TWI310489B - Reference voltage generator and method for generating a bias-insensitive reference voltage - Google Patents
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Description
1310489 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係·於參考’尤指參考霞姓Hf路和產生參考 電壓的方法。 【先前技術】 類比電路廣泛使用到參考電麗，這種參考電塵需要具有高精確 度，其相對於製程因素和電壓源的關聯性很低或甚至沒有，而相對於 溫度有一定義清楚的關聯性。目前已經發展了許多實現零溫度係數之 技術方案，其中能帶間隙(bandgap)參考電壓是—種熱門方法。 為了解釋方便起見這裡先定義兩個名詞，即正温度係數 (positive temperature coefficient)和負溫度係數 (negative temperature c〇efficient)。正溢度係數數值表示 對於絕對溫度成正比例關係，也稱為正比例絕對溫度 (proportional to absolute temperature, PTAT)，而負溫 度係數數值表示對於絕對溫度成負比例關係也稱為負比例絕對溫度 (counter proportional to absolute temperature, CTAT) 〇 能帶間隙參考電壓電路通常以合適比例係數，結合由正溫度係數 電壓和負溫度係數電壓，用以產生零溫度係數電壓。 第1圖顯示習知能帶間隙參考電壓電路的電路圖，包括第一電路 10和第二電路12。第一電路1〇輕接到第二電路12。第一電路1〇 產生正温度係數電壓VpTAT ’第二電路產生負溫度係數電壓Vctat。將正 溫度係數電壓Vptat和負溫度係數電壓Vctat結合產生能帶間隙參考電 壓Vbg ’在理想狀態下為一固定數值。該固定數值和製程、電壓源、和 溫度的變化無關，並且由以下關係式表示：
Vbg = VpTAT + VerAT (1)
Client’s Docket N〇.:VIT05**0063 TT's Docket No:0608-A40445-TWFl.doc/Kathy Chuang /2006-02-07 s 1310489 f-電路1Q包括第-雙極電晶體Q1、第二雙極電晶體Q2、操作 放大态（Operational arrplifier, 〇P)〇pi、第—電阻尬、和第 二電阻R2。第一雙極電晶體〇1耦接到第一電阻1^1，然後到操作放大 器〇pi的非反向輸入。第二雙極電晶體Q2減到操作放大器〇ρι的 反向輸入，使得在第一雙極電晶體Q1和第二雙極電晶體Q2分別建立 不同的射極紐電愿（emitter_basev〇ltage)Veb^Veb2，在 ％ 和％間產生一射極紐電壓差△〜(△▽吐=& _呢叫於操作 放大器〇P1的輪出和第二電阻。該射極基極電愿差机b為一元件 原本就存在的正溫度係數電壓VPTAT。接著上述正溫度係數電壓v_ 控制-正溫度係數電流IPTAT穿過第二電阻R2，用以建立正溫度係數 電壓Vptm* 〇 f電路12包括第三雙極電晶體Q3，其轉接到第二電阻R2，並 且在第二雙極電晶體Q3的射極和基極間產生元件原本就存在的負溫 度係數電壓VcrAT。 、 然而γ因為正溫度係數電流Ιργατ隨製程和溫度變動，而且引入一 和負溫度碰賴VCTAT相反的量，肋賴第三雙極電晶體①的正 溫度係數f A IPTAT將使得貞溫度舰麵v_的絲減弱。在實作 上正溫度係數駿IPTAT可關為積體電路的製程產生鹰的變動，導 致能帶間隙參考電壓、無法維持和製程和溫度無關的電鮮位。為了 解決這個問題通常需要額外的電路模擬和校正，也目此增加產品的製 造週期和電路複雜度。 因此，這裡需要-種參考電壓產生器和產生參考電壓的方法，用 以產生一種和偏壓無關的參考電壓。 【發明内容】 有鑑於此’本發明提出一種參考電壓產生器，包括一第一電路、 一第二電路、和一外部元件。第—電路產生正溫度係數(positive
