TWI448875B - 參考電壓產生裝置和方法 - Google Patents

Description

參考電壓產生裝置和方法

本揭示案係關於一種參考電壓產生裝置及方法，且更特定言之，係關於一種具有低電力消耗特性之用於產生低參考電壓之方法及裝置。

本申請案主張在韓國智慧財產局於2008年6月5日申請之韓國專利申請案第10-2008-0053127號之優先權及權利，該案之全部內容以引用的方式併入本文中。

因為大型積體電路(LSIC)之邏輯電路之驅動電壓變得較低，所以積體電路(IC)所需的參考電壓亦變得較低。

IC之參考電壓可受半導體製程變化或溫度變化影響。

又，用於諸如行動器件之小型電子器件中之IC需求低電力消耗及最小電路大小。同樣，以低電力消耗產生低參考電壓且不受製程或溫度變化影響的電路為所期望的。

本發明之例示性實施例提供具有低電力消耗特性之用於穩定地產生低參考電壓的方法及裝置。

根據例示性實施例，一種參考電壓產生裝置包括一恆定電流源電路，其產生一參考電流，該參考電流包括溫度不變電流分量。一負載電路連接至該恆定電流源電路且經由一負載電路電流分支而連接至接地，且產生與該參考電流成比例之一電壓。一電流分支電路經由不同於該負載電路電流分支之一電流分支而將該等溫度不變電流分量的至少一部分自該恆定電流源電路及該負載電路之一連接端子移除至一接地端子。

該參考電流可包括溫度不變電流分量及溫度變化電流分量兩者。

該等溫度變化電流分量可包括與絕對溫度成比例地變化之電流分量。

該負載電路可包括串聯連接於該恆定電流源電路之一輸出與一接地端子之間的一個二極體及一電阻器件。

該負載電路可包括串聯連接於該恆定電流源電路之一輸出與一接地端子之間的一電晶體及一電阻器件。

該電晶體之一汲極端子可連接至該恆定電流源電路之一輸出端子。該電晶體之一源極端子可連接至該電阻器件之一第一端子。該電晶體之一閘極端子可連接至該汲極端子。該電阻器件之一第二端子可連接至該接地端子。

該電流分支電路可包括一電路，該電路經由不同於該負載電路電流分支之一電流分支之電阻器件而將該等溫度不變電流分量之該部分自該恆定電流源電路及該負載電路之該連接端子移除至一接地端子。

該電流分支電路可經由不同於該負載電路電流分支之一電流分支之複數個串聯連接之電阻器件而將該等溫度不變電流分量之該部分自該恆定電流源電路及該負載電路之該連接端子移除至一接地端子，且可選擇與該複數個電阻器件連接之節點中之一者作為輸出端子。

可判定該負載電路及該電流分支電路之電阻以致使等化該恆定電流源電路之電特性及該負載電路之電特性。

可判定該負載電路及該電流分支電路之電阻以致使產生自該恆定電流源電路及該負載電路之該連接端子輸出的電壓而與溫度變化無關。

該恆定電流源電路可包括複數個級聯電流鏡射電路。可使用自偏壓而施加由該級聯電流鏡射電路中之每一電晶體使用之電壓。

該恆定電流源電路可包括：一級聯電流鏡射電路，其中第一電流路徑及第二電流路徑在一源電壓端子與該接地端子之間，其使相同電壓流經第一電流路徑及第二電流路徑之複數個電流鏡射電路經級聯連接；一電阻器件，其連接至第一電流路徑及第二電流路徑中之一者，該電阻器件控制流經所連接之電流路徑之電流；及一緩衝電路，其連接至第一電流路徑及第二電流路徑中之一者，該緩衝電路使一電流流至一輸出端子，該電流為與流經所連接之電流路徑之一電流相同之電流。

可在無額外電流分支的情形下使用自偏壓而產生操作該級聯電流鏡射電路之偏壓電壓。

該級聯電流鏡射電路可包括在第一電流路徑及第二電流路徑中之每一者中的一自偏壓電晶體，且藉由使用施加至該自偏壓電晶體之一電壓而產生一偏壓電壓，該偏壓電壓係用於形成第一電流路徑及第二電流路徑之電流鏡射電路。

該參考電壓產生裝置可進一步包括一運算放大電路，其放大施加至該恆定電流源電路及該負載電路之該連接端子的電壓。可藉由控制該運算放大電路之增益來產生目標電壓。

該運算放大電路可包括一運算放大器及一電阻電路，該電阻電路耦接於該運算放大電路之一輸出與該運算放大器之一非反相端子之間。該電阻電路可包括一第一電阻器集合及一第二電阻器集合，該第一電阻器集合及該第二電阻器集合的電阻係根據與各別電阻並聯耦接之熔絲是否被切斷來控制。該運算放大器之第一輸入端子可連接至該恆定電流源電路及該負載電路之該連接端子。該第一電阻器集合可連接於該運算放大器之第二輸入端子與一輸出端子之間。該第二電阻器集合可連接於該運算放大器之第二輸入端子與該接地端子之間。

該第一電阻器集合及該第二電阻器集合中之每一者可包括串聯連接之一初始設定電阻器件及複數個控制電阻器件。一熔絲可連接至該等控制電阻器件中之每一者之兩個端子。

在例示性實施例中，提供參考電壓產生方法。

自一恆定電流源電路產生一參考電流，該恆定電流源電路經由一負載電路電流分支而耦接至接地。經由不同於該負載電路電流分支之一電流分支而將包括於該參考電流中之溫度不變電流分量的一部分移除至一接地端子。將藉由自該參考電流移除該等溫度不變電流分量之該部分而獲得之剩餘電流分量轉換為一參考電壓。

