TW202202968A

TW202202968A - 能隙參考電路

Info

Publication number: TW202202968A
Application number: TW110104138A
Authority: TW
Inventors: 莫茲卡農
Original assignee: 美商半導體組件工業公司
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2022-01-16
Also published as: TWI800790B; CN113296569B; CN113296569A

Abstract

所揭示之能隙電路經組態以提供其亦係可調整的一溫度穩定參考電流及/或一溫度穩定參考電壓。該穩定性可藉由改善由一源極退化拓撲提供之電流鏡的匹配來促進。該源極退化可降低隨機失配而不需要增加該等電流鏡的大小或複雜度，並可促進該等電流鏡在一弱反轉狀況下的操作，其中隨機失配可係最嚴重的。進一步地，可調整該源極退化以調整該經產生參考電流及/或該經產生參考電壓的一位準及/或一溫度係數。

Description

能隙參考電路

本揭露係關於微電子電路，且更具體地關於用於產生溫度無關電壓或溫度無關電流的能隙參考電路。

能隙參考電路係積體電路/系統之可產生不顯著地隨溫度改變之電壓及/或電流的功能方塊。換言之，能隙參考可具有在溫度範圍（例如，0至60度C）中相對平坦的溫度係數(temperature coefficient, TC)。相對平坦的溫度係數可藉由加總正比於絕對溫度的電流源及互補於絕對溫度的電流源來產生。換言之，可取消正比電流源及互補電流源的溫度相依性，以產生對溫度相對不敏感的參考電流。正比於絕對溫度的電流源及互補於絕對溫度的電流源亦可用以產生對溫度相對不敏感的參考電壓。

在至少一個態樣中，本揭露通常描述一種用於產生一參考電流的方法。該方法包括產生一正比於絕對溫度(proportional-to-absolute-temperature)（亦即，PTAT）電流及產生一互補於絕對溫度(complementary-to-absolute-temperature)（亦即，CTAT）電流。該方法進一步包括使用具有源極退化的一PTAT電流鏡產生該PTAT電流的一第一複本，及使用具有源極退化的一CTAT電流鏡產生該CTAT電流的一第一複本。該方法進一步包括加總該PTAT電流的該第一複本及該CTAT電流的該第一複本，以獲得具有一第一溫度係數的一第一參考電流。

在一可能實施方案中，該方法進一步包括調整該PTAT電流鏡及/或該CTAT電流鏡的該源極產生，以獲得具有一第二溫度係數的一第二參考電流。該PTAT電流鏡及該CTAT電流鏡可採一疊接組態。

在另一可能實施方案中，該方法進一步包括使用該第一參考電流產生一第一參考電壓。例如，該方法可包括將該第一參考電流輸入至一第一輸出電阻器以獲得一第一參考電壓。

在另一態樣中，本揭露通常描述一種能隙參考電路。該能隙參考電路包括一電流產生器，該電流產生器經組態以產生一PTAT電流及一CTAT電流。該能隙參考電路進一步包括具有源極退化的一PTAT電流鏡。具有源極退化的該PTAT電流鏡耦接至該電流產生器並經組態以產生該PTAT電流的至少一個複本。具有源極退化的該CTAT電流鏡耦接至該電流產生器並經組態以產生該CTAT電流的至少一個複本。該能隙參考電路進一步包括至少一個輸出。該至少一個輸出之各者經組態以組合該PTAT電流的該至少一個複本的一者及該CTAT電流的該至少一個複本的一者，以產生一參考電流。

在一可能實施方案中，具有源極退化的該PTAT電流鏡包括一PTAT電流鏡輸入電晶體及至少一個PTAT電流鏡輸出電晶體，該等電晶體係P型金屬氧化物半導體(P-type metal oxide semiconductor, PMOS)電晶體。進一步地，具有源極退化的該CTAT電流鏡包括一CTAT電流鏡輸入電晶體及至少在CTAT電流鏡輸出電晶體上，該等電晶體係PMOS電晶體。該至少一個PTAT電流鏡輸出電晶體及該至少一個CTAT電流鏡輸出電晶體可各自耦接至可調整的一對應源極退化電阻器。對該源極退化電阻器的一調整可控制該參考電流的一位準或可控制該參考電流的一溫度係數。該參考電流可耦接至一輸出電阻器以產生一參考電壓，且該輸出電阻器可調整以改變該參考電壓的一位準。

在另一態樣中，本揭露通常描述一種能隙參考電路。該能隙參考電路包括一電流產生器，該電流產生器經組態以產生一PTAT電流及一CTAT電流。該能隙參考電路進一步包括具有源極退化的一PTAT電流鏡。具有源極退化的該PTAT電流鏡耦接至該電流產生器並經組態以產生該PTAT電流的至少一個複本。具有源極退化的該CTAT電流鏡耦接至該電流產生器並經組態以產生該CTAT電流的至少一個複本。該PTAT電流鏡及該CTAT電流鏡各自採一疊接組態。該能隙參考電路進一步包括至少一個輸出。該至少一個輸出之各者經組態以組合該PTAT電流的該至少一個複本的一者及該CTAT電流的該至少一個複本的一者，以產生一參考電流。

前述的說明性發明內容、及本揭露的其他範例目的及/或優點、以及達成其之方式係進一步解釋於下述實施方式及其隨附圖式。

[相關申請案之交互參照]

本申請案主張於2020年9月17日申請之美國專利申請案第16/948,415號之優先權，其主張於2020年2月21日申請之美國臨時專利申請案第62/979,468號之優先權。

