TWI514106B - 參考電源產生電路及應用其之電子電路 - Google Patents

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Description

參考電源產生電路及應用其之電子電路
本發明是有關於一種參考電源產生電路及其應用，且特 別是有關於一種可降低輸出偏移量的參考電源產生電路及應用其之電子電路。
帶差參考電路(bandgap reference circuit)一般是用來產 生穩定而且不受溫度影響的基準參考電壓。在電路設計的領域之中，帶差參考電路廣泛地被用於許多需要精確的工作參考電源的電路中，例如振盪電路或數位類比轉換電路等。
在現行的技術下，由於電路元件本身有其硬體上之非理 想特性，故單純仰賴帶差參考電路來產生基準參考電壓，仍不足以令所產生的基準參考電壓完全不受到製程變異、溫度改變及電源漂移等非預期情況的影響。換言之，一般帶差參考電路所產生的基準參考電壓仍會具有一定程度的偏移量。對於一些需要高精確度的工作參考電源的電子電路而言，此等偏移量即會使其輸出特性變差。
於此情形下，一般設計者常用的電路設計手段係藉由設 計額外的補償電路來對帶差參考電路的運作進行補償，藉以進一步提高基準參考電壓的精確度。但如此一來，設計者勢必需要耗費額外的心力來針對補償電路的架構進行設計。另外，如何將補償電路及帶差參考電路整合在一起，在電路設計及佈局上又是另一個問題。
本發明提供一種參考電源產生電路及應用其之電子電 路，其可在不需增設額外的補償電路之前提下，有效地降低輸出的基準參考電壓的偏移量。
本發明的參考電源產生電路包括第一帶差參考電路以及 第二帶差參考電路。第一帶差參考電路(bandgap reference circuit)以電源電壓為偏壓電源來產生第一參考電壓，其中第一參考電壓具有第一偏移量。第二帶差參考電路與第一帶差參考電路相互串接，並接收第一帶差參考電路所產生的第一參考電壓。第二帶差參考電路以第一參考電壓為偏壓電源來產生基準參考電壓。基準參考電壓具有第二偏移量，且第二偏移量小於第一偏移量。
在本發明一實施例中，參考電源產生電路更包括至少一 個補償電路。所述補償電路用以對第一帶差參考電路進行一階或多階補償，藉以同時降低第一偏移量與第二偏移量。
在本發明一實施例中，參考電源產生電路更包括電流產 生電路。電流產生電路耦接第二帶差參考電路，並且以基準參考電壓為偏壓電源來產生基準參考電流。
在本發明一實施例中，第一與第二帶差參考電路具有相同的電路組態。
在本發明一實施例中，第一與第二帶差參考電路具有不同的電路組態。
本發明的參考電源產生電路包括N級相互串接的帶差參考電路。每一級帶差參考電路分別以前一級帶差參考電路的輸出為偏壓電源來產生參考電壓。第一級帶差參考電路以電源電壓為偏壓電源，且N為大於或等於2的正整數。每一級帶差參考電路所產生的參考電壓具有偏移量，且每一級帶差參考電路的參考電壓的偏移量分別小於前一級帶差參考電路的參考電壓的偏移量。
在本發明一實施例中，N級帶差參考電路具有相同的電路組態。
在本發明一實施例中，N級帶差參考電路至少其中之一與其餘帶差參考電路具有不同的電路組態。
本發明的電子電路包括參考電源產生電路以及功能電路。參考電源產生電路包括第一帶差參考電路、第二帶差參考電路以及電流產生電路。第一帶差參考電路以電源電壓為偏壓電源來產生第一參考電壓，其中第一參考電壓具有第一偏移量。第二帶差參考電路與第一帶差參考電路相互串接，並接收第一帶差參考電路所產生的第一參考電壓。第二帶差參考電路以第一參考電 壓為偏壓電源來產生基準參考電壓，其中基準參考電壓具有第二偏移量，並且第二偏移量小於第一偏移量。電流產生電路耦接第二帶差參考電路，並且以基準參考電壓為偏壓電源來產生基準參考電流。功能電路耦接參考電源產生電路，並用以依據基準參考電壓與基準參考電流至少其中一者作為一工作參考電源。
