CN101943926B - 具有温度补偿的电压参考电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有温度补偿的电压参考电路，该电路包括：一电源；一参考电压；一第一PMOS晶体管，具有一源极连接到该电源；一第二PMOS晶体管，具有一源极连接到该电源，且一栅极与一漏极连接到该第一PMOS的该栅极；一第一NMOS晶体管，具有一栅极与一源极连接到该第一PMOS晶体管的该漏极；一第二NMOS晶体管，具有一漏极连接到该第二PMOS晶体管的该漏极，且一栅极连接到该第一NMOS晶体管的该栅极及该参考电压；一电阻器，连接到该第二NMOS晶体管的该源极与接地；以及一运算放大器，具有一反向输入端、一非反向输入端及一输出端；其中该反向输入端连接该输出端与该第一NMOS晶体管的该源极，且该非反向输入连接到接地。本发明具有明显改良的输出电压精度且需要很小尺寸与功率的常数跨导。

Description

具有温度补偿的电压参考电路

技术领域

本发明涉及一种电压参考电路，尤其涉及用于常数跨导(GM)设计的具有温度补偿的参考电压电路。

背景技术

电压参考电路是不论负载、工艺、电源变异与温度，都可以产生固定(常数)电压的电子装置(电路或组件)。电压参考电路是集成电路之中的重要模拟装置之一。

常用于集成电路的一种电压参考电路是带隙电压参考电路。带隙基础的参考电路使用模拟电路以增加偏移在不同电流密度的双极界面之间的数倍电压差到跨在二极管的电压。二极管电压是负温度系数(亦即随着温度减少)，且接面电压差是正温度系数。当增加的比例使得这些系数消除时，结果常数值是电压等于半导体的带隙电压。然而，带隙设计需要相对大的面积与功率。

另一电压参考电路设计是常数跨导设计。图1A是不具有温度补偿的传统常数跨导电压参考电路。连接到VDD的二PMOS晶体管102及104共用栅极。NMOS晶体管106与108连接到PMOS晶体管102与104且共用栅极连接到输出电压VREF，然而PMOS 104的栅极与漏极连接一起，且NMOS106的栅极与漏极连接一起。晶体管106与108的NMOS沟道尺寸比例是W/L∶K(W/L)＝1∶K，其中W/L是NMOS晶体管的沟道宽度比长度。NMOS106的源极连接到接地(VSS)且NMOS 108的源极经由电阻器Rs 110连接到接地(VSS)。常数跨导设计需要相对小的面积与功率，但是有强烈的温度相依性。

以V_TH作为NMOS 108的临界电压，图1A显示的电压参考电路的电流与电压用以下公式表示：

$\mathrm{Iref}=\frac{2}{{\mathrm{\μ}}_N{C}_{\mathrm{OX}}\left(\frac{W}{L}\right)*{\mathrm{RS}}^2}{(1-\frac{1}{\sqrt{K}})}^2---\left(1\right)$

$\mathrm{Iref}=\frac{2}{{\mathrm{\μ}}_N{C}_{\mathrm{OX}}\left(\frac{W}{L}\right)*{\mathrm{RS}}^2}{(1-\frac{1}{\sqrt{K}})}^2---\left(2\right)$

其中μ_N是NMOS的移动率，C_OX是栅极氧化电容，W/L是NOMS沟道的长宽比例。

随着温度增加，移动率μ_N增加，因此造成方程式的I_ref更高。换言之，随着温度增加，临界电压V_TH增加，造成方程式的VREF较低。因此VREF显示出与温度的强烈相依性。举例来说，对比电路布局面积77*53μm²与180μA电流需求的范例的带隙设计电压参考电路，显示在-40度到125度会有3mV的变异，在电路布局面积24*7.3μm²与10μA电流需求的范例的带隙设计电压参考电路显示在同样温度范围下有18mV的变异，如图1B(图1A显示的范例电压参考电路的温度对电压输出标绘图)。

因此，新的温度补偿结构对于常数跨导设计的电压参考是有需要的。

发明内容

为克服上述现有技术的缺陷，本发明实施例提供一种具有温度补偿的电压参考电路，包括：一电源；一参考电压；一第一PMOS晶体管，具有一源极连接到该电源；一第二PMOS晶体管，具有一源极连接到该电源，且一栅极与一漏极连接到该第一PMOS的该栅极；一第一NMOS晶体管，具有一栅极与一源极连接到该第一PMOS晶体管的该漏极；一第二NMOS晶体管，具有一漏极连接到该第二PMOS晶体管的该漏极，且一栅极连接到该第一NMOS晶体管的该栅极及该参考电压；一电阻器，连接到该第二NMOS晶体管的该源极与接地；以及一运算放大器，具有一反向输入端、一非反向输入端及一输出端；其中该反向输入端连接该输出端与该第一NMOS晶体管的该源极，且该非反向输入连接到接地。