在能隙參考電路中，PTAT及CTAT電流源可能需要一或多個電流鏡以用於操作。各電流鏡可包括理想匹配的一對電晶體。電流鏡中的該對電晶體之間的失配可在特定溫度下在PTAT電流及/或CTAT電流中產生誤差。電流鏡中的該對電晶體之間的失配亦可改變PTAT電流及/或CTAT電流回應溫度上之變化的方式（亦即，PTAT/CTAT溫度係數）。

該失配可係由電晶體之製程中的變異所導致的隨機失配。變異可導致電晶體的性質（例如，通道尺寸、摻雜等）隨機改變。隨機變異可藉由平均大電晶體之面積上的變異或（在修整後）一起作用為較大電晶體之複數個小電晶體上的變異來降低（亦即，匹配可改善）。在任一情形中，此方法可能需要增加晶粒面積以用於能隙參考，其在一些應用（例如，行動應用）中可能係非所欲的。額外地，一些應用（例如，低功率應用）可在弱反轉（亦即，次臨限）狀況下操作電晶體，且迄今描述的隨機失配的效應在弱反轉狀況下可變得更明顯。

本揭露描述能隙參考電路及用於產生參考電流/參考電壓的方法。源極退化拓撲的使用將各種優點提供給能隙參考電路。例如，源極退化避免使用大尺寸電晶體或多個電晶體的組合以補償隨機失配的需求，從而減少能隙參考電路的晶粒面積（亦即，大小）。源極退化促進PTAT電流及/或CTAT電流的便利調諧，其可用於降低參考電流/參考電壓的溫度係數。進一步地，源極退化與低電力操作相容。

所揭示的電路及方法可實施以減少由能隙參考電路產生之參考電壓/參考電流的溫度變異。溫度變異可由導因於可變製程參數的隨機失配所導致。在一些實施方案（例如，疊接實施方案）中，所揭示的電路及方法可進一步降低由與電路設計及/或佈局之態樣（例如，輸出阻抗）有關的系統性失配所導致的溫度變異。在任一情形中，所揭示的電路與方法可降低所產生之參考電流或參考電壓在溫度範圍中的溫度變異，並可提供用於調整特定電流或電流在溫度上的變異（亦即，溫度係數）的便利構件。換言之，所揭示的電路及方法可經組態以提供能隙參考電路之在溫度範圍（例如，0至100攝氏度）中平坦的溫度係數（即溫度相依性）。當以每攝氏度百萬分之一(PPM/℃)為單位測量時，所揭示之電路及方法的溫度相依性可係非常平坦的。例如，對於一溫度範圍（例如，0℃至100℃），參考電壓的溫度相依性可小於50 PPM/℃且參考電流的溫度相依性可小於750 PPM/℃。

能隙參考電路經組態以產生隨溫度理想地穩定的電壓/電流。為達成此溫度穩定性，能隙電路經組態以基於PTAT電流及CTAT電流產生參考電壓/參考電流（亦即，參考電壓及/或參考電流）。

圖1繪示隨溫度而變動的PTAT電流及CTAT電流。如圖所示，PTAT電流(I_PTAT )與溫度增加成比例地增加（亦即，具有正溫度係數），而CTAT電流(I_CTAT )與溫度增加成比例地減少（亦即，具有負溫係數）。當PTAT電流與CTAT電流組合（亦即，加總）時，所得的參考電流(I_REF )具有其具有正溫度係數的PTAT部分及其具有負溫度係數的CTAT部分。當使正部分及負部分平衡時，經組合電流(I_REF )係隨溫度穩定的（亦即，不改變）。雖然未顯示於圖1中，PTAT電流及CTAT電流可用以產生（例如，使用電阻器）隨溫度穩定的參考電壓(V_REF )。

圖2係能隙參考電路之經組態以產生PTAT電流(I_PTAT )及CTAT電流(I_CTAT )之部分的示意方塊圖。換言之，圖2繪示PTAT及CTAT電流產生器。電路200包括第一二極體式連接電晶體(Q1)及第二二極體式連接電晶體(Q2)。電晶體可係P型電晶體（例如，雙極型接面電晶體(bipolar junction transistor)，BJT），其各自具有在電晶體的射極與電晶體的（接地耦接）基極之間的p-n接面。PTAT電流(I_PTAT )可從p-n接面之間的電壓差（亦即，基極-射極電壓之間的電壓差，ΔV_BE ）產生。例如，如圖2所示，PTAT電流流過第一電阻器(R₁ )並由以下方程式給定。

(1)

電路200包括耦接至電晶體201的回授放大器(A1)，以引起與第一電晶體(Q1)之基極-射極電壓有關的電流通過第二電阻器(R2)。因為二極體式連接電晶體的p-n接面呈現出負溫度係數，CTAT電流由以下方程式給定。

(2)

可將能隙參考電流(I_REF )建立為PTAT電流分量(I_PTAT )及CTAT電流分量(I_CTAT )的總和，如以下方程式所示。

(3)

類似地，可將能隙參考電壓(V_REF )建立為PTAT電壓分量(V_PTAT )及CTAT電壓分量(V_CTAT )的總和（例如，V_REF = V_PTAT +V_CTAT ）。

實際上，可將PTAT電流分量及CTAT電流分量調整成所欲參考電流位準及/或參考電流的所欲溫度係數(TC)。

PTAT電流分量(I_PTAT )或CTAT電流分量(I_CTAT )任一者中的誤差可導致在特定溫度具有非所欲位準或隨溫度改變（例如，多於預期）的參考電流(I_REF )。如圖1所示，誤差可係電流在特定溫度之值上的偏差(ΔI)，或可係電流隨溫度改變之速率上的偏差(ΔTC)。當電流鏡中的一對電晶體未精密匹配時，可產生此等誤差。因此，溫度係數上的變異可能係由能隙參考電路中的PTAT電流及CTAT電流的不完美鏡像所導致。