可判定該負載電路電流分支之電阻及用於移除該等溫度不變電流分量之一部分的該電流分支之電阻以滿足用於等化該恆定電流源電路之電特性及該負載電路電流分支之電特性的條件。

在例示性實施例中，提供一種產生參考電壓的方法。將一對電流鏡射電路級聯連接。在該對電流鏡射電路之間提供一對自偏壓電晶體。經由該等電流鏡射電路之電流路徑而產生電流。將一對電晶體級聯連接至該對電流鏡射電路中之一者之電流路徑以輸出一參考電流。經由一耦接至該對級聯連接之電晶體之電流分支而移除該參考電流的溫度不變電流分量之一部分。一運算放大器之非反相輸入耦接至該電流分支且藉由在該運算放大器之輸出與反相輸入之間反饋耦接一可變電阻來調節該運算放大器的輸出。

將自結合隨附圖式進行之以下詳細描述更清楚地理解本發明之例示性實施例。

下文中，首先描述根據本發明之用於實施參考電壓產生裝置之子電路的各種例示性實施例。接著組合例示性子電路以提供總參考電壓產生裝置。

首先，轉至圖1，展示根據本發明之例示性實施例之參考電壓產生裝置的電路圖。該參考電壓產生裝置包括一參考電壓產生器110、一運算放大器120及複數個電阻器Rf、Rs。

參考電壓產生器110為用於產生考慮溫度變化之帶隙參考電壓Vref之電路。帶隙參考電壓Vref固定於約1.2 V。

由參考電壓產生器110產生之帶隙參考電壓Vref輸入至運算放大器120，且該參考電壓產生裝置藉由控制方程式[1]中之電阻器Rf、Rs而產生所要輸出電壓Vout。

如由方程式[1]所確定，無法由圖1中所說明之參考電壓產生裝置產生低於1.2 V之參考電壓。

本發明之例示性實施例提供可產生低於1.2 V之參考電壓的參考電壓產生電路，且更特定言之，針對低電力消耗而穩定地產生低參考電壓且最小化半導體電路之大小且亦不受半導體製程變化或溫度變化影響之電路。

通常，參考電壓產生裝置使用形成為電流鏡射電路之電流源電路。為減少用於電流鏡射電路中之電晶體之通道長度調變的影響，使電流鏡射電路之輸出端子之電阻儘可能大。

為此，一級聯恆定電流源電路可用作電流鏡射電路。基本級聯電路通常為繼之以電阻性負載之二級放大器。其常由兩個電晶體建構，其中一個電晶體作為輸入電晶體之輸出汲極端子之負載而操作。該級聯恆定電流源電路藉由再將一電晶體群組添加至其而造成遮蔽效應，其中源電壓變化不會影響偏壓電流或偏壓電壓。

然而，級聯電流鏡射電路歸因於電晶體之臨限電壓Vth而具有餘量損失(headroom loss)，且因此通常使用低電壓級聯偏壓電路。在低電壓級聯偏壓電路中，減少通道長度變化之影響以便改良一電流鏡射路徑與另一電流鏡射路徑之間的電流一致性，且最小化電壓餘量損失以便達成寬輸出擺動。

圖2A為根據本發明之例示性實施例的用於將低電壓級聯電路之偏壓方法描述為電流鏡射電路的電路圖。圖2B為可實施圖2A中所說明之偏壓方法之低電壓級聯電路的電路圖。

在圖2A中所說明之電流鏡射電路中，節點X為電晶體NM1之汲極端子且節點Y為電晶體NM2之汲極端子且具有相同電位(諸如，最小電壓△V)，且2△V+Vth的電壓施加至級聯輸出電晶體NM3之閘極端子。在此狀況下，節點Z處之最小最終輸出電壓為2△V。此處，△V為在接通n通道金屬氧化物半導體(NMOS)電晶體時的汲極-源極端子電壓，且Vth為NMOS電晶體之臨限電壓。

然而，如圖2B中所說明，需要電流分支BR1以用於將偏壓電壓施加至低電壓級聯電路，且因此圖2B中所說明之低電壓級聯電路可能不適合低電力特性。

圖3A及圖3B為根據圖2A中所說明之偏壓方法之例示性實施例的低電壓級聯電路的電路圖。

圖3A中所說明之低電壓級聯電路類似於圖2A中所說明之電路，但具有額外電流分支BR2，且因而，半導體電路面積增加。另一方面，在圖3B中所說明之低電壓級聯電路之狀況下，無需額外電流分支。

在圖3B中，提供藉由使用電阻器R來產生偏壓電壓之電路，且因此0.7 V之臨限電壓Vth施加於電阻器R之兩個端子之間。行動器件(其中，低電力特性為重要的)之IC以弱反轉狀態操作所有電晶體器件且因此每一分支之電流等於或小於約500 nA。因此，V(0.7 V)=I(500 nA)×R且因此電阻器R為1.4 MΩ。因而，電路面積歸因於大電阻而極大增加，且低電壓級聯電路歸因於電阻器件之使用而變得對製程分布之變化敏感。因此，圖3A及圖3B中所說明之低電壓級聯電路之實施例可能不適合小面積及低電力特性。

圖10為根據本發明之例示性實施例的採用自偏壓之恆定電流源電路的電路圖。該恆定電流源電路包括：一第一電流鏡射電路，其包括電晶體NM2、NM3；一第二電流鏡射電路，其包括電晶體NM4、NM5；一自偏壓電晶體NM1；及一恆定電流源CS1。

包括於該第一電流鏡射電路中之電晶體NM2與該第二電流鏡射電路中之電晶體NM4級聯連接。包括於該第一電流鏡射電路中之電晶體NM3與該第二電流鏡射電路中之電晶體NM5級聯連接。自偏壓電晶體NM1連接於該恆定電流源CS1與包括於該第一電流鏡射電路中之電晶體NM2之汲極端子之間。此處，自偏壓電晶體NM1之閘極端子藉由使用共同端子而連接至自偏壓電晶體NM1之汲極端子以便充當二極體。

