TWI271608B - A low offset bandgap voltage reference - Google Patents

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1271608 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 k 本發明係關於電壓參考電路，且特定言之係關於一種使 用能隙技術而實施之電壓參考電路。更特定言之，本發明 係關於一種提供具有對偏移之減少之敏感性之方法及電 路。 【先前技術】 一能隙電壓參考電路係基於具有相等及相反溫度係數TC _ 之兩電壓之相加。該第一電壓為一順向偏壓雙極電晶體之 一基極·發射極電壓。此電壓具有一約為_2·2 mV/c之負 . TC，且通吊被表示為對絕對溫度或ctat電壓之補償。與絕 、 對溫度成比例之該第二電壓或一 PTAT電壓係藉由放大以不 同電流密度操作之雙極電晶體之兩順向偏壓基極_發射極 接合點之電壓差（AVbe)來形成。關於包括先前技術方法之實 例之能隙電壓參考電路之更多資訊可在2〇〇3年2月27曰申 請之Stefan Marinca之同在申請中之美國專利第10/375,593 號中發現，其内容以引用方式併入本文中。 應瞭解，對於在集極電流密度下以1/5〇之比率操作之一 對雙極電晶體而言，AVbe在室溫下大約為1〇〇 mV。因為一 CTAT電Μ通吊約為7〇〇 mV，應瞭解，為了平衡該ctaT電 壓，该AVbe需要被放大約5倍。然而，該Δν^電壓之放大具 有將偏移電壓包括於該ΡΤΑΤ電壓中之效應，且因此該參考 電壓精度可能X到影響。與使用雙極技術來實施之類似電 路相比，當該電路使用CMOS方法時此等誤差更大。效能中 98674.doc 1271608 之此差異可追溯至該事實：在簡單CMOS方法中，僅寄生雙 極電晶體可用，且基於MOS電晶體之放大器具有更大輸入 電壓偏移。 圖1為一習知CMOS實施例之能隙電壓參考之一實例。提 供三pMOS電晶體Ml、M2及M3，每一電晶體均具有相同寬 度/長度（W/L)之縱橫比。提供一第一及第二雙極電晶體Q1 及Q2，其中Q2較Q1具有更大發射面積。因此，qi與Q2以 不同電流密度操作（對該等兩者而言發射極電流相同）。耗接 至Q1及Q2兩者之一放大器A1使得該等兩輸入位準保持為 相同值，且因此在整個電阻器rl上發展一電壓。 為下列形式：

Vbe=(kT/q)(ln(n)) (1) 其中： k為玻耳茲曼常數； q為電子上之電荷； τ為絕對溫度（Kelvin)中之操作溫度（〇perating temperature)； η為兩雙極電晶體之集極電流密度比。 藉由该電路提供之電壓參考Vref可被判定為⑴之基極-發 射極電壓加上r2倍之電壓降落。

Vref=VbeQ3 + (r2/rl)(AVbe) (2) 因為該輸入偏移電壓以係數1+r2/rl倍被產生至輸出端， 所以r2/rl之该標度值選擇為大約5，且因而該放大器偏移電 壓亦放大約一係數6倍。因此，應瞭解，對於每一丨輸入 98674.doc 1271608 電壓偏移而言，一約為6 mV之誤差被反映至該能隙參考 中。一種用於減少此偏移敏感性之方法為堆疊該等雙極電 晶體。然而，該堆疊受可用之淨空高度之限制，意即大多 數電路必須自一可用之2.6¥電源電壓而操作，且因此堆疊 之數目通常限於2或3。因此，儘管已知在放大器之輸入端 處堆疊電晶體，以產生之一多值，但因為此Δν^在該 放大器之該輸入端處之整個電阻器上產生，所以亦存在一 由該電路產生之偏移影響。 月b隙電壓參考電路中之另一誤差源可追溯至電阻器失 配。藉由檢查方程式（2)中之該等項可瞭解，電阻比（resist〇r ratio)中之任何誤差直接轉換為參考電壓。因此，需要最小 化此誤差源。 此外，另一誤差源可追溯至通常所謂之”曲率，，。此 次誤差組件。在一雙極電晶體中，在一 pTAT集極電流下偏 壓之基極-發射極電壓由下式給定： 〔r〇J To q [To] V3) 其中： vbe(T)為在一操作溫度下之雙極電晶體之基極-發射極電壓 之溫度依賴性； vbeG為在一參考溫度下之該雙極電晶體之基極_發射極電 壓； VG〇為在0K下之能隙電壓或基極_發射極電壓； 98674.doc 1271608 T〇為參考溫度；且 σ為飽和電流溫度指數。 方程式（3)之最後項對該曲率有影響，且理想時可被最小 化。 頒予 Infineon Technologies，AG之美國專利第 6,6〇5,987 遽中提供了在一具有低操作電壓環境中之能隙電路之實施 之一實例。該專利描述用於產生一具有一第一溫度依賴性 之第一部分電流之橫向電晶體之用途。此等橫向電晶體形 成放大器之一非對稱輸入對，且其集極電流驅動m〇S電 晶體之一第二對。源於此等橫向電晶體與M〇s電晶體之耦 接，需要該等M0S電晶體在低臨限電壓下操作，此需要使 用特殊CMOS方法之實施。此外，該電路需要多個電阻器之 使用，該等電阻器需要相互匹配。儘管此電路在僅具有可 用之低操作電壓環境中為有利的，但此電路不適於所有應 用（因為對電阻器匹配及MOS電晶體之實施之該等要求較 苛刻）。

