TWI331265B - Bandgap reference circuit - Google Patents

Description

1331265 P2006-004-TW-B 21217twf.doc/n 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 ▲本發明是有關於能隙參考電路的—種改良方式，能改 .善祕參考電狀綠雜tt(pSRR)與溫度餘的電氣特 性。 • 【先前技術】 數位類比轉換器(DAC)、類比數位轉換器(ADC)或穩 壓器(regulator)會需要至少一種固定且穩定之參考電壓。 籲 此參考電壓最好在每:欠電祕動時能敎祕生。理想 的參考電壓最好不受到製程差異，操作溫度變化，與g 源變異等影響。 能隙參考電路(bandgap reference circuit)可用於提供 ^考電壓。故而，在許多電子系統中，能隙參考電路扮 廣重要角色，因為其會決定系統整體的穩定度與精準度。 土 一般而言，能隙參考電路會包括數個主要部份：電 流鏡，操作放大器，能隙電流產生器（bandgap 擊 generator)與負載。 圖1顯不傳統能隙參考電路的電路圖。此能隙參考 電路包括.MOS電晶體Mil〜M13 ;操作放大器〇P1 ; 抓電晶體Q1丨與Ql2、電阻R1〗與Rl2(其組成能隙電 流產生器）；以及電阻R13。 圖1之能隙電流產生器包含兩條電流路徑·· I1A與 I1B ’ I1A=I1B=I11+I12。IU 為正溫度係數(pTAT)電流， 而112則為負溫度係數(CTAT)電流。所以，理想上，由 IU+I12所合成的I1A/I1B可被視為溫度無關電流。另 P2006-004-T W-B 21217twf.doc/n 外，因為電流鏡的操作，IlOIlA=I1B，所以lie也可被 視為溫度無關電流。因為VreF=I1C*R13，VREFt可被視 為溫度無關電壓。 但是當考慮到MOS電晶體的通道長度調變效應時， Ι1Α=Ι1Β#ΙΚ>這是因為’透過操作放大器的虛擬接地效應 (V1A=V1B)會使得MOS電晶體Mil與M12的汲極-源極電 壓相等。但是，另一節點電壓V1C卻未必等於V1A/V1B。 如此一來，MOS電晶體Mil與M12的汲極-源極電壓未必 4於MOS電晶體M13的沒極-源極電壓；亦即， Vdsmi广VDSM12#VDSM13。此汲極_源極電塵的不匹配對於電源 與溫度是相當靈敏，也就是將導致不良的電源斥拒比(pSRR) 與溫度係數。 為此，最好有一種能隙參考電路的改良技術，能夠改良 習知技術的缺點，亦即較差的溫度係數與pSRR特性。此外， 最好是’能不需特殊電路元件即可達成，也就是能在標準的 CMOS製程來實現。 【發明内容】 故而，本發明提供-種能隙參考電路的改良架構，其能 適用於-般的電流型(current mode)能隙參考電路。 本發明又提供能隙參考電路的—種改良架構，其可提供 較佳的溫度係數與PSRR特性。 本發明另提供-種可在低電壓電源下操作且對溫度係 數相關性低的Μ參考電路，其可用CM〇s製程來實現。

路二ΓΐΓ的’本發明提出一種能隙參考電 路的改良方式，包括：一失老带、丈A ，亏电机產生電路，在第一與 P2006-004-TW-B 21217twf.d〇c/n 弟：電&路徑上產生第—與第二參 根據該第-與第二參考電流 鏡， 三參考電流；-第一操作放大：弟7電流路徑上產生第 雷、、入 、 大态，輕接至該第一斑第_ 電/爪路徑，以令該第—電流 第一 質上等於該第二電流路徑上之一二第-卽點電壓本 電壓本質上等於該第三電流路徑上之電;點 壓。 域_至該回授電路，以提供-參考電 的、特徵和優點能更明 實施例’並配合所附圖 為讓本發明之上述和其他目 顯易懂，下文特舉本發明之較佳 式’作詳細說明如下。 【實施方式】 以下特舉實施例作為本 為了使本發明之内容更為明瞭， 發明確實能夠據以實施的範例。

