電壓產生器及能帶隙參考電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電壓產生器，包括有一第一晶體管、一第二晶體管、一運算放大器、一電容、一第三晶體管、一第四晶體管及一第一電阻。該運算放大器包括有一第一輸入端耦接于該第一晶體管的第二端及一第二輸入端耦接于該第二晶體管的第二端。該電容耦接于該運算放大器的一輸出端及一地端之間。該第三晶體管耦接于該第一晶體管及該運算放大器的輸出端。該第四晶體管耦接于該第二晶體管、該運算放大器的該輸出端及該地端。該第一電阻用來根據該第三晶體管的柵源極電壓及該第四晶體管的柵源極電壓的電壓差，產生一負溫度系數電壓。
【專利說明】電壓產生器及能帶隙參考電路
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電壓產生器及能帶隙參考(bandgap reference)電路,尤其涉及ー種具有較小版圖面積并適于實現高精確度參考電壓的電壓產生器及能帶隙參考電路。
【背景技術】
[0002]模擬電路應用中常使用不受溫度變化影響的穩(wěn)定參考電壓源或電流源，來提供ー參考電壓或參考電流，以利監(jiān)瞀電源或是其它電路的操作正確性，而能帶隙參考電路(Bandgap Reference Circuit)即為此類電路。簡單來說，能帶隙參考電路是將一正溫度系數(proportional to absolute temperature, PTAT)的電流/電壓與一負溫度系數(complementary to absolute temperature,CTAT)的電流/電壓以適當比例混合相加，將正溫度系數與負溫度系數相互抵銷后，產生ー零溫度系數的電流/電壓。
[0003]詳細來說，請參考圖1，圖1為公知技術中一能帶隙參考電路10的示意圖。能帶隙參考電路10包括有一運算放大器100、雙載子晶體管Ql、Q2及電阻Rl~R3。如圖1所示，在能帶隙參考電路10中，運算放大器100的正負輸入端輸入電壓VX與VY相等(VX=VY=VEBl,VEBl為雙載子晶體管Ql的基射極電壓)，通過電壓VY與VZ (即VEB2)的電壓差(即VY —VZ)及電阻R3，可產生一正溫度系數電流Iptat，如式(I)所示:
r n T VY-VZ VEB1-VEB2 VlInK
[0004]Iptai =-=-= ~:--.1 I
R3R3R31、1 ノ
[0005]其中，K表示雙載子晶體管Q2可視為由K個雙載子晶體管Ql并聯而成。由于熱電壓Vt是正溫度系數，因此由式(I)可知電阻R3所載的正溫度系數電流Iptat是正溫度系數。
[0006]由于雙載子晶體管Q2的基射極電壓VEB2具有負溫度系數，Vout代表能帶隙參考電路10在其輸出端所輸出的能帶隙參考電壓，如式(2)所示:

V Ir\V
[0007]Vout = ^ * (R2 + R3)+ VEB2
R3 V’
avout R2 + R3 , 5V...^.^ 5VEB2^ 2)
[0008]-=-* ^L * InK +-
dT R3 81dT
[0009]其中，由式(2)可知，適當選擇K、R2及R3的值，可使為零，借此能帶隙參


5T
考電壓Vout為零溫度系數電壓。
[0010]然而，公知能帶隙參考電路使用雙載子晶體管來做溫度補償，通常需使用較高的電源電壓且所產生的參考電壓也較大，因而導致較高的靜態(tài)功率損耗而無法有效應用于較低供應電壓的環(huán)境中，同時，使用雙載子晶體管的電路也大大的増加版圖面積。因此，業(yè)者提出以互補式金氧半晶體管(complementary metal oxide semiconductor, CMO S)做溫度補償的能帶隙參考電路，然而此電路所產生的負溫度系數電壓隨制程變化較大，所產生的零溫度系數電壓精確度也會隨之變低，如此ー來，也不利于使用。有鑒于此，公知技術實有改進的必要。

【發(fā)明內容】

[0011]因此，本發(fā)明的主要目的即在于提供一種電壓產生器及能帶隙參考電路。
