CN101561688B

CN101561688B - 低电压参考电流源以及其方法

Info

Publication number: CN101561688B
Application number: CN2008101361092A
Authority: CN
Inventors: 里昂·A·结拉西克; 布雷特·R·戴尔; 达林·J·道德林; 大卫·E·查普曼
Original assignee: Nanya Technology Corp
Current assignee: Nanya Technology Corp
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2028-07-09
Also published as: TWI372958B; TW200944987A; US7863883B2; US20090261801A1; CN101561688A

Abstract

本发明关于低电压参考电流源以及其方法。其中该低电压参考电流源，用以提供一大致上可抵抗温度变化的干扰而不随之改变的恒定电流。该低电压参考电流源包含有：一低电压能带隙电路、一启动电路，以及一电流加总器。该低电压能带隙电路，用以提供一恒定(constant)参考电压；该启动电路，耦接于该低电压能带隙电路，用以将该低电压能带隙电路于一非启动状态中启动，以及提供一正温度系数(PTAT)参考电流；以及该电流加总器，其耦接于该低电压能带隙电路以及该启动电路，用以根据该恒定参考电压以及该正温度系数参考电流来提供一恒定参考电流。

Description

低电压参考电流源以及其方法

技术领域

本发明涉及低电压参考电流源(low-voltage current reference)，尤其是涉及一种当温度变化时仍能维持电流恒定的低电压参考电流源及其相关方法。

背景技术

一般来说，已知技术中的参考电源(power reference)包含有参考电流源(current reference)以及参考电压源(voltage reference)，其会随着温度变动而受到影响，而这些随温度变化而随之偏移的参考电源往往会导致耦接于这些参考电源的电路的效能因而受到影响。然而，对于定时器(timer)以及其它高精准度的电路及芯片而言，不受温度变动而影响的参考电流源是不可或缺的。

能带隙参考电路(bandgap reference)即为一种广泛被使用的模拟电路，其用以作为低电压电路所需的稳定的参考电压源。请参考图1，图1所示为已知参考电流源100的示意图。一个标准的能带隙电路140)用以产生一个与绝对温度成正比(proportional to absolute temperature，PTAT)的电流(亦即正温度系数电流)I_ptat，而低电压能带隙电路120则用以产生一个不随温度改变的定电压V_bgref以通过造成电流加总器130中一电阻两端的跨压来产生一个与绝对温度成反比(complementary to absolute termperature current，CTAT)的电流(亦即温度补偿电流)I_cmnres。在正温度系数电流I_ptat以及温度补偿电流I_cmnres之间的比例被适当选择与电流加总之下，由于温度改变而导致的显著影响即可被顺利地抵销，进而产生一个不受温度变化干扰的定电流I_const。如图1所示，由正温度系数电流能带隙电路(PTAT current bandgap)140所输出的正温度系数电流I_ptat会于电流加总器130中与温度补偿电流c_mnres相加总，以使得电流加总器130得以输出不受温度变化而影响的(constant withtemperature)定电流I_const。

然而，前述的已知参考电流源的电路也有诸多需加以改进的地方；举例来说，能带隙电路(亦即120以及140)占用了大量的电路空间并且耗费相当大的功率，除此之外，由于前述的低电压带隙电路120以及正温度系数电流能带隙电路140两者各自需要使用一个启动电路(110以及115)来确保能带隙电路(亦即120以及140)得以正确以及适时地运作，而这些启动电路110以及115不仅占用了大量的电路空间，也需耗费大量功率。

因此，在提供不受温度干扰的参考电流源的相关领域中，亟需发展出更佳的电路结构以及方法以解决前述已知作法的缺点。

发明内容

因此，本发明的目的之一即解决前述已知技术的问题并且提供一低电压参考电流源，以供应一个不随温度变化而漂移的定电流，同时降低低电压参考电流源所需的功率以及电路面积。

根据本发明的一实施例，其披露一种低电压参考电流源，该低电压参考电流源用以提供大致上不随温度变化而改变的恒定电流。该低电压参考电流源包含有：一低电压能带隙电路、一启动电路，以及一电流加总器。该低电压能带隙电路，用以经由一电阻器提供一恒定参考电压；该启动电路，耦接于该低电压能带隙电路，用以将该低电压能带隙电路从一非启动状态中启动，以及提供一正温度系数(PTAT)参考电流；以及该电流加总器耦接于该低电压能带隙电路以及该启动电路，用以根据该恒定参考电压以及该正温度系数参考电流来提供一恒定参考电流。

