CN1967428A - 能带隙电压参考电路 - Google Patents

Abstract

本发明为一种能带隙电压参考电路，所述的能带隙电压参考电路包括一电流产生电路，用以通过合并一第一、一第二和一第三电流，得到一输出电流，其中第一电流是由一第一电压与一第一定电压产生装置的一第一顺向导通电压所转换得出，而第二与第三电流是由第一顺向导通电压与一第二定电压产生装置的一第二顺向导通电压间的电压差所转换得出；以及一电流－电压转换器，用以将输出电流转换成一输出电压。

Description

能带隙电压参考电路

技术领域

本发明有关于参考电路，特别有关一种能带隙电压参考电路能够操作于低电压环境下，同时能够产生具有接近于零温度系数的输出。

背景技术

一般而言，电压参考电路与电流参考电路广泛地使用于模拟电路中，此类参考电路是以直流电压或电流为主，受电源与工艺参数的影响不大，而且对温度变化会有符合一预定的相依性。举例而言，能带隙电压参考电路是最常用的高效率电压参考电路，其使用具有正温度系数与负温度系数特性的组件，再将这些组件产生的电压或电流依照一既定比例予以加总，以便产生与温度无关的输出作为一参考电流或电流。传统能带隙电压参考电路是使用双载子晶体管来建立一个稳定的低压参考电路，而其所产生的低压大约为1.25V。然而，于目前的次微米技术中，最常用的是1伏左右。因此，传统能带隙电压参考电路已无法符合目前所需的要求。

发明内容

本发明提供一种能带隙电压参考电路(Bandgap reference circuits)，包括一电流产生电路，用以通过合并一第一、一第二和一第三电流，得到一输出电流，其中第一电流是由一第一电压与一第一定电压产生装置的一第一顺向导通电压所转换得出，而第二与第三电流是由第一顺向导通电压与一第二定电压产生装置的一第二顺向导通电压间的电压差所转换得出；以及一电流-电压转换器，用以将输出电流转换成一输出电压。

本发明还提供一种能带隙电压参考电路，包括一电流镜，具有一控制端、一第一输出端以及一第二输出端；一运算放大器，具有一输出端耦接电流镜的控制端，以及一第一与一第二输入端；一第一电阻，耦接于电流镜的第一端与运算放大器的第一输入端之间；一第二电阻，耦接于电流镜的第一端与运算放大器的第二输入端之间；一第三电阻，具有一第一端耦接运算放大器的第一端，以及一第二端；一第一晶体管，耦接于第三电阻的第二端与一接地电压之间；一第二晶体管，耦接于接地电压与运算放大器的第二输入端之间；以及一第四电阻，耦接于接地电压与电流镜的第二输出端之间。

本发明还提供一种能带隙电压参考电路，包括一电流镜，具有一控制端、一第一输出端以及一第二输出端；一运算放大器，具有一输出端耦接电流镜的控制端，以及一第一与一第二输入端；一第一电阻，耦接于电流镜的第一端与运算放大器的第一输入端之间；一第二电阻，耦接于电流镜的第一端与运算放大器的第二输入端之间；一第三电阻，具有一第一端耦接运算放大器的第一端，以及一第二端；一第一晶体管，耦接于第三电阻的第二端与一接地电压之间；一第二晶体管，耦接于接地电压与运算放大器的第二输入端之间；以及一第四电阻，耦接于电流镜的第一、第二输出端之间。

本发明还提供一种能带隙电压参考电路，包括一第一MOS晶体管，耦接于一电源电压与一第一节点之间；一第二MOS晶体管，耦接于电源电压与一输出端之间；一运算放大器，具有一输出端耦接第一、第二MOS晶体管；一第一电阻，耦接于第一节点与运算放大器之间；一第二电阻，耦接于第一节点运算放大器之间；一第三电阻，耦接于第一电阻与运算放大器之间；一第一晶体管，耦接于第三电阻与一接地电压之间；一第二晶体管，耦接于接地电压与第二电阻之间；一第四电阻，耦接于第一节点；以及一第五电阻，耦接于输出端与接地电压之间。