一偏壓電壓施加至該第一電流鏡射電路及該第二電流鏡射電路中之每一者，該第一電流鏡射電路及該第二電流鏡射電路係藉由將該第二電流鏡射電路之電晶體NM4、NM5之閘極端子連接至電晶體NM2之汲極端子及將該第一電流鏡射電路之電晶體NM2、NM3之閘極端子連接至自偏壓電晶體NM1之閘極端子與汲極端子之間的共同端子而獨立地級聯連接。

自恆定電流源CS1產生之電流I_REF 為弱反轉電流，且因此，若自偏壓電晶體NM1之通道寬度增加，則閘極-源極端子電壓Vgs接近臨限電壓Vth。因此，2△V+Vth之偏壓電壓施加至該第一電流鏡射電路之電晶體NM2、NM3之閘極端子中的每一者。特定言之，若自偏壓電晶體NM1之本體直接連接至其源極端子而非接地電壓，則可忽略本體效應。

因此，根據自偏壓方法，2△V+Vth之偏壓電壓施加至該第一電流鏡射電路之電晶體NM2、NM3的閘極端子中之每一者。

結果，根據採用根據本發明之當前例示性實施例之自偏壓方法的恆定電流源電路，與圖2B及圖3A中所說明之偏壓方法相比，因為未使用額外電流分支，所以可減少電力消耗且亦可減少電路面積。此外，與圖3B中所說明之偏壓方法相比，因為未使用具有大電阻之偏壓電阻器件，所以可減少電路面積，且因為未使用電阻器件，所以恆定電流源電路亦未變得對製程變化敏感。

圖11B為根據本發明之例示性實施例的包括於參考電壓產生裝置中之採用自偏壓之恆定電流源電路的詳細電路圖。該恆定電流源電路包括一第一級聯電流鏡射電路100、一第二級聯電流鏡射電路200、一電阻器R1、自偏壓電晶體PM5、NM5及一緩衝器300。

在第一級聯電流鏡射電路100中，充當電流鏡射電路之電晶體級聯連接於第一電流路徑與第二電流路徑之間以致使相同電流流經該第一電流路徑及該第二電流路徑。

更詳細言之，電晶體PM1、PM3級聯連接。電晶體PM2、PM4亦級聯連接。電晶體PM1、PM2之源極端子連接至源電壓。電晶體PM1之閘極端子連接至電晶體PM2之閘極端子。電晶體PM3之閘極端子連接至電晶體PM4之閘極端子。電晶體PM1之閘極端子連接至電晶體PM3之汲極端子。

在第二級聯電流鏡射電路200中，充當電流鏡射電路之電晶體級聯連接至第一電流路徑及第二電流路徑以致使相同電流流經該第一電流路徑及該第二電流路徑。

自偏壓電晶體PM5、NM5連接於第一級聯電流鏡射電路100與第二級聯電流鏡射電路200之間。

更詳細言之，電晶體NM1、NM3級聯連接。電晶體NM2、NM4亦級聯連接。電晶體NM1之閘極端子連接至電晶體NM2之閘極端子。電晶體NM3之閘極端子連接至電晶體NM4之閘極端子。電晶體NM4之閘極端子連接至電晶體NM2之汲極端子。電晶體NM4之源極端子連接至接地電壓。電阻器R1連接於電晶體NM3之汲極端子與接地電壓之間。

自偏壓電晶體PM5之源極端子連接至包括於第一級聯電流鏡射電路100中之電晶體PM3的汲極端子。自偏壓電晶體PM5之汲極端子連接至包括於第二級聯電流鏡射電路200中之電晶體NM1的汲極端子。自偏壓電晶體PM5之閘極端子連接至自偏壓電晶體PM5之汲極端子以便充當二極體，且與自偏壓電晶體PM5的閘極及汲極端子連接之共同端子連接至電晶體PM3、PM4之閘極端子。

如上文關於圖10所描述，將自偏壓電晶體PM5之通道寬度設計成大得致使閘極-源極端子電壓Vgs接近臨限電壓Vth。又，將自偏壓電晶體PM5之本體設計成直接連接至其源極端子以致使可忽略本體效應。

因此，2△V+Vth之偏壓電壓施加至包括於該第一級聯電流鏡射電路100中之電晶體PM3、PM4的閘極端子中之每一者。此處，△V為在接通NMOS電晶體時的汲極-源極端子電壓，且Vth為NMOS電晶體之臨限電壓。

又，自偏壓電晶體NM5之汲極端子連接至包括於第一級聯電流鏡射電路100中之電晶體PM4的汲極端子。自偏壓電晶體NM5之源極端子連接至包括於第二級聯電流鏡射電路200中之電晶體NM2的汲極端子。自偏壓電晶體NM5之閘極端子連接至自偏壓電晶體NM5之汲極端子以便充當二極體。與自偏壓電晶體NM5之閘極及汲極端子連接之共同端子連接至電晶體NM1、NM2的閘極端子。

如上文關於圖10所描述，將自偏壓電晶體NM5之通道寬度設計成大得致使閘極-源極端子電壓Vgs接近臨限電壓Vth。又，自偏壓電晶體NM5之本體直接連接至其源極端子以致使可忽略本體效應。

因此，2△V+Vth之偏壓電壓施加至包括於第二級聯電流鏡射電路200中之電晶體NM1、NM2的閘極端子中之每一者。

包括於緩衝器300中之電晶體PM6、PM7級聯連接以便複製並輸出由恆定電流源電路產生之參考電流。更詳細言之，電晶體PM6之源極端子連接至源電壓且電晶體PM6之汲極端子連接至電晶體PM7之源極端子。又，電晶體PM6之閘極端子連接至包括於第一級聯電流鏡射電路100中之電晶體PM1、PM2之閘極端子。電晶體PM7之閘極端子連接至包括於第一級聯電流鏡射電路100中之電晶體PM3、PM4的閘極端子，以致使電晶體PM7之汲極端子輸出與流經包括於第一級聯電流鏡射電路100中之電晶體PM3的汲極端子之電流相同之電流I(PTAT)。此處，電流I(PTAT)隨絕對溫度增加而成比例地增加。

