專利名稱：N階補償溫度獨立的參考電壓的產(chǎn)生方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是與電子電路相關，尤指一種產(chǎn)生具有N階溫度補償?shù)膮⒖茧妷寒a(chǎn)生方法與裝置。
背景技術：
能帶隙參考電壓電路(bandgap reference voltage circuits)廣泛地應用于各類應用范圍，以便在溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的參考電壓。該能帶隙參考電壓電路的操作原理是以熱電壓(thermal voltage)VT的正溫系數(shù)(positivetemperature coefficient)來補償基極-發(fā)射極結電壓VBE的負溫系數(shù)(negative temperature coefficient)，其中熱電壓VT是等于kT/q。一般而言，基極-發(fā)射極結電壓VBE對溫度的變化大約是-1.5mV/℃，而VT對溫度的變化大約是+0.086mV/℃，所以，將這兩項結合可以得到能帶隙電壓VBGVBG＝K1VBE+K2VT方程式(1)其中K1和K2為比例常數(shù)，以確保上述正、負熱因子(thermal factor)能彼此相消，以及使得能帶隙電壓能任意地調(diào)整以適應各種應用需求。
第1圖為典型能帶隙參考電壓電路100的電路圖。能帶隙參考電壓電路100包含多個PMOS晶體管M1、M2、M3，多個雙極性晶體管Q1(其發(fā)射極面積為KA)、Q2(其發(fā)射極面積為A)，多個電阻R0、R1、R2、R3，以及一運算放大器(Op-amp)101。需注意的是，在第1圖中，電阻R1和R2的電阻值相同，晶體管Q1和Q2實質(zhì)上是導通相同的電流。因為晶體管Q1和Q2的發(fā)射極面積比為K∶1，所以電壓VBE，亦即VT1n(K)，是橫跨電阻R0的兩端，用來提供與絕對溫度成比例的電流。運算放大器101會控制節(jié)點V1和V2上的電壓為相同，因此驅(qū)使流經(jīng)電阻R1和R2的電流正比于電壓VBE且提供與絕對溫度互補的電流。流經(jīng)晶體管M1和M2的上述與絕對溫度互補的電流便根據(jù)方程式(1)而得到補償，該補償后的電流便經(jīng)由電流鏡而映射至晶體管M3以產(chǎn)生輸出電壓VOUT。
更明確地說，在第1圖所示的能帶隙參考電壓電路100中，輸出電壓VOUT可由以下式子來表示VOUT=R3R1VBE2+R3R0VTln(K)]]>方程式(2)其中VBE2是晶體管Q2的基極-發(fā)射極電壓，以及K是晶體管Q1和Q2之間的面積比。
比較方程式(1)與方程式(2)，很明顯地，R0、R1和R3的電阻值以及晶體管Q1和Q2的發(fā)射極面積，皆經(jīng)過適當?shù)倪x擇以提供所需的比例常數(shù)K1和K2。由方程式(2)可知，對于任何晶體管Q1和Q2的面積比而言，當電阻值被選定以確保前述正、負熱因子可以相消時，能帶隙參考電壓電路100會產(chǎn)生固定參考電壓VOUT。
然而，固定參考電壓VOUT只有在特定的中心溫度時才會正確地運行，當能帶隙參考電壓電路100的操作溫度漂移該中心溫度時，固定參考電壓VOUT的值會產(chǎn)生顯著的變動，例如，由溫度-40℃增加至+100℃，則固定參考電壓VOUT通常會有大約1mV的電壓變化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的之一在于提供一種溫度獨立的N階補償參考電壓產(chǎn)生器與方法。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，其系揭露一種具有N階溫度補償?shù)膮⒖茧妷寒a(chǎn)生器。該參考電壓產(chǎn)生器包括多個信號產(chǎn)生器，用來產(chǎn)生多個信號，該多個信號分別對應多個溫度相依特性；合成模塊，耦接于該多個信號產(chǎn)生器，用來合成該多個信號以產(chǎn)生合成信號；以及信號至電壓轉換器，耦接于該合成模塊，用以根據(jù)該合成信號產(chǎn)生補償參考電壓。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，其亦揭露一種產(chǎn)生具有N階溫度補償?shù)膮⒖茧妷旱姆椒?。該方法包括產(chǎn)生多個信號，其各別對應于多個溫度相依特性值；合成該多個信號以產(chǎn)生合成信號；以及根據(jù)該合成信號產(chǎn)生補償參考電壓。


