TWI832306B - 溫度補償電路及使用其的半導體積體電路 - Google Patents

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    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
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    • G05F3/30—Regulators using the difference between the base-emitter voltages of two bipolar transistors operating at different current densities

Abstract

本發明提供一種生成經溫度補償的電流的溫度補償電路及使用其的半導體積體電路。本發明的溫度補償電路包含：第一PTAT電流源，具有第一射極面積比，生成具有與絕對溫度成比例的第一溫度係數的第一電流；第二PTAT電流源，具有第二射極面積比，生成具有與絕對溫度成比例的第二溫度係數的第二電流；調整電路，調整由第一PTAT電流源生成的電流；以及差分電路，輸出由調整電路調整後的電流與由第二PTAT電流源生成的電流的差分。

Description

溫度補償電路及使用其的半導體積體電路
本發明涉及一種生成經溫度補償的電流的溫度補償電路，尤其涉及一種利用兩個正比絕對溫度（Proportional-to-absolute-temperature，PTAT）電流源的溫度補償電路。
在記憶體或邏輯電路等半導體裝置中，通常會生成進行了與工作溫度相對應的溫度補償的電壓，利用經溫度補償的電壓使電路運行，由此來維持電路的可靠性。在記憶體電路中，在資料讀出時，若因溫度變化而導致讀出電流降低，則讀出容限降低、無法讀出準確的資料。例如，專利文獻1（日本專利特開2021-82094號公報）中公開有一種電壓生成電路，對基準電壓V REF與溫度相關電壓V PTAT進行比較，根據比較結果來選擇基準電壓V REF或溫度相關電壓V PTAT中的任一者，由此生成可靠性高的電壓。
在類比電路的設計中，定電流電路或定電流源的溫度係數（Temperature coefficient，Tco）在電路設計中經常會成為問題。例如，振盪器包含延遲電路以決定振盪的週期時間（週期），而為了避免電源電壓的變動等造成的延遲時間的電壓相關性，所述延遲電路有時使用定電流電路。然而，定電流電路的溫度係數會相對於溫度而產生延遲時間的變動，因此，振盪器的週期時間被溫度所影響。
本發明的溫度補償電路具有：第一電路，使用第一射極面積的電晶體或者與所述第一射極面積比等價的個數比的二極體來生成第一電流，所述第一電流具有與絕對溫度成比例的第一溫度係數；第二電路，使用第二射極面積的電晶體或者與所述第二射極面積比等價的個數比的二極體來生成第二電流，所述第二電流具有與絕對溫度成比例的第二溫度係數；以及差分電路，輸出所述第一電流與所述第二電流的差分電流。
本發明的半導體積體電路包含：上文記載的溫度補償電路；以及電壓生成電路，根據從所述溫度補償電路輸出的差分電流來生成電壓。
根據本發明，可藉由生成與絕對溫度成比例的溫度係數不同的電流的差分來獲得高精度的溫度補償的電流。
參照圖式，對本發明的實施方式進行詳細說明。本發明的溫度補償電路可在生成基準電壓的電壓生成電路、振盪電路、其他邏輯電路等半導體積體電路中加以利用。
