專利名稱：參考電壓電路的制作方法
技術領域：
本發明是有關于一種參考電壓電路，特別是有關于在次微米半導體集成電路中，于高工作溫度中提供低準位參考電壓的一種能隙參考電路。
參考電壓是電子電路或電子系統中不可或缺的角色，穩定的參考電壓一般具有兩種特性，一為對溫度的高穩定性(即參考電壓隨溫度變化的漂移極小)，另一則為對電源電壓變化的高抵抗力。能隙參考電壓電路以其對溫度及電源電壓變化的高穩定性，廣泛地應用在模擬/數字轉換器、數字/模擬轉換器、電壓整流器等電子系統上。
一般的能隙參考電壓電路，是利用一個正比于絕對溫度的電路來補償雙載子晶體管基射極的負溫度系數。請參考
圖1，其所繪示為習知能隙參考電路的電路示意圖。于能隙參考電路100中，是利用自放大器102的輸出端回授至放大器102的兩個輸入端所建立的回授回路(FeedbackLoop)，驅動放大器102進行運作。透過如圖1所示的電路布置，跨在二極管104的電壓108和跨在二極管106的電壓110之間的電壓差將被放大，得到參考電壓112。
如圖1所示，當電阻114等于電阻116，且電流120等于電流122時，放大器102輸出的參考電壓112可以方程式(1)來表示VOUT＝ΔVBE×(R2/R1)+VBE(1)其中VOUT為參考電壓112，ΔVBE＝VBE1-VBE2，即跨在二極管104的電壓108和跨在二極管106的電壓110之間的電壓差，R1為電阻118，R2則為電阻114，而VBE＝VBE1，即VBE等于跨在二極管104的電壓108。借由方程式(1)對參考電壓112的描述，可得知參考電壓112是由ΔVBE乘以增益G(由R2/R1組成)，再加上二極管104的電壓108所構成。
請參考圖2，其所繪示為另一習知能隙參考電路的電路示意圖。圖2的能隙參考電路200中，NMOS晶體管204、NMOS晶體管206、PMOS晶體管208、PMOS晶體管210、PMOS晶體管212和偏壓電流源228構成放大器202。pnp雙載子晶體管(pnp BJT)240的集基極連接至接地，N個pnp雙載子晶體管242的集基極亦連接至接地。
而pnp雙載子晶體管240的射極是電性連接至放大器202的第一輸入端214，N個pnp雙載子晶體管242的射極是同時電性連接至放大器202的第二輸入端216，因此pnp雙載子晶體管240和N個pnp雙載子晶體管242，均可視為如圖1所示的二極管結構。因此，圖2的能隙參考電路200的電路運作與圖1的能隙參考電路100十分相似。
假設pnp雙載子晶體管240和pnp雙載子晶體管242的相關設計參數相等且互相匹配，及假設電阻222等于電阻224，由于電阻222和電阻224皆連接至放大器202的輸出端218，因此電流244和電流246的大小相等。再根據放大器的特性，可得知V1＝V2，其中V1為放大器202的第一輸入端214的輸入電壓，V2為放大器202的第二輸入端216的輸入電壓。由此可推知V2＝I2×R6+VBE2＝V1＝VBE1故I2＝ΔVBE/R6＝(VBE1-VBE2)/R6＝I1而且因pnp雙載子晶體管240和pnp雙載子晶體管242在主動操作區中工作，所以其射極電流約等于其集極電流，使得I1＝IS1×exp(VBE1/Vt)及I2＝N×IS2×exp(VBE2/Vt)所以ΔVBE＝VBE1-VBE2＝Vt×(N)得出I2＝(Vt×(N))/R6＝I1最后參考電壓220可根據方程式(2)求得VOUT＝ΔVBE×(R5/R6)+VBE＝Vt×(N)×(R5/R6)+VBE(2)或VOUT＝I2×R5+VBE＝Vt×(N)×(R5/R6)+VBE(2)其中VOUT為參考電壓220，R5為電阻224，R6則為電阻226，Vt為熱電壓(Thermal Voltage)，為自然對數，而VBE1和VBE2分別為pnp BJT 240的基射極電位差252及pnp BJT 242的基射極電位差254，VBE則等于VBE1，I1和I2分別為電流244和電流246，IS1和IS2分別為pnp BJT 240的飽和電流及pnp BJT 242的飽和電流，由于pnp BJT 240和pnp BJT 242的相關設計參數皆相等，故IS1＝IS2。
