專利名稱：具有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖茧娐返闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電壓參考電路，尤其涉及用于常數(shù)跨導(dǎo)(GM)設(shè)計(jì)的具有溫度補(bǔ) 償?shù)膮⒖茧妷弘娐贰?br> 背景技術(shù)：
電壓參考電路是不論負(fù)載、工藝、電源變異與溫度，都可以產(chǎn)生固定(常數(shù))電壓 的電子裝置(電路或組件)。電壓參考電路是集成電路之中的重要模擬裝置之一。常用于集成電路的一種電壓參考電路是帶隙電壓參考電路。帶隙基礎(chǔ)的參考電路 使用模擬電路以增加偏移在不同電流密度的雙極界面之間的數(shù)倍電壓差到跨在二極管的 電壓。二極管電壓是負(fù)溫度系數(shù)(亦即隨著溫度減少)，且接面電壓差是正溫度系數(shù)。當(dāng)增 加的比例使得這些系數(shù)消除時(shí)，結(jié)果常數(shù)值是電壓等于半導(dǎo)體的帶隙電壓。然而，帶隙設(shè)計(jì) 需要相對(duì)大的面積與功率。另一電壓參考電路設(shè)計(jì)是常數(shù)跨導(dǎo)設(shè)計(jì)。圖IA是不具有溫度補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)常數(shù)跨 導(dǎo)電壓參考電路。連接到VDD的二 PMOS晶體管102及104共用柵極。NMOS晶體管106與 108連接到PMOS晶體管102與104且共用柵極連接到輸出電壓VREF，然而PMOS 104的柵 極與漏極連接一起，且NM0S106的柵極與漏極連接一起。晶體管106與108的NMOS溝道尺 寸比例是W/L K(ff/L) =1 K，其中W/L是NMOS晶體管的溝道寬度比長(zhǎng)度。NMOS106的 源極連接到接地(VSS)且NMOS 108的源極經(jīng)由電阻器Rs 110連接到接地(VSS)。常數(shù)跨 導(dǎo)設(shè)計(jì)需要相對(duì)小的面積與功率，但是有強(qiáng)烈的溫度相依性。以Vth作為NMOS 108的臨界電壓，圖IA顯示的電壓參考電路的電流與電壓用以下 公式表示
Γ η Iref =-%-(l-^)2 (1)
_]" *飲花其中μ Ν是NMOS的移動(dòng)率，Cox是柵極氧化電容，W/L是NOMS溝道的長(zhǎng)寬比例。隨著溫度增加，移動(dòng)率μ Ν增加，因此造成方程式的Iref更高。換言之，隨著溫度 增加，臨界電壓Vth增加，造成方程式的VREF較低。因此VREF顯示出與溫度的強(qiáng)烈相依性。 舉例來說，對(duì)比電路布局面積77*53 μ m2與180 μ A電流需求的范例的帶隙設(shè)計(jì)電壓參考電 路，顯示在-40度到125度會(huì)有3mV的變異，在電路布局面積24*7. 3 μ m2與10 μ A電流需求 的范例的帶隙設(shè)計(jì)電壓參考電路顯示在同樣溫度范圍下有18mV的變異，如圖1B(圖IA顯 示的范例電壓參考電路的溫度對(duì)電壓輸出標(biāo)繪圖)。因此，新的溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)對(duì)于常數(shù)跨導(dǎo)設(shè)計(jì)的電壓參考是有需要的。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明實(shí)施例提供一種具有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖?電路，包括一電源；一參考電壓；一第一 PMOS晶體管，具有一源極連接到該電源；一第二 PMOS晶體管，具有一源極連接到該電源，且一柵極與一漏極連接到該第一 PMOS的該柵極； 一第一 NMOS晶體管，具有一柵極與一源極連接到該第一 PMOS晶體管的該漏極；一第二 NMOS晶體管，具有一漏極連接到該第二 PMOS晶體管的該漏極，且一柵極連接到該第一 NMOS 晶體管的該柵極及該參考電壓；一電阻器，連接到該第二 NMOS晶體管的該源極與接地；以 及一運(yùn)算放大器，具有一反向輸入端、一非反向輸入端及一輸出端；其中該反向輸入端連接 該輸出端與該第一 NMOS晶體管的該源極，且該非反向輸入連接到接地。本發(fā)明實(shí)施例另提供一種具有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖茧娐?