TWI736350B

TWI736350B - 用於能隙參考電壓電路的降壓電路

Info

Publication number: TWI736350B
Application number: TW109122846A
Authority: TW
Inventors: 黃漢翔
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2021-08-11
Also published as: US20220011804A1; US11526189B2; TW202202966A

Abstract

一種用於能隙參考電壓電路的降壓電路，包括第一電晶體、電流鏡電路、分壓電路、輸出電阻及第四電晶體。第一電晶體接收來自能隙參考電壓電路的初始能隙參考電壓。分壓電路連接於第一電晶體及接地端，且具有用於輸出第一分壓的分壓節點。第四電晶體連接於輸出電阻及接地端，且接收第一分壓。電流鏡電路通過第一電晶體於分壓電路上形成第一電流，並將第一電流鏡射至輸出電阻以形成第二電流。分壓電路與輸出電阻具有第一溫度特性，第一電晶體與第四電晶體具有第二溫度特性，從而使輸出節點產生與溫度無關且低於初始能隙參考電壓的參考電壓。

Description

用於能隙參考電壓電路的降壓電路

本發明涉及一種用於能隙參考電壓電路的降壓電路，特別是涉及一種可產生與溫度無關且低於初始能隙參考電壓的參考電壓的用於能隙參考電壓電路的降壓電路。

一般由能隙參考電壓電路產生的電壓均是在1.25V附近，因此，如果要利用能隙參考電壓電路的電壓來產生與溫度無關且低於1V的參考電壓，可採用多種電路來實現。

例如，可利用緩衝器及電阻對能隙參考電壓進行降壓，然而，在尺寸以及耗電上均較大。或者，可利用電壓隨耦器對能隙參考電壓進行降壓，但所產生的參考電壓的溫度特性較差。

再者，亦有通過分壓電阻對能隙參考電壓直接進行分壓，然而，在電阻較小的情形下，可能會影響到能隙參考電壓的特性，而在電阻較大的情形下會增加電路的使用面積。

故，如何通過電路設計的改良，通過簡單的電路來產生與溫度無關的參考電壓，同時克服上述的缺陷，已成為該項事業所欲解決的重要課題之一。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種用於能隙參考電壓電路的降壓電路，可產生與溫度無關且低於初始能隙參考電壓的參考電壓。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是提供一種用於能隙參考電壓電路的降壓電路，其包括第一電晶體、電流鏡電路、分壓電路、輸出電阻及第四電晶體。第一電晶體具有一第一端、一第二端及一第三端，其中該第三端接收來自一能隙參考電壓電路的一初始能隙參考電壓。電流鏡電路，其包括第二電晶體及第三電晶體。第二電晶體，具有一第一端、一第二端及一第三端，其中該第二電晶體的該第一端連接於一電壓源，該第二電晶體的該第二端連接於該第一電晶體的該第一端。第三電晶體，具有一第一端、一第二端及一第三端，其中該第三電晶體的該第一端連接於該電壓源，該第三電晶體的該第二端連接於一輸出節點，該第三電晶體的該第三端連接於該第二電晶體的該第三端，以與該第二電晶體共同形成該電流鏡電路。分壓電路連接於該第一電晶體的該第二端及一接地端之間，其中該分壓電路具有一分壓節點，用於輸出一第一分壓。輸出電阻的一端連接於該輸出節點。第四電晶體具有一第一端、一第二端及一第三端，其中該第四電晶體的該第一端連接於該輸出電阻的另一端，該第四電晶體的該第二端連接於接地端，該第四電晶體的該第三端連接於該分壓節點以接收該第一分壓。其中，該電流鏡電路經配置以通過該第一電晶體於該分壓電路上形成一第一電流，並將該第一電流以一預定倍率通過該第二電晶體及該第三電晶體鏡射至該輸出電阻以形成一第二電流。其中，該分壓電路與該輸出電阻各具有一第一溫度特性，該第一電晶體與該第四電晶體各具有一第二溫度特性，從而使該輸出節點產生與溫度無關且低於該初始能隙參考電壓的一參考電壓。

本發明的其中一有益效果在於，本發明提供的用於能隙參考電壓電路的降壓電路具有簡單的電路架構，同時採用的元件耗電小，面積小，無需設置額外的接腳，亦無需採用外部元件，即可提供與溫度無關且低於初始能隙參考電壓的參考電壓。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“用於能隙參考電壓電路的降壓電路”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

圖1為根據本發明實施例的用於能隙參考電壓電路的降壓電路的電路佈局圖。參閱圖1所示，本發明實施例提供一種用於能隙參考電壓電路的降壓電路1，其包括第一電晶體T1、電流鏡電路CM、分壓電路10、輸出電阻R3及第四電晶體T4。

