TWI556080B - 產生能隙參考電壓的裝置和方法 - Google Patents

Description

產生能隙參考電壓的裝置和方法

本發明是關於一種裝置，且特別是有關於一種具有能隙參考級的裝置。

由於電子元件(例如：電晶體、二極體、電阻器和電容器等等)的集積度(Integration density)的改良，使得半導體產業有了大幅度地成長。主要來說，集積度的改進來自於縮小半導體製程節點(process node)(例如，將製程節點往次20奈米(nm)節點縮小)。

在半導體製程節點的發展中，縮小半導體製程節點即須減少電子電路的操作電壓和電流消耗。舉例來說，操作電壓已從5伏特下降至3.3伏特、2.5伏特、1.8伏特、0.9伏特等等。行動裝置的潮流帶動了低功率電路的發展。亦跟著增加。低功率電路可從用以提供電力給行動裝置的電池中汲取較小的操作電流。低操作電流可延展靠電池操作的行動裝置之壽命，例如：智慧形手機、平板電腦和筆記型電腦等等。

本發明之一態樣在於提供一種用以產生能隙參考電壓的裝置。所述裝置包含電流鏡電路、放大器、電壓控制電路和輸出電路。電流鏡電路用以產生控制電流。電流鏡電路包含至少一個第一電晶體。放大器耦接於電流鏡電路。放大器用以產生控制電壓以控制電流鏡電路。電壓控制電路耦接於電流鏡電路和放大器。電壓控制電路用以根據控制電流控制能隙參考電壓。輸出電路耦接於電壓控制電路。輸出電路用以產生能隙參考電壓。當所述至少一個第一電晶體操作在線性區時，能隙參考電壓保持在穩態。

本發明之另一態樣在於提供一種用以產生能隙參考電壓的裝置。所述裝置包含第一電路、第一回授路徑、第二電路和第二回授路徑。第一電路用以產生控制電流、一第一節點電壓和一第二節點電壓。第一電路包含電晶體。第一回授路徑用以維持第一節點電壓大約相同於第二節點電壓。第二電路用以從控制電流產生能隙參考電壓。第二回授路徑用以透過比較控制電流和第一電路產生的中間值電流來調整能隙參考電壓。當電晶體操作在線性區時，第一電路、第一回授路徑、第二電路和第二回授路徑用以產生穩定的能隙參考電壓。

本發明之再一態樣在於提供一種用以產生能隙參考電壓的方法。所述方法包含：利用至少一電晶體操作在線性區以在第一節點產生第一電流及在第二節點產生第二電流；在第一節點回授第一電壓及在第二節點回授第二電壓 使得第一電流維持與第二電流大約相同；鏡射第二電流以在第三節點產生第三電流；及在第三節點回授第三電壓及在輸出節點回授第四電壓以維持第四電壓在輸出節點之準位為能隙參考電壓之準位。

10‧‧‧能隙參考電路

101、102、103、142‧‧‧電晶體

110‧‧‧放大器電路

121‧‧‧第一雙極性接面電晶體

122‧‧‧第二雙極性接面電晶體

131、132、133、134‧‧‧電阻元件

140‧‧‧電壓控制電路

141‧‧‧放大器電路

11、12、13、14‧‧‧節點

15‧‧‧輸出節點

20‧‧‧裝置

30‧‧‧方法

300~340‧‧‧步驟

I1‧‧‧第一電流

I2‧‧‧第二電流

I3‧‧‧第三電流

V1‧‧‧第一電壓

V2‧‧‧第二電壓

V3‧‧‧第三電壓、第二控制電壓

Vref‧‧‧參考電壓

VC1‧‧‧第一控制電壓

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖是根據本發明之一或多個實施例繪示的一種能隙參考電路的示意圖；第2圖是根據本發明之一或多個實施例繪示的另一種能隙參考電路的示意圖；及第3圖是根據本發明之一或多個實施例繪示的一種操作第1圖或第2圖的能隙參考電路的方法的流程圖。

以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本揭示內容之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本揭示內容之較佳實施例後，當可由本案所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本案之精神與範圍。