在圖11B中所說明之包括於參考電壓產生裝置中的採用自偏壓方法之恆定電流源電路中，當接通第二級聯電流鏡射電路200之電晶體NM1、NM2、NM3、NM4且因此電流開始流動時，第一級聯電流鏡射電路100之電晶體PM1、PM2、PM3、PM4歸因於自偏壓而亦接通。

又，當接通第一級聯電流鏡射電路100之電晶體PM1、PM2、PM3、PM4及第二級聯電流鏡射電路200之電晶體NM、NM2、NM3、NM4且因此電流開始流動時，恆定偏壓電壓施加至電晶體PM1、PM2、PM3、PM4、NM1、NM2、NM3、NM4之閘極端子以致使恆定電流持續地流動。此外，自恆定電流源電路輸出之電流I(PTAT)受電阻器R1控制。

雖然圖11A為採用圖2B中所說明之偏壓方法之恆定電流源電路的詳細電路圖，但圖11B中所說明之採用根據本發明之例示性實施例之自偏壓方法之恆定電流源電路具有簡單電路組態且因此相比於圖11A中所說明之恆定電流源電路而適合用於小面積及低電力器件。

現轉至溫度事宜，參考電壓產生電路之操作需要考慮溫度變化。

圖4為根據本發明之例示性實施例之用於描述帶隙參考電壓電路的示意圖。恆定電流源CS1連接至電晶體Q1以致使基極-射極端子電壓V_BE 產生於電晶體Q1之射極端子中且施加至加法器41之第一輸入端子。

又，產生於V_T 產生器42中之電壓V_T 由乘法器43乘以溫度常數K以致使K．V_T 施加至加法器41之第二輸入端子。

因此，加法器41之輸出電壓Vref為V_BE +K．V_T 。此處，基極-射極端子電壓V_BE 與溫度成反比且電壓V_T 與溫度成比例。

圖5為實施圖4中所描述之概念之電路的例示性實施例的電路圖。所有電晶體以弱反轉狀態操作。電壓V_GS 為0.7 V且電壓V_T 為26 mV，且因此溫度常數K為約17至19。電阻器R致使可獲得溫度常數K。與絕對溫度成比例(PTAT)電壓(其與溫度成正比)及與絕對溫度互補(CTAT)電壓(其為電壓V_GS 且與溫度成反比)係藉由使用PTAT電流及電阻器R來產生，且輸出電壓Vref係藉由對PTAT電壓及CTAT電壓求和以便自零熱係數(TC)帶隙參考電壓產生電路輸出而產生。然而，零TC帶隙參考電壓產生電路之輸出電壓Vref為1.2 V(矽(Si)帶隙電壓)之高電壓。因此，零TC帶隙參考電壓產生電路僅以高於或等於1.2 V之所施加電壓操作且當使用低於1.2 V的參考電壓時可能為不適當的。

圖6A為圖5中所說明之電路之等效電路圖。圖6B為展示用於產生圖6A中所說明之參考電壓之參考電流的溫度特性的曲線圖。

若圖5中所說明之電路被重新表示為由圖6A中所描繪之例示性實施例說明，則現提供輸出電壓Vref為1.2 V之高電壓的原因。

具有如圖6A中之PTAT特性之電流基於絕對溫度而增加。然而，電流在-50℃至100℃之一般溫度範圍中具有如圖6B中所說明之特性。亦即，當獨立考慮電流之溫度變化電流分量I(temp_variant)及溫度不變電流分量I(temp_invariant)時，溫度變化電流分量I(temp_variant)補償電壓V_GS 且無需溫度不變電流分量I(temp_invariant)。1.2 V之高電壓係歸因於此等不必要之電流分量而產生，且若不必要的電流分量受控制，則可降低整體帶隙參考電壓產生電路之輸出電壓。

因而，本發明之例示性實施例可提供藉由自包括於整體帶隙參考電壓產生電路中之恆定電流源電路中所產生之電流分量移除溫度不變電流分量來產生低參考電壓的方法。

圖7為根據本發明之例示性實施例之用於描述用於藉由移除一些溫度不變電流分量來產生低參考電壓之電路的示意圖。恆定電流源CS1A、CS1B分別且均等地表示自圖11B中所說明之恆定電流源電路輸出之電流I(PTAT)中所包括的溫度變化電流分量I(temp_variant)及溫度不變電流分量I(temp_invariant)。電晶體NM1及電阻器R對應於用於將電流轉換為電壓之負載電路。恆定電流源CS2均等地表示對應於溫度不變電流分量I(temp_invariant)之一部分之一些溫度不變電流分量I'(temp_invariant)。

在圖7中，當輸出電壓Vref為恆定電壓時，若溫度不變電流分量I'(temp_invariant)流經預定電流分支，則溫度不變電流分量I'(temp_invariant)可由電阻器Rx替代，如圖12中所說明。

圖12為在溫度不變電流分量I'(temp_invariant)之一部分由電阻器Rx替代時的圖7中所說明之電路之例示性實施例的電路圖。圖13A為展示圖12中所說明之電路之溫度-電流特性的曲線圖。圖13B為展示當溫度不變電流分量I'(temp_invariant)流經具有電阻器Rx之電流分支以便自電流I(PTAT)移除時的輸出電壓Vref之溫度特性的的曲線圖。