電流鏡依賴用於將電流從電流鏡的第一電晶體準確鏡像（亦即，複製）至電流鏡的第二電晶體的匹配電晶體對。因此，降低失配以改善電流鏡的性能可係所欲的。進一步地，該對電晶體之電流的匹配性能取決於該對電晶體的操作區域（亦即，模式）。當該對電晶體在次臨限（亦即，弱反轉）區域中操作時，該對電晶體的匹配可能比以強反轉操作時更差。換言之，匹配性能在弱反轉區域中可能最差。因此，減輕導因於弱反轉操作而在匹配性能上的降低可係進一步所欲的。

圖3係可能的能隙參考電路之電流鏡部分的示意圖。電流鏡300包括耦接至第一（p型）金屬氧化物半導體（亦即，MOS）電晶體(MP1)之源極端子的輸入電阻器(Ri)及耦接至第二（p型）MOS電晶體(MP2)之源極端子的輸出電阻器(Ro)。當輸入電阻器(Ri)及輸出電阻器(Ro)均非零時，稱電流鏡具有源極退化（亦即，經源極退化）。換言之，採源極退化拓撲的電流鏡包括在電流鏡之電晶體之源極端子上的電阻器(Ri, Ro)。

如先前所述，電流鏡的匹配性能可高度相依於其操作區域。對於沒有源極退化的電流鏡（亦即，對於輸入電阻器(Ri)及輸出電阻器(Ro)均係零的電流鏡），電流鏡中的MOS電晶體的相對源極-汲極電流誤差係由以下方程式給定。

(4)

(5)

(6)

在以上方程式中，W 及L 分別係電晶體的閘極寬度及閘極長度，

及

係技術相依的比例常數，

，µ係載子遷移率，

係每單位面積的閘極氧化物電容。

跨導對電流比

係方程式(4)中唯一偏壓相依的參數，而

取決於技術及電晶體面積（例如，

）。跨導對電流比強烈地相關於電晶體操作。跨導對電流比在MOS電晶體在弱反轉區域中時係高（例如，最大）值，在MOS電晶體在中等反轉區域中操作時係較低的，且在MOS電晶體在強反轉區域中操作時係仍較低的。

對於在弱反轉區域中操作之不具有源極退化（亦即，Ro=Ri=0）的電流鏡，電晶體的跨導對電流比可由以下方程式表示。

(7)

(8)

在以上方程式中，k_B 係波茲曼常數，T係絕對溫度，q係基本電荷，且η係次臨限斜率因數。因此，對於不具有源極退化（亦即，Ro=Ri=0）的電流鏡，相對源極-汲極電流誤差可係高的。例如，在室溫（T=300凱氏溫度(K)），V_T ≈ 26毫伏特(mV)，及約1.5的次臨限斜率因數（亦即，η ≈ 1.5）下，跨導對電流比係約每伏特25.6 (V^-1 )，其可引起顯著的相對源極-汲極電流誤差。

為減少源極-汲極電流誤差，可增加電晶體的面積（例如，

）並可降低跨導對電流比。在保持大電晶體面積的同時，可藉由減少電晶體的

比以將操作點從弱反轉朝向強反轉移動來降低跨導對電流比。然而，簡單地增加電晶體的大小可能需要更多實體（晶粒）面積。取代此等方法，所揭示之電流鏡經組態以使用源極退化（亦即，Ro ＞ 0，Ri ＞ 0）來減少跨導對電流比（且因此減少相對源極-汲極電流誤差）。

當輸入電阻器及輸出電阻器均非零時，有效跨導G_M 可藉由以下方程式表示。

(9)

若Ro ＞＞ 1/g_m ，則G_m 係大約1/Ro。使用此近似，跨導對電流比可由以下方程式給定。

(10)

因此，對於具有源極退化（亦即，Ro ＞ 0，Ri ＞ 0）的電流鏡，相對源極-汲極電流誤差可較低（低於不具有源極退化的電流鏡）。例如，若RoIo係大約150 mV，則跨導對電流比係約6.6 V^-1 ，相較於以上針對在弱反轉的簡單電流鏡導出的值（亦即，

），其顯著較低。

所揭示之能隙參考電路使用源極退化電流鏡拓撲，以顯著改善匹配性能並因此降低經鏡像PTAT及CTAT電流之溫度係數的變異。

除了匹配性能外，源極退化提供調諧經鏡像PTAT或CTAT電流之溫度係數的可能性。例如，在圖3的電流鏡中，輸入部分上的電壓等於輸出部分上的電壓，且因此使用電路分析，輸出電流與輸入電流之間的關係可由以下方程式表示。

(11)

以弱發明操作的MOS電晶體的汲極電流可由以下方程式表示。

(12)

可將方程式(11)及方程式(12)組合成以下方程式。

(13)

假設電晶體係完美匹配的（亦即，

）意味著

。因此，方程式(13)可修改成如下的方程式。

(14)

藉由將方程式(14)對溫度微分並假設輸入電流(Ii)不隨溫度改變，產生以下方程式。

(15)

在此方程式中，電阻器Ro可由以下方程式表示。

(16)

在以上方程式中，α係具有每度百分比(%/C)之單位的電阻相對溫度係數。使用方程式(13)、方程式(15)、及方程式(16)，可顯示在此等假設下的輸出電流具有由以下方程式給定的溫度係數。

