TWI307211B - Current source with adjustable temperature coefficient and method for generating current with specific temperature coefficient - Google Patents

Description

1307211 i7S0Btwf.doc/e 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種電流源，且特 調溫度係數之糕㈣路。且特&有關於一種可 【先前技術】 在今曰的類比電路中，因製程的演進， 内所含的電晶體數目越來越多，使得電路在運 熱能越來越大，而電路的溫度也因此越來编。且田 ，祕電路中許Κ件的触將會 路的表現也會因此變差。舉例來說，類比電路中^ ! 差動對(Differential Pairs)，由兩個電晶體的源極 诉 以-個偏壓電流驅動這兩顆電晶體。當這個偏，因二 度的變化而有所改變時，差動對電路的電壓增益 都將會受到影響。因此在類比電路中就需要使収=路 來產生穩定且不受溫度影響的偏壓電流。 > $电 同樣的，在類比轉數位(A/D)以及數位轉類 轉換器中’亦需要-個使則|定且不受温度影響的 位，來定義輸入或輸出之全部電位的範圍。 / 若要得到一個不隨溫度變化的穩定參考電位，則必須 用一個正溫度係數電壓補償負溫度係數電壓，如圖、1A /為 習知能帶隙(bandgap)電壓參考電路之簡化電路圖。圖 中雙载子電晶體Q的基射極電壓Vbe為負溫度係數電壓。 此電路利用與絕對溫度成正比例的電壓乘上尺倍，再與負 溫度係數的VBE作補償，相加後輸出零溫度係數電壓ν^。 ⑧ 6 I twf.doc/e 圖IB則是習知圖1A電路實際佈局，其組成包括雙載 子電晶體Ql、Q2、Q3、電阻Ri、R2、P型MOS電晶體 M3、電流鏡10與20。其中電流鏡1〇為相同之PsM〇s 電晶體M1-M2組成，電流鏡20為相同之NsM〇s電晶 體M4-M5組成。由電流鏡10與2〇產生兩個相同之電= 分別流入Ql、Q2，且節點PI、P2電壓相同。 若將雙載子電晶體Q1之基射極電壓表示為Vbei，雙 載子電晶體Q2之基射極電壓表示為Vbe2,則電阻幻之^ 端壓降為VBE1_ Vbe2，並由雙载子電晶體之物理特性可知 v圆-V脆為正溫度係數電壓，故流經R1之電流為正溫产 係數電流。並利用P型MOS電晶體M2、M3組 : 鏡結構，將電阻R1上之電流複製到電阻R2，所以電阻= 度係數電壓。由於雙載子電晶體印 |雙载子電晶體Q3之 數電塵互相補償，輸出零溫㈣數電壓/1、負咖度係 v f 壓參考魏，其輪“溫麟數電壓 使“=!^;;=他_就需要 :::二壓參考電路輪_== =，又因加入電阻使得電路更加複 路的競爭力。 、々擴大，降低積體電 【發明内容】 lT8^6twf.doc/e 因此，本發明的目的就是提供一種可調溫度係數的電 流源，以產生任意大小和任意溫度係數的電流。 本發明提出一種可調溫度係數的電流源，用以產生具 有特定溫度係數之輸出電流。此電流源包括第一電流產生 單元、第二電流產生單元與電流加法單元。其中第一電流 產生單元，用以產生具有正溫度係數之第一電流。第二電 流產生單元用以產生具有負溫度係數之第二電流。電流加 法單元耦接至第一電流產生單元與第二電流產生單元，用 以依預定比例合成第一電流與第二電流，以產生具有特定 溫度係數之輸出電流。其中，藉由調整預定比例而決定輸 出電流之溫度係數。 本發明因依照一定的比例而將正溫度係數電流與負溫 度係數電流相加，因此可產生一個任意大小與任意溫度係 數之電流源，再藉由此電流驅動而產生一個任意大小與任 意溫度係數之電壓。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 明如下。 【實施方式】 圖2為本發明實施例之可調溫度係數之電流源電路 圖。圖中包括第一電流產生單元210、第二電流產生單元 220與電流加法單元230。其中第一電流產生單元210用以 產生具有正溫度係數電流。第二電流產生單元220用以產 生具有負溫度係數電流。電流加法單元230耦接至第一電 Ι3072,|8^άοοΑ 流產生單元210與第二電流產生單元22〇，用以依照比例 合成正溫度係數電流與負溫度係數電流，而輸出具有特定 溫度係數之電流。 