在圖12中，電晶體NM1之閘極-源極端子電壓V_GS 被表示為方程式[2]。

因為閘極-源極端子電壓V_GS 具有關於電流I_PTAT -I'_{temp_invariant} 之極小變化，所以可假設閘極-源極端子電壓V_GS 為恆定的。接著，Vref_prop(<1.2 V)被表示為方程式[3]。

方程式[4]係藉由關於Vref來表示方程式3而獲得。

因此，如在方程式[4]中，帶隙參考電壓產生電路之輸出電壓V_GS +I_PTAT R可由Rx及R按比例調整。

圖6A中所說明之電路之V_GS _conv係如由給出方程式[5]給出，且根據本發明之例示性實施例之圖12中所說明的電路之V_GS _prop係如由方程式[6]給出。

然而，參考方程式[5]及[6]，根據方程式[4]之習知V_GS 之電流減少根據本發明的例示性實施例之電路中之I_PTAT -I'_{temp_invariant} 。

此意謂溫度梯度關於方程式[4]之V_GS 而變化且因此關於帶隙參考電壓產生電路之V_GS 的溫度梯度等化為關於根據本發明之例示性實施例之電路之V_GS 的溫度梯度，如方程式[7]。

方程式8係在藉由應用方程式[5]及[6]之每一V_GS 之值來對方程式[7]求微分時獲得。

方程式[9]係藉由重新排列方程式[8]而獲得。

在方程式[9]中，關於本發明之V_GS 之溫度梯度的第一項具有作為分子之I_PTAT -I'_{temp_invariant} 以成為漸減項，且第二項具有作為分母之I_PTAT -I'_{temp_invariant} 以便成為漸增項。因而，關於帶隙參考電壓產生電路之V_GS 之溫度梯度可等化為關於本發明的V_GS 之溫度梯度。

在方程式[9]中，除I'_{temp_invariant} 外之因數為已知常數且因此可獲得滿足之I'_{temp_invariant} 。又，可藉由使用方程式[10]來獲得根據所要輸出電壓Vref(<1.2 V)之電阻器Rx。

自方程式[10]獲得之Vref之最小值大於或等於接通金屬氧化物半導體(MOS)電晶體的V_GS 。因此，Rx之最小值為。

現已獲得方程式[3]中之值Vref、V_GS 及I_PTAT -I'_{temp_invariant} 且因此可最終獲得電阻器R之值。

圖14為根據本發明之例示性實施例的在弱反轉偏壓狀態下操作之零TC帶隙參考電壓產生電路的電路圖。

在圖14中，輸出電壓Vref被表示為方程式[11]。

方程式[12]係藉由關於溫度來對方程式[11]求微分而獲得。

在方程式[12]中，輸出電壓Vref無關於溫度，且因此滿足方程式[13]。

方程式14係藉由將方程式[13]代入方程式[12]而獲得。

方程式[15]係藉由將方程式[14]代入方程式[11]並重新排列方程式[11]而獲得。

因此，如在方程式[15]中，V_T 與溫度成正比且C1與溫度成反比，且因此可藉由適當控制電阻器之值來實施零TC帶隙參考電壓產生電路。

結果，在根據本發明之例示性實施例之電路中，電阻器R及電阻器R係按比例使用且因此可相互補償製程或溫度之變化。又，可藉由使用I'_{temp_invariant} 來獲得所要輸出電壓，且因此可產生低參考電壓。

圖15為根據本發明之例示性實施例的展示零TC帶隙參考電壓產生電路中之電阻器分接頭的電路圖且展示可藉由使用零TC帶隙參考電壓產生電路之電阻器分接頭來產生各種電壓。

若用於產生顯示器驅動器IC之邏輯部件之驅動電壓的電路採用圖15中所說明之電阻器分接頭，則雖然參考電壓產生電路可產生1.2 V的輸出電壓Vref，但根據本發明之例示性實施例之零TC帶隙參考電壓產生電路可產生具有各種值之輸出電壓Vref。

現轉至製程變化事宜，參考電壓產生電路之操作現考慮半導體製程變化。

圖8為根據本發明之例示性實施例之電路的電路圖，其中由參考電壓產生電路產生之參考電壓係藉由使用熔斷器件來調節以便精確地產生目標電壓。圖8中所說明之電路大體上被稱作參考電壓調節器。該參考電壓調節器包括一帶隙參考電壓產生器81、一運算放大器82及第一電阻器集合83與第二電阻器集合84。

在第一電阻器集合83中，串聯連接電阻器Rf及複數個調整電阻器件，且一熔絲連接於每一調整電阻器件之兩個端子之間。在第二電阻器集合84中，串聯連接電阻器Rs及複數個調整電阻器件，且一熔絲連接於每一調整電阻器件之兩個端子之間。

然而，雖然參考電壓產生電路具有1.5 V之輸出電壓，但輸出電壓可因製程變化而變化。為解決此問題，包括第一電阻器集合83與第二電阻器集合84之熔斷電路之電阻器考慮相對於輸出電壓的±30%邊限。在使用1.5 V之驅動電壓之IC的例示性實施例中，熔斷範圍為1.1 V至1.9 V。

帶隙參考電壓產生器81產生1.1 V至1.2 V之輸出電壓Vref，其輸入至運算放大器82。電阻器Rf、Rs之各種組合可用以將1.1 V調節為1.5 V。例示性電路按照Rf=320 KΩ、Rs=880 KΩ來使用電阻器Rf、Rs。

雖然參考電壓可為1.1 V，但參考電壓可變化±30%以便為0.8 V至1.4 V。在此狀況下，參考電壓調節器之最終輸出電壓Vout為1.1 V至1.9 V，且藉由使用熔斷器件將最終輸出電壓Vout調節為1.5 V。