，包括一電源廣參考 電壓；一第一 PMOS晶體管，具有一源極連接到該電源；一第二 PMOS晶體管，具有一源極連 接到該電源，且一柵極與一漏極連接到該第一 PMOS的該柵極；一第一 NMOS晶體管，具有一 柵極與一漏極連接到該第一 PMOS晶體管的該漏極；一第二 NMOS晶體管，具有一漏極連接到 該第二PMOS晶體管的該漏極，且一柵極連接到該第一NMOS晶體管的該柵極及該參考電壓； 一電阻器，連接到該第二 NMOS晶體管的該源極與接地；一第二參考電壓；一第三PMOS晶體 管，具有一源極連接到該電源；一第四PMOS晶體管，具有一源極連接到該電源，且一柵極與 一漏極連接到該第三PMOS的該柵極；一第三NMOS晶體管，具有一柵極與一漏極連接到該第 三PMOS晶體管的該漏極；一第四NMOS晶體管，具有一漏極連接到該第四PMOS晶體管的該 漏極，且一柵極連接到該第三NMOS晶體管的該柵極與該第二參考電源；一第五NMOS晶體 管，具有一漏極連接到該第四NMOS晶體管的該源極，一源極連接到接地，一柵極連接到該 第一參考電壓。本發(fā)明實(shí)施例借由增加可以控制變壓變異的溫度補(bǔ)償反饋元件，相較于帶隙設(shè)計(jì)， 可完成具有明顯改良的輸出電壓精度且需要很小尺寸與功率的常數(shù)跨導(dǎo)電壓參考電路。為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合附 示，詳細(xì)說明如下。


圖IA是沒有溫度補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)常數(shù)跨導(dǎo)電壓參考電路的電路圖；圖IB是圖IA所顯示的范例電壓參考電路的溫度對(duì)電壓輸出的標(biāo)繪圖；圖2A根據(jù)本發(fā)明是用于常數(shù)跨導(dǎo)設(shè)計(jì)的具有溫度補(bǔ)償?shù)姆独碾妷簠⒖茧娐返?電路圖；圖2B是圖2A所示的電壓參考電路的實(shí)施例的溫度對(duì)電壓輸出的標(biāo)繪圖；圖3A根據(jù)本發(fā)明是用于常數(shù)跨導(dǎo)設(shè)計(jì)的具有溫度補(bǔ)償?shù)姆独碾妷簠⒖茧娐返?電路圖；以及圖3B是圖3A所示的電壓參考電路的實(shí)施例的溫度對(duì)電壓輸出的標(biāo)繪圖。其中，附圖標(biāo)記說明如下102 -、第-- PMOS晶體
104 -A-A-—PMOS晶體
106 -、第—-匪OS晶體
108 第二匪OS晶體管；110 電阻器；202 運(yùn)算放大器；300 額外電路；302 第三PMOS晶體管；304 第四PMOS晶體管；306 第三匪OS晶體管；308 第四匪OS晶體管；310 第五NMOS晶體管；
具體實(shí)施例方式圖式中揭示的各種實(shí)施例或范例使用特定語言描述?？闪私獾?，并不是要借此限 制發(fā)明的范圍。揭示的實(shí)施例的任何變化與變更，以及文件中揭示的原理的進(jìn)一步應(yīng)用對(duì) 于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是可輕易想到的。參考數(shù)字可能在實(shí)施例中重復(fù)使用，即使它們共 用同樣參考數(shù)字，但未必是一個(gè)實(shí)施例的特征應(yīng)用到其他實(shí)施例。圖2A根據(jù)本發(fā)明是用于常數(shù)跨導(dǎo)設(shè)計(jì)的具有溫度補(bǔ)償?shù)姆独碾妷簠⒖茧娐返?電路圖。耦接到非反向輸入端的一個(gè)運(yùn)算放大器202的輸出連接到NMOS 106(虛擬VSS) 的源極。運(yùn)算放大器202非反相輸入連接到接地(VSS)。理想上，運(yùn)算放大器有無限開回 路增益與零輸出電阻。然而，實(shí)際運(yùn)算放大器是有限增益的且非零輸出電阻。運(yùn)算放大器 202具有可調(diào)整的有限增益。以Vth作為匪OS 108的臨界電壓，VREFnewi與VirtualVSS之間的關(guān)系描述如下 「00371 VREF^ ~ VirtualVSS = ^^― + 7re/JRs + Fm , (3)
^nCoxKC7-)其中/T)(4)
YnCoxGe) ^k因此，在方程式4，當(dāng)方程式1的I,ef增加，因?yàn)橛邢拊鲆?，第一?xiàng)VirtualVSS隨著 溫度增加而增加，運(yùn)算放大器202不能保持VirtualVSS準(zhǔn)位到接地。因?yàn)榕R界電壓Vth下 降，方程式4的第二項(xiàng)隨著溫度增加而降低。因此，VREFnewi具有小溫度變異，因?yàn)樵诜匠淌?4(VirtualVSS)的第一項(xiàng)隨著溫度上升而增加且第二項(xiàng)隨著溫度上升而減少。調(diào)整運(yùn)算放 大器202的增益以找到適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償?shù)男阅?。