TWI307002B - Bandgap voltage generating circuit and relevant device using the same - Google Patents

Description

1307002 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供一種電壓產生電路，尤指一種具有低待命電流 的能隙電壓產生電路。 【先前技術】 在ic設計的領域，經常會使用到一個精準的電壓，該電壓 • 必須能夠抵抗1C外部的溫度差異與1C本身的製程差異，換句話 說，該電壓將不受外部溫度以及製程差異的影響，此便是能隙電 壓產生電路(bandgap voltage generating circuit)的由來。然而，在 1C外部所使用的電壓與IC内部所使用的電壓往往具有不同的大 小，因此能隙電壓產生電路經常搭配電壓調整器(v〇ltage regulator) ’以便將能隙電壓轉換成適合IC内部使用的電壓。 • 一般來說，能隙電壓產生電路是利用一個正溫度係數的電壓 加上一個負溫度係數的電壓以產生一個與溫度低相關的電壓。舉 例來說，假設現在有一個正溫度係數的電壓％與一個負溫度係 數的電壓V2 ’若選擇適當的比例厘使得正溫度健與負溫度係 數相互抵銷而得Vl+MV2=Vbg，其中所得之^即為與溫度低相 關的能隙電壓(bandgap voltage)。 請參閱第1圖，此為習知的能隙電壓調整器1〇〇的示意圖。 能隙電_整器100包括啟動電路11〇，能隙電壓產生電路⑽， 1307002 (4thEditi〇n)byPaulR.Gray，etal 十第 4.4.3 章節之推導後，雙載 子接面電晶體的基射極差VBE可以方程式(4)表示之.

Vbe= Vbg-VT(a*lnT-lnK)…方程式(4) 由於Vbg，a，K皆為不受溫度影響的常數且Vt，t皆為與溫度 正相關之魏，因此，基雜差VBE為負溫度係數的電壓。“皿又 由於雙載子接面電晶體Q3的基射極差％是負溫度係數的 電壓’因此對於節點C來說，其糕V。為電晶體q3的基射極差 Vbe3與電阻心的電壓差之和，可如下表示之：

Vc - VfiE3+ Vr2 =Vbg-VT(a3*lnT-lnK3)+VT[ln(n)] * (R2/Rl)方程式⑶ 電路設計者可以適當的調整各個元件(譬如電晶體或是電 的參數，使得節點C的電壓Vc等於能隙電壓Vbg。 習知的電壓調整器包含運算放大器131以及分壓電略 132 ’電壓調整器130會根據節點C輸出的能隙電壓％，於節點 D產生調整電壓’而分壓電路132便是由該調整電壓於節點 生分壓’該分壓會_至運算放大器131的輸人端，因此運算= 大器131便會根據回饋的分壓與能隙電壓ν*來產生調整電髮 電路設計者可適當的調整電阻^與K的值，以於節點D產生忙 7 1307002 内部所需的電壓至核心電路14〇。 啟動電路110的詳細電路如第1圖所示，目的在使得能隙電 壓產生電路12G能正常運作，其料操作與功能已鲜習 知’故不另贅述於此。 此電路雖然已經可以提供正確的能隙電壓以及調整電壓，妙 而’此電路需要持續的消耗電流I〇〜l5，以及運算放大器i3i所^ 的電々丨I·田核〜電路14〇處於待命模式時，由於能隙電壓調整器 1〇0仍須持續輸出調整電壓，以供核心電路140使用，如此才得 以在待命模式轉換為運倾式時，成功地完成婦_。由於必 麟、Λ /肖耗Hl5以輪㈣整電壓，整體電路的功率消耗因此 增加並因而減少產品的使用時間。 【發明内容】 本毛月之目的挪提供一種低消耗電流的能隙電壓產生電路。 ~本《月係揭種能隙電塵產生電路，其包含有搞接至第一 U以及第_節點用來使第一節點與第二節點對應相同電壓準 之電路第—阻抗兀件麵接於第一節點，另有一第二阻抗元 件雛轉二節點，其巾第二阻抗元件之阻抗係大於第-阻抗元 件^阻抗。有—第—電晶體減至第—阻抗元件以及另有一第二 電曰曰體輕接至第二阻抗S件與第—電晶體，其中能隙電壓產生電 1307002 路於第二節點產生能隙電壓。 種具有低待命電流的能隙電 本發明之另一目的在於提供— 壓產生裝置。 ^ tMA±Ml(bandgap voltage g__gdevice)，其包含有第一能隙電_整器、第二能隙電 _整器以及控制器。第—能隙電壓調整器_於核心電路，用 來產生第-麟龍’此第—能隙賴係所提供之储命電壓。 第-能隙電壓調整器亦墟於核心電路，用來產生第二能隙電 壤’此第二能隙賴係所提供之精雜作縣，其巾當核心電路 處於待命狀態時’第二祕:電壓織器係不啟動。控彻轉接至 第》能隙電壓調整器、第二能隙電壓調整器以及核心電路，用來 將核心電路切換至待命狀態或運作狀態並於運作狀態時啟動第 二能隙電壓調整器。 【實施方式】 第3圖為本發明能隙電壓調整器3〇〇之第一實施例的示意 _。其包含有啟動電路310，能隙電壓產生電路32〇，以及電壓 碉整器330。能隙電壓產生電路320係用來產生能隙電壓Vbg，而 電壓調整器330係用來根據能隙電壓Vbg產生調整電壓。於本實 施例中’啟動電路310與習知的啟動電路11()在功能上並無二 ’啟動電路310亦用來將能隙電壓產生電路32〇維持於預定的 l3〇7〇〇2 穩態’使得能隙電壓產生電路320㉟正確地產生能隙電壓 。而能隙電壓產生電路320具有區域321，區域切與前述的 區域121相同，因此’節點a與節點Β會對應相同的電壓值。 此外’於本實施例中，電阻&與電阻尺3係對應相同的電阻值， 斤以理_上節點c與節點D亦對應相同的電壓值，區域322等 政於第2圖所示的等效電路圖。換言之，電流[亦由雙載子接面 •電晶體Q,和Q2的基射極差Vbe1_VbE2及電阻凡所產生。電流^ 可如下表示之： 2 I2 ~ (Vbei_Vbe2)/R1 =VT[ln(n)]/Rl …方程式(6)

