CN103365330A - 参考电压/电流产生装置 - Google Patents

Abstract

一种参考电压/电流产生装置，应用：温度无关电压源，产生具有正温度系数的第一电流以及具有零温度系数的参考电压；镜射单元，耦接至该温度无关电压源，根据该第一电流镜射得到具有正温度系数的第二电流，进而依据该第二电流产生具有该负温度系数的接面电压；电压转电流单元，耦接至该镜射单元，并将该接面电压转换得到具有该负温度系数的第三电流；以及电流合成单元，耦接至该镜射单元以镜射该第二电流得到第四电流，以及耦接至该电压转电流单元以镜射该第三电流得到第五电流，并将该第四电流与第五电流合成为具有零温度系数的参考电流。

Description

参考电压/电流产生装置

技术领域

本发明涉及一种参考电压/电流产生装置，且特别是一种可同时产生温度无关的参考电压及参考电流的参考电压/电流产生装置。

背景技术

在科技发展日新月异的现今时代中，温度无关供电电路被开发出来，以针对多种具温度敏感特性的负载电路进行供电操作。一般来说，现有的温度无关供电电路应用多个具有不同温度特性的子单元，例如是一个可提供正温度系数电信号的子单元及一个可提供负温度系数电信号的子单元；并将此正温度系数电信号及此负温度系数电信号进行加总，藉此提供与温度变化实质上无关的参考电信号。然而，如何设计出更便利的温度无关供电电路，以针对相关的具温度敏感特性的负载电路提供更理想的温度无关电信号，为业界不断致力的方向之一。

发明内容

本揭露提出一种参考电压/电流产生装置，其具有噪声抵抗能力较高的优点。此参考电压/电流产生装置中的温度无关电压源可使用操作于饱和区的N通道MOS晶体管作为电流偏压晶体管，其偏压电流较不容易因为供电电压扰动而跟着变动，故参考电压/电流产生装置可产生较稳定的参考电压。

根据本揭露的第一方面，提出一种参考电压/电流产生装置，包括温度无关电压源、镜射单元电压转电流单元及电流合成单元。温度无关电压源根据具有负温度系数的接面压差产生具有正温度系数的第一电流及具有零温度系数的参考电压。镜射单元耦接至温度无关电压源，并根据第一电流镜射得到具有正温度系数的第二电流，并依据第二电流产生具有负温度系数的接面电压。电压转电流单元耦接至镜射单元，并将接面电压转换得到具有负温度系数的第三电流。电流合成单元耦接至镜射单元以镜射第二电流得到第四电流，及耦接至电压转电流单元以镜射第三电流得到第五电流，并将第四电流与第五电流合成为具有零温度系数的参考电流。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1绘示依照本发明实施例的参考电压/电流产生装置的电路图。

图2绘示依照本发明实施例的参考电压/电流产生装置的另一电路图。

图3绘示依照本发明实施例的参考电压/电流产生装置的再一电路图。

【主要元件符号说明】

1、2、4：参考电压/电流产生装置

100、120、140：温度无关电压源

101、121、141：运算放大器

102、122、142：带隙参考电路

M1：偏压金属氧化物半导体晶体管

A、B、No：节点

R1-R3：电阻

Q1、Q2：接面晶体管

200、220、240：镜射单元

M2：镜射金属氧化物半导体晶体管

R4：电阻

D：节点

Q3：接面晶体管

300、320、340：电压转电流单元

301、321、341：运算放大器

R5：电阻R5

C：节点

M7：偏压金属氧化物半导体晶体管

400、420、440：电流合成单元

401、402、421、422、441、442：镜射单元

E：合成节点

M3-M6：晶体管

Q1’、Q2′：接面晶体管

Q1”、Q2″：接面晶体管

具体实施方式

在本发明的范例实施例中，参考电压/电流产生装置具有噪声抵抗能力较高的优点。在一些实施例中，参考电压/电流产生装置中的温度无关电压源使用操作于饱和区的N通道MOS晶体管作为电流偏压晶体管，其偏压电流较不容易因为供电电压扰动而跟着变动，故参考电压/电流产生装置可产生较稳定的参考电压。为更清楚地了解本发明，以下将配合附图，以至少一范例实施例来作详细说明。此外，以下实施例中所提到的连接用语，例如：耦接或连接等，仅是参考附加图式用以例示说明，并非用来限制实际上两个元件之间的连接关系是直接耦接或间接耦接。

请参照图1，其绘示依照本发明实施例的参考电压/电流产生装置的电路图。本实施例的参考电压/电流产生装置1包括温度无关电压源100、镜射单元200、电压转电流单元300及电流合成单元400，其中温度无关电压源100与镜射单元200耦接；镜射单元200与电压转电流单元300及电流合成单元400耦接；电压转电流单元300更与电流合成单元400耦接。

