專利名稱：帶差參考電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶差參考電路(Bandgap Reference Circuit),且特別涉及 一種低電源電壓的帶差參考電路。
背景技術(shù)：
眾所周知，帶差參考電路的功能是提供一個穩(wěn)定、不會隨著工藝、溫度、 電源電壓改變的參考電壓(Vref)，因此，在混合式電路的領(lǐng)域中廣泛的被設(shè) 計于許多的電路中，例如，電壓調(diào)整器(Voltage Regulator)、數(shù)字轉(zhuǎn)模擬電路、 以及低漂移放大器(Low Drift Amplifier)。
請參照圖l，其所示為已知由PMOS場效應(yīng)晶體管、PNP雙極晶體管、 與運(yùn)算放大器所組成的帶差參考電路示意圖。 一般來說，帶差參考電路包括 鏡像電路(MirroringCircuit)12、運(yùn)算放大器(15、以及輸入電路20。鏡像電路 12中包括三個PMOS場效應(yīng)晶體管(FET)Ml、 M2、 M3，在此范例中，Ml、 M2、 M3具有相同的長寬比(W/L)。其中，Ml、 M2與M3的柵極相互連接， Ml、 M2與M3的源極連接至電源電壓(Vss)， Ml、 M2與M3及漏極可分別 輸出Ix、 Iy與Iz的電流。另外，運(yùn)算放大器15的輸出端可連接至M1、 M2 與M3的柵極，運(yùn)算放大器15的正極輸入端連接至M2的漏極，而運(yùn)算放大 器15的負(fù)極輸入端連接至M1的漏極。再者，輸入電路20包括二個PNP雙 極晶體管(BJT)Q1、 Q2;其中，Ql面積為Q2面積的m倍，Ql與Q2的基極 與集極連接至接地端使得Ql與Q2形成二極管連接，Q2的射極連接至運(yùn)算 放大器15的負(fù)極輸入端，Ql的射極與運(yùn)算放大器15的正極輸入端之間連 接第一電阻(R1)。再者，PNP雙極晶體管(BJT)Q3面積與Q2面積相同，Q3 的基極與集極連接至接地端，Q3的射極與M3漏極之間連接第二電阻(R2)， M3漏極可輸出參考電壓(Vref)。
由圖1所示的帶差參考電路可知。由于M1、 M2、 M3具有相同的長寬 比，因此，Ml漏極的輸出電流Ix、 M2漏極的輸出電流Iy與M3漏極的輸
出電流Iz相同，也就是，W, = /z —(1)。
再者，在運(yùn)算放大器15具有無限大的增益下，運(yùn)算放大器15的負(fù)極輸 入端電壓(Vx)與正極輸入端電壓(Vy)會相等。因此，i^ + ^,^2…(2)。
由于Ql與Q2形「成二極管連寧(Diode Connect)且Ql面積為Q2面積的 m倍，所以，/^/,f與/,m/,f ，進(jìn)而推導(dǎo)出^^^ln仏/附/,)—(3)與 ^2=^ln(/,//s)—-(4)。其中，厶為Q2的飽和電流(Saturation Current), ^為 熱電壓(Thermal Voltage)。
結(jié)合(l)、 (2)、 (3)、 (4)，最終可以獲得/,(l/《)^l詣…(5)，以及，參考 電壓；-(^/^^lnw + f^—^o
請參照圖2A，其所示為帶差參考電路中提供的參考電壓示意圖。根據(jù) 方程式(6)可知，參考電壓(Vref)可視為一個基射電壓產(chǎn)生器(base-emitter voltage generator)32用以提供PNP雙極晶體管的基極與射極之間的基射電壓 (VBE)加上熱電壓(^)產(chǎn)生器(thermal voltage generator)34產(chǎn)生熱電壓(^)乘以 與溫度無關(guān)的常數(shù)K (temperature-independent scalar)36的結(jié)果。也就是， Vref=VBE+KVT，相較于圖1的帶差參考電路，《=(及2/^)1詣。
請參照圖2B，其所示為參考電壓(Vref)與溫度關(guān)系圖。由圖中可知，基 射電壓產(chǎn)生器32的基射電壓(VBE)具有負(fù)溫度系數(shù)(negative temperature coefficient)的特性，相反地，熱電壓產(chǎn)生器34的熱電壓(^)具有正溫度系數(shù) (positive temperature coefficient)的特性。因此，于熱電壓(^)提供固定系數(shù)(K) 的權(quán)重并與基射電壓(VBE)相加之后可以獲得零溫度系數(shù)(zero temperature coefficient)的任何值。也就是說，任意溫度下參考電壓(Vref)可幾乎為一個定 值。
另外，絕對溫度比例(Proportional To Absolute Temperature ，簡稱PTAT)
