TWI418967B - 由溫度與製程所驅動之參考電壓產生電路 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種參考電壓產生電路，尤指一種可產生一個選擇性地追隨溫度的變化量的輸出參考電壓，或者可產生一個不會隨著製程-電壓-溫度的變化而改變(PVT independent)之輸出參考電壓的參考電壓產生電路。
許多電路皆係利用參考電壓來產生輸出參考電壓，且所產生之輸出參考電壓通常為該參考電壓的一部份且與該參考電壓具有相同的特性，而這些所產生之輸出參考電壓會拿來作為其他的系統的供應電壓之用。
典型的參考電壓產生電路會根據一個與製程-電壓-溫度的變化量無關(PVT independent)之參考電壓來產生一個輸出參考電壓，且此輸出參考電壓與其參考電壓具有相同的特性，亦為一個與製程-電壓-溫度的變化量無關(PVT independent)之電壓。請參考第1圖，第1圖為習知一參考電壓產生電路100的示意圖。參考電壓產生電路100包含一比較器150、一第一電阻R11以及一第二電阻R22。比較器150具有一第一輸入端151、一第二輸入端152以及一輸出端153，第一輸入端151係用來接收一個不會隨著製程-電壓-溫度的變化而改變之參考電壓Vref，輸出端153係用來產生一第二參考電壓Vref2並回授至第二輸入端152。而比較器150的輸出端153另耦接至第一電阻R11，且第一電阻R11與第二電阻R22係以串聯方式(in series)耦接在一起，而第二電阻R22另耦接至一接地端。第二電阻R22係為一可變電阻(variable resistor)，可將第二參考電壓Vref2經過第一電阻R11以及第二電阻R22分壓之後來產生一輸出參考電壓Vout，且可透過第二電阻R22來改變所產生之輸出參考電壓Vout的電壓大小。然而，由於所輸入的參考電壓Vref是一個與製程-電壓-溫度的變化量無關之電壓，所以此輸出參考電壓Vout亦為一個與製程-電壓-溫度的變化量無關(PVT independent)之電壓。也就是說，一但第二電阻R22的電阻值經過設定了之後，則所產生之輸出參考電壓Vout會維持固定不變。
然而，對於某些應用電路而言，想要可以運作在任何溫度狀態下是很不切實際的。舉例來說，在低溫的狀態下，電路的內部元件可能會發生效能上的問題；而在高溫的狀態下，則可能會導致漏電流(leakage current)的問題發生。
因此，如何提供一種參考電壓產生電路，可以用來提供一個可調整溫度相關性(temperature dependency)之輸出參考電壓(亦即，會隨著溫度的變化量而改變之輸出電壓)，即為本設計領域的重要課題之一。
因此，本發明的目的之一在於提出一種參考電壓產生電路，其係可適應性地根據溫度以及製程來產生一輸出參考電壓，以解決上述之問題。
於本發明之一實施例中，係提供一種參考電壓產生電路，其係可適應性地根據溫度以及製程來產生一輸出參考電壓。該參考電壓產生電路包含一比較器、一第一電阻、一第二可變電阻、一第三可變電阻以及一第一電晶體。比較器具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，該第一輸入端係用來接收一個不會隨著製程-電壓-溫度的變化而改變之參考電壓，該輸出端係用來產生一第二參考電壓並回授至該第二輸入端。第一電阻係耦接於該比較器之該輸出端。第三可變電阻以並聯方式耦接於該第二可變電阻，且該第二、第三可變電阻係耦接於該第一電阻以及一接地端之間，其中將該第二參考電壓經過該第一電阻、該第二可變電阻以及該第三可變電阻進行分壓後來產生該輸出參考電壓，且可透過改變該第二、第三可變電阻的電阻值來調整該輸出參考電壓之溫度相關性。第一電晶體係耦接於該第三可變電阻以及該接地端之間。
