TWI399631B - 可快速啟動的低電壓能隙參考電壓產生器 - Google Patents

Description

可快速啟動的低電壓能隙參考電壓產生器

本發明係有關一種能隙參考電壓產生器，特別是關於一種可快速啟動的低電壓能隙參考電壓產生器。

如圖1所示，傳統的能隙參考電壓產生器包括自偏電路10以及用以啟動該能隙參考電壓產生器的啟動電路12。在自偏電路10中，兩個電晶體M1及M2的控制端連接在一起，運算放大器14的輸出端VC連接電晶體M1及M2的控制端，電阻R1與接成二極體的雙極性接面電晶體(Bipolar Junction Transistor;BJT)Q1串聯在運算放大器14的正輸入端VA及接地端GND之間，接成二極體的BJT Q2連接在運算放大器14的負輸入端VB及接地端GND之間，電阻R2與電晶體M1串聯在電源端VDD及運算放大器14的正輸入端VA之間，電阻R3與電晶體M2串聯在電源端VDD及運算放大器14的負輸入端VB之間。電阻R2及R3具有相等的電阻值。在啟動電路12中，電晶體M3連接在電源端VDD及運算放大器14的負輸入端VB之間，電晶體M4連接在電源端VDD及電晶體M3的控制端VD之間，與電晶體M1組成電流鏡，電晶體M5連接在電晶體M3的控制端VD及接地端GND之間，其控制端連接電源端VDD。

當施加電源電壓VDD啟動圖1的能隙參考電壓產生器時，電晶體M3及M5導通，電晶體M5等同於電阻，運算放大器14的負輸入端VB經電晶體M3連接至電源端VDD，故其上的電壓VB上升，運算放大器14的輸出端電壓VC因而下降，進而導通電晶體M1而產生電流I1，其被電晶體M4鏡射而產生電流I3，造成電晶體M3的控制端電壓VD上升。在電壓VD上升至某臨界值後，電晶體M3關閉(turn off)，因而關閉啟動電路12，此能隙參考電壓產生器完成啟動。

當圖1的能隙參考電壓產生器在穩態時，運算放大器14維持其兩輸入端的電壓

VA=VB=Vbe，　公式1

其中Vbe為BJT Q2的射-基極電壓，其具有負溫度係數。電晶體M1及M2具有相等的尺寸，BJT Q1及Q2具有尺寸比N:1，因此

I2=I1=[VT×ln(N)]/R1，　公式2

其中VT為熱電壓，其具有正溫度係數。由於電阻R2及R3具有相等的電阻值，因此輸出端16提供輸出電壓

Vbg=I2×R3+Vbe=[VT×ln(N)×R2/R1]+Vbe。　公式3

從公式3可知，調整R2/R1的值可使電壓Vbg的溫度係數為0。然而，因為Vbe的緣故，唯有輸出電壓Vbg為1.24V左右時才可使溫度係數為0，因此圖1的能隙參考電壓產生器無法在低電源電壓下工作，例如在VDD=1V時。

圖2係習知的低電壓能隙參考電壓產生器，其係修改圖1的自偏電路10，將電阻R2及R3改為分別連接在運算放大器14的正、負輸入端VA、VB及接地端GND之間，並增加電晶體M6及電阻R4串聯在電源端VDD及接地端GND之間，且電晶體M6與電晶體M1組成電流鏡。

當施加電源電壓VDD啟動圖2的能隙參考電壓產生器時，電晶體M3及M5導通，運算放大器14的負輸入端電壓VB上升，運算放大器14的輸出端電壓VC因而下降，進而導通電晶體M1而產生電流I5，其被電晶體M4鏡射而產生電流I3，造成電壓VD上升。在電壓VD上升至某臨界值後，電晶體M3關閉，因而關閉啟動電路14，此能隙參考電壓產生器完成啟動。

當圖2的能隙參考電壓產生器在穩態時，運算放大器14維持其兩輸入端電壓VA及VB相等如公式1，因此電阻R2的電流I4=Vbe/R2，又因為電阻R2及R3具有相等的電阻值，因此電流I1及I2相等如公式2，所以