在本發明一實施例中，功能電路為振盪電路(oscillating circuit)、類比數位轉換電路(analog-to-digital conversion circuit，ADC)、數位類比轉換電路(digital-to-analog conversion circuit，DAC)、低壓降線性穩壓電路(low drop-out voltage regulator，LDO)、低偏移放大電路(low drift amplifier)以及溫度感測電路(temperature sensor)或是其他類比電路其中之一者。
基於上述，本發明實施例提出一種參考電源產生電路及 應用其之電子電路。所述參考電源產生電路可藉由級聯的串接至少兩級帶差參考電路的配置方式，藉以逐級地抑制各級帶差參考電路的輸出與製程-電源-溫度特性之間的相關性，從而產生高精確度、低雜訊且不受製程變異影響的基準參考電壓/基準參考電流。 基此，應用所述參考電源產生電路作為參考電源的電子電路可受惠於精確的基準參考電壓/基準參考電流而同時具有良好的輸出特性。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉 實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
50‧‧‧電子電路
100、200、300、400、500‧‧‧參考電源產生電路
110_1~110_N、210、220、310、320、410、420、510、520‧‧‧帶差參考電路
230、430、530‧‧‧電流產生電路
240‧‧‧補償電路
600‧‧‧功能電路
GND‧‧‧接地端
IREF‧‧‧基準參考電流
M1‧‧‧MOS電晶體
OP1、OP2‧‧‧放大器
Q1~Q4‧‧‧BJT電晶體
R1~R9‧‧‧電阻
V1~Vn‧‧‧參考電壓
VCC‧‧‧電源電壓
VREF‧‧‧基準參考電壓
圖1為本發明一實施例的參考電源產生電路的功能方塊示意圖。
圖2為本發明另一實施例的參考電壓產生電路的功能方塊示意圖。
圖3為本發明一實施例的參考電壓產生電路的電路示意圖。
圖4為本發明另一實施例的參考電壓產生電路的電路示意圖。
圖5為本發明一實施例的電子電路的功能方塊示意圖。
為了使本揭露之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施 例做為本揭露確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。
圖1為本發明一實施例的參考電源產生電路的功能方塊 示意圖。請參照圖1，參考電源產生電路100包括N級相互串接的帶差參考電路110_1~110_N，其中N為大於或等於2的正整數。 在本實施例中，除第一級帶差參考電路110_1係以電源電壓VCC為偏壓電源來產生參考電壓V1外，其餘每一級帶差參考電路110_2~110_N會分別以前一級帶差參考電路110_1~110_N的輸出 為偏壓電源，藉以產生對應的參考電壓V2~Vn。此外，最後一級帶差參考電路110_N所產生的參考電壓Vn係作為一基準參考電壓VREF而可提供給其他的外部電路(未繪示)使用。
舉例來說，第二級帶差參考電路110_2會以第一級帶差 參考電路110_1所產生的參考電壓V1為偏壓電源，並據以產生參考電壓V2，第三級帶差參考電路110_3會以第二級帶差參考電路110_2所產生的參考電壓V2為偏壓電源，並據以產生參考電壓V3，以此類推直至第N級帶差參考電路110_N產生參考電壓Vn。
具體而言，雖然每一級的帶差參考電路110_1~110_N本 身皆具有抵消溫度係數的作用，但受限於元件的非理想特性以及製程偏差，單一級的帶差參考電路110_1~110_N所產生的參考電壓Vn仍會受到製程-電源-溫度(process-voltage-temperature，PVT)特性的影響，而在特定溫度區間內具有相當程度的偏移量。