本发明实施例另提供一种具有温度补偿的电压参考电路，包括：一电源；一参考电压；一第一PMOS晶体管，具有一源极连接到该电源；一第二PMOS晶体管，具有一源极连接到该电源，且一栅极与一漏极连接到该第一PMOS的该栅极；一第一NMOS晶体管，具有一栅极与一漏极连接到该第一PMOS晶体管的该漏极；一第二NMOS晶体管，具有一漏极连接到该第二PMOS晶体管的该漏极，且一栅极连接到该第一NMOS晶体管的该栅极及该参考电压；一电阻器，连接到该第二NMOS晶体管的该源极与接地；一第二参考电压；一第三PMOS晶体管，具有一源极连接到该电源；一第四PMOS晶体管，具有一源极连接到该电源，且一栅极与一漏极连接到该第三PMOS的该栅极；一第三NMOS晶体管，具有一栅极与一漏极连接到该第三PMOS晶体管的该漏极；一第四NMOS晶体管，具有一漏极连接到该第四PMOS晶体管的该漏极，且一栅极连接到该第三NMOS晶体管的该栅极与该第二参考电源；一第五NMOS晶体管，具有一漏极连接到该第四NMOS晶体管的该源极，一源极连接到接地，一栅极连接到该第一参考电压。

本发明实施例借由增加可以控制变压变异的温度补偿反馈元件，相较于带隙设计，可完成具有明显改良的输出电压精度且需要很小尺寸与功率的常数跨导电压参考电路。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附示，详细说明如下。

附图说明

图1A是没有温度补偿的传统常数跨导电压参考电路的电路图；

图1B是图1A所显示的范例电压参考电路的温度对电压输出的标绘图；

图2A根据本发明是用于常数跨导设计的具有温度补偿的范例的电压参考电路的电路图；

图2B是图2A所示的电压参考电路的实施例的温度对电压输出的标绘图；

图3A根据本发明是用于常数跨导设计的具有温度补偿的范例的电压参考电路的电路图；以及

图3B是图3A所示的电压参考电路的实施例的温度对电压输出的标绘图。

其中，附图标记说明如下：

102～第一PMOS晶体管；

104～第二PMOS晶体管；

106～第一NMOS晶体管；

108～第二NMOS晶体管；

110～电阻器；

202～运算放大器；

300～额外电路；

302～第三PMOS晶体管；

304～第四PMOS晶体管；

306～第三NMOS晶体管；

308～第四NMOS晶体管；

310～第五NMOS晶体管；

具体实施方式

图式中揭示的各种实施例或范例使用特定语言描述。可了解到，并不是要借此限制发明的范围。揭示的实施例的任何变化与变更，以及文件中揭示的原理的进一步应用对于本领域技术人员而言是可轻易想到的。参考数字可能在实施例中重复使用，即使它们共用同样参考数字，但未必是一个实施例的特征应用到其他实施例。

图2A根据本发明是用于常数跨导设计的具有温度补偿的范例的电压参考电路的电路图。耦接到非反向输入端的一个运算放大器202的输出连接到NMOS 106(虚拟VSS)的源极。运算放大器202非反相输入连接到接地(VSS)。理想上，运算放大器有无限开回路增益与零输出电阻。然而，实际运算放大器是有限增益的且非零输出电阻。运算放大器202具有可调整的有限增益。

以V_TH作为NMOS 108的临界电压，VREF_NEW1与VirtualVSS之间的关系描述如下：

${\mathrm{VREF}}_{\mathrm{NEW}1}-\mathrm{VirtualVSS}=\sqrt{\frac{2I_{\mathrm{out}}}{{\mathrm{\μ}}_N{C}_{\mathrm{ox}}K\left(\frac{W}{L}\right)}}+I_{\mathrm{ref}}{R}_S+V_{\mathrm{TH}},---\left(3\right)$

其中 $I_{\mathrm{ref}}{R}_S=\sqrt{\frac{2I_{\mathrm{ref}}}{{\mathrm{\μ}}_N{C}_{\mathrm{ox}}\left(\frac{W}{L}\right)}}(1-\frac{1}{\sqrt{k}})---\left(4\right)$

因此，在方程式4，当方程式1的I_ref增加，因为有限增益，第一项VirtualVSS随着温度增加而增加，运算放大器202不能保持VirtualVSS准位到接地。因为临界电压V_TH下降，方程式4的第二项随着温度增加而降低。因此，VREF_NEW1具有小温度变异，因为在方程式4(VirtualVSS)的第一项随着温度上升而增加且第二项随着温度上升而减少。调整运算放大器202的增益以找到适当的温度补偿的性能。

在一集成电路的实施例中，电流Iref设定为5μA，NMOS晶体管尺寸比例是1∶K＝1∶4(K是大于1的数目)，且电阻Rs是8k欧姆。于其他实施例中，电流Iref范围在2-10μA，K在4-16之间，Rs在1-40k欧姆。然而，在不脱离本发明的精神与范围之下电路可以不同数值设计。

图2B是图2A所示的电压参考电路的实施例的温度对电压输出的标绘图。显示在-10度到125度的温度范围5mV变动，相对于图1A没有温度补偿的电压参考电路显示18mV变动有显著改善。

