TW200803131A - Generation circuit of reference voltage - Google Patents

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200803131 » 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關-種參考電壓產生電路，制是_一種能根 據需要調整輸出電壓且幾乎無關溫度變化的參考電壓產生電路。 5 【先前技術】 在電子電財，時常需要參考電壓產生器供應—穩定的參考 電壓。圖1係一傳統的參考電壓產生器10，其包括一能隙參考電 壓電路12供應無關溫度變化的電壓Vbg，電阻則及咫串聯在參 1〇考電壓Vref及接地GND之間，當PM0S電晶體16操作於飽和區時， 運异放大器14透過電阻R1形成負回授，所以電壓Vfb等於電壓 Vbg ’因此參考電壓vref的大小就取決於電阻R1及R2以及電壓 Vbg。在參考電壓產生器1〇中，參考電壓Vref的大小可以達到 (VDD-Vsd)，其中，VDD為電源電壓，而Vsd為PM0S電晶體16的源 15極與汲極之間的壓差，但PM0S電晶體16的源極係連接至電源電 壓VDD ’由於源極與閘極之間有追隨的現象，故當電源電壓 、 中有雜訊時，將使PM0S電晶體16閘極上的信號Vg也受到雜訊的 影響，導致PM0S電晶體16進入三極管（triode)區，進而影響到 參考電壓Vref，換言之，參考電壓產生器10具有較差的電源供應 20 抑制率（Power Supply Rejection Ratio; PSRR)。 為了提高參考電壓產生器10的PSRR能力，如圖2所示的參 200803131 考電壓產生器20，一般係將PM0S電晶體16換成NM0S電晶體22， 電源電壓VDD連接NM0S電晶體22的沒極，因此電源電壓vdd中 的雜訊並不影響NM0S電晶體22閘極上的信號Vg，是以參考電壓 產生器20具有較好的PSRR，然而，由於信號Vg與參考電壓Vref 之間有追隨關係，Vg=Vref+Vth，其中Vth係NM0S電晶體22的臨 界電壓，因此，若NM0S電晶體22要維持在飽和區，則參考電壓

Vref必須小於(麵-Vsd-Vth)，假如電壓電壓VDD的最低工作電壓 為3V，而所需的參考電壓Vref為2·5ν時，參考電壓產生器加 便不適用。 圖3係根據參考電壓產生器10利用電腦軟體所設計的電路， 其中能隙參考電壓電路30對應圖i中的能隙參考電壓電路12，比 例電壓產生器32對應圖1中運算放大器14、PM0S電晶體16、電 阻R1及R2所組成的放大電路，電路34及36則是輸出緩衝器。 15 圖4係圖3巾能隙參考電壓電路30的輸丨電壓Vbg在不同頻率下 的PSRR模擬圖，其中χ軸係頻率，γ軸係電壓的诎值。圖5係圖 3中比例電壓產生！ 32輸出的電壓聰及爾在不同頻衬的 核擬圖，其中X轴係頻率，γ軸係電壓的DB值，曲線38係 電壓vim ’曲線39係電壓職丨。圖6細中輪出緩衝器料輸 出的參考電壓vrt的爾模_，其中χ轴係頻率，γ轴係電壓 的DB值。圖7係圖3中輸出緩衝

輸出的參考電壓聰的PSRR 模擬圖，其中χ軸係頻率，γ軸 你电氩的DB值。《 4顯示能隙參 6 20 200803131 • 1 考電壓電路30所輸出的電壓Vbg的DB值最大是在-28左右，而電 壓Vbg經比例電壓產生器32放大後所得的電壓VRT1及VRM的邡 值最大分別為-4及-6左右，如圖5所示，所以，能隙參考電壓電 路30的PSRR雜比例電壓產生||32良好，因此，若能直接由能 5隙參考電壓電路3G提供參考電壓聰及娜卜應能得到具有良 •好爾的參考電壓VRT及讎。然而，雖然能隙參考電壓電路具 有較佳的PSRR以及能提供無關溫㈣化的穩定電壓之優點，^ 是，習知的能隙參考電壓電路係利用雙極性電晶體來產生電壓， 即使適當的設計雙極性電晶體可以提供無關溫度變化的電壓，作 10習知的能隙參考電壓電路僅能供應1.23V左右的電壓。 — 因此，一種能根據需要調整輸出電壓的參考電壓產生電路， 乃為所冀。 【發明内容】 15本發_目的之―，在於提出—魏根據需要調整輸出電壓 的參考電壓產生電路。 、根據本發明，-種參考電壓產生電路包括—雙極性電晶體接 成-一極體，-電岐接在該參考賴產生電路的輸出端及雙極 性電晶體之間’-第-電流源供應—具有正溫度係數的第一電流 至該電阻，以及-第二電流源，供應一具有負溫度係數的第二: 流至該電阻。 7 200803131 由於本發明增加了具有負溫度係數的該第二電流至該電阻， 因此，本發明可藉由調整第一及第二電流與電阻得到所需要且幾 乎無關溫度變化的參考電壓。 5【實施方式】 圖8係本發明的實施例，在參考電壓產生電路4〇中，自偏電 路401供應電流Iptat ’ PM0S電晶體402及雙極性電晶體明串聯 在電源電壓VDD及接地GND之間，pm〇S電晶體404、電阻R3及雙 極性電晶體Q4串聯在電源電壓vdd及接地GND之間，PMOS電晶體 10 414接成一電容，連接在參考電壓產生電路40的輸出端，以穩定 參考電壓Vref，其中PM0S電晶體402及404鏡射電流Iptat分別 產生電流12及II。在自偏電路401中，PMOS電晶體406及408 與NMOS電晶體410及412形成兩個串疊（cascode)的電流鏡，雙 極性電晶體Q1經電阻R1連接NM0S電晶體412，雙極性電晶體Q2 u則連接NM0S電晶體410，又NM0S電晶體410及412組成電流鏡， 因此節點A及B的電位相等，故可求得通過電阻w的電流