在本實施例中，透過逐級串接帶差參考電路110_1~110_N 的配置方式，每一級帶差參考電路110_1~110_N所輸出的參考電壓V1~Vn與PVT特性間的相關程度也會逐級地被抑制/抵消，使得最後一級帶差參考電路110_N所輸出的參考電壓Vn可具有趨近於零溫度係數(zero temperature coefficient，ZTC)的特性。換言之，在本實施例中，每一級帶差參考電路110_1~110_N所產生的參考電壓V1~Vn的偏移量會分別小於前一級帶差參考電路110_1~110_N的參考電壓V1~Vn的偏移量。亦即，最後作為參考電源產生電路100的輸出的基準參考電壓VREF(Vn)可相較於 其他級帶差參考電路110_1~110_N-1的輸出具有最低的偏移量(亦即與PVT特性之相關程度最低)。
由此可知，根據本發明實施例之揭示，設計者僅需透過 串接配置帶差參考電路110_1~110_N的方式(或稱級聯配置，cascade)即可設計出高精準度、穩定低雜訊以及高電源抑制的基準參考電壓VREF。相較於傳統上設置額外的補償電路之方式而言，可有效地降低設計成本。
此外，在一範例實施例中，由於所述各級帶差參考電路 110_1~110_N可具有相同的電路組態。如此一來，便可使得電路佈局具有較高的對稱性，藉以降低參考電源產生電路100對製程變異的敏感度，但本發明不僅限於此。在另一範例實施例中，所述各級帶差參考電路110_1~110_N亦可根據設計者的設計需求/考量而令其中至少一者與其餘帶差參考電路110_1~110_N具有不同的電路組態，藉以針對特定需求來提高整體參考電源產生電路100的效能。
圖2為本發明另一實施例的參考電源產生電路的功能方 塊示意圖。在本實施例中，係以列舉兩級串接的帶差參考電路210與220為例來說明(即，N=2)，但本發明不僅限於此。
請參照圖2，參考電源產生電路200包括第一帶差參考電 路210、第二帶差參考電路220、電流產生電路230以及補償電路240。其中，第一帶差參考電路210與第二帶差參考電路220以級聯的方式串接。電流產生電路230耦接第二帶差參考電路220。補 償電路240耦接第一帶差參考電路210。
在本實施例中，第一帶差參考電路210會以電源電壓 VCC為偏壓電源來產生參考電壓V1。第二帶差參考電路220則會以第一帶差參考電路210所產生的參考電壓V1為偏壓電源來產生基準參考電壓VREF。如前述實施例所述，由於後級的第二帶差參考電路220會進一步地抑制與PVT特性之相關程度，因此基準參考電壓VREF的偏移量會小於參考電壓V1的偏移量。更具體地說，在本實施例的實驗例中，基準參考電壓VREF與溫度之間的相對關係可達到每上升1℃電壓值僅有10ppm以下的變動/偏移(即，十萬分之一伏特)。
電流產生電路230會接收第二帶差參考電路220所輸出 的基準參考電壓VREF，並且以基準參考電壓VREF為偏壓電源來產生基準參考電流IREF。於此，由於第二帶差參考電路220所產生的基準參考電壓VREF具有低偏移量的特性，因此以基準參考電壓VREF作為偏壓電源的電流產生電路230可同樣地不受到PVT特性的影響，從而產生精確且穩定的基準參考電流IREF。
補償電路240可用以對第一帶差參考電路210進行一階 或多階補償，藉以令第一帶差參考電路210所產生的參考電壓V1可反應於補償電路240的補償而降低偏移量。因此，第二帶差參考電路220可基於偏移量更低的參考電壓V1作為偏壓電源，進一步產生基準參考電壓VREF，使得所產生之基準參考電壓VREF可具有更佳的穩定度。換言之，參考電壓V1與基準參考電壓VREF 的偏移量會同時反應於補償電路240的補償作用而降低。其中，所述補償電路240可例如為二階溫度補償電路及/或三階以上之溫度補償電路，本發明對此不加以限制。
值得一提的是，在本實施例中，電流產生電路230以及 補償電路240的配置係可選的。換言之，參考電源產生電路200基本上是由第一帶差參考電路210以及第二帶差參考電路220所組成。設計者可根據其設計需求而自行決定是否增加電流產生電路230及/或補償電路240的配置，本發明不以此為限。
