具有温度补偿功能的参考电路的制作方法

1.本发明关于一种参考电路，且特别是一种具有温度补偿功能的参考电路，在温度产生变化时输出稳定的电压值与电流值。


背景技术：

2.参考电路广泛应用在各种电子元件之中，用来提供精准的电压或电流，例如比较器需要精准的参考电压做为比较基准，或者在高速输入输出的电路的设计、usb接口、sata接口，都需要利用精准的参考电压与参考电流来做阻抗匹配。理想的参考电压与参考电流是稳定、不会随着制程、温度、电源电压改变，另外参考电路的功率消耗越小越好。
3.中国台湾专利第i367412号发明专利中，公开了一种同时提供精准电压与精准电流的参考电路，利用带差电压参考电路、正温度系数校正电路、临限电压迭加电路以及精准电流产生电路补偿温度变异效应。然而该带差电压参考电路需要用到双极性接面晶体管(bjt)，比场效晶体管消耗更多功率，另外该正温度系数校正电路包含一运算放大器，需要更大的电路面积才能实现。
4.中国台湾专利第i485546号发明专利中，公开了一种提供精准电压的参考电路，仅利用多个场效晶体管与两个电阻器组合而成。然而并未提供精准电流，另外有个电阻器直接连接于输出电压和地之间，需要很大的电阻值或电流值才能输出电压值较高的精准电压，这样会增加电路面积或功率消耗，同时引入更多噪声干扰。
5.中国台湾专利第i521325号发明专利中，公开了一种提供精准电压与精准电流的参考电路，仅利用多个场效晶体管与三个电阻器组合而成。然而该精准电压和该精准电流并不能分开调整。另外和中国台湾专利第i485546号发明专利相同的缺点是，有个电阻器直接连接于输出电压和地之间，需要很大的电阻值或电流值才能输出电压值较高的精准电压，因此会增加电路面积或功率消耗，同时引入更多噪声干扰。基于上述问题，本发明提供一种同时产生精准电压与精准电流的参考电路，又能分别调整该精准电压与精准电流的数值与温度变异特性，又能兼顾节省电路面积与低功率等优点。


技术实现要素：

6.本发明公开了一种具有温度补偿功能的精准电流参考电路，连接至一电源，包含一偏压产生电路以及一电流输出电路。该偏压产生电路用来产生一第一参考电压以及一第二参考电压，该电流输出电路，利用一场效晶体管接收该第一参考电压，产生温度变异特性和该偏压产生电路的电流一致的一第一参考电流，并且利用多个场效晶体管与一电阻器接收该第二参考电压，其中该多个场效晶体管皆操作在饱和区，并且产生一第二参考电流，使得该第二参考电流的电流值和场效晶体管的阈值电压呈正相关，并且温度变异特性和该偏压产生电路的电流相反。该第一参考电流和该第二参考电流合并成为该精准电流，并且具有补偿温度变异效应的效果。
7.上述的具有温度补偿功能的精准电流参考电路，其中该偏压产生电路包含：一第
一电阻器，其中一端接地；一第一n型场效晶体管，具有一源极连接至该第一电阻器的另一端；一第二n型场效晶体管，具有一源极接地，以及具有一闸极与一汲极皆连接至该第一n型场效晶体管的闸极；一第三n型场效晶体管，具有一源极连接至该第一n型场效晶体管的汲极；一第四n型场效晶体管，具有一源极接地，以及具有一闸极与一汲极皆连接至该第三n型场效晶体管的闸极；一第一p型场效晶体管，具有一源极连接至该电源，以及具有一闸极与一汲极皆连接至该第三n型场效晶体管的汲极；一第二p型场效晶体管，具有一源极连接至该电源，具有一闸极连接至该第一p型场效晶体管的闸极，以及具有一汲极连接至该第四n型场效晶体管的汲极；其中该第一p型场效晶体管的闸极的电压即为该第一参考电压，该第三n型场效晶体管的闸极的电压即为该第二参考电压。
