TW201342003A - 參考電壓／電流產生裝置 - Google Patents

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Tsung-Hau Chang
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Abstract

一種參考電壓/電流產生裝置，應用：溫度無關電壓源，產生具有正溫度係數之第一電流以及具有零溫度係數之參考電壓；鏡射單元，耦接至該溫度無關電壓源，根據該第一電流鏡射得到具有正溫度係數之第二電流，進而依據該第二電流產生具有該負溫度係數之接面電壓；電壓轉電流單元，耦接至該鏡射單元，並將該接面電壓轉換得到具有該負溫度係數之第三電流；以及電流合成單元，耦接至該鏡射單元以鏡射該第二電流得到第四電流，以及耦接至該電壓轉電流單元以鏡射該第三電流得到第五電流，並將該第四電流與第五電流合成為具有零溫度係數之參考電流。

Description

參考電壓/電流產生裝置
本發明是有關於一種參考電壓/電流產生裝置，且特別是一種可同時產生溫度無關之參考電壓及參考電流之參考電壓/電流產生裝置。
在科技發展日新月異的現今時代中，溫度無關供電電路係被開發出來，以針對多種具溫度敏感特性之負載電路進行供電操作。一般來說，現有的溫度無關供電電路係應用多個具有不同溫度特性的子單元，例如是一個可提供正溫度係數電訊號的子單元及一個可提供負溫度係數電訊號的子單元；並將此正溫度係數電訊號及此負溫度係數電訊號進行加總，藉此提供與溫度變化實質上無關的參考電訊號。然而，如何設計出更便利的溫度無關供電電路，以針對相關之具溫度敏感特性之負載電路提供更理想的溫度無關電訊號，為業界不斷致力的方向之一。
本揭露係提出一種參考電壓/電流產生裝置，其具有雜訊抵抗能力較高的優點。此參考電壓/電流產生裝置中的溫度無關電壓源可使用操作於飽和區的N通道MOS電晶體來做為電流偏壓電晶體，其偏壓電流較不容易因為供電電壓擾動而跟著變動，故參考電壓/電流產生裝置可產生較穩定之參考電壓。
根據本揭露之第一方面，提出一種參考電壓/電流產生裝置，包括溫度無關電壓源、鏡射單元電壓轉電流單元及電流合成單元。溫度無關電壓源根據具有負溫度係數之接面壓差產生具有正溫度係數之第一電流及具有零溫度係數之參考電壓。鏡射單元耦接至溫度無關電壓源，並根據第一電流鏡射得到具有正溫度係數之第二電流，並依據第二電流產生具有負溫度係數之接面電壓。電壓轉電流單元耦接至鏡射單元，並將接面電壓轉換得到具有負溫度係數之第三電流。電流合成單元耦接至鏡射單元以鏡射第二電流得到第四電流，及耦接至電壓轉電流單元以鏡射第三電流得到第五電流，並將第四電流與第五電流合成為具有零溫度係數之參考電流。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
在本發明之範例實施例中，參考電壓/電流產生裝置具有雜訊抵抗能力較高的優點。於一些實施例中，參考電壓/電流產生裝置中的溫度無關電壓源使用操作於飽和區的N通道MOS電晶體來做為電流偏壓電晶體，其偏壓電流較不容易因為供電電壓擾動而跟著變動，故參考電壓/電流產生裝置可產生較穩定之參考電壓。為更清楚地瞭解本發明，以下將配合圖式，以至少一範例實施例來作詳細說明。此外，以下實施例中所提到的連接用語，例如：耦接或連接等，僅是參考附加圖式用以例示說明，並非用來限制實際上兩個元件之間的連接關係是直接耦接或間接耦接。
請參照第1圖，其繪示依照本發明實施例之參考電壓/電流產生裝置的電路圖。本實施例之參考電壓/電流產生裝置1包括溫度無關電壓源100、鏡射單元200、電壓轉電流單元300及電流合成單元400，其中溫度無關電壓源100與鏡射單元200耦接；鏡射單元200與電壓轉電流單元300及電流合成單元400耦接；電壓轉電流單元300更與電流合成單元400耦接。
溫度無關電壓源100根據具有負溫度係數N之接面壓差VBE，產生具有正溫度係數P之電流11以及具有零溫度係數之參考電壓Vref。舉例來說，溫度無關電壓源100包括運算放大器101、偏壓金氧半電晶體M1及帶隙參考電路102。帶隙參考電路102包括節點A、B、No、電阻R1-R3及接面電晶體Q1及Q2，其中電阻R2及R3分別耦接在節點B及No之間及節點A及No之間；接面電晶體Q1及Q2例如為PNP雙載子接面電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)，其之射極分別耦接至節點A及分別經由電阻R1耦接至節點B，基極與集極接收接地電壓GND。