Mrwt本發明實施财’為改㈣知技術巾之電流鏡之 姑士 體之没極-源極電壓的不匹配，故利用另-操作 ^來使得電流鏡中所有M〇s電晶體之及極_源極電 =此a貝相等，因而可降低由通道長度調變效應所帶 的電路誤矣。 叫參考圖2,其顯示根據本發明較佳實施例之能隙參 考電路的，路方塊圖。能隙參考電路包括：電流鏡21〇， 操作放大器0P21 ’能隙電流產生器22Q，回授電路23〇 與負載R2。 能隙電流產生器220用於產生溫度無關電流I2A與 1331265 P2006-004-TW-B 21217twf.doc/n I2B。在此，能隙電流產生器220之架構可不特別限定， 至少能達成此功能即可。操作放大器OP21可令節點電壓 V2A=V2B。 電流鏡210根據能隙電流產生器22〇所產生之電流 I2A與I2B而鏡射出另一溫度無關電流I2C。同樣地，在 此，電流鏡210之架構可不特別限定，至少能達成此功 能即可。 回授電路230可令節點電路V2C=V2A，如此一來， 可令電流鏡210内之所有M0S電晶體(未顯示出）實質上 具有相同的沒極-源極電壓。因而，即使考量通道長度調 變效應，電流鏡210内之所有MOS電晶體所產生的電流 實質上會彼此匹配。也就是’假設用於產生電流I2a，I2B 與I2C之MOS電晶體之尺寸皆相同，則j2A=I2B=[2C， 且電流I2A，I2B與I2C皆為溫度無關。 回授電路230比如包括操作放大器〇p22與MOS電 曰曰體M21。操作放大器〇P22的正負輸入端分別耦接至節 點V2A與節點V2C’其輸出端則耦接至]^〇8電晶體M21 之閘極。MOS電晶體M21之源極耦接至節點V2C與電 流鏡210，其閘極耦接至操作放大器〇p22的輸出端，其 汲極耦接至負載R2。 圖3〜圖6顯示本實施例之數個例子，熟習此項技藝 者當知本發明並不受限於該些例子。圖3之能隙參考電 路包括：MOS電晶體M31〜M33(其組成電流鏡）；操作放 大器OP31 ;操作放大器〇p32與MOS電晶體M34(其組 成回授電路）；數個電流元件（比如為BjT電晶體q31與 8 1331265 P2006-004-TW-B 21217twf.doc/n Q32、電阻R31與R32 ;以及電阻R33。此外，電流元件 除了用BJT電晶體來實施外，也可用：二極體、運作於 次臨界區之金氧半電晶體或二極體連接方式N通道金氧 半電晶體(DTNMOS，diode turn-on NMOS)等來實施。 透過操作放大器0P31與OP32之負回授效應，使得 V3A=V3B=V3C。如此一來’ MOS電晶體M31〜M33之汲 極-源極電壓實質上會彼此相等。即使考量通道長度調變 效應’ MOS電晶體M31〜M33所產生之電流I3A/I3B/I3C 也會彼此相等(假設MOS電晶體M31〜M33之尺寸皆相 等）。 圖4之能隙參考電路包括：m〇s電晶體M41〜M43(其 組成電Sil鏡）’ ^呆作放大器〇p4i ; MOS電晶體M44與操 作放大器OP42(其組成回授電路）；數個電流元件（比如為 BJT電晶體Q41/Q42 ;電阻R41/R42 ;以及負載R43。此 外，電流元件除了以BJT電晶體來實施外，也可用：二 極體、運作於次臨界區之金氧半電晶體或二極體連接方 式N通道金氧半電晶體等來實施。 圖5之能隙參考電路包括：m〇s電晶體M51〜M54(其 組成電流鏡）；操作放大器〇p51 ; M〇s電晶體M55與操 作放大器〇P52(其組成回授電路）；數個電流元件（比如為 BJT電晶體Q51〜Q53);電阻r51〜R55 ;以及負載汉56。 此外，電流元件除了以BJT電晶體來實施外，也可用： 二極體'運作於次臨界區之金氧半電晶體或二極體連接 方式N通道金氧半電晶體等來實施。 圖6之能隙參考電路包括：MOS電晶體M61〜M63(其 9 P2006-004-TW-B 21217twf.doc/n 組成電流鏡）；操作放大器〇P6i ; M0S電晶體M64與操 作放大器OP62(其組成回授電路）；數個電流元件（比如為' MOS電晶體M65〜M66，其運作於次臨界區）；電阻 R61〜R63 ;以及負载R64。此外，電流元件除了以運作於 次臨界區之MOS電晶體來實施外，也可利用：二極體、、 BJT電晶體，或二極體連接方式N通道金氧半電晶體 來實施。 、為簡化起見，圖4〜圖6之詳細操作原理在此不再重 述’但習知此技者當可知透過圖4〜圖6之架構及圖2之 原理，以避免通道長度調變效應所導致之誤差。 為更加進-步朗本實_職產生之優點，發明 人列舉數個模擬的特徵曲線圖於圖7〜圖1〇。 f 7a與圖7b顯示習知技術(圖_本實施 ^參考電壓VREF對溫度之關係曲線圖。在圖％斑圖; 甲，五條曲線由上而下分別代表在 (VDD=,0V.VDD=U.VDD=,2V VDD^3. ^^.4V)T的關係曲線圖。請注意，由於在本實施例 在H 7b各Φ種1^f得到之參考電皆非常相近，故而 在圖7b中不谷易分辨出5條曲線。 與本實施例(圖3)在不同電贿的 溫度 習知技術 係數 i圖1) (PPm) 本實施例 (圖3) 9.04 166.67

