电压产生器及能带隙参考电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电压产生器，包括有一第一晶体管、一第二晶体管、一运算放大器、一电容、一第三晶体管、一第四晶体管及一第一电阻。该运算放大器包括有一第一输入端耦接于该第一晶体管的第二端及一第二输入端耦接于该第二晶体管的第二端。该电容耦接于该运算放大器的一输出端及一地端之间。该第三晶体管耦接于该第一晶体管及该运算放大器的输出端。该第四晶体管耦接于该第二晶体管、该运算放大器的该输出端及该地端。该第一电阻用来根据该第三晶体管的栅源极电压及该第四晶体管的栅源极电压的电压差，产生一负温度系数电压。
【专利说明】电压产生器及能带隙参考电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电压产生器及能带隙參考(bandgap reference)电路,尤其涉及ー种具有较小版图面积并适于实现高精确度參考电压的电压产生器及能带隙參考电路。
【背景技术】
[0002]模拟电路应用中常使用不受温度变化影响的稳定參考电压源或电流源，来提供ー參考电压或參考电流，以利监瞀电源或是其它电路的操作正确性，而能带隙參考电路(Bandgap Reference Circuit)即为此类电路。简单来说，能带隙參考电路是将一正温度系数(proportional to absolute temperature, PTAT)的电流/电压与一负温度系数(complementary to absolute temperature,CTAT)的电流/电压以适当比例混合相加，将正温度系数与负温度系数相互抵销后，产生ー零温度系数的电流/电压。
[0003]详细来说，请參考图1，图1为公知技术中一能带隙參考电路10的示意图。能带隙參考电路10包括有一运算放大器100、双载子晶体管Ql、Q2及电阻Rl~R3。如图1所示，在能带隙參考电路10中，运算放大器100的正负输入端输入电压VX与VY相等(VX=VY=VEBl,VEBl为双载子晶体管Ql的基射极电压)，通过电压VY与VZ (即VEB2)的电压差(即VY —VZ)及电阻R3，可产生一正温度系数电流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表示双载子晶体管Q2可视为由K个双载子晶体管Ql并联而成。由于热电压Vt是正温度系数，因此由式(I)可知电阻R3所载的正温度系数电流Iptat是正温度系数。
[0006]由于双载子晶体管Q2的基射极电压VEB2具有负温度系数，Vout代表能带隙參考电路10在其输出端所输出的能带隙參考电压，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，适当选择K、R2及R3的值，可使为零，借此能带隙參
5T
考电压Vout为零温度系数电压。
[0010]然而，公知能带隙參考电路使用双载子晶体管来做温度补偿，通常需使用较高的电源电压且所产生的參考电压也较大，因而导致较高的静态功率损耗而无法有效应用于较低供应电压的环境中，同时，使用双载子晶体管的电路也大大的増加版图面积。因此，业者提出以互补式金氧半晶体管(complementary metal oxide semiconductor, CMO S)做温度补偿的能带隙參考电路，然而此电路所产生的负温度系数电压随制程变化较大，所产生的零温度系数电压精确度也会随之变低，如此ー来，也不利于使用。有鉴于此，公知技术实有改进的必要。
【发明内容】
[0011]因此，本发明的主要目的即在于提供一种电压产生器及能带隙参考电路。
