專利名稱：低電壓能帶隙參考電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于一種能帶隙參考電路(bandg即reference circuit)，且特別是 有關于一種低電壓能帶隙參考電路。
背景技術：
能帶隙參考電路廣泛地應用于集成電路中，其典型的應用，是用以提供約1.25V 的參考電壓。此參考電壓較外界電源供應的電壓更為準確，并且其受溫度變化及電源供應 的變異的影響也小。能帶隙參考電路是利用一個正比于絕對溫度的電路來補償雙載子晶體 管基射極的負溫度系數，從而得能實質上不受溫度變化影響的參考電壓。
為了符合不同集成電路的應用需求，希望能得到低于此標準值約1.25V的參考 電壓。例如，請參見圖l所示的現有模擬系統(tǒng)的能帶隙參考電路，此電路是出自Behzad Razavi所著的"模擬CMOS集成電路設計(DESIGN OF ANALOGCMOS INTEGRATED CIRCUITS)" 一書。在圖1中，能帶隙參考電路100的核心電路110的節(jié)點E及F是與一額外的電路120 的運算放大器125的兩輸入端連接，并在運算放大器125兩輸入端與兩輸出端之間分別接 上電阻。最后，能帶隙參考電路100能產生可改變的參考電壓。 故此，為了取得低于1. 25V的參考電壓，現有的做法是于能帶隙參考電路的核心 電路接上額外的電路，例如圖1中的額外的電路120。而此額外的電路往往是采用復雜的模 擬元件而成，如是造成整體系統(tǒng)的電路面積增大，電路復雜度及制作成本亦隨之提高。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種低電壓能帶隙參考電路，其能產生能改變的低參考電 壓。依據本發(fā)明實施例，此低電壓能帶隙參考電路能以復雜度較低的額外的電路達成。
根據本發(fā)明的第一方面，提出一種能帶隙參考電路，用以產生一輸出參考電壓。此 能帶隙參考電路包括第一參考信號產生器、第一阻抗、第二參考信號產生器以及第二阻 抗。第一參考信號產生器，具有一輸出端耦接至一第一節(jié)點，用以自輸出端產生一正比于絕 對溫度的第一參考信號。第一阻抗與第二參考信號產生器串聯耦接，第二參考信號產生器 用以依據第一參考信號產生一隨絕對溫度作互補的第二參考信號。而第二阻抗、串聯耦接 的第一阻抗與第二參考信號產生器，以及第一參考信號產生器是并聯耦接至第一節(jié)點及一 第二節(jié)點之間；其中，能帶隙參考電路通過第一節(jié)點及第二節(jié)點提供輸出參考電壓。
根據本發(fā)明的第二方面，提出一種能帶隙參考電路，用以產生一輸出參考電壓。此 能帶隙參考電路包括第一參考信號產生器、第一阻抗、第二參考信號產生器以及第二阻 抗。第一參考信號產生器，具有一輸出端耦接至一第一節(jié)點，用以自輸出端產生一隨絕對溫 度作互補的第一參考信號。第一阻抗與第二參考信號產生器串聯耦接，第二參考信號產生 器用以依據第一參考信號產生一正比于絕對溫度的第二參考信號。而第二阻抗、串聯耦接 的第一阻抗與第二參考信號產生器，以及第一參考信號產生器是并聯耦接至第一節(jié)點及一 第二節(jié)點之間；其中，能帶隙參考電路通過第一節(jié)點及該第二節(jié)點提供輸出參考電壓。
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對于上述所提的能帶隙參考電路，第一參考信號與第二參考信號是互相補償使得 輸出參考電壓與溫度及電源實質上無關，而且輸出參考電壓實質上是由第一阻抗及第二阻 抗以及一能帶隙電壓值而決定。
為讓本發(fā)明的上述內容能更明顯易懂，下面將配合附圖對本發(fā)明的較佳實施例作 詳細說明，其中 圖1繪示一現有的能帶隙參考電路的電路圖。
圖2繪示依照本發(fā)明的一第一實施例的能帶隙參考電路的方塊圖。
圖3繪示依照本發(fā)明的第一實施例的能帶隙參考電路的一實作例子的電路圖。 圖4A及圖4B是圖3的能帶隙參考電路分別于兩種不同的電阻值的設計下，供給
