TWI502304B - 能帶隙參考電壓產生電路與使用其的電子系統 - Google Patents

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TWI502304B
TWI502304B TW102119577A TW102119577A TWI502304B TW I502304 B TWI502304 B TW I502304B TW 102119577 A TW102119577 A TW 102119577A TW 102119577 A TW102119577 A TW 102119577A TW I502304 B TWI502304 B TW I502304B
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/30—Regulators using the difference between the base-emitter voltages of two bipolar transistors operating at different current densities

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Description

能帶隙參考電壓產生電路與使用其的電子系統
本發明乃是關於一種能帶隙參考電壓產生電路，特別是指一種獨立於系統電壓與溫度的能帶隙參考電壓產生電路。
在高科技不斷的創新改進下，消費性電子產品已逐漸普及於人們的生活中，尤其各種手持式電子裝置，例如：手機、數位相機、個人數位助理或平板電腦等，因其輕薄短小，可隨身攜帶的特性深受人們的喜愛。然而，手持式電子裝置在使用上須考量電源能量供應時間長短的問題，目前多利用如鎳氫電池及鋰電池等電池裝置，加上額外搭配符合電池裝置規格之充電器使用。
先前技藝下，能帶隙參考電壓源電路的設計是該領域中眾所周知的，這些電路被設計以提供一獨立於電路中溫度變化的電壓標準。能帶隙參考電壓源的參考電壓是一個雙載子接面電晶體(雙載子電晶體)的基極與射極間所發展的電壓Vbe和另外兩個雙載子電晶體的基極-射極電壓Vbe之差(△Vbe)的函數。第一個雙載子電晶體的基極-射極電壓Vbe具有一個負的溫度係數，或者當溫度升高時基極-射極電壓Vbe將會減少。另外兩個雙載子電晶體的差分電壓△Vbe將會具有一個正的溫度係數，這就意味著當溫度升高時該差分基極-射極電壓△Vbe也隨之升高。獨立於能帶隙電壓參考電壓源之溫度的參考電壓通過縮放差分基極- 射極電壓△Vbe以及求其與第一個雙載子電晶體的基極-射極電壓Vbe的和而得到調整。然而，一般的參考電壓產生電路通常都可能會遭遇到環境溫度的改變或系統電壓變異而影響到參考電壓的穩定度之相關問題。
本發明實施例提供一種用以提供參考電壓的能帶隙參考電壓產生電路，能帶隙參考電壓產生電路包括四端電流源電路、穩壓電路與溫度補償電路。四端電流源電路電性連接第一系統電壓，當第一系統電壓大於門檻電壓值，則四端電流源電路所輸出之第一電壓、第二電壓與第一電流獨立於第一系統電壓之變化。穩壓電路電性連接四端電流源電路，所述穩壓電路接收第一電壓與第二電壓並且在當第一系統電壓大於門檻電壓值時，藉由第一及第二電壓之間穩定的電壓差，則穩壓電路輸出獨立於第一系統電壓之變化的參考電壓。溫度補償電路電性連接四端電流源電路與穩壓電路，所述溫度補償電路接收第一電流並且用以對穩壓電路所輸出之參考電壓之溫度曲線予以補償。
在本發明其中一個實施例中，其中對穩壓電路所輸出之參考電壓之溫度曲線予以補償，以將參考電壓之二階溫度曲線補償為三階溫度曲線。
在本發明其中一個實施例中，當第一系統電壓大於門檻電壓值時，四端電流源電路輸出穩定的第一電壓與第二電壓，並且輸出穩定的第一電流。
在本發明其中一個實施例中，四端電流源電路包括第一電晶體、第二電晶體與第一電阻。第一電晶體之汲極連接第一系統電壓。第二電晶體之汲極連接第一電晶體之源極，第二電晶體之源極連接第一電晶體之閘極，其中第一及第二電晶體為空乏型電晶體。第一電阻之一端連接第二電晶體之源極，第一電阻之另一端 連接第二電晶體之閘極，其中當第一系統電壓大於門檻電壓值時，則第一電晶體、第二電晶體與第一電阻所產生之第一電流為獨立於第一系統電壓之變化的穩定電流。
在本發明其中一個實施例中，穩壓電路包括第三電晶體與第四電晶體。第三電晶體之汲極連接第一系統電壓，第三電晶體之閘極連接第一電晶體之閘極以接收第一電壓。第四電晶體之汲極連接第三電晶體之源極，第四電晶體之閘極連接第一電阻之另一端以接收第二電壓，第四電晶體之源極連接負載電阻並輸出參考電壓，其中第三及第四電晶體為空乏型電晶體。透過穩定的第一電壓使得第三電晶體之源極電壓被鎖定在穩定的電壓值，進而使得參考電壓獨立於第一系統電壓之變化而被鎖定在第一參考電壓值。