圖1為表示通常的PTAT電流源的結構的圖。PTAT電流源10包含向第一電流路徑及第二電流路徑供給電流I 1及電流I 2的電流鏡電路20、連接於第一電流路徑的NPN型雙極電晶體Q1、連接於第二電流路徑的NPN型雙極電晶體Q2、以及連接於電晶體Q2與接地（Ground，GND）之間的電阻R。電流鏡電路20以輸出的電流I 1變得與電流I 2相等的方式受到控制。另外，二極體連接的電晶體Q1與電晶體Q2的射極面積比以1:n構成（n為射極面積比），電晶體Q1的電流密度為電晶體Q2的n倍。
圖2為表示在圖1所示的PTAT電流源中流通的電流I 1（=I 2）與溫度的關係的圖表，縱軸表示電流（uA），橫軸表示溫度。另外，圖表中示出了射極面積比n為1:2、1:4、1:8的情況下的電流與溫度的關係。電流I 1相對於絕對溫度而具有正溫度係數，電流的大小基本上與射極面積比n成比例。然而，當射極面積比不同時，溫度係數略有不同，因此所述比例是近似的，並不完全成比例。表1示出了圖2的圖表的-45℃至52.5℃的溫度範圍內的射極面積比與溫度係數的關係。隨著射極面積比增大，溫度係數減小。
在本實施例中，利用兩個PTAT電流源、藉由兩者的電流的差分來生成經溫度補償的電流。如上所述，當射極面積比不同時，兩者的溫度係數略有不同，但若是兩者的電流的差分，則有可能成為相對於溫度而幾乎不變化的電流。在優選的實施例中，使兩個PTAT電流源中的其中一者或兩者的電流的大小能進行比例調整，由此，可使差分的電流的溫度係數接近零，從而可生成高精度的溫度補償的電流。
接著，對本實施例的溫度補償電路的詳情進行說明。圖3為表示本發明的實施例的溫度補償電路的結構的圖。本實施例的溫度補償電路100包含第一PTAT電流源110、第二PTAT電流源120、調整電路130及差分電路140而構成，所述第一PTAT電流源110生成具有與絕對溫度成比例的溫度係數的電流I A，所述第二PTAT電流源120生成具有與絕對溫度成比例的溫度係數的電流I B，所述調整電路130將由第一PTAT電流源110生成的電流I A的大小調整為K倍，生成調整後的電流KI A，所述差分電路140輸出調整後的電流KI A與由第二PTAT電流源120生成的電流I B的差分。
第一PTAT電流源110在供給電壓VDD與GND之間包含第一電流路徑及第二電流路徑，第一電流路徑中串聯連接有PMOS電晶體P1和NPN雙極電晶體Q1，第二電流路徑中串聯連接有PMOS電晶體P2、NPN雙極電晶體Q2及電阻R A。電晶體P1、電晶體P2構成鏡射比為1（m=1）的電流鏡，作為向第一電流路徑及第二電流路徑各者流通電流I A的電流源發揮功能。雙極電晶體Q1、雙極電晶體Q2中，各基極共通連接於第一電流路徑，即進行二極體連接，雙極電晶體Q1、雙極電晶體Q2的射極面積比n例如構成為1:2。電阻R A並無特別限定，例如由具有正溫度特性的電阻或者具有負溫度特性的由半導體材料製成的電阻構成。
與第一PTAT電流源110一樣，第二PTAT電流源120在供給電壓VDD與供給電壓GND之間包含第一電流路徑及第二電流路徑，第一電流路徑中串聯連接有PMOS電晶體P3和NPN雙極電晶體Q3，第二電流路徑中串聯連接有PMOS電晶體P4、NPN雙極電晶體Q4及電阻R B。電晶體P3、電晶體P4構成鏡射比為1（m=1）的電流鏡，作為向第一電流路徑及第二電流路徑流通電流I B的電流源發揮功能。雙極電晶體Q3、雙極電晶體Q4中，各基極共通連接於第一電流路徑，即進行二極體連接，電晶體Q3、電晶體Q4的射極面積比n例如構成為1:4。電阻R B構成為具有與電阻R A相同的電阻值（R B=R A）。