不同電源電壓之下操作，其輸出參考電壓隨溫度的變化的示意圖。 圖5繪示依照本發(fā)明的第一實施例的能帶隙參考電路的另一實作例子的電路圖。
第6及7圖繪示可應用于本發(fā)明的第一實施例的正溫度系數特性的電路的其它例 子。 圖8繪示依照本發(fā)明的一第二實施例的能帶隙參考電路的方塊圖。 圖9、圖10及圖11繪示可應用于實施本發(fā)明的第二實施例的負溫度系數特性的電路。
具體實施方式
第一實施例 請參考圖2，本發(fā)明的一第一實施例的能帶隙參考電路的方塊圖。在圖2中，能帶 隙參考電路200，用以產生一輸出參考電壓V『能帶隙參考電路200包括一第一參考信號 產生器210、一第一阻抗220、一第二參考信號產生器230與一第二阻抗240。能帶隙參考電 壓VBe實質下與溫度無關，并且可隨第一阻抗220與第二阻抗240的阻抗值Z工及Z2而決定 大小，如下實施例所示，輸出參考電壓V^可得到低于此標準值約1. 25V的能帶隙參考電壓。
第一參考信號產生器210，具有一輸出端耦接至一第一節(jié)點Nl，用以自該輸出 端產生一正比于絕對溫度(proportional to absolute temperature, PTAT)的第一參 考信號，例如是一正溫度系數的電流Ipm。第一阻抗(Z》220與第二參考信號產生器230 串聯耦接，第二參考信號產生器230用以依據第一參考信號產生一隨絕對溫度作互補 (complementary to absolute temperature,CTAT)的第二參考信號，例如是一負溫度系數 的電壓。第二阻抗240、串聯耦接的第一阻抗220與第二參考信號產生器230，以及第一參 考信號產生器210，其并聯耦接至第一節(jié)點Nl及一第二節(jié)點N2之間。又如圖2，上述三者 并聯耦接至第一節(jié)點Nl及接地(或某一電位點)，故亦可視其為并聯耦接至兩節(jié)點之間。 能帶隙參考電路200通過第一節(jié)點Nl及第二節(jié)點N2提供輸出參考電壓VBe。
第一參考信號與該第二參考信號是互相補償使得輸出參考電壓VBe與溫度及電源 實質上無關，而且輸出參考電壓VBe實質上是由第一阻抗220及第二阻抗240以及一能帶隙 電壓值而決定，例如是此約1. 25V的值。 第二阻抗240是用以使輸出參考電壓VBe小于能帶隙電壓值。
請參考圖3的依照本發(fā)明的第一實施例的能帶隙參考電路的一實作例子的電路 圖，其中的第一阻抗及第二阻抗皆為電阻。在圖3中，能帶隙參考電路300包括第一參考 信號產生器310、第一電阻320、第二參考信號產生器330與第二電阻340。能帶隙參考電路 300通過節(jié)點N相對及接地點之間提供輸出參考電壓VBe。 在圖3中，第一參考信號產生器310在節(jié)點N輸出一正溫度系數的電流IPTAT。在 此命名Ip^為I"在節(jié)點N經分流后，第一電阻的跨壓為一正比于絕對溫度的電壓為I2R2。 第二參考信號產生器330包含一依定電流而操運作的晶體管93，其所產生的第二參考信號 為一隨絕對溫度作互補的電壓，亦即一負溫度系數的電壓V目。此正比于絕對溫度的電壓 I2R2與隨絕對溫度作互補的電壓VBE3互相補償使得輸出參考電壓VBe與溫度及電源實質上 無關。 以下針對圖3中，節(jié)點N及第一電阻320、第二參考信號產生器330與第二電阻340 所形成的回路，來計算輸出參考電壓V^依上述分析電路，可得到
L = I2+I3 (1) VBG = I3R3 = VBE3+I2R2 (2) 將第(1)式代入第(2)式中消去13，并以VB M3 — ~3
及l(fā)i表^，可得
y 2 + i 3
(3) 將第(3)式代入第(2)式，可得
/,凡-K
、
凡+凡
凡
凡+凡
S￡3 + A "2
凡
凡+凡
Kr In w
乂
(4)
凡
xl.25
其中，1. 25V即傳統(tǒng)的能帶隙參考電壓，在此可稱為能帶隙電壓值Vg。 能帶隙電壓值Vs的推導如下。第一參考信號產生器310的晶體管Ql與Q2之間的
AV^在除以^后而產生一個正溫度系數的電流Ip^即L，其關系式為IF
△Vbe/%