一種新穎的能隙參考電路和其方法將揭示於下述內容中。能隙參考電路利用電壓控制電路達到在低功率操作時具有低輸出電壓與溫度變異。

能隙參考電路用以提供理想上不被製程、電壓和溫度(Process,voltage,and temperature，PVT)變異 影響的參考電壓或參考電流。這可透過產生一成比例於絕對溫度(Proportional to absolute temperature，PTAT)電流和與一互補於絕對溫度(Complementary to absolute temperature，CTAT)電流的總和的電流來實現。PTAP電流隨著溫度的上升而增加，且隨著溫度的下降而減少。另一方面，CTAT電流則是隨著溫度的上升而減少，且隨著溫度的下降而增加。透過適當的電路設計，可以平衡PTAP電流和與CTAT電流，使得在兩者相加時，可以抵銷掉彼此的製程、電壓和溫度變異。在此揭示的一或多個實施例中，所使用的兩個雙極性接面電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)提供的基射極電壓(VBE)顯現出與絕對溫度互補(CTAT)的特性，而兩者的基射極電壓差(△VBE)則是顯現出與絕對溫度成比例(PTAT)的特性。能隙參考電路中的電流鏡電晶體用以鏡射由參考電流源電晶體提供的總合電流。在低供應電壓的情況下，參考電流源電晶體和電流鏡電晶體操作在線性區，一般來說，這樣的情況會使得鏡射電流產生非預期的變化。因此，一種電壓控制電路在此揭示。電壓控制電路用以控制電流鏡電晶體的偏壓準位，使其偏壓準位與參考電流源電晶體的偏壓準位大約相同。相同的偏壓準位可確保鏡射電流緊密地追蹤總合電流的任何變化。

第1圖是根據本發明之一或多個實施例繪示的一種能隙參考電路10的示意圖。在部分實施例中，能隙參考電路10可做在積體電路晶片、運算裝置或其它電子裝置中。然而， 包含能隙參考電路10的其它電子裝置亦在本發明的揭示範圍中。

能隙參考電路10的電晶體101電性耦皆於能隙參考電路10的電晶體102和103。電晶體101為電流源，用以提供第一電流I1給第一雙極性接面電晶體121和第一電阻元件131。電晶體101的源極電性耦接第一第一電壓供應節點。在部分實施例中，第一電壓供應節點為積體電路中的接墊(Pad)。在部分實施例中，第一電壓供應節點為被提供第一供應電壓VDD之節點。在部分實施例中，第一供應電壓VDD為提供給能隙參考電路10之電壓，用以偏壓能隙參考電路10。在部分實施例中，第一供應電壓VDD大約小於1.25伏特(Volt)。在部份實施例中，第一供應電壓VDD大約小於0.9伏特。然而，第一供應電壓VDD在大於1.25伏特或小於0.9伏特的電壓之範圍亦在本發明揭示的範圍中。電晶體101的閘極電性耦接電晶體102的閘極。在部分實施例中，電晶體101為P型金氧半電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)。在部分實施例中，電晶體101操作在線性區。在未限定的例子中，第一供應電壓VDD為夠低的電壓使電晶體101的汲源極電壓(VDS)小於電晶體101的汲極飽和電壓(Drain saturation voltage，VDSAT)或是過驅電壓(Overdrive voltage，VOD)。在一例子中，過驅電壓為P型金氧半電晶體的源閘極電壓(VSG)減去臨界電壓(Threshold voltage，VTH)。為了讓電晶體101操作在線性區，第一供應電壓VDD要小於 過驅電壓和第一雙極性接面電晶體121的基射極電壓(VBE)之總和。

電晶體102用以提供第二電流I2給第二雙極性接面電晶體122、電阻元件132和133。在部分實施例中，電晶體102的源極電性耦接第一電壓供應節點。電晶體102的閘極電性耦接電晶體101的閘極。在部分實施例中，電晶體101和102的尺寸大約相同。在相同偏壓的情況下，具有相同尺寸的電晶體101和102可產生相同的汲極電流。在部分實施例中，具有相同尺寸的電晶體101和102即代表具有相同的長度和寬度。在積體電路中，製程變異(Process variation)會導致製造好且具有相同佈局面積(Layout dimension)(例如：相同的通道長度和寬度)的兩個電晶體無法匹配。在非限定的例子中，電晶體101的通道寬度和長度與電晶體102的通道寬度和長度之差異分別在10%以內。電晶體101和102在尺寸上的不匹配會因半導體製作過程、佈局樣式及佈局面積而有差異。在部份實施例中，電晶體102為P型金氧半電晶體。

