专利名称：参考电压电路的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种参考电压电路，特别是有关于在次微米半导体集成电路中，于高工作温度中提供低准位参考电压的一种能隙参考电路。
参考电压是电子电路或电子系统中不可或缺的角色，稳定的参考电压一般具有两种特性，一为对温度的高稳定性(即参考电压随温度变化的漂移极小)，另一则为对电源电压变化的高抵抗力。能隙参考电压电路以其对温度及电源电压变化的高稳定性，广泛地应用在模拟/数字转换器、数字/模拟转换器、电压整流器等电子系统上。
一般的能隙参考电压电路，是利用一个正比于绝对温度的电路来补偿双载子晶体管基射极的负温度系数。请参考
图1，其所绘示为习知能隙参考电路的电路示意图。于能隙参考电路100中，是利用自放大器102的输出端回授至放大器102的两个输入端所建立的回授回路(FeedbackLoop)，驱动放大器102进行运作。透过如图1所示的电路布置，跨在二极管104的电压108和跨在二极管106的电压110之间的电压差将被放大，得到参考电压112。
如图1所示，当电阻114等于电阻116，且电流120等于电流122时，放大器102输出的参考电压112可以方程式(1)来表示VOUT＝ΔVBE×(R2/R1)+VBE(1)其中VOUT为参考电压112，ΔVBE＝VBE1-VBE2，即跨在二极管104的电压108和跨在二极管106的电压110之间的电压差，R1为电阻118，R2则为电阻114，而VBE＝VBE1，即VBE等于跨在二极管104的电压108。借由方程式(1)对参考电压112的描述，可得知参考电压112是由ΔVBE乘以增益G(由R2/R1组成)，再加上二极管104的电压108所构成。
请参考图2，其所绘示为另一习知能隙参考电路的电路示意图。图2的能隙参考电路200中，NMOS晶体管204、NMOS晶体管206、PMOS晶体管208、PMOS晶体管210、PMOS晶体管212和偏压电流源228构成放大器202。pnp双载子晶体管(pnp BJT)240的集基极连接至接地，N个pnp双载子晶体管242的集基极亦连接至接地。
而pnp双载子晶体管240的射极是电性连接至放大器202的第一输入端214，N个pnp双载子晶体管242的射极是同时电性连接至放大器202的第二输入端216，因此pnp双载子晶体管240和N个pnp双载子晶体管242，均可视为如图1所示的二极管结构。因此，图2的能隙参考电路200的电路运作与图1的能隙参考电路100十分相似。
假设pnp双载子晶体管240和pnp双载子晶体管242的相关设计参数相等且互相匹配，及假设电阻222等于电阻224，由于电阻222和电阻224皆连接至放大器202的输出端218，因此电流244和电流246的大小相等。再根据放大器的特性，可得知V1＝V2，其中V1为放大器202的第一输入端214的输入电压，V2为放大器202的第二输入端216的输入电压。由此可推知V2＝I2×R6+VBE2＝V1＝VBE1故I2＝ΔVBE/R6＝(VBE1-VBE2)/R6＝I1而且因pnp双载子晶体管240和pnp双载子晶体管242在主动操作区中工作，所以其射极电流约等于其集极电流，使得I1＝IS1×exp(VBE1/Vt)及I2＝N×IS2×exp(VBE2/Vt)所以ΔVBE＝VBE1-VBE2＝Vt×(N)得出I2＝(Vt×(N))/R6＝I1最后参考电压220可根据方程式(2)求得VOUT＝ΔVBE×(R5/R6)+VBE＝Vt×(N)×(R5/R6)+VBE(2)或VOUT＝I2×R5+VBE＝Vt×(N)×(R5/R6)+VBE(2)其中VOUT为参考电压220，R5为电阻224，R6则为电阻226，Vt为热电压(Thermal Voltage)，为自然对数，而VBE1和VBE2分别为pnp BJT 240的基射极电位差252及pnp BJT 242的基射极电位差254，VBE则等于VBE1，I1和I2分别为电流244和电流246，IS1和IS2分别为pnp BJT 240的饱和电流及pnp BJT 242的饱和电流，由于pnp BJT 240和pnp BJT 242的相关设计参数皆相等，故IS1＝IS2。
