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TW202021267A - 帶差電壓參考電路 - Google Patents

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TW202021267A TW108137493A TW108137493A TW202021267A TW 202021267 A TW202021267 A TW 202021267A TW 108137493 A TW108137493 A TW 108137493A TW 108137493 A TW108137493 A TW 108137493A TW 202021267 A TW202021267 A TW 202021267A
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陳致均
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Abstract

一種帶差電壓參考電路包含放大器，電壓緩衝器，第一電晶體，第一電阻，第二電晶體，第二電阻及漏電流補償元件。該放大器之輸入端分別耦接於第一參考端及第二參考端。該電壓緩衝器耦接於該放大器之輸出端以輸出帶差參考電壓。該第一電晶體耦接於該第一參考端及該第一電阻，及可接收該帶差參考電壓。該第二電阻耦接於該第一電阻及系統電壓端。該第二電晶體耦接於該第二參考端及該第一電阻，及可接收該帶差參考電壓。該漏電流補償元件耦接於該第二電晶體及該系統電壓端。該第一電晶體大於該第二電晶體。

Description

帶差電壓參考電路
本發明係關於帶差電壓參考電路，尤指一種具修正電壓失真能力之帶差電壓參考電路。
帶差電壓參考電路係廣泛用於積體電路中，用以產生固定電壓（帶差參考電壓）。帶差電壓參考電路產生的固定電壓可不因電源供應變動、溫度變化及來自裝置之電路負載等因素所影響，且可作為電荷泵之參考電壓，從而提供系統所須之其他高電壓。因此，帶差參考電壓之穩定度對系統而言，至為關鍵。
於先前技術中，帶差電壓參考電路雖可於一定的溫度範圍內提供穩定之帶差參考電壓，但當溫度達到門檻值，帶差參考電壓之失真將變為顯著。第1圖係先前技術中，帶壓參考電壓及溫度之關係圖。如第1圖，當溫度介於-45°C 及155°C之間，帶壓參考電壓可為穩定值，約為1.044伏特。然而，當溫度高於155°C，帶壓參考電壓會急遽上升而不穩定，此係因內部漏電流導致系統不穩定所致。
實施例提供一種帶差電壓參考電路。該帶差電壓參考電路包含一第一電流源，一第二電流源，一放大器，一電壓緩衝器，一第一電晶體，一第二電晶體，一第一電阻，一第二電阻及一漏電流補償元件。
該第一電流源耦接於一第一參考端，用以提供一第一電流。該第二電流源耦接於一第二參考端，用以提供一第二電流。
該放大器具有一第一輸入端耦接於該第一參考端，一第二輸入端耦接於該第二參考端，及一輸出端。該電壓緩衝器耦接於該放大器之該輸出端，用以輸出一帶差參考電壓。
該第一電晶體具有一第一端用以接收該第一電流，一第二端，及一控制端用以接收該帶差參考電壓。該第一電阻具有一第一端耦接於該第一電晶體之該第二端，及一第二端。該第二電阻具有一第一端耦接於該第一電阻之該第二端，及一第二端耦接於一第一系統電壓端。該第二電晶體具有一第一端用以接收該第二電流，一第二端耦接於該第一電阻之該第二端，及一控制端用以接收該帶差參考電壓。該第一電晶體之係大於該第二電晶體。
該漏電流補償元件具有一第一端耦接於該第二電晶體之該第一端，及一第二端耦接於該第一系統電壓端。
第2圖係實施例中，帶差電壓參考電路100之示意圖。帶差電壓參考電路100包含第一電流源110，第二電流源120，放大器130，電壓緩衝器140，第一電晶體T1，第一電阻R1，第二電阻R2，第二電晶體T2及漏電流補償元件150。
第一電流源110可耦接於第一參考端NR1，用以提供第一電流I1。第二電流源120可耦接於第二參考端NR2，用以提供第二電流I2。
如第2圖所示，第一電流源110可包含第四電阻R4，及第二電流源120可包含第五電阻R5。第四電阻R4可具有第一端耦接於第二系統電壓端NV2以接收第二系統電壓，及第二端耦接於第一參考端NR1。第五電阻R5具有第一端耦接於第二系統電壓端NV2，及第二端耦接於第二參考端NR2。
放大器130具有第一輸入端耦接於第一參考端NR1，第二輸入端耦接於第二參考端NR2，及輸出端。電壓緩衝器140可耦接於放大器130之輸出端，用以輸出帶差參考電壓VBDG 。