第一雙極性接面電晶體121用以提供一個與絕對溫度互補的基射極電壓(VBE)。基射極電壓通常可以表示為：

其中I_C為集極電流，I_S為反向飽和電流。雖然VBE包含一與溫度(T)成正比的項目(kT/q)，然而與VBE 成反比的反向飽和電流I_S主宰了方程式，使得整個VBE和溫度的關係為與絕對溫度互補。

第一雙極性接面電晶體121的射極電性耦接電晶體101的汲極和放大器電路110的第一輸入端。第一雙極性接面電晶體121的集極電性耦接第二電壓供應節點。在部分實施例中，第二電壓供應節點為積體電路中的接墊(例如：接地接墊或是VSS接墊)。第一雙極性接面電晶體121的基極電性耦接第二電壓供應節點。

第二雙極性接面電晶體122根據電晶體102提供的第二電流I2建立第二基射極電壓。第二雙極性接面電晶體122的射極電性耦接電晶體102的汲極，及透過電阻元件132電性耦接放大器電路110的第二輸入端。在部分實施例中，電阻元件132為積體電阻器。在部分實施例中，電阻元件132為透過積體電路製程(例如：互補金氧半導體製程(Complementary metal-oxide-semiconductor(CMOS)process))製造的電阻性電路元件。在部分實施例中，電阻元件132為多晶矽電阻器(Polysilicon resistor)或擴散電阻器(Diffused resistor)。然而，用來作為電阻元件132的其它類型之電阻器亦在本發明之揭示範圍中。電阻元件132的第一端電性耦接電晶體102的汲極和放大器電路110的第二輸入端。電阻元件132的第二端電性耦接第二雙極性接面電晶體132的射極。第二雙極性接面電晶體132的集極電性耦接第二電壓供應節點。在部分實施例中，第一雙極性接面電晶體121為PNP型雙極性接面電晶體。在部分實施例中， 第二雙極性接面電晶體122為PNP型雙極性接面電晶體。第二雙極性接面電晶體132的基極電性耦接第二電壓供應節點。

放大器電路110用以調節電晶體101的汲極上的第一電壓V1，使其與電晶體102的汲極上的第二電壓V2相同。放大器電路110的第一輸入端(例如：反向輸入端)電性耦接電晶體101的汲極(節點11)。放大器電路110的第二輸入端(例如：非反向輸入端)電性耦接電晶體102的汲極(節點12)。放大器電路110的輸出端電性耦接電晶體101的閘極和電晶體102的閘極。在部分實施例中，放大器電路110為運算放大器。

電晶體101和102在放大器電路110周圍形成封閉迴圈回授，使得第一電壓V1相同於第二電壓V2。舉例來說，當第二電壓V2增加到的準位比第一電壓V1增加的準位高時，放大器電路110會增加電晶體101和102的閘極上的電壓。在電晶體101和102閘極上增加的電壓會減少第一電流I1和第二電流I2。第一電流I1和第二電流I的減少會導致第二電壓V2下降到與第一電壓V1具有的準位相同。

放大器電路110可將第二電壓可V2保持與第一雙極性接面電晶體121的基射極電壓(VBE1)相同。因此，第二電流I2等同於(VBE1-VBE)/R₁₃₂，其中VBE2為第二雙極性接面電晶體122的基射極電壓，R₁₃₂為電阻元件132的電阻值。流經電阻元件132的電流為△VBE(即VBE1-VBE2)的函數，因此其電流特性為PTAT。

在部分實施例中，能隙參考電路10還包含電阻元件131和133。電阻元件131的第一端電性耦接電晶體101的汲極和放大器電路110的第一輸入端。電阻元件131的第二端電性耦接第二電壓供應節點(例如：接地端)。電阻元件133的第一端電性耦接電晶體102的汲極和放大器電路110的第二輸入端。電阻元件131的第二端電性耦接第二電壓供應節點(例如：接地端)。在部分實施例中，電阻元件131和133為多晶矽電阻器或擴散電阻器等等。然而，用來作為電阻元件132的其它類型之電阻器例亦在本發明之揭示範圍中。在具有電阻元件131和133的實施例中，第二電流I2可以用下式表示：

