带差参考电路的制作方法

本发明是有关于一种电路，且特别是有关于一种带差参考电路(bandgapreferencecircuit)。

背景技术：

请参照图1，其所绘示为公知带差参考电路示意图。带差参考电路100包括镜射电路(mirroringcircuit)12、运算放大器(operationamplifier)15、输入电路(inputcircuit)20。

镜射电路12中包括三个p型金氧半晶体管(以下简称pmos晶体管)m1～m3，在此范例中，pmos晶体管m1～m3具有相同的长宽比(aspectratio，w/l)。其中，pmos晶体管m1～m3的栅极(gate)相互连接，pmos晶体管m1～m3的源极(source)连接至供应电压vdd，pmos晶体管m1～m3的漏极(drain)可分别输出ix、iy与iz的电流。

运算放大器15的输出端o连接至pmos晶体管m1～m3的栅极(gate)，运算放大器15的负输入端连接至pmos晶体管m2的漏极，而运算放大器15的正输入端连接至pmos晶体管m1的漏极。

输入电路20包括二个双极结型晶体管(以下简称bjt晶体管)q1、q2与电阻r1，其中bjt晶体管q1的布局面积为bjt晶体管q2布局面积的m倍。bjt晶体管q1与q2的基极(base)与集电极(collector)连接至接地端使得bjt晶体管q1与q2形成二极管连接(diodeconnect)。bjt晶体管q2的发射极(emitter)连接至运算放大器15的正输入端，bjt晶体管q1的发射极与运算放大器15的负输入端之间连接电阻r1。

再者，bjt晶体管q3的布局面积与q2的布局面积相同。另外，bjt晶体管q3的基极与集电极连接至接地端，bjt晶体管q3的发射极与pmos晶体管m3漏极之间连接一电阻r2，m3漏极可输出一带差电压(bandgapvoltage，vbg)。

由图1所绘示的带差参考电路可知。由于pmos晶体管m1～m3具有相同的长宽比(w/l)。因此，pmos晶体管m1～m3的漏极产生相同的输出电流ix、iy与iz，也就是，ix＝iy＝iz---(1)。

再者，在运算放大器15具有无限大的增益下，运算放大器15的负输入端电压(vy)与正输入端电压(vx)会相等。因此，r1×iy+veb1＝veb2---(2)。

其中，veb1为bjt晶体管q1的发射极与基极之间的电位差，且veb2为bjt晶体管q2的发射极与基极之间的电位差。

由于bjt晶体管q1与q2形成二极管连接(diodeconnect)且bjt晶体管q1面积为bjt晶体管q2面积的m倍，所以，and

因此，进而推导出vbe1＝vt×ln(iy/mis)---(3)与vbe2＝vt×ln(ix/is)---(4)。

其中，is为bjt晶体管q2的饱和电流(saturationcurrent)，vt为热电压(thermalvoltage)。

根据以上的(1)、(2)、(3)、(4)式，最终可以获得iy＝(1/r1)vt×lnm---(5)，以及，vbg＝(r2/r1)×vt×lnm+veb3---(6)。

其中，veb3为bjt晶体管q3的发射极与基极之间的电位差。

在实际的运作上，当带差参考电路使用的供应电压vdd变化幅度很大时，带差参考电路产生的带差电压vbg也会变化。举例来说，供应电压vdd为1.75v以及5.75v时，带差参考电路产生的带差电压vbg大约会有3％～4％的变化率。