Gregoire，Jr之美國專利第6 614 2〇9號中給出了一能隙參 考電路之實施之一實例，該電路特別設計用於減少所利用 之電阻器之數目。該專利描述一利用串聯耦接之多個ρτΑτ 源之能隙參考電路以產生一最終ΡΤΑΤ電壓。一雙極電晶體 之一電流偏壓之基極-發射極區域耦接於該最終ρ ΤΑΤ電壓 與該能隙電壓參考之—輸出端子之間，使得將該基極-發射 極電壓添加至該最終PTAT電壓，藉此產生—穩定電塵參 考。儘管此方法使得通常用於能隙電路中之電阻比減少， 98674.doc 1271608 但該方法具有許多缺陷。由於該電路不提供曲率校正，所 以需要產生一大ΔΚπΤΑΤ)來平衡基極_發射極電壓 (C TAT)。第6 614 2 0 9號美國專利藉由使用該專利之圖$中所 不之兩級架構來達成此平衡。所要之pTAT電㈣由均包括 放大器之初始PTAT源（參考區塊51〇)與一終端ρτΑτ源（參考 區塊530)之組合來提供。歸因於該電路之組態，因為第二 放大器之兩輸入端具有-約為3AVbe(在室溫時大約為33〇 mV)之普通電壓，所以與第一放大器相比，第二放大器需 要-高淨空高度環境來有效地操作。此限制此能隙電屢參 考可被利用之應用。其次’對兩放大器之需要增加了用於 實施此-電路之模具（die)上所需之面積及所需之電源。此 外’由於不存在提供至該參考之曲率校正，因此所提供之 參考電壓之精度受限。此外’由於使用了兩個放大器，故 對偏移及雜訊之影響增加。 因此’需要提供一具有對電壓偏移之減少之敏感性且適 詩提供一電壓曲率校正之能隙電壓參考電路。進一步需 要提ί、具有對電阻器匹配或個別值之更少依賴性之電 路。亦需要提供—可用作溫度感應器（意即對溫度波動敏感） 之能隙參考電路。 【發明内容】 與該等先前技術相關聯之此等及其它問題可藉由根據本 ^明之電路及方法來解決。根據本發明之—第—實施例，