温度无关电压源100根据具有负温度系数N的接面压差V_BE，产生具有正温度系数P的电流I1以及具有零温度系数的参考电压Vref。举例来说，温度无关电压源100包括运算放大器101、偏压金属氧化物半导体晶体管M1及带隙参考电路102。带隙参考电路102包括节点A、B、No、电阻R1-R3及接面晶体管Q1及Q2，其中电阻R2及R3分别耦接在节点B及No之间及节点A及No之间；接面晶体管Q1及Q2例如为PNP双载子接面晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)，其的射极分别耦接至节点A及分别经由电阻R1耦接至节点B，基极与集极接收接地电压GND。

运算放大器101具有正极性输入端、负极性输入端及输出端，其中正极性及负极性输入端分别耦接至节点A及B。偏压金属氧化物半导体晶体管101的栅极耦接至运算放大器101的输出端，以响应于运算放大器101输出端的电压电平Vb来产生电流I1。

优选地，偏压金属氧化物半导体晶体管101为N通道金属氧化物半导体晶体管，其的漏极接收供电电压VDD，源极耦接至节点No。据此，即便供电电压VDD因噪声或其他不理想因素而发生电平不稳定的情形时，供电电压VDD的电平波动仅会对应地使偏压金属氧化物半导体晶体管101的漏极电平发生波动，而不会影响到偏压金属氧化物半导体晶体管101的栅极及源极电平。此外，对于操作在饱和区中的金属氧化物半导体晶体管来说，其的漏极电流大小主要与其的栅极-源极电压差相关，而实质上不与其的漏极电压相关。据此，利用N通道金属氧化物半导体晶体管来实现温度无关电压源100中的偏压金属氧化物半导体晶体管101，可使本实施例的温度无关电压源100对于供电电压VDD具有实质上较高的噪声抵抗能力，而即便在供电电压VDD的电平不稳定的情况下，温度无关电压源100仍能有效地提供稳定的电流I1。

带隙参考电路102系经由节点A、B及No分别耦接至运算放大器101的正极性输入端、负极性输出端及偏压金属氧化物半导体晶体管M1的源极。带隙参考电路102产生接面压差V_BE，并根据电流I1与接面压差V_BE得到参考电压Vref。

进一步来说，接面压差V_BE例如为接面晶体管Q1的基极-源极电压V_BE1及接面晶体管Q2的基极-源极电压V_BE2的差，其可以下列方程式表示：

$V_{\mathrm{BE}}=V_{\mathrm{BE}1}-V_{\mathrm{BE}2}=\frac{\mathrm{KT}}{q}\ln \left(\frac{I_{Q1}}{I_{S1}}\right)-\frac{\mathrm{KT}}{q}\ln \left(\frac{I_{Q2}}{I_{S2}}\right)$

其中K、T及q分别为波尔兹曼常数(Boltzmann Constant)、绝对温度值及单位电荷常数；I_S1及I_S2分别为接面晶体管Q1及Q2的饱和电流值；I_Q1及I_Q2分别为流经接面晶体管Q1及Q2的射极电流。

假设接面晶体管Q2及Q1的饱和电流I_S2及I_S1的比值为M∶1，且射极电流I_Q1及I_Q2为实质上相等，则可依据上述方程式进行推导，以下列方程式分别表达射极电流I_Q1、I_Q2及参考电压Vref：

$V_{\mathrm{BE}}=\frac{\mathrm{KT}}{q}\ln (M\×\frac{I_{Q1}}{I_{Q2}})=\frac{\mathrm{KT}}{q}\ln \left(M\right)$

$I_{Q2}=\frac{V_{\mathrm{BE}}}{R2}=\frac{\mathrm{KT}}{R2\×q}\ln \left(M\right)=I_{Q1}$

$\mathrm{Vref}=V_{\mathrm{BE}1}+R3\×I_{Q1}=V_{\mathrm{BE}1}+\frac{R3}{R2}\frac{\mathrm{KT}}{q}\ln \left(M\right)$

其中M为正实数。对于参考电压Vref来说，其方程式等号右侧第一项及第二项分别对应至负温度系数N及对应至正温度系数P。据此，经由调整参考电压Vref方程式中的第一项及第二项的比例可使其对应的负温度系数N及正温度系数P相互抵销，使得参考电压Vref具有实质上等于零的温度系数。

镜射单元200根据电流I1镜射得到具有正温度系数P的电流I2，并依据电流I2产生具有负温度系数N的接面电压V_BE3。镜射单元200例如包括镜射金属氧化物半导体晶体管M2、电阻R4、节点D及接面晶体管Q3，其中镜射金属氧化物半导体晶体管M2的源极耦接至电阻R4的一端，电阻R4的另一端耦接至节点D；接面晶体管Q3的射极耦接至节点D。