I5=I1+I4=VT×ln(N)/R1+Vbe/R2。　公式4

假設電晶體M1及M6具有相等的尺寸，則輸出端18提供輸出電壓

Vbg=I6×R4=I5×R4=(R4/R2)×[Vbe+VT×ln(N)×(R2/R1)]。　公式5

從公式5可知，調整R2/R1的值可使輸出電壓Vbg不受溫度影響，調整R4/R2的值可調整輸出電壓Vbg的準位。如前所述，要使電壓Vbe的負溫度係數與熱電壓VT的正溫度係數互相抵消，公式5中的Vbe+VT×ln(N)×(R2/R1)必須為1.24V左右。假設R4/R2=2/3，則輸出電壓Vbg約為0.8V，因此當電源電壓VDD=1V時，圖2的能隙參考電壓產生器仍可正常工作。然而，此能隙參考電壓產生器在剛啟動時，由於接成二極體的BJT Q1及Q2尚未導通，因此自偏電路的電流全部流經電阻R2及R3。若啟動電路12在BJT Q1及Q2尚未導通時便關閉，則將產生不正確的輸出電壓Vbg。為此，需要小心設計啟動電路12與電晶體M3之導通時間使能隙參考電壓產生器能正確啟動，但這將導致啟動時間變長。

此外，圖1的自偏電路需要兩個電晶體M1及M2建立起電流I1，圖2的自偏電路也需要兩個電晶體M1及M2建立起電流I5，因此可能因為電晶體M1及M2彼此不匹配而產生誤差。

美國專利號6,906,581的能隙參考電壓產生器包括兩個電流產生器分別提供具有正、負溫度係數的第一及第二電流，以及輸出電阻根據該第一及第二電流產生無關溫度變化的輸出電壓。此技藝雖然可在電源電壓低於1.24V時工作，也能快速啟動，但是其自偏電路仍然需要兩個電晶體建立起具有正溫度係數的第一電流，因此也可能因為該二電晶體彼此不匹配而產生誤差。

本發明的目的，在於提供一種可快速啟動的低電壓能隙參考電壓產生器。

根據本發明，一種可快速啟動的低電壓能隙參考電壓產生器包括具有自偏電路的第一電流產生器提供具有正溫度係數的第一電流，第二電流產生器提供具有負溫度係數的第二電流，電流加總電路產生總和電流等於該第一及第二電流的和，以及輸出電阻根據該總和電流產生無關溫度變化的輸出電壓。該自偏電路包括第一電晶體具有輸出端以提供該第一電流，運算放大器具有輸出端連接該第一電晶體的控制端，第一BJT接成二極體，第一電阻連接在該第一運算放大器的第一輸入端及該第一BJT之間，第二電阻連接在該第一電晶體的輸出端及該第一運算放大器的第一輸入端之間，第三電阻連接在該第一電晶體的輸出端及該第一運算放大器的第二輸入端之間，以及第二BJT接成二極體，且連接該第一運算放大器的第二輸入端。

圖3係根據本發明的第一實施例，除了圖1的啟動電路12以外，此能隙參考電壓產生器還包括電流產生器20及22、電流加總電路24及輸出電阻R5。電流產生器20包括自偏電路26。在自偏電路26中，電晶體M1的輸入端連接電源端VDD，運算放大器28的輸出端VC連接電晶體M1的控制端，BJT Q1接成二極體，電阻R1連接在運算放大器28的正輸入端VA及BJT Q1之間，電阻R2連接在電晶體M1的輸出端及運算放大器28的正輸入端VA之間，與電阻R2具有相等電阻值的電阻R3連接在電晶體M1的輸出端及運算放大器28的負輸入端VB之間，BJT Q2接成二極體且連接運算放大器28的負輸入端VB。在電流產生器22中，電晶體M2的輸入端連接電源端VDD、控制端連接運算放大器30的輸出端、輸出端連接運算放大器30的正輸入端及電阻R4，運算放大器30的負輸入端連接運算放大器28的負輸入端VB。在其他實施例中，運算放大器30的負輸入端可改為連接運算放大器28的正輸入端VA或電晶體M1的輸出端。在電流加總電路24中，電晶體M6的輸入端連接電源端VDD、控制端連接電晶體M2的控制端、輸出端連接輸出電阻R5，電晶體M7的輸入端連接電源端VDD、控制端連接電晶體M1的控制端、輸出端連接輸出電阻R5。