在本發明其中一個實施例中，穩壓電路包括第五電晶體與第六電晶體。第五電晶體之汲極連接第一系統電壓，第五電晶體之閘極連接第一電晶體之源極以接收第一電壓。第六電晶體之汲極連接第五電晶體之源極，第六電晶體之閘極連接第一電晶體之閘極以接收第二電壓，第六電晶體之源極連接負載電阻並輸出參考電壓，其中第五及第六電晶體為空乏型電晶體，其中透過穩定的第一電壓使得第五電晶體之源極電壓被鎖定在穩定的電壓值，進而使得參考電壓獨立於第一系統電壓之變化而被鎖定在第一參考電壓值。
在本發明其中一個實施例中，溫度補償電路包括第一雙極電晶體、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第二雙極電晶體、第六電阻與第三雙極電晶體。第一雙極電晶體之射極連接接地電壓。第二電阻之一端連接第一雙極電晶體之基極。第三電阻之一端連接第二電阻之另一端，第三電阻之另一端連接第一雙極電晶體之集極。第四電阻之一端連接第三電阻之一端。第五電阻之一端連接第四電阻之另一端並且連接至第四電晶體或第六電 晶體之源極。第二雙極電晶體之基極連接第三電阻之另一端，第二雙極電晶體之集極連接第五電阻之另一端。第六電阻之一端連接第二雙極電晶體之射極，第六電阻之另一端連接接地電壓，其中透過第一雙極電晶體之第一基射極電壓與第二雙極電晶體之第二基射極電壓之間的基射極壓差來使得流經第六電阻之第二電流為正溫度係數之電流。第三雙極電晶體之基極連接第二雙極電晶體之集極，第三雙極電晶體之射極連接接地電壓，第三雙極電晶體之集極連接第一電阻之另一端，所述第三雙極電晶體具有負溫度係數之第三基射極電壓。透過調整第五電阻與第六電阻之電阻值，使該參考電壓為等於或接近零溫度係數之電壓，並且第一參考電壓值等於第五電阻之壓降與第三基射極電壓之總和。
在本發明其中一個實施例中，透過調整第二及第三電阻之電阻值來將參考電壓之二階溫度曲線補償為三階溫度曲線。
在本發明其中一個實施例中，溫度補償電路更包括第七電阻。第七電阻之一端連接第三雙極電晶體之基極，第七電阻之另一端連接接地電壓，所述第七電阻用以將參考電壓之第一參考電壓值提升至第二參考電壓值，其中參考電壓之第二參考電壓值等於該第五電阻之壓降與該第七電阻之壓降的總和
從另一觀點，本發明實施例提供一種電子系統，電子系統包括能帶隙參考電壓產生電路與負載。能帶隙參考電壓產生電路包括四端電流源電路、穩壓電路與溫度補償電路。四端電流源電路電性連接第一系統電壓，當第一系統電壓大於門檻電壓值，則四端電流源電路所輸出之第一電壓、第二電壓與第一電流獨立於第一系統電壓之變化。穩壓電路電性連接四端電流源電路，所述穩壓電路接收第一電壓與第二電壓並且在當第一系統電壓大於門檻電壓值時，藉由第一及第二電壓之間穩定的電壓差，則穩壓電路輸出獨立於第一系統電壓之變化的參考電壓。溫度補償電路電性連接四端電流源電路與穩壓電路，所述溫度補償電路接收第一電 流並且用以對穩壓電路所輸出之參考電壓之溫度曲線予以補償。負載電性連接至能帶隙參考電壓產生電路以接收參考電壓。
綜上所述，本發明實施例所提出之能帶隙參考電壓產生電路與電子系統，透過四端電流源電路與溫度補償電路來使得能帶隙參考電壓產生電路提供一個能獨立於第一系統電壓與溫度的參考電壓。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
100、200、1700‧‧‧能帶隙參考電壓產生電路
110‧‧‧四端電流源電路
120‧‧‧穩壓電路
130‧‧‧溫度補償電路
2300‧‧‧電子系統
2310‧‧‧能帶隙參考電壓產生電路
2320‧‧‧負載
c1、c2、c3、c4‧‧‧曲線
GND‧‧‧接地電壓
M1‧‧‧第一電晶體
M2‧‧‧第二電晶體
M3‧‧‧第三電晶體
M4‧‧‧第四電晶體
M5‧‧‧第五電晶體
M6‧‧‧第六電晶體
Q1‧‧‧第一雙極電晶體
Q2‧‧‧第二雙極電晶體
Q3‧‧‧第三雙極電晶體
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧第三電阻
R4‧‧‧第四電阻
R5‧‧‧第五電阻
R6‧‧‧第六電阻
R7‧‧‧第七電阻
RL‧‧‧負載電阻
I1‧‧‧第一電流
I2‧‧‧第二電流
I3‧‧‧第三電流
IL‧‧‧輸出電流
V1‧‧‧第一電壓
△VBE‧‧‧基射極壓差
VBE1‧‧‧第一基射極電壓
VBE2‧‧‧第二基射極電壓
VBE3‧‧‧第三基射極電壓
VDD‧‧‧第一系統電壓
VREF‧‧‧參考電壓
圖1為根據本發明實施例之能帶隙參考電壓產生電路之區塊示意圖。
圖2為根據本發明實施例之能帶隙參考電壓產生電路之細部電路圖。
圖3為根據本發明實施例之能帶隙參考電壓產生電路的溫度補償效應的曲線圖。