電流產(chǎn)生電路也是廣泛運(yùn)用在混合式電路中用以隨著溫度的改變而產(chǎn)生電 流變化的電路。請參照圖3，其所示為己知由PMOS場效應(yīng)晶體管、PNP 雙極晶體管、與運(yùn)算放大器所組成的絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路示意圖。絕 對溫度比例電流產(chǎn)生電路與圖1所示的帶差參考電路結(jié)構(gòu)類似，唯一差異僅 在于PMOS場效應(yīng)晶體管M3的漏極直接輸出絕對溫度比例電流(PTAT CUrrent)Iptat。其它運(yùn)算放大器15與輸入電路20的連接方式都與圖1相同。 同理，由圖3所示的絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路可得知，lx=ly=lptat。因
此，其可提供絕對溫度比例電流/肖=(1/^)^11^ 。亦即，利用雙極晶體管的 導(dǎo)通電流和絕對溫度成比例的特性，將已知的帶差參考電路進(jìn)行修改即可以
獲得絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路。由于熱電壓(「o具有正溫度系數(shù)的特性，
因此絕對溫度比例電流(lptat)會隨著溫度的上升而增加。
一般來說，雙極晶體管的順向偏壓(forward-voltage drop)于-40'C約為 0.83V，而電源(Vss)至輸入電路20之間的鏡像電路12與運(yùn)算放大器15的偏 壓至少需要0.17V。也就是說，為了要使得圖1的帶差參考電路或者圖3的 絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路正常運(yùn)作，至少需要1V(0.83V+0.17V)的電源電 壓(Vss)。也就是說，已知帶差參考電路與絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路需要至 少lV的電源電壓(Vss)。
然而，由于半導(dǎo)體工藝的演變已由早期0.13 IX m工藝演進(jìn)至90nm工藝、 60nm工藝、甚至于未來的45nm、 30nm工藝，因此，模擬IC芯片的電源電 壓(Vss)也必須隨著工藝越進(jìn)步而越來越低。然而，過低的電源電壓(Vss)將會 沖擊到已知帶差參考電路的正常運(yùn)作，同理，過低的電源電壓(Vss)也會沖擊 到絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路的正常運(yùn)作。
為了解決已知帶差參考電路與絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路較高電源電 壓(Vss)的問題，于輸入電路20中以順向偏壓更低的肖特基二極管(Schottky Diode)來取代雙極晶體管，用以降低帶差參考電路或者絕對溫度比例電流產(chǎn) 生電路的電源電壓(Vss)?；蛘撸脛討B(tài)臨界電壓的金屬氧化物半導(dǎo)體 (dynamic threshold MOS，簡稱DT MOS)場效應(yīng)晶體管來取代雙極晶體管， 也可以降低電源電壓。
然而，肖特基二極管或者DTMOS的工藝并不兼容于一般標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體 工藝，所以必須另外于標(biāo)準(zhǔn)工藝中增加特殊的工藝步驟并提供該特殊工藝所 需的光罩才能夠完成肖特基二極管或者DTMOS。如此，將增加生產(chǎn)芯片所 需的成本。
請參照圖4A,其所示為P型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的漏極電
流根値(乂)與柵源電壓(VsG)之間的關(guān)系圖。 一般來說，當(dāng)P型金屬氧化物 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的源柵極電壓(VsG)小于電壓(VoN)時，可視為P型金屬
氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管操作在次臨界區(qū)(subthreshold region),或稱之為 弱反型區(qū)(weak inversion region),反之，當(dāng)P型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶
體管的源柵極電壓(Vs(3)大于開啟電壓(V()w)時，可視為P型金屬氧化物半導(dǎo)
體場效應(yīng)晶體管操作在強(qiáng)反型區(qū)(strong inversion region)。請參照圖4B，其
所示為P型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的漏極電流對數(shù)值(log(/D))與柵
源電壓(Vsc)之間的關(guān)系圖。由圖4B可知，于次臨界區(qū)時，漏極電流的對數(shù)
值(log(/。))與柵源電壓(VscO之間為線性關(guān)系，也就是說，將P型金屬氧化物