過往的電子系統或電子電路大都采用較高的電壓作為工作電壓(如約3.3伏特)，然而隨著半導體制程技術的快速發展，電子器材的工作電壓都往下調降至約1.25伏特或以下，較低的工作電壓可使電路或電子系統耗費的功率減少，令工作溫度降低，并可延長利用電池供電的電子產品的工作時間。
雖然較低的工作電壓可使電子電路耗費的功率減少，令工作溫度降低，但在次微米半導體制程中卻難以利用單一電源來產生出準確的低工作電壓(低參考電壓)，解決方法通常是采用由約1.2伏特的核心電壓，搭配約2.5伏特或約3.3伏特的外圍電壓組成之雙電源供應，提供電源予能隙參考電路，產生低參考電壓。
在圖2中，NMOS晶體管204、NMOS晶體管206、PMOS晶體管208、PMOS晶體管210和PMOS晶體管212皆為具有厚閘極氧化層的組件，且其工作電壓Vdd約為2.5伏特或約3.3伏特。當NMOS晶體管和PMOS晶體管的工作電壓Vdd約為2.5伏特時，其啟始電壓約為0.56伏特；當NMOS晶體管和PMOS晶體管的工作電壓Vdd約為3.3伏特時，其啟始電壓約為0.62伏特。
然而，在高溫時pnp雙載子晶體管的基射極電壓只是約0.56伏特，使得NMOS晶體管204和NMOS晶體管206于高溫時未能被pnp雙載子晶體管的基射極電壓驅動，因為當NMOS晶體管的工作電壓Vdd約為3.3伏特時，pnp雙載子晶體管的基射極電壓(高溫時約為0.56伏特)遠低于NMOS晶體管的啟始電壓(約0.62伏特)。當NMOS晶體管的工作電壓Vdd約為2.5伏特時，pnp雙載子晶體管的基射極電壓(如上所述，高溫時約為0.56伏特)僅等于NMOS晶體管的啟始電壓(約0.56伏特)。此外，由于高溫時pnp雙載子晶體管的基射極電壓相對較低，但在較差制程條件(Worse ProcessCondition)時，NMOS晶體管的啟始電壓卻較大，因此NMOS晶體管204和NMOS晶體管206便更難以被驅動，能隙參考電路200便不能動作。
本發明的主要目的為提供了一種參考電壓電路，特別是有關于在次微米半導體集成電路中，于高工作溫度中提供低準位參考電壓的一種能隙參考電路，借適當的電路設置，可提高能隙參考電路中放大器的兩個輸入端的電壓準位，達到高溫中仍能輕易驅動MOS晶體管的目的。
根據以上所述的目的，本發明提供了一種參考電壓電路，至少包括具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端的放大器；第一pnp雙載子晶體管，且此第一pnp雙載子晶體管的基極和集極接地；第一電阻，且此第一電阻的一端連接至第一pnp雙載子晶體管的射極，另一端連接至放大器的第一輸入端；第二電阻，其電阻值為第一電阻的((1/a)-1)倍，且此第二電阻的一端連接至放大器的第一輸入端，另一端連接至放大器的輸出端；第五電阻；復數個第二pnp雙載子晶體管，且這些第二pnp雙載子晶體管的基極和集極接地，射極則電性連接至第五電阻的一端；第三電阻，第三電阻的一端電性連接至放大器的第二輸入端，另一端則電性連接至第五電阻的另一端；以及第四電阻，其電阻值為第三電阻的((1/a)-1)倍，第四電阻的一端連接至放大器的第二輸入端，另一端連接至放大器的輸出端。
本發明的參考電壓電路，是借著于放大器的兩個輸入端布置適當的電阻，以提高位于放大器的兩個輸入端的電壓，在高溫時放大器中的NMOS晶體管便能輕易被驅動，使得本發明的參考電壓電路能于高溫時提供準確的參考電壓。
本發明的優點在于提供一種參考電壓電路，特別是有關于在次微米半導體集成電路中，于高工作溫度中提供低準位參考電壓的一種能隙參考電路。本發明的參考電壓電路中，借著于放大器的第一輸入端和第二輸入端，布置適當的電阻，以提高在第一輸入端和第二輸入端的電壓值，使得在高工作溫度時，放大器中的NMOS晶體管仍然能輕易被驅動，本發明的參考電壓電路便能提供準確且不受溫度變化影響的參考電壓。
圖2是繪示另一習知能隙參考電路的電路示意圖。
圖3是繪示本發明的一實施例的能隙參考電路的電路示意圖。