提供了一電路，复吝/4» ^ A ^ 八屋生一為之足夠高之值以減少對放 之而要，且藉此消除在該電路内被放大之内在誤差之問 98674.doc 1271608 題。電晶體之堆疊被提供於一放大器之輸入端處，且一單 獨電阻器被提供於該放大器之輸出端處，且被用於產生所 要之應瞭解’藉由在與該放大器之輸入端相對之輸 出端處提供電阻器，由該放A||之偏移之放大引起之誤^ 被消除。亦藉由使用一單一電阻器，由該等多個電阻器失 配引起之誤差可被消除。 ^ 本發明提供具有-放大器之電路，該放大器在其非反相 ，入端處具有一以第一電流密度操作之第一堆疊之雙極電 晶體’且在該放大器輸出端與其反相輸人端間之_反饋迴 路中提供-以較第-堆疊之電流密度更低之第二電流密度 操作之第二堆疊之雙極電晶體，使得由於該等兩堆疊間: 電流密度中之差異，在該放大器之該輸出端處反映了一辦 強之△〜’此增強之在麵接於該放大器之該輸出端血 -參考電位間之整個電阻器上得以發展。藉由將此窗電 壓添加至-平衡之CTAT電壓，該電路可被修改以用於產生 對溫度不敏感之電麼參考。若該PTAT電壓未重疊或未與 -平衡CTAT電壓組合’則該電路在該放大器之該輸出端處 提供-表示該電路中之溫度之值，一溫度感應器。 根據本發明之一實施例，提供了一能隙電壓參考電路， 其包括一具有第一及第二輸入節點之放大器，且在其一輸 出端處提供一參考電壓。此外，該電路包括至少兩對電晶 體’每-對電晶體均具有一適用於以與該第二電晶體之電 流密度不同之一電流密度來操作之第一電晶體，使得在使 用中，在每-對之該等兩電晶體之間產生基極_發射極電壓 98674.doc 1271608 △Vbe之差異。該等對經排列使得具有一第一電流密度之彼 等電晶體被提供至一耦接至該第一輸入節點之鏈中，且具 有第二電流密度之彼等電晶體被提供至一耦接至該第二輸 入節點之鏈中，每一對所提供之Δν^之組合在放大器之輸 出端處對增強之AVbe產生影響，該增強之AVbe在放大器之 輸出端處所提供之整個電阻器上產生。 希望提供三對電晶體，每一對電晶體產生（contdbute) 一 △Vbe組件，使得在該放大器之輸出端處之整個電阻器上產 生之增強之AVbe等於3AVbe。 為了最大化該3AVbe之影響之效應，該電路較佳地進一步 適用於產生一曲率校正電壓。可藉由驅動在第一電流密度 下以與絕對溫度成比例（PTAT)之電流操作之該等三個電晶 體及以一恆定電流操作之該等另外三個電晶體中之每一者 來提供此曲率校正電壓，該曲率校正電壓之和及3Δν^兩者 均被施加至該放大器之輸出端上之整個電阻器上，藉此校 正與該能隙電路相關聯之曲率。 該PTAT電流之產生較佳地藉由鏡面反射在放大器之輸 出端上之整個電阻器上界定之電流來實現，以驅動該等電 晶體中之每一者在該第一電流密度下操作。 在某些組悲中，遠等電晶體中之每一者於一 MOS製程實 施例中被提供’且在其它組態或實施例中，某些該等電晶 體於-雙極實施中被提供。應瞭解，此後者實施例亦可使 用CMOS方法來提供。 某二實施例可旎需要兩對待使用雙極電晶體而形成之電 98674.doc 1271608 晶體及使用橫向電晶體而形成之第三對電晶體。在此等實 施例中，該第三對電晶體可提供該放大器之一輸入級。希 望此一輸入級作為該放大器之一非對稱輸入級而被提供。 此外，該電路可包括一對耦接至該第三對電晶體之負載 電晶體’戎4負載電晶體適用於使通過該第三對電晶體之 電流相等。 在某些實施例中，該第三對電晶體兩者均使用一 pTAT電 流加以驅動。此一 PTAT電流可在該電路外部產生。 某些組態可提供使用一 MOS電晶體之放大器之第二級， 忒MOS電晶體由一 PTAT電流源驅動，且該]^〇!5電晶體耦接 至該等負載電晶體中之一者，且該等電晶體中之一者之集 極形成電晶體中之第三對。 在某些實施例中，該電路可包括在該放大器之輸出端處 提供之一 MOS電晶體，該MOS電晶體藉由一PTAT電流加以 驅動，该MOS電晶體之基極直接耦接至該放大器之輸出節 點，且發射極節點提供該電路之一輸出。在此等實施例中， 该MOS電晶體之源極可耦接至一雙極電晶體之發射極，雙 極電a曰體之集極被耦接至一參考電位，且雙極電晶體之基 極被耦接至該電阻器。 替代性實施例可以一雙極組態提供三對電晶體中之每一 對’該等三對電晶體提供一放大器之一輸入級，該放大器 一有輸出節點，其耦接至以一電壓跟隨器組態而提供之 雙極電晶體’且其中該電壓參考被提供於該放大器及該電 壓跟隨器之輸出端間之一節點處。 98674.doc •12- 1271608 本發明亦提供一能隙電壓參考電路，該電路適用於在其 一輸出端處提供一參考電壓，該參考電壓藉由所產生之 CTAT與PTAT電壓之組合而被提供，該CTAT電壓由一順向 偏壓電晶體之一基極_發射極電壓提供，且該pTAT電壓由多 倍（multiPle)AVb4壓提供，每一 電壓藉由一對以不同 電流雄、度操作之雙極電晶體而產生，該pTAT電壓藉由在— 放大器之一輸出端處提供之整個單一電阻器上施加之電流 單獨界定。 ^

