TW202046041A - 電壓產生器 - Google Patents

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    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/567—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for temperature compensation

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Abstract

一種電壓產生器，包含有一雙極性接面型電晶體，具有一負溫度係數的基射極順向偏壓；一正溫度係數電流產生電路，產生一參考正溫度係數電流，並且將該參考正溫度係數電流乘上一倍率而形成一正溫度係數電流；一誤差放大器；一輸出級開關元件，於一輸出端提供一輸出電壓；以及一第一阻抗單元及一第二阻抗單元，該第一阻抗單元耦接於該輸出端與該雙極性接面型電晶體的基極之間，該第二阻抗單元耦接於一控制端、該雙極性接面型電晶體的基極及該正溫度係數電流。

Description

電壓產生器
本發明係指一種電壓產生器，尤指一種具有溫度補償及電流輸出能力的電壓產生器。
現有的電路設計領域中，電壓產生器（Voltage Generator或Voltage Regulator）用來產生輸出電壓，以對負載供電。一般而言，電壓產生器係根據一參考電壓以產生輸出電壓對負載供電，由於電路元件容易受到溫度影響，使得參考電壓也易受到溫度的影響，連帶造成電壓產生器無法提供穩定的輸出電壓。為了確保電壓產生器能夠作為穩定的電壓源，電壓產生器必須使用不受溫度影響的穩定參考電壓，現有技術以一能隙（band gap）參考電壓產生電路連接現有的電壓產生器，以產生經過溫度補償而相對不受的溫度影響的參考電壓。然而，這會導致電壓產生器都必須額外配有能隙參考電壓產生電路，使得整體電路成本及體積因而增加。而且，能隙參考電壓產生電路所產生的參考電壓值不容易被調整，這會使得電壓產生器的應用彈性較低。因此，現有技術確實有改進的必要。
因此，本發明的主要目的即在於提供一種電壓產生器，其具有溫度補償及電流輸出能力的電壓產生器，以解決上述問題。
本發明實施例揭露一種電壓產生器，包含有一雙極性接面型電晶體，具有一負溫度係數的基射極順向偏壓；一正溫度係數電流產生電路，耦接於該雙極性接面型電晶體的基極，該正溫度係數電流產生電路產生一參考正溫度係數電流，並且將該參考正溫度係數電流乘上一倍率而形成一正溫度係數電流；一誤差放大器，耦接於該雙極性接面型電晶體的集極；一輸出級開關元件，耦接於該誤差放大器及一輸出端，並於該輸出端提供一輸出電壓；以及一第一阻抗單元及一第二阻抗單元，該第一阻抗單元耦接於該輸出端與該雙極性接面型電晶體的基極之間，該第二阻抗單元耦接於該控制端、該雙極性接面型電晶體的基極及該正溫度係數電流。
請參考第1圖，第1圖為本發明實施例之一電壓產生器10之示意圖。電壓產生器10包含有一電晶體Q1、一正溫度係數電流K*IPTAT 、一誤差放大器A、一輸出級開關元件104、一第一阻抗單元Z1 及一第二阻抗單元Z2 。電壓產生器10用來提供穩定的一輸出電壓Vout，以作為一積體電路（integrated circuit，IC）晶片內部元件的電壓源。