[0012]本发明公开一种电压产生器，包括有一第一晶体管、一第二晶体管、一运算放大器、一电容、一第三晶体管、一第四晶体管及一第一电阻。该第一晶体管包括有一第一端率禹接于一电压源，及一第二端稱接于一第三端；该第二晶体管包括有一第一端稱接于该电压源，及一第二端稱接于一第三端；该运算放大器包括有一第一输入端稱接于该第一晶体管的该第二端及该第三端，一第二输入端耦接于该第二晶体管的该第二端及该第三端，及一输出端；该电容包括有一第一端I禹接于该运算放大器的该输出端，以及一第二端I禹接于一地端；该第三晶体管包括有一第一端耦接于该第一晶体管的该第三端，一第二端耦接于该运算放大器的该输出端与该电容的该第一端，及一第三端；该第四晶体管包括有一第一端耦接于该第二晶体管的该第三端，一第二端耦接于该运算放大器的该输出端与该电容的该第一端，及一第三端耦接于该地端；以及该第一电阻耦接于该第三晶体管的该第三端与该地端之间，用来根据该第三晶体管的栅源极电压及该第四晶体管的栅源极电压的电压差，产生一负温度系数电压。
[0013]本发明还公开一种能带隙参考电路，包括有一正温度系数电流源、一负温度系数电压产生器及一零温度系数电压产生器。该正温度系数电流源用来产生一正温度系数电流；该负温度系数电压产生器包括有一第一晶体管、一第二晶体管、一运算放大器、一电容、一第三晶体管、一第四晶体管及一第一电阻。该第一晶体管包括有一第一端耦接于一电压源，及一第二端耦接于一第三端；该第二晶体管包括有一第一端耦接于该电压源，及一第二端耦接于一第三端；该运算放大器包括有一第一输入端耦接于该第一晶体管的该第二端及该第三端，一第二输入端耦接于该第二晶体管的该第二端及该第三端，及一输出端；该电容包括有一第一端耦接于该运算放大器的该输出端，以及一第二端耦接于一地端；该第三晶体管包括有一第一端耦接于该第一晶体管的该第三端，一第二端耦接于该运算放大器的该输出端与该电容的该第一端，及一第三端；该第四晶体管包括有一第一端耦接于该第二晶体管的该第三端，一第二端耦接于该运算放大器的该输出端与该电容的该第一端，及一第三端耦接于该地端；以及该第一电阻耦接于该第三晶体管的该第三端与该地端之间，用来根据该第三晶体管的栅源极电压及该第四晶体管的栅源极电压的电压差，产生一负温度系数电压；以及该零温度系数电压产生器耦接于该正温度系数电流源与该负温度系数电压产生器之间，用来加总一正温度系数电压及一负温度系数电压，以产生一零温度系数电压。
[0014]在此配合下列图示、实施例的详细说明及权利要求书，将上述及本发明的其它目的与优点详述在后。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为公知一能带隙参考电路的示意图。
[0016]图2A为本发明实施例一负温度系数电压产生器的示意图。
[0017]图2B为本发明实施例图2A中负温度系数电压产生器在不同温度及制程的负温度系数电压比较图。[0018]图3A为本发明实施例一能带隙參考电路的示意图。
[0019]图3B为本发明实施例图3A中能带隙參考电路在不同温度及制程的零温度系数电压比较图。
[0020]其中，附图标记说明如下:
[0021]10,30能带隙參考电路
[0022]100、200、306 运算放大器
[0023]20、302负温度系数电压产生器
[0024]300正温度系数电流源
[0025]304零温度系数电压产生器
[0026]Rl ~R6电阻
[0027]Q1、Q2双载子晶体管
[0028]VCC电源电压
[0029]VX、VY、VZ、VK4 电压
[0030]Vout能带隙參考电压
[0031]Ml~M4金氧半晶体管
[0032]C容
[0033]Ictat ’负温度系数电流
[0034]Iptat、Iptat’正温度系数电流
[0035]Vref零温度系数參考电压
[0036]M9电流镜
[0037]V_ff、V_tt、V_ss负温度系数电压曲线
[0038]Vref_ff > Vref_tt> Vref_ss 零温度系数电压曲线
【具体实施方式】