圖4為根據本發明實施例之參考電壓對輸出電流之曲線圖。
圖5為根據本發明實施例之參考電壓對系統電壓之曲線圖。
圖6為根據本發明實施例之參考電壓對溫度之曲線族模擬圖。
圖7為根據本發明實施例之參考電壓的偏移量對溫度之曲線族模擬圖。
圖8為根據本發明實施例之參考電壓對輸出電流之曲線族模擬圖。
圖9為根據本發明實施例之參考電壓對系統電壓之曲線族模擬圖。
圖10為根據本發明另一實施例之參考電壓對溫度的曲線圖。
圖11為根據本發明另一實施例之參考電壓對輸出電流之曲線圖。
圖12為根據本發明另一實施例之參考電壓對系統電壓之曲線圖。
圖13為根據本發明實施例之參考電壓對溫度之曲線族模擬圖。
圖14為根據本發明實施例之參考電壓的偏移量對溫度之曲線族模擬圖。
圖15為根據本發明實施例之參考電壓對輸出電流之曲線族模擬圖。
圖16為根據本發明實施例之參考電壓對系統電壓之曲線族模擬圖。
圖17為根據本發明再一實施例之能帶隙參考電壓產生電路的細部電路圖。
圖18為根據本發明再一實施例之參考電壓對溫度之模擬曲線圖。
圖19為根據本發明再一實施例之參考電壓之偏移量對溫度之模擬曲線圖。
圖20為根據本發明再一實施例之參考電壓對輸出電流之模擬曲線圖。
圖21為根據本發明再一實施例之參考電壓對系統電壓之模擬曲線圖。
圖22為根據本發明再一實施例之參考電壓對系統電壓之另一模擬曲線圖。
圖23為根據本發明實施例之電子系統之示意圖。
在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。
應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯之列出項目中之任一者及一或多者之所有組合。
〔能帶隙參考電壓產生電路的實施例〕
請參照圖1，圖1為根據本發明實施例之能帶隙參考電壓產生電路之區塊示意圖。在本實施例中，能帶隙參考電壓產生電路100用以提供一參考電壓VREF給下一級電路或負載。能帶隙參考電壓產生電路100包括四端電流源電路110、穩壓電路120與溫度補償電路130。四端電流源電路110電性連接第一系統電壓VDD。穩壓電路120電性連接四端電流源電路110與第一系統電壓VDD。溫度補償電路130電性連接四端電流源電路110與穩壓電路120。須注意的是，在本實施例中的第一系統電壓VDD為電池電壓，但並不以此作為限制。再者，在先前技藝下，以第三代(3G)/第四代(4G)手機系統為例，第三代(3G)/第四代(4G)手機系統對於射頻輸出功率的精準度有著極為嚴格的要求。因為手機電池的電壓值會有相當大的變化，其可能從3.2伏特到4.2伏特不等，因此會影響射頻功率放大器之輸出功率的精準度。
透過本揭露內容之能帶隙參考電壓產生電路100，當第一系統電壓VDD(亦即電池電壓)大於門檻電壓值，則四端電流源電路110 會輸出穩定且獨立於第一系統電壓VDD之變化的第一電流I1至溫度補償電路130，並且輸出獨立於第一系統電壓VDD之變化的第一電壓V1與第二電壓V2至穩壓電路120。接著，同樣地在第一系統電壓VDD大於門檻電壓值的情況下，穩壓電路120接收到第一電壓V1與第二電壓V2並且透過第一電壓V1與第二電壓V2之間的穩定電壓差來輸出獨立於第一系統電壓VDD之變化的參考電壓VREF。進一步來說，四端電流源電路110所輸出的穩定的第一電壓V1與第二電壓V2被用來驅動穩壓電路120，並且第一電壓V1與第二電壓V2能夠進一步地被穩壓電路120鎖定住。從另一觀點來看，在第一系統電壓VDD大於門檻電壓值的情況下，由於本揭露內容之四端電流源電路110所產生的穩定的第一電流I1，進而使得第一電壓V1與第二電壓V2之間的電壓差而穩定。值得一提的是，所述門檻電壓值為指2.5伏特至3.2伏特之間的電壓值，其實際數值大小由設計者根據電路設計或實際應用需求來加以進行設計。
舉例來說，在一例示性實施例中，門檻電壓值為1.8伏特，則表示四端電流源電路110於第一系統電壓VDD於1.8伏特與4.2伏特之間能夠輸出穩定的第一電流I1，而此穩定的第一電流I1會進而使得第一電壓V1與第二電壓V2之間的電壓差穩定，進而使得被第一電壓V1與第二電壓V2所驅動的穩壓電路120能夠在第一系統電壓VDD於1.8伏特與4.2伏特之間輸出穩定的參考電壓VREF(例如1.5伏特)。
在溫度補償效應方面，透過穩定的第一電流I1作為電流源來驅動或偏壓溫度補償電路130以對穩壓電路120所輸出的參考電壓VREF之溫度曲線予以補償，亦即使參考電壓VREF的溫度係數為等於或接近於零溫度係數。進一步來說，在本實施例中，溫度補償電路130能夠將參考電壓VREF的溫度曲線從二階溫度曲線補償為三階溫度曲線，以使本揭露內容之能帶隙參考電壓產生電路100具有良好的溫度補償效應。