过往的电子系统或电子电路大都采用较高的电压作为工作电压(如约3.3伏特)，然而随着半导体制程技术的快速发展，电子器材的工作电压都往下调降至约1.25伏特或以下，较低的工作电压可使电路或电子系统耗费的功率减少，令工作温度降低，并可延长利用电池供电的电子产品的工作时间。
虽然较低的工作电压可使电子电路耗费的功率减少，令工作温度降低，但在次微米半导体制程中却难以利用单一电源来产生出准确的低工作电压(低参考电压)，解决方法通常是采用由约1.2伏特的核心电压，搭配约2.5伏特或约3.3伏特的外围电压组成之双电源供应，提供电源予能隙参考电路，产生低参考电压。
在图2中，NMOS晶体管204、NMOS晶体管206、PMOS晶体管208、PMOS晶体管210和PMOS晶体管212皆为具有厚闸极氧化层的组件，且其工作电压Vdd约为2.5伏特或约3.3伏特。当NMOS晶体管和PMOS晶体管的工作电压Vdd约为2.5伏特时，其启始电压约为0.56伏特；当NMOS晶体管和PMOS晶体管的工作电压Vdd约为3.3伏特时，其启始电压约为0.62伏特。
然而，在高温时pnp双载子晶体管的基射极电压只是约0.56伏特，使得NMOS晶体管204和NMOS晶体管206于高温时未能被pnp双载子晶体管的基射极电压驱动，因为当NMOS晶体管的工作电压Vdd约为3.3伏特时，pnp双载子晶体管的基射极电压(高温时约为0.56伏特)远低于NMOS晶体管的启始电压(约0.62伏特)。当NMOS晶体管的工作电压Vdd约为2.5伏特时，pnp双载子晶体管的基射极电压(如上所述，高温时约为0.56伏特)仅等于NMOS晶体管的启始电压(约0.56伏特)。此外，由于高温时pnp双载子晶体管的基射极电压相对较低，但在较差制程条件(Worse ProcessCondition)时，NMOS晶体管的启始电压却较大，因此NMOS晶体管204和NMOS晶体管206便更难以被驱动，能隙参考电路200便不能动作。
本发明的主要目的为提供了一种参考电压电路，特别是有关于在次微米半导体集成电路中，于高工作温度中提供低准位参考电压的一种能隙参考电路，借适当的电路设置，可提高能隙参考电路中放大器的两个输入端的电压准位，达到高温中仍能轻易驱动MOS晶体管的目的。
根据以上所述的目的，本发明提供了一种参考电压电路，至少包括具有第一输入端、第二输入端和输出端的放大器；第一pnp双载子晶体管，且此第一pnp双载子晶体管的基极和集极接地；第一电阻，且此第一电阻的一端连接至第一pnp双载子晶体管的射极，另一端连接至放大器的第一输入端；第二电阻，其电阻值为第一电阻的((1/a)-1)倍，且此第二电阻的一端连接至放大器的第一输入端，另一端连接至放大器的输出端；第五电阻；复数个第二pnp双载子晶体管，且这些第二pnp双载子晶体管的基极和集极接地，射极则电性连接至第五电阻的一端；第三电阻，第三电阻的一端电性连接至放大器的第二输入端，另一端则电性连接至第五电阻的另一端；以及第四电阻，其电阻值为第三电阻的((1/a)-1)倍，第四电阻的一端连接至放大器的第二输入端，另一端连接至放大器的输出端。
本发明的参考电压电路，是借着于放大器的两个输入端布置适当的电阻，以提高位于放大器的两个输入端的电压，在高温时放大器中的NMOS晶体管便能轻易被驱动，使得本发明的参考电压电路能于高温时提供准确的参考电压。
本发明的优点在于提供一种参考电压电路，特别是有关于在次微米半导体集成电路中，于高工作温度中提供低准位参考电压的一种能隙参考电路。本发明的参考电压电路中，借着于放大器的第一输入端和第二输入端，布置适当的电阻，以提高在第一输入端和第二输入端的电压值，使得在高工作温度时，放大器中的NMOS晶体管仍然能轻易被驱动，本发明的参考电压电路便能提供准确且不受温度变化影响的参考电压。
图2是绘示另一习知能隙参考电路的电路示意图。
图3是绘示本发明的一实施例的能隙参考电路的电路示意图。