如第2圖所示，電壓緩衝器140可包含第三電晶體T3及第三電阻R3。第三電晶體T3具有第一端耦接於第二系統電壓端NV2，第二端用以輸出帶差參考電壓VBDG ，及控制端耦接於放大器130之輸出端。第三電阻R3具有第一端耦接於第三電晶體T3之第二端，及第二端耦接於第一系統電壓端NV1以接收第一系統電壓。第2圖中，第三電晶體T3可為場效電晶體。
根據實施例，第二系統電壓可高於第一系統電壓。舉例而言，第二系統電壓可為系統之操作電壓，第一系統電壓可為參考電壓或系統之地端電壓。
電壓緩衝器140可用以緩衝放大器130之輸出。然而，在一些實施例中，放大器130也可直接輸出帶差參考電壓VBDG ，而不使用電壓緩衝器140。
第一電晶體T1具有第一端耦接於第一參考端NR1以接收第一電流I1，第二端，及控制端用以接收帶差參考電壓VBDG 。
第一電阻R1具有第一端耦接於第一電晶體T1之第二端，及第二端。第二電阻R2具有第一端耦接於第一電阻R1之第二端，及第二端耦接於第一系統電壓端NV1。
第二電晶體T2具有第一端耦接於第二參考端NR2以接收第二電流I2，第二端耦接於第一電阻R1之第二端，及控制端用以接收帶差參考電壓VBDG 。此外，為了降低溫度係數對於帶差參考電壓VBDG 的影響，第一電晶體T1可大於第二電晶體T2。第2圖中，第一電晶體T1可為第二電晶體T2之N倍大，其中N可大於1。舉例而言，N可為8。
第2圖中，第一電晶體T1及第二電晶體T2可為NPN雙極性接面電晶體（BJT）。在此示例中，第一電晶體T1之第一端可為集極，第一電晶體T1之第二端可為射極，及第一電晶體T1之控制端可為基極。相似於第一電晶體T1，第二電晶體T2之第一端可為集極，第二端可為射極，及控制端可為基極。
此外，如第2圖所示，由於第一電晶體T1及第二電晶體T2之結構使然，會產生寄生PNP雙極性電晶體PT1及PT2。第3圖係第一電晶體T1之結構的示意圖。如第3圖所示，設置於P型井PW之P型摻雜區P+可為第一電晶體T1的基極，設置於P型井PW之N型摻雜區N+可為第一電晶體T1的射極，設置於深N型井DNW之N型摻雜區N+可為第一電晶體T1的集極，其中深N型井DNW可包圍P型井PW。
因為深N型井DNW設置於P型基底P-sub，故在第3圖之結構中，會形成寄生PNP雙極性接面電晶體PT1。換言之，寄生PNP雙極性接面電晶體PT1的基極可為設置於深N型井DNW之N型摻雜區N+，射極可為設置於P型井PW之P型摻雜區P+，及集極可為可為P型基底P-sub。同理，如第2圖所示，寄生PNP雙極性接面電晶體PT2可伴隨第二電晶體T2而形成。
根據實施例，帶差參考電壓VBDG 可表示為等式(1)：
VBDG = VBE2 + (IQ1 + IQ2)*R2                              等式(1)
在等式(1)中，VBE2 可為第二電晶體T2的基極-射極電壓，IQ1可為流經第一電晶體T1之電流，且IQ2可為流經第二電晶體T2之電流。
再者，當帶差電壓參考電路100達到穩態且開始輸出帶差參考電壓VBDG 時，第一參考端NR1之電壓應可實質上等於第二參考端NR2之電壓，及第一電流I1可實質上等於第二電流I2。在此示例中，若無漏電流補償元件150，電流IQ1及IQ2的關係可如等式(2)所述。
IQ1 + ILK1 = IQ2 + ILK2                                  等式(2)
在等式(2)中，ILK1可為寄生PNP雙極性接面電晶體PT1產生的漏電流，且ILK2可為寄生PNP雙極性接面電晶體PT2產生的漏電流。因為第一電晶體T1可為第二電晶體T2之N倍大，故第一電晶體T1及第二電晶體T2之射極面積的比例可為N:1。因此，漏電流ILK1可為漏電流ILK2之N倍。因此之故，等式(2)可改寫為等式(3)。
IQ1 + (N-1)*ILK2 = IQ2                                    等式(3)
結合等式(3)及等式(1)，帶差參考電壓VBDG 可表示為等式(4)。
VBDG = VBE2 + [2*IQ1 + (N-1)*ILK2]*R2                       等式(4)
在等式(4)中，雖然寄生PNP雙極性接面電晶體PT1及PT2於一般情況下係為關閉，漏電流ILK1及ILK2仍會在溫度上升時劇烈增加，從而導致帶差參考電壓VBDG 之變動。