運算放大器101具有正極性輸入端、負極性輸入端及輸出端，其中正極性及負極性輸入端分別耦接至節點A及B。偏壓金氧半電晶體101之閘極耦接至運算放大器101之輸出端，以回應於運算放大器101輸出端之電壓位準Vb來產生電流I1。
較佳地，偏壓金氧半電晶體101為N通道金氧半電晶體，其之汲極接收供電電壓VDD，源極耦接至節點No。據此，即便供電電壓VDD因雜訊或其他不理想因素而發生位準不穩定的情形時，供電電壓VDD之位準波動僅會對應地使偏壓金氧半電晶體101的汲極位準發生波動，而不會影響到偏壓金氧半電晶體101的閘極及源極位準。此外，對於操作在飽和區中的金氧半電晶體來說，其之汲極電流大小主要與其之閘極-源極電壓差相關，而實質上不與其之汲極電壓相關。據此，利用N通道金氧半電晶體來實現溫度無關電壓源100中之偏壓金氧半電晶體101，可使本實施例之溫度無關電壓源100對於供電電壓VDD具有實質上較高的雜訊抵抗能力，而即便在供電電壓VDD的位準不穩定的情況下，溫度無關電壓源100仍能有效地提供穩定的電流I1。
帶隙參考電路102係經由節點A、B及No分別耦接至運算放大器101之正極性輸入端、負極性輸出端及偏壓金氧半電晶體M1之源極。帶隙參考電路102產生接面壓差VBE，並根據電流I1與接面壓差VBE得到參考電壓Vref。
進一步來說，接面壓差VBE例如為接面電晶體Q1之基極-源極電壓VBE1及接面電晶體Q2之基極-源極電壓VBE2的差，其可以下列方程式表示：
其中K、T及q分別為波爾茲曼常數(Boltzmann Constant)、絕對溫度值及單位電荷常數；IS1及IS2分別為接面電晶體Q1及Q2的飽和電流值；IQ1及IQ2分別為流經接面電晶體Q1及Q2的射極電流。
假設接面電晶體Q2及Q1的飽和電流IS2及IS1的比值為M：1，且射極電流IQ1及IQ2為實質上相等，則可依據上述方程式進行推導，以下列方程式分別表達射極電流IQ1、IQ2及參考電壓Vref：
其中M為正實數。對於參考電壓Vref來說，其方程式等號右側第一項及第二項分別對應至負溫度係數N及對應至正溫度係數P。據此，經由調整參考電壓Vref方程式中之第一項及第二項之比例可使其對應之負溫度係數N及正溫度係數P相互抵銷，使得參考電壓Vref具有實質上等於零之溫度係數。
鏡射單元200根據電流I1鏡射得到具有正溫度係數P之電流I2，並依據電流I2產生具有負溫度係數N之接面電壓VBE3。鏡射單元200例如包括鏡射金氧半電晶體M2、電阻R4、節點D及接面電晶體Q3，其中鏡射金氧半電晶體M2之源極耦接至電阻R4之一端，電阻R4之另一端耦接至節點D；接面電晶體Q3之射極耦接至節點D。
鏡射金氧半電晶體M2之閘極耦接至偏壓金氧半電晶體M1之閘極，使得鏡射金氧半電晶體M2及偏壓金氧半電晶體M1閘極均接收運算放大器101之輸出端提供的電壓位準Vb，而將電流I1鏡射得到電流I2。當電流I2決定之後，即決定接面電晶體Q3之接面電壓VBE3之大小。換言之，接面電晶體Q3係依據電流I2來產生接面電壓VBE3。值得注意的是，於一較佳實施例中，可安排鏡射單元200中之鏡射金氧半電晶體M2、電阻R4及接面電晶體Q3與溫度無關電壓源100中之偏壓金氧半電晶體M1、電阻R3及接面電晶體Q1具有對應之結構，且各對應之元件具有實質上相同的元件特性。換言之，偏壓金氧半電晶體M1及鏡射金氧半電晶體M2、電阻R4及R3與接面電晶體Q3及Q1分別為實質上相同的電路元件。據此，經由針對偏壓金氧半電晶體M1及鏡射金氧半電晶體M2施加實質上相同的電壓位準Vb，可於鏡射單元200端映射得具有正溫度係數P之電流I2(實質上等於電流I1)及具有負溫度係數N之接面電壓VBE3(實質上等於接面電壓VBE1)。換言之，鏡射單元200不僅是鏡射電流I1，更可鏡射接面電壓VBE1。
電壓轉電流單元300將接面電壓VBE3轉換得到具有負溫度係數N之電流I3。舉例來說，電壓電流轉換單元300包括運算放大器301、電阻R5、節點C及偏壓金氧半電晶體M7。運算放大器301之正極性輸入端、負極性輸入端及輸出端分別耦接至鏡射電路200之節點D、節點C及耦接至偏壓金氧半電晶體M7的閘極；偏壓金氧半電晶體M7的源極耦接節點C；電阻R5的兩端分別耦接至節點C及接收接地電壓GND。