在第1圖的實施例中，電壓產生器10可由一系統電源供電運作，該系統電源可包含一第一端及一第二端，該第一端及第二端之間的電壓即為一輸入電壓Vcc，在本實施例中，該第二端以一接地端表示，惟不以此為限。電晶體Q1為一雙極性接面型電晶體（bipolar junction transistor，BJT），用來提供具有一負溫度係數的基射極順向偏壓VBE1 。正溫度係數電流K*IPTAT 是經由將一正溫度係數電流產生電路102產生的一參考正溫度係數電流IPTAT 乘上K倍所得，正溫度係數電流產生電路102產生之一端耦接於一控制端N1，控制端N1耦接於電晶體Q1的基極。誤差放大器A耦接於電晶體Q1的集極及輸出級開關元件104之間。輸出級開關元件104連接一輸出端N2，用來根據電晶體Q1之一集極電流IC 及誤差放大器A以在該輸出端N2提供輸出電壓Vout。第一阻抗單元Z1 耦接於該輸出端N2及該控制端N1之間，該第二阻抗單元Z2耦接於該控制端N1。
在本實施例，上述電晶體Q1是一NPN型雙極性接面型電晶體，第一阻抗單元Z1 及第二阻抗單元Z2 分別可以是一電阻或其他阻抗元件，並且電晶體Q1不限於第1圖中的實施例的NPN型雙極性接面型電晶體，PNP型雙極性接面型電晶體也適用於本發明。
詳言之，在本實施例中，正溫度係數電流產生電路102包含一電流鏡1022，該電流鏡1022分別耦接一第二雙極性接面型電晶體Q2的集極及一第三雙極性接面型電晶體Q3的集極，以使第二、第三雙極性接面型電晶體Q2、Q3的集極電流Iout、Iin相同，其中第二雙極性接面型電晶體Q2之射極電流輸出作為一參考正溫度係數電流IPTAT ；第三雙極性接面型電晶體Q3之射極則耦接一第三阻抗元件Z3 ，第三阻抗元件Z3 也可以是一電阻或其他阻抗元件。第三雙極性接面型電晶體Q3之面積為第二雙極性接面型電晶體Q2之面積的N倍。一緩衝放大器1024（例如電壓隨耦器）耦接於第二、第三雙極性接面型電晶體Q2、Q3的基極與第二雙極性接面型電晶體Q2的集極之間，用來補償並確保第二、第三雙極性接面型電晶體Q2、Q3的集極電流Iout、Iin相同，惟該緩衝放大器1024亦可替換或省略，本發明並不以此為限。
通過電晶體Q1所提供的負溫度係數的基射極順向偏壓VBE1 ，及正溫度係數電流產生電路102所產生的參考正溫度係數電流IPTAT 相互補償，使得本發明實施例的電壓產生器10可產生不易受溫度影響的輸出電壓Vout。
值得注意的是，正溫度係數電流K*IPTAT 為參考正溫度係數電流IPTAT 的K倍，且K的值可以供設計以符合使用者需求，其中將該參考正溫度係數電流IPTAT 乘上K倍可以用電流鏡或各式電流轉換電路完成，恕不另行贅述。當誤差放大器A之極性為正時，輸出級開關元件104為一N型金氧半場效電晶體（NMOSFET）或一NPN型雙極性接面型電晶體；反之，當誤差放大器A之極性為負時，輸出級開關元件104為一P型金氧半場效電晶體（PMOSFET）或一PNP型雙極性接面型電晶體。此外，在本實施例中，第1圖中的第二雙極性接面型電晶體Q2及第三雙極性接面型電晶體Q3為NPN型雙極性接面型電晶體，但不限於此，PNP型雙極性接面型電晶體也適用於本發明。
為便於詳細說明本發明實施例的電壓產生器10可產生不易受溫度影響的輸出電壓Vout，在本實施例中第一、第二及第三阻抗單元Z1 、Z2 、Z3 以電阻舉例說明，且將第一、第二及第三阻抗單元Z1 、Z2 、Z3 的電阻值分別表示為Z1 、Z2 、Z3 。由第1圖可之，輸出電壓Vout為電晶體Q1的基射極順向偏壓VBE1 ，再加上與流經第二阻抗單元Z2 之一第二電流I2和電阻值Z2 的乘積，即Vout= VBE1 + Z2 *I2...(1)。