其中V_T為熱當電壓(Thermal voltage)，n為第二雙極性接面電晶體122的尺寸與第一雙極性接面電晶體121的尺寸之比值，R₁₃₂為電阻元件132的電阻值，VBE₁₂₁為第一雙極性接面電晶體121的基射極電壓，及R₁₃₃為電阻元件133的電阻值。用來表示第二電流I2之方程式的第一項為與絕對溫度成正比，而第二項則是與絕對溫度互補。透過適當之比值n、電阻元件131、132和133的設計，可以使得第二電流I2幾乎為定數而不受到大範圍的製程、電壓和溫度之影響。

在一或多個實施例中，能隙參考級包含電晶體101和102、放大器電路110、第一雙極性接面電晶體121、第二雙極性接面電晶體122和電阻元件132。在部分實施例 中，能隙參考級還包含電阻元件131和133。能隙參考級為較大能隙參考電路中的其中一個電路級。在部分實施例中，能隙參考級為第一級電路，用以進行至第二級電路。在部分實施例中，第二級電路包含，例如，源極隨耦器電路(Source follower circuit)或是其他類型的放大電路。

電晶體103的閘極電性耦接電晶體101的閘極和電晶體102的閘極。由於電晶體103的閘極電性耦接電晶體102的閘極，電晶體103可鏡射第二電流I2以產生第三電流I3。進一步來說，由於電晶體101、102和103的閘極皆直接透過節點13上的電壓偏壓，電晶體101、102和103的閘極上的電壓皆相同。電晶體103的源極電性耦接第一電壓供應節點。電晶體101、102和103的源極上的電壓皆相同(電晶體101、102和103的源極皆直接透過第一電壓供應節點上的第一供應電壓偏壓)。在部分實施例中，電晶體103為P型金氧半電晶體。在部分實施例中，電晶體101和103具有大約相同的尺寸。如上所述，電晶體101和103的佈局面積可大約相同。而電晶體101和103在積體電路中的實體面積(Physical dimension)之不匹配則是依據製作過程、佈局樣式和佈局面積決定。

如剛才所述，電晶體101、102和103的閘極電壓和源極電壓皆相同。在部分實施例中，電晶體101、102和103的面積大約相同。在線性區中，P型金氧半電晶體的汲極可以用下式表示：

其中μ_p為載子飄移率(Charge-carrier effective mobility)，W為閘極寬度，L為閘極長度(亦即，通道長度)，C_ox為閘極氧化層的單位電容大小，及V_thp為P型金氧半電晶體的臨界電壓。在線性區的汲極電流與源汲極電壓V_SD有關聯。為了確保由電晶體101、102和103產生的汲極電流(第一電流I1、第二電流I2和第三電流I3)是相同的，除了設計電晶體101、102和103的閘極寬度W、閘極長度L和源閘極電壓V_SG要相同外，還要控制電晶體101、102和103的源汲極電壓V_SD，以確保由電晶體101、102和103產生的汲極電流(第一電流I1、第二電流I2和第三電流I3)是相同的。

為了讓電晶體103的汲極電壓與電晶體102的汲極電壓相同，能隙參考電路10還包含電壓控制電路140。電壓控制電路140用以控制電晶體103的汲極電壓。在部分實施例中，電壓控制電路140保持電晶體的汲極上的第三電壓V3之準位與第二電壓V2(亦即，電晶體102的汲極電壓)相同。以不同的方式解釋，電晶體103的汲極上的第三電壓V3會追蹤第二電壓V2。舉例來說，當第二電壓V2增加時，第三電壓V3會隨之增加；當第二電壓V2減少時，第三電壓V3會隨之減少。可執行與電壓控制電路140相同功能的其它電路亦在本發明的揭示範圍中。

電壓控制電路140亦用以調節電晶體103的源汲極電壓，使其與電晶體102的汲源極電壓大約相同。電壓控制電路140電性耦接電晶體102的汲極、電晶體102的汲 極和能隙參考電路10的輸出節點15。在部分實施例中，電晶體101、102和103的源汲極電壓透過電壓控制電路140和放大器電路110調節使彼此的源汲極電壓相差在預設範圍內。在部分實施例中，電晶體101、102和103的源汲極電壓相差在5%內。在部分實施例中，電晶體101、102和103的源汲極電壓相差在1%內。其它預設範圍亦在本發明的揭示範圍中。電壓控制電路140的設計者可在面積、功率消耗和調節效率之間做取捨。舉例來說，電壓控制電路140可以藉由犧牲其面積或是功率消耗來增加其調節效率。