在一集成電路的?shí)施例中，電流Iref設(shè)定為5 μ A，NM0S晶體管尺寸比例是1 K =1 4(K是大于1的數(shù)目)，且電阻Rs是8k歐姆。于其他實(shí)施例中，電流Iref范圍在 2-10 μ A，K在4-16之間，Rs在l_40k歐姆。然而，在不脫離本發(fā)明的精神與范圍之下電路 可以不同數(shù)值設(shè)計(jì)。圖2B是圖2A所示的電壓參考電路的實(shí)施例的溫度對(duì)電壓輸出的標(biāo)繪圖。顯示 在-10度到125度的溫度范圍5mV變動(dòng)，相對(duì)于圖IA沒有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖茧娐凤@示 18mV變動(dòng)有顯著改善。
6
圖3A根據(jù)本發(fā)明是用于常數(shù)跨導(dǎo)設(shè)計(jì)的具有溫度補(bǔ)償?shù)姆独碾妷簠⒖茧娐返?電路圖。在這結(jié)構(gòu)下，來自左側(cè)常數(shù)跨導(dǎo)電壓參考的VREF連接到右側(cè)額外電路300的NMOS 310的柵極。額外電路300類似左側(cè)顯示的常數(shù)跨導(dǎo)電壓參考電路，但是以NMOS 310取代 在常數(shù)跨導(dǎo)電壓參考電路的RsllO。借由連接左側(cè)電路的VREF到右側(cè)NMOS 310的柵極，借 由增加NM0S310的源極-柵極電阻補(bǔ)償隨著溫度上升而減少的VREF。 以Rtx作為NMOS 310的源極-柵極電阻，輸出電壓表示如下
VREFmwi = Vm2
I MnC0M~t)n
!ref + ^TX
L
VREFmw2 = Vth2 +
2/
0U'+L.f+Rr
YnCoxK(-)n
(5)
(6)
ψ ud ~L
當(dāng)增加溫度，來自左側(cè)電路的降低的VREF偏壓NMOS 310柵極，因此增加NMOS 310 的電阻RTX。這個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)包括借由增加類似電路到電壓參考設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易實(shí)施彈性。NMOS 310的尺寸可設(shè)計(jì)成具有想要的電阻RTX。在一集成電路實(shí)施例，電流Iref設(shè)定為5 μ A, NMOS晶體管尺寸比例是介于NMOS 晶體管106與108之間和/或306與308之間的1 N=I 4(N是大于1的數(shù)目)，電 阻Rs是8k歐姆且NMOS晶體管310的源極-漏極電阻Rds是8k歐姆。于其他實(shí)施例中， 電流Iref范圍在2-10 μ A，N在4_16之間，Rs在l_40k歐姆。然而，在不脫離本發(fā)明的精 神與范圍之下電路可以不同數(shù)值設(shè)計(jì)。圖3B是圖3A所示的電壓參考電路的實(shí)施例的溫度對(duì)電壓輸出的標(biāo)繪圖。VREF· 的溫度變動(dòng)在-40度到125度的溫度范圍是18mV，但是溫度補(bǔ)償?shù)腣REFnew2僅有3mV變動(dòng)。因此，借由增加可以控制變壓變異的溫度補(bǔ)償反饋元件，相較于帶隙設(shè)計(jì)，可完成 具有明顯改良的輸出電壓精度且需要很小尺寸與功率的常數(shù)跨導(dǎo)電壓參考電路。雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實(shí)施例揭示如上，然而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)可做些許更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范 圍當(dāng)視隨附的權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種具有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖茧娐?，包括一電源；一參考電壓；一第一PMOS晶體管，具有一源極連接到該電源；一第二PMOS晶體管，具有一源極連接到該電源，且一柵極與一漏極連接到該第一PMOS的該柵極；一第一NMOS晶體管，具有一柵極與一源極連接到該第一PMOS晶體管的該漏極；一第二NMOS晶體管，具有一漏極連接到該第二PMOS晶體管的該漏極，且一柵極連接到該第一NMOS晶體管的該柵極及該參考電壓；一電阻器，連接到該第二NMOS晶體管的該源極與接地；以及一運(yùn)算放大器，具有一反向輸入端、一非反向輸入端及一輸出端；其中該反向輸入端連接該輸出端與該第一NMOS晶體管的該源極，且該非反向輸入連接到接地。
