参考电压产生器的制造方法
【专利摘要】一种参考电压产生器，包括参考电压产生单元。参考电压产生单元接收第一偏压电流及第一映射电流，用以产生参考电压。参考电压产生单元包括第一金属氧化半导体晶体管、第二金属氧化半导体晶体管、第一阻抗提供元件以及第二阻抗提供元件。第一及第二金属氧化半导体晶体管操作在次临界(sub-threshold)区，以产生具有负温度系数的第一及第二栅源极电压。第一阻抗提供元件用以产生具有正温度系数的第一电流。第二阻抗提供元件用以在其第一端产生具有正温度系数的第一电压。其中，参考电压等于第二栅源极电压加上第一电压。
【专利说明】参考电压产生器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种参考电压产生器，且特别涉及一种以金属氧化半导体晶体管为主要元件的参考电压产生器。
【背景技术】
[0002]数字模拟转换器(DAC)、模拟数字转换器(ADC)或稳压器(regulator)会需要至少一种固定且稳定的参考电压。参考电压最好在每次电源启动时能稳定地再生。理想的参考电压最好不受到工艺差异、操作温度变化与电源变异等影响。能带隙参考电路(bandgapreference circuit)因可提供较高稳定度与精准度参考电压，而在许多电子系统中扮演重要角色。
[0003]Brokaw在美国第4，250, 445号专利中公开一种能带隙参考电路。请参照图1A，图1A为Brokaw所公开的能带隙参考电路的电路图。能带隙参考电路10包括一运算跨导放大器(Operational Transconductance Amplifier,OTA) 11、双极接面晶体管 Ql 及 Q2 以及重复串迭结构的各电阻(如Ra、RC2、R及I)。通过特定面积比例I =K的两双极接面晶体管Ql及Q2与电阻R产生正温度系数的电流Iei，电流Iei流入电阻&可产生正温度系数的电压Vp。电压Vp与双极接面晶体管Ql的负温度系数的电压Vbe2迭加后，在其基极输出近似零温度系数的参考电压VKEF。
[0004]能带隙参考电路10以运算跨导放大器11来锁定两输入端的电压VIN+与电压VIN_，并且因电压Vin+=电压VIN_，而使两电阻Rcl及Rc2具备相同电流。故电流Iei=(Vbe2-Vbei)/R=V1In (K) L/R且具备正温度系数，其中Vt为热电压，电阻比例L=2R^/R。而双极接面晶体管Q2的Vbe2具备负温度系数，故输出的参考电压VKEF=VBE2+2X IE1XRfVBE2+VTln⑷L。因此，可通过调整电阻比例L而使参考电压Vkef近似零温度系数的电压。
[0005]能带隙参考电路10的优点为较佳的抗噪声能力以及可操作在比一般能带隙参考电路还要低的系统电压VDD。因其输出的参考电压Vkef为运算跨导放大器11的输出端电压Vtot，且通过运算跨导放大器11形成的负反馈，故可抑制系统内的噪声，并使其具备较佳的电源抑制比(Power SupplyRejection Ratio,PSRR)。能带隙参考电路10的操作条件为系统电压VDD S Vrhf+Vds^ 1.2V+0.2V= 1.4V,而这较一般能带隙参考电路来得低。
[0006]然而在某些应用上仍需更低的系统电压VDD而不适用能带隙参考电路10。且能带隙参考电路10利用将双极接面晶体管Ql、Q2作为放大器使用，在互补式金属氧化物半导体兀件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor`, CMOS)的工艺中仅有寄生的双极接面晶体管可以使用的情况下，这不仅较占用布局面积且元件特性不佳，双极接面晶体管Q1、Q2的基极电流将降低回路增益(loop-gain)以及影响高频特性，并会造成电压对温度的偏移程度。
[0007]除此之外，在某些应用上需要能带隙参考电路提供零温度系数的参考电流，但此电路仅能提供零温度系数的参考电压，故必须再由其他电路产生所需的参考电流。
[0008]Riehl在美国第20110062938号公开专利申请中公开另一种能带隙参考电路。图IB为Riehl所公开的能带隙参考电路的电路图。请同时参照图1A及图1B,与原始Brokaw架构的能带隙参考电路10不同之处在于，能带隙参考电路20直接使用双极接面晶体管Q1、Q2作为运算跨导放大器21的输入对(input-pair),再以一个P通道金属氧化半导体晶体管MPl作为输出级(outputstage)以锁定输出电&VKEF。如此可减小并简化原始Brokaw架构的能带隙参考电路，并且仍可提供较佳的PSRR。
