CN112034920A - 电压产生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电压产生器，包含一双极性接面型晶体管，具有一负温度系数的基射极顺向偏压；一正温度系数电流产生电路，产生一参考正温度系数电流，并且将所述参考正温度系数电流乘上一倍率而形成一正温度系数电流；一误差放大器；一输出级开关组件，于一输出端提供一输出电压；以及一第一阻抗单元及一第二阻抗单元，所述第一阻抗单元耦接于所述输出端与所述双极性接面型晶体管的基极之间，所述第二阻抗单元耦接于一控制端、所述双极性接面型晶体管的基极及所述正温度系数电流。

Description

电压产生器
技术领域
本发明涉及一种电压产生器，尤其涉及一种具有温度补偿及电流输出能力的电压产生器。
背景技术
现有的电路设计领域中，电压产生器(Voltage Generator或Voltage Regulator)用来产生输出电压，以对负载供电。一般而言，电压产生器是根据一参考电压以产生输出电压对负载供电，由于电路组件容易受到温度影响，使得参考电压也易受到温度的影响，连带造成电压产生器无法提供稳定的输出电压。为了确保电压产生器能够作为稳定的电压源，电压产生器必须使用不受温度影响的稳定参考电压，现有技术以一能隙(band gap)参考电压产生电路连接现有的电压产生器，以产生通过温度补偿而相对不受的温度影响的参考电压。然而，这会导致电压产生器都必须额外配有能隙参考电压产生电路，使得整体电路成本及体积因而增加。而且，能隙参考电压产生电路所产生的参考电压值不容易被调整，这会使得电压产生器的应用弹性较低。因此，现有技术确实有改进的必要。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种电压产生器，其具有温度补偿及电流输出能力的电压产生器，以解决上述问题。
本发明实施例提供一种电压产生器，包含一双极性接面型晶体管，具有一负温度系数的基射极顺向偏压；一正温度系数电流产生电路，耦接于所述双极性接面型晶体管的基极，所述正温度系数电流产生电路产生一参考正温度系数电流，并且将所述参考正温度系数电流乘上一倍率而形成一正温度系数电流；一误差放大器，耦接于所述双极性接面型晶体管的集极；一输出级开关组件，耦接于所述误差放大器及一输出端，并于所述输出端提供一输出电压；以及一第一阻抗单元及一第二阻抗单元，所述第一阻抗单元耦接于所述输出端与所述双极性接面型晶体管的基极之间，所述第二阻抗单元耦接于所述控制端、所述双极性接面型晶体管的基极及所述正温度系数电流。
附图说明
图1为本发明实施例的一电压产生器的示意图。
图2为本发明实施例的电压产生器于应用时的一温度与一输入电压的示意图。
图3为本发明实施例的电压产生器于应用时，对应于不同输入电压的输出电压的示意图。
其中，附图标记说明如下：
10 电压产生器
102 正温度系数电流产生电路
104 输出级开关组件
1022 电流镜
1024 第一放大器
A 误差放大器
I1 第一电流
I2 第二电流
IB 基极电流
IC 集极电流
Iin 集极电流
Iout 集极电流
IPTAT 参考正温度系数电流
K*IPTAT 正温度系数电流
K、N 倍率
N1 控制端
N2 输出端
Q1 晶体管
Q2 第二双极性接面型晶体管
Q3 第三双极性接面型晶体管
Vcc 输入电压
Vout 输出电压
VBE1 基射极顺向偏压
Z1 第一阻抗单元
Z2 第二阻抗单元
Z3 第三阻抗单元
ΔVBE 第三阻抗压降
具体实施方式
请参考图1，图1为本发明实施例的一电压产生器10的示意图。电压产生器10包含一晶体管Q1、一正温度系数电流K*IPTAT、一误差放大器A、一输出级开关组件104、一第一阻抗单元Z1及一第二阻抗单元Z2。电压产生器10用来提供稳定的一输出电压Vout，以作为一集成电路(integrated circuit，IC)芯片内部组件的电压源。