本發明之另一實施例提供一能隙電壓參考電路，該電路 具有一具有第一及第二輸入節點之放大器，且在其一輸出 端處提供—參考電屢’每-輸人節點被搞接至具有至少兩 個電晶體之鏈中中該等電晶體經組態使得第_電晶體 之舍射極耗接至s二電晶體之基極H晶體之發射極 耦接至該放大器之輸入端，且每一電晶體之集極耦接至一 參考電位，且其中-第鏈中之彼等電晶體適用於以一第一 電流密度操作，且第二鏈中之彼等電晶體適用於以第二不 同之電流密度操作，使得第—與第二鏈中之電晶體間之基 極-發射極電壓中之差異被提供，該差異等於多倍△、，二 藉由在耦接至該放大器之輸出端之整個單獨負載電阻器上 提供之電流產生。 本發明之另一實施例接供_、、西危么h 貝犯W杈仏/皿度參考電路，該電路包括 -放大器，該放大器在其非反相輸入節點處具有以 流密度操作之至少一雙極電晶體’且在該放大器之 與其反相輸人節關之—反饋迴路巾具㈣㈣接至該非 98674.doc -13· 1271608 反相輸入端之電晶體之電流密度更低之第二電流密度操作 之至少一雙級電晶體，使得歸因於耦接至該等兩輸入端中 之每一者之該等電晶體之電流密度中之差異，在該放大器 之輸出端處反映一 ，且其中耦接至該放大器之該等輸 入節點中之每一者之電晶體由PTAT電流加以驅動，使得所 發展之AVbe電壓對溫度敏感，藉此提供一適用於提供一溫 度之量測之電壓參考電路。 參考為本發明之例示性實施例且不希望被理解為以任何 方式加以限制之下列圖式，可更好瞭解本發明之此等及其 它特徵。如熟習此項技術者所瞭解，可在不偏離本發明之 精神及範嘴之情況下對以下描述之例示性實施例做出修改 及改變。 【實施方式】 已參考圖1描述了先前技術。 圖2為根據本發明之一能隙電壓參考之實例。 該電路包括一根據標準技術之放大器八丨，該放大器適用 於保持其兩輸入端（一反相及一非反相輸入端）大體上處於 相同位準。熟習此項技術者將熟知一放大器之操作，且為 簡潔起見，在此將不作解釋。一第_Q1、第二Q2及第三Q3 電晶體被耦接至該放大器之非反相輸入端，且一相應組之 二個電晶體Q4、Q5及Q6被耦接至反相輸入端。此等組之三 個電晶體中之每一組均可看作為形成耦接至其個別輸入節 點之電晶體之鏈。每一 Q4、Q5及Q6之發射面積為Q1、Q2 及Q 3之發射面積之’’ η"倍。 98674.doc -14- 1271608 Q1、Q2及Q3經排列使得Q1之發射極耦接至Q2之基極， Q2之發射極耦接至Q3之基極，且Q3之發射極耦接至放大器 之非反相輸入端。類似地，Q4之基極搞接至Q5之發射極， Q5之基極耦接至Q6之發射極，且Q4之發射極耦接至放大器 A1之反相輸入端。每一電晶體之集極均接地。同樣，當雙 極電晶體藉由適當電流偏壓時，將自以高電流密度（Q1、 Q2、Q3)操作之雙極堆疊至以低電流密度（Q4、Q5、Q6)操 作之雙極堆疊發展基極-發射極電壓t之差異。該等對中之 每一對產生一 AVbe，且當組合時，可提供3AVbe差異。 在放大器之輸出端處，提供一第一 nMOS電晶體Ml。該 器件Μ1之閘極耦接至放大器之輸出端。Μ1之汲極耦接至二 極體連接之pMOS電晶體Μ5。在Ml之源極與另一電晶體Q7 之發射極間之一節點處提供該電路之參考電壓Vref。Q7之 基極耦接至另一pMOS電晶體M6之汲極，且越過一電阻器rl 而接地。Μ5及M6之閘極通常搞接且進一步躺接至另外三 pMOS電晶體M2、M3及Μ4之閘極，M2、M3及Μ4之源極耦 接至一電源電壓，且M2、M3及M4之汲極耦接至Ql、Q2及 Q3之發射極，藉此分別提供電流13、14及15。在Q4、Q5及 Q6之發射極處分別提供恆定電流16、17及18。 由於Q1/Q4、Q2/Q5及Q3/Q6之發射面積間之個別差異， 在整個rl上（across)反映三個AVbe之差異。應瞭解，在該放 大器之輸出端耦接之此單獨電阻器之存在足以產生所要之 三個AVbe。結果，藉由M5及M6鏡面反射之電流II及12為 PTAT電流。類似地，被迫進入電晶體Qb Q2及Q3之電流13、 98674.doc -15- 1271608 14及15亦為PTAT電流。如上所述，被迫進入雙極電晶體q4、 Q5及Q6之電流16、17及18為恆定電流，其中該等電晶體Q4、 Q5及Q6以一比Ql、Q2或Q3低之電流密度操作。對於每一 個別對之電晶體而言，一負曲率電壓發展為該類型·· Vcurv=(kT/q)(ln(T/T0)) (4) 該PTAT電壓（3AVbe)及三個組合之曲率電壓之和兩者均 施加至整個rl上。當Q7亦在PTAT下偏壓時，該參考電壓等 於該曲率被移除時之VG0。 