由於電晶體103的汲極上的電壓V3會緊追著電晶體103的汲極上的第二電壓V2，因此由電晶體103傳導的第三電流I3會緊追著由電晶體102傳導的第二電流I2。可想而知，即使電晶體101、102和103操作在線性區，能隙參考電路10的參考電壓Vref可維持在非常穩定的狀態。模擬資料顯示由具有電壓控制電路140的能隙參考電路10產生的參考電壓Vref對於溫度變化小於20單位溫度下的百萬率(ppm/℃)。在一個非限定的例子中，假設參考電壓Vref被設計為大約1伏特，則在溫度差異範圍為70度的情況下，參考電壓Vref的變異量小於1.4毫伏特(mV)(70*20/1000000=0.0014)。電壓控制電路140的具體細節和功能將在後面敘述。

電壓控制電路140中的放大器電路141用以放大第二電壓V2和第三電壓V3的電壓差。電壓控制電路140的電晶體142在放大器電路140周圍建立負回授迴圈，使得 第三電壓V3與第二電壓V2相同。放大器電路141的第一輸入端(例如：反向輸入端)電性耦接電晶體103的汲極和電晶體142的源極。放大器電路141的第二輸入端(例如：非反向輸入端)電性耦接電晶體102的汲極和放大器電路110的第二輸入端。放大器電路141的輸出端電性耦接電晶體142的閘極。模擬資料顯示，在維持上述的效能情況下，放大器電路141所佔晶片的面積可以小於第1圖中的其它所有元件所佔晶片的面積10%。然而，具有較大或較小尺寸之放大器電路141亦在本發明之揭示範圍中。設計者可在晶片面積、功率消耗和電路效能間取捨，以得到想要的能隙參考電路10之整體電路效能。

電壓控制電路140中的電晶體142的源極電性耦接電晶體103的汲極(節點14)。電晶體142的汲極電性耦接電阻元件134的第一端。電阻元件134的第二端電性耦接第二電壓供應節點(例如：接地端)。在部分實施例中，電晶體140為P型金氧半電晶體。在部分實施例中，電阻元件134為多晶矽電阻器或擴散電阻器等等。然而，用來作為電阻元件132的其它類型之電阻器亦在本發明揭示之範圍中。

根據上述第二電流I2的方程式，在節點15的參考電壓Vref可以用下式表示：Vref=R _134m I2

其中R₁₃₄為電阻元件134的電阻值，m為電晶體103的尺寸與電晶體102(或者是電晶體101)的尺寸之比 值。在部分實施例中，m的值為1。然而，m大於1或是小於1亦在本發明揭示之範圍中。第三電流I3為m與I2的乘積。

第2圖是根據本發明之一或多個實施例繪示的一種裝置20的示意圖。裝置20在許多地方皆類似於能隙參考電路10，其類似的地方可參照類似元件。在部份實施例中，放大器電路141的第二輸入端電性耦接電晶體101的汲極。由於在節點11上的第一電壓V1與在節點12上的第二電壓V2相同，電性耦接於電晶體101之汲極的放大器電路141的第二輸入端可得到與第1圖中的放大器電路的第二輸入端電性耦接於節點12之配置的效果。

第3圖是根據本發明之一個或多個實施例繪示的一種操作在一裝置(例如：能隙參考電路10或是裝置20)的方法30的流程圖。為了方便說明，本例以第1圖或第2圖的裝置為例，然方法30並不以能隙參考電路10或裝置20為限。

在步驟300中，藉由放大器電路110比較能隙參考級的第一電壓V1和第二電壓V2。在部份實施例中，能隙參考級包含電晶體101和102、放大器電路110、電阻元件131、132和133、第一雙極性接面電晶體121和第一雙極性接面電晶體122，其組成如第1圖或第2圖所示。在部份實施例中，用以比較第一電壓V1和第二電壓V2的放大器電路110為運算放大器。在部份實施例中，放大器電路110比較第一雙極性接面電晶體121的基射極電壓(VBE1)與第二雙極性接面電晶體122的基射極電壓(VBE2)和電阻電壓V₁₃₂(電阻132上的跨壓)之總和。