本发明还提供一种能带隙电压参考电路，包括一电流镜，用以根据一控制信号，分别通过一第一输出端与一第二输出端，产生一第一电流镜输出和一第二电流镜输出，其中第一电流镜输出包括具有正温度系数的一第一电流与一第二电流，以及具有负温度系数的一第三电流；一第一电阻，耦接于第一输出端与一第一节点之间，用以接收第一电流；一第二电阻，耦接于第一输出端与一第二节点之间，用以接收第二电流；一运算放大器，耦接第一、第二节点，用以根据第一、第二节点上的电压，产生控制信号以便控制电流镜；一第三电阻，具有一第一端耦接运算放大器的第一输入端，以及一第二端；一第一晶体管，耦接于第三电阻的第二端与一接地电压之间；一第二晶体管，耦接于接地电压与第二节点之间；以及一第四电阻，耦接第一输出端，用以接收第三电流。

本发明的能带隙电压参考电路能够操作于低电压环境下，同时能够产生具有接近于零温度系数的输出。

附图说明

图1为本发明中能带隙电压参考电路的一实施例。

图2为本发明中能带隙电压参考电路的另一实施例。

附图标号：

100A、100B：能带隙电压参考电路；

10A、10B：电流产生电路；

20：电流-电压转换器；

N1～N3：节点；

V1～V3：电压；

CM：电流镜；

Vref：输出电压；

Vcc：电源电压；

GND：接地电压；

OP：运算放大器；

Q1、Q2：双载子晶体管；

MP1、MP2：PMOS晶体管；

I1、I2、I3、I4a、I4b：电流；

R1、R2a、R2b、R3、R4：电阻。

具体实施方式

为了让本发明的所述的和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图标，作详细说明如下：

图1为显示本发明中能带隙电压参考电路的一实施例。如图所示，能带隙电压参考电路100A包括一电流产生电路10A以及一电流-电压转换器20。电流产生电路10A用以产生两个相同的电流I4a与I4b，并且由于电流I4a与I4b两者相等，因此电流I4b可视为电流I1、I2与I3的加总而得的。电流-电压转换器20用以根据电流产生电路10A所产生的电流I4b，产生一输出电压Vref。

电流产生电路10A包括一电流镜CM、一运算放大器OP、电阻R1、R2a、R2b与R3，以及两个双载子晶体管Q1与Q2。电流镜CM包括两个PMOS晶体管MP1与MP2以及电阻R2a与R2b，而且电阻R2a与R2b两者具有相同的阻值。举例而言，晶体管MP1与MP2具有相同的尺寸，晶体管Q1的射极面积为晶体管Q2的N倍，其中N＞1。电流-电压转换器20可为一电阻、一电阻性组件、一被动组件或其组合物。于本实施例中，电流-电压转换器20包括电阻R4。

晶体管MP1具有一第一端耦接至电源电压Vcc、一第二端耦接至节点N1，以及一控制端耦接至晶体管MP2。晶体管MP2具有一第一端耦接至电源电压Vcc、一第二端耦接至电阻R4，以及一控制端耦接晶体管MP1的控制端。电阻R3耦接于节点N3与一接地电压GND之间，电阻R2a耦接于节点N1与N2之间，电阻R2b耦接于节点N1与N3之间，而电阻R1耦接于节点N2与晶体管Q1之间。

运算放大器OP具有一第一输入端耦接至节点N2、一第二输入端耦接至节点N3，以及一输出端耦接至电流镜CM中晶体管MP1与MP2的控制端。运算放大器OP用以根据节点N2与N3上的电压(即输入电压V1与V2)，输出一控制信号，以便控制电流镜CM。