[0009]然而在此电路架构下，能带隙参考电路20的操作系统电压VDD须增加，而使系统电压VDD尝 VTln(K.)L+Vcr:+VGSN0.6V-0.2V-0.8V= I _6V,其中 VCE 为双极接面晶体
管Ql、Q2的集射极跨压，Vgs为P通道金属氧化半导体晶体管MP的栅源极跨压。故能带隙参考电路20的操作系统电压VDD高于原始Brokaw架构的能带隙参考电路10的操作系统电压。且能带隙参考电路20同样将双极接面晶体管Ql、Q2当作放大器使用并作为运算跨导放大器21的输入对(input-pair)，因此能带隙参考电路20同样具备上述图1A中原始Brokaw架构的缺点。
[0010]在Electronics Letters, p572_p573，Vo I.4 11 s sue IO 标题为uLow-power1w-voItage reference using peaking current mirror circuit” 的论文中公开了另一种能带隙参考电路。请参照图1C，图1C为上述论文中所公开的能带隙参考电路的电路图。如上所述，为简化能带隙参考电路且避免一般能带隙参考电路使用双极接面晶体管而占用较大布局面积，故图1C的能带隙参考电路30使用操作于次临界区(sub-threshold)的N通道金属氧化半导体晶体管Mnl、Mn2取代图1A或图1B中的双极接面晶体管Q1、Q2，并搭配简单架构的电流镜单元31以产生参考电SVKEF。而能带隙参考电路30的操作条件为系统电压VDD叁Vref+Vds^ 1.2V+0.2V=1 4V，其中Vds为P通道金属氧化半导体晶体管Mp2的汲源极跨压。
[0011]当N通道金属氧化半导体晶体管Mnl、Mn2操作在次临界区的状态时，电流Id与N通道金属氧化半导体晶体管Mnl、Mn2彼此间具备了指数型关系并且可表示为
【权利要求】
1.一种参考电压产生器,包括: 一参考电压产生单兀，接收一第一偏压电流及一第一映射电流，用以产生一参考电压，该参考电压产生单元包括: 一第一金属氧化半导体晶体管，其第一端接收该第一偏压电流，该第一金属氧化半导体晶体管操作在次临界(sub-threshold)区，以产生具有负温度系数的一第一栅源极电压； 一第二金属氧化半导体晶体管，其第一端接收该第一映射电流，其栅极端耦接该第一金属氧化半导体晶体管的栅极端，该第二金属氧化半导体晶体管操作在次临界区，以产生具有负温度系数的一第二栅源极电压，且该第一金属氧化半导体晶体管的宽长比为该第二金属氧化半导体晶体管的宽长比的Kl倍，其中Kl为大于O的自然数且不等于I ; 一第一阻抗提供元件，其第一端耦接该第一金属氧化半导体晶体管的第二端，其第二端耦接该第二金属氧化半导体晶体管的第二端，用以产生具有正温度系数的一第一电流；以及 一第二阻抗提供元件，其第一端耦接该第二金属氧化半导体晶体管的第二端，其第二端耦接一接地电压，用以在其第一端产生具有正温度系数的一第一电压， 其中，该参考电压等于该第二栅源极电压加上该第一电压。
2.如权利要求1所述的参考电压产生器，还包括一电流镜单元，电性连接该参考电压产生单元， 该电流镜单元用以提供该第一偏压电流及该第一映射电流，其中该电流镜单元映射该第一偏压电流而产生该第一映射电流。
3.如权利要求2所述的参考电压产生器，其中该电流镜单元包括: 一第三晶体管，其第一端耦接一系统电压，其第二端耦接该第二金属氧化半导体晶体管的第一端； 一第四晶体管，其第一端耦接该系统电压，其栅极端耦接该第三晶体管的栅极端，其第二端耦接该第一金属氧化半导体晶体管的第一端； 一第五晶体管，其第一端耦接该第三晶体管的第二端，其栅极端接收一第一偏压，其第二端耦接该第三晶体管的栅极端； 一第六晶体管，其第一端耦接该第四晶体管的第二端，其栅极端接收该第一偏压；一第七晶体管，其第一端耦接该第五晶体管的第二端，其栅极端接收一第二偏压，其第二端耦接该接地电压；以及 一第八晶体管，其第一端耦接该第六晶体管的第二端，其栅极端接收该第二偏压，其第二端耦接该接地电压。
4.如权利要求1所述的参考电压产生器，还包括一输出级单元，耦接至该参考电压产生单元及该电流镜单元，该输出级单元用以稳定该参考电压且产生一第一参考电流。
5.如权利要求4所述的参考电压产生器，其中该输出级单元包括: 一第九晶体管，其第一端耦接该系统电压，其栅极端耦接该第六晶体管的第二端，其第二端耦接第二金属氧化半导体晶体管的栅极端，用以稳定该参考电压；以及 一电压转电流电路，其第一端接收该参考电压，其第二端耦接该接地电压，该电压转电流电路用以将该参考电压转换为该第一参考电流。