根据本发明的另一实施例，其披露一种用以提供大致上不随温度变化而改变的恒定电流的方法。该方法包含有以下步骤：使用一低电压能带隙电路以产生一恒定参考电压；使用耦接于该低电压能带隙电路的一启动电路，以将该低电压能带隙电路从一非启动状态中启动；使用该启动电路以产生一正温度系数(PTAT)参考电流；以及使用耦接于该低电压能带隙电路以及该启动电路的一电流加总器，以根据该恒定参考电压以及该正温度系数参考电流来产生一恒定参考电流。

通过本发明所提供的实施例(其包含有本发明的发明内容所披露的一些电路与其内部电路元件的电路图)，现有技术所遇到的问题可顺利解决或避免且可获得技术上的好处。

前述先概略地描述本发明的技术特征与优点以使后续的发明说明更加易于了解，而本发明额外的技术特征与相关细节描述将于后披露，并属于本发明权利要求所主张的范畴。本领域技术人员应可了解本发明所披露的概念与特定实施例可轻易地作为实现本发明相同目的的其它结构或流程的修改或设计基础，此外，本领域技术人员也可了解这些设计变化均未背离本发明精神与权利要求所主张的范畴，故皆属本发明的涵盖范围。

附图说明

图1所示为已知参考电流源的示意图。

图2为根据本发明一实施例的一低电压参考电流源的方块示意图。

图3所示为图2所示的低电压能带隙电路的电路结构示意图。

图4所示为图2所示的启动电路的电路结构示意图。

图5所示为根据本发明一实施例的提供一个不随温度变化而漂移的参考电流的方法的流程图。

附图符号说明

100、200 参考电流源

110、115、210 启动电路

120、220 低电压能带隙电路

130、230 电流加总电路

140 温度系数电流能带隙电路

250 电流镜

具体实施方式

在本申请文本当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本申请文本并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在本申请文本当中所提及的“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

由前述可知，本发明的目的之一即在于提供一种低电压参考电流源，其可提供一个不随温度变化而漂移的定电流，并同时减少低电压参考电流源所需的功率以及电路面积。

请参考图2，图2为根据本发明一实施例的一低电压参考电流源200的方块示意图。如图2所示，低电压参考电流源200包含有一启动电路210、一低电压能带隙电路220以及一电流加总器230。在本实施例中，低电压能带隙电路220用以提供一恒定参考电压V_bgref，此外，低电压能带隙电路220还提供一个主要用以供应电流加总器250所需电源的电流I_cmnbgr。启动电路210耦接于低电压能带隙电路220，用以将低电压能带隙电路220从一非启动状态中启动。在本发明的实施例中，此单一启动电路210用以提供一个与绝对温度成正比(proportional to absolute temperature，PTAT)的电流(亦即正温度系数电流)I_ptat给电流加总器230。通过图2中的电路结构，即可减少已知技术(如图1所示)中所需的一正温度系数能带隙电路140以及一第二启动电路110。除此之外，低电压参考电流源电路200还根据温度补偿(CTAT)电流I_cmnres以及正温度系数电流I_ptat来提供一个恒定参考电流I_const。请注意到，如图2所示的恒定参考电流I_const并不会受到温度的变化而随之偏移。

请继续参考图2，在本实施例中，低电压参考电流源200还包含有一电流镜250。电流镜250的一输入端耦接于电流加总器230的一输出端。电流镜250用以镜射(mirror)由电流加总器230所输出的恒定参考电流I_const以进而产生多个输出电流供其它元件及/或其它电路使用。请注意到，在本实施例中，电流镜250为一选择性(optional)的元件，而不为本发明的限制条件之一，亦即电流镜250的使用是依据不同设计需求所需的输出电流个数而定的。

请参考图3，图3所示为图2所示的低电压能带隙电路220的电路结构示意图。如图3所示，低电压能带隙电路220包含有一第一运算放大器opamp 1、一第一晶体管T1、一第一电阻器R3以及一第一二极管Q1。第一运算放大器opamp1具有一正相(positive)输入端、一反相输入端以及一输出端。在本实施例中，第一晶体管T1的一栅极耦接于第一运算放大器opamp1的输出端；而第一晶体管T1的一源极耦接于电源供应端(如图所示)。第一电阻器R3，其一端(亦即图3标示的Va端)耦接于第一运算放大器opamp1的该正相输入端以及耦接于该第一晶体管T1的漏极。第一二极管Q1的阳极耦接于第一电阻器R3的另一端，以及第一二极管Q1的阴极耦接于接地端。除此之外，图3还包含有一第三电阻器R1，其耦接于第一电阻器R3的第一端(Va端)以及接地端之间。