半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管操作在次臨界區(qū)時，P型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體
管的特性類似于二極管。
因此，為了要使得帶差參考電路或者絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路中的所
有組件都兼容于一般標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝，己知利用一般的金屬氧化物半導(dǎo)體
場效應(yīng)晶體管(例如P型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)來取代輸入電路20
中的雙極晶體管，并將金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管操作在次臨界區(qū)，使
得金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管于次臨界區(qū)的特性類似一般二極管，用以
降低帶差參考電路輸出的電源電壓(Vss)。
當(dāng)P型金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)場效應(yīng)晶體管操作在次臨界區(qū)時，
。
其中，4。為工藝相依參數(shù)(process-dependent
'D — &0
(^、"，、
v丄乂
exp
巧
7V
parameter) 、 ^為熱電壓(thermal voltage)且= ^ )、《為非理想?yún)?shù)
《
(non-ideality factor)且《的數(shù)值介于1~3。
請參照圖5，其所示為已知由PMOS場效應(yīng)晶體管與運(yùn)算放大器所組成 的帶差參考電路示意圖。帶差參考電路包括鏡像電路42、運(yùn)算放大器45、 以及輸入電路50。鏡像電路42中包括三個PM0S場效應(yīng)晶體管M1、 M2、 M3，在此范例中，Ml、 M2、 M3具有相同的長寬比(W/L)。其中，Ml、 M2 與M3的柵極相互連接，Ml、 M2與M3的源極連接至電源電壓(Vss)， Ml、 M2與M3的漏極可分別輸出Ix、 Iy與Iz的電流。另夕卜，運(yùn)算放大器45的 輸出端可連接至Ml、 M2與M3的柵極，運(yùn)算放大器45的負(fù)極輸入端連接 至M1的漏極，而運(yùn)算放大器45的正極輸入端連接至M2的漏極。再者，輸 入電路50包括二個PMOS場效應(yīng)晶體管M4、 M5;其中，M4的長寬比為 M5長寬比的n倍，M4與M5的柵極與漏極連接至接地端，再者，M5的源 極連接至運(yùn)算放大器45的負(fù)極輸入端，M4的源極與運(yùn)算放大器45的正極 輸入端之間連接第一電阻(R1)。再者，PMOS場效應(yīng)晶體管M6的長寬比與
M5的長寬比相同，M6的柵極與漏極連接至接地端，M6的源極與M3漏極 之間連接第二電阻(R2)， M3漏極可輸出參考電壓(Vref)。
由圖5所示的帶差參考電路可知。由于M1、 M2、 M3具有相同的長寬 比，因此，Ml漏極的輸出電流Ix、 M2漏極的輸出電流Iy與M3漏極的輸 出電流Iz相同，也就是，/,=/,=/z —(7)。
再者，在運(yùn)算放大器45具有無限大的增益下，運(yùn)算放大器45的負(fù)極輸
入端電壓(Vx)與正極輸入端電壓(Vy)會相等。因此，《/y + r^-r^--(8)。 當(dāng)PM0S場效應(yīng)晶體管操作在次臨界區(qū)時且M4的長寬比為M5長寬比的n
倍，所以<formula>formula see original document page 8</formula>(10)。
結(jié)合(7)、 (8)、 (9)、 (10)，最終可以獲得/,(《.^/《)ln(")—(11)，以及， 參考電壓^,-(^/i ".^ln(") + p^—一(12)。也就是說，根據(jù)方程式(12)可知， 參考電壓(Vref)可視為由正溫度系數(shù)的熱電壓產(chǎn)生器與一個負(fù)溫度系數(shù)的柵 源電壓產(chǎn)生器(gate-source voltage generator)的結(jié)合。因此，參考電壓于任意 溫度下幾乎可為一個定值。
請參照圖6，其所示為已知由PM0S場效應(yīng)晶體管與運(yùn)算放大器所組成的 絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路示意圖。絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路與圖5繪示 的帶差參考電路結(jié)構(gòu)類似，唯一差異僅在于PM0S場效應(yīng)晶體管M3的漏極直 接輸出絕對溫度比例電流(PTAT current) Iptat。其它運(yùn)算放大器45與輸入電 路50的連接方式都與圖5相同。