[0039]请參考图2A,图2A为本发明实施例ー负温度系数(complementary to absolutetemperature, CTAT)电压产生器20的示意图。负温度系数电压产生器20包括有晶体管Ml~M4、一运算放大器200、ー电容C及ー电阻R4。如图2A所示，运算放大器200包括有一输入端耦接于晶体管Ml及另ー输入端耦接于晶体管M2。运算放大器200用来根据其输入端所接收的信号，产生ー控制信号，以控制晶体管M3、M4的操作。电容C耦接于运算放大器200的输出端及一地端之间。晶体管M3耦接于晶体管Ml及运算放大器200的输出端，晶体管M4耦接于晶体管M2、运算放大器200的输出端及地端。其中，晶体管M3、M4为N型金氧半场效晶体管。电阻R4耦接于晶体管M3与地端之间，用来根据晶体管M3、M4的栅源极电压的电压差，产生负温度系数电压。举例来说，如图2A所示，电阻R4的两端电压差Vk4等于晶体管M3的栅源极电压及晶体管M4的栅源极电压的电压差。电阻R4的两端电压差Vk4即为负温度系数电压。
[0040]简单来说，本发明的负温度系数电压产生器20可根据晶体管M3、M4的栅源极电压差，来产生能带隙參考电路所需的负温度系数电压。也就是说，负温度系数电压产生器20不需使用双载子晶体管，即可产生高精确度的负温度系数电压，同时使电路版图面积大幅降低。[0041]详细来说，晶体管Ml耦接于运算放大器200的一输入端，而晶体管M2耦接于运算放大器200的另一输入端，借此，运算放大器200可根据晶体管Ml、M2所输入的信号，产生控制信号，以控制晶体管M3、M4操作在亚阈值区。较佳地，晶体管M3、M4是不同类型的金氧半场效晶体管，如此一来，晶体管M3的阈值电压不同于晶体管M4的阈值电压。进一步说明，当晶体管M3、M4具不同阈值电压且同时操作在亚阈值区时，根据晶体管的电流-电压(1-V)特性可知，此时晶体管M3、M4的栅源极电压差实质上会等于晶体管M3、M4的阈值电压差。以下将通过表达式(3)、(4)逐步说明。当晶体管M3、M4操作在亚阈值区且晶体管M3、M4的漏源极电压大于四倍的热电压Vt时，晶体管M3、M4的电流-电压特性分别如式(3)所示:
【权利要求】
1.ー种电压产生器，包括有: 一第一晶体管，包括有一第一端稱接于ー电压源，及一第二端稱接于该第一晶体管的一第三端； 一第二晶体管，包括有一第一端耦接于该电压源，及一第二端耦接于该第二晶体管的一第三端； 一运算放大器，包括有一第一输入端耦接于该第一晶体管的该第二端及该第三端，一第二输入端耦接于该第二晶体管的该第二端及该第三端，及ー输出端； 一电容，包括有一第一端I禹接于该运算放大器的该输出端，以及ー第二端I禹接于一地端; 一第三晶体管，包括有一第一端耦接于该第一晶体管的该第三端，一第二端耦接于该运算放大器的该输出端与该电容的该第一端，及一第三端； 一第四晶体管，包括有一第一端耦接于该第二晶体管的该第三端，一第二端耦接于该运算放大器的该输出端与该电容的该第一端，及一第三端耦接于该地端；以及一第一电阻，耦 接于该第三晶体管的该第三端与该地端之间。
2.如权利要求1所述的电压产生器，其特征在干，该第一晶体管及该第二晶体管为P型金氧半场效晶体管。
3.如权利要求1所述的电压产生器，其特征在干，该运算放大器为具有P型金氧半场效晶体管及N型金氧半场效晶体管的一运算放大器。
4.如权利要求1所述的电压产生器，其特征在干，该运算放大器用来根据该第一输入端与该第二输入端所接收的信号，产生ー控制信号，以控制该第三晶体管操作在一第一亚阈值区与控制该第四晶体管操作在一第二亚阈值区。
5.如权利要求1所述的电压产生器，其特征在于，该第三晶体管与该第四晶体管为N型金氧半场效晶体管。
6.如权利要求1所述的电压产生器，其特征在于，该第三晶体管与该第四晶体管为不同类型的晶体管，该第三晶体管的阈值电压与该第四晶体管的阈值电压不同，且该第一电阻的两端电压差等于该第三晶体管的阈值电压及该第四晶体管的阈值电压的电压差。
7.如权利要求1所述的电压产生器，其特征在于，该第一电阻的两端电压差等于该第三晶体管的该栅源极电压及该第四晶体管的该栅源极电压的电压差。
