TW201506577A - 能隙參考電壓電路與其電子裝置 - Google Patents

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Abstract

一種能隙參考電壓電路包括電流鏡單元、運算放大器、第一電阻、第二電阻、輔助單元與電壓產生單元。運算放大器的輸出端耦接於電流鏡單元的回授端。第一電阻的一端耦接於運算放大器之正輸入端，第一電阻的另一端耦接於電流鏡單元的第二端。第二電阻的一端耦接於運算放大器之正輸入端。電壓產生單元的第二端耦接於第二電阻之另一端。輔助單元的一端耦接運算放大器之負輸入端與電壓產生單元的第一端，輔助單元的另一端耦接於電流鏡單元的第一端。能隙參考電壓電路於輔助單元的另一端輸出參考電壓。

Description

能隙參考電壓電路與其電子裝置
本發明係關於一種能隙參考電壓電路，且特別是有關於能夠輸出穩定參考電壓的一種能隙參考電壓電路與使用該能隙參考電壓電路的電子裝置。
近年來，隨著電子裝置的迅速發展而漸漸使得其內部電路的結構更益複雜，其中內部電路可能更包含了為數不少驅動電路以及控制電路。然而，這些驅動電路或控制電路通常需要接收固定的參考電壓作為運作電源，以維持其正常運作。理想上，不管是輸入電壓緩慢或突然的改變，參考電壓都必須盡量地不受到輸出電流或是溫度的影響。
實際上，很多設計者都會利用能隙參考電壓電路來提供穩定的參考電壓，而這些能隙參考電壓電路利用電晶體的基極-射極(base-emitter)電壓的獨立特性，來減少溫度變化對輸出參考電壓的影響。
請參照圖1，圖1是傳統的能隙參考電壓電路之電路圖。能隙參考電壓電路1包含電流鏡單元12、運算放大器OP、電壓產生單元11、第一電阻R1與第二電阻R2、電源供應端VDD、接地端GND以及參考電壓接點VREF1。電流鏡單元12包括兩個P型金氧半導體(P Metal-Oxside-Semiconductor， PMOS)電晶體121、122，而電壓產生單元11包括兩個雙極接面電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)111與112。
於圖1中，當電源供應端VDD接到穩定直流電源且接地端GND接地時，電壓產生單元11的兩雙極接面電晶體111與112各自會有基極-射極電壓VBE1與VBE2，以使電流鏡單元12輸出第一電流I1與第二電流I2，其中第一電流I1與第二電流I2理想上呈現一特定比例關係，且該特定比例關係相關於兩P型金氧半導體電晶體121、122的尺寸。更精確地說，該特定比例關係相關於兩P型金氧半導體電晶體121、122之通道寬度W與長度L的比例。
理想上，第二電流I2流經第一電阻R1、第二電阻R2以及電壓產生單元11之雙極接面電晶體112時，參考電壓接點VREF1會產生一不受溫度變化影響之參考電壓。然而，參考電壓接點VREF1係位於運算放大器OP與電晶體122所組成的負回授路徑NFB LOOP上，因此，參考電壓接點VREF1容易受到輸出寄生電容15的影響而導致參考電壓的電壓值不穩定。倘若這些驅動電路或控制電路沒有固定的參考電壓來維持其正常運作，將會導致這些電子裝置發生錯誤抑或造成損害。
本發明實施例提供一種能隙參考電壓電路，此能隙參考電壓電路包括電流鏡單元、運算放大器、第一電阻、第二電阻、輔助單元與電壓產生單元。運算放大器的輸出端耦接於電流鏡單元的回授端。第一電阻的一端耦接於運算放大器之正輸入端，第一電阻的另一端耦接於電流鏡單元的第二端。第二電阻的一端耦接於運算放大器之正輸入端。電壓產生單元的第二端耦接於第二電阻之另一端。輔助單元的一端耦接 運算放大器之負輸入端與電壓產生單元的第一端，輔助單元的另一端耦接於電流鏡單元的第一端。能隙參考電壓電路於輔助單元的另一端輸出參考電壓。
本發明實施例提供一種電子裝置包括上述能隙參考電壓電路以及功能電路，其中功能電路耦接能隙參考電壓電路，且能隙參考電壓電路提供參考電壓給所述功能電路。
