TWI700571B - 參考電壓產生裝置 - Google Patents

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Abstract

本揭露是一種參考電壓產生裝置包含一帶隙參考電壓產生電路、一電壓控制電流源、一電流鏡電路、一輸入電壓產生電路以及一電壓控制電壓源。該帶隙參考電壓產生電路用來產生一帶隙參考電壓。該電壓控制電流源用來依據該帶隙參考電壓產生一參考電流。該電流鏡電路用來依據該參考電流產生一鏡射電流。該輸入電壓產生電路用來依據該鏡射電流決定一輸入電壓。該電壓控制電壓源用來依據該輸入電壓產生一參考電壓。據上所述，該參考電壓是藉由電壓至電流轉換以及電壓至電壓轉換而產生，因此該鏡射電流可以相當準確而不受該參考電壓的影響，從而該參考電壓也能相當準確。

Description

參考電壓產生裝置
本發明是關於電壓產生裝置，尤其是關於參考電壓產生裝置。
當電路需要參考電壓時，目前的參考電壓產生裝置會藉由下述方式來產生參考電壓：將帶隙參考電壓（band gap reference voltage）電路所產生的無溫度係數帶隙參考電壓除以一固定電阻，以得到相關於該固定電阻之溫度係數的參考電流；令電流鏡（current mirror）電路依據該參考電流產生合適的鏡射電流；以及令該鏡射電流流經與該固定電阻同型態的參考電阻，以得到與該參考電阻之溫度係數無關的參考電壓。上述方式不但可以避免不同電路之接地電位（例如：該固定電阻所耦接之接地電位與該參考電阻所耦接之接地電位）的差異所造成的誤差，亦可得到與電阻之溫度係數無關的參考電壓。
然而，上述的參考電壓產生裝置中，若依據該鏡射電流與該參考電阻所產生的該參考電壓過高，該過高的參考電壓可能會影響該電流鏡電路中該鏡射電流所流過的金氧半場效電晶體（MOSFET）的汲極至源極電壓|V DS|，從而影響該金氧半場效電晶體的工作點，影響該鏡射電流準確性，進而影響該參考電壓之準確性。
本發明之一目的在於提供一種參考電壓產生裝置，以避免先前技術的問題。
本發明之參考電壓產生裝置的一實施例包含一帶隙參考電壓產生電路、一電壓控制電流源、一電流鏡電路、一輸入電壓產生電路以及一電壓控制電壓源。該帶隙參考電壓產生電路用來產生一帶隙參考電壓。該電壓控制電流源用來依據該帶隙參考電壓產生一參考電流。該電流鏡電路用來依據該參考電流產生一鏡射電流。該輸入電壓產生電路用來依據該鏡射電流決定一輸入電壓。該電壓控制電壓源用來依據該輸入電壓產生一參考電壓。據上所述，該參考電壓是藉由電壓至電流轉換以及電壓至電壓轉換而產生，因此該鏡射電流可以相當準確而不受該參考電壓的影響，從而該參考電壓也能相當準確。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。
本發明之揭露內容包含參考電壓產生裝置。本發明之參考電壓產生裝置能夠避免該參考電壓產生裝置所產生的參考電壓影響該參考電壓產生裝置之工作區間，從而確保該參考電壓的準確性。
圖1顯示本發明之參考電壓產生裝置的一實施例。圖1之參考電壓產生裝置100包含一帶隙參考電壓（band gap reference voltage）產生電路110、一電壓控制電流源（voltage control current source, VCIS）120、一電流鏡電路130、一輸入電壓產生電路140以及一電壓控制電壓源（voltage control voltage source, VCVS）150。