應瞭解，藉由堆疊三對電晶體於該放大器之該等輸入引 線中之每一者上產生一3AVbe電壓，且藉由偏壓該等以具有 PTAT電流之高電流密度操作之三個雙極電晶體，及偏壓該 等以具有恆定電流之低電流密度操作之雙極電晶體，可在 該電路内發展一内部曲率校正機制。 亦應瞭解，該放大器之偏移電壓僅在整個rl上反映，且 當rl在該放大器之輸出端上時，此偏移電壓不藉由放大器 產生或放大。 圖3顯示本發明之技術之另一實施例。在此實施例中，提 供一兩級放大器，且圖2之技術使用一不平衡對之橫向雙極 電晶體來實施，該等電晶體提供該放大器之第一級。該第 級包括一作為整體發射面積橫向PNP型電晶體而提供之 第一電晶體Q3及為相同類型但具有一為q3之發射面積之 ”以’倍之發射面積的第二電晶體Q4。Q3&Q4兩者均使用一 PTAT電流18偏壓，該電流18通常自一外部產生之電流源提 供。该負載電晶體MN1及MN2適用於使通過Q3及Q4之電流 98674.doc 16 1271608 相等。結果，第一 Δν^被發展至該放大器之第一級中。 Q 3之基極節點相當於圖2中所示之放大器之非反相輸入 端，且兩電晶體Q1及Q2在此堆疊。Q2之發射極耦接至⑴ 之基極，且Q1之發射極耦接至92之基極。〇1及卩2中之每一 者之集極接地。 類似地，Q4之基極節點相當於圖2中所示之放大器之反相 輸入端，且兩電晶體q5&Q6在此堆疊。卩5之發射極耦接至 Q4之基極，且卩6之發射極耦接至以之基極。以及如中之 每一者之集極接地。Q5及Q6中之每一者之發射面積為Q1 及Q2之發射面積之”n”倍。 圖3之放大器之第二級藉由一nM〇s電晶體MN3提供，該 電晶體MN3藉由一電流源15驅動。MN3之汲極亦耦接至]^1 之閘極。Μ1之源極耦接至pnp電晶體q7之發射極，且此普 通節點為該電路提供輸出節點Vref。Q7之基極經由電阻器 rl耦接至地，且亦耦接至pM〇s電晶體M6之汲極。M6之閘 極耦接至以二極體連接組態提供之另一 ρΜ〇;§電晶體“5之 閘極，藉此提供一電流反射鏡之主組件。應瞭解，儘管圖3 顯不作為主組件而組態之M5，但另一配置可適當組態M6 作為主組，而M5作為輔助器件。然而，如圖3所說明，M5 之汲極耦接至Ml之汲極，藉由M5與M6之組合而提供之反 射鏡亦耦接至M2及M3，其中M2及M3接著分別耦接至Q2及 Q1之發射極。同樣，經由ri產生之PTAT電流η作為12、13 及14被鏡面反射，藉此使用一 ΡΤΑτ電流來驅動組件qi、 Q2、Q3/Q4及Ml中之每一者，但組件q5Aq6耦接至一外部 98674.doc -17- 1271608 提供之電流源，該電流源期望地提供一主要（：1^丁電流。如 上詳細描述，該第一 AYbe在整個Q3&Q4上得以發展，且另 外兩個AVbe自Q1及Q2至Q5AQ6得以發展。 在整個Ql、Q2及Q3上發展之3AVbe〇)及在整個…、仍 及Q6上發展之3AVbe(n)以一類似參看圖2所描述之方式組 合，輸出電壓具有移除之曲率組件。此實施例與圖2中之實 施例之一差異在於Q3及Q4兩者均藉由相同，較佳ρτΑτ電流 18偏壓，而圖2之實施例中，形成第三對之該等電晶體中之 者藉由一恆定電流驅動，而其它藉由一 pTAT電流驅動。 由於藉由相同類電流驅動第三冑之電晶體兩者，該曲 率效應未兀全移除。該曲線效應藉由用一主要CTA丁電流驅 動Q5及Q6加以最小化。藉由標度值之pTA1^CTAT電流驅 動Q5及Q6實現了一具有所移除之能隙電壓電路所固有之 曲率之組合之輸出。 在一側具有一橫向電晶體且在另一側具有許多橫向電晶 _ 體之該放大器之第一級之排列克服橫向電晶體之一主要缺 點或缺陷。此係關於該事實：橫向電晶體具有兩集極，一 集極連接至基板且另一集極用作為”實際”集極。因此該總 集極電流在該等兩集極之間分裂，且對於相同發射極電流 而口 κ際集極中之電流具有一較大延伸。藉由使用許多 電晶體，此效應可被衰減。應瞭解由於圖3之電路僅具有提 供於該放大器之輸入引線上之兩額外電晶體，其可用於具 有更低能淨空高度能力之應用；相對於圖2中所需之三對， 邊放大器之輸入端上之兩對之實施例需要更少淨空高度， 98674.doc -18- 1271608 但是該電路仍提供所要之3 AVbe(兩外部的及一進入該放大 器輸入對的）。此外，由於圖3之電路之輸入級係基於雙極 電晶體且在圖2中該輸入級係基於MOS電晶體，因此圖3之 電路比圖2之電路產生更少之1 /f雜訊。 圖4展示根據本發明之另一實施例。在此實施例中，該技 術以一完全雙極排列而實施且提供一經緩衝之電壓參考。

