TWI671617B

TWI671617B - 電流產生電路

Info

Publication number: TWI671617B
Application number: TW107123686A
Authority: TW
Inventors: 馬英庭; 王俊棋
Original assignee: 華邦電子股份有限公司
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2019-09-11
Also published as: TW202006496A; US11099081B2; US20200011742A1

Abstract

一種電流產生電路，包括第一電路子單元、第二電路子單元以及第三電路子單元。第一電路子單元用以產生具有第一溫度係數之第一電流。第一溫度係數為負溫度係數。第二電路子單元用以產生具有第二溫度係數之第二電流。第二溫度係數為正溫度係數。第三電路子單元用以根據第一電流與第二電流之一差值產生具有第三溫度係數之第三電流。第三溫度係數之斜率之一絕對值大於第一溫度係數之斜率之一絕對值或第二溫度係數之斜率之一絕對值。

Description

電流產生電路

本發明係關於一種電流產生電路，特別是包含一種可依不同需求產生具有不同溫度係數且可彈性地調整溫度係數的斜率(梯度)之電流產生電路。

製程、電壓及溫度(process,voltage,and temperature，縮寫為PVT)變異是影響積體電路性能的關鍵因素之一。例如，製程、電壓或溫度變異可相應地導致比較器之內在的偏移值(offset)改變。然而，比較器對於任何電子系統都是重要的組成部分。例如，電壓、溫度等偵測器電路通常都會使用比較器。

當比較器內在的偏移值因製程、電壓及溫度變異而增加時，偵測器電路的偵測錯誤範圍也會增加。然而，在現今電子設備對於低功耗與高速的雙重要求之下，對於溫度偵測精確度要求也愈趨嚴格，因此，各電子設備可接受的溫度偵測誤差已大幅下降。

有鑒於此，本發明提出一種電流產生電路，可依不同需求產生具有不同溫度係數的電流，並且可彈性地調整溫度係數的斜率(slope)(或梯度(gradient))，使得應用於溫度偵測器時，溫度偵測準確度可相應地提升，以抵抗因製程、電壓或溫度變異對於各電子元件特性所產生的變化。

本發明揭露一種電流產生電路，包括第一電路子單元、第二電路子單元以及第三電路子單元。第一電路子單元用以產生具有第一溫度係數之第一電流，其中第一溫度係數為負溫度係數。第二電路子單元用以產生具有第二溫度係數之第二電流，其中第二溫度係數為正溫度係數。第三電路子單元用以根據第一電流與第二電流之一差值產生具有第三溫度係數之第三電流，其中第三溫度係數之斜率之絕對值大於第一溫度係數之斜率之絕對值或第二溫度係數之斜率之絕對值。

本發明揭露一種電流產生電路，包括第一電路子單元、第二電路子單元、第三電路子單元以及第四電路子單元。第一電路子單元用以產生具有第一溫度係數之第一電流，其中第一溫度係數為負溫度係數。第二電路子單元用以產生具有第二溫度係數之第二電流，其中第二溫度係數為正溫度係數。第三電路子單元用以根據第一電流與第二電流之一差值產生具有第三溫度係數之第三電流。第三溫度係數之斜率之絕對值大於第一溫度係數之斜率之絕對值或第二溫度係數之斜之絕對值率。第四電路子單元用以接收第三電流並基於第三電流產生具有第四溫度係數之第四電流，使得第四溫度係數之斜率與第三溫度係數之斜率不同，其中第四溫度係數之斜率之絕對值大於第三溫度係數之斜率之絕對值。

100、200、300‧‧‧電流產生電路

110、120、130、140、210、220、230、240、310、320、330‧‧‧電路子單元

CTAT_OP、PTAT_OP‧‧‧比較器

I₁₁、I₁₂、I₁₃、I’₁₃、I₁₄、I₂₁、I₂₂、I₂₃、I’₂₃、I₂₄、I₃₁、I₃₂、I₃₃、I_CTAT、I_PTAT‧‧‧電流

M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M21、M22、M23、M24、M25、M26、M27、M28、M1A、M1B、M1C、M2A、M2B、M2C、M3A、M3B、M3C、M3D、M3E、M3F‧‧‧電晶體