為了更詳細地說明本發明所述之能帶隙參考電壓產生電路100的運作流程，以下將舉多個實施例中至少之一來作更進一步的說明。
在接下來的多個實施例中，將描述不同於上述圖1實施例之部分，且其餘省略部分與上述圖1實施例之部分相同。此外，為說明便利起見，相似之參考數字或標號指示相似之元件。
〔能帶隙參考電壓產生電路的另一實施例〕
請參照圖2，圖2為根據本發明實施例之能帶隙參考電壓產生電路之細部電路圖。與上述圖1實施例不同的是，四端電流源電路110包括第一電晶體M1、第二電晶體M2與第一電阻R1。穩壓電路120包括第三電晶體M3與第四電晶體M4。溫度補償電路130包括第一雙極電晶體Q1、第二雙極電晶體Q2、第三雙極電晶體Q3、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5與第六電阻R6，其中第二雙極電晶體Q2的射極面積大於第一雙極電晶體Q1的射極面積。第一電晶體M1之汲極連接第一系統電壓VDD。第二電晶體M2之汲極連接第一電晶體M1之源極，第二電晶體M2之源極連接第一電晶體M1之閘極，其中第一電晶體M1及第二電晶體M2為空乏型電晶體。第一電阻R1之一端連接第二電晶體M2之源極，第一電阻R1之另一端連接第二電晶體M2之閘極。第三電晶體M3之汲極連接第一系統電壓VDD，第三電晶體M3之閘極連接第一電晶體M1之閘極以接收第一電壓V1。第四電晶體M4之汲極連接第三電晶體M3之源極，第四電晶體M4之閘極連接第一電阻R1之另一端以接收第二電壓V2，第四電晶體M4之源極連接負載電阻RL並輸出參考電壓VREF，其中第三電晶體M3及第四電晶體M4為空乏型電晶體。第一雙極電晶體Q1之射極連接接地電壓GND。第二電阻R2之一端連接第一雙極電晶體Q1之基極。第三電阻R3之一端連接第二電阻R2之另一端，第三電阻R3之另一端連接第一雙極電晶體Q1之集極。第四電阻R4之一端連接第三電阻R3之一端。第五電阻R5之 一端連接第四電阻R4之另一端並且連接至第四電晶體M4。第二雙極電晶體Q2之基極連接第三電阻R3之另一端，第二雙極電晶體Q2之集極連接第五電阻R5之另一端。第六電阻R6之一端連接第二雙極電晶體Q2之射極，第六電阻R6之另一端連接接地電壓GND。
在進行下述說明前，須先說明的是，本揭露內容所述之正溫度係數指示其物理量(如電壓值、電流值或電阻值)與溫度之間成正比關係，也就是說，當溫度上升或下降時，其物理量會隨著溫度而上升或下降；本揭露內容所述之負溫度係數指示其物理量與溫度之間成反比關係，也就是說，當溫度上升或下降時，其物理量會隨著溫度而下降或上升。本揭露內容所述之零溫度係數指示其物理量(如電壓值、電流值或電阻值)與溫度之間為相互獨立之關係，也就是說，當溫度上升或下降時，其物理量並不會隨著溫度而上升或下降。
接下來要教示的，是進一步說明能帶隙參考電壓產生電路200的工作原理以便更瞭解本揭露內容。
在能帶隙參考電壓產生電路200面對第一系統電壓VDD(亦即電池電壓)之變化下，本揭露內容透過第一電晶體M1、第二電晶體M2與第一電阻R1來提供穩定的第一電流I1。進一步來說，當第一系統電壓VDD大於門檻電壓值(如1.8伏特)時，第一電晶體M1的閘極與源極會被分別維持在穩定的電壓值，並且第二電晶體M2的閘極與源極也會被分別維持在穩定的電壓值，接著透過第一電阻R1來產生第一電流I1。由於，第一電阻R1的一端電性連接至第二電晶體M2的源極，第一電阻R1的另一端電性連接至第二電晶體M2的閘極，因此第一電阻R1兩端的電壓差會維持在一個穩定電壓值，進而使得第一電流I1穩定。在本實施例中，設計者可以調整第一電阻R1之阻值以獲得所需的第一電流I1之大小來符合實際應用需求。接著，在本實施例中，將第一電晶體M1的閘極電壓來作為第一電壓V1，並且將第二電晶體M2的閘極電壓來作為第二電壓 V2，並且利用第一電壓V1與第二電壓V2來驅動或偏壓穩壓電路120。進一步來說，因為第三電晶體M3的閘極接收第一電壓V1並且第三電晶體M3為空乏型電晶體，透過穩定的第一電壓V1使得第三電晶體Q3之源極電壓被鎖定在穩定的電壓值，進而使得參考電壓VREF獨立於第一系統電壓VDD之變化而被鎖定在第一參考電壓值，其中第一參考電壓值等於第五電阻R5之壓降與第三基射極電壓VBE3之總和。舉例來說，在本實施例中第三電晶體M3的源閘極電壓為1伏特，所以第三電晶體M3的源極電壓會大於第一電壓V1約1伏特，進而使第三電晶體M3的源極電壓會被鎖定在第一電壓V1與1伏特之兩者總和的電壓值，其中第四電晶體M4的汲極電壓等於第三電晶體M3的源極電壓。接著，由於第四電晶體M4的閘極電壓與汲極電壓都被鎖定住，因此第四電晶體M4的源極電壓(亦即參考電壓VREF)也會被鎖定在一固定的電壓值。從另一觀點來看，穩壓電路120是利用疊接式空乏型電晶體來建構而成，據此以提供一穩定且獨立於電池電壓變化的參考電壓VREF。在本實施例中，第一至第四電晶體M1~M4為假型高速電子移動電晶體(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor,PHEMT)。