(17)

從方程式(14)及方程式(17)可顯示Io的溫度係數相關於比率Ii/Io，其繼而相關於比率Ri/Ro。因此，Io的溫度係數（亦即，TC）可藉由調整Ri/Ro的比率來調整。倘若對比率Ri/Ro的調整係小的（例如，約± 20%），溫度係數的調整可與比率Ri/Ro的調整成實質線性的（例如，線性）。Io的溫度係數可基於比率Ri/Ro而係正的或負的。換言之，對源極退化電阻器的調整可控制參考電流的位準或溫度係數。

圖4係根據本揭露的一第一可能實施方案之能隙參考電路的示意圖。能隙參考電路400包括採源極退化拓撲（亦即，組態）的第一電流鏡（亦即，PTAT電流鏡410），該第一電流鏡包括PTAT電流鏡輸入電晶體MP1、及（第一）PTAT電流鏡輸出電晶體MP2。額外地，第一電流鏡包括源極退化電阻器RSD1及RSD2。第一源極退化電阻器(RSD1)可耦接在上軌電壓與PTAT電流鏡410的第一（亦即，輸入）p型MOS電晶體(MP1)的源極端子之間。第二源極退化電阻器(RSD2)可耦接在上軌電壓與PTAT電流鏡410的第二（亦即，第一輸出）p型MOS電晶體(MP2)的源極端子之間。PTAT電流鏡410經組態以產生匹配電流以偏壓電晶體MN1及MN2。因此，MN1的閘極-源極電壓(V_GS )可實質匹配（例如，等於）MN2的閘極-源極電壓。

能隙參考電路400電路進一步包括各具有耦接在一起的基極端子及集極端子（例如，形成用於電路的接地）的第一二極體式連接電晶體(Q1)及第二二極體式連接電晶體(Q2)。來自MN1的電流可產生跨Q1的第一基極-射極電壓V_BE1 ，且來自MN2的（匹配）電流可產生跨Q2的第二基極-射極電壓V_BE2 。Q1及Q2的大小可不同。例如，Q2可係Q1之大小的8倍。在此情況下，跨各電晶體的基極-射極電壓可不同，且PTAT電流(I_PTAT )可經給定成該等基極-射極電壓上的差(ΔV_BE )除以第一電阻器(R1)（例如，見方程式(1)）。

第一基極-射極電壓(V_BE1 )可使用放大器（例如，跨導放大器）耦接至第二電阻器(R2)，該放大器包括驅動輸出電晶體430的放大器A1。跨第二電阻器(R2)的第一基極-射極電壓可產生CTAT電流(I_CTAT )。在所示的實施方案中，輸出電晶體430係p型電晶體。針對此實施方案，放大器(A1)的反相輸入耦接至Q1。本揭露不限於此組態。如將顯示的，輸出電晶體可係n型電晶體，且在此實施方案中，放大器的非反相輸入耦接至電晶體Q1。

第二電阻器(R2)耦接至第二電流鏡（亦即，CTAT電流鏡420）。CTAT電流鏡420採源極退化組態並包括各自耦接至對應源極退化電阻器(RSD3, RSD4)的CTAT電流鏡輸入電晶體(MP3)及第一CTAT電流鏡輸出電晶體(MP4)。CTAT電流鏡420經組態以在第一側（亦即，輸入側）接收CTAT電流(I_CTAT )，並在CTAT電流鏡420的第一輸出側產生CTAT電流的第一複本(I_{CTAT_M1} )。基於圖4，CTAT電流可由以下方程式表示。

(18)

CTAT電流鏡及PTAT電流鏡可包括多個輸出以分別產生CTAT電流及PTAT電流的多個複本。CTAT電流鏡420的第一輸出側（亦即，第一CTAT輸出）包括採具有源極退化電阻器RSD4之源極退化組態的電晶體MP4，其經組態以產生CTAT電流之第一複本（亦即，I_{CTAT_M1} ）。PTAT電流鏡410可進一步包括第二輸出側（亦即，PTAT第二輸出412），該第二輸出側包括採具有源極退化電阻器RSD5（例如，RSD5=RSD1）之源極退化組態的電晶體MP5。PTAT第二輸出412經組態以產生PTAT電流的第一複本（亦即，I_{PTAT_M1} ）。

CTAT電流的第一複本(I_{CTAT_M1} )及PTAT電流的第一複本(I_{PTAT_M1} )可耦接至於該處將其等組合（亦即，加總）的第一輸出電路（亦即，第一輸出440）。第一輸出440可包括第三電阻器(R3)，以將經組合CTAT及PTAT電流分量轉換成參考電壓V_REF 。參考電壓(V_REF )可係實質隨溫度穩定的電壓（例如，1.2伏特(V)）。基於圖4，參考電壓可由以下方程式表示。

(19)

CTAT電流鏡420可進一步包括第二輸出側（亦即，CTAT第二輸出422），該第二輸出側包括採具有源極退化電阻器RSD6之源極退化組態的電晶體MP6。CTAT第二輸出422經組態以產生CTAT電流的第二複本（亦即，I_{CTAT_M2} ）。

PTAT電流鏡410可進一步包括第三輸出側（亦即，PTAT第三輸出413），該第三輸出側包括採具有源極退化電阻器RSD7之源極退化組態的電晶體MP7。PTAT第三輸出413經組態以產生PTAT電流的第二複本（亦即，I_{PTAT_M2} ）。