調整電路130對由第一PTAT電流源110生成的電流I A的大小進行調整。在本例中，調整電路130包含與PMOS電晶體P1、PMOS電晶體P2構成電流鏡的PMOS電晶體P5，對電晶體P5的鏡射比K（m=K，K為大於1的值）進行調整。鏡射比K的調整方法並無特別限定，例如，調整電路130包含根據從外部供給的調整代碼（Trim Code，TRC）或者預先保存在記憶體等儲存部中的調整代碼TRC來調整鏡射比K的邏輯。例如，調整電路130如圖4（A）所示包含n個電晶體P5並聯連接的多個電晶體P5 1～P5 n，對這些各電晶體串聯連接有開關SW1～開關SWn，根據調整代碼TRC使開關SW1～開關SWn選擇性地導通。由此，導通後的電晶體的汲極電流的合計成為調整後的電流KI A。如此，在電晶體P5的汲極生成電流I A的K倍的鏡射電流（mirror current）K×I A。
差分電路140在供給電壓VDD與供給電壓GND之間包含第一電流路徑和第二電流路徑，第一電流路徑包含與調整電路130的電晶體P5串聯連接的NMOS電晶體N1，來自電晶體P5的電流KI A供給至第一電流路徑。第二電流路徑包含與第二PTAT電流源的電晶體P3、電晶體P4構成電流鏡且鏡射比為1（m=1）的PMOS電晶體P6和串聯連接於PMOS電晶體P6的NMOS電晶體N2，來自電晶體P6的電流I B供給至第二電流路徑。電晶體N1、電晶體N2中，各閘極共通連接於第一電流路徑，構成電流鏡電路。如此，電流I B與電流KI A的差分電流Idiff（I B-KI A）從電晶體P6與電晶體N2的連接節點Q輸出至外部。
電流I A根據NPN雙極電晶體的射極面積比而近似為I B/2，但電流I A的溫度係數（Tco）比電流I B的溫度係數（Tco）大一些。如果以使得電流KI A相對於絕對溫度的溫度梯度與電流I B為相同程度的方式選擇調整電路130的鏡射比K，則能使差分電流Idiff的溫度相關性趨近於0。
圖5為表示在實際的溫度補償電路100中改變鏡射比K時的差分電流Idiff與溫度的關係的圖表。當減小鏡射比K時，電流I B的影響相對增大，因此輸出電流Idiff隨著溫度的上升而朝正增加的方向前進，當增大鏡射比K時，電流KI A的影響相對增大，因此輸出電流Idiff隨著溫度的上升而朝電流降低的方向前進。因此，只要在往正方向變化的範圍與往負方向變化的範圍的中間（例如圖5中以S表示的範圍）選擇鏡射比K，便能使輸出電流Idiff的溫度變化接近零。
如此，根據本實施例的溫度補償電路，藉由利用兩個PTAT電流源的溫度係數的差，可獲得比以往精度更高的經溫度補償的定電流。
在所述實施例中，在第一PTAT電流源110、第二PTAT電流源120中使用了NPN雙極電晶體Q1、NPN雙極電晶體Q2、NPN雙極電晶體Q3、NPN雙極電晶體Q4，但也可將這些電晶體替換為二極體連接的PNP雙極電晶體。進而，也可將NPN雙極電晶體替換為二極體。在此情況下，射極面積比與並聯連接的二極體的個數比等價。
在所述實施例中，是將第一PTAT電流源110的射極面積比設為1:2、將第二PTAT電流源120的射極面積比設為1:4，但所述射極面積比為一例，也可使用其他射極面積比。例如，也可將第一PTAT電流源110的射極面積比設為1:4、將第二PTAT電流源120的射極面積比設為1:8。
在所述實施例中，示出了對由第一PTAT電流源110生成的電流I A進行調整的例子，但也能對由第二PTAT電流源120生成的電流I B進行調整。在此情況下，調整電路130可將與電晶體P3、電晶體P4構成電流鏡的電晶體P6的鏡射比調整為m=K'，並將調整後的電流K'I B提供至差分電路140的第二電流路徑。另外，調整電路130也可調整電流I A和電流I B兩者，並將調整後的電流KI A和電流K'I B提供至差分電路140的第一電流路徑及第二電流路徑。