Iptat=(Veb2-Vebl)/Rl 公式 1 20其中，Vebl係雙極性電晶體qi的射極與基極之間的壓差，Veb2 係雙極性電晶體Q2的射極與基極之間的壓差。雙極性電晶體Q1 8 200803131

及Q2各接成一二極體，根據PNP 雙極性晶體的二極體電流公式 15 而

Id=IseffxeVeb/nVt

Iseff=AREA><Is 公式3

Vt=kxT/q 公式4 其中’ Iseff係飽和電流’ AREA係雙極性電晶體的pN才矣 Is係雙極性電晶體的單位面積飽和電流，Vt是埶 n电壓，k係油 曼(Boltzman)常數，q係1電子的電荷量，τ係絕對、、地 於1〜2之間的常數。根據公式2可得 積 為介 公式5

Veb2-Vebl=nVtxln(Iseffl/Iseff2) 其中，Iseffl係電晶體Q1的飽和電流，Iseff2係電晶體Q2的飽 和電流。將公式3及4代入公式5中可得

Veb2-Vebl=[nxkxTx 1 n(AREA1 /AREA2)]/q 公式 6 200803131 其中’ AREA1係雙極性電晶體Q1的尺寸，ARea2係雙極性電晶體 Q2的尺寸，兩個雙極性電晶體的參數Is是相同的。將公式6代入 公式1可得電流 5

Iptat=[nxkxTxln(AREAl/AREA2)]/(qxRl) 公式 7 其中，n、k、ln(AREAl/AREA2)、q及R1均為定值，因此，當絕對 飢度T上升時，電流iptat將隨著增加，故電流iptat具有正溢 10度係數。 另一方面，PM0S電晶體404及408連接形成一電流鏡，以鏡 射電流Iptat產生電流II至電阻R3,其中PM〇s電晶體4〇4與4〇8 的尺寸比為N : 1，故電流iLlptat，PM0S電晶體402及408 連接开>成一電流鏡，以鏡射電流Iptat產生電流η，其中pM〇s 15電晶體402及408的尺寸比為Μ : 1，故電流i2=MxIptat，電阻R2 連接在雙極性電晶體Q3的射極與基極之間，其上的電流為

Intat=Veb3/R2 、 ^ 。 公式8 20其中，Veb3係雙極性電晶體q3射極與基極之間的壓差。根據 雙極性電晶體的特性，PNP雙極性電晶體Q3射極與基極之間的壓 200803131 差Veb3係隨溫度上升而降低，換言之，電壓Veb3具有負溫度係 數，故電流Intat也具有負溫度係數。又根據雙極性電晶體的電 流公式可得知，雙極性電晶體q3的基極電流

Ib=(I2-Intat)/(/3+l) 公式 9 將公式8代入公式9可得

Ib=Mx Iptat/( β +1 )-Veb3/ [ (/3 +1 )xR2 ] 公式 10 其中，/5係雙極性電晶體Q3的電流增益。參考電產生壓電路 輪出的參考電壓 公式11

Vref=VR3+Veb4 15 其中，VR3係電阻R3上的跨壓，veb4係雙極性電晶體q4的射極 與基極之間的壓差。又 公式12 VR3=ItotalxR3 而通過電阻R3的電流 11 20 200803131 I total=11+Intat+ Ib=Nx Iptat+ Intat+ lb 公式 13 將公式7、8及10代入公式13可得

nxkxTxlnC

Itotal = Nx AREA1AREA2 qxRl

Veb3 公式14

MxIptat__Jeb3^ + ~^+T_ (^ + 1)xR2 再將公式12及14代入公式11可得參考電壓 nxkxTxlnC^M)