當圖3的能隙參考電壓產生器啟動時，電晶體M3及M5導通，因電晶體M3將運算放大器28的負輸入端VB連接至電源端VDD造成電壓VB上升，運算放大器28的輸出端電壓VC因而下降，電晶體M1的電流I4將隨著電壓VC的下降而上升，電晶體M4鏡射電流I4而產生電流I3，電晶體M3的控制端電壓VD隨著電流I3的上升而上升。在電壓VD大於某臨界值時，電晶體M3關閉，因而斷開運算放大器28的負輸入端VB與電源端VDD之間的連接，完成此能隙參考電壓產生器的啟動。

當圖3的能隙參考電壓產生器在穩態時，運算放大器28維持其兩輸入端電壓VA及VB相等，又因為電阻R2及R3的電阻值相等，因此BJT Q1及Q2的電流I1及I2相等如公式2，電流I4=I1+I2=2×I1。由於電流I1具有正溫度係數，因此電流I4也具有正溫度係數。在電流產生器22中，由於虛短路，運算放大器30兩輸入端的電壓相等，因而將電壓VB施加至電阻R4而產生電流I5流過電晶體M2，又因為電壓VB等於BJT Q2的射-基極電壓Vbe，故電流I5=Vbe/R4。由於電壓Vbe具有負溫度係數，因此電流I5也具有負溫度係數。在電流加總電路24中，電晶體M6與電晶體M2組成電流鏡而鏡射電流I5產生電流I6，電晶體M7與電晶體M1組成電流鏡而鏡射電流I4產生電流I7，電流I6及I7結合產生總和電流Isum=I6+I7，流過輸出電阻R5而產生輸出電壓Vbg。假設電晶體M1及M7具有相等的尺寸，電晶體M2及M6具有相等的尺寸，則

Vbg=(I6+I7)×R5=(2×I1+I5)×R5=(R5/R4)×[Vbe+VT×ln(N)×(2×R4/R1)]。　公式6

從公式6可知，調整R4/R1的值可使輸出電壓Vbg不受溫度影響，調整R5/R4的值可調整輸出電壓Vbg的準位。

將圖3的實施例略作修改如圖4所示，在自偏電路26中，電晶體M1使用NMOS，運算放大器28的正輸入端為VA、負輸入端為VB；在電流產生器22中，電晶體M2使用NMOS，運算放大器30的正輸入端連接運算放大器28的正輸入端VB、負輸入端連接電晶體M2的輸出端；在啟動電路12中，電晶體M4使用NMOS，增加電晶體M8連接在電晶體M4的輸出端及電晶體M3的控制端VD之間，運算放大器32的正輸入端連接電晶體M1的輸出端、負輸入端連接電晶體M4的輸出端、輸出端連接電晶體M8的控制端；在電流加總電路24中，電晶體M6及M7使用NMOS，增加電晶體M9連接在電晶體M6的輸出端及輸出電阻R5之間，運算放大器34的正輸入端連接電晶體M2的輸出端、負輸入端連接電晶體M6的輸出端、輸出端連接電晶體M9的控制端，電晶體M10連接在電晶體M7的輸出端及輸出電阻R5之間，運算放大器36的正輸入端連接電晶體M1的輸出端、負輸入端連接電晶體M7的輸出端、輸出端連接電晶體M10的控制端。在其他實施例中，運算放大器30的正輸入端亦可改為連接運算放大器28的負輸入端VA或電晶體M1的輸出端。