(vT in n)/X。在室溫下3K朋/3T -1.5mF /《，3Fr/3r +0.087wK/^:。
為了使VBc是零溫度系數的電壓源，可以計算得出(0. 087mV/K) In n* = 1. 5mV/K，
也就是lnn OVX) = 1. 5/0. 087 " 17. 2。因此，在公式(4)的推演過程中的VBE 3+(VT In n) OVX) " 1. 25V，此即傳統(tǒng)的約為1. 25V的能帶隙參考電壓。 故此，圖3所示的能帶隙參考電路300的輸出參考電壓VBe實質上依據VgXZ2/ (Z一Z》而決定，其中Z" Z2， Vg分別代表第一阻抗的值及第二阻抗的值以及能帶隙電壓值 Vg。在圖3的中，= R2， Z2 = R3， Vg = 1. 25伏特。由公式(4)可知，輸出參考電壓VBe的 值小于1. 25伏特，并可值由調整R2或R3的數值以作調整。 圖4A是圖3的能帶隙參考電路于R2 = 199K Q及R3 = 597K Q時，分別供給不同
電源電壓之下操作，其輸出參考電壓VBe隨溫度的變化的模擬結果的示意圖。圖4B是圖3
6的能帶隙參考電路于R2 = 378KQ及R3 = 696KQ時，供給不同電源電壓之下操作，其輸出 參考電壓l隨溫度的變化的模擬結果的示意圖。在圖4A(或圖4B)所代表的模擬中，是分 別設定供應電壓為3、3. 3及3. 6伏特，在此三種供應電壓下操作，輸出參考電壓VBe隨溫度 變化的三條曲線的差異很小，故三條曲線重疊在一起。由此可見，輸出參考電壓V^可視為 實質上與電源供應的變化無關。另外，從圖4A觀察得知，在-2(TC至IO(TC之間，輸出參考 電壓VBe的變化范圍在約884. lmV(相對應為-20°C )至約886. 4mV(相對應約為55. 12°C ) 之間。另外，從圖4B觀察得知，在-20°C至IO(TC之間，輸出參考電壓VBe在約721. 5mV (相 對應為_20°C )至約725. 85mV(相對應約為28. 34°C )之間變化。由此可見，輸出參考電壓 VBe可視為實質上與溫度的變化無關。 接著，圖5繪示第一實施例的能帶隙參考電路的另一實作例子，其中，能帶隙參考 電路500與圖3的能帶隙參考電路300不同之處在于采用了不同的第一參考信號產生器 510。圖6及圖7繪示可應用于本發(fā)明的第一實施例的正溫度系數特性的電路的其它例子。 圖6中的能帶隙參考電路600包括一第一參考信號產生器610，其是具有正溫度系數特性的 電路。圖7中的能帶隙參考電路700包括一第一參考信號產生器710，其是具有正溫度系數 特性的電路。依此，熟悉此技術者當可采用其它具有正溫度系數特性的電路以實作第一參 考信號產生器。
第二實施例 圖8繪示依照本發(fā)明的一第二實施例的能帶隙參考電路的方塊圖。在圖8中，能 帶隙參考電路800與圖2中的能帶隙參考電路200的主要差異在于能帶隙參考電路800 的第一參考信號產生器810為具有負溫度系數特性的電路及第二參考信號產生器830則為 具有正溫度系數特性的電路。 第一參考信號產生器810用以自輸出端產生一隨絕對溫度作互補的第一參考信 號，例如一負溫度系數的電流ICTAT。圖9、圖10及圖11繪示可應用于實施本發(fā)明的第二實 施例的負溫度系數特性的電路的實作例子。 至于第二參考信號產生器830，是用以依據第一參考信號產生一正比于絕對溫度 的第二參考信號，例如一正溫度系數的電流Ip^或是電壓，而且第一參考信號與第二參考 信號是互相補償使得輸出參考電壓VBe與溫度及電源實質上無關。如此，輸出參考電壓VBe 實質上是由第一阻抗820及第二阻抗840以及一能帶隙電壓值Vg而決定。故此，此領域中 熟悉此技術者可依據上述圖3、圖5、圖6或圖7的具有正溫度系數特性的電路，將的應用或 經調整之后依照本發(fā)明的實施例以應用于第二實施例中以實作第二參考信號產生器830。