在图1的实施例中，电压产生器10可由一***电源供电运作，所述***电源可包含一第一端及一第二端，所述第一端及第二端之间的电压即为一输入电压Vcc，在本实施例中，所述第二端以一接地端表示，惟不以此为限。晶体管Q1为一双极性接面型晶体管(bipolar junction transistor，BJT)，用来提供具有一负温度系数的基射极顺向偏压VBE1。正温度系数电流K*IPTAT是经由将一正温度系数电流产生电路102产生的一参考正温度系数电流IPTAT乘上K倍所得，正温度系数电流产生电路102产生的一端耦接于一控制端N1，控制端N1耦接于晶体管Q1的基极。误差放大器A耦接于晶体管Q1的集极及输出级开关组件104之间。输出级开关组件104连接一输出端N2，用来根据晶体管Q1的一集极电流IC及误差放大器A以在所述输出端N2提供输出电压Vout。第一阻抗单元Z1耦接于所述输出端N2及所述控制端N1之间，所述第二阻抗单元Z2耦接于所述控制端N1。
在本实施例，上述晶体管Q1是一NPN型双极性接面型晶体管，第一阻抗单元Z1及第二阻抗单元Z2分别可以是一电阻或其他阻抗组件，并且晶体管Q1不限于图1中的实施例的NPN型双极性接面型晶体管，PNP型双极性接面型晶体管也适用于本发明。
详细来说，在本实施例中，正温度系数电流产生电路102包含一电流镜1022，所述电流镜1022分别耦接一第二双极性接面型晶体管Q2的集极及一第三双极性接面型晶体管Q3的集极，以使第二、第三双极性接面型晶体管Q2、Q3的集极电流Iout、Iin相同，其中第二双极性接面型晶体管Q2的射极电流输出作为一参考正温度系数电流IPTAT；第三双极性接面型晶体管Q3的射极则耦接一第三阻抗组件Z3，第三阻抗组件Z3也可以是一电阻或其他阻抗组件。第三双极性接面型晶体管Q3的面积为第二双极性接面型晶体管Q2的面积的N倍。一缓冲放大器1024(例如电压随耦器)耦接于第二、第三双极性接面型晶体管Q2、Q3的基极与第二双极性接面型晶体管Q2的集极之间，用来补偿并确保第二、第三双极性接面型晶体管Q2、Q3的集极电流Iout、Iin相同，惟所述缓冲放大器1024亦可被替换或省略，本发明并不以此为限。
通过晶体管Q1所提供的负温度系数的基射极顺向偏压VBE1，及正温度系数电流产生电路102所产生的参考正温度系数电流IPTAT相互补偿，使得本发明实施例的电压产生器10可产生不易受温度影响的输出电压Vout。
值得注意的是，正温度系数电流K*IPTAT为参考正温度系数电流IPTAT的K倍，且K的值可以供设计以符合使用者需求，其中将所述参考正温度系数电流IPTAT乘上K倍可以用电流镜或各式电流转换电路完成，恕不另行赘述。当误差放大器A的极性为正时，输出级开关组件104为一N型金氧半场效晶体管(NMOSFET)或一NPN型双极性接面型晶体管；反的，当误差放大器A的极性为负时，输出级开关组件104为一P型金氧半场效晶体管(PMOSFET)或一PNP型双极性接面型晶体管。此外，在本实施例中，图1中的第二双极性接面型晶体管Q2及第三双极性接面型晶体管Q3为NPN型双极性接面型晶体管，但不限于此，PNP型双极性接面型晶体管也适用于本发明。
为便于详细说明本发明实施例的电压产生器10可产生不易受温度影响的输出电压Vout，在本实施例中第一、第二及第三阻抗单元Z1、Z2、Z3以电阻举例说明，且将第一、第二及第三阻抗单元Z1、Z2、Z3的电阻值分别表示为Z1、Z2、Z3。由图1可的，输出电压Vout为晶体管Q1的基射极顺向偏压VBE1，再加上与流经第二阻抗单元Z2的一第二电流I2和电阻值Z2的乘积，即Vout＝VBE1+Z2*I2...(1)。
其中，第二电流I2为流经第一阻抗单元Z1的一第一电流I1、正温度系数电流K*IPTAT及晶体管Q1的一基极电流IB的总和，即I2＝I1+IB+K*IPTAT...(2)。
因此，将式(2)带入式(1)后，输出电压Vout可以被改写为：Vout＝VBE1+Z2*(I1+IB+K*IPTAT)...(3)
晶体管Q1的集极电流IC＝β*IB，由于现有的双极性接面型晶体管的放大参数β通常为50倍以上使得基极电流IB较小，例如，常见为奈安培(nA)数量级。因此，晶体管Q1的基极电流IB因为数量级远小于第一电流I1和正温度系数电流K*IPTAT的关系而可被忽略。另一方面，由于第一电流I1等于基射极顺向偏压VBE1除以电阻值Z1，而且参考正温度系数电流IPTAT等于第三阻抗单元Z3的跨压ΔVBE除以电阻值Z3。在此情形下，在忽略式(3)的基极电流IB后可以被改写为：