在溫度補償效應方面，在本實施例中，溫度補償電路130利用第一雙極電晶體Q1、第二雙極電晶體Q2、第三雙極電晶體Q3、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5與第六電阻R6建構而成，其中雙極電晶體Q1、Q2與Q3為異質接面雙極電晶體(Heterojunction Bipolar Transistor,HBT)並且分別具有負溫度係數的基射極電壓VBE1、VBE2與VBE3。如圖2所示，第六電阻R6兩端的電壓差為第一雙極電晶體Q1之第一基射極電壓VBE1與第二雙極電晶體VBE2之第二基射極電壓VBE2之間的基射極壓差△VBE(如式(1)所示)，其中須說明的是，在此假設忽略了第二電阻R2與第三電阻R3的效應以便得到此式子，並且基射極壓差△VBE為負溫度係數的電壓。接著，透過第六電阻R6與基射極壓差△VBE 來使得流經第六電阻R6的第二電流I2為具有正溫度係數的電流。接著，如果忽略第二電晶體Q2與第三電晶體Q3的基極電流效應，則流經第五電阻R5的第三電流I3等於第二電流I2，並且第三電流I3會同樣地具有正溫度係數的特性。由克希霍夫電壓定律(KVL)可得知，參考電壓VREF為第五電阻R5的壓降與第三電晶體Q3的基射極電壓VBE3之兩者總和，如式(2)所示，在一實施例中，參考電壓值為1.48伏特。因此，設計者能夠透過第五電阻R5與第六電阻R6之阻值調整來使得參考電壓VREF在面對環境溫度變化時能夠呈現等於或接近零溫度係數的特性。值得一提的是，本揭露內容能夠透過調整第二電阻R2及第三電阻R3之電阻值來將參考電壓VREF之二階溫度曲線補償為三階溫度曲線。
△VBE=VBE1-VBE2 式(1)
VREF=I3×R5+VBE3=(R5/R6)×△VBE+VBE3 式(2)
承上述，本揭露內容之能帶隙參考電壓產生電路200在面對電池電壓(如手機電池的電壓值)的變化時與面對環境溫度變化(如攝氏負55度至攝氏125度之間)時都能夠提供獨立於電池電壓與環境溫度兩個變數的穩定參考電壓VREF。
請同時參照圖2與圖3，圖3為根據本發明實施例之能帶隙參考電壓產生電路的溫度補償效應的曲線圖。在圖3中，橫軸為溫度(單位為攝氏)，左縱軸為參考電壓(單位為伏特)，右縱軸為參考電壓的偏移量(單位為百分比%)，曲線c1表示參考電壓，曲線c2表示參考電壓的偏移量。由圖3可知，曲線c1及c2都為三階溫度曲線(透過第一電阻R1、第二電阻R2與第三電阻R3的調整)，而在攝氏負55度至攝氏125度之間，參考電壓VREF的電壓值能夠穩定的維持在1.481伏特，並且參考電壓VREF的偏移量也非常地小(小於正負0.003%)。請同時參照圖2與圖4，圖4為根據本發明實施例之參考電壓對輸出電流之曲線圖。在圖4中，橫軸為輸出電流IL(單位為毫 安培)，縱軸為參考電壓(單位為伏特)，其中輸出電阻小於0.2歐姆。由圖4可知，在不同的負載電阻RL對應於不同的輸出電流IL下，參考電壓VREF依然能夠維持在一個穩定的電壓值(約1.48伏特左右)，因此負載調節(Load Regulation)約為0.02%。請同時參照圖2與圖5，圖5為根據本發明實施例之參考電壓對系統電壓之曲線圖。在圖5中，橫軸為系統電壓(單位為伏特)，縱軸為參考電壓(單位為伏特)，並且由圖5可知，在系統電壓VDD為3伏特至4.2伏特間，參考電壓VREF依然能夠維持在固定的電壓值，如1.48伏特。故本揭露內容之能帶隙參考電壓產生電路200之電源拒斥比(Power Supply Rejection Ratio,PSRR)約為96dB，並且線調節(Line Regulation)約為0.002%。據此，從圖3至圖5可知，參考電壓VREF在面對環境溫度的變化、負載電阻RL(對應於輸出電流IL的變化)的變化與第一系統電壓VDD的變化時，都能夠透過本揭露內容之工作機制而被維持在一個固定的電壓值，如1.48伏特。接下來，再提供本實施例之模擬曲線族以更瞭解本實施例之功效，請同時參照圖6至圖9，圖6為根據本發明實施例之參考電壓對溫度之曲線族模擬圖，其為在第一系統電壓於3伏特(volt,V)至5伏特掃描情況下所獲得的參考電壓VREF對環境溫度的模擬圖形。圖7為根據本發明實施例之參考電壓的偏移量對溫度之曲線族模擬圖。從圖6與圖7可知，在本實施例中，能帶隙參考電壓產生電路200所產生的參考電壓VREF相較於環境溫度的變化與系統電壓VDD(電池電壓)的變化都能夠很穩定地被維持在1.48伏特，而其差異量也僅只有正負0.0085%，具有相當優良的抗變化功效。