请继续参考图3，在本实施例中，低电压能带隙电路220中，第一电阻器R3、第一二极管Q1以及第三电阻器R1的值是需加以选定的，通过设定第一电阻器R3、第一二极管Q1以及第三电阻器R1的值，可使得流经第一电阻器R3以及第一二极管Q1的电流为一正温度系数(PTAT)电流，此正温度系数电流于图3中标示成第一内部正温度系数电流I_{pata_internal1}。通过使用第三电阻器R1(作为一个模拟的二极管电阻)，使得一个复制(replica)电流_la2得以产生。借着复制电流l_a2，第一内部正温度系数电流I_{pata_internal1}便可自低电压能带隙电路220撷取出来以及供给启动电路210使用，通过这样的结构，使得本发明的此一实施例得以省略在已知技术中所需的另一个正温度系数能带隙电路140。至于关于启动电路210的详细披露将叙述于图4中。

虽然前述披露了包含有第一电阻器R3、第一二极管Q1以及第三电阻器R1的低电压能带隙电路220，然而此仅为说明之用而不为本发明的限制条件之一。举例来说，在本发明的其它实施例中，也可采用其它结构以及实现方式的低电压能带隙电路，只要其中第一电阻器R3、第一二极管Q1以及第三电阻器R1的值经由妥当设计以使得低电压能带隙电路得以产生流经第一电阻器R3与第一二极管Q1的第一内部正温度系数电流I_{pata_internal1}即可。请注意到，在图3中，低电压能带隙电路220还包含有其它电路元件以及电路连接，由于这些结构由本领域技术人员所熟知且并非本发明主要发明精神的所在，故在此便省略而不加以赘述。

请参考图4，图4所示为图2中的启动电路210的结构示意图。如图4所示，启动电路210包含有一第二运算放大器opamp2、一第二晶体管T2、一第二电阻器Rd以及一第二二极管Qd。在本实施例中，第二运算放大器opamp2具有一正相(positive)输入端、一反相(negative)输入端以及一输出端，其中该反相输入端耦接至图3所示的低电压能带隙电路220中的Va端。在本实施例中，第二晶体管T2的一栅极耦接于第二运算放大器opamp1的输出端；而第二晶体管T2的一源极耦接于电源供应端。第二电阻器Rd的一端(亦即图4标示的Vd端)耦接于第二运算放大器opamp2的正相输入端以及耦接于第二晶体管T2的漏极，而第二电阻器Rd的另一端耦接于第二二极管Qd的阳极，此外，第一二极管Q1的阴极耦接于接地端。相似于前述披露的低电压能带隙电路220，在本实施例中，启动电路210中的第二电阻器Rd与第二二极管Qd的值是需加以选定的，以便通过设定第二电阻器Rd与第二二极管Qd的值，使得流经第二电阻器Rd与第二二极管Qd的一第二内部正温度系数I_{pata_internal2}得以匹配(match)前述的第一内部正温度系数电流I_{pata_internal1}。

在这里请注意到，图4披露的启动电路210仅为说明之用而不为本发明的限制条件之一。举例来说，在本发明的其它实施例中，也可采用其它结构以及使用不同实现方式的启动电路，只要其中第二电阻器Rd与第二二极管Qd的值经由适当设计以使得第二内部正温度系数电流I_{pata_internal2}流经第二电阻器Rd与第二二极管Qd即可。

通过将一第一电压端(亦即图3所示的Va端)所提供的电压输入至第二运算放大器opamp2的反相输入端，以及自第二电压端(亦即图4所示的Vd端)所提供的正反馈回路，启动电路210因此得以前述的电流加总器230所要加总的一正温度系数输出电流I_ptat(其也标示于图2中)。

通过采用前述所披露的电路结构或是前述电路结构的其它设计变化，本发明通过使用单一启动电路210、一低电压能带隙电路220以及一电流加总器230而产生一个不受温度变动干扰的恒定参考电流I_const。通过省略已知技术中所需的另一启动电路115以及另一个正温度系数能带隙电路140，本发明所披露的低电压能带隙电路所需的电路面积以及所需消耗的功率因此得以降低，换句话说，经由较低的电路复杂度以及较少的功率需求，本发明提供了一种高效能且高精准度的低电压能带隙电路。