图号说明100 能隙参考电路 102 放大器104 二极管106 二极管108 电压 110 电压112 参考电压 114 电阻116 电阻 118 电阻120 电流 122 电流200 能隙参考电路 202 放大器204 NMOS晶体管206 NMOS晶体管208 PMOS晶体管210 PMOS晶体管212 PMOS晶体管214 第一输入端216 第二输入端218 输出端220 参考电压 222 电阻224 电阻 226 电阻228 偏压电流源240 pnp双载子晶体管242 pnp双载子晶体管 244 电流246 电流 252 基射极电位差
254 基射极电位差 300 能隙参考电路302 放大器 304 NMOS晶体管306 NMOS晶体管 308 PMOS晶体管310 PMOS晶体管 312 PMOS晶体管314 第一输入端 316 第二输入端318 输出端 320 参考电压322 电阻 324 电阻326 电阻 328 偏压电流源330 电阻 332 电阻340 pnp双载子晶体管 342 pnp双载子晶体管344 电流 346 电流352 基射极电位差 354 基射极电位差356 电容而pnp双载子晶体管340的射极是电性连接至放大器302的第一输入端314，N个pnp双载子晶体管342的射极是同时电性连接至放大器302的第二输入端316，因pnp双载子晶体管340和N个pnp双载子晶体管342皆是用以提供输入电压予放大器302。此外，电容356的一端电性连接至放大器302的第一输入端314，另一端连接至接地。
假设pnp双载子晶体管340和pnp双载子晶体管342的相关设计参数相等且互相匹配，及假设电阻330和电阻322的电阻值总和为RA时，则电阻330和电阻322的电阻值分别为aRA和(1-a)RA，亦即电阻322的电阻值为电阻330的电阻值的((1/a)-1)倍；若电阻332和电阻324的电阻值总和为RB时，则电阻332和电阻324的电阻值分别为aRB和(1-a)RB，亦即电阻324的电阻值为电阻332的电阻值的((1/a)-1)倍，其中a为介于0和1之间的任意数值，视能隙参考电路的设计而定。
当RA等于RB时，亦即电阻330等于电阻332，及电阻322等于电阻324时，由于电阻322和电阻324皆连接至放大器302的输出端318，因此电流344和电流346的大小相等。再根据放大器的特性，可得知VA＝VB，其中VA为放大器302的第一输入端314的输入电压，VB为放大器302的第二输入端316的输入电压。由此可推知VB＝IB×RC+IB×aRB+VBE2＝VA＝VBE1+IA×aRA(3)故IB＝ΔVBE/RC＝(VBE1-VBE2)/RC＝IA而且因pnp双载子晶体管340和pnp双载子晶体管342在主动操作区中工作，所以其射极电流约等于其集极电流，使得IA＝ISA×exp(VBE1/Vt)及IB＝N×ISB×exp(VBE2/Vt)所以ΔVBE＝VBE1-VBE2＝Vt×(N)得出IB＝(Vt×(N))/RC＝IA最后参考电压320可依方程式(4)求得VOUT＝IA×(1-a)RA+IA×aRA+VBE＝IA×RA+VBE＝Vt×(N)×(RA/RC)+VBE(4)其中VOUT为参考电压320，RC则为电阻326，Vt为热电压，1n为自然对数，而VBE1和VBE2分别为pnp BJT 340的基射极电位差352及pnp BJT 342的基射极电位差354，VBE则等于VBE1，IA和IB分别为电流344和电流346，ISA和ISB分别为pnp BJT 340的饱和电流及pnp BJT 342的饱和电流，由于pnp BJT 340和pnp BJT 342的相关设计参数相同，故ISA＝ISB。
由方程式(3)可看出，在放大器302的第一输入端314和第二输入端316的输入电压VA和VB的准位，皆比传统放大器的输入电压的准位高出IB×aRB，然而输出的参考电压VOUT320仍然可不受温度的影响及保持在低准位(如约1.25伏特左右，视能隙参考电路设计而定)。因此，透过适当设定a的数值(0＜a＜1)，可使NMOS晶体管304和NMOS晶体管306于高工作温度时，仍然能轻易地被驱动，解决习知能隙参考电路的NMOS晶体管于高工作温度时难以被驱动的问题。