晶体管Q1具有一射极耦接电阻R1、一集极耦接至接地电压GND，以及一基极耦接至晶体管Q2。晶体管Q2具有一射极耦接节点N3、一集极耦接至接地电压GND，以及一基极耦接至晶体管Q2的基极。在本实施例中，晶体管Q1与Q2的基极耦接至接地电压；或者说，晶体管Q1与Q2为二极管连接方式的晶体管。

若忽略基极电流，顺向导通的二极管的射-基极电压V_EB可表示成：

$V_{\mathrm{EB}}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{I_C}{I_S}\right)$

其中k为波兹曼常数(1.38×10^-23J/K)，q为电荷电量(1.6×10^-29C)，T为温度，I_C为集极电流，而I_S为饱和电流。

当运算放大器OP的输入电压V1与V2相互匹配且晶体管Q1的尺寸为晶体管Q2的N倍，晶体管Q1与Q2的射-基极电压ΔV_EB可表示成：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{EB}}=V_{\mathrm{EB}2}-V_{\mathrm{EB}1}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln N$

其中V_EB1为晶体管Q1的射-基极电压，而V_EB2为晶体管Q2的射-基极电压。

由于输入电压V1与V2因为运算放大器OP而相互匹配(虚短路)，因此输入电压V1与V2可表示成：

V1＝V2＝V_EB2＝V_EB1+I1×R1

$I1\×R1=V_{\mathrm{EB}2}-V_{\mathrm{EB}1}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln N$

因此，通过电阻R2a与R1的电流I1可表示成：

$I1=\frac{V_T}{R1}\ln N,$ 其中温度电压(thermal voltage) $V_T=\frac{\mathrm{kT}}{q}.$

由于电阻R2a与R2b具有相同的阻值而且输入电压V1与V2因为运算放大器OP而相互匹配(虚短路)，因此电流I2会与电流I1相等。

于是，由于温度电压V_T具有0.085mV/℃的正温度系数，因此电流I1与I2也具有正温度系数。

因此，节点N1上的电压V3也可表示成：

V3＝I3×R3＝I1×(R1+R2a)+V_EB1＝I2×R2b+V_EB2

所以，电流I3可表示成：

$I3=\frac{1}{R3}[V_{\mathrm{EB}2}+(\frac{V_T\ln N}{R1}\×R2b)]$

由于晶体管的射-基极电压V_EB具有-2mV/℃的负温度系数，因此电流I3具有负温度系数。

由于电流镜CM中晶体管MP1与MP2具有相同尺寸，因此电流I4a与I4b会相等，并且可表示成：

$I4a=I4b=I1+I2+I3=2I1+I3$

$=(\frac{2}{R1}+\frac{R2b}{R1\×R3})\×V_T\ln N+\frac{V_{\mathrm{EB}2}}{R3}$

所以，若适当地选择电阻R1、R2a、R2b与R3的电阻值的比例，电流I4a将可以具有近乎零的温度系数并且与较不受温度变化的影响。或者说，电流镜CM的每个电流镜输出(电流I4a与I4b)将会具有近乎零的温度系数并且较不受温度变化的影响。

因此，能带隙电压参考电路100A的输出电压也可表示成：

$V_{\mathrm{ref}}=I4b\×R4$

$=(\frac{2R4}{R1}+\frac{R2b\×R4}{R1\×R3})\×V_T\ln N+\frac{R4}{R3}\×V_{\mathrm{EB}2}$

要注意的是，电阻R2a与R2b可避免运算放大器OP的输入端直接相连，以确保运算放大器可以正常地操作。若为了得到零温度系数而电阻R3省略，则会使得能带隙电压参考电路就会被局限于1.25V，而无法操作于低电压的工作环境中。因此，电阻R3是用以产生具有负温度系数的电流I3，以克服此限制，并且适当地选择电阻R1、R2a、R2b与R3的电阻值的比例，输出电压Vref也会较不受温度变化的影响且可操作于低电压环境中。