當圖4的能隙參考電壓產生器啟動時，電晶體M3及M5導通，電晶體M3將運算放大器28的正輸入端VB連接至電源端VDD，因此電壓VB上升而使得運算放大器28的輸出端電壓VC上升，電晶體M1的電流I4也隨著上升，運算放大器32使電晶體M1及M4的輸出端電壓相等，電晶體M4鏡射電流I4而產生電流I3，進而拉高電晶體M3的控制端電壓VD。在電壓VD大於某臨界值時，因為電晶體M3關閉而斷開運算放大器28的正輸入端VB與電源端VDD之間的連接，完成此能隙參考電壓產生器的啟動。

當圖4的能隙參考電壓產生器在穩態時，由於虛短路，運算放大器28的兩輸入端電壓VA及VB相等，而且電阻R2及R3的電阻值相等，因此BJT Q1及Q2的電流I1及I2相等如公式2，電流I4=2×I1。由於電流I1具有正溫度係數，因此電流I4也具有正溫度係數。在電流產生器22中，由於虛短路，運算放大器30將正輸入端電壓VB施加至電阻R4而產生電流I5流過電晶體M2，又因為電壓VB等於BJT Q2的射-基極電壓Vbe，故I5=Vbe/R4。由於電壓Vbe具有負溫度係數，因此電流I5也具有負溫度係數。在電流加總電路24中，運算放大器34使電晶體M2及M6的輸出端電壓相等，故電晶體M6與M2組成的電流鏡鏡射電流I5而產生電流I6，運算放大器36使電晶體M1及M7的輸出端電壓相等，故電晶體M7與M1組成的電流鏡鏡射電流I4而產生電流I7，電流I6與I7結合成為總和電流Isum=I6+I7，流過輸出電阻R5而產生輸出電壓Vbg。假設電晶體M1及M7具有相等的尺寸，電晶體M2及M6亦具有相等的尺寸，則輸出電壓Vbg如公式6。

在上述兩實施例中，調整R5/R4的值可使能隙參考電壓產生器提供低於1.24V且無關溫度變化的輸出電壓Vbg，因此電源電壓VDD可低於1.24V。此外，由於沒有電阻與BJT Q1及Q2並聯，因此能隙參考電壓產生器可快速啟動。再者，自偏電路26只需要單一電晶體M1建立起具有正溫度係數的電流I4，因此可避免電晶體不匹配而產生的誤差。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。

10．．．自偏電路

12．．．啟動電路

14．．．運算放大器

16．．．能隙參考電壓產生器的輸出端

18．．．能隙參考電壓產生器的輸出端

20．．．電流產生器

22．．．電流產生器

24．．．電流加總電路

26．．．自偏電路

28．．．運算放大器

30．．．運算放大器

32．．．運算放大器

34．．．運算放大器

36．．．運算放大器

圖1係傳統的能隙參考電壓產生器；

圖2係習知的低電壓能隙參考電壓產生器；

圖3係根據本發明的第一實施例；以及

圖4係根據本發明的第二實施例。

12．．．啟動電路

20．．．電流產生器

22．．．電流產生器

24．．．電流加總電路

26．．．自偏電路

28．．．運算放大器

30．．．運算放大器

Claims (16)