在圖8中所示之例示性實施例中，當輸出電壓Vref為0.8 V時，最終輸出電壓Vout為1.1 V且因此電阻器Rf自320 KΩ增加至770 KΩ以將最終輸出電壓Vout增加至目標電壓1.5 V。亦即，450 KΩ(770 KΩ-320 KΩ)之電阻器另外用於熔斷。另一方面，當輸出電壓Vref為1.4 V時，最終輸出電壓Vout為1.9 V且因此電阻器Rs自880 KΩ增加至4480 KΩ以將最終輸出電壓Vout減小至目標電壓1.5 V。在此狀況下，3600 KΩ(4480 KΩ-880 KΩ)之電阻器另外用於熔斷。亦即，在以上兩種狀況下，4050 KΩ之相當大的總電阻另外用於熔斷。

換言之，因為輸出電壓Vref固定為1.1 V至1.2 V，所以大電阻用於熔斷以產生所要輸出電壓且因此電路面積增加。因此，藉由對稱地使用電阻器Rf、Rs以致使使用小熔斷電阻，滿足Vref=2/Vout之條件且滿足行動器件之小面積特性。

圖9為根據本發明之例示性實施例的用於藉由使用零TC參考電壓產生電路根據製程變化來調節輸出電壓之參考電壓調節器的電路圖。該參考電壓調節器包括一參考電壓產生器91、一運算放大器92及可變電阻器Rf、Rs。可藉由使用如圖16中所說明之可變電阻器Rf、Rs及熔絲來實施該參考電壓調節器。

圖16為根據本發明之例示性實施例的藉由使用熔絲來實施圖9中所說明之可變電阻器Rf、Rs之參考電壓調節器的電路圖。該參考電壓調節器包括一參考電壓產生器191、一運算放大器192及第一電阻器集合193與第二電阻器集合194。

在第一電阻器集合193中，串聯連接電阻器Rf及複數個調整電阻器件，且一熔絲連接於每一調整電阻器件之兩個端子之間。在第二電阻器集合194中，串聯連接電阻器Rs及複數個調整電阻器件，且一熔絲連接於每一調整電阻器件之兩個端子之間。

根據例示性實施例，電阻器Rf、Rs可具有(例如)相同值700 KΩ。在此狀況下，輸出電壓Vout係由方程式16給出。

雖然參考電壓Vref設計為0.75 V，但在例示性實施例中，參考電壓Vref可變化±30%以便為0.55 V至0.95 V。在此狀況下，最終自參考電壓調節器輸出之輸出電壓Vout為1.1 V至1.9 V，且藉由使用熔斷器件而將輸出電壓Vout調節為1.5 V。

在圖16中，若電阻器Rf、Rs具有相同值，則當參考電壓Vref為0.55 V時，輸出電壓Vout為1.1 V且因此電阻器Rf自700 KΩ增加至1209 KΩ以將輸出電壓Vout增加至目標電壓1.5 V。亦即，509 KΩ(1209 KΩ-700 KΩ)之電阻器另外用於熔斷。另一方面，當參考電壓Vref為0.95 V時，輸出電壓Vout為1.9 V且因此電阻器Rs自700 KΩ增加至1209 KΩ以將輸出電壓Vout減小至目標電壓1.5 V。在此狀況下，509 KΩ(1209 KΩ-700 KΩ)之電阻器亦另外用於熔斷。亦即，在以上兩種狀況下，1018 KΩ之總電阻另外需要用於熔斷。

以此方式，當產生具有各種值之參考電壓Vref時，對稱地使用電阻器Rf、Rs，且因此用於熔斷之總電阻減少3032 KΩ。即，在習知狀況下，額外電阻為4050 KΩ，而根據本發明之例示性實施例，額外電阻為1018 KΩ。因此，用於熔斷電阻之面積減少約四分之三。

圖17為根據本發明之例示性實施例之參考電壓產生裝置的電路圖，其為零TC帶隙參考電壓產生電路部分400、低參考電壓產生裝置部分410及自偏壓級聯電流源產生電路部分420之組合。已在上文詳細描述圖17中所說明之每一電路部分且因此此處將省略其詳細描述。

圖18為根據本發明之例示性實施例之參考電壓產生方法的流程圖。起初，藉由操作恆定電流源電路來產生參考電流I(PATA)(S10)。舉例而言，在無來自由級聯電流鏡射電路形成之恆定電流源電路之額外電流分支的情形下藉由使用自偏壓來產生含有溫度變化電流分量I(temp_variant)及溫度不變電流分量I(temp_invariant)之參考電流I(PATA)。

將對應於溫度不變電流分量I(temp_invariant)之一部分的溫度不變電流分量I'(temp_invariant)之一部分自所產生(S10)之參考電流I(PATA)移除以經由不同於負載電路之電流分支的電流分支而接地。此處，負載電路用於將電流轉換為電壓。亦即，藉由使用圖7中所說明之電路來處理溫度不變電流分量I'(temp_invariant)/自參考電流I(PATA)移除溫度不變電流分量I'(temp_invariant)以便產生電流I'(PATA)(S20)。

將所產生(S20)之電流I'(PATA)轉換為電壓以便產生操作參考電壓Vref(S30)。根據本發明之例示性實施例，判定負載電路之電阻及用於移除溫度不變電流分量I'(temp_invariant)之電流分支的電阻以便滿足用於等化用於產生參考電流I(PATA)之恆定電流源電路之電特性及負載電路之電特性的條件。

最後，經由用於藉由使用熔絲來調節增益之放大電路而將所產生(S30)之參考電壓Vref調節為目標電壓(S40)。執行調節以精確地產生與半導體製程變化無關之目標電壓。