請參閱圖1。帶隙參考電壓產生電路110耦接於電壓控制電流源120與一第一接地端GND1之間，用來輸出一帶隙參考電壓V BG給電壓控制電流源120；由於帶隙參考電壓產生電路110本身可為已知或自行開發的電路，其細節在此省略。電壓控制電流源120耦接於電流鏡電路130與該第一接地端GND1之間，用來依據該帶隙參考電壓V BG產生一參考電流I REF；由於電壓控制電流源120本身可為已知或自行開發的電路（例如：將該帶隙參考電壓V BG除以一固定電阻的電路），其細節在此省略。電流鏡電路130耦接於一第一工作電壓端V DD1與電壓控制電流源120之間，並耦接於該第一工作電壓端V DD1與輸入電壓產生電路140之間，電流鏡電路130用來依據該參考電流I REF產生一鏡射電流I MR；電流鏡電路130的一實作範例說明於後。輸入電壓產生電路140耦接於電流鏡電路130與一第二接地端GND2之間，用來依據該鏡射電流I MR決定一輸入電壓V IN；本實施例中，輸入電壓產生電路140為電阻，該輸入電壓V IN等於或近似於該鏡射電流I MR乘以輸入電壓產生電路140之電阻值，且輸入電壓產生電路140是一固定電阻或一可調電阻，可使構成電流鏡電路130之至少二電晶體的汲極至源極電壓V DS相同或相仿；在實施為可能的前提下，輸入電壓產生電路140可以是電阻以外的電路。電壓控制電壓源150耦接於一第二工作電壓端V DD2與一第三接地端GND3之間，用來依據該輸入電壓V IN產生一參考電壓V REF；電壓控制電壓源150的一實作範例說明於後。值得注意的是，上述第一工作電壓端V DD1與上述第二工作電壓端V DD2之電壓可相同或不同，上述接地端GND1、GND2與GND3之任二個的電壓可相同或不同。
請參閱圖1。於一實作範例中，參考電壓產生裝置100位於同一電源領域（power domain），該第一工作電壓端V DD1與該第二工作電壓端V DD2的電壓相同，該些接地端GND1、GND2與GND3之任二個的電壓可相同或不同。於另一實作範例中，帶隙參考電壓產生電路110、電壓控制電流源120、電流鏡電路130以及輸入電壓產生電路140位於一第一電源領域，電壓控制電壓源150位於一第二電源領域，因此，相較於先前技術之參考電壓會受限於電流鏡電路所屬之電源領域的最大工作電壓，本實作範例之電壓控制電壓源150所產生的參考電壓V REF可不受限於該第一電源領域之最大工作電壓；舉例而言，該第一工作電壓端V DD1的電壓（例如：2.5V）為該第一電源領域的最大工作電壓，該第二工作電壓端V DD2的電壓（例如：3.3V）為該第二電源領域的最大工作電壓，該第一工作電壓端V DD1的電壓小於該第二工作電壓端V DD2的電壓，因此該參考電壓V REF在不超過該第二工作電壓端V DD2的電壓的前提下，可以大於該第一工作電壓端V DD1的電壓（例如：2.5V＜V REF£3.3V），從而參考電壓產生裝置100可提供該較高的參考電壓給有需要的電路。值得注意的是，該第一電源領域的最小工作電壓（例如：接地端GND1或GND2的電壓）可等於或不等於該第二電源領域的最小工作電壓（例如：接地端GND3的電壓）。
圖2顯示圖1之電流鏡電路130的一實施例。如圖2所示，電流鏡電路130包含一第一PMOS電晶體210與一第二PMOS電晶體220。第一PMOS電晶體210耦接於該第一工作電壓端V DD1與電壓控制電流源120之間，第二PMOS電晶體220耦接於該第一工作電壓端V DD1與輸入電壓產生電路140之間，第一PMOS電晶體210的閘極、第二PMOS電晶體220的閘極以及第一PMOS電晶體210的汲極耦接在一起。在輸入電壓產生電路140之電阻值被適當地設定的情形下，第一PMOS電晶體210的汲極至源極電壓V DS1與第二PMOS電晶體220的汲極至源極電壓V DS2可相等或相近，從而該參考電流I REF與該鏡射電流I MR會按第一PMOS電晶體210與第二PMOS電晶體220的尺寸比例而成比例（例如：當第一PMOS電晶體210與第二PMOS電晶體220之尺寸相同時，I REF=I MR），使得該輸入電壓V IN及該參考電壓V REF均準確地為所需要的電壓。值得注意的是，本領域具有通常知識者知道電流鏡電路130能夠以NMOS電晶體來實現，也能夠在上述情形下依據本發明之揭露推導出如何適當地調整參考電壓產生裝置100的架構，因此，類似的說明在此省略。另值得注意的是，在實施為可能的前提下，其它已知或自行開發的電流鏡電路也可作為電流鏡電路130。