8.上述的具有温度补偿功能的精准电流参考电路，其中该电流输出电路包含：一第五p型场效晶体管，具有一源极连接至该电源，具有一闸极连接至该第一参考电压，以及具有一汲极产生一第一参考电流；一第六n型场效晶体管，具有一闸极连接至该第二参考电压；一第二电阻器，一端接地，另一端连接至该第六n型场效晶体管的源极；一第六p型场效晶体管，具有一源极连接至该电源，具有一闸极以及一汲极皆连接至该第六n型场效晶体管的汲极；一第七p型场效晶体管，具有一源极连接至该电源，具有一闸极连接至该第六p型场效晶体管的闸极，以及具有一汲极产生一第二参考电流，并且连接至该第五p型场效晶体管的汲极。
9.上述的具有温度补偿功能的精准电流参考电路，其中可以改变该第五p型场效晶体管、该第六p型场效晶体管或者该第七p型场效晶体管的尺寸，以调整第一参考电流或第二参考电流的大小，并且调整该精准电流的大小以及温度变异特性。
10.上述的具有温度补偿功能的精准电流参考电路，更包含用来输出精准电压的一电压输出电路，包含多个场效晶体管，接收该第一参考电压或该第二参考电压，产生该精准电压；其中该多个场效晶体管皆操作于饱和区，并且该精准电压随着该多个场效晶体管的阈值电压上升，以补偿温度变异效应。
11.上述的具有温度补偿功能的精准电流与精准电压参考电路，该电压输出电路包含：一第八p型场效晶体管，具有一源极连接至该电源，具有一闸极连接至该第一参考电压；一第八n型场效晶体管，具有一源极接地，具有一闸极以及一汲极皆连接至该第八p型场效晶体管的汲极，并且以该第八p型场效晶体管以及该第八n型场效晶体管之间的接点做为该精准电压；其中该第八n型场效晶体管可以用一第九p型场效晶体管替代，具有一源极连接至该第八p型场效晶体管的汲极，具有一闸极以及一汲极皆接地。
12.上述的具有温度补偿功能的精准电流与精准电压参考电路，其中该电压输出电路更包含一第三电阻器，连接于该第八p型场效晶体管与该第八n型场效晶体管之间，或者连接于该第八p型场效晶体管与该第九p型场效晶体管之间，或者连接于该第八n型场效晶体管的闸极与汲极之间，并且可以调整该第三电阻器的电阻值、该第八n型场效晶体管的尺寸或者该第九p型场效晶体管的尺寸，以改变该精准电压的电压值。
13.本发明揭露一种具有温度补偿功能的精准电压参考电路，包含一偏压产生电路，产生一第一参考电压；一电压输出电路，包含多个场效晶体管，接收该第一参考电压，产生该精准电压；其中该多个场效晶体管皆操作于饱和区，并且该精准电压随着该多个场效晶体管的阈值电压上升，以补偿温度变异效应。
14.上述具有温度补偿功能的精准电压参考电路，其中该偏压产生电路包含：一第一电阻器，其中一端接地；一第一n型场效晶体管，具有一源极连接至该第一电阻器的另一端，以及具有一闸极与一汲极；一第二n型场效晶体管，具有一源极接地，以及具有一闸极与一汲极皆连接至该第一n型场效晶体管的闸极；一第一p型场效晶体管，具有一源极连接至该电源，以及具有一闸极与一汲极皆连接至该第一n型场效晶体管的汲极；一第二p型场效晶体管，具有一源极连接至该电源，具有一闸极连接至该第一p型场效晶体管的闸极，以及具有一汲极连接至该第二n型场效晶体管的汲极，其中该多个场效晶体管其中的一的闸极电压，即为该第一参考电压。
15.上述具有温度补偿功能的精准电压参考电路，其中该偏压产生电路更包含：一第三n型场效晶体管，具有一源极以及一汲极，连接于该第一n型场效晶体管以及该第一p型场效晶体管之间；一第四n型场效晶体管，具有一源极以及一汲极，连接于该第二n型场效晶体管以及该第二p型场效晶体管之间，以及具有一闸极连接至该第二p型场效晶体管的汲极以及该第三n型场效晶体管的闸极。