Client’s Docket N〇_:VIT05-0063 lT'sDocketNo:0608-A40445-TWFl.doc/Kathychuailg/2〇〇6_〇2_〇7
1310489 temperature c〇effiCient)電壓。第二電路轉接到上述第一電 路，由一大致固定電流偏壓，產生負溫度係數（negative temperature，ffic:ient) ，以及結合上述負溫度係數電壓 和上述正溫度錬電壓作為—參考電壓。外部元件雛壯述第二電 路，並且產生上述大致固定電流。 此外，本發明另提出-種積體電路，用以產生一參考電屢，包括 -第-電路和-第二電路。第一電路產生一正溫度係數電流和一正溫 度係數電壓。第二電路耦接到上述第一電路，由一非上述正溫度係數 電流的大朗定電流健，敍_貞溫度絲賴，以及結合上述負 度係數電壓和上述正溫度係數電壓作為上述參考電壓。 本發明另提出-種產生參考電壓的方法，包括在—第—電路提供 -正溫度係數電壓’由-大致蚊電流偏壓—第二電路，上述大致固 定電流由-外部7L件錄，在上述第二f路形成—貞溫度係數電壓， 以及結合上述貞溫度魏和上 壓。 / 為使本發明之上述目的、4|徵和優點能更明顯易懂， 例’並配合所關式，作雜綱如下。 下文特 a在此必綱_是，於下揭露内容中所提出之不同實 耙例’係用以酬本發明所揭示之不同技術特徵，其所描述之特 定範例，列制以簡化本發明，_用以限林發明。、 在不同實施例或範例中可能重覆使用相同 等重覆使狀嫩 而非用以表示不同貫施例或範例間之關係。
Client's Docket N〇.:VIT05-0063 TT's Docket N〇:0608-A40445-TWF1 .doc/Kathy Chuang /2006-02- 第2 ®顯林發明實施例中之參考賴產生器 括酿電路赠-電路）、CTAT電路12(第二電路）圖二 7 -07 1310489 .和外部元件22侧電路_接到咖 電路中間電路2。、接著輪到外部元件22。 參考第2圖’PTAT電路1〇產生一正溫度係數電壓 π元件==和u nIext α n倍數相關。外部電流1ext由外 壓V —起、70正/皿度係數電壓VpTAT和負溫度係數電 £ CTAT起產生一大致固定參考電壓Vb3。 -工一31固女定士電f應用於外部元件兩端，用以建立大致固定電 ΐϋΐ 定電流U，經由中間電路2 〇導入至⑽ 電路二“，電流nW °上述大致固定電壓可以為由CTAT 電、，至由令間電路2〇而來的參考電屋。 PTAT 電路 1〇 和 ctat 雷故 ί 〇 -r、f /± to =n 第二電路，如帛i ^ 可喊㈣知之第—電路及 :二=口：體=:外。_ 電^製造中的2 0%製成變動所影響 ^ 22 積，
際應用上，外部元件22的正確性可以維 。J 二=:第:電路及第二電路，利"間=及： 7G件22可提供—穩定的參考電壓。 _間電路2。包括操作放大器（operational amplif· =◦〇、電流鏡（c町ent mir取）電路2〇 P : 知作放大n湖的非反向輪人_到ctH: :?到:部元件22，以及其輸出_電晶= 接者輕接到外部元件22和電流鏡電路2Q2。 冑日日體崩 參考麵Vbg由CTAT電路12經由操作放大器2〇〇送到外
Ghent's Docket No.： VIT05-0063 s 〇cket N〇:0608-A40445-TWFLdoc/Kathy Chuang /2006-02-07 1310489 部元件22，使得-大致固定糕施加到外部元件a兩端，並且 固定電流經由電流鏡電路2〇2回饋到⑺对電路η，得到 真的負/m度係數電壓vCTAT和非偏麼敏感的參考電壓％。 第3圖顯示使用在第2圖參考電壓產生器的裝置^的電路概 要圖。裝置3包括PTAT電路1Q (第一電路）、ctat電路η (第 二電路卜和中間電路20 (第三電路）qPTAT電路丄◦鱗到aw 電路I2、接著耦接到中間電路2 PTAT電路^產生正溫度係數電流心窗和正溫度係數電壓 V簡。