圖8為根據本發明實施例之參考電壓對輸出電流之曲線族模擬圖，其為第一系統電壓VDD於3伏特至5伏特掃描情況下所獲得的參考電壓對輸出電流之模擬圖形。圖9為根據本發明實施例之參考電壓對系統電壓之曲線族模擬圖，在圖9中，為將模擬環境溫度設定在攝氏負55度至攝氏125度之間掃描所獲得的模擬圖。從曲線族的觀點來看，能帶隙參考 電壓產生電路200所產生的參考電壓VREF在面對環境溫度的變化、負載電阻RL(對應於輸出電流IL的變化)的變化與第一系統電壓VDD的變化時，都能夠透過本揭露內容之工作機制而被維持在一個穩定的電壓值，如1.48伏特。
在另一實施例中，將模擬溫度設定於攝氏零度至80度之間以掃描能帶隙參考電壓產生電路200，能帶隙參考電壓產生電路200所提供之參考電壓VREF相較於溫度變化會更加地穩定。請參照圖10，圖10為根據本發明另一實施例之參考電壓對溫度的曲線圖。在圖10中，橫軸為溫度(單位為攝氏)，左縱軸為參考電壓(單位為伏特)並且右縱軸為參考電壓的偏移量(單位為%)。在圖10中，曲線c3表示參考電壓VREF並且曲線c4表示參考電壓VREF的偏移量，在本實施例中，在攝氏溫度零度至80度之間，參考電壓VREF的最大值與最小值之間僅相差2.8微伏特(micro volt)，並且參考電壓VREF的偏移量小於正負0.0001%，具有極佳的溫度補償效應。接下來，請參照圖11與圖12，圖11為根據本發明另一實施例之參考電壓對輸出電流之曲線圖，圖12為根據本發明另一實施例之參考電壓對系統電壓之曲線圖。由圖11與圖12可知，參考電壓VREF相對於輸出電流IL與系統電壓VDD的變化時，參考電壓VREF都能維持在穩定的1.456伏特的電壓值，其中能帶隙參考電壓產生電路200的電源拒斥比(PSRR)更能夠提高到100dB(可由圖12得知)。從另一觀點來看，請參照圖13~圖16，圖13為根據本發明實施例之參考電壓對溫度之曲線族模擬圖。圖14為根據本發明實施例之參考電壓的偏移量對溫度之曲線族模擬圖。圖15為根據本發明實施例之參考電壓對輸出電流之曲線族模擬圖。圖16為根據本發明實施例之參考電壓對系統電壓之曲線族模擬圖。由圖15至圖16可知，參考電壓VREF在面對環境溫度的變化、輸出電流IL的變化與系統電壓VDD的變化時都能夠提供穩定的電壓值，如1.456伏特，因此具有極佳的穩定性。
在接下來的至少一實施例中，將描述不同於上述圖2實施例之部分，且其餘省略部分與上述圖2實施例之部分相同。此外，為說明便利起見，相似之參考數字或標號指示相似之元件。
〔能帶隙參考電壓產生電路的再一實施例〕
請參照圖17，圖17為根據本發明再一實施例之能帶隙參考電壓產生電路的細部電路圖。與上述圖2實施例不同的是，在本實施例之能帶隙參考電壓產生電路1700，穩壓電路120包括第五電晶體M5與第六電晶體M6。第五電晶體M5之汲極連接第一系統電壓VDD，第五電晶體M5之閘極連接第一電晶體M1之源極以接收第一電壓V1，透過穩定的第一電壓V1使得第五電晶體M5之源極電壓被鎖定在穩定的電壓值，進而使得參考電壓VREF獨立於第一系統電壓VDD之變化而被鎖定在第一參考電壓值，其中第一參考電壓值等於第五電阻R5之壓降與第三基射極電壓VBE3之總和。第六電晶體M6之汲極連接第五電晶體M5之源極，第六電晶體M6之閘極連接第一電晶體M1之閘極以接收第二電壓V2，第六電晶體M6之源極連接負載電阻RL與第五電阻R5之一端並輸出參考電壓VREF，其中第五電晶體M5及第六電晶體M6為空乏型電晶體。
在本實施例中，當第一系統電壓VDD大於門檻電壓值(如3伏特)時，第一電晶體M1的閘極與源極會被分別維持在穩定的電壓值，並且第二電晶體M2的閘極與源極也會被分別維持在穩定的電壓值，接著透過第一電阻R1來產生第一電流I1。再者，第五電晶體M5之閘極連接至第一電晶體M1之源極電壓以作為第一電壓V1，並且第六電晶體M6之閘極連接至第二電晶體M2之源極電壓以作為第二電壓V2。能帶隙參考電壓產生電路1700利用第一電壓V1(第一電晶體M1之源極電壓)與第二電壓V2(第二電晶體M2之源極電壓)來驅動或偏壓穩壓電路120。進一步來說，因為第五電晶體M5之閘極接收穩定的第一電晶體M1之源極電壓以作為第一電壓V1並且第五電晶體M5本身為空乏型電晶體，所以第五電晶體 M5之源極電壓會大於第一電壓約1伏特，進而使第五電晶體M5之源極電壓被鎖定在第一電壓V1與1伏特之兩者總和的電壓值，其中第六電晶體M6的汲極電壓等於第五電晶體M5的源極電壓。接著，由於第六電晶體M6的閘極電壓與汲極電壓都被鎖定住，因此第六電晶體M6的源極電壓(亦即參考電壓VREF)也會被鎖定在一固定的電壓值。
