜於該第二雙極性接面電晶體的之射極； 18 200944983 第一運异放大盗，該第二運算敌A器之 —運算放大n之諸人端，鄉^接制弟 耦接於該第二運算放大器之_^异放A器之負輸入端 於山 建減μ之輪㈣，該第二運算放大器之 輸出端耦接於該第二電阻之第二端；及 -第山三電阻，該第三電阻之第—端_於該第二電阻之第一 知該第一電阻之第二端柄接於該接地端。 ❹ 如曰請求項7所述之參考電壓源電路，其中該第二金氧半場效電 曰曰體及。亥第二金氧半場效電晶體之沒極電流與該第一金氧半 場效電晶體之汲極電流相等。 9.如請求項7所述之參考電壓源電路，其中該第二電阻之第一端 係用來輸出一參考電壓。 10.如α求項9所述之參考電壓源電路，其中當該第二電阻與第三 © 電阻之電阻值相等時，該參考電壓約為〇.6Ve 十一、圖式： 19