C·電路12由—大致固定f流队#偏制以產生負溫 度係數電壓VCTAT，以及結合貞溫度紐賴和正溫度係數 電廢νΡΤΑΤ作為參考電壓Vbg。上述大致固定電流η工奶並非上述 正溫度係數電流ΙΡΤΑΤ。 ΡΤΑΤ電路IQ，CTAT電路12，和中間電路2Q可以由第2 圖顯示的電路配置實現。另外，CTAT電路U可以輕接到一外部 元件，用以接受大致固定電流nIext穿過其中。上述外部元件可 以為電阻、電容、或任何可以提供大致固定電流乙杜的元件。 本發明另外包括一種產生參考電壓Vbg的方法，使用第2圖 所揭露的參考電壓產生器。 在初始化之後，该產生參考電壓&的方法包括在pTAT電路工〇 提供正溫度係數電壓VPTAT，並且由大致固定電流旧过偏壓CTAT電 路I2來產生負^皿度係數電壓Vctat。上述大致固定電流n工战t由夕卜部 70件22而來。最後結合負溫度係數電壓Vctat和正溫度係數電壓 作為參考電壓Vbg。 接著經由中間電路20中的操作放大器2〇〇將參考電壓 施加於外部元件22。因為外部元件22的值具有控制良好的精確 性，參考電壓產生器2的電路配置所產生的電流工ext為一大致固
Client's Docket No. :VIT05-0063 TT!s Docket No：0608-A40445-TWFl.doc/Ka% Chuang /2006-02-07 1310489 疋電z；IL，其經由中間電路2〇内的電流鏡電路傳送到ctat 電路I2。CTAT電路使用大賴定電流U做為偏壓電流， 用以產生貞溫度魏賴Vctat。這個方法可以制铜上述產生 參考電壓程序結束為止。 本發明和互補金屬氧化物導體(Cc)mplementaiy MetaR)xide =〇η=Γ，CM0S)、雙極(Blp〇1♦雙載子互補式金氧 (mP〇larCMOS，BlCMOS)製程完全相容，熟習此技藝者可 =本發_發日腸神之方式τ，依料要做 極或BiCMOS製程。 ^ J又文詞又 ^發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發 可做些許的更動無飾，因此本發明之保護範圍範圍内，當 明’任何熟習此項技藝者’在不脫離本發明之精神和範 專利範圍所界定者為準 【圖式簡單說明】 虽硯後附之申請 第1圖顯示習知能帶間隙參考電壓電路的電路圖。 置3的電路概要圖 【主要元件符號說明】 圖顯示本發曰月實施例中之參考電壓產生器二 第士圖^示使用在第2圖參考電壓產生器的裴 ° 10 - ΡΊΆΤ 電路；12 外部元件。 CTAT 電路；20 中間電路/ 22 -
Client’s Docket No.:VIT05-0063 TT's Docket No:0608-A40445-TWFl.doc/Kathy Chuang /2006-02-07 10
Claims (1)
- ,1310489 修正本案號095104034 98年1月21日 十、申請專利範圍： 1. 一種參考電壓產生器，包括： 一第一電路’產生正溫度係數（positive temperature coefficient)電壓； 一第二電路’耦接到上述第一電路，由一大致固定電流偏 壓’產生負溫度係數（negative temperature coefficient) 電壓’以及結合上述負溫度係數電壓和上述正溫度係數電壓作 為一參考電壓；以及一外部元件’耦接到上述第二電路’並且產生上述大致固 定電流丄其中上述第一電路包括： 一第一和一第二雙極電晶體，其分別具有不同工作電 流； 第一電阻，搞接到上述第一雙極電晶體；以及 一第二電阻，其電壓降係正比於上述第一和第二雙極 電晶體之基極射極電壓（base_emitter ¥〇1^狀）的差別， 並產生上述正溫度係數電壓。2. 如申吻專利範圍第1項所述之參考電壓產生器，其中上 述外部元件為一耦接到上述參考電壓的電阻。 3. 如申明專利範圍第1項所述之參考電壓產生器，其中上 述第二電路包括一第三雙極電晶體。 t如申明專利圍第！項所述之參考電壓產生器，更包括 :第三電路’暖t述第二電路和上述外部猶，使得上述參 考電壓_到上述外部元件，並且經由上述第三電路導入上述 大致固定電流到上述第二電路。 