第一電流產生單元210包括第一電流鏡211、第二電 流鏡212、第一電阻R101、第一電晶體217與第二電晶體 218。於本實施例中，電晶體217與218例如以ΡΝΡ雙載 子電晶體實施之。 第一電流鏡211具有主側第一端、第二端與僕側第一 端、第二端。並於本實施例中，第一電流鏡211以第五電 晶體213與第六電晶體214組成。其中，電晶體213與214 例如以Ρ型MOS電晶體實施之，且電晶體213的源極與 汲極分別為第一電流鏡211之僕側第一端與第二端，電晶 體214的源極與汲極則分別為第一電流鏡21丨之主側第一 端與第二端。電晶體213之閘極電性連接至電晶體214之 閘極與汲極，電晶體213、214之源極連接至第一 VDD 〇 、同樣的’第二電流鏡2!2與第一電流鏡211構造相同， 並於本貝把例中’帛二電流鏡212以電晶體犯與電晶體 216組成’且例如以Ν㉟M〇S電晶體實施之。而電晶體 犯的雜與源極分別為第二電流鏡犯之主侧第一端盘 2^=^體216的練與源極分別為第二電流鏡 僕側弟柒與第二端。電晶體216之閘極電性連接 至電晶體215之閘極與汲極，電晶體犯與m之汲極分 別連接至電晶體213與214之汲極。 itwf.doc/e 電bb體216之源極電性連接至電阻丨之第—端。 電阻R1G1之第二端電性連接至電晶體218之射極。電曰 體215之源極電性連接至電晶體217之射極。電晶體加曰: 218之基極與集極皆電性連接至第二系統電壓vss。 第-電流鏡m與第二電流鏡犯產生與第一系 壓VDD無關之穩㈣第—電流^，流人電晶體217與電 晶體218中。而節點P1之電壓（第一 點、 之電壓(第二内糊)幾乎相同。 ?2 若電晶體217的基極至射極電壓表示為Vbei，電晶體 218的基極至射極電壓表示為％。並且由電晶體的物理 特性可知，電晶體217集極電流Ic=Isexp(VBEi/VT)，而v邱产 VTln(Ic/Is) ’ 其中 VT 為熱電壓(thermal v〇ltage)，“ 為餘和 電流(saturation current)。在此實施例中，因流入電晶體2 i 7 與電晶體218的電流大小相同，若忽略基極電流，電晶體 217與電晶體118的集極電流皆約為l。又因電晶體217 與電晶體218為不同之電晶體，且電晶體218的接面面積 為電晶體217的N倍，故電晶體218的飽和電流為電晶體 217的N倍。因此，電晶體217、218之基射極電壓差 VbE1-VBE2 ^xlnili/Is)- VTln(I1/NIs)= VTln(N) ° 由於電晶體的物理特性可知熱電壓VT為正溫度係數 電壓’所以VBE1-VBE2也為正溫度係數電壓。且因節點P1 與P2的電壓幾乎相同，所以電阻R101兩端之電壓剛好為 Vbei-VBE2，而電阻R101兩端之壓降驅動產生電流l。因 此，電流1丨為正溫度係數電流。 膽m twf.doc/e 第二電流源產生器220包括運算放大器第二 晶體奶、第四電晶體您與第二電阻_。於本 中’電晶體222以N型MOS電晶體實施之，而電晶體奶 則是以P型MOS電晶體實施之。 運算放大器221第-輸入端(例如是正輸入端）電性連 接至電晶體215之源極’用以接收節點p2之電辦。電曰曰 體222閑極電性連接至運算放大器之輪出端，而電ς體您 祕電性連接至運算放大器之第二輸人端（例如是負輸入 與電阻R102之第-端。電阻R1〇2之第二端電性連接 至第二系統電壓VSS。而電晶體223之源極電性連接至第 -系統電壓VDD’而其閘極與汲極則電性連接至電晶體 222之>及極。 。經由運算放大器221與電晶體222可組成一個電壓複 製器’而節點P3之電壓（第三内部電愿)將獲得補償而 點P2之電壓相同，並由節點P3之電壓驅動電阻則⑽， 以產生第二電流I因節點P2電性連接至電晶體217之射 極，且由電晶體的物理特性可知，電晶體之基射極電㈣ 溫度上升而下降，故節點P2、P3電壓為負溫度係數電厨， 因此電流12為負溫度係數電流。 土 若此實施例與習知技術的能帶隙電壓參考電路相比， 傳統的電路直接將電晶體基射極之負溫度係數電壓， 與正溫度絲電壓互相補償，產生—零溫度係數電^而 本發明設計了第二電流產生單元22G，產生—個負溫度係 I3072U twf.doc/e 數的電流〗2，並可由電阻R102來調整電流I2大小，故較 習知技術更加具有彈性。