技术实现要素：

本发明有关于一种带差参考电路，包括：一镜射电路，产生一第一电流、一第二电流与一第三电流，其中该第一电流流向一第一节点，该第二电流流向一第二节点，且该第三电流流向该带差参考电路的一电压输出端；一输入电路，连接至该第一节点用以接收该第一电流，以及连接至该第二节点用以接收该第二电流；以及一运算放大器，具有一正输入端连接至该第一节点，一负输入端连接至该第二节点，一输出端连接至该镜射电路；其中，该运算放大器，包括：一第一p型金氧半晶体管，其中该第一p型金氧半晶体管的一源极接收一供应电压，该第一p型金氧半晶体管的一栅极接收一第一偏压电压；一第二p型金氧半晶体管，其中该第二p型金氧半晶体管的一源极连接至该第一p型金氧半晶体管的一漏极，该第二p型金氧半晶体管的一栅极接收一第二偏压电压；一第一n型金氧半晶体管，其中该第一n型金氧半晶体管的一漏极连接至该第二p型金氧半晶体管的一漏极，该第一n型金氧半晶体管的一栅极接收一第三偏压电压；一第二n型金氧半晶体管，其中该第二n型金氧半晶体管的一漏极连接至该第一n型金氧半晶体管的该源极，该第二n型金氧半晶体管的一栅极连接至该第二p型金氧半晶体管的该漏极，该第二n型金氧半晶体管的一源极连接至一接地端；一第三p型金氧半晶体管，其中该第三p型金氧半晶体管的一源极接收该供应电压，该第三p型金氧半晶体管的一栅极接收该第一偏压电压；一第四p型金氧半晶体管，其中该第四p型金氧半晶体管的一源极连接至该第三p型金氧半晶体管的一漏极，该第四p型金氧半晶体管的一栅极接收该第二偏压电压，该第四p型金氧半晶体管的一漏极为该运算放大器的一输出端并连接至该镜射电路；一第三n型金氧半晶体管，其中该第三n型金氧半晶体管的一漏极连接至该第四p型金氧半晶体管的该漏极，该第三n型金氧半晶体管的一栅极接收该第三偏压电压；一第四n型金氧半晶体管，其中该第四n型金氧半晶体管的一漏极连接至该第三n型金氧半晶体管的该源极，该第四n型金氧半晶体管的一栅极连接至该第二n型金氧半晶体管的该栅极，该第四n型金氧半晶体管的一源极连接至该接地端；一第五n型金氧半晶体管，其中该第五n型金氧半晶体管的一漏极连接至该第一p型金氧半晶体管的该漏极，该第五n型金氧半晶体管的一栅极为该运算放大器的一正输入端并且连接至该第一节点；一第六n型金氧半晶体管，其中该第六n型金氧半晶体管的一漏极连接至该第三p型金氧半晶体管的该漏极，该第六n型金氧半晶体管的一栅极为该运算放大器的一负输入端并且连接至该第二节点；以及一参考电流源，其中该参考电流源的一第一端连接至该第五n型金氧半晶体管的一源极以及该第六n型金氧半晶体管的一源极，该参考电流源的一第二端连接至该接地端。

本发明有关于一种带差参考电路，包括：一镜射电路，产生一第一电流、一第二电流与一第三电流，其中该第一电流流向一第一节点，该第二电流流向一第二节点，且该第三电流流向该带差参考电路的一电压输出端；一输入电路，连接至该第一节点用以接收该第一电流，以及连接至该第二节点用以接收该第二电流；以及一运算放大器，具有一正输入端连接至该第一节点，一负输入端连接至该第二节点，一输出端连接至该镜射电路；其中，该运算放大器，包括：一第一p型金氧半晶体管，其中该第一p型金氧半晶体管的一源极接收一供应电压；一第二p型金氧半晶体管，其中该第二p型金氧半晶体管的一源极连接至该第一p型金氧半晶体管的一漏极，该第二p型金氧半晶体管的一栅极接收一第一偏压电压；一第一n型金氧半晶体管，其中该第一n型金氧半晶体管的一漏极连接至该第二p型金氧半晶体管的一漏极以及该第一p型金氧半晶体管的一栅极，该第一n型金氧半晶体管的一栅极接收一第二偏压电压；一第二n型金氧半晶体管，其中该第二n型金氧半晶体管的一漏极连接至该第一n型金氧半晶体管的一源极，该第二n型金氧半晶体管的一栅极接收一第三偏压电压，该第二n型金氧半晶体管的一源极连接至一接地端；一第三p型金氧半晶体管，其中该第三p型金氧半晶体管的一源极接收该供应电压，该第三p型金氧半晶体管的一栅极连接至该第一p型金氧半晶体管的该栅极；一第四p型金氧半晶体管，其中该第四p型金氧半晶体管的一源极连接至该第三p型金氧半晶体管的一漏极，该第四p型金氧半晶体管的一栅极接收该第一偏压电压，该第四p型金氧半晶体管的一漏极为该运算放大器的一输出端并连接至该镜射电路；一第三n型金氧半晶体管，其中该第三n型金氧半晶体管的一漏极连接至该第四p型金氧半晶体管的该漏极，该第三n型金氧半晶体管的一栅极接收该第二偏压电压；一第四n型金氧半晶体管，其中该第四n型金氧半晶体管的一漏极连接至该第三n型金氧半晶体管的一源极，该第四n型金氧半晶体管的一栅极接收该第三偏压，该第四n型金氧半晶体管的一源极连接至该接地端；一第五n型金氧半晶体管，其中该第五n型金氧半晶体管的一漏极连接至该第一p型金氧半晶体管的该漏极，该第五n型金氧半晶体管的一栅极为该运算放大器的一正输入端并且连接至该第一节点；一第六n型金氧半晶体管，其中该第六n型金氧半晶体管的一漏极连接至该第三p型金氧半晶体管的该漏极，该第六n型金氧半晶体管的一栅极为该运算放大器的一负输入端并且连接至该第二节点；以及一参考电流源，其中该参考电流源的一第一端连接至该第五n型金氧半晶体管的一源极以及该第六n型金氧半晶体管的一源极，该参考电流源的一第二端连接至该接地端。