同理，由圖6所示之絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路可得知，Ix二Iy二Ut。因 此，其可提供絕對溫度比例電流/p,。,(《.VA)ln(")。亦即，利用雙極晶體管 的導(dǎo)通電流和絕對溫度成比例的特性，將已知的帶差參考電路進(jìn)行修改即可 以獲得絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路。由于熱電壓(「O具有正溫度系數(shù)的特 性，因此絕對溫度比例電流(IPtat)會隨著溫度的上升而增加。
再者，根據(jù)期刊IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 38， no. 1， pp.151-154, 2003以及期刊Integrated Circuit Design and Technology, 2006. ICICDT apos; 06. 2006 IEEE International Conference on Volume, Issue, 24-26 May 2006 Page(s): 1-4可知，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管于次臨界區(qū)時所建立的臨
界電壓模型(Modeling the threshold voltage)為rm s(r0) + &(丄-1) ---(13)，
樸丄 ^>
其中& <0 o
再者，柵源電壓(&)、臨界電壓(^)與溫度之間的關(guān)系為
^(7^^(r)+F。^ + [^(r。)-^(7;)-PV]f —(14)，其中，K腫可視為臨界電
乂o
壓于弱反型區(qū)與強(qiáng)反型區(qū)之間的校正常數(shù)項(corrective constant term)。而結(jié)合 方程式(13)與(14)可獲得&(7^^(。 + &(;-1)—(15),其中，&<0且
乂0
^s^ + ^(7;)- (r。)-Jv。由方程式(13)、 (15)可知，柵源電壓(^)與臨界 電壓(^)都具有負(fù)溫度系數(shù)的特性，且由方程式(14)可知柵源電壓(&)為臨 界電壓(^W)與溫度的函數(shù)。
雖然圖5的帶差參考電路與圖6的絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路已經(jīng)可以
符合半導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)工藝，然而由于金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的特性參
數(shù)會隨著半導(dǎo)體工藝的偏移(deviation)而改變，因此導(dǎo)致金屬氧化物半導(dǎo)體 場效應(yīng)晶體管的臨界電壓的差異。舉例來說，于相同的半導(dǎo)體工藝之下，工 藝的極端狀況可將晶體管區(qū)分為"慢工藝角落(slow corner, S comer)"晶體管、 "快工藝角落(fast corner, F corner)"晶體管、以及"典型工藝角落(typical corner, T comer)"晶體管。所謂的"慢工藝角落"晶體管即代表利用半導(dǎo)體工 藝所完成的多個晶體管中的第一晶體管，該第一晶體管具有最弱的(weakest)、 最慢的(slowest)的驅(qū)動強(qiáng)度表現(xiàn)(drive strength performance)。再者，所謂的"快 工藝角落"晶體管即代表利用該半導(dǎo)體工藝所完成的多個晶體管中的第二晶 體管，該第二晶體管具有最強(qiáng)的(strongest)、最快的(fastest)的驅(qū)動強(qiáng)度表現(xiàn)。
所謂的"典型工藝角落"晶體管即代表利用該半導(dǎo)體工藝所完成的多個晶體管 中具有正常驅(qū)動強(qiáng)度表現(xiàn)的晶體管。
請參照圖7A，其所示為標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝之下"慢工藝角落"、"快工藝角 落"、"典型工藝角落"晶體管的臨界電壓與溫度之間的關(guān)系。由圖中可知，于 -20。C時，慢工藝角落晶體管的臨界電壓(^)約為625mV，隨著溫度的升高， 于10(TC時，慢工藝角落晶體管的臨界電壓(^W)約為525mV;于-2(TC時，典 型工藝角落晶體管的臨界電壓(^)約為520mV，隨著溫度的升高，于100。C 時，典型工藝角落晶體管的臨界電壓(^W)約為425mV;于-2(TC時，快工藝 角落晶體管的臨界電壓(^)約為420mV，隨著溫度的升高，于10(TC時，快 工藝角落晶體管的臨界電壓(^W)約為325mV。