反之，對于實施第一實施例而言，此領域中熟悉此技術者亦可依據上述圖9、圖10 或圖11的中具有負溫度系數特性的電路的范例，將其應用或經調整之后應用于第一實施 例中以實作的第二參考信號產生器230。 另外，對于上述的第一及第二實施例的能帶隙參考電路的在其它例子中，第二阻 抗可為一等效阻抗回路，此回路包括多個阻抗以串聯或并聯或串并聯的方式形成。又，在其 它例子中，第二阻抗為一可變阻抗；第二阻抗是可變阻抗并受控于一控制信號以改變其阻 抗值。由此，在其它實施例中，輸出參考電壓V^可隨著需要而作動態(tài)的改變，或者以數字方 式來選擇改變欲得的輸出參考電壓VBe—的大小。 本發(fā)明上述實施例所揭露的能帶隙參考電路，能有效產生實質上與溫度及電源供應變化無關的輸出參考電壓，并能隨著需要，通過設計或調改阻抗值以改變輸出參考電壓 的大小，特別是能得到小于標準值約1. 25V的能帶隙參考電壓。再者，依據本發(fā)明的低電壓 能帶隙參考電路能以復雜度較低的額外的電路達成，例如實施例中以單純的電阻而達成， 如此可減少集成電路面積及復雜度。在此實施例中，改以單純的方式代替現有復雜的額外 的電路，不但能達成有效地產生較小的參考電壓，并帶來應用設計上的彈性。再者，本發(fā)明 的實施例更能有效降低制作成本。 綜上所述，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而其并非用以限定本發(fā)明。本 發(fā)明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作各種等同 的改變或替換。因此，本發(fā)明的保護范圍當視后附的本申請權利要求范圍所界定的為準。
權利要求
一種能帶隙參考電路，用以產生一輸出參考電壓，該能帶隙參考電路包括一第一參考信號產生器，具有一輸出端耦接至一第一節(jié)點，用以自該輸出端產生一正比于絕對溫度的第一參考信號；一第一阻抗；一第二參考信號產生器，其中該第一阻抗與該第二參考信號產生器串聯耦接，用以依據該第一參考信號產生一隨絕對溫度作互補的第二參考信號；以及一第二阻抗，其中該第二阻抗、串聯耦接的該第一阻抗與該第二參考信號產生器，以及該第一參考信號產生器并聯耦接至該第一節(jié)點及一第二節(jié)點之間；其中，該能帶隙參考電路通過該第一節(jié)點及該第二節(jié)點提供該輸出參考電壓；其中，該第一參考信號與該第二參考信號是互相補償使得該輸出參考電壓與溫度及電源無關，而且該輸出參考電壓是由該第一阻抗及該第二阻抗以及一能帶隙電壓值而決定。
2. 根據權利要求1所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該第二阻抗是用以使該輸出 參考電壓小于該能帶隙電壓值。
3. 根據權利要求2所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該第二阻抗為一回路的等效 阻抗，該回路包括多個阻抗。
4. 根據權利要求2所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該能帶隙電壓值Vg約等于 1.25伏特。
5. 根據權利要求2所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該第二阻抗為一可變阻抗。
6. 根據權利要求5所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該第二阻抗是該可變阻抗并 受控于一控制信號。
7. 根據權利要求l所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該輸出參考電壓依據 T^x7g而決定，其中Z" Z2， Vg分別代表該第一阻抗的值及該第二阻抗的值以及該能帶隙電壓值。
8. 根據權利要求7所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該能帶隙電壓值Vg約等于 1.25伏特。
9. 根據權利要求1所述的能帶隙參考電路，其特征在于，，該第一阻抗的跨壓為一正比 于絕對溫度的電壓，該第二參考信號為一隨絕對溫度作互補的電壓，該正比于絕對溫度的 電壓與該隨絕對溫度作互補的電壓互相補償使得該輸出參考電壓與溫度及電源無關。