附图说明

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附图式详细说明如下：

图1为公知带差参考电路示意图。

图2为本发明带差参考电路的第一实施例。

图3为本发明带差参考电路的第二实施例。

图4为本发明带差参考电路的第三实施例。

图5为本发明带差参考电路的第四实施例。

具体实施方式

请参照图2，其所绘示为本发明带差参考电路的第一实施例。带差参考电路200包括镜射电路212、运算放大器215、输入电路220。

镜射电路212中包括六个pmos晶体管ma～mf，在此范例中，pmos晶体管ma～mf具有相同的长宽比。当然，pmos晶体管ma～mf的长宽比可以根据实际的需求而适当地改变。

pmos晶体管ma～mc的栅极相互连接。pmos晶体管ma～mc的源极(source)连接至供应电压vdd。pmos晶体管ma～mc的漏极(drain)分别连接至pmos晶体管md～mf的源极。pmos晶体管md～mf的栅极连接至一偏压电压vbias1。pmos晶体管md～mf的漏极分别连接至节点a、节点b以及带差参考电路200的电压输出端。另外，镜射电路212中，pmos晶体管md～mf的漏极可分别产生电流ix、iy与iz。

运算放大器215的负输入端inn连接至节点b，而运算放大器215的正输入端inp连接至节点a，运算放大器215的输出端o连接至pmos晶体管ma～mc的栅极。

输入电路220包括二个bjt晶体管q1、q2与电阻r1。其中bjt晶体管q1的布局面积为bjt晶体管q2布局面积的m倍。

bjt晶体管q1与q2的基极与集电极连接至接地端使得bjt晶体管q1与q2形成二极管连接。bjt晶体管q2的发射极连接至节点a，bjt晶体管q1的发射极与节点b之间连接电阻r1。

再者，bjt晶体管q3的布局面积与q2的布局面积相同。另外，bjt晶体管q3的基极与集电极连接至接地端，bjt晶体管q3的发射极与pmos晶体管mf漏极之间连接一电阻r2，pmos晶体管mf漏极可输出一带差电压(vbg)。当然，bjt晶体管q1～q3的面积可以根据实际的需求而适当地改变。

根据本发明的第一实施例，运算放大器215包括四个pmos晶体管mg～mj、六个n型金氧半晶体管(以下简称nmos晶体管)mk～mp与一参考电流源iref。

pmos晶体管mg的源极连接至供应电压vdd，栅极连接至一偏压电压vbias2。pmos晶体管mi的源极连接至pmos晶体管mg的漏极，栅极连接至一偏压电压vbias3。nmos晶体管mm的源极连接至接地端，栅极连接至pmos晶体管mi的漏极。nmos晶体管mk的源极连接至nmos晶体管mm的漏极，栅极接收一偏压电压vbias4，漏极连接至pmos晶体管mi的漏极，体极(body)连接至接地端。

pmos晶体管mh的源极连接至供应电压vdd，栅极连接至偏压电压vbias2。pmos晶体管mj的源极连接至pmos晶体管mh的漏极，栅极连接至偏压电压vbias3，漏极作为运算放大器215的输出端o。nmos晶体管mn的源极连接至接地端，栅极连接至nmos晶体管mm的栅极。nmos晶体管ml的源极连接至nmos晶体管mn的漏极，栅极接收偏压电压vbias4，漏极连接至pmos晶体管mj的漏极，体极(body)连接至接地端。

nmos晶体管mo的漏极连接pmos晶体管mg的漏极，栅极作运算放大器215的正输入端inp，源极连接至参考电流源iref的第一端。nmos晶体管mp的漏极连接pmos晶体管mh的漏极，栅极作运算放大器215的负输入端inn，源极连接至参考电流源iref的第一端。再者，参考电流源iref的第二端连接至接地端。