綜上所述，本發明實施例所提出的能隙參考電壓電路將參考電壓接點移至負回授路徑之外，故能夠有效地避免輸出寄生電容過大而破壞其內部的負回授路徑，導致其所提供的參考電壓之穩定性下降。
為了能更進一步瞭解本發明為達成既定目的所採取之技術、方法及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明、圖式，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得以深入且具體之瞭解，然而所附圖式與附件僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
1、2、41‧‧‧能隙參考電壓電路
12、22‧‧‧電流鏡單元
121、122、221、222‧‧‧電晶體
11、21‧‧‧電壓產生單元
111、112、211、212‧‧‧雙極接面電晶體
OP‧‧‧運算放大器
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
23‧‧‧輔助單元
VDD‧‧‧電源供應端
GND‧‧‧接地端
14、24‧‧‧內部補償電容
15、25、43‧‧‧輸出寄生電容
VREF1、VREF2‧‧‧參考電壓接點
VREF‧‧‧參考電壓
A、B‧‧‧端點
NFB LOOP‧‧‧負迴授路徑
VBE1、VBE2‧‧‧基極-射極電壓
VPTAT‧‧‧電壓差
VPTAT．(R1/R2)‧‧‧電阻比例的電壓差
4‧‧‧電子裝置
16、26、42‧‧‧功能電路
圖1為傳統能隙參考電壓電路的電路圖。
圖2為本發明實施例的能隙參考電壓電路的電路圖。
圖3A為本發明實施例的電壓產生單元之兩雙極接面電晶體的兩基極-射極電壓與溫度的曲線圖。
圖3B為本發明實施例的電壓產生單元之兩雙極接面電晶體的兩基極-射極電壓之電壓差與溫度以及該電壓差乘以電阻比例與溫度的曲線圖。
圖3C為本發明實施例的能隙參考電壓電路的參考電壓接點上的參考電壓與溫度的曲線圖。
圖4為本發明實施例的電子裝置的方塊圖。
〔能隙參考電壓電路的實施例〕
請參照圖2，圖2本發明實施例的能隙參考電壓電路的電路圖。能隙參考電壓電路2包括電流鏡單元22、運算放大器OP、電壓產生單元21、第一電阻R1、第二電阻R2、輔助單元23、電源供應端VDD、接地端GND以及輸出參考電壓接點VREF2。運算放大器OP的輸出端耦接電流鏡單元22的回授端。第一電阻R1的一端過端點B耦接運算放大器OP的正輸入端，且第一電阻R1的另一端耦接電流鏡單元22的第二端。第二電阻R2的一端透過端點B耦接運算放大器OP的正輸入端。電壓產生單元21的第二端耦接第二電阻R2之另一端，輔助單元23的一端透過端點A耦接運算放大器OP的負輸入端以及電壓產生單元21的第一端，且輔助單元23的另一端耦接電流鏡單元22的第一端。
在本實施例中，電源供應端VDD用以接收穩定直流電源。電流鏡單元22包含複數個電晶體221與222，其中電晶體221與222的源極耦接於電源供應端VDD，電晶體221與222的閘極(亦即電流鏡單元22的回授端)耦接至運算放大器OP的輸出端，且電晶體221與222的汲極(亦即電流鏡單元22的第一端與第二端)分別耦接輔助單元23的一端與第一電阻R1的另一端。
藉由電流鏡之電路特性，電流鏡單元22的第一端與第二端可以分別輸出第一電流I1與第二電流I2，其中第一電流I1與I2理想上呈現一特定比例關係，且該特定比例關係相關於電晶體221、222的尺寸(通道寬度W與長度L比例，W/L)。於本發明實施例中，電晶體221、222可以是P型金氧半導體電晶體，且更可以是P型金氧半導體場效電晶體(Field-Effect Transistor，FET)或者薄膜電晶體。總而言之，本發明並不限制電晶體221與222的類型。