10. 根據權利要求1所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該第一阻抗及該第二阻抗皆 為電阻。
11. 一種能帶隙參考電路，用以產生一輸出參考電壓，該能帶隙參考電路包括 一第一參考信號產生器，具有一輸出端耦接至一第一節(jié)點，用以自該輸出端產生一隨絕對溫度作互補的第一參考信號； 一第一阻抗；一第二參考信號產生器，其中該第一阻抗與該第二參考信號產生器串聯耦接，用以依 據該第一參考信號產生一正比于絕對溫度的第二參考信號；以及一第二阻抗，其中該第二阻抗、串聯耦接的該第一阻抗與該第二參考信號產生器，以及 該第一參考信號產生器并聯耦接至該第一節(jié)點及一第二節(jié)點之間；其中，該能帶隙參考電路通過該第一節(jié)點及該第二節(jié)點提供該輸出參考電壓；其中，該第一參考信號與該第二參考信號是互相補償使得該輸出參考電壓與溫度及電 源無關，而且該輸出參考電壓是由該第一阻抗及該第二阻抗以及一能帶隙電壓值而決定。
12. 根據權利要求11所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該第二阻抗是用以使該輸 出參考電壓小于該能帶隙電壓值。
13. 根據權利要求12所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該第二阻抗為一回路的等 效阻抗，該回路包括多個阻抗。
14. 根據權利要求12所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該能帶隙電壓值Vg約等于 1.25伏特。
15. 根據權利要求12所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該第二阻抗為一可變阻抗。
16. 根據權利要求15所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該第二阻抗是該可變阻抗 并受控于一控制信號。
17. 根據權利要求ll所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該輸出參考電壓依據^"X^而決定，其中Z" Z2， Vg分別代表該第一阻抗的值及該第二阻抗的值決以及該能 帶隙電壓值。
18. 根據權利要求17所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該能帶隙電壓值Vg約等于 1.25伏特。
19. 根據權利要求11所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該第一阻抗的跨壓為一隨 絕對溫度作互補的電壓，該第二參考信號為一正比于絕對溫度的電壓，該正比于絕對溫度 的電壓與該隨絕對溫度作互補的電壓互相補償使得該輸出參考電壓與溫度及電源無關。
20. 根據權利要求11所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該第一阻抗及該第二阻抗 皆為電阻。
全文摘要
本發(fā)明是一種能帶隙參考電路，用以產生實質上與溫度及電源供應無關的輸出參考電壓，其包括第一參考信號產生器、第一阻抗、第二參考信號產生器與第二阻抗。第一參考信號產生器能產生正比于絕對溫度的第一參考信號。第二參考信號產生器依據第一參考信號產生一隨絕對溫度作互補的第二參考信號。而第二阻抗、串聯耦接的第一阻抗與第二參考信號產生器，以及第一參考信號產生器并聯耦接至兩節(jié)點間并通過此兩節(jié)點提供輸出參考電壓。依據本發(fā)明，此能帶隙參考電路能以復雜度低的額外電路實施以得到能改變及較低的參考電壓。
文檔編號G05F3/08GK101770249SQ20081018898
公開日2010年7月7日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權日2008年12月30日
發(fā)明者楊智勛 申請人:聯詠科技股份有限公司