因此，電流I2即是正溫度係數的電流，於本實施例t，電猗 12透過電阻&產生正溫度係數的賴，而對於節點B來說，節L ㈣的電M VB為電晶體Q2的基射極差％與電阻(Ri+R2)的電 壓差之和’可如下表示之： VB=VBE2 + V(Rl+R2) =VBE2+Vr1+Vr2 —VbE2 +Rl(VBErVBE2yRl + VT[ln(n)] ( r2 / Ri) .方程式(7) VBE1+VT[ln⑻](R2/R〇 因 由於雙載子接面電晶_基射極差為負溫度係數的·， 1307002 以計者可以適麵調㈣晶_與電晶體略的參數， 編迦嶋VGS2與ν⑽以獲得所欲得之調 :差 來說’若電晶體崦與電晶體鸠對應相同_ 電壓 吁者才丁=握G _便可大_能_Vbg。當然:電路設 汁者亦可選擇不同的電晶體，使得節點G的電歸應不同的 值’如此的相對·化，亦屬本發明的 因 、本發明能隙賴產生電路320無須第丨圖所示的電流14〜 此減^ 了待命電流’此外’由於本實施例之電壓調整器330未使 用運算放大器架構’因此電壓調整器33〇亦少了使用運算放大器 時所__多餘f流，使得當核心電路處於待命模式時， 待命電流更為降低。 第4圖為本發明能隙電壓調整器3〇〇之第二實施例的示意 圖。在第二實施例中，係採用電阻R，來取代第—實施例的兩個 _RiJ%R2，很賴地，的電阻健需對應r瓜，便 可完全等效於第-實施例。由於其電路運作與第—實施例相同， 故不另贅述於此。 第5圖為本發明能隙電壓調整器3〇〇之第三實施例的示意 圖。在第三實施例中，電_整器530係採用運算放大器架構但 卻可精確的調整電壓’如第5圖所示，如此省去了第i圖所示的 電流U，若有相對應變化，亦屬本發明的範疇。當然，在第三實 12 1307002 施例中電阻Ri與電阻匕串聯亦可等效於電阻r，於此領域呈 有通常知識者應可理解其電路架構與功能，故不另贅述於此Γ '、賴上述__調整器具有較小的消耗電流 ，使得 .核心電路34〇處於待命模坏整體f路的待命電流較小。然而， 由於能隙電壓調整器300於電晶體叫處，是以開迴路的方式產 生調整電壓，使得能隙電壓調整請較不適合個在需要極精 • 準輸入電廢的某些高速數位電路中。 第6圖為本發戦_壓歧裝置_之—實關示意圖。 如第6圖所示’能隙電壓產生裝置_包含有能隙電壓調整号 、標準能隙龍調整器⑽以及控㈣，其中控制器⑽ 係分別耦接於標準能隙電壓調整器1〇〇、能隙電壓調整器姻以 及核心電路340。能隙電壓調整器·、標準能隙電壓調整器謂 藝以及核心電路340皆墟至節點a，#核心電路34〇處於待命模 式時’月έ隙電壓產生裝置_必須持續輸出能隙電屋至節點a以 維持核^路⑽命狀態。於此時我們會妓轉電流越小 越好’但是當核心電路3例皮喚醒而進入運作模式之後，此時輸 入核心電路340的輸入輕又必須相當穩定，因此，在以下的揭 露t ’本發明揭露-種可以同時兼顧精確雜入電屢以及低待命 電流兩大優點的能隙電壓產生裝置。 第6圖之控制器6ι〇係用來將核心電路34〇切換至運作模式 1307002 或疋待〒拉式，舉例來說，控制器_可以發出致能(e_e)訊號 幻亥心電路340以將核心電路34〇由原本的待命模式切換至運作 、弋控制裔610或可發出失能(此薇)訊號，以將核心電路撕 • 由原本的運作模式切換至待命模式。 田核。電路34〇處於待命模式時(此時核心電路3奶係不啟 動）’控制器610會將標準能隙電_整器刚關閉，此時僅有能 鲁隙電壓調整器300進行運作，如前所述，能隙電壓調整器3〇〇以 較低的消耗電流，便可提供_電壓至節點A以及控制器_， 作為其操作縣’也就是說，能隙㈣產生裝置_具有較小的 待命電流。 當控制器610控制核心電路340，將其由待命模式切換至運 • 作模式時，由於此時需要較精準的能隙電壓以供核心電路34〇使 修 用，因此便不繼續使用能隙電壓調整器300來產生所需的能隙電 壓。