CTAT電流的第二複本(I_{CTAT_M2} )及PTAT電流的第二複本(I_{PTAT_M2} )可耦接至於該處將其等組合（亦即，加總）以產生參考電流I_REF 的第二輸出電路（亦即，第二輸出450）。參考電流(I_REF )可係實質隨溫度穩定的電流。

能隙參考電路400之參考電壓(V_REF )的值可藉由調整電路400中的電阻來調整。例如，第三電阻器(R3)的電阻可係可調整的，且參考電壓(V_REF )的值可藉由調整第三電阻器(R3)的電阻來調整（例如，更高或更低）。例如，參考電壓(V_REF )在特定溫度（例如，25℃）的值可藉由調整第三電阻器R3來增加或減少。電路中的第三電阻器(R3)提供用於調整參考電壓(V_REF )之值（亦即，位準）而不影響參考電壓之溫度係數的構件。電路400提供其他構件以調整參考電壓的溫度係數

能隙參考電路400之參考電壓(V_REF )的溫度係數(TC)可使用電路中的一或多個可變電阻器來調整，例如，參考電壓(V_REF )在溫度範圍中呈現的變化量可藉由調整電阻器R1及/或R2來增加或減少。

能隙參考電路400之參考電流(I_REF )的溫度係數(TC)可使用電路中的一或多個可變電阻器來調整。例如，可調整第六源極退化電阻器(RSD6)的電阻以調整用以產生參考電流(I_REF )的CTAT電流分量(I_{CTAT_M2} )。同樣地，可調整第七源極退化電阻器(RSD7)的電阻以調整用以產生參考電流(I_REF )的PTAT電流分量(I_{PTAT_M2} )。藉由調整RSD6及RSD7的任一者（或二者），可調整參考電流的溫度係數(TC)。例如，參考電流(I_REF )在溫度範圍中呈現的變化量可藉由調整源極退化電阻器RSD6及RSD7來增加或減少。

已描述用於圖4之能隙參考電路實施方案之對電阻的一些實例調整。基於此等實例，所屬技術領域中具有通常知識者可推斷其他可能調整或調整的可能組合可用以調整(i)參考電壓或參考電流在特定溫度的值及/或(ii)參考電壓或參考電流在溫度範圍中的變化率。因此，本揭露未嚴格地受限於所描述的實例調整。額外地，能隙參考電路可包括比此實施方案所示更多或更少的輸出。PTAT電流鏡可包括各自具有耦接至對應源極退化電阻器之源極的複數個PTAT電流鏡輸出電晶體。同樣地，CTAT電流鏡可包括各自具有耦接至對應源極退化電阻器之源極的複數個CTAT電流鏡輸出電晶體。

圖4之能隙參考電路實施方案經組態以透過源極退化的使用來降低PTAT電流鏡410及/或CTAT電流鏡420中的隨機失配。隨機失配可包括導因於用於製造裝置之微影及/或其他程序上的隨機變異而在裝置參數（例如，裝置長度、通道摻雜、氧化物厚度等）上的變異。然而，系統性失配仍可能存在。系統性失配可包括導因於電路之設計（例如，拓撲）及/或佈局而在電路操作上的變異。

圖5係根據本揭露的一第二可能實施方案之能隙參考電路的示意圖。第二可能實施方案使用第一可能實施方案的類似拓撲以降低（例如，消除）隨機失配；然而，不同於第一可能實施方案，第二可能實施方案利用採疊接組態的電流鏡以降低（例如，消除）系統性失配。額外地，第二可能實施方案利用n型的輸出電晶體MNG。因此，放大器A1具有耦接至Q1的非反相輸入。

能隙參考電路500包括使用源極退化電阻器RSD1及RSD2的PTAT電流鏡，以藉由降低隨機失配來改善PTAT電流的鏡像（亦即，使更準確）。PTAT電流鏡採疊接組態（亦即，疊接PTAT電流鏡510）以藉由降低系統性失配來改善PTAT電流的鏡像。額外地，疊接組態可提昇PTAT電流鏡的輸出阻抗。

能隙參考電路500包括使用源極退化電阻器RSD3及RSD4的CTAT電流鏡，以藉由降低隨機失配來改善CTAT電流的鏡像（亦即，使更準確）。CTAT電流鏡採疊接組態（亦即，疊接CTAT電流鏡520）以藉由降低系統性失配來改善CTAT電流的鏡像。額外地，疊接組態可提昇CTAT電流鏡的輸出阻抗。

額外地，能隙參考電路500包括經組態以如針對圖4之實施方案所描述地但係採疊接組態運作的PTAT第二輸出512、CTAT第二輸出522、及PTAT第三輸出513。

在疊接組態中，能隙參考電路500之電流鏡中的各電晶體包括對應的疊接電晶體。例如，疊接PTAT電流鏡510包括輸入電晶體MP1及對應的疊接電晶體MP1C。疊接PTAT電流鏡510進一步包括輸出電晶體MP2及對應的疊接電晶體MP2C。額外地，疊接PTAT電流鏡510包括偏壓電阻器。可將電阻器實作為在三極區域中操作的電晶體以節省晶粒面積。例如，疊接PTAT電流鏡510可包括由拉低電壓(VTL)驅動的第一（p型）電晶體MPR1以偏壓NMOS疊接電流鏡（NM1、MN1C、MN2、及MN2C）及由拉高電壓(VTH)驅動的第二（n型）電晶體MNR1以偏壓PMOS疊接電流鏡（MP1、MP1C、MP2、及MP2C）。