Figure BDA0002524461150000061
其中，由于第二双极性接面型晶体管Q2与第三双极性接面型晶体管Q3的面积不一致，所述第三双极性接面型晶体管Q3的面积为所述第二双极性接面型晶体管Q2的面积的N倍。因此第三阻抗单元Z3的跨压ΔVBE将会满足下式，其中VT为一热电压(thermalvoltage)。
ΔVBE＝ln(N)×VT...(5)
因此，合并上述式(4)和(5)，即可得到以下结果：
Figure BDA0002524461150000062
在式(6)当中，由于双极性接面型晶体管的本身特性，基射极顺向偏压VBE1具有负温度系数，而热电压VT具有正温度系数，一般而言，两者和温度的关系可以表式如下，其中此处的K为温度单位：
Figure BDA0002524461150000063
Figure BDA0002524461150000064
如此一来，为了使得式(6)中的输出电压Vout不受温度影响，因此进一步限定式(6)中的条件为：
Figure BDA0002524461150000065
也就是说，在满足式(8)的情况下，输出电压Vout的温度系数将接近零。如此一来，由式(6)可知，通过调整第一阻抗单元Z1、第二阻抗单元Z2及第三阻抗单元Z3的电阻值Z1、Z2、Z3、倍率K和倍率N，即可任意调整输出电压Vout，并且在满足式(8)的条件下保持让输出电压Vout为不易受温度影响。
因此，本发明实施例的电压产生器10通过贡献正温度系数电流K*IPTAT以及关于负温度系数的基射极顺向偏压的晶体管Q1相互补偿，使得电压产生器10具有温度补偿的效果，以输出不易受温度影响的输出电压Vout。此外，电压产生器10经由误差放大器A和输出级开关组件104在输出端N2所产生的输出电压Vout具有电流输出能力(sourcingcapacity)，可作为IC芯片内部组件的电压源。
以下举一范例说明本发明实施例实际应用时应如何设计。若要设计一个在摄氏温度27度下提供5伏特的输出电压Vout的电压产生器10，假设在27度且晶体管Q1的偏压电流(bias current)为1微安培(μA)时，基射极顺向偏压VBE1为0.65伏，且β为50倍。首先，先决定让输出级的偏压电流大于晶体管Q1的偏压电流1μA，以进一步降低晶体管Q1的基极电流IB的影响，因此设定第一电流I1＝10μA，可得到Z1＝0.65V/10μA＝65Kohm。
接着，所述第三双极性接面型晶体管Q3的面积需为所述第二双极性接面型晶体管Q2的面积的N倍，为了降低制程漂移，将第二双极性接面型晶体管Q2、第三双极性接面型晶体管Q3的设计较佳具有几何对称关系，在此例中，将N设定为8，可以让第二、第三双极性接面型晶体管Q2、Q3在电路布局时形成对称结构。另外，将参考正温度系数电流IPTAT设定为2μA，可得到：
Figure BDA0002524461150000071
最后，为了使得输出电压Vout不易受温度影响，将电阻值Z1、Z3套用于前述式(8)，即可得到Z2＝224Kohm、K＝5.17倍。如此一来，通过适当设计第一阻抗单元Z1、第二阻抗单元Z2及第三阻抗单元Z3、倍率K和倍率N，即可任意调整输出电压Vout，进而得到出不受温度影响的稳定的输出电压Vout。
当电压产生器具有负温度系数时，则产生的曲线将应当随着温度升高而下降；相反地，当的电压产生器具有正温度系数时，则产生的曲线应将随着温度升高而上升。关于本发明实施例的电压产生器10的应用效果，请参考图2，图2为本发明实施例的电压产生器10应用于一集成电路芯片的温度与输入电压的示意图。在图2中，X轴为应用环境的温度(摄氏)、Y轴为输出电压(伏特)。当本发明实施例的电压产生器10实际依据前述设计参数用来提供5V输出电压时，在不同的温度(摄氏-40度至120度)下的输出电压大约都介于4.8伏特至5.08伏特之间，且输出电压没有持续随着温度升高而不断上升或下降，也就是说，本发明实施例的电压产生器10确实具有对输出电压进行温度补偿的效果。