1. 一種可快速啟動的低電壓能隙參考電壓產生器，包括：具有自偏電路的第一電流產生器提供具有正溫度係數的第一電流，該自偏電路包含：第一電晶體具有輸出端以提供該第一電流；第一運算放大器具有輸出端連接該第一電晶體的控制端；第一BJT接成二極體；第一電阻連接在該第一運算放大器的第一輸入端及該第一BJT之間；第二電阻連接在該第一電晶體的輸出端及該第一運算放大器的第一輸入端之間；第三電阻連接在該第一電晶體的輸出端及該第一運算放大器的第二輸入端之間；以及第二BJT接成二極體，且連接該第一運算放大器的第二輸入端；第二電流產生器連接該第一電流產生器，以提供具有負溫度係數的第二電流；電流加總電路連接該第一及第二電流產生器，產生總和電流的大小等於該第一電流加上該第二電流的大小；以及輸出電阻連接該電流加總電路，根據該總和電流產生輸出電壓。
2. 如請求項1之低電壓能隙參考電壓產生器，其中該第二電 流產生器包括：第二運算放大器具有第一輸入端連接該第一運算放大器的第一或第二輸入端或該第一電晶體的輸出端；第二電晶體具有輸出端及控制端分別連接該第二運算放大器的第二輸入端及輸出端；以及第四電阻連接該第二運算放大器的第二輸入端，根據其上的電壓決定該第二電流的大小。
3. 如請求項2之低電壓能隙參考電壓產生器，其中該電流加總電路包括：第三電晶體連接該第一電流產生器，根據該第一電流產生第三電流；以及第四電晶體連接該第二電流產生器，根據該第二電流產生第四電流；其中，該第三及第四電流結合成為該總和電流。
4. 如請求項3之低電壓能隙參考電壓產生器，其中該第三電電晶體具有控制端連接該第一電晶體的控制端。
5. 如請求項4之低電壓能隙參考電壓產生器，其中該電流加總電路更包括：第五電晶體連接在該第三電晶體的輸出端及該輸出電阻之間；以及第三運算放大器具有第一輸入端連接該第一電晶體的輸出端、第二輸入端連接該第三電晶體的輸出端、以及輸出端連接該第五電晶體的控制端。
6. 如請求項3之低電壓能隙參考電壓產生器，其中該第四電 電晶體具有控制端連接該第二電晶體的控制端。
7. 如請求項6之低電壓能隙參考電壓產生器，其中該電流加總電路更包括：第五電晶體連接在該第四電晶體的輸出端及該輸出電阻之間；以及第三運算放大器具有第一輸入端連接該第二電晶體的輸出端、第二輸入端連接該第四電晶體的輸出端、以及輸出端連接該第五電晶體的控制端。
8. 如請求項1之低電壓能隙參考電壓產生器，其中該電流加總電路包括：第二電晶體連接該第一電流產生器，根據該第一電流產生第三電流；以及第三電晶體連接該第二電流產生器，根據該第二電流產生第四電流；其中，該第三及第四電流結合成為該總和電流。
9. 如請求項8之低電壓能隙參考電壓產生器，其中該第二電電晶體具有控制端連接該第一電晶體的控制端。
10. 如請求項8之低電壓能隙參考電壓產生器，其中該電流加總電路更包括：第四電晶體連接在該第二電晶體的輸出端及該輸出電阻之間；以及第二運算放大器具有第一輸入端連接該第一電晶體的輸出端、第二輸入端連接該第二電晶體的輸出端、以及輸出端連接該第四電晶體的控制端。
11. 如請求項1之低電壓能隙參考電壓產生器，更包括啟動電路連接該第一電流產生器，用以啟動該低電壓能隙參考電壓產生器。
12. 如請求項11之低電壓能隙參考電壓產生器，其中該啟動電路包括第二電晶體連接在電源端與該第一運算放大器的第二輸入端，在該低電壓能隙參考電壓產生器啟動時導通，在該低電壓能隙參考電壓產生器啟動完成後不導通。
13. 如請求項12之低電壓能隙參考電壓產生器，其中該啟動電路更包括第三電晶體具有輸出端連接該第二電晶體的控制端。
14. 如請求項13之低電壓能隙參考電壓產生器，其中該第三電晶體具有控制端連接該第一電晶體的控制端。
15. 如請求項12之低電壓能隙參考電壓產生器，其中該啟動電路更包括：第三電晶體具有控制端連接該第一電晶體的控制端；第四電晶體連接在該第三電晶體的輸出端及該第二電晶體的控制端之間；以及第二運算放大器具有第一輸入端連接該第一電晶體的輸出端、第二輸入端連接該第三電晶體的輸出端、以及輸出端連接該第四電晶體的控制端。
16. 如請求項12之低電壓能隙參考電壓產生器，其中該啟動電路更包括第三電晶體具有輸出端連接該第二電晶體的控制端，自該低電壓能隙參考電壓產生器啟動開始即導通。