Q1及Q2以一堆疊排列加以提供，且兩者均以二極體連接 之組態被提供。類似地，q5及q6以二極體連接之組態被提 供，其中每一者之基極直接耦接至其個別集極，Q6之基極 亦耦接至Q5之發射極。電流17(其為希望作為一主要〇了八丁 電流而提供且外部產生之恆定電流源）耦接至此對電晶 體。該放大器之第一級藉由電晶體Q3/Q4/Q8/Q9而提供，其 中Q3及Q4之共用發射極耦接至一外部產生之ρτΑτ電流 18。Q3及Q4之集極分別耦接至q8&q9之集極，其中以二 極體連接之組態被提供。Q9之集極亦耦接至另一電晶體 Q10之基極，該電晶體Q10提供該放大器之第二級。卩1〇亦 耦接至-外部提供之主要PTAT電流15。以一類似於膽電 晶體纽、奶及遍之方式，圖4之雙極實施例提供—作為一 電壓跟隨器而提供之雙極電晶體Q7, Q7之發射極耦接至一 電流反射鏡之-第-電晶體Qu，使得在整個η上產生之電 流12藉由Q13而鏡面反射為14，以驅師⑽。該電晶體 叫作為-主要鏡面被提供，且提供—々接至⑺之率極之 電流12。該電路之參考電塵在⑽師之基極間之一節點處 破提供，1同樣自該放大器之第二級直接排出(㈣。應瞭 98674.doc -19- 1271608 解此組態具有一非常低之偏移敏感性，且隨著pnp雙極電晶 體Q4之數目（η)增加而敏感性減少。 圖5展示使用圖2之該電路之一仿真之結果。自此結果之 -檢查將顯而易見，在自_4〇t至約85。〇之溫度範圍(此一參 考電路之正常操作條件）中，圖2之電路展示約為〇i4mV之 總電壓變化，其對應於約為i ppm，c之溫度係數。 應瞭解’本文中參考本發明之三個較佳實施例而描述之 内谷為一能隙參考電路，該參考電路不依賴電阻器匹配或 值且具有低偏移敏感度，且提供内部曲率校正。藉由自以 高電流密度比操作之三對電晶體及以低電流密度比操作之 三對電晶體提供足夠之電壓，不需要放大該，且 同樣地，該電路中固有之任何電壓偏移亦不需被放大。本 發明之電路僅在該放大器之輸出端處提供一電阻器，且由 於在此電阻器處產生偏移，因此不存在放大。 本發明之電路使用三對電晶體以針對每一對產生一 ^ 120 mV。應瞭解，若該參考被校正曲率，則該標的能隙電 堅為、力1 · 1 5 V。若5亥參考未補償曲率，則該標的電壓為約 125 V。對於該校正之參考之情況而言，一在室溫下M5v 電壓係基於約700 mV基極_發射極電壓（CTAT)之影響且作 為PTAT組件被提供之差異。此差異為所要之為ιΐ5ν_〇·7 ν=ο·45ν之ΡΤΑΤ電壓。結果，用於一對以不同電流密度操 作之雙極電晶體之所要AVk電壓為約45〇 mV/3 = 15〇 mV。 由於AYbe自ln(n)組件（參看方程式丨）而產生，藉由簡單地縮 放以不同電流密度操作之該等電晶體之比例，不易得到大 98674.doc -20- 1271608 於mmv之值。該等電晶體對中之每一對需要約〇·8ν，且 在夕數應用中，最小電源電壓為約2·6 V，藉此界定電晶體 =最大數目為3對。為了使用僅僅3AVbe且為了使得輸出電 昼處於該3AVbe具有_效應之位準，需要將該之該產 生與-曲率校正機制組合。若曲率校正未被提供，則該輸 出電壓將為在正常操作區域中具有一約為2·5 mv之弓形影 響之約1·25 V(石夕能隙）。藉由應用曲率校正，將在不具有一 弓形影響之情況下提供輸出„，且同樣藉由該⑽^提供 之影響，加顯著。應理解，$ 了實施此-能隙電壓參考電 路於單、級％ i兄中（意即僅僅具有一個放大器），需要應用 一些曲率校正或藉由電晶體之堆疊產生之電壓將不足以補 償。 應瞭解，本發明使用一放大器，該放大器在其非反相輸 入端處具有-第一堆疊之雙極電晶體，該等電晶體以第一 電机禮度操作，且本發明於該放大器之輸出端與其反相輸 7端間之一反饋迴路中提供一第二堆疊之雙極電晶體，該 第一堆逢雙極電晶體以低於第一堆疊之電流密度之第二電 離孩、度操作。歸因於該等兩堆疊之電流密度中之差異，一 ^強之AVbe在δ亥放大器之輸出端處被反映。此p丁AT電堡在 耦接至該放大器之輸出端及一參考電位（通常為地面）之整 個電阻器上得以發展。若此PTAT電壓被添加至一平衡CTAT 電壓，可提供一對溫度敏感之電壓參考。然而，若該ρτΑτ 電壓未與一平衡CTAT電壓疊加或組合，則在整個電阻器上 發展之電壓對溫度不敏感-該電壓AVk直接與溫度波動相 98674.doc -21- 1271608 溫度感應器 Ο 關（參看方程式1)-且同樣該電路可用於提供