另外，在一範例實施例中，第一帶差參考電路210與第 二帶差參考電路220兩者可積體化地設置在一起，以形成一參考電壓產生電路/晶片。在另一範例實施例中，第一帶差參考電路210、第二帶差參考電路220以及電流產生電路230三者可積體化地設置在一起，以形成一參考電流產生電路/晶片。換言之，本發明不對參考電源產生電路200的具體電路實現方式加以限制。只要電路結構具有至少兩級相互串接的帶差參考電路，皆為本發明所欲保護之範疇。
底下列舉圖3與圖4之電路架構來說明本發明實施例之 參考電源產生電路的具體實施範例。其中，圖3與圖4為本發明不同實施例的參考電源產生電路的電路示意圖。
請先參照圖3，參考電源產生電路300包括第一帶差參考 電路310以及第二帶差參考電路320。其中，第一帶差參考電路310可例如為由電晶體Q1與Q2、電阻R1、R2與R3以及放大器 OP1所組成的電路架構。第二帶差參考電路320可例如為由電晶體Q3與Q4、電阻R4、R5與R6以及放大器OP2所組成的電路架構。本實施例係以第一帶差參考電路310與第二帶差參考電路320具有相同之電路組態為例。故底下電路架構說明以第一帶差參考電路310為主，而第二帶差參考電路320之具體架構說明則可參照第一帶差參考電路310，於本文不再贅述。
詳細而言，在第一帶差參考電路310中，電晶體Q1與 Q2係以npn形態的雙載子電晶體(BJT)為例(但不僅限於此，其亦可為pnp形態的BJT)。電晶體Q1與Q2的基極(base)分別耦接至電晶體Q1與Q2的集極(collector)。電晶體Q1與Q2的射極(emitter)耦接至接地端GND。電阻R1的第一端耦接電源電壓VCC，且電阻R1的第二端耦接電晶體Q1的集極。電阻R2的第一端耦接電源電壓VCC。電阻R3的第一端耦接電阻R2的第二端，且電阻R3的第二端耦接電晶體Q2的集極。放大器OP1的正輸入端耦接電阻R1的第二端與電晶體Q1的集極。放大器OP1的負輸入端耦接電阻R2與R3的共節點(電阻R2的第二端\電阻R3的第一端)。放大器OP1的輸出端則產生參考電壓V1給第二帶差參考電路320。
其中，本實施例的帶差參考電路310係利用電晶體Q1與 Q2之基-射極為負溫度係數的關係，再利用兩電晶體Q1與Q2操作在不同電流密度下所產生的電壓差為正溫度係數的關係，藉由放大器OP1疊加兩電壓後(即，電阻R1與R2第二端的電壓)， 得到與溫度低相關性的參考電壓V1。
另一方面，在第二帶差參考電路320中，其架構配置大 致與第一帶差參考電路310相同。兩者間的差異在於第二帶差參考電路320的電阻R4與R5的第一端係耦接至放大器OP1的輸出端。換言之，第二帶差參考電路320是以放大器OP1所輸出的參考電壓V1作為偏壓電源，並據以產生基準參考電壓VREF。有關於第二帶差參考電路320產生與溫度具低相關性的運作細節與上述第一帶差參考電路310的說明相似，故不再贅述。
請接續參照圖4，參考電源產生電路400包括第一帶差參 考電路410、第二帶差參考電路420以及電流產生電路430。其中，本實施例的第一帶差參考電路410(包括電晶體Q1與Q2、電阻R1、R2與R3以及放大器OP1)與第二帶差參考電路420(包括電晶體Q3與Q4、電阻R4、R5與R6以及放大器OP2)之電路架構配置大致與前述圖3實施例相同，故於此不再贅述。底下針對電流產生電路430的具體電路架構範例進行說明。
電流產生電路430包括電晶體M1以及電阻R7、R8及 R9。在本實施例中，電晶體係以n型的金氧半場效電晶體(MOSFET)為例(但不僅限於此，其亦可為p型MOSFET)。電阻R7的第一端耦接第二帶差參考電路420中的放大器OP2的輸出端，且電阻R7的第二端耦接電晶體M1的閘極(gate)。電阻R8的第一端耦接電阻R7的第二端與電晶體M1的閘極，且電阻R8的第二端耦接接地端GND。電阻R9的第一端耦接第二帶差參 考電路420中的放大器OP2的輸出端，且電阻R9的第二端耦接電晶體M1的汲極(drain)。其中，電晶體M1的源極(source)可作為電流產生電路430的電流輸出端，藉以輸出基準參考電流IREF給對應的功能電路(未繪示)。