由方程式(14)可知，柵源電壓(^)為臨界電壓(^)與溫度的函數(shù)。因此， 利用相同的工藝制造出圖5所示的帶差參考電路會造成不同參考電壓(Vref) 的結(jié)果。如圖7B，其所示為標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝之下"慢工藝角落"、"快工藝角 落"、"典型工藝角落"晶體管所完成的帶差參考電路的參考電壓與溫度之間的 關(guān)系。如圖所示，慢工藝角落晶體管所完成的帶差參考電路所提供的參考電 壓(Vref)可視為與溫度無關(guān)約為280mV;典型工藝角落晶體管所完成的帶差 參考電路所提供的參考電壓(Vref)可視為與溫度無關(guān)約為240mV;快工藝角 落晶體管所完成的帶差參考電路所提供的參考電壓(Vref)可視為與溫度無關(guān) 約為205mV。
由于半導(dǎo)體工藝的偏移會導(dǎo)致帶差參考電路提供的參考電壓(Vref)產(chǎn)生 約±15%的誤差，導(dǎo)致圖5的帶差參考電路由于無法提供準(zhǔn)確的參考電壓 (Vref)。因此，如何改進(jìn)已知半導(dǎo)體工藝的偏移并導(dǎo)致帶差參考電路無法提 供準(zhǔn)確的參考電壓(Vref)的問題即為本發(fā)明的主要目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種帶差參考電路，該帶差參考電路可以符合標(biāo)準(zhǔn) 半導(dǎo)體工藝，并且該帶差參考電路可輸出準(zhǔn)確的參考電壓(Vref)并且無關(guān)于 半導(dǎo)體工藝的偏移。
因此，本發(fā)明提出一種帶差參考電路，包括絕對溫度比例電流產(chǎn)生電 路，該絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路可產(chǎn)生絕對溫度比例電流，且該絕對溫度 比例電流會隨著溫度的上升而增加；絕對溫度互補(bǔ)電流產(chǎn)生電路，該絕對溫 度互補(bǔ)電流產(chǎn)生電路可產(chǎn)生絕對溫度互補(bǔ)電流，且該絕對溫度互補(bǔ)電流會隨 著溫度的上升而減少；節(jié)點，該節(jié)點可接收該絕對溫度比例電流與該絕對溫 度互補(bǔ)電流；以及，第一電阻連接于該節(jié)點與接地端之間使得疊加的該絕對 溫度比例電流與該絕對溫度互補(bǔ)電流通過該第一 電阻而產(chǎn)生參考電壓。
根據(jù)本發(fā)明的帶差參考電路，其中該絕對溫度互補(bǔ)電流產(chǎn)生電路包括 輸入電路，具有兩個端點，其中第一端點連接至第一場效應(yīng)晶體管且該第一 場效應(yīng)晶體管具有第一臨界電壓，第二端點與第二場效應(yīng)晶體管之間連接第 二電阻且該第二場效應(yīng)晶體管具有第二臨界電壓；鏡像電路，其用于控制該 兩個端點上的兩個輸出電流并且輸出該絕對溫度互補(bǔ)電流，使該兩個輸出電
流以及該絕對溫度互補(bǔ)電流間維持固定的電流比例；以及運(yùn)算放大器，連接 至該兩個端點以及該鏡像電路用以控制該鏡像電路使得該兩端點上的電壓 具有電壓關(guān)系；其中，該第一場效應(yīng)晶體管與該第二場效應(yīng)晶體管都在次臨 界區(qū)操作，且該第一臨界電壓大于該第二臨界電壓。
根據(jù)本發(fā)明的帶差參考電路，其中該第一場效應(yīng)晶體管與該第二場效應(yīng) 晶體管都為P型場效應(yīng)晶體管，且該第一場效應(yīng)晶體管的源極連接至該第一 端點，而該第一場效應(yīng)晶體管柵極與漏極連接至該接地端，該第二場效應(yīng)晶 體管的柵極與漏極連接至該接地端而第二電阻連接于該第二場效應(yīng)晶體管 的源極與該第二端點之間。
根據(jù)本發(fā)明的帶差參考電路，其中該第一場效應(yīng)晶體管與該第二場效應(yīng) 晶體管的氧化層厚度不同。
根據(jù)本發(fā)明的帶差參考電路，其中該鏡像電路包括三個P型場效應(yīng)晶體 管，該三個P型場效應(yīng)晶體管的柵極相互連接，該三個P型場效應(yīng)晶體管的 源極連接至電壓源，該三個P型場效應(yīng)晶體管中的兩個P型場效應(yīng)晶體管漏 極則為該兩個端點，另一 P型場效應(yīng)晶體管漏極用于輸出該絕對溫度互補(bǔ)電 流。
根據(jù)本發(fā)明的帶差參考電路，其中該運(yùn)算放大器的輸出端連接至該三個 P型場效應(yīng)晶體管的柵極，該運(yùn)算放大器的兩個輸入端連接至該兩個端點。
根據(jù)本發(fā)明的帶差參考電路，其中該三個P型場效應(yīng)晶體管的三個長寬 比的差異用于決定該固定的電流比例。
為了使本發(fā)明特征及技術(shù)內(nèi)容得到進(jìn)一步的了解，請參閱以下有關(guān)本發(fā) 明的詳細(xì)說明與附圖，然而附圖僅提供參考與說明，并非用來對本發(fā)明加以 限制。