電壓產生單元21包括兩個雙極接面電晶體211與212。雙極接面電晶體211之集極與基極彼此耦接，雙極接面電晶體211之集極(亦即電壓產生單元21的第一端)透過端點A耦接運算放大器OP的負輸入端與輔助單元23的另一端。雙極接面電晶體212之集極與基極亦彼此耦接，雙極接面電晶體212之集極(亦即電壓產生單元21的第二端)耦接第二電阻R2，並透過端點B耦接運算放大器OP的正輸入端與第一電阻R1。雙極接面電晶體211與212之射極耦接於接地端GND。根據上述的耦接方式，雙極接面電晶體211與212的電路特性相似於二極體。在此請注意，本實施例僅以NPN型雙極接面電晶體做說明，在實際操作上亦可使用PNP型雙極接面電晶體取代之。另外，電壓產生單元21未必得透過雙極接面電晶體211與212來實現，其雙極接面電晶體211與212可以用其兩端跨壓為負溫度係數的電晶體來取代。
於本實施例中，電壓產生單元21中的雙極接面電晶體211與212各自具有基極-射極電壓VBE1與VBE2。在負回授路徑NFB LOOP存在的情況下，運算放大器OP的正輸入端與負輸入端上的電壓，亦即端點A與B上的電壓應該相同。因此，基極-射極電壓VBE1會等於第二電阻R2的跨壓加上基極-射極電壓VBE2。
基極-射極電壓VBE1與VBE2與溫度相關，且在此可以定義一個相關於溫度的電壓差VPTAT為基極-射極電壓VBE1減去基極-射極電壓VBE2，亦即第二電阻R2的跨壓為相關於溫度的電壓差VPTAT。由於雙極接面電晶體211與212的集極電流會隨著溫度上升而增加(亦即汲極電流具有正溫度係數)，故可以用以補償雙極接面電晶體211與212的基極-射極 電壓VBE1與VBE2隨溫度上升而下降(即基極-射極電壓VBE1與VBE2具有負溫度係數)的值，從而使參考電壓接點VREF2電壓值保持不變。
輔助單元23為具有無關於頻率之阻抗的電子元件。於本實施例中，輔助單元23可以為一個電阻，但本發明並不以此為限。若輔助單元23的阻抗值等同於第一電阻的電阻值，且第一電流I1與第二電流I2相同，則參考電壓接點VREF2上的參考電壓為基極-射極電壓VBE1加上電阻比例的電壓差VPTAT，則所述電阻比例為第一電阻R1除以第二電阻R2。
由於此參考電壓接點VREF2不在由電晶體222、運算放大器OP與第一電阻R1所組成的負回授路徑NFB LOOP上，因此不會因輸出寄生電容25過大而影響穩定性。總而言之，本實施例所提出之輔助單元23由於不受頻率影響，故可以使得參考電壓接點VREF2上的參考電壓不受輸出寄生電容25影響，而維持穩定的輸出。另外，透過輔助單元23、第一電阻R1與R2的設置，參考電壓接點VREF2上的參考電壓還能夠不受到溫度影響。另外，因為輔助單元23的作用，輸出參考電壓將會維持穩定，故在第一電阻R1的電阻值等於輔助單元23的阻抗值且第一電流與第二電流相同時，則電晶體221與222的汲極上的電壓將保持一致，固可以藉此少通道長度調變(channel-length modulation)的影響。
接著，將進一步地說明上述參考電壓不受溫度影響而維持穩定的原因。請參閱圖3A~3C，圖3A為本發明實施例的電壓產生單元之兩雙極接面電晶體的兩基極-射極電壓與溫度的曲線圖，圖3B為本發明實施例的電壓產生單元之兩雙極接面電晶體的兩基極-射極電壓之電壓差與溫度以及該電壓差乘以電阻比例與溫度的曲線圖，而圖3C為本發明實施例的能隙參考電壓電路的參考電壓接點上的參考電壓與溫度的曲線 圖。
於圖3A中，可以清楚地看到雙極接面電晶體211與212的基極-射極電壓VBE1與VBE2會隨著溫度的提升而下降，換句話說，雙極接面電晶體211與212的基極-射極電壓VBE1與VBE2具有負溫度係數。因此，於圖3A與圖3B中，可以得知電壓差VPTAT隨著溫度的提升，其間距越來越寬，亦即電壓差VPTAT正比於溫度，而具有正溫度係數。