電流加法單元230包括第一電流產生器與第二電流產 生器。透過第一電流產生器，可將第一電流h依一定比例 放大後輸出第三電流I3。透過第二電流產生器，可將第二 電流依一定比例放大後輸出第四電流l4。於本實施例 中，第一電流產生器以第八電晶體232實施之，並可例如 是一 P型M0S電晶體。第二電流產生器以第七電晶體231 貫施之’並可例如是一 p型M0S電晶體。 電晶體231之閘極電性連接至電晶體223閘極，電晶 體231之源極電性連接至第一系統電壓VDD。電晶體231 與電晶體223組成電流鏡結構，並利用電晶體之通道寬度 與長度比值或其他之元件特性’將電流l2依照預定比例放 大，並由電晶體231汲極輸出電流h。由上述可知，電流 為負度係數電流’故14也為負溫度係數電流。

電晶體232之閘極電性連接至電晶體214之問極 晶體23 2之源極電性連接至第一系、统電壓VD D，並且 體232與電晶體214組成電流鏡結構，利用電晶體之通= 寬度與長度比值或其他之元件特性，將電^依照預定比 例放大’ 由電晶體232之没極輸出電流l3。由上述可知， 電流1丨為正溫度係數電流’故13也為正溫度係數電流。 而電晶體231之汲極電性連接至電晶體说之没極， ηΐ係數電流13與負溫度係數電流U相力口後，合成 輸出任意溫度係數與任意大小的輸出電流。 12 ►6twf.doc/e 由上述之電路結構可知，電流加法單元MO輸出電流 其可藉由碰第二電流l3與第四電流&之比例而決定 輸出電流1_之溫度係數與電流大*。例如，{透過調整 電B曰體上231 232之通道寬度與長度比值或其他之元件特 性，來調整電流I】、l2的放大倍率，或是經由電限麵 與Rl〇2直接調整' l2的大小。故調整的方法可視製程情 況決有多種的選擇’使得電路在設計上更加具有彈性。 右=以本發明來實現—個任意溫度係數與任意大小的 ή!料·由上述之方法，將任意溫度係數與大小 、、例如圖2之輪出電流w配合一阻抗元件(例如電 或是電晶體電阻），便可以建立出-個參考電Μ。故透過 =阻抗值5周整’或是透過上述之方法(電晶體通道 g出、1 比Ϊ或電阻阻抗值調整)調整輸出電流^，便 ^出-個任思溫度係數與大小的參考電麼。且由於來考 小不再受到限制於傳統的12伏特，故省卻了分 力使得整體的電路架構更為簡單，消耗的電流更 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，狹盆並 f ί本㈣’任何_此技藝者，在不_本發明之梦神 些許之更動與潤飾，因 = 耗圍當視後ρ狀申請專難_界定者轉。〈保4 【圖式簡單說明】 路 圖 圖1Α綠示為習知能帶隙電塵參考 13 •twf.doc/e 圖IB繪示為習知能帶隙電壓參考電路之電路圖。 圖2繪示為依照本發明較佳實施例之可調溫度係數電 流源電路圖。 【主要元件符號說明】 _ 10、20 :電流鏡