6.如权利要求5所述的参考电压产生器，其中该电压转电流电路为一第三阻抗提供元件，其第一端接收该参考电压，其第二端耦接该接地电压，用以产生该第一参考电流。
7.如权利要求4所述的参考电压产生器，其中该输出级单元还包括一升压电路，其第二端接收该参考电压，其第一端耦接该第九晶体管的第二端，用以将该参考电压升压为一第二参考电压。
8.如权利要求5所述的参考电压产生器，其中该升压电路为一第四阻抗提供元件，其第二端接收该参考电压，其第一端耦接该第九晶体管的第二端，该第四阻抗提供元件的阻抗值决定该参考电压的升压幅度。
9.如权利要求4所述的参考电压产生器，还包括一降压电路，电性连接该参考电压产生单元及该输出级单元之间，通过其汲取该参考电压产生单元中电流的一部分以作为一第一反馈电流，来调降该参考电压。
10.如权利要求9所述的参考电压产生器，其中该降压电路包括: 一第十晶体管，其第一端耦接该系统电压，其栅极端耦接该第九晶体管的栅极端，该第十晶体管的宽长比为该第九晶体管的宽长比的M倍，用以映射M倍的该第一参考电流来产生一第二参考电流，其中M为大于O的自然数且该第一参考电流与该第二参考电流具有相同的温度系数； 一第十一晶体管，其第一端耦接该第十晶体管的第二端，其第二端耦接该接地电压，其栅极端耦接该第十晶体管的第二端； 一第十二晶体管，其第一端耦接该第二阻抗提供元件的第一端，其第二端耦接该接地电压，其栅极端耦接该第十一晶体管的栅极端，该第十二晶体管的宽长比为该第十一晶体管的宽长比的N倍，用以映射N倍的该第二参考电流来产生该第一反馈电流，该第一反馈电流为其汲取两倍的该第一电流中的一部分，其中N为大于O的自然数。
11.如权利要求4所述的参考电压产生器，还包括一温度补偿单元，耦接于该参考电压产生单元及该输出级单元之间，用以补偿该参考电压的温度系数。
12.如权利要求11所述的参考电压产生器，其中该温度补偿单元包括: 一第十三晶体管，其第一端耦接该系统电压，其栅极端耦接该第九晶体管的栅极端，该第十三晶体管的宽长比为该第九晶体管的宽长比的M倍，用以映射M倍的该第一参考电流来产生一第三参考电流，其中M为大于O的自然数；以及 一自偏压电流镜电路，用以产生具有正温度系数的一自偏压电流，该自偏压电流镜电路电性连接至该第十三晶体管的第二端，其中由该第三参考电流的一半与该自偏压电流中的最小值来决定一第二电流的电流值， 其中，该第一参考电流与该第三参考电流具有相同的温度系数，且该第三参考电流与该自偏压电流具有不同的温度系数。
13.如权利要求12所述的参考电压产生器，其中该温度补偿单元还包括: 一第十四晶体管，其第一端耦接该第二阻抗提供元件的第一端，其第二端耦接该接地电压，其栅极端电性连接该自偏压电流镜电路，该第十四晶体管映射该第二电流以作为该第二反馈电流，且该第二反馈电流为其汲取两倍的该第一电流中的一部分， 其中，该第三参考电流与该自偏压电流的温度系数曲线上具有一温度交叉点，当温度小于该温度交叉点时，该第二电流为该自偏压电流，当温度大于该温度交叉点时，该第二电流为该第三参考电流的一半。
14.如权利要求12所述的参考电压产生器，其中该自偏压电流镜电路包括: 一第十五晶体管，其第一端耦接该第十三晶体管的第二端； 一第十六晶体管，其第一端耦接该第十五晶体管的第一端，其栅极端耦接至其第二端及该第十五晶体管的栅极端； 一第十七晶体管，其第一端耦接该第十五晶体管的第二端及其栅极端，其第二端耦接该接地电压，其中该第十四晶体管的宽长比为该第十七晶体管的宽长比的N倍，用以映射N倍的该第二电流以作为该第二反馈电流，其中N为大于O的自然数； 一第十八晶体管，其第一端耦接该第十六晶体管的第二端，其栅极端耦接该第十七晶体管的栅极端，其中该第十八晶体管的宽长比为该第十七晶体管的宽长比的K2倍，其中K2为大于O的自然数且不等于I ;以及 一第五阻抗提供元件，其第一端耦接该第十八晶体管的第二端，其第二端耦接该接地电压， 其中，该第十七及该第十八晶体管操作在次临界区，以产生具有负温度系数的第十七栅源极电压及具有负温度系数的第十八栅源极电压，并且该第五阻抗提供元件用以产生具有正温度系数的 该自偏压电流。
【文档编号】G05F1/567GK103729009SQ201210387322
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年10月12日 优先权日:2012年10月12日
【发明者】胡敏弘, 黄秋皇, 吴振聪, 黄俊为, 苏品翰 申请人:联咏科技股份有限公司