圖3顯示圖1之電壓控制電壓源150之的一實施例。如圖3所示，電壓控制電壓源150包含一放大器（例如：誤差放大器）310以及一參考電壓輸出電路320。放大器310包含一正輸入端、一負輸入端與一輸出端，該正輸入端用來接收該輸入電壓V IN，該負輸入端用來接收一回授電壓V FB，該輸出端用來輸出一輸出電壓V OUT。參考電壓輸出電路320用來依據該輸出電壓V OUT以及一回授比b產生該參考電壓V REF與該回授電壓V FB，其中該回授電壓V FB等於或近似於該參考電壓V REF乘以該回授比b（亦即V FB=V REF´b或V FB»V REF´b）；更詳細地說，基於放大器310之虛擬短路的特性，該回授電壓V FB會趨近該輸入電壓V IN，因此，在該輸入電壓V IN固定的情形下，當該回授比b愈小，該參考電壓V REF愈大，當該回授比b愈大，該參考電壓V REF愈小。
圖4顯示圖3之參考電壓輸出電路320的一實施例。如圖4所示，參考電壓輸出電路320包含一輸出電晶體410以及一回授電路420。輸出電晶體410耦接於前述第二工作電壓端V DD2與回授電路420之間，用來依據該輸出電壓V OUT決定輸出電晶體410的導通狀態，更詳細地說，若該輸出電晶體410為一PMOS電晶體，當該輸入電壓V IN大於該回授電壓V FB，該輸出電壓V OUT為正電壓，電晶體410不導通，從而該參考電壓V REF會經由回授電路420被放電而被拉低；當該輸入電壓V IN小於該回授電壓V FB，該輸出電壓V OUT為負電壓，電晶體410導通，從而該參考電壓V REF會因該第二工作電壓端V DD2之電壓而被拉高。回授電路420耦接於輸出電晶體410與前述第二接地端GND3之間，並耦接放大器310的負輸入端，回授電路420用來依據該輸出電晶體410之導通狀態與該回授比b，產生該參考電壓V REF與該回授電壓V FB；於一實作範例中，回授電路420是一可調電阻電路包括一第一電阻與一第二電阻（例如：圖5之可調電阻電路510的第一部分512與第二部分514），該第一電阻與該第二電阻的電阻值比例決定該回授比。
值得注意的是，在實施為可能的前提下，其它可已知或自行開發的電壓控制電壓源也可作為圖1之電壓控制電壓源150。另外，在實施為可能的前提下，本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施前述任一實施例中部分或全部技術特徵，或選擇性地實施前述複數個實施例中部分或全部技術特徵的組合，藉此增加本發明實施時的彈性。
綜上所述，本發明之參考電壓產生裝置藉由電壓至電流轉換以及電壓至電壓轉換來避免該參考電壓產生裝置所產生的參考電壓影響到該參考電壓產生裝置的工作區間，從而確保該參考電壓的準確性；另外，本發明之參考電壓產生裝置可運作於複數個電源領域，以增加設定該參考電壓的彈性。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
100:參考電壓產生裝置 110:帶隙參考電壓產生電路 120:電壓控制電流源 130:電流鏡電路 140:輸入電壓產生電路 150:電壓控制電壓源 GND1、GND2、GND3:接地端 VBG:帶隙參考電壓 IREF:參考電流 VDD1:第一工作電壓端 IMR:鏡射電流 VIN:輸入電壓 VDD2:第二工作電壓端 VREF:參考電壓 210:第一PMOS電晶體 220:第二PMOS電晶體 310:放大器 320:參考電壓輸出電路 VFB:回授電壓 VOUT:輸出電壓 410:輸出電晶體 420:回授電路 510:可調電阻電路 512:可調電阻電路的第一部分 514:可調電阻電路的第二部分
［圖1］顯示本發明之參考電壓產生裝置的一實施例； ［圖2］顯示圖1之電流鏡電路130的一實施例； ［圖3］顯示圖1之電壓控制電壓源150之的一實施例； ［圖4］顯示圖3之參考電壓輸出電路320的一實施例；以及 ［圖5］顯示圖5之回授電路的一實施例。
100:參考電壓產生裝置
110:帶隙參考電壓產生電路
120:電壓控制電流源
130:電流鏡電路
140:輸入電壓產生電路