Ml、M2、M3 : P 型 MOS 電晶體 • M4、M5 : N型MOS電晶體

Ql、Q2、Q3 :雙載子電晶體 籲 Rl、R2 :電阻

Vref :參考電壓 210 :第一電流產生單元 211 :第一電流鏡 212·•第二電流鏡 213 :第五電晶體 214 :第六電晶體 215、216 :電晶體 一 • 217 :第一電晶體 218 :第二電晶體 220 :第二電流產生單元 221 :運算放大器 222 :第三電晶體 223 :第四電晶體 230 :電流加法單元 231 :第七電晶體 14 •twf.doc/e 232 :第八電晶體 VDD :第一系統電壓 VSS :第二系統電壓 R101 :第一電阻 R102 :第二電阻 工1 :第一電流 工2 ·弟二電流 13 :第三電流 14 :第四電流 Icmt :輸出電流 PI、P2、P3 :節點

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Claims (1)

1. itwf.doc/e 十、申請專利範圍： 1. 一種可調溫度係數之電流源，用以產生具有特定溫 度係數之輸出電流，該電流源包括： 一第一電流產生單元，用以產生具有正溫度係數之第 一電流； 一第二電流產生單元，用以產生具有負溫度係數之第 二電流；以及 一電流加法單元，耦接至該第一電流產生單元與該第 二電流產生單元，用以依一第一預定比例合成該第一電流 與該第二電流，以產生具有特定溫度係數之該輸出電流， 其中藉由調整該第一預定比例而決定該輸出電流之溫度係 數。 2. 如申請專利範圍第1項所述可調溫度係數之電流 源，其中該第一電流產生單元更產生具有正溫度係數之第 一内部電壓，並且該第一電流產生單元包括： 一第一電阻，用以依據該第一内部電壓而決定通過該 第一電阻之該第一電流。 3. 如申請專利範圍第2項所述可調溫度係數之電流 源，其中該第一電流產生單元更包括： 一第一電流鏡，具有主侧第一端、主侧第二端、僕側 第一端與僕側第二端，其中該第一電流鏡之主侧第一端與 僕侧第一端連接至一第一系統電壓； 一第二電流鏡，具有主侧第一端、主侧第二端、僕侧 第一端與僕側第二端，其中該第二電流鏡之主侧第一端連 16 ^072^ twf.doc/e 接至該第一電流鏡之僕側第二端，該第二電流鏡之僕側第 一端連接至該第一電流鏡之主側第二端，該第二電流鏡之 僕側第二端電性連接至該第一電阻之第一端，並且第二電 流鏡之主侧第二端產生具有負溫度係數之第二内部電壓； 一第一電晶體，其射極電性連接至該第二電流鏡之主 侧第二端，而其基極與集極則電性連接至一第二系統電 壓；以及 端 一第二電晶體’其射極電性連接至該第―電阻之第二 而其基極與集極則電性連接至該第二系統電壓。 源 4.如申請專職圍第3項所述可調溫度係數之電流 其中5玄苐一電流產生單元包括： 一電壓複製H輸人端電性連接至該第二電流鏡之 主側第二端，用以接收該第二内部電壓，並依—第二預定 比嫩製該第二内部電壓並輸出為第三内部電壓；以及 广、一電阻，電性連接至該電壓複製器，用以依據該 Ί裝器所輸出之第三内部電壓而決定通過該第二電阻 之3玄第電〉危。 