带差参考电路制造技术

本发明专利技术公开一种带差参考电路，包括：输入电路，具有两个端点，其中第一端点连接至第一场效应晶体管且该第一场效应晶体管具有第一临界电压，第二端点与第二场效应晶体管之间连接第一电阻且该第二场效应晶体管具有第二临界电压；镜像电路，其可控制该两个端点上的两个输出电流，使该两个输出电流间维持固定的电流比例；以及运算放大器，连接至该两个端点以及该镜像电路用以控制该镜像电路使得该两端点上的电压具有电压关系；其中，该第一场效应晶体管与该第二场效应晶体管都在次临界区操作，且该第一临界电压大于该第二临界电压，且该两个输出电流不会随着温度变化而改变。

Differential reference circuit

The invention discloses a bandgap reference circuit, including: input circuit, has two ends, wherein the first end is connected to the first field effect transistor and the first field-effect transistor having a first threshold voltage, between second endpoints and second field effect transistors connected to the first resistor and the second field effect transistor has second critical voltage mirror; the circuit can control two output current of the two endpoints of the two output current is maintained between the current fixed proportion; and the operational amplifier is connected to the two end points and the mirror circuit is used to control the voltage at both ends of the mirror circuit makes the point with which the first voltage relationship; the second field effect transistor and field effect transistors are in operation on the critical region, and the first threshold voltage is greater than the second threshold voltage, and the two The output current will not change as the temperature changes.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种带差参考电路(Bandgap Reference Circuit)，且特别涉及一种低操作电压的带差参考电路。
技术介绍
众所周知，带差参考电路的功能是提供一个稳定、不会随着工艺、温度、电源电压改变的参考电压(Vref)，因此，在混合式电路的领域中广泛的被设计于许多的电路中，例如，电压调整器(Voltage Regulator)、数字转模拟电路、以及低漂移放大器(Low Drift Amplifier)。 请参照图1，其所示为已知由PMOS场效应晶体管、PNP双极晶体管、与运算放大器所组成的带差参考电路示意图。一般来说，带差参考电路包括镜像电路(Mirroring Circuit)12、运算放大器(Operation Amplifier)15、以及输入电路20。镜像电路12中包括三个PMOS场效应晶体管(FET)M1、M2、M3，在此范例中，M1、M2、M3具有相同的长宽比(W/L)。其中，M1、M2与M3的栅极相互连接，M1、M2与M3的源极连接至供应电源(Vss)，M1、M2与M3的漏极可分别输出Ix、Iy与Iz的电流。另外，运算放大器15的输出端可连接至M1、M2与M3的栅极，运算放大器15的正极输入端连接至M2的漏极，而运算放大器15的负极输入端连接至M1的漏极。再者，输入电路20包括二个PNP双极晶体管(BJT)Q1、Q2；其中，Q1面积为Q2面积的m倍，Q1与Q2的基极与集极连接至接地端使得Q1与Q2形成二极管连接(Diode Connect)，Q2的射极连接至运算放大器15的负极输入端，Q1的射极与运算放大器15的正极输入端之间连接第一电阻(R1)。再者，PNP双极晶体管(BJT)Q3面积与Q2面积相同，Q3的基极与集极连接至接地端，Q3的射极与M3漏极之间连接第二电阻(R2)，M3漏极可输出参考电压(Vref)。 由图1所示的带差参考电路可知。由于M1、M2、M3具有相同的长宽比，因此，M1漏极的输出电流Ix、M2漏极的输出电流Iy与M3漏极的输出电流Iz相同，也就是，Ix＝Iy＝Iz---(1)。 再者，在运算放大器15具有无限大的增益下，运算放大器15的负极输入端电压(Vx)与正极输入端电压(Vy)会相等。因此，R1Iy+VEB1＝VEB2---(2)。 由于Q1与Q2形成二极管连接(Diode Connect)且Q1面积为Q2面积的m倍，所以，与进而推导出VBE1＝VTln(Iy/mIs)---(3)与VBE2＝VTln(Ix/Is)---(4)。其中，Is为Q2的饱和电流(Saturation Current)，VT为热电压(Thermal Voltage)。 