8.如权利要求1所述的电压产生器，其特征在于，该第一电阻根据该第三晶体管的栅源极电压及该第四晶体管的栅源极电压的电压差，产生ー负温度系数电压并根据该负温度系数电压，产生ー负温度系数电流。
9.ー种能带隙參考电路，包括有: 一正温度系数电流源，用来产生一正温度系数电流； ー负温度系数电压产生器，包括有: 一第一晶体管，包括有一第一端稱接于ー电压源，及一第二端稱接于该第一晶体管的一第三端； 一第二晶体管，包括有一第一端耦接于该电压源，及一第二端耦接于该第二晶体管的一第三端； 一运算放大器，包括有一第一输入端耦接于该第一晶体管的该第二端及该第三端，及一第二输入端耦接于该第二晶体管的该第二端及该第三端，及一输出端； 一电容，包括有一第一端I禹接于该运算放大器的该输出端，以及一第二端I禹接于一地端; 一第三晶体管，包括有一第一端耦接于该第一晶体管的该第三端，一第二端耦接于该运算放大器的该输出端与该电容的该第一端，及一第三端； 一第四晶体管，包括有一第一端耦接于该第二晶体管的该第三端，一第二端耦接于该运算放大器的该输出端与该电容的该第一端，及一第三端耦接于该地端；以及 一第一电阻，耦接于该第三晶体管的该第三端与该地端之间，用来根据该第三晶体管的一栅源极电压及该第四晶体管的一栅源极电压的电压差，产生一负温度系数电压；以及一零温度系数电压产生器，耦接于该正温度系数电流源与该负温度系数电压产生器之间，用来根据一正温度系数电流及该负温度系数电压，以产生一零温度系数电压。
10.如权利要求9所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第一晶体管及该第二晶体管为P型金氧半场效晶体管。
11.如权利要求9所述的能带隙参考电路，其特征在于，该运算放大器为具有P型金氧半场效晶体管及N型金氧半场效晶体管的一运算放大器。
12.如权利要求9所述的能带隙参考电路，其特征在于，该运算放大器用来根据该第一输入端与该第二输入端所接收的信号，产生控制信号，以控制该第三晶体管操作在一第一亚阈值区与控制该第四晶体管操作在一第二亚阈值区。
13.如权利要求9所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第三晶体管与该第四晶体管为N型金氧半场效晶体管。
14.如权利要求9所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第三晶体管与该第四晶体管为不同类型的晶体管，该第三晶体管的阈值电压与该第四晶体管的阈值电压不同，且该第一电阻的两端电压差等于该第三晶体管的阈值电压及该第四晶体管的阈值电压的电压差。
15.如权利要求9所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第一电阻的两端电压差等于该第三晶体管的该栅源极电压及该第四晶体管的该栅源极电压的电压差。
16.如权利要求9所述的能带隙参考电路，其特征在于，该第一电阻还根据该负温度系数电压，产生一负温度系数电流。
17.如权利要求9所述的能带隙参考电路，其特征在于，该零温度系数电压产生器，包括有: 一电流镜，用来复制该负温度系数电流； 一第二电阻，包括有一第一端稱接于该电流镜；以及 一第三电阻，包括有一第一端稱接于该第二电阻的一第二端与该正温度系数电流源，及一第二端耦接于该地端； 其中，该正温度系数电流通过该第三电阻，该负温度系数电流通过该第二电阻与该第三电阻，且该零温度系数电压为该第二电阻的两端电压差与该第三电阻上的两端电压差的总和。
18.如权利要求17所述的能带隙参考电路，其特征在于，该电流镜为一P型金氧半场效晶体管。
【文档编号】G05F1/567GK103472883SQ201210184025
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年6月6日 优先权日:2012年6月6日
【发明者】王慧, 刘寅, 项骏, 崇华明 申请人:联咏科技股份有限公司