7.58 9.04 7.53 7.53 28.79

7.53 1331265 P2006-004-TW-B 21217twf.doc/n

圖8a〜圖8f顯示在不同電壓源下，習知技術(圖u 與本實施例（圖3)之參考電壓VREF對溫度之關係曲線 圖。在圖8a〜圖8f中，符號PFNF代表pM0S Fast NM〇s Fast;而 PTNT 則代表 PMOS Typical NMOS Typical，PSNS 則代表 PMOS Slow NMOS Slow。PFNF、PTNT 與 PSNS 的意思為習知此技者所明瞭，於此不於詳述。 同樣地，在圖8a〜8f中’五條曲線由上而下分別代 表在不同電壓源下(VDD=l.〇V、VDD土 1.1、VDD=1.2V、 VDD=1.3與VDD=1.4V)的關係曲線圖。請注意，由於在 本實施例中，各種電壓源所得到之參考電壓皆非常相 近，故而在圖8d〜8f中不容易分辨出5條曲線。 圖9a與圖9b顯示習知技術(圖1)與本實施例（圖3) 之參考電壓VREF對電壓源之關係曲線圖 。在圖9a與圖 9b中’五條曲線由上而下分別代表在不同模擬溫度下 (-40°C，〇°C，+25。(：，+85。(：與+125°C)所得之關係曲線 圖。請注意，由於在本實施例中，在不同電壓源所得到 之參考電壓皆非常相近，故而在圖9b中不容易分辨出5 條曲線。 gSRR係數比較表如下〇 溫度(。( :) 〇 -40 0 +25 +85 +125 PSRR(〇/〇/v) 習知技 術(圖1) 12.44 8.19 6.81 4.63 3.44 本實施 例（圖3) 0.06 0.09 0.19 0.22 0.26 習知技術（圖1)與本實施例（圖3)在不同溫度下的 11 1331265 P2006-004-TW-B 21217twf.doc/n 圖IGa〜圖1Gf顯示在不同模擬溫度下習知技術(圖 =本實施雌3)之參考電壓V咖對霞源之關係曲 綠圖。 ，樣地’在圖10a〜贿中，五條曲線由上而下分別 代表在不同模擬溫度下(_4〇〇c，〇〇c，+25〇c，+85〇c盥 所狀義轉w。紐意，林實關中:於 各種模擬溫度下所得狀參考電壓皆非f相近，故而在 圖l〇d〜10f中不容易分辨出5條曲線。