圖l所示為己知由PMOS場效應(yīng)晶體管、PNP雙極晶體管、與運(yùn)算放大 器所組成的帶差參考電路示意圖。
圖2A所示為帶差參考電路中提供的參考電壓示意圖。 圖2B所示為參考電壓(Vref)與溫度關(guān)系圖。
圖3所示為已知由PMOS場效應(yīng)晶體管、PNP雙極晶體管、與運(yùn)算放
大器所組成的絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路示意圖。
圖4A所示為P型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的漏極電流根値d) 與柵源電壓(VscO之間的關(guān)系圖。
圖4B所示為P型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的漏極電流對數(shù)值 (logfe))與柵源電壓(Vscj)之間的關(guān)系圖。
圖5所示為己知由PMOS場效應(yīng)晶體管與運(yùn)算放大器所組成的帶差參考 電路示意圖。
圖6所示為己知由PMOS場效應(yīng)晶體管與運(yùn)算放大器所組成的絕對溫 度比例電流產(chǎn)生電路示意圖。
圖7A所示為標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝之下"慢工藝角落"、"快工藝角落"、"典型 工藝角落"晶體管的臨界電壓與溫度之間的關(guān)系。
圖7B所示為標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝之下"慢工藝角落"、"快工藝角落"、"典型 工藝角落"晶體管所完成的帶差參考電路的參考電壓與溫度之間的關(guān)系。
圖8所示為本發(fā)明的帶差參考電路示意圖。
圖9A所示為具有不同臨界電壓的二個晶體管于工藝偏移時的臨界電壓 差值。
圖9B所示為具有不同臨界電壓的二個晶體管于工藝偏移時的參考電壓
其中，附圖標(biāo)記說明如下:
12鏡像電路
20輸入電路
34熱電壓(^)產(chǎn)生器
42鏡像電路
50輸入電路
142鏡像電路
150輸入電路
242鏡像電路
250輸入電路
15運(yùn)算放大器 32基射電壓(VeE)產(chǎn)生器 36與溫度無關(guān)的常數(shù)(K) 45運(yùn)算放大器
100絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路 145運(yùn)算放大器
200絕對溫度互補(bǔ)電流產(chǎn)生電路 245差動放大器
具體實施方式
請參照圖8，其所示為本發(fā)明的帶差參考電路示意圖。帶差參考電路包 括絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路100與絕對溫度互補(bǔ)(Complementary To Absolute Temperature,簡稱CTAT)電流產(chǎn)生電路200。絕對溫度互補(bǔ)電流產(chǎn) 生電路200包括鏡像電路242、運(yùn)算放大器245、以及輸入電路250。鏡像 電路242中包括三個PMOS場效應(yīng)晶體管Ml、 M2、 M3，在此范例中，Ml、 M2、 M3具有相同的長寬比(W/L)。其中，Ml、 M2與M3的柵極相互連接， Ml、 M2與M3的源極連接至電源電壓(Vss), Ml、 M2與M3的漏極可分別 輸出Iu、 Iv與Ictat的電流。另外，運(yùn)算放大器245的輸出端可連接至M1、 M2與M3的柵極，運(yùn)算放大器245的負(fù)極輸入端連接至Ml的漏極，而運(yùn) 算放大器245的正極輸入端連接至M2的漏極。再者，輸入電路250包括二 個PMOS場效應(yīng)晶體管M4、 M5;其中，M4晶體管具有較高的臨界電壓
(Vth4)， M5晶體管具有較低的臨界電壓(VxH5)，也就是說，VTH4 >VTH5。 M4
與M5的柵極與漏極連接至接地端，M4的源極連接至運(yùn)算放大器245的負(fù) 極輸入端，M5的源極與運(yùn)算放大器245的正極輸入端之間連接第二電阻 (R2)。而M3漏極可輸出絕對溫度互補(bǔ)電流(lctat)。
再者，絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路100包括鏡像電路142、運(yùn)算放大器 145、以及輸入電路150。鏡像電路142中包括三個PMOS場效應(yīng)晶體管M6、 M7、 M8，在此范例中，M6、 M7、 M8具有相同的長寬比(W/L)。其中，M6、 M7與M8的柵極相互連接，M6、 M7與M8的源極連接至電源電壓(Vss)， M6、 M7與M8的漏極可分別輸出Ix、 Iy與Iptat的電流。另外，運(yùn)算放大 器145的輸出端可連接至M6、 M7與M8的柵極，運(yùn)算放大器145的負(fù)極輸 入端連接至M6的漏極，而運(yùn)算放大器145的正極輸入端連接至M7的漏極。 再者，輸入電路150包括二個PMOS場效應(yīng)晶體管M9、 M10;其中，M9 的長寬比為M10長寬比的n倍，M9與M10的柵極與漏極連接至接地端， 再者，M10的源極連接至運(yùn)算放大器145的負(fù)極輸入端，M9的源極與運(yùn)算 放大器145的正極輸入端之間連接第三電阻(R3)。因此，絕對溫度比例電流