N1、N2、N3、N4‧‧‧端點

R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻

S1、S2、S3‧‧‧斜率

VDD、VBGR‧‧‧電壓

第1圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電流產生電路之方塊圖。

第2圖係顯示一帶隙穩壓器之範例電路圖。

第3圖係顯示根據本發明之另一實施例所述之電流產生電路之範例電路圖。

第4圖係顯示根據本發明之另一實施例所述之電流產生電路之範例電路圖。

為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。目的在於說明本發明之精神而非用以限定本發明之保護範圍，應理解下列實施例可經由軟體、硬體、韌體、或上述任意組合來實現。

第1圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電流產生電路之範例電路圖。電流產生電路100可包括電路子單元110、120與130。電路子單元110用以產生具有第一溫度係數之電流I₁₁，其中第一溫度係數為一負溫度係數，即，電流大小隨著溫度上升而下降。電路子單元120用以產生具有第二溫度係數之電流I₁₂，其中第二溫度係數為一正溫度係數，即，電流大小隨著溫度上升而上升。電路子單元130耦接至電路子單元110與120，用以根據電流I₁₁與I₁₂產生具有第三溫度係數之電流I₁₃，電路子單元130係用以調整溫度係數之斜率，使得第三溫度係數之一斜率的絕對值大於第一溫度係數之一斜率的絕對值或第二溫度係數之一斜率的絕對值。

根據本發明之一實施例，電路子單元130可為一電流扣除電路(current subtraction circuit)，用以根據電流I₁₁與I₁₂之一差值產生電流I₁₃。舉例而言，電路子單元130與120可共同耦接至端點N1，並且電路子單元130與120可共同自電路子單元110汲取電流。換言之，根據本發明之一實施例，電流I₁₁為電流I₁₂與I₁₃之和。因此，於此實施例中電流I₁₃之第三溫度係數為一負溫度係數，並且藉由上述的電流相減操作，利用一具有負溫度係數之電流(例如，電流I₁₁)減去一具有正溫度係數之電流(例如，電流I₁₂)，所得之電流I₁₃之第三溫度係數(負溫度係數)之斜率的絕對值將大於電流I₁₁之第一溫度係數數(負溫度係數)之斜率的絕對值。

根據本發明之一實施例，電路子單元110可包括一電流源，用以提供具有一第一基礎溫度係數之一基礎電流I_CTAT，其中於此實施例中，基礎電流I_CTAT為與絕對溫度成反比(complementary to absolute temperature，縮寫為CTAT)之一電流，因此，第一基礎溫度係數為一負溫度係數。第1圖中亦顯示有第一基礎溫度係數之一範例圖，其中第一基礎溫度係數之斜率為S1。電路子單元120可包括另一電流源，用以提供具有一第二基礎溫度係數之一基礎電流I_PTAT，其中於此實施例中，基礎電流I_PTAT為與絕對溫度成正比(proportional to absolute temperature，縮寫為PTAT)之一電流，因此，第二基礎溫度係數為一正溫度係數。第1圖中亦顯示有第二基礎溫度係數之一範例圖，其中第二基礎溫度係數之斜率為S2。

根據本發明之一實施例，電流產生電路100可自一帶隙穩壓器(Bandgap regulator)電路取得基礎電流I_CTAT與I_PTAT。第2圖係顯示一帶隙穩壓器之範例電路圖。帶隙穩壓器可包括與絕對溫度成正比之比較器PTAT_OP、與絕對溫度成反比之比較器CTAT_OP、複數二極體以及複數電晶體，用以根據電壓VDD與VBGR產生基礎電流I_PTAT與I_CTAT。

根據本發明之一實施例，電路子單元110可更包括一或多個電晶體，例如，電晶體M1A與M1B，用以根據基礎電流I_CTAT產生電流I₁₁。電路子單元120可更包括一或多個電晶體，例如，電晶體M1C，用以根據基礎電流I_PTAT產生電流I₁₂。根據本發明之一實施例，電晶體M1A與M1B可為P型金屬氧化物半導體(PMOS)場效電晶體，電晶體M1C可為N型金屬氧化物半導體(NMOS)場效電晶體。