相同地，当带差参考电路200正常运作时，运算放大器215的负输入端inn与正输入端inp的电压会相等。并且，镜射电路212会产生相同大小的输出电流ix、iy与iz。因此，带差参考电路产生的带差电压vbg为vbg＝(r2/r1)×vt×lnm+veb3。其详细推导过程不再赘述。

以下介绍带差参考电路200在不同电压下的运作。

在实际的运作上，当供应电压vdd为5.75v时，在运算放大器215中，nmos晶体管ml的漏极电压vo约为4.84v，且nmos晶体管mk的漏极电压vp约为0.7v。

nmos晶体管ml的漏极电压vo约为4.84v，nmos晶体管ml会产生漏电流(leakagecurrent)由nmos晶体管ml的漏极经由体极流至接地端，其漏电流大小约为374na。另外，由于nmos晶体管mk的漏极电压vp约为0.7v，nmos晶体管mk会产生漏电流由nmos晶体管mk的漏极经由体极流至接地端，其漏电流大小约为5pa。

由于nmos晶体管mk与nmos晶体管ml漏电流的差异很大(大约75000倍)，使得带差参考电路200产生的带差电压vbg约为1.2795v。

另外，当供应电压vdd为1.75v时，在运算放大器215中，nmos晶体管ml的漏极电压vo约为0.85v，且nmos晶体管mk的漏极电压vp约为0.7v。因此，nmos晶体管mk与nmos晶体管ml漏电流的差异会变小，带差参考电路200产生的带差电压vbg约为1.2545v。

换言之，第一实施例的带差参考电路200的供应电压vdd分别为5.75v以及1.75v时，其带差电压vbg的变化量大约为25mv，带差电压vbg的变化率可下降至2％。

请参照图3，其所绘示为本发明带差参考电路的第二实施例。带差参考电路300包括镜射电路212、运算放大器315、输入电路220。

相较于第一实施例带差参考电路200，第二实施例带差参考电路300的差别在于运算放大器315中nmos晶体管mk与ml的连接关系。以下仅介绍nmos晶体管mk与ml的连接关系，其他部分则不再赘述。

在运算放大器315中，nmos晶体管mk的源极连接至nmos晶体管mm的漏极，栅极接收偏压电压vbias4，漏极连接至pmos晶体管mi的漏极，体极(body)与源极相互连接。另外，nmos晶体管ml的源极连接至nmos晶体管mn的漏极，栅极接收偏压电压vbias4，漏极连接至pmos晶体管mj的漏极，体极(body)与源极相互连接。

根据本发明的第二实施例，nmos晶体管mk的体极(body)与源极相互连接，并且nmos晶体管ml的体极(body)与源极相互连接。所以nmos晶体管mk与ml的漏电流不会流至接地端，而会流至源极并且分别流至下一级的nmos晶体管mm与mn。因此，nmos晶体管mk与ml的漏电流对带差电压vbg的影响将大幅下降。

在实际的运作上，当供应电压vdd为5.75v时，在运算放大器315中，nmos晶体管ml的漏极电压vo约为4.84v，且nmos晶体管mk的漏极电压vp约为0.7v，带差参考电路产生的带差电压vbg约为1.2593v。

另外，当供应电压vdd为1.75v时，在运算放大器315中，nmos晶体管ml的漏极电压vo约为0.85v，且nmos晶体管mk的漏极电压vp约为0.7v。带差参考电路产生的带差电压vbg约为1.2545v。

换言之，第二实施例的带差参考电路300的供应电压vdd分别为5.75v以及1.75v时，其带差电压vbg的变化量大约为4.8mv，带差电压vbg的变化率可大幅下降至0.383％。