镜射金属氧化物半导体晶体管M2的栅极耦接至偏压金属氧化物半导体晶体管M1的栅极，使得镜射金属氧化物半导体晶体管M2及偏压金属氧化物半导体晶体管M1栅极均接收运算放大器101的输出端提供的电压电平Vb，而将电流I1镜射得到电流I2。当电流I2决定之后，即决定接面晶体管Q3的接面电压V_BE3的大小。换句话说，接面晶体管Q3依据电流I2来产生接面电压V_BE3。值得注意的是，在一优选实施例中，可安排镜射单元200中的镜射金属氧化物半导体晶体管M2、电阻R4及接面晶体管Q3与温度无关电压源100中的偏压金属氧化物半导体晶体管M1、电阻R3及接面晶体管Q1具有对应的结构，且各对应的元件具有实质上相同的元件特性。换句话说，偏压金属氧化物半导体晶体管M1及镜射金属氧化物半导体晶体管M2、电阻R4及R3与接面晶体管Q3及Q1分别为实质上相同的电路元件。据此，经由针对偏压金属氧化物半导体晶体管M1及镜射金属氧化物半导体晶体管M2施加实质上相同的电压电平Vb，可在镜射单元200端映射得具有正温度系数P的电流I2(实质上等于电流I1)及具有负温度系数N的接面电压V_BE3(实质上等于接面电压V_BE1)。换句话说，镜射单元200不仅是镜射电流I1，更可镜射接面电压V_BE1。

电压转电流单元300将接面电压V_BE3转换得到具有负温度系数N的电流I3。举例来说，电压电流转换单元300包括运算放大器301、电阻R5、节点C及偏压金属氧化物半导体晶体管M7。运算放大器301的正极性输入端、负极性输入端及输出端分别耦接至镜射电路200的节点D、节点C及耦接至偏压金属氧化物半导体晶体管M7的栅极；偏压金属氧化物半导体晶体管M7的源极耦接节点C；电阻R5的两端分别耦接至节点C及接收接地电压GND。

运算放大器301实质上使节点C及D为虚短路(Virtual Shorted)，以使得节点C与接面电压V_BE3具有实质上相同的电平。据此，电阻R5响应于施加于其两端的接面电压V_BE3产生具有负温度系数N的电流I3。

电流合成单元400镜射电流I2得到电流I_PTAT，以及镜射电流I3得到电流I_CTAT，并将电流I_PTAT及I_CTAT合成为具有零温度系数的参考电流Iref。电流合成单元400包括电流镜单元401、402及合成节点E。电流镜单元401耦接至镜射单元200与合成节点E之间，以镜射电流I2得到电流I_PTAT。举例来说，电流镜单元401包括晶体管M4及M3，其的源极接收供电电压VDD，栅极相互耦接，漏极分别耦接至合成节点E及耦接至镜射金属氧化物半导体晶体管M2的漏极。

电流镜单元402耦接至电压转电流单元300与合成节点E之间，以镜射电流I3得到电流I_CTAT。举例来说，电流镜单元402包括晶体管M6及M5，其的源极接收供电电压VDD，栅极相互耦接，漏极分别耦接至合成节点E及耦接至偏压金属氧化物半导体晶体管M7的漏极。

综合以上，本实施例的参考电压/电流产生装置1可同时提供实质上具有零温度系数的参考电流Iref及参考电压Vref。

在本实施例中，虽仅以参考电压/电流产生装置1具有如图1所示的电路结构的情形为例作说明，然而，本实施例的参考电压/电疗产生装置1并不局限于此。在其他例子中，电压转电流单元300中的运算放大器301的正极性输入端也可耦接至温度无关电压源100中的节点A，藉此经由虚短路效应使得节点C对应地具有接面电压V_BE1。

在另一个例子中，温度无关电压源120及镜射单元220中的接面晶体管Q1′至Q3′也可改以NPN BJT来实现，如图2所示。在再一个例子中，温度无关电压源140及镜射单元240中的接面晶体管Q1″至Q3″的耦接关系也可具有如图3所示的结构。

本实施例的参考电压/电流产生装置应用温度无关电压源，来提供具正温度系数的第一电流、具负温度系数的接面压差及零温度系数的参考电压。本实施例的参考电压/电流产生装置还应用镜射单元来根据第一电流及接面压差镜射得到具此正温度系数的第二电流及据此负温度系数的接面电压，并应用电压转电流单元来根据此接面电压得到具有此负温度系数的第三电流。本实施例的参考电压/电流产生装置还应用电流合成单元，来分别根据此第二电流及第三电流分别镜射得到具此正温度系数的第四电流及据此负温度系数的第五电流，并据以合成得到实质上具零温度系数的参考电流。据此，相较于传统参考电压或参考电流装置，本实施例的参考电压/电流产生装置可同时提供实质上具零温度系数的参考电压及参考电流的优点。