在步驟310中，藉由第一控制電壓VC1控制能隙參考級的電晶體102。藉由放大器電路110產生響應於第一電壓V1和第二電壓V2的第一控制電壓VC1(例如：對應於放大器亂110的輸出端之節點13上的電壓)。在部份實施例中，第一控制電壓VC1藉由建立電晶體102的閘極電壓以控制電晶體102的源閘極電壓。在部份實施例中，第一控制電壓VC1用以控制電晶體102的第二電流I2的幅值。在部份實施例中，當第一控制電壓VC1增加時，電晶體102的第二電流I2減少。在部份實施例中，當第一控制電壓VC1減少時，電晶體102的第二電流I2增加。放大器電路110可以是用來調節電晶體102的第二電流I2。舉例來說，如果溫度的變化使得第二電壓V2增加，放大器電路110可增加第一控制電壓VC1來減少流經電阻元件132的第二電流I2，其中第二電流I2在電阻元件132間建立電阻電壓V₁₃₂。

在步驟320中，藉由第一控制電壓VC1和第二控制電壓(例如：第三電壓V3)控制電晶體103，其中第二控制電壓V3大約與第一電壓V1或第二電壓V2相同。在部份實施例中，電晶體103由第一電壓V1和第二控制電壓V3控制，其中第二控制電壓V3大約相同於第二電壓V2(如第1圖所示)。在部份實施例中，電壓控制電路140可建立響應於第二電壓V2的第二控制電壓V3。在部份實施例中，電壓控制電路140藉由放大器電路141建立第二控制電壓V3。在部份實施例中，放大器電路141藉由電晶體142調節電晶體103的汲極電壓(例如：第三電壓V3)。在部份實施例中，放大器電路141相應於第二電壓 V2的改變或是第二控制電壓V3的改變控制電晶體142的閘極電壓。

在步驟330中，藉由電晶體103產生響應於第一控制電壓VC1和第二控制電壓V3的第三電流I3。在部份實施例中，第三電流I3是由P型金氧半電晶體(即電晶體103)響應於第一控制電壓VC1和第二控制電壓V3而產生，其中第一控制電壓VC1建立於P型金氧半電晶體的閘極，而第二控制電壓V3則建立於P型金氧半電晶體的汲極。在部份實施例中，第三電流I3由電晶體103產生，其中用以偏壓電晶體103之電壓準位與偏壓電晶體102的電壓準位大約相同(即具有相同的閘極、源極和汲極電壓)。在部份實施例中，電晶體103產生第三電流I3時，電晶體103操作在線性區。

在步驟340中，輸出響應於第三電流I3的能隙參考電壓Vref，其中第三電流I3由電晶體103傳導。在部份實施例中，能隙參考電壓Vref藉由留經電阻元件134的第三電流I3建立。

上述實施例可具有以下優點。即便在非常低的電源操作下(例如：供應電源小於0.9伏特)，能隙參考電路10、裝置20和其方法30仍可產生非常穩定的參考電壓Vref(溫度參數小於20單位溫度下的百萬率)。即便電晶體103操作在線性區，參考電壓Vref的穩定性仍能維持。

根據本發明的一或多個實施例，一個裝置包含能隙參考級、鏡像電流源(Mirror current source)、電壓控制電路和電阻元件。能隙參考級用以產生第一電流、第一 控制電壓和第一電壓。鏡像電流源用以產生產生響應於第一控制電壓和第二控制電壓的第二電流。電壓控電路用以迫使第二控制電壓大約相同於第一電壓。電阻元件用以產生響應於第二電流的參考電壓。

根據本發明的一或多個實施例，一個裝置包含放大器電路、第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、電壓控制電路和電阻元件。第一電晶體包含控制端和第一端，其中控制端電性耦接放大器電路的輸出端，且第一端電性耦接放大器電路的反相輸入端。第二電晶體包含控制端和第一端，其中控制端電性耦接放大器電路的輸出端，第一端電性耦接放大器電路的非反相輸入端。第三電晶體包含控制端電性耦接放大器電路的輸出端。電壓控制電路包含第一端和第二端，其中第一端電性耦接第三電晶體的第一端，第二端電性耦接放大器電路的反相輸入端。電阻元件包含第一端電性耦接電壓控制電路的第三端。