本发明的优点在于提供一种参考电压电路，特别是有关于在次微米半导体集成电路中，于高工作温度中提供低准位参考电压的一种能隙参考电路。本发明的参考电压电路中，借着于放大器的第一输入端和第二输入端，布置适当的电阻，以提高在第一输入端和第二输入端的电压值，使得在高工作温度时，放大器中的NMOS晶体管仍然能轻易被驱动，本发明的参考电压电路便能提供准确且不受温度变化影响的参考电压。
权利要求
1.一种参考电压电路，可产生与温度无关的参考电压值，该参考电压电路至少包括一放大器，具有一第一输入端、一第二输入端和一输出端；一第一pnp双载子晶体管，且该第一pnp双载子晶体管的一基极和一集极接地；一第一电阻，且该第一电阻的一端电性连接至该第一pnp双载子晶体管的一射极，该第一电阻的另一端电性连接至该放大器的该第一输入端；一第二电阻，该第二电阻的电阻值为该第一电阻的电阻值的((1/a)-1)倍，且该第二电阻的一端电性连接至该放大器的该第一输入端，该第二电阻的另一端电性连接至该放大器的该输出端，其中a为介于0和1之间的一数值；一第五电阻；复数个第二pnp双载子晶体管，且该第二pnp双载子晶体管的复数个基极和复数个集极接地，该第二pnp双载子晶体管的复数个射极则电性连接至该第五电阻的一端；一第三电阻，该第三电阻的一端电性连接至该放大器的该第二输入端，该第三电阻的另一端则电性连接至该第五电阻的另一端；以及一第四电阻，该第四电阻的电阻值为该第三电阻的电阻值的((1/a)-1)倍，且该第四电阻的一端电性连接至该放大器的该第二输入端，该第四电阻的另一端电性连接至该放大器的该输出端，其中a为介于0和1之间的一数值。
2.根据权利要求1所述的参考电压电路，其特征在于上述的放大器至少包括一第一NMOS晶体管，该第一NMOS晶体管的一闸极为该放大器的该第一输入端；一第二NMOS晶体管，该第二NMOS晶体管的一闸极为该放大器的该第二输入端，且该第二NMOS晶体管的一源极电性连接该第一NMOS晶体管的一源极；一第二PMOS晶体管，该第二PMOS晶体管的一汲极电性连接至一工作电压源；一第一PMOS晶体管，该第一PMOS晶体管的一汲极电性连接至该工作电压源，该第一PMOS晶体管的一闸极同时电性连接至该第二NMOS晶体管的一汲极及该第二PMOS晶体管的一闸极和一源极；一第三PMOS晶体管，该第三PMOS晶体管的一汲极电性连接至该工作电压源，该第三PMOS晶体管的一闸极同时电性连接至该第一NMOS晶体管的一汲极和该第一PMOS晶体管的一源极，该第三PMOS晶体管的一源极为该放大器的该输出端；以及一偏压电流源，该偏压电流源电性连接至该第二NMOS晶体管的该源极和该第一NMOS晶体管的该源极。
3.根据权利要求1所述的参考电压电路，其特征在于上述的第一电阻的电阻值等于该第三电阻的电阻值。
4.根据权利要求1所述的参考电压电路，其特征在于更包括一电容，该电容的一端电性连接至接地，该电容的另一端电性连接至该放大器的该第一输入端。
5.根据权利要求1所述的参考电压电路，其特征在于上述的第一pnp双载子晶体管及该第二pnp双载子晶体管皆具有相同的设计参数。
6.根据权利要求1所述的参考电压电路，其特征在于a为介于0和1之间的该数值不为一虚数。
全文摘要
一种参考电压电路，包括具有第一输入端、第二输入端和输出端的放大器；第一pnp双载子晶体管；第一电阻，其一端连接至第一pnp双载子晶体管的射极，另一端连接至放大器的第一输入端；第二电阻，两端分别连接至放大器的两端；第五电阻；数个第二pnp双载子晶体管，且这些第二pnp双载子晶体管的基极和集极接地，射极则电性连接至第五电阻的一端；第三电阻，其一端电性连接至放大器的第二输入端，另一端则电性连接至第五电阻的另一端；以及第四电阻，一端连接至放大器的第二输入端，另一端连接至放大器的输出端；由于放大器的两个输入端的电压被适当提高，高温时放大器中的NMOS晶体管便能轻易被驱动，使本参考电压电路能于高温时提供准确的参考电压。
文档编号H03F1/30GK1459923SQ02119719
公开日2003年12月3日 申请日期2002年5月15日 优先权日2002年5月15日
发明者郭政雄 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司