TWI385500B - 低電源電壓的能隙參考電壓產生器 - Google Patents

Description

低電源電壓的能隙參考電壓產生器

本發明係有關一種能隙參考電壓產生器，特別是關於一種低電源電壓的能隙參考電壓產生器。

圖1係習知的能隙參考電壓產生器，包括電流源10提供具有正溫度係數的電流I_PTAT 、電流源12提供偏壓電流I_BIAS 、電晶體P2具有射極連接電流源12、電阻R22連接在電晶體P2的射極及基極之間、電阻R23連接在電晶體P2的基極及地端GND之間以及緩衝器14連接電晶體P2的基極。緩衝器14緩衝參考電壓Vref，其包括接成電壓追隨器的運算放大器16，具有正輸入連接電晶體P2的基極，負輸入連接其輸出。此能隙參考電壓產生器提供參考電壓

Vref=I_R23 ×R23，　公式1

其中電阻R23的電流I_R23 等於電流I_PTAT 與電流I_PTVBE 的和。電流I_PTVBE =Vbe1/R22，Vbe1為電晶體P2的射-基極電壓，具有負溫度係數，公式1可改寫為

Vref=(I_PTAT +Vbe1/R22)×R23。　公式2

圖2係圖1中的電流源10，其中電晶體M1和M2分別連接在電源端Vcc及運算放大器20的正、負輸入之間，運算放大器20的輸出連接電晶體M1及M2的閘極，電阻R0與電晶體Q1串聯在運算放大器20的正輸入及地端GND之間，電晶體Q2連接在運算放大器20的負輸入及地端GND之間，電晶體Q1及Q2都接成二極體，兩者的尺寸比為N：1，電晶體M6與電晶體M1組成電流鏡，鏡射通過電晶體M1的電流I1產生電流I_PTAT ，啟動電路22是用以啟動電流源10。在啟動電路22中，電晶體M3連接在電源端Vcc及運算放大器20的負輸入之間，電晶體M4連接在電源端Vcc及電晶體M3的閘極之間，與電晶體M1組成電流鏡，電晶體M5連接在電晶體M3的閘極及地端GND之間，其閘極連接電源端Vcc。

當施加電源電壓Vcc啟動電流源10時，電晶體M3及M5導通，電晶體M5等同電阻，運算放大器20的負輸入經電晶體M3連接至電源端Vcc，故運算放大器20的負輸入的電壓上升，運算放大器20的輸出因而下降，進而導通電晶體M1而產生電流I1，電晶體M4鏡射電流I1而產生電流I3，造成電晶體M3的閘極電壓上升。在電晶體M3的閘極電壓上升至某臨界值後，電晶體M3關閉(turn off)，因而關閉啟動電路22，電流源10完成啟動。

當電流源10在穩態時，運算放大器20維持其兩輸入的電壓相等，電晶體M1及M6具有相等的尺寸，電晶體Q1及Q2具有尺寸比N:1，因此電流

I_PTAT =I1=[VT×ln(N)]/R0，　公式3

其中VT為熱電壓，具有正溫度係數。將公式3代入公式2可得

Vref={[VT×ln(N)]/R0+Vbe1/R22}×R23=R23/R22×[Vbe1+VT×ln(N)×R22/R0]。　公式4

從公式4可知，調整R22/R0的值可使參考電壓Vref的溫度係數為0，但只有在[Vbe1+VT×ln(N)×R22/R0]為1.24V左右時才可使參考電壓Vref的溫度係數為0。調整R23/R22的值可調整參考電壓Vref的值。

然而，圖1的能隙參考電壓產生器雖然可以調整參考電壓Vref使其低於1V，但是無法用低於1V的電源電壓Vcc來驅動。舉例來說，假如參考電壓Vref=0.8V，則電晶體R2的射極上的電壓將為0.8V+Vbe1，因此電源電壓Vcc必須大於0.8V+Vbe1，又Vbe1約為0.5V~0.7V，故電源電壓Vcc不可低於1V。再者，電晶體P2將產生基極電流Ib通過電阻R23，基極電流Ib越大對參考電壓Vref的影響便越大，根據雙極性接面電晶體的電流公式，電晶體P2的基極電流

Ib=Ic/β，　公式5

其中，Ic為電晶體P2的集極電流，β為電晶體P2的電流增益。因此，圖1的能隙參考電壓產生器容易受到電晶體P2的電流增益β 的影響。

因此，一種低電源電壓且不受電晶體P2的電流增益β影響的能隙參考電壓產生器，乃為所冀。

本發明的目的之一，在於提出一種低電源電壓的能隙參考電壓產生器。

本發明的目的之一，在於提出一種不受電晶體的電流增益影響的能隙參考電壓產生器。

根據本發明，一種用以提供參考電壓的能隙參考電壓產生器，包括T型電阻網路連接兩電流源和一電晶體，該兩電流源分別提供具有正溫度係數的電流和偏壓電流，該T型電阻網路決定該參考電壓的溫度係數。該參考電壓從該T型電阻網路取出