請對照參閱圖2與圖3B，如前面所述，電壓差VPTAT等於第二電阻R2的跨壓，因此，可以算出第一電流I1為電壓差VPTAT除以第二電阻R2，亦即I1=VPTAT/R2。若第一電流I1與第二電流I2相同，且輔助單元23的阻抗值等同於第一電阻的電阻值，則輔助單元23與第一電阻R1的跨壓相同，且其為第一電流I1乘上第一電阻R1，亦即VPTAT．(R1/R2)，也就說，輔助單元23與第一電阻R1的跨壓為電壓差VPTAT乘上電阻比例，其中該電阻比例為第一電阻R1除以第二電阻R2。
接著，請參照圖2與圖3C，參考電壓接點VREF2的參考電壓等於基極-射極電壓VBE1加上電阻比例的電壓差VPTAT。於圖3中，可以得知透過參考電壓接點VREF2的參考電壓可以不受到溫度的影響，而維持一個穩度值。
在此請注意，上述雖以第一電流I1與第二電流I2相同且輔助單元23的阻抗值等同於第一電阻R1的電阻值的實施例進行說明，但本發明並不限定於此。請繼續參照圖2，參考電壓接點VREF2的參考電壓實際上等於第一電流I1乘上特定比例再乘上輔助單元23的阻抗值，亦即VPTAT．(Z23/R2)，其中Z23代表輔助單元23的阻抗值。
〔電子裝置的實施例〕
請參閱圖4。圖4為本發明實施例的電子裝置之方塊圖。 電子裝置4包括功能電路42與能隙參考電壓電路41，其中能隙參考電壓電路41耦接於功能電路42。能隙參考電壓電路41可以是上述實施例所述的能隙參考電壓電路，能隙參考電壓電路41避免參考電壓VREF端受到輸出寄生電容43影響，以提供穩定參考電壓VREF至功能電路42，藉以使功能電路42能穩定運作。
〔實施例的可能功效〕
綜上所述，本發明實施例所提出的能隙參考電壓電路將參考電壓接點移至負回授路徑之外，故能夠有效地避免輸出寄生電容過大而破壞其內部的負回授路徑，導致其所提供的參考電壓之穩定性下降。另外，所述能隙參考電壓電路額外增設具有無關於頻率之阻抗的輔助單元，以藉此避免影響參考電壓之穩定性。除此之外，透過輔助單元、第一電阻與第二電阻的作用，所述能隙參考電壓電路所提供的參考電壓還能夠不受到溫度的影響，而維持穩定。另外，因為輔助單元的作用，輸出參考電壓將會維持穩定，故在第一電阻的電阻值等於輔助單元的阻抗值且第一電流與第二電流相同時，則電流鏡單元的兩電晶體的汲極之電壓將保持一致，固可以藉此少通道長度調變(channel-length modulation)的影響。據此，於採用所述能隙參考電壓電路的電子裝置中，電子裝置的功能電路可以接收到能隙參考電壓電路所提供之穩定的參考電壓，以維持正常的運作。
以上所述僅為本發明實施例，惟本發明之特徵並不侷限於此，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾，皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
2‧‧‧能隙參考電壓電路
22‧‧‧電流鏡單元
221、222‧‧‧電晶體
21‧‧‧電壓產生單元
211、212‧‧‧雙極接面電晶體
OP‧‧‧運算放大器
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
23‧‧‧輔助單元
VDD‧‧‧電源供應端
GND‧‧‧接地端
24‧‧‧內部補償電容
25‧‧‧輸出寄生電容
26‧‧‧功能電路
VREF2‧‧‧參考電壓接點
A、B‧‧‧端點
NFB LOOP‧‧‧負迴授路徑

Claims (10)