其中，第二電流I2為流經第一阻抗單元Z1 之一第一電流I1、正溫度係數電流K*IPTAT 及電晶體Q1之一基極電流IB 之總和，即I2= I1+IB + K*IPTAT ...(2)。
因此，將式(2)帶入式(1)後，輸出電壓Vout可以被改寫為：Vout= VBE1 + Z2 *( I1+ IB + K*IPTAT )...(3)
電晶體Q1之集極電流IC = β* IB ，由於現有的雙極性接面型電晶體的放大參數β通常為50倍以上使得基極電流IB 較小，例如常見為奈安培（nA）數量級。因此，電晶體Q1的基極電流IB 因為數量級遠小於第一電流I1和正溫度係數電流K*IPTAT 的關係而可被忽略。另一方面，由於第一電流I1等於基射極順向偏壓VBE1 除以電阻值Z1 ，而且參考正溫度係數電流IPTAT 等於第三阻抗單元Z3 之跨壓ΔVBE 除以電阻值Z3 。在此情形下，在忽略式(3)的基極電流IB 後可以被改寫為：
Figure 02_image002
...(4)
其中，由於第二雙極性接面型電晶體Q2與第三雙極性接面型電晶體Q3的面積不一致，該第三雙極性接面型電晶體Q3之面積為該第二雙極性接面型電晶體Q2之面積的N倍。因此第三阻抗單元Z3 之跨壓ΔVBE 將會滿足下式，其中VT 為一熱電壓（thermal voltage）。
Figure 02_image004
...(5)
因此，合併上述式(4)和(5)，即可得到以下結果：
Figure 02_image006
...(6)
在式(6)當中，由於雙極性接面型電晶體的本身特性，基射極順向偏壓VBE1 具有負溫度係數，而熱電壓VT 具有正溫度係數，一般而言，兩者和溫度的關係可以表式如下，其中此處的K為溫度單位：
Figure 02_image008
Figure 02_image010
…(7)
如此一來，為了使得式(6)中的輸出電壓Vout不受溫度影響，因此進一步限定式(6)中的條件為：
Figure 02_image012
...(8)
也就是說，在滿足式(8)的情況下，輸出電壓Vout的溫度係數將接近零。如此一來，由式(6)可知，通過調整第一阻抗單元Z1 、第二阻抗單元Z2 及第三阻抗單元Z3 的電阻值Z1 、Z2 、Z3 、倍率K和倍率N，即可任意調整輸出電壓Vout，並且在滿足式(8)的條件下保持讓輸出電壓Vout為不易受溫度影響。
因此，本發明實施例的電壓產生器10通過貢獻正溫度係數電流K*IPTAT 以及關於負溫度係數的基射極順向偏壓的電晶體Q1相互補償，使得電壓產生器10具有溫度補償的效果，以輸出不易受溫度影響的輸出電壓Vout。此外，電壓產生器10經由誤差放大器A和輸出級開關元件104在輸出端N2所產生的輸出電壓Vout具有電流輸出能力（sourcing capacity），可作為IC晶片內部元件的電壓源。
以下舉一範例說明本發明實施例實際應用時應如何設計。若要設計一個在攝氏溫度27度下提供5伏特的輸出電壓Vout之電壓產生器10，假設在27度且電晶體Q1的偏壓電流（bias current）為1微安培（µA）時，基射極順向偏壓VBE1 為0.65伏，且β為50倍。首先，先決定讓輸出級的偏壓電流大於電晶體Q1的偏壓電流1µA，以進一步降低電晶體Q1的基極電流IB 的影響，因此設定第一電流I1= 10 µA，可得到Z1 = 0.65V/10µA= 65Kohm。