因此，此時控制器610便可發出致能訊號至標準能隙電壓調 . 整器100，以啟動標準能隙電壓調整器100來產生穩定的能隙電 . 壓。核心電路340便可以利用標準能隙電壓調整器1〇〇所產生的 能隙電壓來執行原本設計的預定操作。 由於標準能隙電壓調整器100與能隙電壓調整器300皆耦接 至節點A，因此當核心電路340處於運作狀態時，能隙電壓調整 . 器300與標準能隙電壓調整器100會同時輸出電壓至節點A，鈇 14 1307002 而，在本實施辦’可以些電路技巧，使得標準能隙電壓 调整器100的輸出電流大於能隙電壓調整器300力輪出電流。由 於標準能隙電壓調整器議具有較高的電流，其充放電荷的能力 亦較強’因此節點A的電壓便會由標準能隙電壓調整器励的輸 出電壓決定，核心電路·便可制標準能隙電壓調整器 輸出電壓。這樣的電路技巧對於此領域具有通常知識者應不為 難丄舉例來說，能隙電_整器勤的電晶料與能隙電_ 整杰100的電晶體％會具有相同的源極電壓，因此，只要能 電壓調整器100的電晶體外對應較高的電壓，便可以似^出 電流較大。 ' 在此請另注意，核心電路340於運作模式所需要的輸入電壓 可與待命模式所需要的輸人電壓不同。舉例來說，由於待命 時’核心電路340並不需要實際進行運作，可能僅僅只需要較^ 的電壓，便可以確保核心電路·可峨物皮控㈣61〇喚— 醒。因此’在本實施例中，能隙電壓調整器1〇〇與能隙電壓調敕 器300所輸出的電壓可以對應不_電壓值(譬如能隙電壓調敕 器漏可產生較高的能隙電壓）。然而，如前所述，由於標準能隙 電壓調整器100充放電荷的能力較強，於運作模式時，標準_ 電壓調整器應會拉升節點電壓的電難，使其對應標準能隙電 壓調整器100產生的能隙電壓。 示意 第7圖為本發明能隙電壓產生裝置_之第二實_的 15 1307002 圖如第7圖所示’能隙電壓產生裝置6〇〇亦包含能隙電壓調整 器3〇〇、標準能隙電壓調整器1〇〇以及控制器61〇。其中控制^ 610係轉接於標準能隙電遷調整器100、能隙電壓調整器300以 及核心電路340。此外，第二實施例的能隙電壓產生裝置_另 包含有開關620 ’輕接於能隙電壓調整器300與節點A之間，控 制器610亦耦接至開關620。 • 在本實施例中’開關⑽便是利用於運作模式時，中斷能隙 電壓調整器300與節點a的電連接。換句話說，當控制器_將 核心電路340切換至運作模式時，會同時控制開關62〇以中斷能 隙電壓游器3〇〇與節點人的電連接，因此能隙電壓調整器綱 便無法輸出電壓至節點A，而節點A的電壓便全由標準能隙電壓 調整益100所決定’其餘餅模式與第一實施例類同，於此不再資述。 • 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範 圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。 • 【圖式簡單說明】 第1圖為習知的能隙電壓調整器的示意圖。 第2圖為第1 _示嫌電壓產生電路中—區域的等效電路圖。 第3圖為本發明能隙電壓調整器之第一實施例的示意圖。 第4圖為本發明能隙電壓調整器之第二實施例的示意圖。 • 第5圖為本發明能隙電壓調整器之第三實施例的示意圖。 .1307002 第6圖為本發明能隙電壓產生裝置之第一實施例的示意圖。 第7圖為本發明能隙電壓產生裝置之第二實施例的示意圖。 【主要元件符號說明】 100 、 300 能隙電壓調整器 110、310 啟動電路 120 、 320 能隙電壓產生電路 130、330、530 電壓調整器 121 > 122 > 321 > 322 區域 140、340 核心電路 600 能隙電壓產生裝置 610 控制器 620 開關 131 運算放大器 132 分壓電路