图2为能带隙电压参考电路的另一实施例。如图所示，能带隙电压参考电路100B与图1所示的能带隙电压参考电路100A相似，除了电阻R3是耦接于节点N1与电阻R4之间，而不是耦接到接地电压GND。

同样地，电流I1与I2会相等且可表示成：

$I1=I2=\frac{V_T}{R1}\ln N$

节点N1上的电压V3与输出电压Vref可分别表示成：

$V_3=\frac{V_T\ln N}{R1}\×R2b+V_{\mathrm{EB}2}$

$\mathrm{Vref}=R4\×[\left(\frac{V3-\mathrm{Vref}}{R3}\right)+2I2+\left(\frac{V3-\mathrm{Vref}}{R3}\right)]$

$=R4\×(\frac{2V3}{R3}-\frac{2\mathrm{Vref}}{R3}+2I2)$

$=\frac{1}{(1+\frac{2R4}{R3})}[\frac{R4}{R3}{V}_{\mathrm{EB}2}+(\frac{2R2\×R4}{R1\×R3}+\frac{2R4}{R1})V_T\ln N]$

由于晶体管的射-基极电压V_EB具有-2mV/℃的负温度系数，所以电流I3也会有负温度系数。所以，如果适当地选择电阻R1、R2a、R2b与R3的电阻值的比例，输出电压Vref也会与较不受温度变化的影响且可操作于低电压环境中。同样地，如果适当地选择电阻R1、R2a、R2b与R3的电阻值的比例，输出电压Vref会较不受温度变化的影响，而电流I4a与I4b也会较不受温度变化的影响。

能带隙电压参考电路100A与100B为可扮演混合模式集成电路或模拟集成电路的操作中的必要功能区块，例如数据转换器(data converter)、锁相回路(PLL)、振荡器、电源管理电路、动态随机存取存储器(DRAM)、闪存(FLASH)…等等。举例而言，能带隙电压参考电路100A提供电流I4b或输出电压Vref至一核心电路，以便核心电路执行其功能。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何熟知技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视的权利要求所界定者为准。

Claims (22)