在溫度補償效應方面，與上述圖2實施例不同的是，圖17實施例之溫度補償電路更包括一第七電阻R7。第七電阻R7之一端連接第三雙極電晶體Q3之基極，第七電阻R7之另一端連接接地電壓GND。在本實施例中，第七電阻用以將參考電壓VREF之第一參考電壓值(如1.48伏特)提升至第二參考電壓值(如2.78伏特)，其中參考電壓VREF之第二參考電壓值等於該第五電阻R5之壓降與第七電阻R7之壓降的總和。其餘與上述圖2實施例相同，在此不再贅述。
請同時參照圖17、圖18與圖19，圖18為根據本發明再一實施例之參考電壓對溫度之模擬曲線圖。圖19為根據本發明再一實施例之參考電壓之偏移量對溫度之模擬曲線圖。溫度在攝氏負55度與攝氏125度之間的變化下，參考電壓VREF之溫度曲線都能呈現出優良之三階溫度曲線，並且參考電壓之偏移量小於正負0.0067%。請參照圖20與圖21，圖20為根據本發明再一實施例之參考電壓對輸出電流之模擬曲線圖。圖21為根據本發明再一實施例之參考電壓對系統電壓之模擬曲線圖。由圖20與圖21可知，能帶隙參考電壓產生電路1700所提供之參考電壓VREF在面對輸出電流IL之變化與系統電壓VDD之變化也都能夠維持在一穩定的第二參考電壓值，如2.78伏特。請參照圖22，圖22為根據本發明再一實施例之參考電壓對系統電壓之另一模擬曲線圖。在圖22中可知，系統電壓VDD從2.5伏特掃描至3.5伏特時，在2.85伏特左右，參考電壓VREF會開始進入穩定的第一參考電壓值(2.78伏特)並且維持著。
〔電子系統的一實施例〕
請參照圖23，圖23為根據本發明實施例之電子系統之示意圖。電子系統2300包括能帶隙參考電壓產生電路2310與連接至能帶隙參考電壓產生電路2310之負載2320。能帶隙參考電壓產生電路2310可以是上述實施例中之能帶隙參考電壓產生電路200與1700的其中之一，且用以提供一參考電壓VREF至負載2320或下一級電路。電子系統2300可以是各種類型的電子裝置內的系統，電子裝置可以是例如手持裝置或行動裝置等。
〔實施例的可能功效〕
綜上所述，本發明實施例所提出之能帶隙參考電壓產生電路在面對電池電壓(如手機電池的電壓值)的變化時與面對環境溫度變化(如攝氏負50度至攝氏120度之間)時都能夠提供獨立於電池電壓與環境溫度兩個變數的穩定之參考電壓。
在本揭露內容多個實施例中至少一實施例，能帶隙參考電壓產生電路在面對負載電阻之變化下(對應至不同的輸出電流)能夠提供穩定的之參考電壓。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。
200‧‧‧能帶隙參考電壓產生電路
110‧‧‧四端電流源電路
120‧‧‧穩壓電路
130‧‧‧溫度補償電路
GND‧‧‧接地電壓
M1‧‧‧第一電晶體
M2‧‧‧第二電晶體
M3‧‧‧第三電晶體
M4‧‧‧第四電晶體
Q1‧‧‧第一雙極電晶體
Q2‧‧‧第二雙極電晶體
Q3‧‧‧第三雙極電晶體
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧第三電阻
R4‧‧‧第四電阻
R5‧‧‧第五電阻
R6‧‧‧第六電阻
RL‧‧‧負載電阻
I1‧‧‧第一電流
I2‧‧‧第二電流
I3‧‧‧第三電流
IL‧‧‧輸出電流
V1‧‧‧第一電壓
V2‧‧‧第二電壓
△VBE‧‧‧基射極壓差
VBE1‧‧‧第一基射極電壓
VBE2‧‧‧第二基射極電壓
VBE3‧‧‧第三基射極電壓
VDD‧‧‧第一系統電壓
VREF‧‧‧參考電壓

Claims (10)

  1. 一種能帶隙參考電壓產生電路，用以提供一參考電壓，該能帶隙參考電壓產生電路包括：一四端電流源電路，電性連接一第一系統電壓，當該第一系統電壓大於一門檻電壓值，則該四端電流源電路所輸出之一第一電壓、一第二電壓與一第一電流獨立於該第一系統電壓之變化；一穩壓電路，電性連接該四端電流源電路，該穩壓電路接收該第一電壓與該第二電壓並且在當該第一系統電壓大於該門檻電壓值時，藉由該第一及該第二電壓之間穩定的電壓差，則該穩壓電路輸出獨立於該第一系統電壓之變化的該參考電壓；以及一溫度補償電路，電性連接該四端電流源電路與該穩壓電路，該溫度補償電路接收該第一電流並且用以對該穩壓電路所輸出之該參考電壓之溫度曲線予以補償。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之能帶隙參考電壓產生電路，其中對該穩壓電路所輸出之該參考電壓之溫度曲線予以補償，以將該參考電壓之二階溫度曲線補償為三階溫度曲線。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之能帶隙參考電壓產生電路，其中當該第一系統電壓大於該門檻電壓值時，該四端電流源電路輸出穩定的該第一電壓與該第二電壓，並且輸出穩定的該第一電流。