第1圖為典型能帶隙參考電壓電路的電路圖。
第2圖為依據(jù)本發(fā)明一個實施例的二階補償參考電壓產(chǎn)生器的方塊圖。
第3圖為依據(jù)本發(fā)明的第一實施例的二階補償參考電壓產(chǎn)生器的電路圖。
第4圖為依據(jù)本發(fā)明的第二實施例的二階補償參考電壓產(chǎn)生器的電路圖。
第5圖為依據(jù)本發(fā)明一個實施例的產(chǎn)生N階溫度補償參考電壓的方法的流程圖。
100能帶隙參考電壓電路 101、320運算放大器200、300、400二階補償參考電壓產(chǎn)生器202、402、424信號產(chǎn)生器204合成模塊206、310、428信號至電壓轉換器302第一信號產(chǎn)生器 304第二信號產(chǎn)生器306第三信號產(chǎn)生器 308合成模塊312、404第一PMOS晶體管 314、406第二PMOS晶體管316、322、326、330、422電阻318、324、328雙極性晶體管408第一電阻410第一雙極性晶體管412第一運算放大器 414第三PMOS晶體管415第二運算放大器 416第二電阻418第二雙極性晶體管426輸出電阻具體實施方式
當溫度改變的時候，第1圖所示的能帶隙參考電壓電路100的輸出電壓VOUT會產(chǎn)生變化，主要是因為能帶隙參考電壓電路100只具有一階溫度補償(1storder temperature compensation)，而能帶隙參考電壓電路100能達到第一階溫度補償?shù)脑蛟谟?，電路中只用到兩個基極-發(fā)射極電壓(Q1和Q2)。為了產(chǎn)生具有第二階溫度補償?shù)墓潭▍⒖茧妷?，則至少需要三個不同的溫度相依特性值(例如三個基極-發(fā)射極電壓)。為了解釋二階補償，方程式(3)為輸出參考電壓VREF的泰勒展開式
VREF＝K1VBE1+K2VBE2+K3VBE3＝r0+r1(T-Tr)+r2(T-Tr)2+... 方程式(3)方程式(3)的近似結果如下列方程式(4)所示VREF≈K1(β1，0+β2，0(T-Tr)+β3，0(T-Tr)2+...)+K2(β1，1+β2，1(T-Tr)+β3，1(T-Tr)2+...)+K3(β1，2+β2，2(T-Tr)+β3，2(T-Tr)2+...)方程式(4)因此，r0＝K1β1，0+K2β2，0+K3β3，0r1＝K1β1，1+K2β2，1+K3β3，1r2＝K1β1，2+K2β2，2+K3β3，2方程式(5)，(6)，(7)其中，對二階補償而言，r1和r2都等于0。如果是N階補償，則至少必須用到N+1個不同的溫度相依特性值，例如N+1個基極-發(fā)射極電壓，而且r1至rN皆為0。
第2圖是依據(jù)本發(fā)明一個實施例的二階補償參考電壓產(chǎn)生器200的方塊圖。二階補償參考電壓產(chǎn)生器200包含有多個信號產(chǎn)生器(signalgenerator)202、合成模塊(combining module)204以及信號至電壓轉換器(signal to voltage converter)206。多個信號產(chǎn)生器202依據(jù)相對應雙極性晶體管的特定基極-發(fā)射極結而分別產(chǎn)生多個信號S1、S2、S3，舉例來說，在第2圖中，每個信號產(chǎn)生器202各自具有電流源I1、I2、I3，基極-發(fā)射極結VBE1、VBE2、VBE3，以及用來以縮放系數(shù)(scale factor)K1、K2、K3縮放輸入的信號的比例縮放元件(scaling device)。合成模塊204是接收信號S1、S2、S3，并且對信號S1、S2、S3執(zhí)行電性加減(electrically add or subtract)以形成合成信號SC。信號至電壓轉換器206根據(jù)合成信號SC而產(chǎn)生參考電壓VREF。藉由選取適當?shù)目s放系數(shù)K1、K2、K3，可使得方程式(3)中的r1和r2等于0，以及熱因子(基極-發(fā)射極電壓)相消，因此，由二階補償參考電壓產(chǎn)生器200產(chǎn)生的參考電壓VREF即為具有第二階溫度補償?shù)墓潭J值。此外，參考值VREF可以由縮放系數(shù)K1、K2、K3以及信號至電壓轉換器206的相關縮放系數(shù)來加以決定。