故本貫麵之伽在於，其可提供雛溫度係數與 ^生’又可在低電壓電源下操作且對溫度係數相關性 低。 古應卜’因為湘另—操作放大11來使得電流鏡中所 = MOS電晶體之沒極_源極電壓彼此實質相等，因而可 降低因為通道長度鞭效應所帶的電路誤差。 雖然本發明已喻佳實施_露如上，然其並非用 發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之

，’當可作⑽之更動與_，因此本發明 ,保護範11當視_之巾請專概圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 圖1顯示傳統能隙參考電路的電路圖。 圖2顯示根據本發明較佳實施例之能隙參考電 電路方塊圖。 圖3〜圖6顯示本發明實施例之數個例子。 圖3) 圖7a與圖7b顯示習知技術(圖1}與本實施例 之參考電壓VREFS溫度之關係曲線圖。 12 1331265 P2006-004-TW-B 21217twf.doc/n 圖8a〜圖8f顯示在不同電壓源下’習知技術(圖_ 本實施例(® 3)之參考電壓VR£F對溫度之關係曲線圖。、 圖9a與圖9b顯示習知技術(圖j)與本實施例（圖$ 之參考電壓VREF對電壓源之關係曲線圖。 圖10a〜圖l〇f顯示在不同模擬溫度下，習知技術(圖 1)與本實施例（圖3)之參考電壓VREF對電壓源之關係曲 線圖。 【主要元件符號說明】

Mil〜M13、M21、M31 〜M34、M41 〜M44、M51 〜M55、 M61〜M66 : MOS電晶體 OP1、OP21、〇P22、OP31、OP32、OP41、OP42、OP51、 OP52、OP61、OP62 :操作放大器

Qll、Q12、Q31、Q32、Q41、Q42、Q51 〜Q53 : BJT 電 晶體

Rl 1〜R13、R2、R31〜R33、R41 〜R43、R51 〜R56、R61 〜R64 : 電阻 210 ··電流鏡 220 :能隙電流產生器 230 :回授電路 13

Claims (1)

1. 99-8-10 J 十、申請專利範圍： L一種能隙參考電路，包括： 一參考電流產生電路，在一第一電流路徑上產生一 第一參考電流； 一電流鏡’根據該第一參考電流以在一第二電流路 徑上產生一第二參考電流； 一回授電路，耦接至該第一與第二電流路徑，以令 該第一電流路徑上之一第一節點電壓本質上等於該第二 電流路徑上之一第二節點電壓；以及 —參考負載，耦接至該回授電路，以提供一參考電 壓， 其中該回授電路包括一第二操作放大器與一第一電 晶體。 1^1265 該第一電晶體具有：一源極，輕接至該 — 極’耦接至該第二操作放大器之該’ 汲極，耦接至該參考負载。 和出螨，以及一 該參顿叙㈣參考電路，其中 可於該第4流::::導=於::-電流路徑’其 至少-第二電流元件，搞接於該第二電流 可於該第二電流路徑上傳導電流， 其 餹恭，ί該第—電流元件與該第二電流元件可從· ^載子接面電晶體、二極體、運作於次臨界區之金 電晶體或二極體連接方式Ν通道缝半電㈣中擇 7. 一種能隙參考電路，包括： 上八靡參生電路’在一第一與一第二電流路徑 上刀別產生一第一與一第二參考電流； -電流鏡，根據該第-與第二參考電流以在 電流路徑上產生一第三參考電流； 乐一 广-第-操作放大器’健至該第一與第二電流路 么，以令該第—電流路徑上之-第-節點電壓本質上等 於該第二電流路徑上之—第二節點電壓；以及 一第二操作放大器’輕接至該第一與第三電流路 徑’以令該第—節點電壓本質上等於該第三電流路徑上 之一第三節點電壓。 8. 如申请專利範圍第7項所述之能隙參考電路， 該第操作放大器’具有：一正輸入端，搞接至該第二 15 1331265 -------------- - 修正替辦1。 電流路徑；一負輸入端，耦接至該第一電流路徑，以及 一輸出端’耦接至該電流鏡。 9.如申凊專利範圍第7項所述之能隙參考電路，其中 ·· 該第一操作放大裔具有·一正輪入端，搞接至該第一電 流路徑；一負輸入端，耦接至該第三電流路徑，以及一 輸出端^ 如申請專利範圍第9項所述之能隙參考電路，更