2.如權(quán)利要求1所述的具有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖茧娐罚渲性摰谝籒MOS晶體管及該第 二 NMOS晶體管具有1 K的尺寸比例，其中該尺寸比例定義為一晶體管的一溝道的一寬度 除以一長(zhǎng)度，且K是大于1的數(shù)目。
3.如權(quán)利要求1所述的具有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖茧娐罚渲蠯介于4-6之間。
4.如權(quán)利要求1所述的具有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖茧娐罚渲性撾娮杵鞯碾娮杞橛?l-40k歐姆之間。
5.一種具有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖茧娐?，包?一電源；一參考電壓；一第一 PMOS晶體管，具有一源極連接到該電源；一第二 PMOS晶體管，具有一源極連接到該電源，且一柵極與一漏極連接到該第一 PMOS 的該柵極；一第一 NMOS晶體管，具有一柵極與一漏極連接到該第一 PMOS晶體管的該漏極； 一第二 NMOS晶體管，具有一漏極連接到該第二 PMOS晶體管的該漏極，且一柵極連接到 該第一 NMOS晶體管的該柵極及該參考電壓；一電阻器，連接到該第二 NMOS晶體管的該源極與接地；一第二參考電壓；一第三PMOS晶體管，具有一源極連接到該電源；一第四PMOS晶體管，具有一源極連接到該電源，且一柵極與一漏極連接到該第三PMOS 的該柵極；一第三NMOS晶體管，具有一柵極與一漏極連接到該第三PMOS晶體管的該漏極； 一第四NMOS晶體管，具有一漏極連接到該第四PMOS晶體管的該漏極，且一柵極連接到 該第三NMOS晶體管的該柵極與該第二參考電源；一第五NMOS晶體管，具有一漏極連接到該第四NMOS晶體管的該源極，一源極連接到接 地，一柵極連接到該第一參考電壓。
6.如權(quán)利要求5所述的具有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖茧娐罚渲性摰谝籒MOS晶體管及第二 NMOS晶體管的尺寸比例是1 K，其中尺寸比例是定義為一晶體管的一溝道的一寬度除 以一長(zhǎng)度且K是大于1的數(shù)目。
7.如權(quán)利要求6所述的具有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖茧娐罚渲蠯的范圍介于4-16之間。
8.如權(quán)利要求5所述的具有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖茧娐?，其中該第三NMOS晶體管及該第 四NMOS晶體管的尺寸比例是1 N，其中尺寸比例是定義為一晶體管的一溝道的一寬度除 以一長(zhǎng)度且N是大于1的數(shù)目。
9.如權(quán)利要求8所述的具有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖茧娐?，其中N的范圍介于4-16之間。
10.如權(quán)利要求5所述的具有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖茧娐?，其中該電阻器的電阻范圍?于1-40K歐姆之間，且該第五NMOS晶體管的源極-漏極電阻范圍介于1-40K歐姆之間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖茧娐?，該電路包括一電源；一參考電壓；一第一PMOS晶體管，具有一源極連接到該電源；一第二PMOS晶體管，具有一源極連接到該電源，且一柵極與一漏極連接到該第一PMOS的該柵極；一第一NMOS晶體管，具有一柵極與一源極連接到該第一PMOS晶體管的該漏極；一第二NMOS晶體管，具有一漏極連接到該第二PMOS晶體管的該漏極，且一柵極連接到該第一NMOS晶體管的該柵極及該參考電壓；一電阻器，連接到該第二NMOS晶體管的該源極與接地；以及一運(yùn)算放大器，具有一反向輸入端、一非反向輸入端及一輸出端；其中該反向輸入端連接該輸出端與該第一NMOS晶體管的該源極，且該非反向輸入連接到接地。本發(fā)明具有明顯改良的輸出電壓精度且需要很小尺寸與功率的常數(shù)跨導(dǎo)。
文檔編號(hào)G05F1/567GK101943926SQ201010222579
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月2日
發(fā)明者楊天駿, 隋彧文, 黃明杰 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司