另一方面，图3为本发明实施例的电压产生器10应用于集成电路芯片时，对应于不同输入电压的输出电压的示意图。在图3的X轴为输入电压(伏特)、Y轴为输出电压(伏特)，图3中加入了在不同的制程漂移状况下的晶体管模拟结果。其中，从图3中可以计算出，当电压产生器10的输入电压改变时，输出电压的偏差仅为约70mV，电源供应抑制比例(PowerSupply Rejection Ratio，PSRR)可达约80dB。而且不论是FF(快NMOS及快PMOS)、FS(快NMOS及慢PMOS)、TT(典型NMOS及典型PMOS)、SF(慢NMOS及快PMOS)还是SS(慢NMOS及慢PMOS)的模拟结果均相当优异。也就是说，本发明实施例的电压产生器10确实可作为一低压差稳压器(Low-dropout regulator，LDO)组件来供电给芯片内部组件，同时又兼具温度补偿功能，故可在不同温度条件下提供稳定的输出电压。
综上所述，本发明实施例提供一种电压产生器，通过正温度系数电流及负温度系数的偏压以相互补偿，以提供温度补偿且输出不易受温度影响的输出电压。并且，本发明实施例的电压产生器具有电流输出能力，以作为IC芯片内部组件的稳定电压源，而不需要额外设置能隙参考电压产生电路，进而有效降低整体电路成本及体积。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电压产生器，其特征在于，包含：
一双极性接面型晶体管，具有一负温度系数的基射极顺向偏压；
一正温度系数电流产生电路，耦接于所述双极性接面型晶体管的基极，所述正温度系数电流产生电路产生一参考正温度系数电流，并且将所述参考正温度系数电流乘上一倍率而形成一正温度系数电流；
一误差放大器，耦接于所述双极性接面型晶体管的集极；
一输出级开关组件，耦接于所述误差放大器及一输出端，并于所述输出端提供一输出电压；以及
一第一阻抗单元及一第二阻抗单元，所述第一阻抗单元耦接于所述输出端与所述双极性接面型晶体管的基极之间，所述第二阻抗单元耦接于所述控制端、所述双极性接面型晶体管的基极及所述正温度系数电流。
2.如权利要求1所述的电压产生器，其特征在于，流经所述第二阻抗单元的一第二电流为流经所述第一阻抗单元的一第一电流、所述正温度系数电流及所述双极性接面型晶体管的一基极电流的总和。
3.如权利要求1所述的电压产生器，其特征在于，所述正温度系数电流产生电路包含：
一电流镜；
一第二双极性接面型晶体管，所述第二双极性接面型晶体管的集极耦接所述电流镜的一端；以极
一第三双极性接面型晶体管，所述第三双极性接面型晶体管的集极耦接所述电流镜的另一端；
其中，所述第二双极性接面型晶体管的射极电流输出作为所述参考正温度系数电流，所述第三双极性接面型晶体管的射极耦接一第三阻抗组件，所述第三双极性接面型晶体管的面积为所述第二双极性接面型晶体管的面积的N倍。
4.如权利要求3所述的电压产生器，其特征在于，所述正温度系数电流为所述参考正温度系数电流的K倍，所述第一阻抗单元、所述第二阻抗单元及所述第三阻抗单元分别具有电阻值Z1、Z2、Z3，且满足以下条件：
Figure FDA0002524461140000021
其中，VBE1为所述双极性接面型晶体管的基射极顺向偏压，VT为所述第三双极性接面型晶体管的热电压。
5.如权利要求3所述的电压产生器，其特征在于，所述正温度系数电流产生电路另包含一缓冲放大器耦接于所述第二双极性接面型晶体管的基极与集极之间。
6.如权利要求3所述的电压产生器，其特征在于，第二双极性接面型晶体管和所述第三双极性接面型晶体管的集极电流相同。
7.如权利要求2所述的电压产生器，其特征在于，所述双极性接面型晶体管操作于一偏压电流下，且所述第一电流大于所述偏压电流。
8.如权利要求1所述的电压产生器，其特征在于，当所述误差放大器的一极性为正时，所述输出级开关组件为一N型金氧半场效晶体管(NMOSFET)或一NPN型双极性接面型晶体管；当所述误差放大器的所述极性为负时，所述输出级开关组件为P型金氧半场效晶体管(PMOSFET)或一PNP型双极性接面型晶体管。
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