16.上述的具有温度补偿功能的精准电压参考电路，该电压输出电路包含：一第八p型场效晶体管，具有一源极连接至该电源，具有一闸极连接至该第一参考电压；一第八n型场效晶体管，具有一源极接地，具有一闸极以及一汲极皆连接至该第八p型场效晶体管的汲极，并且以该第八p型场效晶体管以及该第八n型场效晶体管之间的接点做为该精准电压；其中该第八n型场效晶体管可以用一第九p型场效晶体管替代，具有一源极连接至该第八p型场效晶体管的汲极，具有一闸极以及一汲极皆接地。
17.上述的具有温度补偿功能的精准电压参考电路，其中该电压输出电路更包含一第三电阻器，连接于该第八p型场效晶体管与该第八n型场效晶体管之间，或者连接于该第八p型场效晶体管与该第九p型场效晶体管之间，或者连接于该第八n型场效晶体管的闸极与汲极之间，并且可以调整该第三电阻器的电阻值、该第八n型场效晶体管的尺寸或者该第九p型场效晶体管的尺寸，改变该精准电压的电压值。
18.上述的具有温度补偿功能的参考电路，和前案相比的优势在于具有良好的电源电压抑制比(psrr)，意即当电源受到噪声干扰时，输出的参考电压变异也比较小；另外具有广泛的电源电压操作范围，在一般常用的1.8v至5.5v的范围内都可以操作，并且输出的参考电压与参考电流都可做调整，例如一般常用的参考电压为1.2v，也可以把输出的参考电压调整在场效晶体管的阈值电压(vth)附近。此外，本架构只需要场效晶体管即可实现，和需要双极性接面晶体管(bjt)的前案相比，制程更简单，又可以节省电路面积与功率消耗。
19.本段文字提取和编译本发明的部分特色；其他特色将被描述于后续段落里。它的目的是涵盖包含于其后专利范围的精神与范围中，不同的润饰与相似的安排方式。
附图说明
20.图1依据本发明第一实施例，绘示一具有温度补偿功能的精准电流参考电路的架构。
21.图2绘示一具有温度补偿功能的精准电流与精准电压参考电路的架构。
22.图3绘示一具有温度补偿功能的精准电压参考电路的架构。
23.图4绘示图3的电压输出电路的另一样态。
24.图5绘示图3的电压输出电路的另一样态。
25.图6绘示图4的电压输出电路的另一样态。
26.图7绘示图3的偏压产生电路的另一样态。
27.附图标记说明：10-偏压产生电路；20-电流输出电路；30-电压输出电路；mn1-第一n型场效晶体管；mn2-第二n型场效晶体管；mn3-第三n型场效晶体管；mn4-第四n型场效晶体管；mn5-第五n型场效晶体管；mn6-第六n型场效晶体管；mn7-第七n型场效晶体管；mn8-第八n型场效晶体管；mp1-第一p型场效晶体管；mp2-第二p型场效晶体管；mp3-第三p型场效晶体管；mp4-第四p型场效晶体管；mp5-第五p型场效晶体管；mp6-第六p型场效晶体管；mp7-第七p型场效晶体管；mp8-第八p型场效晶体管；mp9-第九p型场效晶体管；r1-第一电阻器；r2-第二电阻器；r3-第三电阻器。
具体实施方式
28.本发明将参照下述实施例而更明确地描述。请注意本发明的实施例的以下描述，仅止于描述用途；这不意味为本发明已详尽的描述或限制于该揭露的形式。
29.本发明的第一实施例请参阅图1，其显示一种具有温度补偿功能的精准电流参考电路，包含一偏压产生电路10以及一电流输出电路20。该偏压产生电路10用来产生一第一参考电压vref1以及一第二参考电压vref2。该电流输出电路20利用一场效晶体管(第五p型场效晶体管mp5)接收该第一参考电压vref1，产生温度变异特性和该偏压产生电路10的电流一致的一第一参考电流iref1，并且利用多个场效晶体管(第六p型场效晶体管mp6、第七p型场效晶体管mp7、第六n型场效晶体管mn6)与一第二电阻器r2接收该第二参考电压vref1。其中该多个场效晶体管皆操作在饱和区，并且产生一第二参考电流iref2，使得该第二参考电流iref2的电流值和场效晶体管的阈值电压(vth)呈正相关，并且温度变异特性和该偏压产生电路10的电流相反。该第一参考电流iref1和该第二参考电流iref2合并成为该精准电流icomp，并且具有补偿温度变异效应的效果。