在所述實施例中，示出了從電晶體P6向差分電路140的第二電流路徑供給電流I B的例子，但電晶體P6並非是必需的，例如，也可將從第二PTAT電流源120的電晶體P4生成的電流I B直接供給至差分電路140。另外，差分電路140的結構為一例，也可為其他電流差分電路。
接著，參照圖6，對本實施例的溫度補償電路的調整電路的變形例進行說明。在所述實施例中，調整電路130為包含構成電流鏡的PMOS電晶體P5的結構，而在本例中，如圖6所示，第一PTAT電流源110包含調整電路130A。除此以外的結構與圖3的結構相同。
在第一PTAT電流源110中，構成電流鏡電路的電晶體P2的鏡射比被調整為K（m=K）。調整電路130A根據調整代碼TRC來調整電晶體P2的鏡射比K（例如圖4（A）所示之類的調整方法），並將調整後的鏡射電流KI A提供至差分電路140。藉由將構成電流鏡的電晶體P5去除，使溫度補償電路100A的結構變得簡易，從而能實現省空間化。
另外，在調整第二PTAT電流源120的電流I B的情況下，也可藉由與上文同樣的方法在第二PTAT電流源120中將構成電流鏡電路的電晶體P4的鏡射比調整為K'，並將調整後的鏡射電流K'I B提供至差分電路140的第二電流路徑。
接著，參照圖7，對本實施例的溫度補償電路的調整電路的另一變形例進行說明。在本變形例的溫度補償電路110B中，調整電路130B藉由改變第一PTAT電流源110的電阻R A和/或第二PTAT電流源120的電阻R B的電阻值來調整與絕對溫度成比例的電流I A及電流I B的大小。
電阻R A/電阻R B為可變電阻，調整電路130B根據調整代碼TRC來改變電阻R A/電阻R B的電阻值。電阻的調整方法任意，例如，調整電路130B如圖4（B）所示在電阻R A的多個接頭位置連接開關SW1、開關SW2～開關SWn，根據調整代碼TRC而選擇性地接通開關SW1～開關SWn而將電阻R A的一部分短路，由此改變電阻值。
在本例中，調整電路130B是對電阻R A/電阻R B進行調整，但若是為了使差分電流Idiff的溫度變化接近零所需要，則調整電路130B也可在電阻R A/電阻R B的調整的同時如圖3或圖6所示同時進行鏡射比K的調整。
接著，參照圖8，對本實施例的溫度補償電路的PTAT電流源的變形例進行說明。第一PTAT電流源110及第二PTAT電流源120是藉由PMOS電晶體的電流鏡電路來控制電流I A、電流I B，可替換為運算放大器電流鏡。第一PTAT電流源110A及第二PTAT電流源120A包含PMOS電晶體P10、PMOS電晶體P11（與電晶體P10同一結構）和運算放大器112，所述PMOS電晶體P10、PMOS電晶體P11連接於供給電壓VDD，所述運算放大器112將節點Node1連接於非反相輸入端子（+）、將節點Node2連接於反相輸入端子（-）、將輸出端子共通連接於電晶體P10、電晶體P11的閘極。運算放大器112以節點Node1的電壓與節點Node2的電壓變得相等的方式控制電晶體P10、電晶體P11的閘極電壓，由此，在第一電流路徑和第二電流路徑中流通相等的電流I A、電流I B。藉由使用運算放大器112，相較於先前的實施例時而言，能在第一電流路徑及第二電流路徑中生成精度高且相等的電流I A/電流I B。
對本發明的優選實施方式進行了詳細敘述，但本發明並不限定於特定實施方式，可以在權利要求書記載的本發明的主旨的範圍內進行各種變形、變更。