[0012]本發(fā)明公開一種電壓產生器，包括有一第一晶體管、一第二晶體管、一運算放大器、一電容、一第三晶體管、一第四晶體管及一第一電阻。該第一晶體管包括有一第一端率禹接于一電壓源，及一第二端稱接于一第三端；該第二晶體管包括有一第一端稱接于該電壓源，及一第二端稱接于一第三端；該運算放大器包括有一第一輸入端稱接于該第一晶體管的該第二端及該第三端，一第二輸入端耦接于該第二晶體管的該第二端及該第三端，及一輸出端；該電容包括有一第一端I禹接于該運算放大器的該輸出端，以及一第二端I禹接于一地端；該第三晶體管包括有一第一端耦接于該第一晶體管的該第三端，一第二端耦接于該運算放大器的該輸出端與該電容的該第一端，及一第三端；該第四晶體管包括有一第一端耦接于該第二晶體管的該第三端，一第二端耦接于該運算放大器的該輸出端與該電容的該第一端，及一第三端耦接于該地端；以及該第一電阻耦接于該第三晶體管的該第三端與該地端之間，用來根據該第三晶體管的柵源極電壓及該第四晶體管的柵源極電壓的電壓差，產生一負溫度系數電壓。
[0013]本發(fā)明還公開一種能帶隙參考電路，包括有一正溫度系數電流源、一負溫度系數電壓產生器及一零溫度系數電壓產生器。該正溫度系數電流源用來產生一正溫度系數電流；該負溫度系數電壓產生器包括有一第一晶體管、一第二晶體管、一運算放大器、一電容、一第三晶體管、一第四晶體管及一第一電阻。該第一晶體管包括有一第一端耦接于一電壓源，及一第二端耦接于一第三端；該第二晶體管包括有一第一端耦接于該電壓源，及一第二端耦接于一第三端；該運算放大器包括有一第一輸入端耦接于該第一晶體管的該第二端及該第三端，一第二輸入端耦接于該第二晶體管的該第二端及該第三端，及一輸出端；該電容包括有一第一端耦接于該運算放大器的該輸出端，以及一第二端耦接于一地端；該第三晶體管包括有一第一端耦接于該第一晶體管的該第三端，一第二端耦接于該運算放大器的該輸出端與該電容的該第一端，及一第三端；該第四晶體管包括有一第一端耦接于該第二晶體管的該第三端，一第二端耦接于該運算放大器的該輸出端與該電容的該第一端，及一第三端耦接于該地端；以及該第一電阻耦接于該第三晶體管的該第三端與該地端之間，用來根據該第三晶體管的柵源極電壓及該第四晶體管的柵源極電壓的電壓差，產生一負溫度系數電壓；以及該零溫度系數電壓產生器耦接于該正溫度系數電流源與該負溫度系數電壓產生器之間，用來加總一正溫度系數電壓及一負溫度系數電壓，以產生一零溫度系數電壓。
[0014]在此配合下列圖示、實施例的詳細說明及權利要求書，將上述及本發(fā)明的其它目的與優(yōu)點詳述在后。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為公知一能帶隙參考電路的示意圖。
[0016]圖2A為本發(fā)明實施例一負溫度系數電壓產生器的示意圖。
[0017]圖2B為本發(fā)明實施例圖2A中負溫度系數電壓產生器在不同溫度及制程的負溫度系數電壓比較圖。[0018]圖3A為本發(fā)明實施例一能帶隙參考電路的示意圖。
[0019]圖3B為本發(fā)明實施例圖3A中能帶隙參考電路在不同溫度及制程的零溫度系數電壓比較圖。
[0020]其中，附圖標記說明如下:
[0021]10,30能帶隙參考電路
[0022]100、200、306 運算放大器
[0023]20、302負溫度系數電壓產生器
[0024]300正溫度系數電流源
[0025]304零溫度系數電壓產生器
[0026]Rl ~R6電阻
[0027]Q1、Q2雙載子晶體管
[0028]VCC電源電壓
[0029]VX、VY、VZ、VK4 電壓
[0030]Vout能帶隙參考電壓
[0031]Ml~M4金氧半晶體管
[0032]C容
[0033]Ictat ’負溫度系數電流
[0034]Iptat、Iptat’正溫度系數電流
[0035]Vref零溫度系數參考電壓
[0036]M9電流鏡
[0037]V_ff、V_tt、V_ss負溫度系數電壓曲線
[0038]Vref_ff > Vref_tt> Vref_ss 零溫度系數電壓曲線
【具體實施方式】