根據本發明的一或多個實施例，一個方法包含：藉由能隙參考級的放大器電路比較能隙參考級的第一電壓和第二電壓；藉由第一控制電壓控制第一電晶體，其中第一控制電壓藉由放大器電路響應於第一電壓和第二電壓而產生；藉由第一控制電壓和第二控制電壓控制第二電晶體，其中第二控制電壓大約與第一電壓或第二電壓相同；藉由第二電晶體響應於第一控制電壓和第二控制電壓以產生電流；及輸出響應於電流的能隙參考電壓，其中所述電流藉由第二電晶體傳導。

於本文中，除非內文中對於冠詞有所特別限定，否則『一』與『該』可泛指單一個或多個。將進一步理解的是，本文中所使用之『包含』、『包括』、『具有』及相似詞彙，指明其所記載的特徵、區域、整數、步驟、操作、元件與/或組件，但不排除其所述或額外的其一個或多個其它特徵、區域、整數、步驟、操作、元件、組件，與/或其中之群組。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧能隙參考電路

101、102、103、142‧‧‧電晶體

110‧‧‧放大器電路

121‧‧‧第一雙極性接面電晶體

122‧‧‧第二雙極性接面電晶體

131、132、133、134‧‧‧電阻元件

140‧‧‧電壓控制電路

141‧‧‧放大器電路

11、12、13、14‧‧‧節點

15‧‧‧輸出節點

I1‧‧‧第一電流

I2‧‧‧第二電流

I3‧‧‧第三電流

V1‧‧‧第一電壓

V2‧‧‧第二電壓

V3‧‧‧第三電壓、第二控制電壓

Vref‧‧‧參考電壓

VC1‧‧‧第一控制電壓

Claims (10)