VTr05-0063/0608-A40445-TWFl.doc_ 送件版 11 1310489 98^ )月2 1日修瞥換頁 5」如申請專利範圍第4項所述之參考電壓產生器，其中上 =電路包括—操作放大器，柄接到上述第二電路和上述外 。TG件，使得上述參考電壓施加到上述外部元件。 、★ 6」如申請專利範圍第4項所述之參考電壓產生器，其中上 =三電路更包括-電流鏡電路，耦接到上述第料 外部元件，使得上述第二電路接收到上述大致蚊電流。^ 7如申請專利範圍第1所述之參考電壓產生器，其中上述 曰電路更包括-第三雙極電晶體、一操作放大器、一第一電 日日體、一第二電晶體、和一第三電晶體，其中： 上述帛二雙極電晶體的射軸接到上述操作放大 反向輸入； 尸 上述操作放大器的反向輸入輕接到上述外部元件，上述操 作放大器的輸㈣接到上述第三電晶體㈣極； ’、 …^述第二電晶體紐_接到上述第_電晶體的沒極，上 述第二電晶體的源極耦接到上述外部元件； 、、士述第-電晶體的閘極減到上述第二電晶體的閘極和 上述第-電晶體的祕’上述第—電晶體的源極輪到一電壓 上述第二電晶體的汲極耦接到上述操作放大器的上述非 反向輸入和上述第三雙極電晶體的上述射極，上述第二電晶體 的源極耦接到上述電壓源；以及 ％ — 上述第三雙極電晶體的閘極耦接到上述第—電路，上述第 三雙極電晶體的集極耦接到接地。 ；U 8. —種積體電路，加入用以產生一參考電墨，包括. VIT05-0063/0608-A40445-TWFl.doc-送件版 12 1310489 c； 一 _；· 輯设)正替換f 1 t： 壓；以及 第一電路，產生一正溫度係數電流和一正溫度係數 電 一第二電路’祕到上述第—電路，由—非上述正溫度係 =電机的大致固^電流偏壓，產生—負溫度係數電壓，以及結 。上述負溫度係數電壓和上述正溫度係數電壓作為上述參 電壓，其中上述第一電路包括： / 電 流； 第和一第二雙極電晶體，其分別具有不同工作 一第-電阻’輕接到上述第一雙極電晶體；以及 一第二電阻’其電壓降正比於上述第—和第二雙極電 晶體之基極射極電壓（base_emitter voltage)的差別 生上述正溫度係數電壓。 9. 如申請專利範圍第8項所述之積體電路，其中上述第二 =更祕到-外部元件’用以接收上述大致固定電流穿過其 10. 如申W專利圍第8項所述之積體電路，其中上 二電路包括一第三雙極電晶體。 k乐 II·如t 4專利範㈣8項所述之積體電路，更包括 ==器，接到上述第二電路和—外部元件，使得上述參考 電壓施加到上述外部元件。 ▼ 流鏡電路，第8電：述之積體電路’更包括-電 電路接收到上述纽:第定=路和-外部元件，使得上述第二 13.—種產生參考電壓的方法，包括： VIT05-0063/0608-A40445-TWFi.doc_ 送件版 13 .1310489 8S‘ i· 在一第一電路提供一正溫度係數電壓，其中上述第一電路 包括： 第和一弟一雙極電晶體，其分別具有不同工作電 流； 第一電阻，耗接到上述第一雙極電晶體；以及 一第二電阻，其電壓降正比於於上述第一和第二雙極 電曰日體之基極射極電壓（base-emitter voltage)的差別， 產生上述正溫度係數電壓； 由一大致固定電流偏壓-第二電路，上述大致固定電流由 一外部元件而來； 在上述第二電路形成一負溫度係數電壓；以及 結合上述負溫度係數電壓和上述正溫度係數電壓作為上 述參考電壓。 14. 如申明專利範圍第13項所述之產生參考電壓的方 法，其中上述外部元件為一耦接到上述參考電壓的電阻。 15. 如申請專利範圍第13項所述之產生參考電壓的方 法’更包括經由-第三電路施加上述參考電述外部元 件。 16. 如申請專利範圍第13項所述之產生參考電屢的方 ^更包括經由-第四電路導人上述大致固定電流到上述第二 Π申請專魏圍帛13項所述之產生參考電 中上述第二電路包括-第三雙極電晶體。 壓的方法，其 vm^_o〇6M)6〇8_M(mmvpi‘doc-送件版 14
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