根據本發明之一實施例，電路子單元130可包括一或多個電流鏡電路，例如，由電晶體M11、M12、M13及M14所組成之電流鏡電路，用以根據電流I₁₃產生電流I’₁₃，其中電流I’₁₃與電流I₁₃具有一定比例關係。電晶體M11、M12、M13及M14之尺寸可依所需之斜率縮放比例適當地被設計，使得電流I₁₃可依需求被放大或縮小。於此實施例中，電晶體M11、M12、M13及M14之尺寸被設計為相等，因此，電流I₁₃大體等於電流I’₁₃，即，電流I’₁₃大體等於(I₁₁-I₁₂)，並且同樣具有第三溫度係數。第1圖中亦顯示有第三基礎溫度係數之一範例圖，其中第三基礎溫度係數之斜率為S3。如圖所示，於此實施例中，斜率S3的絕對值大於斜率S1的絕對值。根據本發明之一實施例，電晶體M11、M12、M13及M14可為NMOS電晶體。

根據本發明之一實施例，若需要更進一步調整輸出電流之溫度係數的斜率，電流產生電路100可更包括電路子單元140。電路子單元140可包括一或多個電流鏡電路，例如，由電晶體M15、M16、M17及M18所組成之電流鏡電路，用以根據電流I’₁₃產生電流I₁₄，其中電流I₁₄與電流I’₁₃具有一定比例關係。電晶體M15、M16、M17及M18之尺寸可依所需之斜率縮放比例適當地被設計，使得電流I’₁₃可依需求被放大或縮小。於此實施例中，電晶體M17及M18之尺寸被設計為電晶體M15及M16之倍數，例如，4倍。因此，電流I₁₄大體等於四倍之電流I’_13-，並且具有第四溫度係數，其中，藉由電流放大的操作，第四溫度係數之一斜率的絕對值會大於第三溫度係數之斜率的絕對值。根據本發明之一實施例，電晶體M15、M16、M17及M18可為PMOS電晶體。

值得注意的是，於本發明之實施例中，為了使電流鏡電路能準確地映射電流，電晶體閘極的耦接方式可做特殊的設計。根據本發明之一實施例，電流產生電路100可包括電阻R1，耦接於端點N1與電晶體M11之一汲極之間，並且電晶體M11與電晶體M12之閘極係耦接於電阻R1的兩端。如此一來，電路子單元130可準確地根據電流I₁₃映射出電流I’₁₃。

相似地，根據本發明之一實施例，電流產生電路100可包括電阻R2，耦接於端點N2與電晶體M16之間，並且電晶體M15與電晶體M16之閘極係耦接於電阻R2的兩端。如此一來，電路子單元140可準確地根據電流I’₁₃映射出電流I₁₄。

第3圖係顯示根據本發明之另一實施例所述之電流產生電路之範例電路圖。電流產生電路200可包括電路子單元210、220與230。電路子單元210用以產生具有第一溫度係數之電流I₂₁，其中，於此實施例，第一溫度係數為一正溫度係數。電路子單元220用以產生具有第二溫度係數之電流I₂₂，其中，於此實施例，第二溫度係數為一負溫度係數。電路子單元230耦接至電路子單元210與220，用以根據電流I₂₁與I₂₂產生具有第三溫度係數之電流I₂₃，電路子單元230係用以調整溫度係數之斜率，使得第三溫度係數之一斜率的絕對值大於第一溫度係數之一斜率的絕對值或第二溫度係數之一斜率的絕對值。

根據本發明之一實施例，電路子單元230可為一電流扣除電路，用以根據電流I₂₁與I₂₂之一差值產生電流I₂₃。因此，於此實施例中電流I₂₃之第三溫度係數為一正溫度係數，並且所得之電流I₂₃之第三溫度係數(正溫度係數)之斜率的絕對值將大於電流I₂₁之第一溫度係數(正溫度係數)之斜率的絕對值。

根據本發明之一實施例，電路子單元210可包括一電流源，用以提供具有一第一基礎溫度係數之一基礎電流I_PTAT，其中於此實施例中，基礎電流I_PTAT為與絕對溫度成正比之一電流。電路子單元220可包括另一電流源，用以提供具有一第二基礎溫度係數之一基礎電流I_CTAT，其中於此實施例中，基礎電流I_CTAT為與絕對溫度成反比之一電流。