  1. 一種能隙參考電壓電路，包括：一電流鏡單元，具有一第一端、一第二端與一回授端；一運算放大器，具有一正輸入端、一負輸入端以及一輸出端，該運算放大器的該輸出端耦接於該電流鏡單元的該回授端；一第一電阻，其一端耦接於該運算放大器之該正輸入端，另一端耦接於該電流鏡單元的該第二端；一第二電阻，其一端耦接於該運算放大器之該正輸入端；一電壓產生單元，具有一第一端與一第二端，該電壓產生單元的該第二端耦接於該第二電阻之另一端；以及一輔助單元，其一端耦接運算放大器之該負輸入端與該電壓產生單元的該第一端，另一端耦接於該電流鏡單元的該第一端；其中該能隙參考電壓電路於該輔助單元的另一該端輸出一參考電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之能隙參考電壓電路，其中該輔助單元具有無關於頻率的阻抗。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之能隙參考電壓電路，其中該電流鏡單元包括：一第一P型金氧半導體電晶體；以及一第二P型金氧半導體電晶體；其中該第一與第二P型金氧半導體電晶體的兩源極耦接一電源供應端，該第一與第二P型金氧半導體電晶體的兩閘極耦接該運算放大器的該輸出端，且該第一與第二P型金氧半導體電晶體的兩汲極分別耦接該輔助單元的該端與該第一電阻的該另一端。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之能隙參考電壓電路，其中該輔助 單元為一電阻。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之能隙參考電壓電路，其中該電壓產生單元包括：一第一雙極接面電晶體；以及一第二雙極接面電晶體；其中該第一與第二雙極接面電晶體的兩基極分別耦接該第一與第二雙極接面電晶體的兩集極，該第一與第二雙極接面電晶體的兩射極耦接一接地端，該第一雙極接面電晶體的該集極耦接該運算放大器的該負輸入端與該輔助單元的該另一端，且第二雙極接面電晶的該集極耦接該第二電阻的該另一端。
  6. 一種電子裝置，包括：一功能電路；以及一能隙參考電壓電路，耦接該功能電路，用以提供一參考電壓給該功能電路，包括：一電流鏡單元，具有一第一端、一第二端與一回授端；一運算放大器，具有一正輸入端、一負輸入端以及一輸出端，該運算放大器的該輸出端耦接於該電流鏡單元的該回授端；一第一電阻，其一端耦接於該運算放大器之該正輸入端，另一端耦接於該電流鏡單元的該第二端；一第二電阻，其一端耦接於該運算放大器之該正輸入端；一電壓產生單元，具有一第一端與一第二端，該電壓產生單元的該第二端耦接於該第二電阻之另一端；以及一輔助單元，其一端耦接運算放大器之該負輸入端與該電壓產生單元的該第一端，另一端耦接於該電流鏡單元的該第一端；其中該能隙參考電壓電路於該輔助單元的另一該端輸 出該參考電壓。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電子裝置，其中該輔助單元具有無關於頻率的阻抗。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之電子裝置，其中該電流鏡單元包括：一第一P型金氧半導體電晶體；以及一第二P型金氧半導體電晶體；其中該第一與第二P型金氧半導體電晶體的兩源極耦接一電源供應端，該第一與第二P型金氧半導體電晶體的兩閘極耦接該運算放大器的該輸出端，且該第一與第二P型金氧半導體電晶體的兩源極分別耦接該輔助單元的該端與該第一電阻的該另一端。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電子裝置，其中該輔助元件為一電阻。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之電子裝置，其中該電壓產生單元包括：一第一雙極接面電晶體；以及一第二雙極接面電晶體；其中該第一與第二雙極接面電晶體的兩基極分別耦接該第一與第二雙極接面電晶體的兩集極，該第一與第二雙極接面電晶體的兩射極耦接一接地端，該第一雙極接面電晶體的該集極耦接該運算放大器的該負輸入端與該輔助單元的該另一端，且第二雙極接面電晶的該集極耦接該第二電阻的該另一端。
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