Vref = Veb4 + [N x--4EEA2 ( Veb3

QxRl R2 公式 15

+ Mxlptat Veb3 β + l C^ + l)xR2J 從公式15可看出，只要調整電阻町、咫及肋以及尺寸比 便能調整參考電壓Vref。 圖9顯示利用電腦軟體設計的電路，其中電路5〇係根據圖8 15的參考電壓產生電路40所設計的，電路52及54則是輸出緩衝器。 圖10及圖11是根據圖9的電路所做的模擬圖。圖1〇中最上面^所 12 200803131 示的曲線6G係圖9電路5G所輸出的參考電壓聰在不同田 的模擬圖，巾崎_㈣是· 5Q所輪㈣參考電 在不同溫度時的模擬圖’最下面的曲線64是將曲線6。減去曲線 62後所得_線，其中，χ軸表示溫度，γ轴表示賴值。從圖 10的模擬财可看出，參考電壓聰約為1·5V，參考電壓則 約為2.4V，兩者都高於f知的123V，而且幾乎不受溫度影響。 圖11中上面的曲線7(H系電路50所輸出的參考電壓侧在不同 頻率下的PSRR模擬圖，下面的曲線72係電路5〇所輸出的參考電 壓VRT1在不同頻率下的pSRR模擬圖，其中，χ軸為頻率，γ軸為 電壓的DB值。從圖η中可看出，參考電壓麵及刪的娜 至少都有-28dB。所以’本發_參考電壓產生電路不但具有良好 的PSRR能力，並可以根_要調整所輸㈣幾乎無關溫度變化之 參考電壓。 15【圖式簡單說明】 圖1係習知的參考電壓產生器； 圖2係另一習知的參考電壓產生器； 圖3顯示利用電腦軟體設計的電路； 圖4係® 3中能隙參考電壓電路3〇的輸出電壓㈣的朽服 20模擬圖； 圖5係圖3中比例電壓產生器32輸出的電壓VRT1及呢扮的 13 200803131 PSRR模擬圖； 圖6係圖3中參考電壓VRT的PSRR模擬圖； 圖7係圖3中參考電壓VRB的PSRR模擬圖； 圖8係本發明的實施例； 5 圖9顯示利用電腦軟體設計的電路； 圖10係圖9中參考電壓VRB及VRT在不同溫度時的模擬圖； 以及 圖11係圖9中參考電壓VRB及VRT在不同頻率下的psRR樓 擬圖。 10 【主要元件符號說明】 10 參考電壓產生器 12 能隙參考電壓電路 14 運算放大器 15 16 PM0S電晶體 20 參考電壓產生器 22 電晶體 30 能隙參考電壓電路 32 比例電壓產生器 20 34 輸出緩衝器 36 輸出緩衝器 200803131 38 電壓VRT1的曲線 39 電壓VRB1的曲線 40 參考電壓產生電路 401 自偏電路 5 402 PMOS電晶體 404 PMOS電晶體 406 PMOS電晶體 408 PMOS電晶體 410 NM0S電晶體 ίο 412 丽0S電晶體 414 PMOS電晶體 50 參考電壓產生電路 52 輸出缓衝器 54 輸出缓衝器 is 60 參考電壓VRB1的曲線 - 62 參考電壓VRT1的曲線 64 曲線60減去曲線62後所得的曲線 70 參考電壓VRB1的曲線 72 參考電壓VRT1的曲線 15

Claims (1)

1. 200803131 十、申請專利範圍： “種’考電壓產生電路，㈣供應—域溫度變化的參考 電壓在-輸出端，該參考電壓產生電路包括： 5 雙極性電晶體’接成—二極體； ’連接在該輪出端及雙極性電晶體之間； ’供應—具有正溫度係數的第—電流至該電 阻性兀件；以及 ^ 一第-電流源，供應—具有負溫度係數的第二電流 阻性元件。 电 10 2·如魏項1之參考電壓產生電路，其巾該第-電流源包括： 第一雙極性電晶體，接成一二極體，該第二雙極性電晶 體的射極與基極之間具有一第一壓差； 一第二雙極性電晶體，接成一二極體，該第三雙極性電晶 體的射極與基極之間具有一第二壓差； 15 一第二電阻性元件，根據該第一及第二壓差之間的差值大 小產生一具有該正溫度係數的第三電流；以及 一電流鏡，鏡射該第三電流產生該第一電流。 3·如請求項丨之參考電壓產生電路，其中該第二電流源包括： 一第二雙極性電晶體，具有一射極、一集極及一基極連接 20 該電阻性元件；以及 一第二電阻性元件，連接在該第二雙極性電晶體的射極及 基極之間，根據該第二雙極性電晶體的射極及基極之 間的壓差產生該第二電流。 16