於本發明之另一實施例中，係提供一種參考電壓產生電路，其係可適應性地根據溫度以及製程來產生一輸出參考電壓。該參考電壓產生電路包含一比較器、一第一電阻、一第二可變電阻、一第三可變電阻以及一第一電晶體、一第二電晶體、一運算放大器以及一電流源。比較器具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，該第一輸入端係用來接收一個不會隨著製程-電壓-溫度的變化而改變之參考電壓，該輸出端係用來產生一第二參考電壓並回授至該第二輸入端。第一電阻係耦接於該比較器之該輸出端。第三可變電阻以並聯方式耦接於該第二可變電阻，且該第二、第三可變電阻係耦接於該第一電阻以及一接地端之間；其中將該第二參考電壓經過該第一電阻、該第二可變電阻以及該第三可變電阻進行分壓後來產生該輸出參考電壓，且可透過改變該第二、第三可變電阻的電阻值來調整該輸出參考電壓之溫度相關性。第二電晶體係耦接於該比較器之該輸出端以及該第一電阻之間。運算放大器具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，其第一輸入端係耦接於該第一電晶體，而其輸出端係耦接於該第三可變電阻並回授至該運算放大器之該第二輸入端。電流源產生一電流至該運算放大器之該第一輸入端以及該第一電晶體。
本發明係提供一種參考電壓產生電路，其係可根據一個與製程-電壓-溫度的變化量無關(PVT independent)之參考電壓來產生一個輸出參考電壓，且該輸出參考電壓係可為與溫度無關(temperature independent)、與溫度有關(temperature dependent)、或者與溫度高度相關(highly temperature dependent)。如此一來，可以允許參考電壓產生電路的應用擁有更大的彈性(flexibility)，並確保參考電壓產生電路可以應用在不同的操作環境中。
請參考第2圖，第2圖為本發明可適應性地根據溫度以及製程來產生一輸出參考電壓的參考電壓產生電路200之第一實施例的示意圖。如第2圖所示，參考電壓產生電路200包含有(但不侷限於)一比較器250、一第一電阻R1、一第二可變電阻R2、一第三可變電阻R3以及一第一電晶體T1。比較器250具有一第一輸入端251、一第二輸入端252以及一輸出端253，第一輸入端251係用來接收一個不會隨著製程-電壓-溫度的變化而改變之參考電壓Vref，輸出端253係用來產生一第二參考電壓Vref2並回授至第二輸入端252。第一電阻R1係耦接於比較器250之輸出端253。第三可變電阻R3以並聯方式(in parallel)耦接於第二可變電阻R2，且第二可電電阻R2、第三可變電阻R3係耦接於第一電阻R1以及一接地端(ground)之間，而第二電阻R2與第三電阻R3皆為可變電阻。另外，第一電晶體T1則係耦接於第三可變電阻R3以及該接地端之間。
請注意，第一電晶體T1具有一個很高的轉導值gm(transconductance)，而由於第一電晶體T1具有很高的高轉導值，因此可以允許參考電壓產生電路200所產生之輸出參考電壓Vout來追隨(track)第一電晶體T1的閘極至源極電壓(gate-to-source voltage，Vgs)，也就是說，當第一電晶體T1的閘極至源極電壓Vgs改變時，則所產生之輸出參考電壓Vout也會隨著改變，值得注意的是，輸出參考電壓Vout之溫度相關性(temperature dependence)的程度係與第二電阻R2、第三電阻R3的電阻值有關。舉例來說，當第三可變電阻R3的電阻值係設定為無限大(infinity)時，則此時參考電壓產生電路200會將第三電阻R3以及第一電晶體T1視為不存在，亦即與第1圖的參考電壓產生電路100完全相同。在這種情況下，輸出參考電壓Vout係與製程-電壓-溫度的變化無關(PVT independent)，但輸出參考電壓Vout的大小則會與第二電阻R2的電阻值習習相關。
在另一個情況下，當第二可變電阻R2之電阻值係設定為無限大(infinity)且該第三可變電阻R3之電阻值係設定為零時，此時輸出參考電壓Vout會跟隨著第一電晶體T1的閘極至源極電壓Vgs，換言之，當第一電晶體T1的閘極至源極電壓Vgs隨著溫度效應或者製程效應而改變時，這些效應也同樣會反映在參考電壓產生電路200所產生的輸出參考電壓Vout上。又，在第三種情況下，當第二電阻R2之電阻值係設定為無限大且第三電阻R3之電阻值係設定在介於零以及無限大之間的數值(0＜R3＜∞)時，則所產生之輸出參考電壓Vout也會跟隨溫度效應或者製程效應，但其相關的程度不同且與溫度、製程的變化量有關。而最大溫度-製程相關性係發生在當第一電阻R1與第三電阻R3的比值(ratio)(亦即，R1/R3)為最大值的情況，因此，輸出參考電壓Vout可由下列式子來表示之：
當然，上述之式子(1)亦可表示為：
由上述之式子(1)或式子(2)可得知，可透過改變第二電阻R2、第三電阻R3的電阻值來調整輸出參考電壓Vout與參考電壓Vref之間的關聯性。