10:PTAT電流源 20:電流鏡電路 100、100A、100B:溫度補償電路 110:第一PTAT電流源 110A:第一PTAT電流源 112:運算放大器 120:第二PTAT電流源 120A:第二PTAT電流源 130、130A、130B:調整電路 140:差分電路 I 1、I 2、I A、I B:電流 Idiff:差分電流（輸出電流） KI A、K'I B:調整後的電流（電流） N1、N2:電晶體 Node1、Node2:節點 P1、P2、P3、P4、P5、P6、P10、P11:PMOS電晶體（電晶體） P5 1～P5 n:電晶體 Q1、Q2:NPN型雙極電晶體（NPN雙極電晶體、雙極電晶體、電晶體） Q3、Q4:NPN雙極電晶體（雙極電晶體、電晶體） Q:連接節點 R、R A、R B:電阻 SW1、SW2～SWn:開關 TRC:調整代碼 VDD:供給電壓
圖1為表示通常的PTAT的一例的圖。 圖2為表示在圖1所示的PTAT中流通的電流與溫度的關係的圖表。 圖3為表示本發明的實施例的溫度補償電路的結構的圖。 圖4的（A）及圖4的（B）為表示本發明的實施例的調整電路的一例的圖。 圖5為表示本發明的實施例的輸出電流Idiff與溫度的關係的圖表。 圖6為表示本發明的實施例的溫度補償電路的調整電路的變形例的圖。 圖7為表示本發明的實施例的溫度補償電路的調整電路的另一變形例的圖。 圖8為表示本發明的實施例的溫度補償電路的PTAT電流源的變形例的圖。
100:溫度補償電路
110:第一PTAT電流源
120:第二PTAT電流源
130:調整電路
140:差分電路
IA、IB:電流
Idiff:差分電流(輸出電流)
KIA:調整後的電流(電流)
N1、N2:電晶體
P1、P2、P3、P4、P5、P6:PMOS電晶體(電晶體)
Q1、Q2、Q3、Q4:NPN雙極電晶體
Q:連接節點
RA、RB:電阻
TRC:調整代碼
VDD:供給電壓

Claims (19)

  1. 一種溫度補償電路，包含：第一電路，使用第一射極面積的電晶體或者與所述第一射極面積比等價的個數比的二極體來生成第一電流，所述第一電流具有與絕對溫度成比例的第一溫度係數；第二電路，使用第二射極面積的電晶體或者與所述第二射極面積比等價的個數比的二極體來生成第二電流，所述第二電流具有與絕對溫度成比例的第二溫度係數；以及差分電路，輸出所述第一電流與所述第二電流的差分電流，其中所述第一電路與所述第二電路各自包含第一電晶體、第二電晶體及運算放大器，所述第一電晶體與所述第二電晶體的一端連接於供給電壓，所述運算放大器的非反相輸入端子連接於第一節點，所述運算放大器的反相輸入端子連接於第二節點，所述運算放大器的輸出端子共通連接於所述第一電晶體與所述第二電晶體的閘極，所述運算放大器以使所述第一節點的電壓與所述第二節點的電壓成為相等的方式，控制所述第一電晶體與所述第二電晶體的閘極電壓。
  2. 如請求項1所述的溫度補償電路，其中，所述第一電路的所述第一射極面積比不同於所述第二電路的所述第二射極面積比，所述第一電流與所述第一射極面積比成比例，所述第二電流與所述第二射極面積比成比例。
  3. 如請求項1所述的溫度補償電路，還包含：調整部件，對所述第一電流或所述第二電流的大小進行調整。
  4. 如請求項3所述的溫度補償電路，其中，所述調整部件藉由電流鏡電路來調整所述第一電流或所述第二電流的大小。
  5. 如請求項3所述的溫度補償電路，其中，所述調整部件調整電阻的電阻值。
  6. 如請求項5所述的溫度補償電路，其中，所述調整部件包含多個開關，藉由所述多個開關的每個依據調整代碼被選擇性導通，而改變所述電阻的電阻值。
  7. 如請求項1所述的溫度補償電路，其中，所述第一電路包含供給所述第一電流的第一電流鏡電路作為電流源，所述第二電路包含供給所述第二電流的第二電流鏡電路作為電流源。