運算放大器301實質上使節點C及D為虛短路(Virtual Shorted)，以使得節點C與接面電壓VBE3具有實質上相同的位準。據此，電阻R5係回應於施加於其兩端之接面電壓VBE3產生具有負溫度係數N之電流I3。
電流合成單元400鏡射電流I2得到電流IPTAT，以及鏡射電流I3得到電流ICTAT，並將電流IPTAT及ICTAT合成為具有零溫度係數之參考電流Iref。電流合成單元400包括電流鏡單元401、402及合成節點E。電流鏡單元401耦接至鏡射單元200與合成節點E之間，以鏡射電流I2得到電流IPTAT。舉例來說，電流鏡單元401包括電晶體M4及M3，其之源極接收供電電壓VDD，閘極相互耦接，汲極分別耦接至合成節點E及耦接至鏡射金氧半電晶體M2的汲極。
電流鏡單元402耦接至電壓轉電流單元300與合成節點E之間，以鏡射電流I3得到電流ICTAT。舉例來說，電流鏡單元402包括電晶體M6及M5，其之源極接收供電電壓VDD，閘極相互耦接，汲極分別耦接至合成節點E及耦接至偏壓金氧半電晶體M7的汲極。
綜合以上，本實施例之參考電壓/電流產生裝置1可同時提供實質上具有零溫度係數之參考電流Iref及參考電壓Vref。
在本實施例中，雖僅以參考電壓/電流產生裝置1具有如第1圖所示之電路結構的情形為例作說明，然，本實施例之參考電壓/電療產生裝置1並不侷限於此。在其他例子中，電壓轉電流單元300中之運算放大器301的正極性輸入端亦可耦接至溫度無關電壓源100中的節點A，藉此經由虛短路效應使得節點C對應地具有接面電壓VBE1。
在另一個例子中，溫度無關電壓源120及鏡射單元220中之接面電晶體Q1'至Q3'亦可改以NPN BJT來實現，如第2圖所示。在再一個例子中，溫度無關電壓源140及鏡射單元240中之接面電晶體Q1"至Q3"的耦接關係亦可具有如第3圖所示之結構。
本實施例之參考電壓/電流產生裝置係應用溫度無關電壓源，來提供具正溫度係數之第一電流、具負溫度係數之接面壓差及零溫度係數之參考電壓。本實施例之參考電壓/電流產生裝置更應用鏡射單元來根據第一電流及接面壓差鏡射得到具此正溫度係數之第二電流及據此負溫度係數之接面電壓，並應用電壓轉電流單元來根據此接面電壓得到具有此負溫度係數之第三電流。本實施例之參考電壓/電流產生裝置更應用電流合成單元，來分別根據此第二電流及第三電流分別鏡射得到具此正溫度係數之第四電流及據此負溫度係數之第五電流，並據以合成得到實質上具零溫度係數之參考電流。據此，相較於傳統參考電壓或參考電流裝置，本實施例之參考電壓/電流產生裝置可同時提供實質上具零溫度係數之參考電壓及參考電流之優點。
此外，在本實施例之參考電壓/電流產生裝置的溫度無關電壓源中，係使用N通道MOS電晶體來做為電流偏壓電晶體，其中此N通道MOS電晶體係經由其之汲極來接收供電電壓VDD。據此，即便供電電壓VDD因雜訊或其他不理想因素而發生位準不穩定的情形時，其位準波動僅會對應地使此偏壓金氧半電晶體的汲極位準發生波動，而不會影響到偏壓金氧半電晶體101的閘極及源極位準及其偏壓電流。據此，相較於傳統參考電壓或參考電流產生裝置，本發明部份實施例之參考電壓/電流產生裝置更具有雜訊抵抗能力較高的優點。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1、2、4．．．參考電壓/電流產生裝置
100、120、140．．．溫度無關電壓源
101、121、141．．．運算放大器
102、122、142．．．帶隙參考電路
M1．．．偏壓金氧半電晶體
A、B、No．．．節點
R1-R3．．．電阻
Q1、Q2．．．接面電晶體
200、220、240．．．鏡射單元
M2．．．鏡射金氧半電晶體
R4．．．電阻
D．．．節點
Q3．．．接面電晶體
300、320、340．．．電壓轉電流單元
301、321、341．．．運算放大器
R5．．．電阻R5
C．．．節點
M7．．．偏壓金氧半電晶體
400、420、440．．．電流合成單元
401、402、421、422、441、442．．．鏡射單元
E．．．合成節點
M3-M6．．．電晶體
Q1’、Q2'．．．接面電晶體
Q1”、Q2"．．．接面電晶體
第1圖繪示依照本發明實施例之參考電壓/電流產生裝置的電路圖。
第2圖繪示依照本發明實施例之參考電壓/電流產生裝置的另一電路圖。
第3圖繪示依照本發明實施例之參考電壓/電流產生裝置的再一電路圖。
1．．．參考電壓/電流產生裝置
100．．．溫度無關電壓源
101．．．運算放大器
102．．．帶隙參考電路