第一電晶體T1具有第一端、第二端及第三端，其中，第三端接收來自能隙參考電壓電路BG的初始能隙參考電壓VBG。在本實施例中，第一電晶體T1為一雙極性場效電晶體(BJT)，且第一電晶體T1的第一端、第二端及第三端分別為BJT的集極C、射極E及基極B。然而，上述所舉的例子只是其中一可行的實施例而並非用以限定本發明。

電流鏡電路CM包括第二電晶體T2及第三電晶體T3。第二電晶體T2具有第一端、第二端及第三端，其中，第二電晶體T1的第一端連接於一電壓源VDD，第二電晶體T2的第二端連接於第一電晶體T1的第一端（即集極C）。第三電晶體T3具有第一端、第二端及第三端，其中，第三電晶體T3的第一端連接於電壓源VDD，第三電晶體T3的第二端連接於輸出節點No，第三電晶體T3的第三端連接於第二電晶體T3的第三端，以與第二電晶體T2共同形成電流鏡電路CM。然而，本發明不以上述所舉的例子為限。

在本實施例中，電流鏡電路CM可例如為一P型電流鏡電路，換言之，第二電晶體T2及第三電晶體T3均爲P型金氧半場效電晶體（PMOS），第二電晶體T2的第一端、第二端及第三端分別為源極S、汲極D及閘極G，第三電晶體T3的第一端、第二端及第三端亦分別為源極S、汲極D及閘極G。

分壓電路10連接於第一電晶體T1的第二端（即射極E）及接地端GND之間，且分壓電路10具有分壓節點Nd，用於輸出第一分壓V1。詳細而言，分壓電路10可包括第一電阻R1及第二電阻R2，第一電阻R1的一端連接於第一電晶體T1的第二端（即射極E），第一電阻R1的另一端連接於分壓節點No。第二電阻R2的一端連接於分壓節點No，第二電阻R2的另一端連接於接地端GND。

另一方面，輸出電阻R3的一端連接於輸出節點No，第四電晶體T4具有第一端、第二端及第三端，其中，第四電晶體T4的第一端連接於輸出電阻R3的另一端，第四電晶體T4的第二端連接於接地端GND，第四電晶體T3的第三端連接於分壓節點Nd以接收第一分壓V1。

在本實施例中，第四電晶體T4可例如為一P型金氧半場效電晶體(PMOS)，且第四電晶體T4的第一端、第二端及第三端分別為PMOS的源極S、汲極D及閘極G。

基於圖1的電路架構，電流鏡電路CM可通過第一電晶體T1於分壓電路10上形成第一電流I1，並將第一電流I1以一預定倍率，例如n倍，通過第二電晶體T2及第三電晶體T3鏡射至輸出電阻R3以形成第二電流I2。然而，上述所舉的例子只是其中一可行的實施例而並非用以限定本發明。

因此，在降壓電路1運作時，其首先將初始能隙參考電壓VBG減去第一電晶體T1的第三端及第二端之間的跨壓（即BJT的基極B-射極E間電壓）後，再通過分壓電路10中的第一電阻R1及第二電阻R2產生第一分壓V1，進而可獲得第一電流I1，通過電流鏡電路CM鏡射後於輸出電阻R3上產生第二電流I2，而第一分壓V1加上第四電晶體T4的第三端與第一端間的電壓（即是PMOS的閘極G-源極S間電壓）及輸出電阻R3上的跨壓，即可得到於輸出節點No處所產生的參考電壓VREF。換言之，可由下述式(1)表示：

…式(1)；

其中，VBG為初始能隙參考電壓，Vbe為第一電晶體T1的第三端及第二端之間的跨壓（即BJT的基極B-射極E間電壓），Vgsp為第四電晶體T4的第三端與第一端間的電壓（即是PMOS的閘極G-源極S間電壓），I2為第二電流的電流值，R3為輸出電阻的電阻值，K為分壓電路的分壓比例，可由下式(2)表示：

…式(2)；

而第二電流I2可進一步由下式(3)表示：

…式(3)；

其中，n為電流鏡電路CM的預定倍率。

因此，將式(2)代入式(3)，可進一步獲得參考電壓VREF如下式(4)所示：

…式(4)；

其中，a為化簡後的乘數，可由下式(5)表示：

…式(5) ；

需要說明的是，分壓電路10與輸出電阻R3各具有第一溫度特性，而第一電晶體T1與第四電晶體T4各具有第二溫度特性。

如此設計的原因可參考式(4)、(5)，爲了消除參考電壓VREF中的溫度效應，本發明可利用BJT的基極B-射極E間電壓Vbe與第四電晶體T4的閘極G-源極S間電壓Vgsp具有相同的溫度特性來消除