圖6展示如何根據本發明提供此一電路以提供一電覆參 考(即對溫度波動不敏感)及一溫度感應器(即給定關於晶片 上溫度之一輸入值）之簡化示意圖。提供一放大器，其具有 一反相及非反相輸人端。在該放大器之輸出端處，提供一 電阻器rl ’其麵接於該放大器之輸出端與地面之間。第一 堆疊二極體（Dl、D2、D3)被提供，且其輕接至該放大器之 非反相輸入端。此第一堆疊或鏈藉由一期望為一ρτΑτ電流 之電机13驅動。-第二鏈之二極體被提供於該反相輸入端 與該放大器之輸出端間之一反饋迴路中。此鏈藉由第二電 流16驅動，且其適用於以比第一堆疊之電流密度更低之第 -電流密度操作。應瞭解，相當地，適當組態之雙極電晶 體，可用於替代上文所述及說明之二極體。

在使用中，若該電路用作一對溫度不敏感之電壓參考， 則移除能隙電壓電路内在之任何曲線組件為重要之舉。應 瞭解，一 CTAT電壓提供一正曲線影響，該正曲線影響可藉 由將此一 CTAT電壓與一 ΡΤΑΊΓ電壓電流之負曲線組件相組 合來加以消除。此可藉由提供第二電流16作為一恆定電流 源來產生，使得當CTA 丁及ΡΤΑΤ電壓被添加時，每一者之曲 線組件將其他者消除。 若該電路用作溫度感應器，則不補償該電壓之溫度 變化為重要之舉。用於實現此之最簡易方法為亦作為一 ΡΤΑΤ電流而提供16，且期望使13 = 16。應瞭解，在作為一 溫度感應器之該實施例中，每一鏈中之二極體之數目取決 98674.doc -22- 1271608 於所要之標的PTAT電壓可為1、2、3或更大。應理解，當該 電路用作對溫度不敏感之電壓參考時，則當藉由一相當 CTAT電流平衡該PTAT電流時，所產生之△vbe為一適當足 夠高之值為重要的。然而，在其中該電路被用作為_溫度 感應器之貫例中’其不如此關鍵，且每一鍵中之二極體或 雙極電晶體之數目可取決於應用而加以選擇。進一步應理 解’當用於溫度感應器實施例中時，若兩電流13及16為外部 產生的’則對電阻器r 1之需要可消除。歸因於反饋迴路中 之二極體之提供，一倍或多倍之AVb〆依每一堆疊中之二極 體之數目而定）仍將產生於該放大器之輸出端處，藉此提供 用於監控溫度之所需要之訊號。 應理解，本發明已參考雙極電晶體之一特定PNp組態而 加以描述，且不希望本發明之應用侷限於此等組態。如熟 習此項技術者所瞭解，組態中之許多修改和改變可藉由以 NPN架構及其類似物之實施來達成。類似地，當以一ηΜ〇§ 或pMOS組態提供電晶體時，應瞭解，可在不偏離本發明之 精神及範疇之情況下完成修改以用於更改在每一組態中提 供哪一電晶體。此外，當本發明以一雙極實施例而描述時， 應瞭解，可藉由使用CMOS方法藉由使用塑料組件及其類似 物來提供此一實施例。應瞭解，本文中已描述了根據本發 明之一能隙電壓參考之例示性實施例。特定組件、特徵及 值已用於详細描述該電路，但不希望本發明以任何方式被 限制’除鑒於附加專利申請範圍認為是需要限制的之外。 類似地，當用於此說明書中時，所包含之該等字詞用於 98674.doc -23- 1271608 指定所述特徵、整數、步驟或組件之存在，但不排除一或 多個其它特徵、整數、步驟、組件或其群之存在或添$ " 【圖式簡單說明】 υ。 圖1為在CMOS技術中所提供之一能隙電壓參考電路之 典型先前技術組態之一實例； 圖2為根據本發明之一第一實施例之電路之一實例· 圖3為根據本發明之第二實施例之電路之一實例· 圖4為根據本發明之第三實施例之電路之一實例；

圖5為圖2之電路之效能之一仿真，其展示輸出參考電壓 圖6為展示使用二極體堆疊之本發明之實施例之—一 圖。 【主要元件符號說明】 A1 放大 器 Dl、D2、D3、D1、 D2、 D3 二極 體 11、12、13 > 14 ^ 15 電流 16、17、18 恆定 電 流 Ml、M2、 M3、M4 、M5 、M6 電晶 體 mnl、mn2 、mn3 負載 電 晶體 Q1、Q2、Q3、Q4、 Q5、 Q6、 Q7 電晶 體 、Q8、Q9 、Q10、Qll、 Q12、 Q13 rl、r2 電阻 器 98674.doc -24-

Claims (1)

1271608 、申請專利範圍： 一種能隙電壓參考雷& # ，八匕括一具有第一及第二輸入 即”、、 ^，且在其一輸出端處提供一參考電壓，此 外’該電路包括至少 兩對電日日體，每一對電晶體均具有 ^用於在-與該對之_第二電晶體之電流密度不同之 密度下操作之第-電晶體，使得在使用中，在每一 對之為等兩f晶體之間產生基極_發射極電壓中之一差異 △Vbe ’且其中該等對經排列使得彼等具有—第—電流密 度f電晶體提供於—㈣至該第—輸人節點之鏈中，且 彼等具有該第二電流密度之電晶體提供於一耦接至該第 ;輸入即點之鏈中’藉由每-對提供之該AVbe之組合在 口亥放大$之_輸出端處對—增強之產生影響，該增 強之W在提供於該放大器之該輸出端處之-整個電阻 器上產生。 •如明求項1之電路，其中提供三對電晶體，該等對中之每 -對產生-Δν^組份，使得在該放大器之該輸出端處之 谷亥整個電阻器上產生之該增強之等於。 3· 士哨求項2之電路’其進一步適用於藉由驅動在該第一電 流密度下以與絕對温度成比例(PTAT)之電流操作之該等 三個電晶體，及以一恆定電流操作之該等另外三個電晶 體來產生一曲率校正電壓，該曲率校正電壓之和及該 3 AVbe兩者均施加至該放大器之該輸出端上之該整個電 阻器上，藉此校正與該能隙電路相關聯之曲率，且提供 一對溫度不敏感之電壓參考輸出。 98674.doc 1271608 2求項3之電路’其中該PTAT電流藉由鏡面反射在該放 為之為輪出端上之該整個電阻器上界定之該電流而產 ^以驅動在該第一電流密度下操作之該等電晶體中之 每一者。 月求員1之電路，其中該等電晶體中之每一者提供於一 M〇s製程實施中。