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Claims (1)

1307002 十、申請專利範圍： L 一種能隙電壓產生電路，其包含有： 第-電路，麵接至-第一節點以及一第二節點，用來使該第 一節點與該第二節點對應相同之電壓準位； 一第一阻抗元件，耦接於該第一節點； 一第二阻抗元件，耦接至該第二節點，該第二阻抗元件之阻抗 係大於該第一阻抗元件之阻抗； 一第一電晶體，耦接至該第一阻抗元件；以及 一第二電晶體，減至該第二阻抗元件與該第—電晶體； 其中該能隙電壓產生電路係於該第二節點產生-能隙電壓。 2. 如申請專利範圍第1項所述之能隙電壓產生電路，其中該第一 阻抗元件與該第二阻抗元件皆為電阻。 3. 如申凊專利範圍第1項所述之能隙電壓產生電路，其中該第一 電晶體與該第二電晶體係為雙載子接面電晶體’其中該第一電晶 體之射極耦接至該第一阻抗元件，該第一電晶體之基極與集極耦 接至该第二電晶體之基極與集極，以及該第二電晶體之射極耦接 至該第二阻抗元件。 4. 如申凊專利範圍第1項所述之能隙電壓產生電路，其係應用於 一能隙電壓調整器。 18 1307002 5·—種能隙電壓調整器，其包含有： -能隙電壓產生魏’肖來提供—電壓，該能隙電壓產生 電路包含有： ‘ 帛電路’输至一第一節點以及一第二節點，用來使該 ' 帛節點與5亥第-節點對應相同之電壓準位； -第-ρ且抗元件，接於該第一節點； -第-阻抗7L件，输至該第二節點，該第二阻抗元件之阻 • 抗係大於該第一阻抗元件之阻抗； -第-電晶體’祕至該第一阻抗元件；以及 第-f晶體，減至該第二阻抗元件與該第—電晶體； 其中該能隙電壓產生電路係於該第二節點產生一能隙電 壓；以及 電塵°周整器’用來根據該能隙電蜃輸出-調整電壓。 _ 6.如申請專利範圍第5項所述之能隙電廢調整器，其中該第一阻 抗元件與該第二阻抗元件皆為電阻。 7.如申請專利範圍第5項所述之能隙電屬調整器，其中該第一電 B曰體與雜二電晶體係為雙載子接面電晶體，財該第—電晶體 之射極輕接至該第一阻抗元件，該第一電晶體之基極與集極搞接 至該第二電晶體之基極與集極，以及該第二電晶體之射極麵接至 該第二電路元件。 19 l3〇7〇〇2