图3A根据本发明是用于常数跨导设计的具有温度补偿的范例的电压参考电路的电路图。在这结构下，来自左侧常数跨导电压参考的VREF连接到右侧额外电路300的NMOS 310的栅极。额外电路300类似左侧显示的常数跨导电压参考电路，但是以NMOS 310取代在常数跨导电压参考电路的Rs110。借由连接左侧电路的VREF到右侧NMOS 310的栅极，借由增加NMOS310的源极-栅极电阻补偿随着温度上升而减少的VREF。

以R_TX作为NMOS 310的源极-栅极电阻，输出电压表示如下：

${\mathrm{VREF}}_{\mathrm{NEW}2}=V_{\mathrm{TH}2}+\sqrt{\frac{2I_{\mathrm{out}}}{{\mathrm{\μ}}_N{C}_{\mathrm{ox}}K{\left(\frac{W}{L}\right)}_N}}+I_{\mathrm{ref}}{+R}_{\mathrm{TX}}---\left(5\right)$

${\mathrm{VREF}}_{\mathrm{NEW}2}=V_{\mathrm{TH}2}+\sqrt{\frac{2I_{\mathrm{out}}}{{\mathrm{\μ}}_N{C}_{\mathrm{ox}}K{\left(\frac{W}{L}\right)}_N}}+I_{\mathrm{ref}}{+R}_{\mathrm{TX}}---\left(6\right)$

当增加温度，来自左侧电路的降低的VREF偏压NMOS 310栅极，因此增加NMOS 310的电阻R_TX。这个结构的优点包括借由增加类似电路到电压参考设计的简易实施弹性。NMOS 310的尺寸可设计成具有想要的电阻R_TX。

在一集成电路实施例，电流Iref设定为5μA，NMOS晶体管尺寸比例是介于NMOS晶体管106与108之间和/或306与308之间的1∶N＝1∶4(N是大于1的数目)，电阻Rs是8k欧姆且NMOS晶体管310的源极-漏极电阻Rds是8k欧姆。于其他实施例中，电流Iref范围在2-10μA，N在4-16之间，Rs在1-40k欧姆。然而，在不脱离本发明的精神与范围之下电路可以不同数值设计。

图3B是图3A所示的电压参考电路的实施例的温度对电压输出的标绘图。VREF_OLD的温度变动在-40度到125度的温度范围是18mV，但是温度补偿的VREF_NEW2仅有3mV变动。

因此，借由增加可以控制变压变异的温度补偿反馈元件，相较于带隙设计，可完成具有明显改良的输出电压精度且需要很小尺寸与功率的常数跨导电压参考电路。

虽然本发明已以优选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视随附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种具有温度补偿的电压参考电路，包括:

一电源；

一第一参考电压；

一第一PMOS晶体管，具有一源极连接到该电源；

一第二PMOS晶体管，具有一源极连接到该电源，且一栅极与一漏极连接到该第一PMOS的栅极；

一第一NMOS晶体管，具有一栅极与一漏极连接到该第一PMOS晶体管的漏极；

一第二NMOS晶体管，具有一漏极连接到该第二PMOS晶体管的该漏极，且一栅极连接到该第一NMOS晶体管的该栅极及该参考电压；

一电阻器，连接到该第二NMOS晶体管的源极与接地；

一第二参考电压；

一第三PMOS晶体管，具有一源极连接到该电源；

一第四PMOS晶体管，具有一源极连接到该电源，且一栅极与一漏极连接到该第三PMOS的该栅极；

一第三NMOS晶体管，具有一栅极与一漏极连接到该第三PMOS晶体管的漏极，一源极连接到接地；

一第四NMOS晶体管，具有一漏极连接到该第四PMOS晶体管的漏极，且一栅极连接到该第三NMOS晶体管的该栅极与该第二参考电源；

一第五NMOS晶体管，具有一漏极连接到该第四NMOS晶体管的源极，一源极连接到接地，一栅极连接到该第一参考电压。

2.如权利要求1所述的具有温度补偿的电压参考电路，其中该第一NMOS晶体管及第二NMOS晶体管的尺寸比例是1:K，其中尺寸比例是定义为一晶体管的一沟道的一宽度除以一长度且K是大于1的数目。

3.如权利要求2所述的具有温度补偿的电压参考电路，其中K的范围介于4-16之间。

4.如权利要求1所述的具有温度补偿的电压参考电路，其中该第三NMOS晶体管及该第四NMOS晶体管的尺寸比例是1:N，其中尺寸比例是定义为一晶体管的一沟道的一宽度除以一长度且N是大于1的数目。

5.如权利要求4所述的具有温度补偿的电压参考电路，其中N的范围介于4-16之间。

6.如权利要求1所述的具有温度补偿的电压参考电路，其中该电阻器的电阻范围介于1-40K欧姆之间，且该第五NMOS晶体管的源极-漏极电阻范围介于1-40K欧姆之间。

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