30.上述的具有温度补偿功能的精准电流参考电路，其中该偏压产生电路10包含：一第一电阻器r1，其中一端接地；一第一n型场效晶体管mn1，具有一源极连接至该第一电阻器r1的另一端；一第二n型场效晶体管mn2，具有一源极接地，以及具有一闸极与一汲极皆连接至该第一n型场效晶体管mn1的闸极；一第三n型场效晶体管mn3，具有一源极连接至该第一n型场效晶体管mn1的汲极；一第四n型场效晶体管mn4，具有一源极接地，以及具有一闸极与一汲极皆连接至该第三n型场效晶体管mn3的闸极；一第一p型场效晶体管mp1，具有一源极连接至该电源，以及具有一闸极与一汲极皆连接至该第三n型场效晶体管mn3的汲极；一第二p型场效晶体管mp2，具有一源极连接至该电源，具有一闸极连接至该第一p型场效晶体管mp1的闸极，以及具有一汲极连接至该第四n型场效晶体管mn4的汲极。其中该第一p型场效晶体管mp1的闸极的电压即为该第一参考电压vref1，该第三n型场效晶体管mn3的闸极的电压即为该第二参考电压。
31.上述的具有温度补偿功能的精准电流参考电路，其中该电流输出电路20包含：一第五p型场效晶体管mp5，具有一源极连接至该电源，具有一闸极连接至该第一参考电压vref1，以及具有一汲极产生一第一参考电流iref1；一第六n型场效晶体管mn6，具有一闸极连接至该第二参考电压vref2；一第二电阻器r2，一端接地，另一端连接至该第六n型场效晶
体管mn6的源极；一第六p型场效晶体管mp6，具有一源极连接至该电源，具有一闸极以及一汲极皆连接至该第六n型场效晶体管mn6的汲极；一第七p型场效晶体管mp7，具有一源极连接至该电源，具有一闸极连接至该第六p型场效晶体管mp6的闸极，以及具有一汲极产生一第二参考电流iref2，并且连接至该第五p型场效晶体管mp5的汲极。
32.上述的具有温度补偿功能的精准电流参考电路，其中该第五p型场效晶体管mp5的电流即为该第一参考电流iref1，和该偏压产生电路10的电流都有随温度上升而增加电流值的温度变异特性；该第六n型场效晶体管mn6的电流和该第二电阻器r2的电流相同，标记为ir2，关系式为：「vgsn1+vgsn3＝vgsn6+(ir2*r2)」，其中vgsn1为该第一n型场效晶体管mn1中闸极与源极之间的电压，其余类推。上述的关系式可整理为：「ir2＝(vgsn1+vgsn3-vgsn6)/r2」，在其他参数固定不变的状况下，vgsn1、vgsn3以及vgsn6都会随着场效晶体管的阈值电压(vth)呈正相关，然而阈值电压(vth)具有随着温度上升而降低的温度变异特性，因此该第六n型场效晶体管mn6和该第二电阻器r2的电流ir2也是具有随着温度上升而降低的温度变异特性，使得该第六p型场效晶体管mp6和该第七p型场效晶体管mp7的电流(即为第二参考电流iref2)也是具有随着温度上升而降低的温度变异特性。综上所述，该第一参考电流iref1和该第二参考电流iref2具有相反的温度变异特性，使得加总产生的该精准电流icomp具有补偿温度变异的效果。
33.上述的具有温度补偿功能的精准电流参考电路，其中可以改变该第五p型场效晶体管mp5、该第六p型场效晶体管mp6或者该第七p型场效晶体管mp7的尺寸，调整第一参考电流iref1或第二参考电流iref2的大小，并且调整该精准电流icomp的大小以及温度变异特性。