於此應注意的是，圖3與圖4所列舉之具體電路架構僅 係為說明本發明實施例之參考電源產生電路可據以實施之範例，其非用以限定本發明之範圍。於本領域具有通常知識者當可於參酌本案說明書之內容後，利用任何現有的帶差參考電路架構來實現本發明實施例所述之參考電源產生電路。
從實際應用層面來看，上述圖1至圖4實施例所述的參 考電源產生電路(如100、200、300、400)可應用於如圖5所示之電子電路中，藉以作為特定之功能電路的參考電源。其中，圖5為本發明一實施例的電子電路的功能方塊示意圖。
請參照圖5，電子電路50包括如類似於前述實施例所樹 之參考電源產生電路500以及功能電路600。其中，參考電源產生電路500包括第一帶差參考電路510、第二帶差參考電路520以及電流產生電路530。除此之外，第一帶差參考電路510與第二帶差參考電路520之間的相對配置如前述實施例所述，係以級聯的方式相互串接，藉以產生基準參考電壓VREF。而電流產生電路530則是以第二帶差參考電路520所產生的基準參考電壓VREF為偏壓電源，並據以產生基準參考電流IREF。
在本實施例中，參考電源產生電路500會將基準參考電 壓VREF與基準參考電流IREF至少其中一者提供給功能電路600以作為功能電路600的工作參考電源(提供何者視功能電路600之需求)。基此，功能電路600即可根據精確且不受雜訊、PVT特性影響的基準參考電壓VREF與基準參考電流IREF執行對應的電路操作。
舉例來說，所述功能電路600可例如為振盪電路(oscillating circuit)。更具體地說，功能電路600可例如為電阻-電容振盪電路(RC oscillator)、環形振盪電路(ring oscillator)或弛張振盪器(relaxation oscillator)等依靠參考電壓來維持振盪頻率的電路。藉由高精準度的基準參考電壓VREF，所述振盪電路可具有更為穩定的振盪頻率，而不受PVT特性的影響。
除此之外，所述功能電路600不僅限於振蕩電路，其可為任何形式之類比電路。特別是任何需要高精確度的工作參考電源之電路，例如：類比數位轉換電路(analog-to-digital conversion circuit，ADC)、數位類比轉換電路(digital-to-analog conversion circuit，DAC)、低壓降線性穩壓電路(low drop-out voltage regulator，LDO)、低偏移放大電路(low drift amplifier)或溫度感測電路(temperature sensor)等，皆可透過採用本發明實施例之參考電源產生電路作為參考電源而獲得較佳的輸出特性。
綜上所述，本發明實施例提出一種參考電源產生電路及應用其之電子電路。所述參考電源產生電路可藉由級聯的串接至少兩級帶差參考電路的配置方式，藉以逐級地抑制各級帶差參考 電路的輸出與PVT特性之間的相關性，從而產生高精確度、低雜訊且不受製程變異影響的基準參考電壓/基準參考電流。基此，應用所述參考電源產生電路作為參考電源的電子電路可受惠於精確的基準參考電壓/基準參考電流而同時具有良好的輸出特性。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧參考電源產生電路
110_1~110_N‧‧‧帶差參考電路
V1~Vn‧‧‧參考電壓
VCC‧‧‧電源電壓
VREF‧‧‧基準參考電壓

Claims (12)