雖然已參考本發明之例示性實施例特定展示並描述本發明，但應理解，在未脫離以下[申請專利範圍]之精神及範疇的情形下可在其中進行形式及細節之各種改變。

41．．．加法器

42．．．V_T 產生器

43．．．乘法器

81．．．帶隙參考電壓產生器

82．．．運算放大器

83．．．第一電阻器集合

84．．．第二電阻器集合

91．．．參考電壓產生器

92．．．運算放大器

100．．．第一級聯電流鏡射電路

110．．．參考電壓產生器

120．．．運算放大器

191．．．參考電壓產生器

192．．．運算放大器

193．．．第一電阻器集合

194．．．第二電阻器集合

200．．．第二級聯電流鏡射電路

300．．．緩衝器

400．．．零TC帶隙參考電壓產生電路部分

410．．．低參考電壓產生裝置部分

420．．．自偏壓級聯電流源產生電路部分

BR1．．．電流分支

BR2．．．額外電流分支

CS1．．．恆定電流源

CS1A．．．恆定電流源

CS1B．．．恆定電流源

CS2．．．恆定電流源

I(PTAT)．．．電流

I(temp_invariant)．．．溫度不變電流分量

I'(temp_invariant)．．．溫度不變電流分量

I(temp_variant)．．．溫度變化電流分量

I_REF ．．．電流

NM1．．．電晶體

NM2．．．電晶體

NM3．．．電晶體

NM4．．．電晶體

NM5．．．電晶體

NM6．．．電晶體

NM7．．．電晶體

PM1．．．電晶體

PM2．．．電晶體

PM3．．．電晶體

PM4．．．電晶體

PM5．．．電晶體

PM6．．．電晶體

PM7．．．電晶體

Q1．．．電晶體

R．．．電阻器

R_b ．．．電阻器

R_f ．．．電阻器

R_s ．．．電阻器

Rx．．．電阻器

Rx1．．．電阻器

Rx2．．．電阻器

V_BE ．．．基極-射極端子電壓

V_cc ．．．電壓

V_gs ．．．電壓

V_out ．．．最終輸出電壓

V_REF ．．．參考電壓

V_th ．．．臨限電壓

X．．．節點

Y．．．節點

Z．．．節點

圖1為根據本發明之例示性實施例之參考電壓產生裝置的電路圖；圖2A為根據本發明之例示性實施例的用於將低電壓級聯電路之偏壓方法之基本概念描述為電流鏡射電路的電路圖；圖2B為根據圖2A中所說明之偏壓方法之例示性實施例的低電壓級聯電路的電路圖；圖3A為根據圖2A中所說明之偏壓方法之例示性實施例的低電壓級聯電路的電路圖；圖3B為根據圖2A中所說明之偏壓方法之第三例示性實施例的低電壓級聯電路的電路圖；圖4為根據本發明之例示性實施例的用於描述帶隙參考電壓電路之概念的示意圖；圖5為用於實施圖4中所描述之概念之電路的電路圖；圖6A為圖5中所說明之電路之等效電路圖；圖6B為展示用於產生圖6A中所說明之參考電壓之參考電流的溫度特性的曲線圖；圖7為根據本發明之例示性實施例的用於描述用於產生低參考電壓之電路之概念的示意圖；圖8為根據本發明之例示性實施例之參考電壓調節器的電路圖；圖9為根據本發明之例示性實施例之參考電壓調節器的電路圖；圖10為根據本發明之例示性實施例的採用自偏壓之恆定電流源電路的電路圖；圖11A為採用圖2B中所說明之偏壓方法之恆定電流源電路的詳細電路圖；圖11B為根據本發明之例示性實施例的採用自偏壓之恆定電流源電路的詳細電路圖；圖12為根據本發明之例示性實施例的圖7中所說明之電路的電路圖；圖13A為根據本發明之例示性實施例的展示圖12中所說明之電路之溫度-電流特性的曲線圖；圖13B為根據本發明之例示性實施例的展示圖12中所說明之電路之溫度-電壓特性的曲線圖；圖14為根據本發明之例示性實施例之零熱係數(TC)帶隙參考電壓產生電路的電路圖；圖15為根據本發明之例示性實施例之展示零TC帶隙參考電壓產生電路中的電阻器分接頭之不同實例的電路圖；圖16為根據本發明之例示性實施例的藉由使用熔絲來實施圖9中所說明之可變電阻器之參考電壓調節器的電路圖；圖17為根據本發明之例示性實施例的零TC帶隙參考電壓產生電路、低參考電壓產生裝置及自偏壓級聯電流源產生電路之組合的電路圖；及圖18為根據本發明之例示性實施例之參考電壓產生方法的流程圖。

400．．．零TC帶隙參考電壓產生電路部分

410．．．低參考電壓產生裝置部分

420．．．自偏壓級聯電流源產生電路部分

NM1．．．電晶體

NM2．．．電晶體

NM3．．．電晶體

NM4．．．電晶體

NM5．．．電晶體

NM6．．．電晶體

PM1．．．電晶體

PM2．．．電晶體

PM3．．．電晶體

PM4．．．電晶體

PM5．．．電晶體

PM6．．．電晶體

PM7．．．電晶體

R．．．電阻器

R_b ．．．電阻器

R_f ．．．電阻器

R_s ．．．電阻器

Rx．．．電阻器

V_out ．．．最終輸出電壓

V_REF ．．．參考電壓

V_th ．．．臨限電壓

Claims (20)