34.上述的具有温度补偿功能的精准电流参考电路，更包含用来输出精准电压vcomp的一电压输出电路30，请参阅图2。该电压输出电路30包含多个场效晶体管(第八p型场效晶体管mp8以及第八n型场效晶体管mn8)，接收该第一参考电压vref1产生该精准电压vcomp；其中该多个场效晶体管皆操作于饱和区，并且该精准电压vcomp随着该多个场效晶体管的阈值电压(vth)上升，补偿温度变异效应。
35.上述的电压输出电路30，先不考虑加上第三电阻器r3的状况(r3＝0)，该精准电压vcomp即为该第八n型场效晶体管mn8的闸极与源极之间的电压差vgsn8，其电压值和该偏压产生电路10的电流以及场效晶体管的阈值电压(vth)呈正相关。由于该偏压产生电路10的电流具有随着温度上升而增加的温度变异特性，而场效晶体管的阈值电压(vth)具有随着温度上升而减少的温度变异特性，两个温度变异特性相反的物理量相加后，就能补偿温度变异特性。加上该第三电阻器r3可以用来调整该精准电压vcomp的电压值。
36.本发明的第三实施例请参阅图3，其显示一种具有温度补偿功能的精准电压参考电路，包含一偏压产生电路10以及一电压输出电路30。该偏压产生电路10以及该电压输出电路30的架构和图2相同，本图用来说明该精准电压vcomp和该精准电流icomp可以分别设计调整，并且以本图的架构为基础，说明该电压输出电路30的多种变化样态。
37.图4绘示图3的电压输出电路30的另一样态，本图和图3的差别在于该第八n型场效晶体管mn8和该第三电阻器r3的位置互相交换，该精准电压vcomp也具有补偿温度变异特性的效果。
38.图5绘示图3的电压输出电路30的另一样态，本图和图3的差别在于该第八n型场效
晶体管mn8和该第三电阻器r3的调整连接方法，该第八n型场效晶体管mn8的源极接地，闸极连接至该第八p型场效晶体管mp8的汲极，以及汲极连接至该第三电阻器r3的一端，该第三电阻器r3的另一端连接至该第八n型场效晶体管mn8的闸极，该精准电压vcomp从该第八n型场效晶体管mn8的汲极接出来，此连接方法也具有补偿温度变异特性的效果。
39.图6绘示图4的电压输出电路30的另一样态，本图和图4的差别在于该第八n型场效晶体管mn8替换为一第九p型场效晶体管mp9，该第九p型场效晶体管mp9的源极连接至该第八p型场效晶体管mp8的汲极，闸极与汲极连接至该第三电阻器r3的一端，另外该第九p型场效晶体管mp9也可以和该第三电阻器r3互相交换位置，以上连接方法都能让该精准电压vcomp具有补偿温度变异特性的效果。
40.图7绘示图3的偏压产生电路10的另一样态。其中该偏压产生电路10包含：一第一电阻器r1，其中一端接地；一第一n型场效晶体管mn1，具有一源极连接至该第一电阻器r1的另一端，以及具有一闸极与一汲极；一第二n型场效晶体管mn2，具有一源极接地，以及具有一闸极与一汲极皆连接至该第一n型场效晶体管mn1的闸极；一第一p型场效晶体管mp1，具有一源极连接至一电源，以及具有一闸极与一汲极皆连接至该第一n型场效晶体管mn1的汲极；一第二p型场效晶体管mp2，具有一源极连接至该电源，具有一闸极连接至该第一p型场效晶体管mp1的闸极，以及具有一汲极连接至该第二n型场效晶体管mn2的汲极，其中该第一p型场效晶体管mp1的闸极电压，即为该第一参考电压vref1。
41.上述的电压输出电路30，可以调整该第三电阻器r3的电阻值、该第八n型场效晶体管mn8的尺寸或者该第九p型场效晶体管mp9的尺寸，以改变该精准电压vcomp的电压值。
42.虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。