<formula>formula see original document page 13</formula>
再者，節(jié)點a連接至絕對溫度互補(bǔ)電流產(chǎn)生電路200中鏡像電路242的
<formula>formula see original document page 13</formula>
M3漏極與絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路100中鏡像電路142的M8漏極，且 節(jié)點a與接地端之間連接第一電阻(Rl)。因此，節(jié)點a可將絕對溫度比例電
流(lptat)與絕對溫度互補(bǔ)電流(Ictat)疊加(superpose)后輸出至第一電阻(R1)， 因此節(jié)點a可輸出參考電壓(Vref)。
根據(jù)方程式(15)可知4。( = ^廣&"=碼g(。-A^g (16)
i 2 及2 K
其中，A^G=Jfi:G4-kg5<o， A^(r。卜^4(7;)-^5(7;)。由于上述方程式(16)
中的[，f 項具有負(fù)溫度系數(shù)的特性，因此絕對溫度互補(bǔ)電流(lctat)會隨著，。
再者，由圖6可知/^-(^^/^)ln(")。
因此，節(jié)點a可輸出參考電壓(Vref)為<formula>formula see original document page 14</formula>兄
<formula>formula see original document page 14</formula>仰
由方程式(l7)可知，第一與第二項[Arw(r。)-A^]為與溫度無關(guān)的固定値，
第三項[A^工]為負(fù)溫度系數(shù)項(A^^0)，第四項《'《'ln(") ^為正溫度系數(shù)
0」
項。也就是說，經(jīng)由適當(dāng)?shù)倪x擇晶體管的大小、電阻值可使得正溫度系數(shù)項 與負(fù)溫度系數(shù)項相加之后成為零溫度系數(shù)的任何值。也就是說，即
為一個與溫度無關(guān)的電流，因此，參考電壓(^,-(u/,).iO即為與溫度無
關(guān)的電壓。
圖8的帶差參考電路還具有不隨半導(dǎo)體工藝偏差而改變參考電壓的優(yōu) 點。請參照圖9A，其所示為具有不同臨界電壓的兩個晶體管于工藝偏移時 的臨界電壓差值。由圖9A可知，不論半導(dǎo)體工藝如何產(chǎn)生偏移，"慢工藝 角落"、"快工藝角落"、"典型工藝角落"晶體管的臨界電壓差值(AP^)與溫度 的關(guān)系幾乎相同。也就是說，本發(fā)明利用相同的半導(dǎo)體工藝制造出兩個臨界 電壓不同的晶體管，不論半導(dǎo)體工藝如何產(chǎn)生偏移，二晶體管的臨界電壓差 值(Af^)與溫度會維持固定的關(guān)系。舉例來說，為了于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝中制 造出兩個臨界電壓不同的晶體管，可以經(jīng)由控制二個晶體管的柵極氧化層的 厚度即可以獲得二個臨界電壓不同的晶體管。
再者，請參照圖9B，其所示為具有不同臨界電壓的兩個晶體管于工藝偏 移時的參考電壓示意圖。根據(jù)圖9B可知，與最糟的工藝角落相比^參考電 壓(Vref)僅會變化約土2。/。。也就是說，本發(fā)明的帶差參考電路的參^電壓幾
乎不會隨著工藝偏移以及溫度變化而改變。
因此，本發(fā)明的帶差參考電路的優(yōu)點在于提供標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝可以實現(xiàn) 的帶差參考電路，且?guī)Р顓⒖茧娐酚山^對溫度比例電流產(chǎn)生電路與絕對溫度 互補(bǔ)電流產(chǎn)生電路所組成，使得疊加的絕對溫度比例電流與絕對溫度互補(bǔ)電 流通過電阻而產(chǎn)生不隨溫度變化而改變的參考電壓，且本發(fā)明的帶差參考電 路可操作于低電源電壓，并且，利用具有不同臨界電壓的晶體管所產(chǎn)生的臨 界電壓差(A^沐補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝的偏移使得帶差參考電路的參考電壓 幾乎不會隨著工藝偏移以及溫度變化而改變。