圖號說明100 能隙參考電路 102 放大器104 二極管106 二極管108 電壓 110 電壓112 參考電壓 114 電阻116 電阻 118 電阻120 電流 122 電流200 能隙參考電路 202 放大器204 NMOS晶體管206 NMOS晶體管208 PMOS晶體管210 PMOS晶體管212 PMOS晶體管214 第一輸入端216 第二輸入端218 輸出端220 參考電壓 222 電阻224 電阻 226 電阻228 偏壓電流源240 pnp雙載子晶體管242 pnp雙載子晶體管 244 電流246 電流 252 基射極電位差
254 基射極電位差 300 能隙參考電路302 放大器 304 NMOS晶體管306 NMOS晶體管 308 PMOS晶體管310 PMOS晶體管 312 PMOS晶體管314 第一輸入端 316 第二輸入端318 輸出端 320 參考電壓322 電阻 324 電阻326 電阻 328 偏壓電流源330 電阻 332 電阻340 pnp雙載子晶體管 342 pnp雙載子晶體管344 電流 346 電流352 基射極電位差 354 基射極電位差356 電容而pnp雙載子晶體管340的射極是電性連接至放大器302的第一輸入端314，N個pnp雙載子晶體管342的射極是同時電性連接至放大器302的第二輸入端316，因pnp雙載子晶體管340和N個pnp雙載子晶體管342皆是用以提供輸入電壓予放大器302。此外，電容356的一端電性連接至放大器302的第一輸入端314，另一端連接至接地。
假設pnp雙載子晶體管340和pnp雙載子晶體管342的相關設計參數相等且互相匹配，及假設電阻330和電阻322的電阻值總和為RA時，則電阻330和電阻322的電阻值分別為aRA和(1-a)RA，亦即電阻322的電阻值為電阻330的電阻值的((1/a)-1)倍；若電阻332和電阻324的電阻值總和為RB時，則電阻332和電阻324的電阻值分別為aRB和(1-a)RB，亦即電阻324的電阻值為電阻332的電阻值的((1/a)-1)倍，其中a為介于0和1之間的任意數值，視能隙參考電路的設計而定。
當RA等于RB時，亦即電阻330等于電阻332，及電阻322等于電阻324時，由于電阻322和電阻324皆連接至放大器302的輸出端318，因此電流344和電流346的大小相等。再根據放大器的特性，可得知VA＝VB，其中VA為放大器302的第一輸入端314的輸入電壓，VB為放大器302的第二輸入端316的輸入電壓。由此可推知VB＝IB×RC+IB×aRB+VBE2＝VA＝VBE1+IA×aRA(3)故IB＝ΔVBE/RC＝(VBE1-VBE2)/RC＝IA而且因pnp雙載子晶體管340和pnp雙載子晶體管342在主動操作區中工作，所以其射極電流約等于其集極電流，使得IA＝ISA×exp(VBE1/Vt)及IB＝N×ISB×exp(VBE2/Vt)所以ΔVBE＝VBE1-VBE2＝Vt×(N)得出IB＝(Vt×(N))/RC＝IA最后參考電壓320可依方程式(4)求得VOUT＝IA×(1-a)RA+IA×aRA+VBE＝IA×RA+VBE＝Vt×(N)×(RA/RC)+VBE(4)其中VOUT為參考電壓320，RC則為電阻326，Vt為熱電壓，1n為自然對數，而VBE1和VBE2分別為pnp BJT 340的基射極電位差352及pnp BJT 342的基射極電位差354，VBE則等于VBE1，IA和IB分別為電流344和電流346，ISA和ISB分別為pnp BJT 340的飽和電流及pnp BJT 342的飽和電流，由于pnp BJT 340和pnp BJT 342的相關設計參數相同，故ISA＝ISB。
由方程式(3)可看出，在放大器302的第一輸入端314和第二輸入端316的輸入電壓VA和VB的準位，皆比傳統放大器的輸入電壓的準位高出IB×aRB，然而輸出的參考電壓VOUT320仍然可不受溫度的影響及保持在低準位(如約1.25伏特左右，視能隙參考電路設計而定)。因此，透過適當設定a的數值(0＜a＜1)，可使NMOS晶體管304和NMOS晶體管306于高工作溫度時，仍然能輕易地被驅動，解決習知能隙參考電路的NMOS晶體管于高工作溫度時難以被驅動的問題。
本發明的優點在于提供一種參考電壓電路，特別是有關于在次微米半導體集成電路中，于高工作溫度中提供低準位參考電壓的一種能隙參考電路。本發明的參考電壓電路中，借著于放大器的第一輸入端和第二輸入端，布置適當的電阻，以提高在第一輸入端和第二輸入端的電壓值，使得在高工作溫度時，放大器中的NMOS晶體管仍然能輕易被驅動，本發明的參考電壓電路便能提供準確且不受溫度變化影響的參考電壓。