為了在高溫情況下減少漏電流引發的影響，帶差電壓參考電路100可用漏電流補償元件150來補償漏電流ILK1。漏電流補償元件150可具有第一端耦接於第二電晶體T2之第一端，及第二端耦接於第一系統電壓端NV1。
如第2圖所示，漏電流補償元件150可包含NPN雙極性接面電晶體152。NPN雙極性接面電晶體152之集極可耦接於漏電流補償元件150之第一端，射極可耦接於漏電流補償元件150之第二端，及基極可耦接於NPN雙極性接面電晶體152之射極。
因此，NPN雙極性接面電晶體152通常是關閉的，然而，NPN雙極性接面電晶體152可能導致漏電流ILK3。在此情況下，伴隨漏電流補償元件150，電流IQ1及IQ2之關係可如等式(5)所示，而非如等式(2)所示。
IQ1 + ILK1 = IQ2 + ILK2 + ILK3                          等式(5)
在一些實施例中，第一電晶體T1，第二電晶體T2及NPN雙極性接面電晶體152的射極面積之比例可為N:1:(N-1)。因此，電晶體152產生的漏電流ILK3可為漏電流ILK2之(N-1)倍，且等式(5)可被改寫為等式(6)。
IQ1 = IQ2                                            等式(6)
因此之故，帶差參考電壓VBDG 可被表示為等式(7)。
VBDG = VBE2 + (2*IQ1)*R2                                等式(7)
於等式(7)中，漏電流所導致的帶差參考電壓VBDG 之電壓變動可被消除，故帶差電壓參考電路100產生的帶差參考電壓VBDG 可更加穩定，不致被溫度改變而影響。
如第2圖所示，電流源110及120可分別用電阻R4及R5予以實現。然而，在其他實施例中，電流源110及120亦可用其他元件予以實現。
第4圖為另一實施例中，帶差電壓參考電路200之示意圖。帶差電壓參考電路100及200可具有相似結構及相似的運作原理。然而，帶差電壓參考電路200包含第一電流源210及第二電流源220。
如第4圖所示，第一電流源210包含第四電晶體T4，且第二電晶體220包含第五電晶體T5。在一些實施例中，第四電晶體T4及第五電晶體T5可為場效電晶體。
第四電晶體T4具有第一端耦接於第二系統電壓端NV2，第二端耦接於第一參考端NR1，及控制端耦接於放大器130之輸出端。第五電晶體T5具有第一端耦接於第二系統電壓端NV2，第二端耦接於第二參考端NR2，及控制端耦接於放大器130之輸出端。
綜上，實施例提供的帶差電壓參考電路可使用漏電流補償元件，修正高溫情況引發的電壓失真。因此，帶差電壓參考電路可穩定地產生帶差參考電壓，而不受溫度情況所影響。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100、200:帶差電壓參考電路 110、210:第一電流源 120、220:第二電流源 130:放大器 140:電壓緩衝器 150:漏電流補償元件 T1:第一電晶體 T2:第二電晶體 T3:第三電晶體 T4:第四電晶體 T5:第五電晶體 VBDG:帶差參考電壓 R1:第一電阻 R2:第二電阻 R3:第三電阻 R4:第四電阻 R5:第五電阻 NV1:第一系統電壓端 NV2:第二系統電壓端 NR1:第一參考端 NR2:第二參考端 I1:第一電流 I2:第二電流 IQ1、IQ2:電流 VBE2:基極-射極電壓 ILK1、ILK2、ILK3:漏電流 PT1、PT2:寄生PNP雙極性接面電晶體 152:NPN雙極性接面電晶體 N+:N型摻雜區 P+:P型摻雜區 PW:P型井 DNW:深N型井 P-sub:P型基底
第1圖係先前技術中，帶壓參考電壓及溫度之關係圖。 第2圖係實施例中，帶差電壓參考電路之示意圖。 第3圖係第2圖之第一電晶體之結構的示意圖。 第4圖係另一實施例中，帶差電壓參考電路之示意圖。
100:帶差電壓參考電路
110:第一電流源
120:第二電流源
130:放大器
140:電壓緩衝器
150:漏電流補償元件
T1:第一電晶體
T2:第二電晶體
T3:第三電晶體
VBDG:帶差參考電壓
R1:第一電阻
R2:第二電阻
R3:第三電阻
R4:第四電阻
R5:第五電阻
NV1:第一系統電壓端
NV2:第二系統電壓端
NR1:第一參考端
NR2:第二參考端
I1:第一電流
I2:第二電流
IQ1、IQ2:電流
VBE2:基極-射極電壓
ILK1、ILK2、ILK3:漏電流
PT1、PT2:寄生PNP雙極性接面電晶體
152:NPN雙極性接面電晶體