源，4專利範圍第4項所述可調溫度係數之電流 該電壓複製器包括： 一運算放大器，其第一輸入端電性連 電流鏡之主側第m 主及弟一 乐—柒，用以接收該第二内部電壓；以及 & 1 一第二電晶體，其閘極電性連接至該運算放大51 之别& ’其源極·連接至該運算放大器之第二輸入端 17 •twf.doc/e 與該第二電阻之第一端，其中該第三電晶體之源極電壓即 為該第三内部電壓；以及 該第二電流產生單元更包括： 一第四電晶體，其源極電性連接至該第一系統電 壓，而其閘極與汲極則電性連接至該第三電晶體之汲極。 6. 如申請專利範圍第5項所述可調溫度係數之電流 源，其中該第一電流鏡包括： 一第五電晶體，其源極與汲極分別為該第一電流鏡之 僕侧第一端與第二端；以及 一第六電晶體，其源極與汲極分別為該第一電流鏡之 主侧第一端與第二端，而該第六電晶體之閘極則電性連接 至該第五電晶體之閘極與該第六電晶體之汲極。 7. 如申請專利範圍第6項所述可調溫度係數之電流 源，其中該電流加法單元包括： 一第七電晶體，其閘極電性連接至該第四電晶體之閘 極，該第七電晶體之源極電性連接至該第一系統電壓，而 該第七電晶體之汲極輸出一第三電流；以及 一第八電晶體，其閘極電性連接至該第六電晶體之閘 極，該第八電晶體之源極電性連接至該第一系統電壓，而 該第八電晶體之汲極電性連接至該第七電晶體之汲極，其 中該第八電晶體之汲極輸出一第四電流； 其中該第三電流與該第四電流之總和為該輸出電流。 8. 如申請專利範圍第1項所述可調溫度係數之電流 源，其中該電流加法單元包括： 18 13 072 l^twf.doc/e 一第一電流產生器，電性連接至該第一電流產生單 元，用以依據該第一電流而輸出一第三電流；以及 一第二電流產生器，電性連接至該第二電流產生單 元，用以依據該第二電流而輸出一第四電流； 其中藉由調整該第一電流與該第三電流之間的比例關 係，以及調整該第二電流與該第四電流之間的比例關係， 而決定該第一預定比例；以及 該電流加法單元將該第三電流與該第四電流並聯輸 出，以作為該輸出電流。 9. 一種產生具有特定溫度係數之輸出電流的方法，其 包括： 使一電流源通過一第一電晶體及一第二電晶體，該第 一電晶體具有一第一基射極電壓且該第二電晶體具有一第 二基射極電壓5並將該弟一基射極電壓與該第二基射極電 壓之差值轉換為一第一電流； 將該第一基射極電壓經由一電壓複製器，施加於一第 一阻抗上以產生一第二電流； 將該第一電流放大一第一倍率作為一第三電流； 將該第二電流放大一第二倍率作為一第四電流；以及 將該第二電流與該弟四電流相加，產生该具有特定溫 度係數之輸出電流。 10. 如申請專利範圍第9項所述產生具有特定溫度係 數之輸出電流的方法，其中該第一電晶體與該第二電晶體 具有不同的接面面積。

   19 13 Ο 72 llzsl^twf.doc/e 11. 如申請專利範圍第9項所述產生具有特定溫度係 數之輸出電流的方法，其中將該第一基射極電壓與該第二 基射極電壓之差值轉換為該第一電流之步驟，係將該第一 基射極電壓與該第二基射極電壓跨接於一第二阻抗以產生 該第一電流。 12. 如申請專利範圍第9項所述產生具有特定溫度係 數之輸出電流的方法，其中該第一電流係為正溫度係數電 流’該弟二電流係為負溫度係數電流。 13. 如申請專利範圍第9項所述產生具有特定溫度係 數之輸出電流的方法，其中藉由調整該第一倍率與該第二 倍率之比例，可得到特定溫度係數。

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