根據圖5所示之第二可能實施方案的能隙參考電路進一步包括第一輸出電路（亦即，第一輸出540）及第二輸出電路（亦即，第二輸出550）。第二輸出550包括輸出電流鏡。該輸出電流鏡經組態以產生複數個參考電流(I_ref )複本。各參考電流複本係零對絕對溫度(ZTAT)電流（亦即，I_ZTAT1 、I_ZTAT2 、...I_ZTATn ）。參考電流複本可各自由電阻器(RV1, RV2, ...RVn)個別地修整，以調整各複本的溫度係數。

如先前所描述的，能隙參考電路500包括複數個可變電阻器（例如，R2、R3、RSD4、RSD5、RSD6、及RSD7），該等可變電阻器可經調整（亦即，修整）以改變(i)參考電壓或參考電流在特定溫度的值及/或(ii)參考電壓或參考電流在溫度範圍中的變化率。

圖6係用於產生參考信號（例如，參考電流、參考電壓）之方法的流程圖。方法600包括產生610 PTAT電流及產生620 CTAT電流。如所提及的，PTAT電流可基於具有不同大小比率的二個二極體式連接雙極型接面電晶體(BJT)的基極-射極電壓之間的差(ΔV_BE )來產生，而CTAT電流可基於二極體式連接BJT之基極-射極電壓(V_BE )的一者來產生。該方法進一步包括使用具有源極退化的PTAT電流鏡來產生630 PTAT電流的第一複本(I_{ptat_m1} )。PTAT電流鏡可包括輸入電晶體及一或多個輸出電晶體。藉由使各電晶體的源極端子耦接至源極退化電阻器來使其源極退化。源極退化可改善電晶體的匹配以提供電流的較佳（例如，更準確）複本。該方法進一步包括使用具有源極退化的CTAT電流鏡來產生640 CTAT電流的第一複本(I_{ctat_m1} )。CTAT電流鏡可包括輸入電晶體及一或多個輸出電晶體。藉由使各電晶體的源極端子耦接至源極退化電阻器來使其源極退化。該方法進一步包括加總650 PTAT電流的第一複本(I_{ptat_m1} )及CTAT電流的第一複本(I_{ctat_m1} )，以產生溫度穩定的參考電流(I_REF )。參考電流可導因於PTAT電流的第一複本(I_{ptat_m1} )及CTAT電流的第一複本(I_{ctat_m1} )的各別貢獻而具有在溫度範圍中改變很少（亦即，可能實質平坦）的第一I_REF 溫度係數。該方法可進一步包括使用655 PTAT電流的第一複本及CTAT電流的第一複本，以產生具有第一V_REF 溫度係數的參考電壓(V_REF )。換言之，該方法可產生參考電流、參考電壓、或參考電流及參考電壓二者。額外地，該方法可包括產生各自具有獨特位準及/或溫度係數的複數個參考電流及/或參考電壓。

在該方法的一可能實施方案中，參考電流的溫度係數可藉由調整PTAT電流的第一複本(I_{ptat_m1} )及CTAT電流的第一複本(I_{ctat_m1} )對參考電流的相對貢獻來調整660。PTAT電流的第一複本(I_{ptat_m1} )及CTAT電流的第一複本(I_{ctat_m1} )的相對貢獻可藉由調整PTAT電流鏡及/或CTAT電流鏡的源極產生來調整。調整PTAT電流鏡中的源極產生可包括調整PTAT電流鏡中的一或多個源極退化電阻器。同樣地，調整CTAT電流鏡中的源極產生可包括調整CTAT電流鏡中的一或多個源極退化電阻器。

在該方法的另一可能實施方案中，將參考電流轉換成參考電壓。例如，參考電壓可由接收參考電流的電阻器產生。在另一可能實施方案中，參考電壓對於特定溫度的值可藉由調整電阻器的電阻來調整。

如所提及的，一對電晶體之間的隨機失配的效應可取決於該對電晶體的操作區域。例如，在低功率應用中，該對電晶體可在隨機失配的效應明顯的次臨限區域中操作，導致該對電晶體的不良匹配性能。所揭示之具有源極退化的能隙參考電路可改善在次臨限區域中操作之電晶體對的匹配性能。因此，所揭示之能隙參考電路可在低功率應用中使用，包括但不限於，物聯網、自供電能量採集系統、及可穿戴醫療裝置。

所揭示之使用源極退化的能隙參考電路可提供超過用於降低能隙參考電路中之隨機失配之效應之其他技術（例如，使用具有大倍數的電晶體）的數個優點。例如，即使當能隙參考電路中的電晶體係以弱反轉操作（亦即，甚至在低功率操作中）時，所揭示的方法可提供與溫度實質無關的參考信號。額外地，所揭示的方法可促進PTAT電流及/或CTAT電流的微調，以產生溫度穩定的輸出電流。額外地，所揭示的方法可促進所有鏡像（亦即，複製）電流的個別修整及電壓/電流溫度係數的個別修整。額外地，所揭示的方法可提供減小的大小，因為不需要大電晶體以用於匹配。

在說明書及/或圖式中，已揭示典型的實施例。本揭露不限於此類例示性實施例。用語「及/或(and/or)」之使用包括相關聯之所列項目之一或多者的任何或全部組合。圖式係示意代表圖，且因此非必然按比例繪製。除非另有說明，否則特定用語已採一般性及描述性意義來使用，而非出於限制之目的來使用。