“曰求員2之電路，其中該等對電晶體中之二對使用雙極 &體來形成，且該第三對使用橫向電晶體來形成。 月求員6之電路’其中該第三對提供該放大器之一輸入 月求員7之電路’其中該第三對提供該放大器之一非對 稱輸入級。 9. T請求項7之電路，其進—步包括—對㈣至該第三對電 :體之負载電晶體，該等負載電晶體適用於使通過該第 三對電晶體之該等電流相等。 1〇·如請求項7之電路，其中該第三對電晶體均藉由-PTAT 電流來驅動。 ^項1G之電路’其中所提供之該PTAT電流在該電路 之外部產生。 俗 12·項9之電路，其中該放大器之-第二級係藉由-由 /TAT電流源驅動之则電晶體來提供，該则 係搞接至該等負載雷a，φ 體 貝戟電曰曰體中之一纟，且該等電晶體中之 一者之集極形成該第三對電晶體。 13 ·如請求項1之雷， γ匕括一在該放大器之該輸出 98674.doc 1271608 端處提供之MOS電晶體，該M〇s電晶體藉由一ρτΑτ電流 來驅動，該MOS電晶體之該基極直接搞接至該放大器^ 該輸出節點，且該發射極節點提供該電路之一輸出。 14.如請求項13之電路，其中該刪電晶體之該源極叙接至 —雙極電晶體之該發射極，該雙極電晶體之該集極耦接 至一參考電纟，且該雙㈣晶冑之該基極輕接至該電阻 器。

如請求項2之電路，其中該等三對電晶體中之每一對係以 一雙極組態加以提供，該第三對提供一放大器之一輸入 級，該放大器具有一輸出節點，該輸出節點耦接至一以 一電壓跟隨器組態提供之雙極電晶體，且其中該電壓參 考提供於該放大器之該輸出端與該電壓跟隨器間之一節 點處。 16.如請求項2之電路，其冑一步適用於在該放大器之該輸出 端處提供一指示如在該電路上感測之溫度之電壓，藉此 提供一溫度感應器，指示該溫度之該電壓藉由用與絕對 溫度成比例（P TAT)之電流來驅動該第一及該第二鏈之電 晶體中之每-者來實現，該3Λν』用至該放大器之該輸 出端上之該整個電阻器上，藉此在一輸出節點處提供一 指示器件上之該溫度之電壓。 η•-種能隙電壓參考電路，其適用於在其—輸出端處提供 一參考電壓，該參考電壓藉由所產生之對絕對溫度（ctat) 及ΡΤΑΤ電壓之補償之組合來提供，該CTAT電壓藉由一順 向偏壓電晶體之一基極-發射極電壓提供，且該ρτΑτ電壓 98674.doc 1271608 藉由多倍^電壓提供，每一^電壓藉由一對在不同電 流密度下操作之雙極電晶體產生，該PTAT電壓藉由一在 一放大器之一輪出端處提供之一整個單一電阻器上應用 之電流單獨界定。 18.

19. -：能隙電壓參考電路’其具有一具有一第一及第二輸 入即點之放大器’且在其—輸出端處提供—參考電壓， 每一輸入節點均耗接至具有至少兩電晶體之—鏈，該等 電晶體經排列使得—第一電晶體之發射極箱接至一第二 電明體之基極’该第二電晶體之發射極耦接至該放大器 之该輸入端，且每一電晶體之集極耦接至一參考電位， 且其中一第一鏈中之彼等電晶體適用於在一第一電流密 度下操作’且—第二鏈中之彼等電晶體適用於在一第二 不同電流密度下操作，使得在該第一與該第二鏈中之電 晶體，之基極·發射極電壓中之—差異被提供，該差異等 於-多倍^，且係藉由在耦接至該放大器之該輸出端 之-整個單獨負载電阻器上所提供之該電流產生。 -種溫度參考電路’其包括一放大器，該放大器在其非 反相輸入節點處具有至少一可在一第一電流密度下操作 之雙極電晶體’且在該放大器之該輸出端與其反相輸入 節點間之-反饋迴路中具有至少一可在—低於輕接至該 非反相輸入端之該電晶體之電流密度之第二電流密度下 刼作之雙極電晶體，使得歸因於耦接至該等兩輸入端中 之每—者之該等電晶體之電流密度中之差異，在該放大 器之該輸出端處反映H，且其中㈣至該放大器之 98674.doc 1271608 該等輸入節點中之每一者之該等電晶體藉由pTAT電流來 驅動，使得所發展之該電壓對溫度㈣，藉此提供 一適用於提供一溫度量測之電壓參考電路。 20. 士叫求項19之電路’其中兩個或兩個以上電晶體以一耦 接至該放大器之該等輸入節點中之每一者之堆疊排列而 提供，每一堆疊中之該等電晶體間之電流密度中之差異 在该放大器之該輸出端處產生一增強之。 21. 如請求項19之電路，其中該等pTAT電流係在該電路外部 產生。 22·如請求項19之電路，其中該等ρτΑτ電流在該電路内被内 4產生，忒AVbe在耦接於該放大器之該輸出端與一參考 電位間之一整個單獨電阻器上得以發展。 23·如請求項20之電路，其中該增強之AVbe作為一 ρτΑτ電壓 在耦接於該放大器之該輸出端與一參考電位間之一整個 單獨電阻器上得以發展。

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