根據本發明之一實施例，電流產生電路200可自一帶隙穩壓器電路取得基礎電流I_CTAT與I_PTAT。此外，根據本發明之一實施例，電路子單元210可更包括一或多個電晶體，例如，電晶體M2A與M2B，用以根據基礎電流I_PTAT產生電流I₂₁。電路子單元220可更包括一或多個電晶體，例如，電晶體M2C，用以根據基礎電流I_CTAT產生電流I₂₂。根據本發明之一實施例，電晶體M2A與M2B可為PMOS電晶體，電晶體M2C可為NMOS電晶體。

根據本發明之一實施例，電路子單元230可包括一或多個電流鏡電路，例如，由電晶體M21、M22、M23及M24所組成之電流鏡電路，用以根據電流I₂₃產生電流I’₂₃，其中電流I’₂₃與電流I₂₃具有一定比例關係。電晶體M21、M22、M23及M24之尺寸可依所需之斜率縮放比例適當地被設計，使得電流I₂₃可依需求被放大或縮小。於此實施例中，電晶體M21、M22、M23及M24之尺寸被設計為相等，因此，電流I₂₃大體等於電流I’₂₃，，並且同樣具有第三溫度係數。第3圖中亦顯示有第三基礎溫度係數之一範例圖。如圖所示，於此實施例中，第三基礎溫度係數之斜率的絕對值大於第一基礎溫度係數之斜率的絕對值。根據本發明之一實施例，電晶體M21、M22、M23及M24可為NMOS電晶體。

根據本發明之一實施例，若需要更進一步調整輸出電流之溫度係數的斜率，電流產生電路200可更包括電路子單元240。電路子單元240可包括一或多個電流鏡電路，例如，由電晶體M25、M26、M27及M28所組成之電流鏡電路。電路子單元240與前述電路子單元140類似，在此不再贅述。

根據本發明之一實施例，電流產生電路亦可於電流相減操作前放大或縮小上述之第一電流I₁₁/I₂₁以及/或第二電流I₁₂/I₂₂，使得輸出電流之溫度係數的斜率可更有彈性地被調整。

第4圖係顯示根據本發明之另一實施例所述之電流產生電路之範例電路圖。電流產生電路300可包括電路子單元310、320與330。電路子單元310可包括一電流源以及一斜率調整電路。電流源用以提供具有一第一基礎溫度係數之一第一基礎電流，其中第一基礎電流可為自帶隙穩壓器電路取得之一基礎電流I_CTAT或I_PTAT。斜率調整電路可包括一或多個電流鏡電路，例如，由電晶體M3A、M3B、M3C及M3D所組成之電流鏡電路，用以接收第一基礎電流並基於第一基礎電流產生具有第一溫度係數之第一電流I₃₁，使得第一基礎溫度係數之斜率與第一溫度係數之斜率不同。舉例而言，電晶體M3A及M3B之尺寸被設計為電晶體M3C及M3D之倍數，根據一既定比例放大第一基礎電流，以產生第一電流I₃₁。值得注意的是，電晶體M3A及M3B之尺寸亦可被設計為小於電晶體M3C及M3D之尺寸，用以根據一既定比例縮小第一基礎電流，以產生第一電流I₃₁。根據本發明之一實施例，電晶體M3A、M3B、M3C及M3D可為PMOS電晶體。

根據本發明之一實施例，電路子單元320亦可包括一電流源以及一斜率調整電路。電流源用以提供具有一第二基礎溫度係數之一第二基礎電流，其中第二基礎電流可為自帶隙穩壓器電路取得之另一基礎電流I_PTAT或I_CTAT。斜率調整電路可包括一或多個電流鏡電路，例如，由電晶體M3E及M3F所組成之電流鏡電路，用以接收第二基礎電流並基於第二基礎電流產生具有第二溫度係數之第二電流I₃₂，使得第二基礎溫度係數之斜率與第二溫度係數之斜率不同。根據本發明之一實施例，電晶體M3E及M3F可為NMOS電晶體。

根據本發明之一實施例，電路子單元330可為一電流扣除電路，用以根據電流I₃₁與I₃₂之一差值產生電流I₃₃。電路子單元330與前述電路子單元130類似，在此不再贅述。

值得注意的是，本發明並不限於上述的電路架構。根據本發明之精神，若欲產生具有負溫度係數且斜率之絕對值更大之電流，可將具有負溫度係數之電流減去具有正溫度係數之電流。若欲產生具有正溫度係數且斜率之絕對值更大之電流，可將具有正溫度係數之電流減去具有負溫度係數之電流。此外，若欲更進一步調整輸出電流之溫度係數的斜率，電流產生電路可於電流相減操作前以及/或後任意放大以及/或縮小各對應之電流，使得輸出電流之溫度係數的斜率可更有彈性地被調整。