第3圖是依據(jù)本發(fā)明的第一實施例的二階補償參考電壓產(chǎn)生器300的電路圖。參考電壓產(chǎn)生器300包含有第一信號產(chǎn)生器302、第二信號產(chǎn)生器304、第三信號產(chǎn)生器306、合成模塊308以及信號至電壓轉換器310。第一信號產(chǎn)生器302包含有第一及第二PMOS晶體管312、314、電阻316、雙極性晶體管318以及運算放大器(op-amp)320。第一及第二PMOS晶體管312、314是用來作為電流源，并且根據(jù)運算放大器320的輸出來來產(chǎn)生實質(zhì)上相同的電流I1。運算放大器320系用來確保節(jié)點A、B的電壓值相同，而節(jié)點A、B的電壓值即為雙極性晶體管318的基極-發(fā)射極電壓VBE，且節(jié)點A、B的電壓值與雙極性晶體管318的發(fā)射極面積及電流I1有關，此外，藉由選取電阻316的電阻值，電流I1的大小可被適當?shù)乜s放。第一信號產(chǎn)生器302的輸出信號S1是運算放大器320的輸出，且輸出信號S1實際上系為一控制信號，用來控制第一及第二PMOS晶體管314、314所產(chǎn)生的電流量。第二、第三信號產(chǎn)生器304、306在結構上與第一信號產(chǎn)生器302相似，但是其雙極性晶體管324、328的發(fā)射極面積以及電阻322、326的電阻值卻不盡相同，因此可分別輸出具有不同縮放比例的輸出信號S2、S3。
合成模塊308利用信號S1、S2、S3以及多個PMOS晶體管和NMOS晶體管，分別由第一、第二及第三信號產(chǎn)生器302、304、306再產(chǎn)生電流I1、I2和I3。隨后結合這三個電流I1、I2和I3而使得SC等于I1-I3-I2。信號至電壓轉換器310利用輸出電阻330，將合成模塊308輸出的結合電流信號SC耦合至地面。藉由選擇第一、第二及第三雙極性晶體管318、324及328的發(fā)射極面積，以及電阻316、322、326及330的電阻值，可以使VREF的值成為具有第二階溫度補償而與溫度無關的固定預定值。
請注意，經(jīng)由觀察本實施例的合成模塊308可知，其包括數(shù)個晶體管，每個晶體管通過信號S1、S2、S3而分別與位于信號產(chǎn)生器302、304、306中的晶體管構成電流鏡的電路架構。雖然在本實施例中，由合成模塊308的晶體管所生成的電流系分別相等于相對應的信號產(chǎn)生器中的電流，但是如業(yè)界所已知，通過適當?shù)卦O計便可以藉由調(diào)整一電流鏡中晶體管的面積比，亦即合成模塊308中的晶體管與一信號產(chǎn)生器中晶體管的面積比，而改變這些電流的大小。接著，利用另一電流鏡來將合成模塊中的這些電流結合在一起，也就是說，合成模塊308根據(jù)對多個信號S1、S2、S3進行算術上的處理而產(chǎn)生所要的合成電流信號SC。
為了決定特定電阻值，本實施例會利用以下的方法。首先，決定三個雙極性晶體管318、324、、328的發(fā)射極面積比，在下面的例子中，假設三個雙極性晶體管318、324、328的發(fā)射極面積比為3∶45∶1，而且流過晶體管的電流皆相同。然后，利用模擬工具或?qū)嶒灲Y果，得出三個雙極性晶體管318、324、328個別的發(fā)射極-基極電壓VBE1、VBE2、VBE2的溫度依賴關系。例如，以中心溫度Tr＝40℃為例VEB1＝748.6218 1.7308(T-Tr) 0.0006(T-Tr)2VBE2＝651.7201 2.0533(T-Tr) 0.0007(T-Tr)2VBE3＝760.4482 1.6918(T-Tr) 0.0006(T-Tr)2接著，可以利用下列的方程式(8)決定出電阻316、322、326、330的電阻值R1、R2、R3、R4之間的比例，其中對第二階溫度補償來說，r1＝r2＝0。