如申請專利範圍第5項所述之能隙電壓調整器，其中兮 整器包含有： 一電晶體，耦接至該能隙電壓產生電路，用來根據該乾 輸出該調整電壓。 9·如申請專利範圍第8項所述之能隙電壓調整器，其中讀。 係為-金氧半場效電晶體，該電晶體包含有—、 —汲極」於該閘極接收該能隙電壓並且根據該能隙電壓'，'趣4戈 極輪出該調整電壓。 10.如申請專利範圍第5項所述之能隙電壓調整器，其中診％ 整器包含有： 八 用 一分壓電路，用來依據該調整電壓產生一分壓；以及 一運算放大ϋ ’祕雜能隙賴產生镇與該分壓 來依據該能隙電璧與該分壓控制該調整電塵。 Π.—種能隙電壓產生裝置，用w_ 用叫供—核心電路於-待命狀態或 —運作狀態所需之電壓，其包含有·· 亏P狀〜次 —第一能隙電壓調整器，鉍垃认^ 能隙輕； _鳩心魏，_生-第- 能隙電壓’其中當該核心電路處於該待命狀態時，該第 20 1307002 二能隙電壓調整器係不啟動；以及 一控制器，耦接至該第一能隙電壓調整器、該第二能隙電壓調 整器以及該核心電路，用來將核心電路切換至該待命狀，雖 . 或該運作狀態，並於該運作狀態時啟動該第二能隙電壓古周 - 整器。 12. 如申請專利範圍第u項所述之能隙電壓產生裝置，其中該第一 鲁能隙電壓調整器之消耗電流小於該第二能隙電壓調整器之消耗 電流。 13, 如申請專利範圍第u項所述之能隙電壓產生裴置，其中該第一 能隙電壓調整器包含有： 一能隙電壓產生電路，用來提供一能隙電壓，該能隙 電路包含有： ❿ ―第—電路’祕至u點以及u點，用來使該 第一節點與該第二節點對應相同之電壓準位； 一第一阻抗元件，耦接於該第一節點； -第二阻抗元件’減至該第二節點，該第二阻抗元件之阻 抗係大於該第一阻抗元件之阻抗； 弟電曰曰體，麵接至該第一阻抗元件；以及 一第二電晶體’減至該第二阻抗元件與該第—電晶體； 其t該能隙電壓產生電路係於該第二節點產生一能隙電 壓；以及 21 1307002 -電壓調整器，用來根據該能隙電壓輸出—調整電座。 如申睛專利範圍帛13項所述之能隙電麼產生裝置，其中該第一 ' 阻抗元件與S亥第一阻抗元件皆為電阻。 15. 如申请專利範圍帛I3項所述之能隙電壓調整器，其中該第一電 晶體與該第二電晶體係為雙載子接面電晶體，其中該第—電晶體 φ之射極爐至該第—阻抗元件，該第一電晶體之基極與集極搞接 至該第二電晶體之基極與集極，以及該第二電晶體之射極耦接至 該第二阻抗元件。 16. 如申請專利範圍帛u項所述之能隙電壓調整裝置，其中該電壓 調整器包含有： -電晶體’祕至魏隙電難生電路，帛來根據該能隙電壓 輸出該調整電壓。 .17.如巾睛專利細第u項所述之能隙電壓產生裝置，其另包含 . 有： 一開關’ _至該控梅，並输於翻心電路減該第一能 隙電壓產生器之間； 其中s亥控制器係控制該開關用鍵立或中斷該核心電路以及該 第一能隙電壓產生器間之電連接。 22 1307002 18.如申請專利範圍第11項所述之能隙電壓產生裝置，其中該第一 能隙電壓調整器以及第二能隙電壓調整器係粞接於該核心電路 之同一輸入節點，核心電路係於該運作狀態下同時接收該第一、 第二能隙電壓來執行該預定操作，且該第一能隙電壓調整器之輸 出電流小於該第二能隙電壓調整器之輸出電流。

Η 、圖式： 23