M1．．．偏壓金氧半電晶體
A、B、No．．．節點
R1-R3．．．電阻
Q1、Q2．．．接面電晶體
200．．．鏡射單元
M2．．．鏡射金氧半電晶體
R4．．．電阻
D．．．節點
Q3．．．接面電晶體
300．．．電壓轉電流單元
301．．．運算放大器
R5．．．電阻R5
C．．．節點
M7．．．偏壓金氧半電晶體
400．．．電流合成單元
401、402．．．鏡射單元
E．．．合成節點
M3-M6．．．電晶體

Claims (9)

  1. 一種參考電壓/電流產生裝置，包括：一溫度無關電壓源，根據具有一負溫度係數之一接面壓差，產生具有一正溫度係數之一第一電流以及具有一零溫度係數之一參考電壓；一鏡射單元，耦接至該溫度無關電壓源，該鏡射單元根據該第一電流鏡射得到具有該正溫度係數之一第二電流，並依據該第二電流產生具有該負溫度係數之一接面電壓；一電壓轉電流單元，耦接至該鏡射單元，並將該接面電壓轉換得到具有該負溫度係數之一第三電流；以及一電流合成單元，耦接至該鏡射單元以鏡射該第二電流得到一第四電流，以及耦接至該電壓轉電流單元以鏡射該第三電流得到一第五電流，並將該第四電流與第五電流合成為具有一零溫度係數之一參考電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之參考電壓/電流產生裝置，其中該溫度無關電壓源包括：一運算放大器，具有第一與第二輸入端，以及一輸出端；一第一偏壓金氧半電晶體，其具有一閘極耦接至該輸出端，以回應於該輸出端之一電壓位準來產生該第一電流；以及；一帶隙參考電路，耦接至該第一與第二輸入端與該第一偏壓金氧半電晶體之一源/汲極，用以產生該接面壓差，並根據該第一電流與該接面壓差得到該參考電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電壓/電流源裝置，其中該帶隙參考電路包括：複數個接面電晶體，分別提供複數個基極-射極電壓差，藉以產生該接面壓差；及複數個電阻，耦接至該第一與第二輸入端、該第一偏壓金氧半電晶體及該些接面電晶體，以根據該第一電流與該接面壓差得到該參考電壓。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之電壓/電流源裝置，其中為一N型金氧半電晶體。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之電壓/電流源裝置，其中該鏡射單元包括：一鏡射金氧半電晶體，其具有一閘極耦接至該第一偏壓金氧半電晶體之該閘極，以接收該閘極之偏壓，而將該第一電流鏡射得到該第二電流；以及一接面電晶體，耦接至該鏡射金氧半電晶體之一源/汲極，以依據該第二電流來產生該接面電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電壓/電流源裝置，其中該第一偏壓金氧半電晶體與該鏡射金氧半電晶體皆為一N型金氧半電晶體。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電壓/電流源裝置，其中該鏡射單元包括：一鏡射金屬半電晶體，其具有一閘極耦接至該溫度無關電壓源，以接收該溫度無關電壓源之偏壓，將該第一電流鏡射得到該第二電流；以及一接面電晶體，耦接至該鏡射金氧半電晶體，以依據該第二電流來產生該接面電壓。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電壓/電流源裝置，其中該電壓電流轉換單元包括：一運算放大器，其具有一第一輸入端耦接至該鏡射電路之該接面電壓，以及一第二輸入端與一輸出端；一電阻，耦接於該第二輸入端與一電壓源電位之間；一第二偏壓金氧半電晶體，其具有一閘極耦接至該運算放大器之該輸出端，一第一源/汲極耦接至該該第二輸入端，以及一第二源/汲極耦接至電流合成單元。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電壓/電流源裝置，其中該電流合成單元包括：一第一電流鏡單元，耦接至該鏡射單元與一合成節點之間，以鏡射該第二電流得到該第四電流；以及一第二電流鏡單元，耦接至該電壓轉電流單元與該合成節點之間，以鏡射該第三電流得到該第五電流，其中該第四電流與第五電流係於該合成節點合成為該參考電流。
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