VREF＝K1VBE1+K2VBE2+K3VBE3=R4(VBE1R1-VBE3R3-VBE2R2)]]>＝r0+r1(T-Tr)+r2(T-Tr)2+... 方程式(8)為了達到低功率損耗，可以選用較大的電阻值。繼續(xù)上述的例子，為了產(chǎn)生對應700mV的參考電壓，經(jīng)過計算后，可以得到以下的電阻值電阻316＝24.52kΩ電阻322＝50kΩ電阻326＝57.3kΩ輸出電阻330＝200kΩ根據(jù)本實施例，參考電壓VREF的實際值是由信號產(chǎn)生器302、304、306以及信號至電壓轉換器310中各別的縮放系數(shù)(電阻316、322、326、330)而決定，如此一來，即使是很小的參考電壓VREF也可產(chǎn)生。由于參考電壓VREF具有N階溫度補償，所以相較于已知第一階能帶間隙參考電壓電路100所產(chǎn)生的電壓，本實施例的參考電壓VREF顯得更為精確。此外，低于1.2V的參考電壓VREF也能夠產(chǎn)生，因此，本發(fā)明能帶間隙參考電壓電路可以用于供應電壓非常低的電路，例如使用低于1.5V電力軌(sub 1.5V power rail)VDD的應用裝置。
第4圖是依據(jù)本發(fā)明的第二實施例的二階補償參考電壓產(chǎn)生器400的電路圖。參考電壓產(chǎn)生器400的元件與第3圖中參考電壓產(chǎn)生器300的元件類似，但是參考電壓產(chǎn)生器400中，第一與第二信號產(chǎn)生器合并為信號產(chǎn)生器402。第一信號產(chǎn)生器包含有第一PMOS晶體管404、第二PMOS晶體管406、第一電阻408、第一雙極性晶體管410、第一運算放大器412；而第二信號產(chǎn)生器則包含有第三PMOS晶體管414、第二PMOS晶體管406、第二電阻416、第二運算放大器415、該第一雙極性晶體管410以及第二雙極性晶體管418。組成該第一信號產(chǎn)生器的所有元件，其連接方式跟第3圖相似，而組成該第二信號產(chǎn)生器的所有元件也以相似的方式連接，除了該第二電阻416連接至該第二雙極性晶體管418的發(fā)射極，而且該第二雙極性晶體管418的基極與集電極皆接地。因此該第一信號產(chǎn)生器與該第二信號產(chǎn)生器共享該第二PMOS晶體管406以及該第一雙極性晶體管410。而且，藉由將該第二電阻416連接至參考電壓，也就是該第二雙極性晶體管418的發(fā)射極，計算該信號產(chǎn)生器402、424的電阻408、416、422以及該信號至電壓轉換器428的電阻426的值時，就變得更為容易，而其中該第二雙極性晶體管418的基極-發(fā)射極電壓為VBE。除此之外，第4圖的二階補償參考電壓產(chǎn)生器400的操作方式皆與第3圖中所描述的相同。
雖然本發(fā)明所舉的例子是使用pnp雙極性晶體管，但是本發(fā)明的實施并不限于pnp晶體管，使用npn晶體管也屬于本發(fā)明所揭露的范圍。此外，其它的溫度相依特性值也可以用在本發(fā)明中，例如流過二極管而與熱電壓VT(與溫度相關)相關的電流。一般而言，利用N個各具不同溫度相依特性值的不同元件，可以形成N-1階溫度補償。
因此，第5圖即根據(jù)本發(fā)明的實施例，說明產(chǎn)生N階溫度補償參考電壓的方法。第5圖的流程包含以下的步驟步驟500產(chǎn)生N+1個溫度相依的信號，這些信號可以是N+1個不同雙極性晶體管的N+1個基極-發(fā)射極電壓，或是其它溫度相依的特性值。
步驟502將該N+1個信號合成以產(chǎn)生合成信號，合成之后，該N+1個信號必須滿足方程式(8)，其中r1至rN設定為零以達到N階補償，如此一來該N+1個信號的熱因子就可以相消。
步驟504根據(jù)步驟502的該合成信號產(chǎn)生VREF。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，參考電壓VREF的值決定于信號產(chǎn)生器與信號至電壓轉換器的電阻，因此，可以產(chǎn)生適用于低電壓的參考電壓VREF，例如，應用于低于1.5伏。所以本發(fā)明適用于供應電壓(VDD)非常低的電路，而且能產(chǎn)生具有N階溫度補償?shù)姆€(wěn)定參考電壓。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明權利要求范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權利要求