请参照图4，其所绘示为本发明带差参考电路的第三实施例。带差参考电路400包括镜射电路212、运算放大器415、输入电路220。

相较于第一实施例带差参考电路200，第三实施例带差参考电路400的差别在于运算放大器415中的连接关系。以下仅介绍运算放大器的连接关系，其他部分则不再赘述。

根据本发明的第三实施例，运算放大器415包括四个pmos晶体管mg～mj、六个nmos晶体管mk～mp与一参考电流源iref。

pmos晶体管mg的源极连接至供应电压vdd。pmos晶体管mi的源极连接至pmos晶体管mg的漏极，栅极连接至一偏压电压vbias3。nmos晶体管mm的源极连接至接地端，栅极连接至一偏压电压vbias2。nmos晶体管mk的源极连接至nmos晶体管mm的漏极，栅极接收一偏压电压vbias4，漏极连接至pmos晶体管mi的漏极以及pmos晶体管mg的栅极，体极(body)连接至接地端。

pmos晶体管mh的源极连接至供应电压vdd，pmos晶体管mh的栅极连接至pmos晶体管mg的栅极。pmos晶体管mj的源极连接至pmos晶体管mh的漏极，栅极连接至偏压电压vbias3，漏极作为运算放大器415的输出端o。nmos晶体管mn的源极连接至接地端，栅极连接至偏压电压vbias2。nmos晶体管ml的源极连接至nmos晶体管mn的漏极，栅极接收偏压电压vbias4，漏极连接至pmos晶体管mj的漏极，体极(body)连接至接地端。

nmos晶体管mo的漏极连接pmos晶体管mg的漏极，栅极作运算放大器415的正输入端inp，源极连接至参考电流源iref的第一端。nmos晶体管mp的漏极连接pmos晶体管mh的漏极，栅极作运算放大器415的负输入端inn，源极连接至参考电流源iref的第一端。再者，参考电流源iref的第二端连接至接地端。

根据本发明的第三实施例，当供应电压vdd为5.75v时，在运算放大器415中，nmos晶体管ml的漏极电压vo约为4.84v，且nmos晶体管mk的漏极电压vp约为4.74v。再者，由于nmos晶体管ml的漏极电压vo接近于nmos晶体管mk的漏极电压vp。因此，nmos晶体管ml与nmos晶体管mk的漏电流接近。带差参考电路产生的带差电压vbg约为1.2385v。

另外，当供应电压vdd为1.75v时，带差参考电路的运算放大器415中，nmos晶体管ml的漏极电压vo约为0.85v，且nmos晶体管mk的漏极电压vp约为0.75v。再者，由于nmos晶体管ml的漏极电压vo接近于nmos晶体管mk的漏极电压vp。因此，mos晶体管ml与nmos晶体管mk的漏电流接近。带差参考电路产生的带差电压vbg约为1.2378v。

换言之，第三实施例的带差参考电路400的供应电压vdd分别为5.75v以及1.75v时，其带差电压vbg的变化量大约为0.7mv，带差电压vbg的变化率可大幅下降至0.057％。

当然，第三实实施例带差参考电路也可以进一步地修改成第四实施例带差参考电路。

请参照图5，其所绘示为本发明带差参考电路的第四实施例。带差参考电路500包括镜射电路212、运算放大器515、输入电路220。

相较于第三实施例带差参考电路，第四实施例带差参考电路的差别在于运算放大器515中nmos晶体管mk与ml的连接关系。以下仅介绍nmos晶体管mk与ml的连接关系，其他部分则不再赘述。

在运算放大器515中，nmos晶体管mk的源极连接至nmos晶体管mm的漏极，栅极接收偏压电压vbias4，漏极连接至pmos晶体管mi的漏极，体极(body)与源极相互连接。另外，nmos晶体管ml的源极连接至nmos晶体管mn的漏极，栅极接收偏压电压vbias4，漏极连接至pmos晶体管mj的漏极，体极(body)与源极相互连接。

相同地，第四实施例的带差参考电路的供应电压vdd分别为5.75v以及1.75v时，其带差电压vbg的变化量也会很低，带差电压vbg的变化率也可大幅下降。

由以上的说明可知，本发明提出一种适用于宽范围的供应电压(widerangesupplyvoltage)的带差参考电路。不论供应电压vdd的大小变化，带差参考电路产生的带差电压vbg的变化量会很低。

综上所述，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。本发明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，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。

【符号说明】

12,212:镜射电路

15,215,315,415,515:运算放大器

20,220:输入电路

100,200,300,400,500:带差参考电路