请参考图5，图5所示为根据本发明一实施例的提供一个不随温度变化而漂移的参考电流的方法的流程图。请注意到，倘若实质上可达到相同的结果，并不一定需要遵照图5所示的流程中的步骤顺序来依序进行。本流程包含有以下步骤：

步骤510：使用一低电压能带隙电路以产生一恒定参考电压。

步骤520：使用一启动电路以将该低电压能带隙电路从一非启动状态中启动。

步骤530：利用该启动电路以产生一正温度系数参考电流。

步骤540：利用一电流加总器以根据该恒定参考电压施加于一电阻器所产生的电流(亦即I_cmnres)以及该正温度系数参考电流以产生一恒定参考电流。

如图5所示，流程开始于步骤510，并经由低电压能带隙电路(例如图3所示的低电压能带隙电路220)产生了一个恒定参考电压V_bgref。在步骤520中，经由耦接于低电压能带隙电路220的启动电路210，低电压能带隙电路220便由一非启动状态中被启动。除此之外，在步骤530中，启动电路210还产生一正温度系数参考电流I_ptat。在步骤540中，通过将恒定参考电压V_bgref施加于一电阻器以及使用正温度系数参考电流I_ptat，耦接至低电压能带隙电路220与启动电路210的电流加总器250便得以产生一个不随温度变化而改变的恒定参考电流I_const。

虽然本发明与其操作上的优点已详细披露于上，然而请注意的是，在不违背本发明精神的前提下，各式各样的元件改变、元件替换及电路设计变化是可行的，举例来说，上述的许多操作流程可以用其它机制来加以实现、用其它操作流程来加以取代或两者的结合。

举例来说，在根据本发明一实施例所提出的提供一不随温度变化而漂移的参考电流的方法中，还包含有在低电压能带隙电路220中选定彼此串接的第一电阻器R3以及第一二极管Q1的值，通过选定第一电阻器R3以及第一二极管Q1的值以使得流经第一电阻器R3以及第一二极管Q1的电流为所需的内部正温度系数电流，亦即第一内部正温度系数电流I_{pata_intcrnal1}。

在本发明的另一实施例中，提供一不随温度变化而漂移的参考电流的方法还可包含另一步骤：通过选定启动电路210中第二电阻器Rd以及第二二极管Qd的值，使得启动电路210中的第二内部正温度系数电流I_{pata_internal2}匹配(match)于第一内部正温度系数电流I_{pata_internal1}，其中第二电阻器Rd的一端连接于第二二极管Qd，而第二电阻器Rd的另一端则耦接于一第二电压端(亦即图4的Vd端)。

在这里请注意到，虽然在前述的披露中，本发明提供的低电压参考电流源应用于高精准度电路以及芯片，然而这并不为本发明的限制条件之一，换句话说，本发明所披露的低电压参考电流源也可使用在任何需要不随温度变化的稳定参考电流的电子电路以及其相关应用之中，而这些相关设计变化也属于本发明的范畴。

在阅读前述的披露中，本领域技术人员可轻易的推得其它的相关设计变化，例如其它雷同于本发明的精神以减少低电压参考电流源电路结构中的元件(比方说省略启动电路115以及正温度系数电路能带隙电路140的设置)的方法以及相关电路结构，也属于本发明的保护范围。

此外，本发明的范畴并不受限于上述实施例的程序、装置、制程、组合、对象、方法和步骤。本领域技术人员应可了解在本发明所披露的程序、装置、制程、组合、对象、方法和步骤，无论其是现有的还是正在开发的，如果是可以达到和本发明所述的实施例大致上同样的功能或结果均可为本发明实施例所采用。因此，本发明的权利要求包含了上述所披露的程序、装置、制程、组合、对象、方法和步骤。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种低电压参考电流源，用以提供大致上不随温度变化而改变的一恒定电流，该低电压参考电流源包含有：

一低电压能带隙电路，用以提供一恒定参考电压；

一启动电路，耦接于该低电压能带隙电路，用以将该低电压能带隙电路自一非启动状态中启动以及提供一正温度系数参考电流；以及

一电流加总器，耦接于该低电压能带隙电路以及该启动电路，用以根据该恒定参考电压以及该正温度系数参考电流来提供一恒定参考电流；

其中该低电压能带隙电路中相互串联的至少一第一电阻器以及一第一二极管的值经由选定以通过该第一电阻器及该第一二极管来提供一第一内部正温度系数电流，以及该第一电阻器具有一第二端耦接于该第一二极管以及一第一端耦接于一第一电压端，该第一二极管的一阳极耦接于该第一电阻器的该第二端，以及该第一二极管的一阴极端耦接于一接地端；该低电压能带隙电路还包含有：