  8. 如請求項7所述的溫度補償電路，其中，所述調整部件調整所述第一電流鏡電路或所述第二電流鏡電路的鏡射比。
  9. 如請求項8所述的溫度補償電路，其中，所述調整部件依據調整代碼來調整所述第一電流鏡電路的鏡射比，且經調整後的所述第一電流被供給至所述差分電路。
  10. 如請求項9所述的溫度補償電路，其中，所述調整部件包含與所述第一電流鏡電路或所述第二電流鏡 電路構成電流鏡的第三電晶體，而調整所述第三電晶體的鏡射比。
  11. 如請求項10所述的溫度補償電路，其中，所述調整部件包含與所述第一電流鏡電路或所述第二電流鏡電路構成電流鏡且並聯連接的多個所述第三電晶體及分別串聯連接於多個所述第三電晶體的每個的多個開關，藉由所述多個開關的每個依據調整代碼被選擇性導通，而調整所述第三電晶體的鏡射比。
  12. 如請求項10所述的溫度補償電路，其中，所述差分電路包含第一電流路徑與第二電流路徑，所述第一電流路徑包含與所述調整部件的所述第三電晶體串聯連接的第四電晶體，且被供給有來自所述第三電晶體的電流，所述第二電流路徑包含與所述第二電流鏡電路構成電流鏡的第五電晶體及串聯連接於所述第五電晶體的第六電晶體，且被供給有來自所述第五電晶體的電流，所述第四電晶體的閘極與所述第六電晶體的閘極共通連接於所述第一電流路徑而構成電流鏡。
  13. 如請求項1所述的溫度補償電路，其中，所述電晶體為NPN或PNP雙極電晶體。
  14. 一種半導體積體電路，包含：如請求項1至13中任一項所述的溫度補償電路；以及電壓生成電路，根據從所述溫度補償電路輸出的差分電流來生成電壓。
  15. 一種溫度補償電路，包含：第一正比絕對溫度電路，使用射極面積不同的電晶體或者與所述射極面積比等價的個數比的二極體和第一電阻來生成與絕對溫度成比例的、且具有相對於絕對溫度為正的第一溫度係數的第一電流；第二正比絕對溫度電路，使用射極面積不同的電晶體或者與所述射極面積比等價的個數比的二極體和第二電阻來生成與絕對溫度成比例的、且具有相對於絕對溫度為正的第二溫度係數的第二電流；差分電路，輸出所述第一電流與所述第二電流的差分電流，其中所述第一正比絕對溫度電路的所述第一射極面積比不同於所述第二正比絕對溫度電路的所述第二射極面積比，所述第一電流與所述第一射極面積比近似地成比例，所述第二電流與所述第二射極面積比近似地成比例，所述第一溫度係數和所述第二溫度係數隨著射極面積比的增大而減小；以及調整部件，所述第二正比絕對溫度電路的所述第二射極面積比大於所述第一正比絕對溫度電路的所述第一射極面積比時，所述調整部件調整所述第一電流的大小，使得所述第一電流的溫度梯度近似所述第二電流的溫度梯度。
  16. 如請求項15所述的溫度補償電路，其中，所述第一電阻與所述第二電阻相等。
  17. 如請求項15所述的溫度補償電路，其中， 所述調整部件通過電流鏡電路來調整所述第一電流或所述第二電流的大小。
  18. 如請求項15所述的溫度補償電路，其中，所述第一正比絕對溫度電路包含供給所述第一電流的第一電流鏡電路作為電流源，所述第二正比絕對溫度電路包含供給所述第二電流的第二電流鏡電路作為電流源。
  19. 如請求項15所述的溫度補償電路，其中，所述第一正比絕對溫度電路包含提供所述第一電流作為電流源的第一電流鏡電路，所述第二正比絕對溫度電路包含提供所述第二電流作為電流源的第二電流鏡電路，所述調整部件調整所述第一電流鏡電路或所述第二電流鏡電路的鏡射比。
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