1.一种能带隙电压参考电路，所述的能带隙电压参考电路包括；

一电流镜，具有一控制端、一第一输出端以及一第二输出端；

一运算放大器，具有一输出端耦接所述的电流镜的控制端，以及一第一与一第二输入端；

一第一电阻，耦接于所述的电流镜的第一端与所述的运算放大器的第一输入端之间；

一第二电阻，耦接于所述的电流镜的第一端与所述的运算放大器的第二输入端之间；

一第三电阻，具有一第一端耦接所述的运算放大器的第一端，以及一第二端；

一第一晶体管，耦接于所述的第三电阻的第二端与一接地电压之间；

一第二晶体管，耦接于所述的接地电压与所述的运算放大器的第二输入端之间；以及

一第四电阻，耦接于所述的接地电压与所述的电流镜的第二输出端之间。

2.如权利要求1所述的能带隙电压参考电路，更包括一第五电阻耦接于所述的接地电压与所述的电流镜的第二端之间。

3.如权利要求2所述的能带隙电压参考电路，其中所述的第一电阻与第二电阻为相同的电阻。

4.如权利要求3所述的能带隙电压参考电路，其中所述的第一、第二晶体管为以二极管方式连接的双载子晶体。

5.如权利要求4所述的能带隙电压参考电路，其中所述的电流镜包括：

一第一MOS晶体管，具有一第一端耦接一电源电压、一控制端耦接所述的运算放大器的输出端，以及一第二端耦接所述的第一、第二和第四电阻；以及

一第二MOS晶体管，具有一第一端耦接所述的电源电压、一控制端耦接所述的运算放大器的输出端，以及一第二端耦接所述的第五电阻。

6.一种能带隙电压参考电路，所述的能带隙电压参考电路包括；

一电流镜，具有一控制端、一第一输出端以及一第二输出端；

一运算放大器，具有一输出端耦接所述的电流镜的控制端，以及一第一与一第二输入端；

一第一电阻，耦接于所述的电流镜的第一端与所述的运算放大器的第一输入端之间；

一第二电阻，耦接于所述的电流镜的第一端与所述的运算放大器的第二输入端之间；

一第三电阻，具有一第一端耦接所述的运算放大器的第一端，以及一第二端；

一第一晶体管，耦接于所述的第三电阻的第二端与一接地电压之间；

一第二晶体管，耦接于所述的接地电压与所述的运算放大器的第二输入端之间；以及

一第四电阻，耦接于所述的电流镜的第一、第二输出端之间。

7.如权利要求6所述的能带隙电压参考电路，更包括一第五电阻耦接于所述的接地电压与所述的电流镜的第二端之间。

8.如权利要求7所述的能带隙电压参考电路，其中所述的电流镜包括：

一第一MOS晶体管，具有一第一端耦接一电源电压、一控制端耦接所述的运算放大器的输出端，以及一第二端耦接所述的第一、第二和第四电阻；以及

一第二MOS晶体管，具有一第一端耦接所述的电源电压、一控制端耦接所述的运算放大器的输出端，以及一第二端耦接所述的第四、第五电阻。

9.如权利要求8所述的能带隙电压参考电路，其中所述的第一电阻与第二电阻为具有相同的电阻值。

10.如权利要求9所述的能带隙电压参考电路，其中所述的第一、第二晶体管为以二极管方式连接的双载子晶体。

11.一种能带隙电压参考电路，所述的能带隙电压参考电路包括；

一第一MOS晶体管，耦接于一电源电压与一第一节点之间；

一第二MOS晶体管，耦接于所述的电源电压与一输出端之间；

一运算放大器，具有一输出端耦接所述的第一、第二MOS晶体管；

一第一电阻，耦接于所述的第一节点与所述的运算放大器之间；

一第二电阻，耦接于所述的第一节点所述的运算放大器之间；

一第三电阻，耦接于所述的第一电阻与所述的运算放大器之间；

一第一晶体管，耦接于所述的第三电阻与一接地电压之间；

一第二晶体管，耦接于所述的接地电压与所述的第二电阻之间；

一第四电阻，耦接于所述的第一节点；以及

一第五电阻，耦接于所述的输出端与所述的接地电压之间。

12.如权利要求11所述的能带隙电压参考电路，其中所述的第四电阻耦接于所述的第一节点与所述的接地电压之间。

13.如权利要求11所述的能带隙电压参考电路，其中所述的第四电阻耦接于所述的第一、第二晶体管之间。

14.一种能带隙电压参考电路，所述的能带隙电压参考电路包括；

一电流镜，用以根据一控制信号，分别通过一第一输出端与一第二输出端，产生一第一电流镜输出和一第二电流镜输出，其中所述的第一电流镜输出包括具有正温度系数的一第一电流与一第二电流，以及具有负温度系数的一第三电流；