150:電壓控制電壓源
GND1、GND2、GND3:接地端
VBG:帶隙參考電壓
IREF:參考電流
VDD1:第一工作電壓端
IMR:鏡射電流
VIN:輸入電壓
VDD2:第二工作電壓端
VREF:參考電壓

Claims (10)

  1. 一種參考電壓產生裝置，包含：一帶隙參考電壓產生電路，用來產生一帶隙參考電壓；一電壓控制電流源，用來依據該帶隙參考電壓產生一參考電流；一電流鏡電路，用來依據該參考電流產生一鏡射電流；一輸入電壓產生電路，用來依據該鏡射電流決定一輸入電壓；以及一電壓控制電壓源，用來依據該輸入電壓產生一參考電壓，其中該帶隙參考電壓產生電路、該電壓控制電流源、該電流鏡電路以及該輸入電壓產生電路位於一第一電源領域，該電壓控制電壓源位於一第二電源領域。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之參考電壓產生裝置，其中該電流鏡電路包含一第一電晶體與一第二電晶體，該第一電晶體耦接於該第一電源領域的一最大工作電壓端與該電壓控制電流源之間，該第二電晶體耦接於該最大工作電壓端與該輸入電壓產生電路之間，該第一電晶體的閘極、該第二電晶體的閘極以及該第一電晶體的汲極耦接在一起，該最大工作電壓端的電壓為該第一電源領域的最大工作電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之參考電壓產生裝置，其中該第一電源領域的最大工作電壓小於該第二電源領域的最大工作電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之參考電壓產生裝置，其中該參考電壓大於該第一電源領域的最大工作電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之參考電壓產生裝置，其中該輸入電壓產生電路的電阻值是可調的。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之參考電壓產生裝置，其中該電流鏡電路包含一第一PMOS電晶體與一第二PMOS電晶體，該參考電流流過第一PMOS電晶體，該鏡射電流流過該第二PMOS電晶體，該第一PMOS電晶體與該第二PMOS電晶體的汲極至源極電壓相同。
  7. 一種參考電壓產生裝置，包含：一帶隙參考電壓產生電路，用來產生一帶隙參考電壓；一電壓控制電流源，用來依據該帶隙參考電壓產生一參考電流；一電流鏡電路，用來依據該參考電流產生一鏡射電流；一輸入電壓產生電路，用來依據該鏡射電流決定一輸入電壓；以及一電壓控制電壓源，用來依據該輸入電壓產生一參考電壓，該電壓控制電壓源包含：一放大器，包含一正輸入端、一負輸入端與一輸出端，該正輸入端用來接收該輸入電壓，該負輸入端用來接收一回授電壓，該輸出端用來輸出一輸出電壓；以及一參考電壓輸出電路，用來依據該輸出電壓以及一回授比產生該參考電壓與該回授電壓，該參考電壓輸出電路包含：一輸出電晶體，用來依據該輸出電壓決定該輸出電晶體之導通狀態；以及一回授電路，用來依據該輸出電晶體之導通狀態與該回授比，產生該參考電壓與該回授電壓，其中該輸出電晶體耦接於一最大工作電壓端與該回授電路之間，以及該回授電路耦接於該輸出電晶體與一接地端之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之參考電壓產生裝置，其中該回授電壓等於該參考電壓乘以該回授比。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之參考電壓產生裝置，其中該回授電路包含一第一電阻與一第二電阻，該第一電阻與該第二電阻之電阻值比例決定該回授比。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之參考電壓產生裝置，其中該第一電阻與該第二電阻包含於一可調電阻電路中。
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