請參考第3圖，第3圖為本發明可適應性地根據溫度以及製程來產生一輸出參考電壓的參考電壓產生電路300之第二實施例的示意圖。由於在某些實際的應用中，不可能採用一個具有很高的轉導值的電晶體來進行實作，因此，在本實施例中，可進一步改良參考電壓產生電路200來實現參考電壓產生電路300，如第3圖所示，參考電壓產生電路300另包含一理想運算放大器340以及一電流源360(例如，一定電流源)，且其另包含一第二電晶體P1(例如，P型場效電晶體，PFET)耦接於比較器250之輸出端253以及第一電阻R1之間。其中運算放大器340具有一第一輸入端341、一第二輸入端342以及一輸出端343，第一輸入端341係耦接於第一電晶體T1，輸出端343係耦接於第三可變電阻R3並回授至運算放大器340之第二輸入端342。請注意，由於第一電晶體T1具有一個固定的閘極至源極電壓Vgs，因此當第二電阻R2係設定為無限大且第三電阻R3係設定為零時，輸出參考電壓Vout會追隨第一電晶體T1的閘極至源極電壓Vgs，也就是說，當第一電晶體T1的閘極至源極電壓Vgs改變時，所產生之輸出參考電壓Vout也會跟著改變，與第一實施例中的情況相同。
綜上所述，本發明係提供一種用來產生一輸出參考電壓的裝置與方式，且所產生之該輸出參考電壓可以選擇性地追隨一電晶體的閘極至源極電壓Vgs、或者可為一個與溫度-製程無關(PVT independent)的電壓，以允許參考電壓產生電路的設計與應用擁有更大的彈性，並確保參考電壓產生電路可以應用在不同的操作環境中。
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。
100、200、300．．．參考電壓產生電路
150、250．．．比較器
R11、R1．．．第一電阻
R22、R2．．．第二可變電阻
R3．．．第三可變電阻
T1．．．第一電晶體
151、251、341．．．第一輸入端
152、252、342．．．第二輸入端
153、253、343．．．輸出端
Vref．．．參考電壓
Vref2．．．第二參考電壓
Vout．．．輸出參考電壓
340．．．理想運算放大器
360．．．電流源
P1．．．第二電晶體
第1圖為習知一參考電壓產生電路的示意圖。
第2圖為本發明可適應性地根據溫度以及製程來產生一輸出參考電壓的參考電壓產生電路之第一實施例的示意圖。
第3圖為本發明可適應性地根據溫度以及製程來產生一輸出參考電壓的參考電壓產生電路之第二實施例的示意圖。
200．．．參考電壓產生電路
250．．．比較器
R1．．．第一電阻
R2．．．第二可變電阻
R3．．．第三可變電阻
T1．．．第一電晶體
251．．．第一輸入端
252．．．第二輸入端
253．．．輸出端
Vref．．．參考電壓
Vref2．．．第二參考電壓
Vout．．．輸出參考電壓
Claims (13)
- 一種參考電壓產生電路，其係可調適性地根據溫度以及製程來產生一輸出參考電壓，該參考電壓產生電路包含有：一比較器，具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，該第一輸入端係用來接收一個不會隨著製程-電壓-溫度的變化而改變(PVT insensitive)之參考電壓，該輸出端係用來產生一第二參考電壓並回授至該第二輸入端；一第一電阻，耦接於該比較器之該輸出端；一第二可變電阻(variable resistor)；一第三可變電阻，和該第二可變電阻以並聯方式(in parallel)來耦接，且該第二、第三可變電阻係耦接於該第一電阻以及一接地端之間，其中將該第二參考電壓經過該第一電阻、該第二可變電阻以及該第三可變電阻進行分壓後來產生該輸出參考電壓，且可透過改變該第二、第三可變電阻的電阻值來調整該輸出參考電壓之溫度相關性(temperature dependence)；以及一第一電晶體，耦接於該第三可變電阻以及該接地端之間；其中該第一電晶體具有一高轉導值(transconductance)；當該第二可變電阻之電阻值係設定為無限大(infinity)且該第三可變電阻之電阻值係設定為零時，該輸出參考電壓會追隨(track)該第一電晶體之一閘極至源極電壓(gate-to-source voltage)。
- 如申請專利範圍第1項所述之參考電壓產生電路，其中該輸出參考電壓係與該第一電晶體之該閘極至源極電壓成正比。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之參考電壓產生電路，其中當該第三可變電阻之電阻值係設定為無限大時，該輸出參考電壓不會隨著製程-電壓-溫度的變化而改變(PVT insensitive)。