此外，在本实施例的参考电压/电流产生装置的温度无关电压源中，使用N通道MOS晶体管作为电流偏压晶体管，其中此N通道MOS晶体管经由其的漏极来接收供电电压VDD。据此，即便供电电压VDD因噪声或其他不理想因素而发生电平不稳定的情形时，其电平波动仅会对应地使此偏压金属氧化物半导体晶体管的漏极电平发生波动，而不会影响到偏压金属氧化物半导体晶体管101的栅极及源极电平及其偏压电流。据此，相较于传统参考电压或参考电流产生装置，本发明部分实施例的参考电压/电流产生装置更具有噪声抵抗能力较高的优点。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本领域技术人员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所附权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种参考电压/电流产生装置，包括：

一温度无关电压源，根据具有一负温度系数的一接面压差，产生具有一正温度系数的一第一电流以及具有一零温度系数的一参考电压；

一镜射单元，耦接至该温度无关电压源，该镜射单元根据该第一电流镜射得到具有该正温度系数的一第二电流，并依据该第二电流产生具有该负温度系数的一接面电压；

一电压转电流单元，耦接至该镜射单元，并将该接面电压转换得到具有该负温度系数的一第三电流；以及

一电流合成单元，耦接至该镜射单元以镜射该第二电流得到一第四电流，以及耦接至该电压转电流单元以镜射该第三电流得到一第五电流，并将该第四电流与第五电流合成为具有一零温度系数的一参考电流。

2.如权利要求1所述的参考电压/电流产生装置，其中该温度无关电压源包括：

一运算放大器，具有第一与第二输入端，以及一输出端；

一第一偏压金属氧化物半导体晶体管，其具有一栅极耦接至该输出端，以响应于该输出端的一电压电平来产生该第一电流；以及；

一带隙参考电路，耦接至该第一与第二输入端与该第一偏压金属氧化物半导体晶体管的一源/漏极，用以产生该接面压差，并根据该第一电流与该接面压差得到该参考电压。

3.如权利要求2所述的电压/电流源装置，其中该带隙参考电路包括：

多个接面晶体管，分别提供多个基极-射极电压差，藉以产生该接面压差；及

多个电阻，耦接至该第一与第二输入端、该第一偏压金属氧化物半导体晶体管及这些接面晶体管，以根据该第一电流与该接面压差得到该参考电压。

4.如权利要求2所述的电压/电流源装置，其中为一N型金属氧化物半导体晶体管。

5.如权利要求2所述的电压/电流源装置，其中该镜射单元包括：

一镜射金属氧化物半导体晶体管，其具有一栅极耦接至该第一偏压金属氧化物半导体晶体管的该栅极，以接收该栅极的偏压，而将该第一电流镜射得到该第二电流；以及

一接面晶体管，耦接至该镜射金属氧化物半导体晶体管的一源/漏极，以依据该第二电流来产生该接面电压。

6.如权利要求5所述的电压/电流源装置，其中该第一偏压金属氧化物半导体晶体管与该镜射金属氧化物半导体晶体管皆为一N型金属氧化物半导体晶体管。

7.如权利要求1所述的电压/电流源装置，其中该镜射单元包括：

一镜射金属半晶体管，其具有一栅极耦接至该温度无关电压源，以接收该温度无关电压源的偏压，将该第一电流镜射得到该第二电流；以及

一接面晶体管，耦接至该镜射金属氧化物半导体晶体管，以依据该第二电流来产生该接面电压。

8.如权利要求1所述的电压/电流源装置，其中该电压电流转换单元包括：

一运算放大器，其具有一第一输入端耦接至该镜射电路的该接面电压，以及一第二输入端与一输出端；

一电阻，耦接于该第二输入端与一电压源电位之间；

一第二偏压金属氧化物半导体晶体管，其具有一栅极耦接至该运算放大器的该输出端，一第一源/漏极耦接至该该第二输入端，以及一第二源/漏极耦接至电流合成单元。

9.如权利要求1所述的电压/电流源装置，其中该电流合成单元包括：

一第一电流镜单元，耦接至该镜射单元与一合成节点之间，以镜射该第二电流得到该第四电流；以及

一第二电流镜单元，耦接至该电压转电流单元与该合成节点之间，以镜射该第三电流得到该第五电流，

其中该第四电流与第五电流于该合成节点合成为该参考电流。

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