  1. 一種參考電源產生電路，包括：一第一帶差參考電路(bandgap reference circuit)，以一電源電壓為偏壓電源來產生一第一參考電壓，其中該第一參考電壓具有一第一偏移量；一第二帶差參考電路，與該第一帶差參考電路相互串接，接收該第一帶差參考電路所產生的第一參考電壓，並且以該第一參考電壓為偏壓電源來產生一基準參考電壓，其中該基準參考電壓具有一第二偏移量，其中，該第二偏移量小於該第一偏移量；以及至少一補償電路，用以對該第一帶差參考電路進行一階或多階補償，藉以同時降低該第一偏移量與該第二偏移量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的參考電源產生電路，更包括：一電流產生電路，耦接該第二帶差參考電路，並且以該基準參考電壓為偏壓電源來產生一基準參考電流。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的參考電源產生電路，其中該第一與該第二帶差參考電路具有相同的電路組態。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的參考電源產生電路，其中該第一與該第二帶差參考電路具有不同的電路組態。
  5. 一種參考電源產生電路，包括：一N級相互串接的帶差參考電路，其中每一級帶差參考電路分別以前一級帶差參考電路的輸出為偏壓電源來產生一參考電 壓，第一級帶差參考電路以一電源電壓為偏壓電源，且N為大於或等於2的正整數，其中，每一級帶差參考電路所產生的參考電壓具有一偏移量，且每一級帶差參考電路的參考電壓的偏移量分別小於前一級帶差參考電路的參考電壓的偏移量；以及至少一補償電路，用以對該N級帶差參考電路至少其中之一進行一階或多階補償，藉以同時降低該每一級帶差參考電路的偏移量。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的參考電源產生電路，更包括：一電流產生電路，耦接最後一級帶差參考電路，並且以最後一級帶差參考電路所產生的參考電壓為偏壓電源來產生一基準參考電流。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的參考電源產生電路，其中該N級帶差參考電路具有相同的電路組態。
  8. 如申請專利範圍第5項所數的參考電源產生電路，其中該N級帶差參考電路至少其中之一與其餘帶差參考電路具有不同的電路組態。
  9. 一種電子電路，包括：一參考電源產生電路，包括：一第一帶差參考電路，以一電源電壓為偏壓電源來產生一第一參考電壓，其中該第一參考電壓具有一第一偏移量；一第二帶差參考電路，與該第一帶差參考電路相互串接，接收該第一帶差參考電路所產生的第一參考電壓，並且以該 第一參考電壓為偏壓電源來產生一基準參考電壓，其中該基準參考電壓具有一第二偏移量，並且該第二偏移量小於該第一偏移量；以及一電流產生電路，耦接該第二帶差參考電路，並且以該基準參考電壓為偏壓電源來產生一基準參考電流；一功能電路，耦接該參考電源產生電路，用以依據該基準參考電壓與該基準參考電流至少其中一者作為一工作參考電源；以及至少一補償電路，用以對該第一帶差參考電路進行二階或多階補償，藉以同時降低該第一偏移量與該第二偏移量。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的電子電路，其中該第一與該第二帶差參考電路具有相同的電路組態。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的電子電路，其中該第一與該第二帶差參考電路具有不同的電路組態。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的電子電路，其中該功能電路為一振盪電路(oscillating circuit)、一類比數位轉換電路(analog-to-digital conversion circuit，ADC)、一數位類比轉換電路(digital-to-analog conversion circuit，DAC)、一低壓降線性穩壓電路(low drop-out voltage regulator，LDO)、一低偏移放大電路(low drift amplifier)以及一溫度感測電路(temperature sensor)其中之一者。
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