除非另有定義，本文中使用之所有技術及科學用語具有所屬技術領域中具有通常知識者所通常瞭解的相同意義。類似或等效於本文中所述的方法及材料可用於本揭露之實施或測試中。如本說明書中及隨附申請專利範圍中所使用者，除非內文另有明確指示，否則單數形式「一(a/an)」、「該(the)」包括複數的指稱物。本文中所用之用語「包含(comprising)」及其變化詞係與用語「包括(including)」及其變化詞同義地使用，且為非限制性的開放用語。本文中所用之用語「可選的(optional)」或「可選地(optionally)」意指可發生或可不發生隨後描述的特徵、情形、或情況，及意指該描述包括發生和未發生該特徵、情形、或情況的案例。範圍在本文中可表示成從「約」一個特定值及/或至「約」另一特定值。當表示此範圍時，一態樣包括從該一特定值及/或至該另一特定值。類似地，使用前述之「約」來將值表示為近似值時，應理解該特定值會形成另一態樣。應進一步理解的是，該等範圍之各者的端點係顯著相對於另一端點，且又顯著獨立於另一端點。

一些實施方案可使用各種半導體處理及/或封裝技術來實作。一些實施方案可使用與半導體基材相關聯的各種類型半導體處理技術來實作，包括但不限於例如矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)、及/或等等。

雖然所描述之實施方案的某些特徵已如本文所描述而說明，但所屬技術領域中具有通常知識者現將想到許多修改、替換、改變及均等物。因此，應當理解，隨附申請專利範圍旨在涵蓋落於實施方案範圍內的所有此類修改及改變。應當理解，其等僅以實例（非限制）方式呈現，並且可進行各種形式及細節改變。本文所描述之設備及/或方法之任何部分可以任何組合進行組合，除了互斥組合之外。本文所描述之實施方案可包括所描述之不同實施方案之功能、組件及/或特徵的各種組合及/或子組合。

200:電路 201:電晶體 300:電流鏡 400:能隙參考電路 410:PTAT電流鏡 412:PTAT第二輸出 413:PTAT第三輸出 420:CTAT電流鏡 422:CTAT第二輸出 430:輸出電晶體 440:第一輸出 450:第二輸出 500:能隙參考電路 510:疊接PTAT電流鏡 512:PTAT第二輸出 513:PTAT第三輸出 520:疊接CTAT電流鏡 522:CTAT第二輸出 540:第一輸出 550:第二輸出 600:方法 610:產生 620:產生 630:產生 640:產生 650:加總 655:使用 660:調整 A1:回授放大器/放大器 I_CTAT :CTAT電流 I_{CTAT_M1} :第一複本 I_{CTAT_M2} :第二複本 I_i :輸入電流 I_PTAT :PTAT電流 I_{PTAT_M1} :第一複本 I_{PTAT_M2} :第二複本 I_REF :參考電流 I_ZATA1 :零對絕對溫度電流 I_ZATA2 :零對絕對溫度電流 I_ZATAN :零對絕對溫度電流 MN1:電晶體 MN2:電晶體 MNG:輸出電晶體 MNR1:第二電晶體 MP1:金屬氧化物半導體(MOS)電晶體/輸入電晶體 MP1C:疊接電晶體 MP2:MOS電晶體/輸出電晶體 MP2C:疊接電晶體 MP3:輸入電晶體 MP4:輸出電晶體 MP5:電晶體 MP6:電晶體 MP7:電晶體 MPR1:第一電晶體 Q1:第一二極體式連接電晶體/第一電晶體 Q2:第二二極體式連接電晶體/第二電晶體 R1:第一電阻器 R2:第二電阻器 R3:第三電阻器 R_i :輸入電阻器 R_o :輸出電阻器 RSD1:源極退化電阻器 RSD2:源極退化電阻器 RSD3:源極退化電阻器 RSD4:源極退化電阻器 RSD5:源極退化電阻器 RSD6:源極退化電阻器 RSD7:源極退化電阻器 RV1:電阻器 RV2:電阻器 RVN:電阻器 V_BE1 :第一基極-射極電壓 V_BE2 :第二基極-射極電壓 V_REF :參考電壓 VTH:拉高電壓 VTL:拉低電壓

［圖1］係繪示根據本揭露的一可能實施方案之能隙參考電路的PTAT電流及CTAT電流對溫度的圖表。［圖2］係根據本揭露的一可能實施方案之能隙參考電路的PTAT及CTAT電流產生器部分的示意方塊圖。［圖3］係根據本揭露的一實施方案之能隙參考電路之具有源極退化部分的電流鏡的示意圖。［圖4］係根據本揭露的一第一可能實施方案之能隙參考電路的示意圖。［圖5］係根據本揭露的一第二可能實施方案之能隙參考電路的示意圖。［圖6］係用於產生參考電流及/或參考電壓之方法的流程圖。