一第一运算放大器，包含有一正相输入端、一反相输入端以及一输出端；

一第一晶体管，具有一栅极耦接于该第一运算放大器的该输出端以及一源极耦接至一电源供应端；其中该第一电压端为第一运算放大器的该正相输入端与该第一晶体管的一漏极；以及

一第三电阻器，耦接于该第一电阻器的该第一端以及该接地端；

其中该第一内部正温度系数电流流经该第一电阻器以及该第一二极管；

该启动电路中相互串联的至少一第二电阻器以及一第二二极管的值经由选定以提供匹配于该第一内部正温度系数电流的一第二内部正温度系数电流，且该第二电阻器具有一第二端耦接于该第二二极管以及一第一端耦接于一第二电压端；该启动电路还包含有：

一第二运算放大器，包含有一正相输入端、一反相输入端以及一输出端，其中该第二运算放大器的该反相输入端耦接于该第一电压端；

一第二晶体管，具有一栅极耦接于该第二运算放大器的该输出端以及一源极耦接至一电源供应端；

该第二电阻器的该第一端耦接于该第二运算放大器的该正相输入端与该第二晶体管的一漏极；以及

该第二二极管的一阳极耦接于该第二电阻器的该第二端，以及该第二二极管的一阴极耦接于一接地端；

其中该第二内部正温度系数电流流经该第二电阻器以及该第二二极管。

2.如权利要求1所述的低电压参考电流源，其特征在还包含有一电流镜，该电流镜的一输入端耦接于该电流加总器的一输出端，用以镜射该恒定参考电流以提供多个输出电流。

3.一种用以提供大致上不随温度变化而改变的一低电压恒定电流的方法，包含有：

使用一低电压能带隙电路以产生一恒定参考电压；

使用耦接于该低电压能带隙电路的一启动电路，以将该低电压能带隙电路从一非启动状态中启动；

使用该启动电路以产生一正温度系数参考电流；以及

使用耦接于该低电压能带隙电路以及该启动电路的一电流加总器，以根据该恒定参考电压以及该正温度系数参考电流来产生一恒定参考电流；

选定该低电压能带隙电路中相互串联的至少一第一电阻器以及一第一二极管的值以通过该第一电阻器及该第一二极管来提供一第一内部正温度系数电流，其中该第一电阻器具有一第二端耦接于该第一二极管，以及该第一电阻器还具有一第一端耦接于一第一电压端；

于该低电压能带隙电路中提供一第一运算放大器，该第一运算放大器包含有一正相输入端、一反相输入端以及一输出端；

于该低电压能带隙电路中提供该第一二极管，该第一二极管的一阳极耦接于该第一电阻器的该第二端，以及该第一二极管的一阴极耦接于一接地端；

于该低电压能带隙电路中提供一第一晶体管，该第一晶体管的一栅极耦接于该第一运算放大器的该输出端，以及该第一晶体管的一源极耦接至一电源供应端；其中该第一电压端为第一运算放大器的该正相输入端与该第一晶体管的一漏极；

于该低电压能带隙电路中提供一第三电阻器，该第三电阻器耦接于该第一电阻器的该第一端以及该接地端；

通过选定该启动电路中相互串联的至少一第二电阻器以及一第二二极管的值以产生匹配于该第一内部正温度系数电流的一第二内部正温度系数电流，其中该第二电阻器具有一第二端耦接于该第二二极管，以及该第二电阻器还具有一第一端耦接于一第二电压端；

于该启动电路中提供一第二运算放大器，该第二运算放大器包含有一正相输入端、一反相输入端以及一输出端，其中该第二运算放大器的该反相输入端耦接于该第一电压端；

于该启动电路中提供一第二晶体管，该第二晶体管的一栅极耦接于该第二运算放大器的该输出端，以及该第二晶体管的一源极耦接至一电源供应端；

于该启动电路中提供该第二电阻器，该第二电阻器的该第一端耦接于该第二运算放大器的该正相输入端与该第二晶体管的一漏极；以及

于该启动电路中提供该第二二极管，该第二二极管的一阳极耦接于该第二电阻器的该第二端，以及该第二二极管的一阴极耦接于一接地端；

4.如权利要求3所述的用以提供大致上不随温度变化而改变的一低电压恒定电流的方法，其特征在还包含有：

镜射该恒定参考电流以提供多个输出电流。