接著，該第三雙極性接面型電晶體Q3之面積需為該第二雙極性接面型電晶體Q2之面積的N倍，為了降低製程漂移，將第二雙極性接面型電晶體Q2、第三雙極性接面型電晶體Q3的設計較佳具有幾何對稱關係，在此例中，將N設定為8，可以讓第二、第三雙極性接面型電晶體Q2、Q3在電路布局時形成對稱結構。另外，將參考正溫度係數電流IPTAT 設定為2µA，可得到：
Figure 02_image014
最後，為了使得輸出電壓Vout不易受溫度影響，將電阻值Z1 、Z3 套用於前述式(8)，即可得到Z2 = 224Kohm、K= 5.17倍。如此一來，透過適當設計第一阻抗單元Z1 、第二阻抗單元Z2 及第三阻抗單元Z3 、倍率K和倍率N，即可任意調整輸出電壓Vout，進而得到出不受溫度影響的穩定的輸出電壓Vout。
當的電壓產生器具有負溫度係數時，則產生的曲線將應當隨著溫度升高而下降；相反地，當的電壓產生器具有正溫度係數時，則產生的曲線應將隨著溫度升高而上升。關於本發明實施例的電壓產生器10的應用效果，請參考第2圖，第2圖為本發明實施例之電壓產生器10應用於一積體電路晶片之溫度與輸入電壓之示意圖。在第2圖中，X軸為應用環境之溫度（攝氏）、Y軸為輸出電壓（伏特）。當本發明實施例的電壓產生器10實際依據前述設計參數用來提供5V輸出電壓時，在不同的溫度（攝氏-40度至120度）下的輸出電壓大約都介於4.8伏特至5.08伏特之間，且輸出電壓沒有持續隨著溫度升高而不斷上升或下降，也就是說，本發明實施例的電壓產生器10確實具有對輸出電壓進行溫度補償的效果。
另一方面，第3圖為本發明實施例之電壓產生器10應用於積體電路晶片時，對應於不同輸入電壓的輸出電壓之示意圖。在第3圖的X軸為輸入電壓（伏特）、Y軸為輸出電壓（伏特），第3圖中加入了在不同的製程漂移狀況下的電晶體模擬結果。其中，從第3圖中可以計算出，當電壓產生器10的輸入電壓改變時，輸出電壓的偏差僅為約70mV，電源供應抑制比例（Power Supply Rejection Ratio，PSRR）可達約80dB。而且不論是FF（快NMOS及快PMOS）、FS（快NMOS及慢PMOS）、TT（典型NMOS及典型PMOS）、SF（慢NMOS及快PMOS）還是SS（慢NMOS及慢PMOS）的模擬結果均相當優異。也就是說，本發明實施例的電壓產生器10確實可作為一低壓差穩壓器（Low-dropout regulator，LDO）元件來供電給晶片內部元件，同時又兼具溫度補償功能，故可在不同溫度條件下提供穩定的輸出電壓。
綜上所述，本發明實施例提供一種電壓產生器，通過正溫度係數電流及負溫度係數的偏壓以相互補償，以提供溫度補償且輸出不易受溫度影響的輸出電壓。並且，本發明實施例的電壓產生器具有電流輸出能力，以作為IC晶片內部元件的穩定電壓源，而不需要額外設置能隙參考電壓產生電路，進而有效降低整體電路成本及體積。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10:電壓產生器 102:正溫度係數電流產生電路 104:輸出級開關元件 1022:電流鏡 1024:第一放大器 A:誤差放大器 I1:第一電流 I2:第二電流 IB:基極電流 IC:集極電流 Iin:集極電流 Iout:集極電流 IPTAT:參考正溫度係數電流 K*IPTAT:正溫度係數電流 K、N:倍率 N1:控制端 N2:輸出端 Q1:電晶體 Q2:第二雙極性接面型電晶體 Q3:第三雙極性接面型電晶體 Vcc:輸入電壓 Vout:輸出電壓 VBE1:基射極順向偏壓 Z1:第一阻抗單元 Z2:第二阻抗單元 Z3:第三阻抗單元 ΔVBE:第三阻抗壓降