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之能帶隙參考電壓產生電路，其中該四端電流源電路包括：一第一電晶體，其汲極連接該第一系統電壓；一第二電晶體，其汲極連接該第一電晶體之源極，其源極連接該第一電晶體之閘極，其中該第一及該第二電晶體為空乏型電晶體；以及 一第一電阻，其一端連接該第二電晶體之源極，其另一端連接該第二電晶體之閘極，其中當該第一系統電壓大於該門檻電壓值時，則該第一電晶體、該第二電晶體與該第一電阻所產生之該第一電流為獨立於該第一系統電壓之變化的穩定電流。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之能帶隙參考電壓產生電路，該穩壓電路包括：一第三電晶體，其汲極連接該第一系統電壓，其閘極連接該第一電晶體之閘極以接收該第一電壓；以及一第四電晶體，其汲極連接該第三電晶體之源極，其閘極連接該第一電阻之另一端以接收該第二電壓，其源極連接一負載電阻並輸出該參考電壓，其中該第三及該第四電晶體為空乏型電晶體，其中透過穩定的該第一電壓使得該第三電晶體之源極電壓被鎖定在穩定的電壓值，進而使得該參考電壓獨立於該第一系統電壓之變化而被鎖定在一第一參考電壓值。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之能帶隙參考電壓產生電路，該穩壓電路包括：一第五電晶體，其汲極連接該第一系統電壓，其閘極連接該第一電晶體之源極以接收該第一電壓；以及一第六電晶體，其汲極連接該第五電晶體之源極，其閘極連接該第一電晶體之閘極以接收該第二電壓，其源極連接一負載電阻並輸出該參考電壓，其中該第五及該第六電晶體為空乏型電晶體，其中透過穩定的該第一電壓使得該第五電晶體之源極電壓被鎖定在穩定的電壓值，進而使得該參考電壓獨立於該第一系統電壓之變化而被鎖定在一第一參考電壓值。
  7. 如申請專利範圍第5或6項所述之能帶隙參考電壓產生電路， 該溫度補償電路包括：一第一雙極電晶體，其射極連接一接地電壓；一第二電阻，其一端連接該第一雙極電晶體之基極；一第三電阻，其一端連接該第二電阻之另一端，其另一端連接該第一雙極電晶體之集極；一第四電阻，其一端連接該第三電阻之一端；一第五電阻，其一端連接該第四電阻之另一端並且連接至該第四電晶體或該第六電晶體之源極；一第二雙極電晶體，其基極連接該第三電阻之另一端，其集極連接該第五電阻之另一端；一第六電阻，其一端連接該第二雙極電晶體之射極，其另一端連接該接地電壓，其中透過該第一雙極電晶體之一第一基射極電壓與該第二雙極電晶體之一第二基射極電壓之間的一基射極壓差來使得流經該第六電阻之一第二電流為正溫度係數之電流；以及一第三雙極電晶體，其基極連接該第二雙極電晶體之集極，其射極連接該接地電壓，其集極連接該第一電阻之另一端，該第三雙極電晶體具有負溫度係數之一第三基射極電壓，透過調整該第五電阻與該第六電阻之電阻值，使得該參考電壓為等於或接近零溫度係數之電壓，並且該第一參考電壓值等於該第五電阻之壓降與該第三基射極電壓之總和。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之能帶隙參考電壓產生電路，其中透過調整該第二及該第三電阻之電阻值來將該參考電壓之二階溫度曲線補償為三階溫度曲線。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之能帶隙參考電壓產生電路，該溫度補償電路更包括：一第七電阻，其一端連接該第三雙極電晶體之基極，其另一端連接該接地電壓，該第七電阻用以將該參考電壓之該第一 參考電壓值提升至一第二參考電壓值，其中該參考電壓之該第二參考電壓值等於該第五電阻之壓降與該第七電阻之壓降的總和。
  10. 一種電子系統，包括：一能帶隙參考電壓產生電路，電性連接一第一參考電壓，該能帶隙參考電壓產生電路包括：一四端電流源電路，電性連接該第一系統電壓並且當該第一系統電壓大於一門檻電壓值，該四端電流源電路所輸出之一第一電壓、一第二電壓與一第一電流獨立於該第一系統電壓之變化；一穩壓電路，電性連接該四端電流源電路，該穩壓電路接收該第一電壓與該第二電壓並且在當該第一系統電壓大於該門檻電壓值時，藉由該第一及該第二電壓之間穩定的電壓差，則該穩壓電路輸出獨立於該第一系統電壓之變化的一參考電壓；以及一溫度補償電路，電性連接該四端電流源電路與該穩壓電路，該溫度補償電路接收該第一電流並且用以對該穩壓電路所輸出之該參考電壓之溫度曲線予以補償；以及一負載，電性連接該能帶隙參考電壓產生電路以接收該參考電壓。
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