   ^括第-電晶體，其具有：一源極，麵接至該第三電 流路徑；一閘極，耦接至該第二操作放大器之該輸出端； 以及一汲_極。 11. 如申請專利範圍第10項所述之能隙參考電路，更 l括參考負載，编接至該第一電晶體之該沒極。 12. 如申凊專利範圍第7項所述之能隙參考電路，其 中該參考電流產生電路包含有： 至少-第-電流元件’輕接於該第一電流路徑，其 可於該第一電流路径上傳導電流；以及 至少一第二電流元件，耦接於該第二電流路徑，其 可於該第二電流路徑上傳導電流， 其中，各該第一電流元件與該第二電流元件可從： 雙載子接面電晶體、二極體、運作於次臨界區之金氧半 電晶體或二極體連接方式N通道金氧半電晶體中擇出。 —種能隙參考電路’包括： 參考電流產生電路，在一第一與一第二電流路徑 上產生一第一與一第二參考電流； -電流鏡’根據該第—與第二參考電流以在第三電 1331265 流路徑上產生一第三參考電流； 一第一操作放大器，耦接至該第一與第二電流路 徑’以令該第-電流路徑上之―第—節點電壓本質上等 於該第二電流路徑上之一第二節點電壓； 一回授電路’ 至該第—與第三電流路徑，以令 該第-節點本質上等於該第三電流路徑上之一第三 節點電壓；以及 一參考負載，减至該_電路，以提供一參考電 壓。 14.如申請專利範圍第13項所述之能隙參考電路，並 中該第-操佩大n具有·· m输至該第: 電流路徑，-負輸人端，_至該第—電流路徑，以及 一輸出端，耦接至該電流鏡。 a如申請專利範圍第13項所述之能隙參考電路，苴 中該回授電路包括—第二操作放大器與-第-電晶體Γ 16·如申請專利範圍第15項 操，大器具有:-正輪八端二- 桎，一負輸入端，耦接至該第三電流路徑，以及 一輸出端，耦接至該第一電晶體。 J7.如中請專利翻第16項所述之能隙參考電路，且 中=-電晶體具有：-源極，接至 |徑、 ;Γ:至該第二操作放大器之該輸出端：-汲極，耦接至該參考負載。 中翻第13項所述之能隙參考電路，其 甲这參亏電流產生電路包含有： 17 1331265

   «ίο 至少一第一電流元件，耦接於該第一電流路徑，其 可於該第一電流路徑上傳導電流；以及 至少一第二電流元件，耦接於該第二電流路徑，其 可於該第二電流路徑上傳導電流， 其中，各該第一電流元件與該第二電流元件可從： 雙載子接面電晶體、二極體、運作於次臨界區之金氧半 電晶體或二極體連接方式N通道金氧半電晶體中擇出。 lg