一第一电阻，耦接于所述的第一输出端与一第一节点之间，用以接收所述的第一电流；

一第二电阻，耦接于所述的第一输出端与一第二节点之间，用以接收所述的第二电流；

一运算放大器，耦接所述的第一、第二节点，用以根据所述的第一、第二节点上的电压，产生所述的控制信号以便控制所述的电流镜；

一第三电阻，具有一第一端耦接所述的运算放大器的第一输入端，以及一第二端；

一第一晶体管，耦接于所述的第三电阻的第二端与一接地电压之间；

一第二晶体管，耦接于所述的接地电压与所述的第二节点之间；以及

一第四电阻，耦接所述的第一输出端，用以接收所述的第三电流。

15.如权利要求14所述的能带隙电压参考电路，更包括一第五电阻耦接于所述的接地电压与所述的电流镜的第二端之间，用以接收所述的第二电流镜输出，并产生一输出电压。

16.如权利要求14所述的能带隙电压参考电路，其中所述的第四电阻耦接于所述的电流镜的第一输出端与所述的接地电压之间。

17.如权利要求14所述的能带隙电压参考电路，其中所述的第四电阻耦接于所述的电流镜的第一、第二输出端之间。

18.一种能带隙电压参考电路，所述的能带隙电压参考电路包括；

一电流产生电路，用以通过合并一第一、一第二和一第三电流，得到一输出电流，其中所述的第一电流是由一第一电压与一第一定电压产生装置的一第一顺向导通电压所转换得出，而所述的第二与第三电流是由所述的第一顺向导通电压与一第二定电压产生装置的一第二顺向导通电压间的电压差所转换得出；以及

一电流-电压转换器，用以将所述的输出电流转换成一输出电压。

19.如权利要求18所述的能带隙电压参考电路，其中所述的第一、第二定电压产生装置各包括一个以二极管方式连接的双载子晶体。

20.如权利要求18所述的能带隙电压参考电路，其中所述的电流产生电路包括：

一第一晶体管，耦接于一电源电压与所述的电流-电压转换器之间，且具有一栅极端；

一第二晶体管，具有一第一端耦接所述的电源电压、一栅极端耦接所述的第一晶体管的栅极端，以及一第二端耦接一第一节点；

一第一电阻，耦接于所述的第一节点与一接地电压之间；

一第二电阻，耦接于所述的第一节点与一第二节点之间；

一第三电阻，耦接于所述的第一节点与一第三节点之间；

一运算放大器，耦接于所述的第二、第三节点之间，用以根据所述的第二、第三节点上的电压，产生一控制信号以便控制所述的第一、第二晶体管；

一第四电阻，具有一第一端耦接所述的运算放大器的一第一输入端，以及一第二端；

一第三晶体管，耦接于所述的第二节点与所述的接地电压之间，具有一控制端耦接于所述的接地电压；以及

一第四晶体管，耦接于所述的第三节点与所述的接地电压之间，具有一控制端耦接于所述的接地电压。

21.如权利要求18所述的能带隙电压参考电路，其中所述的电流产生电路包括：

一第一晶体管，具有一第一端耦接一电源电压、一第二端耦接至所述的电流-电压转换器，以及一栅极端；

一第二晶体管，具有一第一端耦接所述的电源电压、一第二端耦接所述的第一晶体管的第二端，以及一第二端耦接至一第一节点；

一第一电阻，耦接于所述的第一节点与所述的电流-电压转换器之间；

一第二电阻，耦接于所述的第一节点与一第二节点之间；

一第三电阻，耦接于所述的第一节点与一第三节点之间；

一运算放大器，耦接所述的第二、第三节点，用以根据所述的第二、第三节点上的电压，产生一控制信号以便控制所述的第一、第二晶体管；

一第四电阻，具有一第一端耦接所述的运算放大器的一第一输入端，以及一第二端；

一第三晶体管，耦接于所述的第二节点与所述的接地电压之间，具有一控制端耦接所述的接地电压；以及

一第四晶体管，耦接于所述的第三节点与所述的接地电压之间，具有一控制端耦接所述的接地电压。

22.一种能带隙电压参考电路，所述的能带隙电压参考电路包括；

一电流产生电路，用以通过合并一第一、一第二和一第三电流，得到一输出电流，其中所述的第一电流是由一第一电压与一第一定电压产生装置的一第一顺向导通电压所转换得出，且所述的第一电压与所述的第一顺向导通电压构成一节点电压，所述的第二电流是由所述的节点电压与一第二定电压产生装置的一第二顺向导通电压间的电压差所转换得出，而所述的第三电流是由所述的第一顺向导通电压与一第二定电压产生装置的一第二顺向导通电压间的电压差所转换得出；以及

一电流-电压转换器，用以将所述的输出电流转换成一输出电压。

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