綜上所述，雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，然其并非用以限定本 發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種變 化與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種帶差參考電路，包括絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路，該絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生絕對溫度比例電流，且該絕對溫度比例電流會隨著溫度的上升而增加；絕對溫度互補(bǔ)電流產(chǎn)生電路，該絕對溫度互補(bǔ)電流產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生絕對溫度互補(bǔ)電流，且該絕對溫度互補(bǔ)電流會隨著溫度的上升而減少；節(jié)點，該節(jié)點用于接收該絕對溫度比例電流與該絕對溫度互補(bǔ)電流；以及第一電阻連接于該節(jié)點與接地端之間使得疊加的該絕對溫度比例電流與該絕對溫度互補(bǔ)電流通過該第一電阻而產(chǎn)生參考電壓。
2. 如權(quán)利要求1所述的帶差參考電路，其中該絕對溫度互補(bǔ)電流產(chǎn)生電 路包括輸入電路，具有兩個端點，其中第一端點連接至第一場效應(yīng)晶體管且該 第一場效應(yīng)晶體管具有第一臨界電壓，第二端點與第二場效應(yīng)晶體管之間連 接第二電阻且該第二場效應(yīng)晶體管具有第二臨界電壓；鏡像電路，其用于控制該兩個端點上的兩個輸出電流并且輸出該絕對溫 度互補(bǔ)電流，使該兩個輸出電流以及該絕對溫度互補(bǔ)電流間維持固定的電流 比例；以及運(yùn)算放大器，連接至該兩個端點以及該鏡像電路用以控制該鏡像電路使 得該兩端點上的電壓具有電壓關(guān)系；其中，該第一場效應(yīng)晶體管與該第二場效應(yīng)晶體管都在次臨界區(qū)操作， 且該第一臨界電壓大于該第二臨界電壓。
3. 如權(quán)利要求2所述的帶差參考電路，其中該第一場效應(yīng)晶體管與該第 二場效應(yīng)晶體管都為P型場效應(yīng)晶體管，且該第一場效應(yīng)晶體管的源極連接 至該第一端點，而該第一場效應(yīng)晶體管柵極與漏極連接至該接地端，該第二 場效應(yīng)晶體管的柵極與漏極連接至該接地端而第二電阻連接于該第二場效 應(yīng)晶體管的源極與該第二端點之間。
4. 如權(quán)利要求2所述的帶差參考電路，其中該第一場效應(yīng)晶體管與該第 二場效應(yīng)晶體管的氧化層厚度不同。
5. 如權(quán)利要求2所述的帶差參考電路，其中該鏡像電路包括三個P型場 效應(yīng)晶體管，該三個P型場效應(yīng)晶體管的柵極相互連接，該三個P型場效應(yīng) 晶體管的源極連接至電壓源，該三個P型場效應(yīng)晶體管中的兩個P型場效應(yīng) 晶體管漏極則為該兩個端點，另一P型場效應(yīng)晶體管漏極用于輸出該絕對溫 度互補(bǔ)電流。
6. 如權(quán)利要求5所述的帶差參考電路，其中該運(yùn)算放大器的輸出端連接 至該三個P型場效應(yīng)晶體管的柵極，該運(yùn)算放大器的兩個輸入端連接至該兩 個端點。
7. 如權(quán)利要求5所述的帶差參考電路，其中該三個P型場效應(yīng)晶體管的 三個長寬比的差異用于決定該固定的電流比例。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶差參考電路，包括絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路，該絕對溫度比例電流產(chǎn)生電路可產(chǎn)生絕對溫度比例電流，且該絕對溫度比例電流會隨著溫度的上升而增加；絕對溫度互補(bǔ)電流產(chǎn)生電路，該絕對溫度互補(bǔ)電流產(chǎn)生電路可產(chǎn)生絕對溫度互補(bǔ)電流，且該絕對溫度互補(bǔ)電流會隨著溫度的上升而減少；節(jié)點，該節(jié)點可接收該絕對溫度比例電流與該絕對溫度互補(bǔ)電流；以及，第一電阻連接于該節(jié)點與接地端之間使得疊加的該絕對溫度比例電流與該絕對溫度互補(bǔ)電流通過該第一電阻而產(chǎn)生參考電壓。本發(fā)明的帶差參考電路可以符合標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝，并且該帶差參考電路可輸出準(zhǔn)確的參考電壓并且無關(guān)于半導(dǎo)體工藝的偏移。
文檔編號G05F3/24GK101105700SQ20071014715
公開日2008年1月16日 申請日期2007年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月30日
發(fā)明者張家瑋, 彭彥華, 王為善 申請人:智原科技股份有限公司