該能隙參考電壓產生器的電源電壓和該參考電壓之間只相差該第一電流源的跨壓。因為電流源的跨壓可以很小，所以該能隙參考電壓產生器只需要很低的電源電壓。此外，該電晶體的基極接地，因此其基極電流流向地端，因而其電流增益不影響該參考電壓。

圖3係本發明的實施例，除了圖1的電流源10及12、電晶體P2及緩衝器14以外，還包括由電阻R1、R2及R3組成的T型網路。在此能隙參考電壓產生器中，電晶體P2的射極連接電流源12，集極及基極都接地，電阻R1的第一端30連接電流源10，電阻R2連接在電晶體P2的射極及電阻R1的第二端32之間，電阻R3連接在電阻R1的第二端32及電晶體P2的基極之間，緩衝器14連接電阻R1的第一端30，緩衝其供應的參考電壓Vref，緩衝器14亦具有接成電壓追隨器的運算放大器16。電流源10提供具有正溫度係數的電流I_PTAT 給電阻R1及R3，連接在電晶體P2的射極及基極之間的電阻R2及R3根據電晶體P2的射-基極電壓Vbe1產生具有負溫度係數的電流

I_PTVBE =Vbe1/(R2+R3)。　公式6

參考電壓Vref等於電阻R1及R3的電壓之和，故參考電壓

Vref=I_PTAT ×(R1+R3)+I_PTVBE ×R3。　公式7

將公式3及公式6代入公式7可得

Vref=[R3/(R2+R3)]×{Vbe1+VT×ln(N)×[(R1+R3)/R0]×[(R2+R3)/R3]}，　公式8

因此，調整[(R1+R3)/R0]×[(R2+R3)/R3]的值可使參考電壓Vref的溫度係數為0，調整R3/(R2+R3)的值可調整參考電壓Vref的值。

圖3的能隙參考電壓產生器是從電阻R1的第一端30汲取參考電壓Vref，而非電晶體P2的基極，因此電源電壓Vcc只要大於參考電壓Vref與電流源10的跨壓之和便能驅動該能隙參考電壓產生器，又電流源10的跨壓非常小，約0.1V，故當參考電壓Vref=0.8V時，電源電壓Vcc只要0.9V便足夠，因此圖3的能隙參考電壓產生器在低電源電壓Vcc下仍能運作。電晶體P2的基極接地，因此基極電流Ib流向地端GND，不影響參考電壓Vref，亦即，能隙參考電壓產生器不受電晶體P2的電流增益β影響。一顆鹼性電池的電壓約為0.9V~1.6V，如果圖3的能隙參考電壓產生器提供的參考電壓Vref=0.8V，而且電源電壓Vcc是由鹼性電池提供時，則能隙參考電壓產生器的參考電壓Vref可以直接從鹼性電池產生。

10．．．電流源

12．．．電流源

14．．．緩衝器

16．．．運算放大器

20．．．運算放大器

22．．．啟動電路

30．．．電阻R1的第一端

32．．．電阻R1的第二端

圖1係習知的能隙參考電壓產生器；

圖2係圖1中提供正溫度係數電流的電流源；以及

圖3係本發明的實施例。

10．．．電流源

12．．．電流源

14．．．緩衝器

16．．．運算放大器

30．．．電阻R1的第一端

32．．．電阻R1的第二端

Claims (8)

1. 一種低電源電壓的能隙參考電壓產生器，用以提供參考電壓，包括：第一電阻，具有第一端及第二端，該第一端供應該參考電壓；第一電流源，連接在電源端及該第一電阻的第一端之間，提供具有正溫度係數的電流；電晶體，具有射極、集極及基極；第二電流源，連接在該電源端及該電晶體的射極之間，提供偏壓電流；第二電阻，連接在該電晶體的射極及該第一電阻的第二端之間；以及第三電阻，連接在該第一電阻的第二端及該電晶體的基極之間。
2. 如請求項1之能隙參考電壓產生器，更包括緩衝器連接該第一電阻的第一端以緩衝該參考電壓。
3. 如請求項2之能隙參考電壓產生器，其中該緩衝器包括接成電壓追隨器的運算放大器。
4. 如請求項1之能隙參考電壓產生器，其中該參考電壓等於該第一及第三電阻的電壓之和。
5. 如請求項1之能隙參考電壓產生器，其中該第二及第三電阻的電阻值決定該參考電壓的大小。
6. 如請求項1之能隙參考電壓產生器，其中該第一、第二及第三電阻的電阻值決定該參考電壓的溫度係數。
7. 如請求項1之能隙參考電壓產生器，其中該第一、第二及第三電阻組成T型網路。
8. 如請求項1之能隙參考電壓產生器，其中該電晶體的基極接地。