- 如申請專利範圍第1項所述之參考電壓產生電路，其另包含：一第二電晶體，耦接於該比較器之該輸出端以及該第一電阻之間；一運算放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，該第一輸入端係耦接於該第一電晶體，該輸出端係耦接於該第三可變電阻並回授至該運算放大器之該第二輸入端；以及一電流源，產生一電流至該運算放大器之該第一輸入端以及該第一電晶體。
- 如申請專利範圍第4項所述之參考電壓產生電路，其中該第二電晶體係為一P型場效電晶體(PFET)。
- 如申請專利範圍第4項所述之參考電壓產生電路，其中該電流源係為一定電流源(constant current source)，以及其所產生之該 電流係為一定電流。
- 一種參考電壓產生電路，其係可調適性地根據溫度以及製程來產生一輸出參考電壓，該參考電壓產生電路包含有：一比較器，具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，該第一輸入端係用來接收一個不會隨著製程-電壓-溫度的變化而改變之參考電壓，該輸出端係用來產生一第二參考電壓並回授至該第二輸入端；一第一電阻，耦接於該比較器之該輸出端；一第二可變電阻；一第三可變電阻，和該第二可變電阻以並聯方式來耦接，且該第二、第三可變電阻係耦接於該第一電阻以及一接地端之間，其中將該第二參考電壓經過該第一電阻、該第二可變電阻以及該第三可變電阻進行分壓後來產生該輸出參考電壓，且可透過改變該第二、第三可變電阻的電阻值來調整該輸出參考電壓之溫度相關性(temperature dependence)；以及一第一電晶體；一第二電晶體，耦接於該比較器之該輸出端以及該第一電阻之間；一運算放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，該第一輸入端係耦接於該第一電晶體，該輸出端係耦接於該第三可變電阻並回授至該運算放大器之該第二輸入 端；以及一電流源，產生一電流至該運算放大器之該第一輸入端以及該第一電晶體。
- 如申請專利範圍第7項所述之參考電壓產生電路，其中當該第二可變電阻之電阻值係設定為無限大且該第三可變電阻之電阻值係設定為零時，該輸出參考電壓會追隨該第一電晶體之一閘極至源極電壓。
- 如申請專利範圍第8項所述之參考電壓產生電路，其中該輸出參考電壓係與該第一電晶體之該閘極至源極電壓成正比。
- 如申請專利範圍第7、8或9項所述之參考電壓產生電路，其中當該第三可變電阻之電阻值係設定為無限大時，該輸出參考電壓不會隨著製程-電壓-溫度的變化而改變(PVT insensitive)。
- 如申請專利範圍第7項所述之參考電壓產生電路，其中該第二電晶體係為一P型場效電晶體(PFET)。
- 如申請專利範圍第7項所述之參考電壓產生電路，其中該電流源係為一定電流源，以及其所產生之該電流係為一定電流。
- 一種參考電壓產生電路，其係可調適性地根據溫度以及製程來 產生一輸出參考電壓，該參考電壓產生電路包含有：一比較器，具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，該第一輸入端係用來接收一個不會隨著製程-電壓-溫度的變化而改變(PVT insensitive)之參考電壓，該輸出端係用來產生一第二-參考電壓並回授至該第二輸入端；一第一電阻，耦接於該比較器之該輸出端；一第二可變電阻(variable resistor)；一第三可變電阻，和該第二可變電阻以並聯方式(in parallel)來耦接，且該第二、第三可變電阻係耦接於該第一電阻以及一接地端之間，其中將該第二參考電壓經過該第一電阻、該第二可變電阻以及該第三可變電阻進行分壓後來產生該輸出參考電壓，且可透過改變該第二、第三可變電阻的電阻值來調整該輸出參考電壓之溫度相關性(temperature dependence)；以及一第一電晶體，耦接於該第三可變電阻以及該接地端之間；其中當該第三可變電阻之電阻值係設定為無限大時，該輸出參考電壓不會隨著製程-電壓-溫度的變化而改變(PVT insensitive)。
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