第1圖為本發明實施例之一電壓產生器之示意圖。 第2圖為本發明實施例之電壓產生器於應用時之一溫度與一輸入電壓之示意圖。 第3圖為本發明實施例之電壓產生器於應用時，對應於不同輸入電壓的輸出電壓之示意圖。
10:電壓產生器
102:正溫度係數電流產生電路
104:輸出級開關元件
1022:電流鏡
1024:第一放大器
A:誤差放大器
I1:第一電流
I2:第二電流
IB:基極電流
IC:集極電流
Iin:集極電流
Iout:集極電流
IPTAT:參考正溫度係數電流
K*IPTAT:正溫度係數電流
K、N:倍率
N1:控制端
N2:輸出端
Q1:電晶體
Q2:第二雙極性接面型電晶體
Q3:第三雙極性接面型電晶體
Vcc:輸入電壓
Vout:輸出電壓
VBE1:基射極順向偏壓
Z1:第一阻抗單元
Z2:第二阻抗單元
Z3:第三阻抗單元
△VBE:第三阻抗壓降

Claims (8)

  1. 一種電壓產生器，包含有： 一雙極性接面型電晶體，具有一負溫度係數的基射極順向偏壓； 一正溫度係數電流產生電路，耦接於該雙極性接面型電晶體的基極，該正溫度係數電流產生電路產生一參考正溫度係數電流，並且將該參考正溫度係數電流乘上一倍率而形成一正溫度係數電流； 一誤差放大器，耦接於該雙極性接面型電晶體的集極； 一輸出級開關元件，耦接於該誤差放大器及一輸出端，並於該輸出端提供一輸出電壓；以及 一第一阻抗單元及一第二阻抗單元，該第一阻抗單元耦接於該輸出端與該雙極性接面型電晶體的基極之間，該第二阻抗單元耦接於該控制端、該雙極性接面型電晶體的基極及該正溫度係數電流。
  2. 如請求項1所述之電壓產生器，其中流經該第二阻抗單元之一第二電流為流經該第一阻抗單元之一第一電流、該正溫度係數電流及該雙極性接面型電晶體之一基極電流之總和。
  3. 如請求項1所述之電壓產生器，其中該正溫度係數電流產生電路包含有： 一電流鏡； 一第二雙極性接面型電晶體，該第二雙極性接面型電晶體的集極耦接該電流鏡之一端；以極 一第三雙極性接面型電晶體，該第三雙極性接面型電晶體的集極耦接該電流鏡之另一端； 其中，該第二雙極性接面型電晶體之射極電流輸出作為該參考正溫度係數電流，該第三雙極性接面型電晶體之射極耦接一第三阻抗元件，該第三雙極性接面型電晶體之面積為該第二雙極性接面型電晶體之面積的N倍。
  4. 如請求項3所述之電壓產生器，其中該正溫度係數電流為該參考正溫度係數電流的K倍，該第一阻抗單元、該第二阻抗單元及該第三阻抗單元分別具有電阻值Z1 、Z2 、Z3 ，且滿足以下條件：
    Figure 03_image016
    其中，VBE1 為該雙極性接面型電晶體的基射極順向偏壓，VT 為該第三雙極性接面型電晶體的熱電壓。
  5. 如請求項3所述之電壓產生器，其中該正溫度係數電流產生電路另包含一緩衝放大器耦接於該第二雙極性接面型電晶體的基極與集極之間。
  6. 如請求項3所述之電壓產生器，其中第二雙極性接面型電晶體和該第三雙極性接面型電晶體的集極電流相同。
  7. 如請求項2所述之電壓產生器，其中該雙極性接面型電晶體操作於一偏壓電流下，且該第一電流大於該偏壓電流。
  8. 如請求項1所述之電壓產生器，其中當該誤差放大器之一極性為正時，該輸出級開關元件為一N型金氧半場效電晶體（NMOSFET）或一NPN型雙極性接面型電晶體；當該誤差放大器之該極性為負時，該輸出級開關元件為P型金氧半場效電晶體（PMOSFET）或一PNP型雙極性接面型電晶體。
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