本發明所提出之電流產生電路，可依不同需求產生具有不同溫度係數的電流，並且可彈性地調整溫度係數的斜率(slope)(或梯度(gradient))，因此，適用於各種需要偵測溫度變化或能反映出溫度變化的電路。舉例而言，根據本發明之一實施例，當本發明所提出之電流產生電路應用於溫度偵測器時，溫度偵測準確度可相應地提升，有效抵抗或補償因製程、電壓及溫度變異對於各電子元件特性所產生的變化，例如，有效抵抗或補償因製程、電壓或溫度變異所導致溫度偵測器之比較器之內在的偏移值(offset)改變。

申請專利範圍中用以修飾元件之“第一”、“第二”等序數詞之使用本身未暗示任何優先權、優先次序、各元件之間之先後次序、或方法所執行之步驟之次序，而僅用作標識來區分具有相同名稱(具有不同序數詞)之不同元件。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種電流產生電路，包括：一第一電路子單元，用以產生具有一第一溫度係數之一第一電流，其中該第一溫度係數為一負溫度係數；一第二電路子單元，用以產生具有一第二溫度係數之一第二電流，其中該第二溫度係數為一正溫度係數；以及一第三電路子單元，用以根據該第一電流與該第二電流之一差值產生具有一第三溫度係數之一第三電流，其中該第三溫度係數之一斜率之一絕對值大於該第一溫度係數之一斜率之一絕對值或該第二溫度係數之一斜率之一絕對值，其中該第三電流為藉由將該第二電流自該第一電流減去，或者將該第一電流自該第二電流減去而得，其中當該第三電流為藉由將該第二電流自該第一電流減去而得時，該第三溫度係數為一負溫度係數，該第三溫度係數之該斜率之該絕對值大於該第一溫度係數之該斜率之該絕對值，並且當該第三電流為藉由將該第一電流自該第二電流減去而得時，該第三溫度係數為一正溫度係數，該第三溫度係數之該斜率之該絕對值大於該第二溫度係數之該斜率之該絕對值。
如申請專利範圍第1項所述之電流產生電路，其中該第一電路子單元包括：一第一電流源，用以提供具有一第一基礎溫度係數之一第一基礎電流；以及一第一斜率調整電路，用以接收該第一基礎電流並基於該第一基礎電流產生該第一電流，使得該第一基礎溫度係數之一斜率與該第一溫度係數之該斜率不同，並且其中該第二電路子單元包括：一第二電流源，用以提供具有一第二基礎溫度係數之一第二基礎電流；以及一第二斜率調整電路，用以接收該第二基礎電流並基於該第二基礎電流產生該第二電流，使得該第二基礎溫度係數之一斜率與該第二溫度係數之該斜率不同。
如申請專利範圍第2項所述之電流產生電路，其中該第一斜率調整電路包括一電流鏡電路，用以根據一第一比例放大或縮小該第一基礎電流，以產生該第一電流，並且其中該第二斜率調整電路包括一電流鏡電路，用以根據一第二比例放大或縮小該第二基礎電流，以產生該第二電流。
如申請專利範圍第1項所述之電流產生電路，更包括：一第四電路子單元，用以接收該第三電流並基於該第三電流產生具有一第四溫度係數之一第四電流，使得該第四溫度係數之一斜率與該第三溫度係數之該斜率不同。
如申請專利範圍第4項所述之電流產生電路，其中該第四溫度係數之一斜率之一絕對值大於該第三溫度係數之該斜率之該絕對值。
如申請專利範圍第4項所述之電流產生電路，其中該第四電路子單元包括一電流鏡電路，用以根據一第三比例放大該第三電流，以產生該第四電流。
如申請專利範圍第1項所述之電流產生電路，更包括：一第一電阻，並且其中該第三電路子單元包括：一電流鏡電路，包括串聯耦接之一第一電晶體與一第二電晶體，其中該第一電阻耦接至該第一電晶體之一汲極，並且該第一電晶體之一閘極與該第二電晶體之一閘極分別耦接於該第一電阻之兩端。