1.一種具有N階溫度補償?shù)膮⒖茧妷寒a(chǎn)生器，其包含有多個信號產(chǎn)生器，用來產(chǎn)生多個信號，該多個信號分別對應多個溫度相依特性值；合成模塊，耦接于該多個信號產(chǎn)生器，用來合成該多個信號以產(chǎn)生合成信號；以及信號至電壓轉換器，耦接于該合成模塊，用來根據(jù)該合成信號產(chǎn)生補償參考電壓。
2.根據(jù)權利要求1所述的參考電壓產(chǎn)生器，其中該多個信號為N+1個溫度相依的信號。
3.根據(jù)權利要求1所述的參考電壓產(chǎn)生器，其中該合成模塊根據(jù)該多個信號而算術上合成多個電流，來合成該多個信號以產(chǎn)生該合成信號。
4.根據(jù)權利要求1所述的參考電壓產(chǎn)生器，其中該多個信號產(chǎn)生器包含多個具有p-n結的元件，而且每一元件都具有對應于一p-n結的跨壓的特定溫度相依特性值。
5.根據(jù)權利要求1所述的參考電壓產(chǎn)生器，其中每一信號產(chǎn)生器皆包含第一電流源，用來根據(jù)控制信號而提供第一電流；第二電流源，用來根據(jù)該控制信號而提供第二電流，該第二電流與該第一電流實質(zhì)上相同；電阻，其具有耦接于該第一電流源的第一節(jié)點，該電阻用來將該第一電流耦接至參考節(jié)點；晶體管，其具有耦接于該第二電流源的發(fā)射極以及耦接于供應節(jié)點的基極與集電極；以及控制信號產(chǎn)生器，用來產(chǎn)生該控制信號以控制該電阻的該第一節(jié)點的電壓與該晶體管的該發(fā)射極的電壓實質(zhì)上相等；其中該信號產(chǎn)生器所輸出的信號為該控制信號。
6.一種產(chǎn)生具有N階溫度補償?shù)膮⒖茧妷旱姆椒?，其包含有產(chǎn)生多個信號，其分別對應于多個溫度相依特性值；合成該多個信號以產(chǎn)生合成信號；以及根據(jù)該合成信號來產(chǎn)生補償參考電壓。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中該多個信號為溫度相依的N+1個信號。
8.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中合成該多個信號以生成該合成信號的步驟還包含有根據(jù)該多個信號而算術上合成多個電流。
9.根據(jù)權利要求6所述的方法，其還包含有提供多個具有p-n結的元件，其中每一溫度相依特性值為一p-n結的跨壓。
10.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中產(chǎn)生多個信號的步驟還包含有提供多個信號產(chǎn)生器，每一信號產(chǎn)生器包含有第一電流源，用來根據(jù)控制信號而提供第一電流；第二電流源，用來根據(jù)該控制信號而提供第二電流，且該第二電流與該第一電流是實質(zhì)上相同；電阻，其具有耦接于該第一電流源的第一節(jié)點，該電阻用來將該第一電流耦接至一參考節(jié)點；以及晶體管，其具有耦接于該第二電流源的發(fā)射極以及耦接于供應節(jié)點的基極與集電極；以及對每一信號產(chǎn)生器而言，該方法還包含有產(chǎn)生該控制信號以使該電阻的該第一節(jié)點的電壓與該晶體管的該發(fā)射極的電壓實質(zhì)上相等；其中該N+1個信號分別為對應于該多個信號產(chǎn)生器的多個控制信號。
全文摘要
一種參考電壓產(chǎn)生器包含有多個信號產(chǎn)生器，用來產(chǎn)生N+1個分別對應N+1個不同的溫度相依特性值的信號；耦接于該多個信號產(chǎn)生器的合成模塊，用來合成該N+1個信號以產(chǎn)生合成信號；以及耦接于該合成模塊的信號至電壓轉換器，用來根據(jù)該合成信號產(chǎn)生補償參考電壓。每一信號產(chǎn)生器包含有N+1個具有p－n結的元件，每個元件都具有對應于p－n結的跨壓的特定溫度相依特性值(例如晶體管的基極－發(fā)射極電壓)。藉由調(diào)整該N+1個信號，可以產(chǎn)生具有N階溫度補償且對應預定值的參考電壓。
文檔編號G05F3/20GK1722043SQ200510083349
公開日2006年1月18日 申請日期2005年7月12日 優(yōu)先權日2004年7月12日
發(fā)明者邱永明 申請人:瑞昱半導體股份有限公司