[0039]請參考圖2A,圖2A為本發(fā)明實施例ー負溫度系數(complementary to absolutetemperature, CTAT)電壓產生器20的示意圖。負溫度系數電壓產生器20包括有晶體管Ml~M4、一運算放大器200、ー電容C及ー電阻R4。如圖2A所示，運算放大器200包括有一輸入端耦接于晶體管Ml及另ー輸入端耦接于晶體管M2。運算放大器200用來根據其輸入端所接收的信號，產生ー控制信號，以控制晶體管M3、M4的操作。電容C耦接于運算放大器200的輸出端及一地端之間。晶體管M3耦接于晶體管Ml及運算放大器200的輸出端，晶體管M4耦接于晶體管M2、運算放大器200的輸出端及地端。其中，晶體管M3、M4為N型金氧半場效晶體管。電阻R4耦接于晶體管M3與地端之間，用來根據晶體管M3、M4的柵源極電壓的電壓差，產生負溫度系數電壓。舉例來說，如圖2A所示，電阻R4的兩端電壓差Vk4等于晶體管M3的柵源極電壓及晶體管M4的柵源極電壓的電壓差。電阻R4的兩端電壓差Vk4即為負溫度系數電壓。
[0040]簡單來說，本發(fā)明的負溫度系數電壓產生器20可根據晶體管M3、M4的柵源極電壓差，來產生能帶隙參考電路所需的負溫度系數電壓。也就是說，負溫度系數電壓產生器20不需使用雙載子晶體管，即可產生高精確度的負溫度系數電壓，同時使電路版圖面積大幅降低。[0041]詳細來說，晶體管Ml耦接于運算放大器200的一輸入端，而晶體管M2耦接于運算放大器200的另一輸入端，借此，運算放大器200可根據晶體管Ml、M2所輸入的信號，產生控制信號，以控制晶體管M3、M4操作在亞閾值區(qū)。較佳地，晶體管M3、M4是不同類型的金氧半場效晶體管，如此一來，晶體管M3的閾值電壓不同于晶體管M4的閾值電壓。進一步說明，當晶體管M3、M4具不同閾值電壓且同時操作在亞閾值區(qū)時，根據晶體管的電流-電壓(1-V)特性可知，此時晶體管M3、M4的柵源極電壓差實質上會等于晶體管M3、M4的閾值電壓差。以下將通過表達式(3)、(4)逐步說明。當晶體管M3、M4操作在亞閾值區(qū)且晶體管M3、M4的漏源極電壓大于四倍的熱電壓Vt時，晶體管M3、M4的電流-電壓特性分別如式(3)所示:
【權利要求】
1.ー種電壓產生器，包括有: 一第一晶體管，包括有一第一端稱接于ー電壓源，及一第二端稱接于該第一晶體管的一第三端； 一第二晶體管，包括有一第一端耦接于該電壓源，及一第二端耦接于該第二晶體管的一第三端； 一運算放大器，包括有一第一輸入端耦接于該第一晶體管的該第二端及該第三端，一第二輸入端耦接于該第二晶體管的該第二端及該第三端，及ー輸出端； 一電容，包括有一第一端I禹接于該運算放大器的該輸出端，以及ー第二端I禹接于一地端; 一第三晶體管，包括有一第一端耦接于該第一晶體管的該第三端，一第二端耦接于該運算放大器的該輸出端與該電容的該第一端，及一第三端； 一第四晶體管，包括有一第一端耦接于該第二晶體管的該第三端，一第二端耦接于該運算放大器的該輸出端與該電容的該第一端，及一第三端耦接于該地端；以及一第一電阻，耦 接于該第三晶體管的該第三端與該地端之間。
2.如權利要求1所述的電壓產生器，其特征在干，該第一晶體管及該第二晶體管為P型金氧半場效晶體管。
3.如權利要求1所述的電壓產生器，其特征在干，該運算放大器為具有P型金氧半場效晶體管及N型金氧半場效晶體管的一運算放大器。
4.如權利要求1所述的電壓產生器，其特征在干，該運算放大器用來根據該第一輸入端與該第二輸入端所接收的信號，產生ー控制信號，以控制該第三晶體管操作在一第一亞閾值區(qū)與控制該第四晶體管操作在一第二亞閾值區(qū)。
5.如權利要求1所述的電壓產生器，其特征在于，該第三晶體管與該第四晶體管為N型金氧半場效晶體管。
6.如權利要求1所述的電壓產生器，其特征在于，該第三晶體管與該第四晶體管為不同類型的晶體管，該第三晶體管的閾值電壓與該第四晶體管的閾值電壓不同，且該第一電阻的兩端電壓差等于該第三晶體管的閾值電壓及該第四晶體管的閾值電壓的電壓差。
7.如權利要求1所述的電壓產生器，其特征在于，該第一電阻的兩端電壓差等于該第三晶體管的該柵源極電壓及該第四晶體管的該柵源極電壓的電壓差。
8.如權利要求1所述的電壓產生器，其特征在于，該第一電阻根據該第三晶體管的柵源極電壓及該第四晶體管的柵源極電壓的電壓差，產生ー負溫度系數電壓并根據該負溫度系數電壓，產生ー負溫度系數電流。