结合(1)、(2)、(3)、(4)，最终可以获得Iy＝(1/R1)VTlnm---(5)，以及，参考电压Vref＝(R2/R1)VTlnm+VEB3---(6)。 请参照图2A，其所示为带差参考电路中提供的参考电压示意图。根据方程式(6)可知，参考电压(Vref)可视为一个基射电压产生器(base-emittervoltage generator)32用以提供PNP双极晶体管的基极与射极之间的基射电压(VBE)加上热电压(VT)产生器(thermal voltage generator)34产生热电压(VT)乘以与温度无关的常数K(temperature-independent scalar)36的结果。也就是，Vref＝VBE+KVT，相较于图1的带差参考电路，K＝(R2/R1)lnm。 请参照图2B，其所示为参考电压(Vref)与温度关系图。由图中可知，基射电压产生器32的基射电压(VBE)具有负温度系数(negative temperaturecoefficient)的特性，相反地，热电压产生器34的热电压(VT)具有正温度系数(positive temperature coefficient)的特性。因此，于热电压(VT)提供固定系数(K)的权重并与基射电压(VBE)相加之后可以获得零温度系数(zero temperaturecoefficient)的任何值。也就是说，任意温度下参考电压(Vref)可几乎为一个定值。 一般来说，双极晶体管的顺向偏压(forward-voltage drop)于-40℃约为0.83V，而电源(Vss)至输入电路20之间的镜像电路12与运算放大器15的偏压至少需要0.17V。也就是说，为了要使得图1的带差参考电路正常运作，至少需要1V(0.83V+0.17V)的电源电压(Vss)。也就是说，已知带差参考电路需要至少1V的操作电压。 然而，由于半导体工艺的演变已由早期0.13μm工艺演进至90nm工艺、60nm工艺、甚至于未来的45nm、30nm工艺，因此，模拟IC芯片的操作电压也必须随着工艺越进步而越来越低。然而，过低的操作电压将会冲击到已知带差参考电路的正常运作。 为了解决已知带差参考电路较高操作电压的问题，于带差参考电路的输入电路20中以顺向偏压更低的肖特基二极管(Schottky Diode)来取代双极晶体管，用以降低带差参考电路的操作电压。或者，利用动态临界电压的金属氧化物半(dynamic threshold MOS，简称DT MOS)场效应晶体管来取代双极晶体管，也可以降低带差参考电路的操作电压。 然而，肖特基二极管或者DT MOS的工艺并不兼容于一般标准的半导体工艺，所以必须另外于标准工艺中增加特殊的工艺步骤并提供该特殊工艺所需的光罩才能够完成肖特基二极管或者DT MOS。如此，将增加生产芯片所需的成本。 请参照图3A，其所示为金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极电流根值 与栅源电压(VGS)之间的关系图。一般来说，当金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极源电压(VGS)小于电压(VON)时，可视为金属氧化物半导体场效应晶体管操作在次临界区(subthreshold region)，或称之为弱反型区(weakinversion region)，反之，当金属氧化物半导体场效应晶体管的栅源电压(VGS)大于开启电压(VON)时，可视为金属氧化物半导体场效应晶体管操作在强反型区(strong inversion region)。请参照图3B，其所示为金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极电流对数值(log(ID))与栅源电压(VGS)之间的关系图。由图3B可知，于次临界区时，漏极电流的对数值(log(ID))与栅源电压(VGS)之间为线性关系，也就是说，将金属氧化物半导体场效应晶体管操作在次临界区时，金属氧化物半导体场效应晶体管的特性类似于二极管。 因此，为了要使得带差参考电路中的所有组件皆兼容于一般标准的半导体工艺，已知利用一般的金属氧化物半导体场效应晶体管来取代输入电路20中的双极晶体管，并将金属氧化物半导体场效应晶体管操作在次临界区，使得金属氧化物半导体场效应晶体管于次临界区的特性类似一般二极管，用以降低带差参考电路输出的操作电压。 当金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管在次临限区操作时，其中，ID0为工艺相依参数(process-dependentparameter)、VT为热电压(thermal voltage)且、ξ为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带差参考电路，包括：输入电路，具有两个端点，其中第一端点连接至第一场效应晶体管且该第一场效应晶体管具有第一临界电压，第二端点与第二场效应晶体管之间连接第一电阻且该第二场效应晶体管具有第二临界电压；镜像电路，其可控制该两个 端点上的两个输出电流，使该两个输出电流间维持固定的电流比例；以及运算放大器，连接至该两个端点以及该镜像电路用以控制该镜像电路使得该两端点上的电压具有电压关系；其中，该第一场效应晶体管与该第二场效应晶体管都在次临界区操作，且该 第一临界电压大于该第二临界电压，且该两个输出电流不会随着温度变化而改变。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭彦华，王为善，张家玮，
申请(专利权)人：智原科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]