Claims (10)

  1. 一種帶差電壓參考電路，包含： 一第一電流源，耦接於一第一參考端，用以提供一第一電流； 一第二電流源，耦接於一第二參考端，用以提供一第二電流； 一放大器，具有一第一輸入端耦接於該第一參考端，一第二輸入端耦接於該第二參考端，及一輸出端； 一電壓緩衝器，耦接於該放大器之該輸出端，用以輸出一帶差參考電壓； 一第一電晶體，具有一第一端用以接收該第一電流，一第二端，及一控制端用以接收該帶差參考電壓； 一第一電阻，具有一第一端耦接於該第一電晶體之該第二端，及一第二端； 一第二電阻，具有一第一端耦接於該第一電阻之該第二端，及一第二端耦接於一第一系統電壓端； 一第二電晶體，具有一第一端用以接收該第二電流，一第二端耦接於該第一電阻之該第二端，及一控制端用以接收該帶差參考電壓；及 一漏電流補償元件，具有一第一端耦接於該第二電晶體之該第一端，及一第二端耦接於該第一系統電壓端； 其中該第一電晶體之係大於該第二電晶體。
  2. 如請求項1所述的帶差電壓參考電路，其中該第一電晶體及該第二電晶體是NPN雙極性接面電晶體。
  3. 如請求項1所述的帶差電壓參考電路，其中： 該第一電晶體之該第一端係一集極，該第一電晶體之該第二端係一射極，及該第一電晶體之該控制端係一基極；及 該第二電晶體之該第一端係一集極，該第二電晶體之該第二端係一射極，及該第二電晶體之該控制端係一基極。
  4. 如請求項2所述的帶差電壓參考電路，其中： 該漏電流補償補償元件包含一NPN雙極性接面電晶體；及 該漏電流補償補償元件之該NPN雙極性接面電晶體具有一集極耦接於該漏電流補償元件之該第一端，一射極耦接於於該漏電流補償元件之該第二端，及一基極耦接於該漏電流補償補償元件之該NPN雙極性接面電晶體之該射極端。
  5. 如請求項4所述的帶差電壓參考電路，其中： 該第一電晶體，該第二電晶體及該NPN雙極性接面電晶體之射極面積的比例為N:1:(N-1)。
  6. 如請求項1所述的帶差電壓參考電路，其中該電壓緩衝器包含： 一第三電晶體，具有一第一端耦接於一第二系統電壓端，一第二端用以輸出該帶差參考電壓，及一控制端耦接於該放大器之該輸出端；及 一第三電阻，具有一第一端耦接於該第三電晶體之該第二端，及一第二端耦接於該第一系統電壓端。
  7. 如請求項6所述的帶差電壓參考電路，其中該第三電晶體係場效電晶體。
  8. 如請求項1所述的帶差電壓參考電路，其中： 該第一電流源包含一第四電晶體，該第四電晶體具有一第一端耦接於一第二系統電壓端，一第二端耦接於該第一參考端，及一控制端耦接於該放大器之該輸出端；及 該第二電流源包含一第五電晶體，該第五電晶體具有一第一端耦接於該第二系統電壓端，一第二端耦接於該第二參考端，及一控制端耦接於該放大器之該輸出端。
  9. 如請求項8所述的帶差電壓參考電路，其中該第四電晶體及該第五電晶體係場效電晶體。
  10. 如請求項1所述的帶差電壓參考電路，其中： 該第一電流源包含一第四電阻，該第四電阻具有一第一端耦接於一第二系統電壓端，及一第二端耦接於該第一參考端；及 該第二電流源包含一第五電阻，該第五電阻具有一第一端耦接於該第二系統電壓端，及一第二端耦接於該第二參考端。
TW108137493A 2018-11-16 2019-10-17 帶差電壓參考電路 TWI688205B (zh)

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