1. 一種用以產生一能隙參考電壓的裝置，包含：一電流鏡電路，用以產生一控制電流，其中該電流鏡電路包含至少一第一電晶體；一放大器，耦接於該電流鏡電路，用以產生一控制電壓以控制該電流鏡電路；一電壓控制電路，耦接於該電流鏡電路和該放大器，用以根據該控制電流控制該能隙參考電壓，其中該電壓控制電路所佔晶片的面積小於產生該能隙參考電壓的裝置中全部晶片面積的10%；及一輸出電路，耦接於該電壓控制電路，用以產生該能隙參考電壓；其中當該至少一第一電晶體操作在線性區時，該能隙參考電壓保持穩定。
2. 如請求項1所述之裝置，其中該至少一第一電晶體用以產生一第一電流，該電流鏡電路還包含一第二電晶體和一第三電晶體，該第二電晶體用以產生一第二電流，該第三電晶體用以產生該控制電流，其中該至少一第一電晶體、該第二電晶體和該第三電晶體中的每一者包含一第一端和一閘極端，該第一端連接至一電源供應節點 及該閘極端連接至一共同節點，其中該放大器包含一輸出端連接至該共同節點，該輸出電路包含一電阻器。
3. 如請求項2所述之裝置，其中該第一電流驅動連接至該放大器的一第一輸入端的一第一電壓節點，且該第二電流驅動連接至該放大器的一第二輸入端的一第二電壓節點。
4. 如請求項1所述之裝置，還包含至少一元件具有一互補於絕對溫度(Complementary to absolute temperature，CTAT)電壓響應曲線，其中該至少一元件包含兩個雙極性接面電晶體(Bipolar junction transistor,BJT)，其中該至少一第一電晶體為在該電流鏡電路中的P型金氧半(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)電晶體。
5. 一種用以產生一能隙參考電壓的裝置，包含：一第一電路，用以產生一控制電流、一第一節點電壓和一第二節點電壓，其中該第一電路包含一電晶體；一第一回授路徑，用以維持該第一節點電壓與該第二節點電壓大約相同；一第二電路，用以從該控制電流產生該能隙參考電壓；及 一第二回授路徑，用以透過比較該控制電流和該第一電路產生的一中間值電流來調整該能隙參考電壓，其中當該電晶體操作在線性區時，該第一電路、該第一回授路徑、該第二電路和該第二回授路徑用以產生一穩定能隙參考電壓。
6. 如請求項5所述之裝置，其中該第一電路包含複數電晶體，該些電晶體中的每一電晶體各自具有一第一端連接至一共同電源供應節點，及該些電晶體中的每一電晶體各自具有一控制端連接至一共同節點；該第一回授路徑包含一放大器，該放大器具有一反相輸入端、一非反相輸入端和一輸入端，其中該反相輸入端連接至該些電晶體中的一第一電晶體的一第一端，該非反相輸入端連接至該些電晶體中的一第二電晶體的一第一端，及該輸出端連接至該共同節點；該第二電路包含一電阻器連接至一節點，其中該第一電路在該節點上產生該控制電流；該第二回授路徑包含一回授電晶體和一第二放大器，其中該回授電晶體具有一第一端、一第二端和一控制端，其中該第一端連接至一節點，該第一電路在該節點上產生該控制電流，該第二端連接至該第二電路，該第二放大器具有一反相輸入端、一非反相輸入端和一輸出端，其中該反相輸入端連接至該節點，該非反相輸入端連接至該第二節點電壓，及該輸出端連接至該回授電晶體的該控制端。
7. 如請求項5所述之裝置，其中該第一電路包含一第一電晶體、一第二電晶體和一第三電晶體，其中該第一電晶體包含一第一源極端連接至一電源供應節點，一第一汲極端連接至一第一中間節點，一第一閘極端連接至一共同節點；該第二電晶體包含一第二源極端連接至該電源供應節點，一第二汲極端連接至一第二中間節點，一第二閘極端連接至該共同節點；及該第三電晶體包含一第三源極端連接至該電源供應節點，一第三汲極端連接至一第三中間節點，一第三閘極端連接至該共同節點；該第一回授路徑包含一第一放大器，該第一放大器具有一反相輸入端連接至該第一中間節點，一非反相輸入端連接至該第二中間節點，及一輸出端連接至該共同節點；該第二電路包含一電阻器；該第二回授路徑包含一第二放大器，該第二放大器具有一反相輸入端連接至該第三中間節點，一非反相輸入端連接至該第二中間節點，及一輸出端連接至一第四電晶體的一第四閘極端，其中該第四電晶體具有一第四源極端連接至該第三汲極端，及一第四汲極端連接至該電阻器。
8. 如請求項7所述之裝置，還包含：一第一雙極性接面電晶體； 一第二電阻器，其中該第二電阻器和該第一雙極性接面電晶體並聯連接於該第一中間節點和一第二電壓供應節點之間；一第二雙極性接面電晶體；一第三電阻器，其中該第三電阻器和該第二雙極性接面電晶體並聯連接於該第二中間節點和該第二電壓供應節點之間；及一第四電阻器，連接至該第二中間節點和該第二電壓供應節點之間；其中該第一雙極性接面電晶體具有與絕對溫度互補之一第一基射極電壓響應曲線，該第二雙極性接面電晶體具有與絕對溫度互補之一第二基射極電壓響應曲線，且該第一基射極電壓響應曲線和該第二基射極電壓響應曲線的差值與絕對溫度成比例(Proportional to absolute temperature，PTAT)。
9. 一種用以產生一能隙參考電壓的方法，包含：透過操作在線性區的至少一電晶體產生在一第一節點的一第一電流及在一第二節點的一第二電流；回授該第一節點的電壓及該第二節點的電壓以維持該第一電流大約相同於該第二電流；鏡射該第二電流以產生在一第三節點的一第三電流；及 回授該第三節點的電壓及一輸出節點的電壓以維持該輸出節點的電壓之準位為該能隙參考電壓之準位。
10. 如請求項9所述之方法，還包含：透過一第一元件產生在該第一節點的電壓，其中該第一元件具有一第一CTAT電壓響應曲線；及透過一第二元件產生在該第二節點的電壓，其中該第二元件具有一第二CTAT電壓響應曲線；其中該第一CTAT電壓響應曲線和該第二CTAT電壓響應曲線的差值具有與絕對溫度成比例之關係；其中回授該第三節點的電壓及該輸出節點的電壓的步驟包含：透過一運算放大器比較該第二電流和該第三電流。