1. 一種參考電壓產生裝置，其包含：一恆定電流源電路，其產生一參考電流，該參考電流包括溫度不變電流分量；一負載電路，其連接至該恆定電流源電路且具有一負載電路電流分支，該負載電路產生與該參考電流成比例之一電壓；及一電流分支電路，其經由不同於該負載電路電流分支之一電流分支而自該恆定電流源電路及該負載電路之一連接端子移除該等溫度不變電流分量之至少一部分。
2. 如請求項1之參考電壓產生裝置，其中該參考電流包含該等溫度不變電流分量及溫度變化電流分量兩者。
3. 如請求項2之參考電壓產生裝置，其中該等溫度變化電流分量包含與絕對溫度成比例地變化之電流分量。
4. 如請求項1之參考電壓產生裝置，其中該負載電路包含串聯連接於該恆定電流源電路之一輸出與一接地端子之間的一個二極體及一電阻器件。
5. 如請求項1之參考電壓產生裝置，其中該負載電路包含串聯連接於該恆定電流源電路之一輸出與一接地端子之間的一電晶體及一電阻器件。
6. 如請求項5之參考電壓產生裝置，其中：該電晶體之一汲極端子連接至該恆定電流源電路之一輸出端子，該電晶體之一源極端子連接至該電阻器件之一第一端子，該電晶體之一閘極端子連接至該汲極端子，且該電阻器件之一第二端子連接至一接地端子。
7. 如請求項1之參考電壓產生裝置，其中該電流分支電路包含一電路，該電路經由不同於該負載電路電流分支之一電流分支的一電阻器件而將該等溫度不變電流分量之該部分自該恆定電流源電路及該負載電路之該連接端子移除至一接地端子。
8. 如請求項1之參考電壓產生裝置，其中該電流分支電路經由不同於該負載電路電流分支之一電流分支的複數個串聯連接之電阻器件而將該等溫度不變電流分量之該部分自該恆定電流源電路及該負載電路之該連接端子移除至一接地端子，且選擇與該複數個電阻器件連接之節點中的一者作為一輸出端子。
9. 如請求項1之參考電壓產生裝置，其中該負載電路及該電流分支電路之電阻經判定以致使等化該恆定電流源電路之電特性及該負載電路之電特性。
10. 如請求項1之參考電壓產生裝置，其中該負載電路及該電流分支電路之電阻經判定以致使產生自該恆定電流源電路及該負載電路的該連接端子輸出之電壓而與溫度變化無關。
11. 如請求項1之參考電壓產生裝置，其中該恆定電流源電路包含複數個級聯電流鏡射電路，且其中由該等級聯電流鏡射電路中之每一電晶體使用之一電壓係使用自偏壓來施加。
12. 如請求項1之參考電壓產生裝置，其中該恆定電流源電路包含：一級聯電流鏡射電路，其中第一電流路徑及第二電流路徑在一源電壓端子與該接地端子之間，且使相同電壓流經該第一電流路徑及該第二電流路徑之複數個電流鏡射電路經級聯連接；一電阻器件，其連接至該第一電流路徑及該第二電流路徑中之一者，該電阻器件控制流經一所連接之電流路徑之一電流；及一緩衝電路，其連接至該第一電流路徑及該第二電流路徑中之一者，該緩衝電路使一電流流至一輸出端子，該電流為與流經一所連接之電流路徑之一電流相同之電流。
13. 如請求項12之參考電壓產生裝置，其中操作該級聯電流鏡射電路之一偏壓電壓係在無一額外電流分支的情形下使用自偏壓而產生。
14. 如請求項12之參考電壓產生裝置，其中該級聯電流鏡射電路包含在該第一電流路徑及該第二電流路徑中之每一者中的一自偏壓電晶體，且藉由使用施加至該自偏壓電晶體的一電壓而產生一偏壓電壓，該偏壓電壓係用於形成該第一電流路徑及該第二電流路徑之該等電流鏡射電路。
15. 如請求項1之參考電壓產生裝置，其進一步包含一運算放大電路，該運算放大電路放大施加至該恆定電流源電路及該負載電路之該連接端子的電壓，其中藉由控制該運算放大電路之一增益來產生一目標電壓。
16. 如請求項15之參考電壓產生裝置，其中該運算放大電路包含一運算放大器及一電阻電路，該電阻電路耦接於該運算放大電路之一輸出與該運算放大器之一非反相端子之間，其中該電阻電路包含一第一電阻器集合及一第二電阻器集合，該第一電阻器集合及該第二電阻器集合的電阻係根據與各別電阻並聯耦接之熔絲是否被切斷來控制，其中該運算放大器之一第一輸入端子連接至該恆定電流源電路及該負載電路之該連接端子，其中該第一電阻器集合連接於該運算放大器之一第二輸入端子與一輸出端子之間，且其中該第二電阻器集合連接於該運算放大器之該第二輸入端子與該接地端子之間。
17. 如請求項16之參考電壓產生裝置，其中該第一電阻器集合及該第二電阻器集合中之每一者包含串聯連接的一初始設定電阻器件及複數個控制電阻器件，且其中一熔絲連接至該等控制電阻器件中之每一者之兩個端子。
18. 一種參考電壓產生方法，其包含：自一恆定電流源電路產生一參考電流，該恆定電流源電路經由一負載電路電流分支而耦接至接地；經由不同於該負載電路電流分支之一電流分支而將包括於該參考電流中之溫度不變電流分量的一部分移除至一接地端子；及將藉由自該參考電流移除該等溫度不變電流分量之該部分而獲得之剩餘電流分量轉換為一參考電壓。
19. 如請求項18之參考電壓產生方法，其中該負載電路電流分支之一電阻及用於移除該等溫度不變電流分量之一部分的該電流分支之一電阻經判定以滿足用於等化該恆定電流源電路之電特性及該負載電路電流分支之電特性的一條件。
20. 一種產生一參考電壓之方法，其包含：級聯連接一對電流鏡射電路；在該對電流鏡射電路之間提供一對自偏壓電晶體；經由該等電流鏡射電路之電流路徑而產生電流；將一對電晶體級聯連接至該對電流鏡射電路中之一者之一電流路徑以輸出一參考電流；經由一耦接至該對級聯連接之電晶體之電流分支而移除該參考電流的溫度不變電流分量之一部分；將一運算放大器之一非反相輸入耦接至該電流分支及藉由在該運算放大器之一輸出與反相輸入之間反饋耦接一可變電阻來調節該運算放大器的該輸出。