及

項中的溫度效應，並且利用分壓電路10與輸出電阻R3具有相同溫度特性來消除R3/R2項中的溫度效應。

對於採用BJT的第一電晶體T1與採用PMOS的第四電晶體T4而言，第二溫度特性為負溫度特性，因此在參考電壓VREF中，負溫度特性對BJT的基極B-射極E間電壓Vbe的影響係與負溫度特性對該PMOS的閘極G-源極S間電壓Vgsp的影響抵消。

另一方面，對於分壓電路10及輸出電阻R3而言，可使分壓電路10中的第一電阻R1及第二電阻R2採用與輸出電阻R3相同的材質。例如，若第一電阻R1、第二電阻R2及輸出電阻R3其材質所具備的第一溫度特性為負溫度特性，在參考電壓VREF中，負溫度特性對輸出電阻R3的影響係與負溫度特性對第一電阻R1及第二電阻R2的影響抵消，從而使輸出節點No產生與溫度無關且低於初始能隙參考電壓VBG的參考電壓VREF。例如，經設計，可輸入1.5V的初始能隙參考電壓VBG，而獲得低於1V且與溫度無關的參考電壓VREF。

因此，本發明提供的用於能隙參考電壓電路的降壓電路具有簡單的電路架構，同時採用的元件耗電小，面積小，無需設置額外的接腳，亦無需採用外部元件，即可提供與溫度無關且低於初始能隙參考電壓的參考電壓。

請進一步參閱圖2，其為根據本發明另一實施例的用於能隙參考電壓電路的降壓電路的電路佈局圖。在本實施例中，類似的元件以類似的元件符號標示，且由於大部分元件已於上文的實施例中描述，於此省略重複敘述。

在本實施例中，第一電晶體T1為一N型金氧半場效電晶體(NMOS)，且第一電晶體T1的第一端、第二端及第三端分別為NMOS的汲極D、源極S及閘極G。

因此，在圖2的降壓電路1運作時，其首先將初始能隙參考電壓VBG減去第一電晶體T1的第三端及第二端之間的跨壓（即NMOS的閘極G-源極S間電壓）後，再通過分壓電路10中的第一電阻R1及第二電阻R2產生第一分壓V1，進而可獲得第一電流I1，通過電流鏡電路CM鏡射後於輸出電阻R3上產生第二電流I2，而第一分壓V1加上第四電晶體T4的第三端與第一端間的電壓（即是PMOS的閘極G-源極S間電壓）及輸出電阻R3上的跨壓，即可得到於輸出節點No處所產生的參考電壓VREF。然而，上述所舉的例子只是其中一可行的實施例而並非用以限定本發明。

換言之，前述的式(4)中的BJT的基極B-射極E間電壓Vbe可由NMOS的閘極G-源極S間電壓Vgsn取代，進而參考電壓VREF可如下式(6)所示：

…式(6)；

也因此，本實施例可利用NMOS的閘極G-源極S間電壓Vgsn與第四電晶體T4的閘極G-源極S間電壓Vgsp具有相同的溫度特性來消除

及

項中的溫度效應。

對於採用NMOS的第一電晶體T1與採用PMOS的第四電晶體T4而言，第二溫度特性為負溫度特性，因此在參考電壓VREF中，負溫度特性對NMOS的閘極G-源極S間電壓Vgsn的影響係與負溫度特性對該PMOS的閘極G-源極S間電壓Vgsp的影響抵消。

類似的，本實施例亦利用分壓電路10與輸出電阻R3具有相同溫度特性來消除R3/R2項中的溫度效應，從而使輸出節點No產生與溫度無關且低於初始能隙參考電壓VBG的參考電壓VREF。

[實施例的有益效果]

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

1:降壓電路

T1:第一電晶體

CM:電流鏡電路

T2:第二電晶體

T3:第三電晶體

10:分壓電路

R3:輸出電阻

T4:第四電晶體

BG:能隙參考電壓電路

VBG:初始能隙參考電壓

C:集極

E:射極

B:基極

S:源極

D:汲極

G:閘極

GND:接地端

Nd:分壓節點

V1:第一分壓

R1:第一電阻

R2:第二電阻

No:輸出節點

I1:第一電流

I2:第二電流

VREF:參考電壓

VDD:電壓源

圖1為根據本發明實施例的用於能隙參考電壓電路的降壓電路的電路佈局圖。

圖2為根據本發明另一實施例的用於能隙參考電壓電路的降壓電路的電路佈局圖。