9.ー種能帶隙參考電路，包括有: 一正溫度系數電流源，用來產生一正溫度系數電流； ー負溫度系數電壓產生器，包括有: 一第一晶體管，包括有一第一端稱接于ー電壓源，及一第二端稱接于該第一晶體管的一第三端； 一第二晶體管，包括有一第一端耦接于該電壓源，及一第二端耦接于該第二晶體管的一第三端； 一運算放大器，包括有一第一輸入端耦接于該第一晶體管的該第二端及該第三端，及一第二輸入端耦接于該第二晶體管的該第二端及該第三端，及一輸出端； 一電容，包括有一第一端I禹接于該運算放大器的該輸出端，以及一第二端I禹接于一地端; 一第三晶體管，包括有一第一端耦接于該第一晶體管的該第三端，一第二端耦接于該運算放大器的該輸出端與該電容的該第一端，及一第三端； 一第四晶體管，包括有一第一端耦接于該第二晶體管的該第三端，一第二端耦接于該運算放大器的該輸出端與該電容的該第一端，及一第三端耦接于該地端；以及 一第一電阻，耦接于該第三晶體管的該第三端與該地端之間，用來根據該第三晶體管的一柵源極電壓及該第四晶體管的一柵源極電壓的電壓差，產生一負溫度系數電壓；以及一零溫度系數電壓產生器，耦接于該正溫度系數電流源與該負溫度系數電壓產生器之間，用來根據一正溫度系數電流及該負溫度系數電壓，以產生一零溫度系數電壓。
10.如權利要求9所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該第一晶體管及該第二晶體管為P型金氧半場效晶體管。
11.如權利要求9所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該運算放大器為具有P型金氧半場效晶體管及N型金氧半場效晶體管的一運算放大器。
12.如權利要求9所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該運算放大器用來根據該第一輸入端與該第二輸入端所接收的信號，產生控制信號，以控制該第三晶體管操作在一第一亞閾值區(qū)與控制該第四晶體管操作在一第二亞閾值區(qū)。
13.如權利要求9所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該第三晶體管與該第四晶體管為N型金氧半場效晶體管。
14.如權利要求9所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該第三晶體管與該第四晶體管為不同類型的晶體管，該第三晶體管的閾值電壓與該第四晶體管的閾值電壓不同，且該第一電阻的兩端電壓差等于該第三晶體管的閾值電壓及該第四晶體管的閾值電壓的電壓差。
15.如權利要求9所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該第一電阻的兩端電壓差等于該第三晶體管的該柵源極電壓及該第四晶體管的該柵源極電壓的電壓差。
16.如權利要求9所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該第一電阻還根據該負溫度系數電壓，產生一負溫度系數電流。
17.如權利要求9所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該零溫度系數電壓產生器，包括有: 一電流鏡，用來復制該負溫度系數電流； 一第二電阻，包括有一第一端稱接于該電流鏡；以及 一第三電阻，包括有一第一端稱接于該第二電阻的一第二端與該正溫度系數電流源，及一第二端耦接于該地端； 其中，該正溫度系數電流通過該第三電阻，該負溫度系數電流通過該第二電阻與該第三電阻，且該零溫度系數電壓為該第二電阻的兩端電壓差與該第三電阻上的兩端電壓差的總和。
18.如權利要求17所述的能帶隙參考電路，其特征在于，該電流鏡為一P型金氧半場效晶體管。
【文檔編號】G05F1/567GK103472883SQ201210184025
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年6月6日 優(yōu)先權日:2012年6月6日
【發(fā)明者】王慧, 劉寅, 項駿, 崇華明 申請人:聯詠科技股份有限公司