圖式中之組件非必然相對於彼此按比例繪製。相似的元件符號在若干視圖中標示對應的部件。

400:能隙參考電路

410:PTAT電流鏡

412:PTAT第二輸出

413:PTAT第三輸出

420:CTAT電流鏡

422:CTAT第二輸出

430:輸出電晶體

440:第一輸出

450:第二輸出

I_CTAT:CTAT電流

I_{CTAT_M1}:第一複本

I_PTAT:PTAT電流

I_{PTAT_M1}:第一複本

I_{PTAT_M2}:第二複本

I_REF:參考電流

MN1:電晶體

MN2:電晶體

MP1:金屬氧化物半導體(MOS)電晶體/輸入電晶體

MP2:MOS電晶體/輸出電晶體

MP3:輸入電晶體

MP4:輸出電晶體

MP5:電晶體

MP6:電晶體

MP7:電晶體

Q1:第一二極體式連接電晶體/第一電晶體

Q2:第二二極體式連接電晶體/第二電晶體

R1:第一電阻器

R2:第二電阻器

R3:第三電阻器

RSD1:源極退化電阻器

RSD2:源極退化電阻器

RSD3:源極退化電阻器

RSD4:源極退化電阻器

RSD5:源極退化電阻器

RSD6:源極退化電阻器

RSD7:源極退化電阻器

V_BE1:第一基極-射極電壓

V_BE2:第二基極-射極電壓

V_REF:參考電壓

Claims

一種用於產生一參考電流之方法，該方法包含：產生一正比於絕對溫度(PTAT)電流；產生一互補於絕對溫度(CTAT)電流；使用具有源極退化的一PTAT電流鏡產生該PTAT電流的一第一複本；使用具有源極退化的一CTAT電流鏡產生該CTAT電流的一第一複本；及組合該PTAT電流的該第一複本及該CTAT電流的該第一複本，以產生具有一第一溫度係數的一第一參考電流。
如請求項1之用於產生一參考電流之方法，其中：該PTAT電流鏡包括一第一輸入電晶體及一第一輸出電晶體，該第一輸入電晶體在一源極端子處耦接至一第一源極退化電阻器，該第一輸出電晶體在一源極端子處耦接至一第二源極退化電阻器；該CTAT電流鏡包括一第二輸入電晶體及一第二輸出電晶體，該第二輸入電晶體在一源極端子處耦接至一第三源極退化電阻器，該第二輸出電晶體在一源極端子處耦接至一第四源極退化電阻器；及調整該CTAT電流鏡及該PTAT電流鏡的一或二者的該源極退化包括調整該第一源極退化電阻器、該第二源極退化電阻器、該第三源極退化電阻器、或該第四源極退化電阻器之任何者的一電阻。
如請求項1之用於產生一參考電流之方法，其進一步包含：將該第一參考電流輸入至一第一輸出電阻器以獲得一第一參考電壓；及調整該第一輸出電阻器的一電阻以改變該第一參考電壓。
如請求項1之用於產生一參考電流之方法，其進一步包含：將該參考電流耦接至具有源極退化的一輸出電流鏡，具有源極退化的該輸出電流鏡包括複數個輸出電晶體，各輸出電晶體在一源極端子處耦接至一源極退化電阻器；及調整一特定源極退化電阻器以調整由耦接至該特定源極退化電阻器的一特定輸出電晶體所傳導的一電流的一溫度係數。
一種能隙參考電路，其包含：一電流產生器，其經組態以產生一正比於絕對溫度(PTAT)電流及一互補於絕對溫度(CTAT)電流；一PTAT電流鏡，其具有源極退化，該PTAT電流鏡耦接至該電流產生器並經組態以產生該PTAT電流的至少一個複本；一CTAT電流鏡，其具有源極退化，該CTAT電流鏡耦接至該電流產生器並經組態以產生該CTAT電流的至少一個複本；及至少一個輸出，其經組態以組合該PTAT電流的該至少一個複本的一者及該CTAT電流的該至少一個複本的一者，以產生一參考電流。
如請求項5之能隙參考電路，其中：該PTAT電流鏡的該源極退化可調整，以調整該PTAT電流的該至少一個複本之各者的一位準；及該CTAT電流鏡的該源極退化可調整，以調整該CTAT電流的該至少一個複本之各者的一位準。
如請求項5之能隙參考電路，其中該電流產生器包括：一第一二極體式連接電晶體及一第二二極體式連接電晶體，其等經偏壓以產生跨一第一電阻器之正比於絕對溫度的一電壓差，跨該第一電阻器的該電壓差產生該PTAT電流；及一放大器，其經組態以將該第一二極體式連接電晶體之互補於絕對溫度的一電壓耦接至一第二電阻器以產生該CTAT電流。
如請求項5之能隙參考電路，其中：具有源極退化的該PTAT電流鏡包括：一PTAT電流鏡輸入電晶體，其具有耦接至可調整的一對應源極退化電阻器的一源極端子，及至少一個PTAT電流鏡輸出電晶體，該至少一個PTAT電流鏡輸出電晶體之各者具有耦接至可調整的一對應源極退化電阻器的一源極端子；及具有源極退化的該CTAT電流鏡包括：一CTAT電流鏡輸入電晶體，其具有耦接至可調整的一對應源極退化電阻器的一源極端子，及至少一個CTAT電流鏡輸出電晶體，該至少一個CTAT電流鏡輸出電晶體之各者具有耦接至可調整的一對應源極退化電阻器的一源極端子。
如請求項8之能隙參考電路，其中該PTAT電流鏡輸入電晶體、該至少一個PTAT電流鏡輸出電晶體、該CTAT電流鏡輸入電晶體、及該至少一個CTAT電流鏡輸出電晶體係在一弱反轉狀況下操作。
一種能隙參考電路，其包含：一電流產生器，其經組態以產生一正比於絕對溫度(PTAT)電流及一互補於絕對溫度(CTAT)電流；一PTAT電流鏡，其具有源極退化，該PTAT電流鏡耦接至該電流產生器並經組態以產生該PTAT電流的至少一個複本，該PTAT電流鏡採一疊接組態；一CTAT電流鏡，其具有源極退化，該CTAT電流鏡耦接至該電流產生器並經組態以產生該CTAT電流的至少一個複本，該CTAT電流鏡採該疊接組態；及至少一個輸出，其經組態以組合該PTAT電流的該至少一個複本的一者及該CTAT電流的該至少一個複本的一者，以產生一參考電流。
如請求項10之能隙參考電路，其中該至少一個輸出包括一輸出電流鏡，該輸出電流鏡經組態以產生該參考電流的一或多個複本。