權利要求
1.一種參考電壓電路，可產生與溫度無關的參考電壓值，該參考電壓電路至少包括一放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端和一輸出端；一第一pnp雙載子晶體管，且該第一pnp雙載子晶體管的一基極和一集極接地；一第一電阻，且該第一電阻的一端電性連接至該第一pnp雙載子晶體管的一射極，該第一電阻的另一端電性連接至該放大器的該第一輸入端；一第二電阻，該第二電阻的電阻值為該第一電阻的電阻值的((1/a)-1)倍，且該第二電阻的一端電性連接至該放大器的該第一輸入端，該第二電阻的另一端電性連接至該放大器的該輸出端，其中a為介于0和1之間的一數值；一第五電阻；復數個第二pnp雙載子晶體管，且該第二pnp雙載子晶體管的復數個基極和復數個集極接地，該第二pnp雙載子晶體管的復數個射極則電性連接至該第五電阻的一端；一第三電阻，該第三電阻的一端電性連接至該放大器的該第二輸入端，該第三電阻的另一端則電性連接至該第五電阻的另一端；以及一第四電阻，該第四電阻的電阻值為該第三電阻的電阻值的((1/a)-1)倍，且該第四電阻的一端電性連接至該放大器的該第二輸入端，該第四電阻的另一端電性連接至該放大器的該輸出端，其中a為介于0和1之間的一數值。
2.根據權利要求1所述的參考電壓電路，其特征在于上述的放大器至少包括一第一NMOS晶體管，該第一NMOS晶體管的一閘極為該放大器的該第一輸入端；一第二NMOS晶體管，該第二NMOS晶體管的一閘極為該放大器的該第二輸入端，且該第二NMOS晶體管的一源極電性連接該第一NMOS晶體管的一源極；一第二PMOS晶體管，該第二PMOS晶體管的一汲極電性連接至一工作電壓源；一第一PMOS晶體管，該第一PMOS晶體管的一汲極電性連接至該工作電壓源，該第一PMOS晶體管的一閘極同時電性連接至該第二NMOS晶體管的一汲極及該第二PMOS晶體管的一閘極和一源極；一第三PMOS晶體管，該第三PMOS晶體管的一汲極電性連接至該工作電壓源，該第三PMOS晶體管的一閘極同時電性連接至該第一NMOS晶體管的一汲極和該第一PMOS晶體管的一源極，該第三PMOS晶體管的一源極為該放大器的該輸出端；以及一偏壓電流源，該偏壓電流源電性連接至該第二NMOS晶體管的該源極和該第一NMOS晶體管的該源極。
3.根據權利要求1所述的參考電壓電路，其特征在于上述的第一電阻的電阻值等于該第三電阻的電阻值。
4.根據權利要求1所述的參考電壓電路，其特征在于更包括一電容，該電容的一端電性連接至接地，該電容的另一端電性連接至該放大器的該第一輸入端。
5.根據權利要求1所述的參考電壓電路，其特征在于上述的第一pnp雙載子晶體管及該第二pnp雙載子晶體管皆具有相同的設計參數。
6.根據權利要求1所述的參考電壓電路，其特征在于a為介于0和1之間的該數值不為一虛數。
全文摘要
一種參考電壓電路，包括具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端的放大器；第一pnp雙載子晶體管；第一電阻，其一端連接至第一pnp雙載子晶體管的射極，另一端連接至放大器的第一輸入端；第二電阻，兩端分別連接至放大器的兩端；第五電阻；數個第二pnp雙載子晶體管，且這些第二pnp雙載子晶體管的基極和集極接地，射極則電性連接至第五電阻的一端；第三電阻，其一端電性連接至放大器的第二輸入端，另一端則電性連接至第五電阻的另一端；以及第四電阻，一端連接至放大器的第二輸入端，另一端連接至放大器的輸出端；由于放大器的兩個輸入端的電壓被適當提高，高溫時放大器中的NMOS晶體管便能輕易被驅動，使本參考電壓電路能于高溫時提供準確的參考電壓。
文檔編號H03F1/30GK1459923SQ02119719
公開日2003年12月3日 申請日期2002年5月15日 優先權日2002年5月15日
發明者郭政雄 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司