参考电压产生器及产生方法与流程

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及参考电压产生器及产生方法。

背景技术：

参考电压对信号处理电路的性能和准确性具有重要影响。例如，带隙(bandgap)参考电路用于各种各样的应用中以提供不受温度影响的电压。由于低功耗的要求，低电压操作为移动设备中的重要设计事项。因此，当移动设备使用带隙参考电路为所述移动设备的信号处理电路提供参考电压，带隙参考电路需要在低电源环境下正常运行。不管怎样，由于半导体制程技术正在发展以减小导线宽度，最大允许的电源电压也随之减小。通常，传统的带隙参考电路依靠双极结型晶体管的基极-发射极电压产生不受温度影响的电压。因此，传统的带隙参考电路的电源电压主要受限于基极-发射极电压(例如，0.7V)。最终导致，传统的带隙参考电路不适用于具有低电源电压的应用。

技术实现要素：

本发明提供参考电压产生器及参考电压产生方法，可应用在低电源电压环境下。

本发明提供的参考电压产生器，可包括：带隙参考电路，用于根据至少一个双极结型晶体管的至少一个基极-发射极电压产生参考电压；以及负电压产生器，用于产生负电压；其中，所述至少一个双极结型晶体管的至少一个基极用于接收从所述产生的负电压中获取的基极电压。

本发明提供的参考电压产生方法，可包括：根据至少一个双极结型晶体管的至少一个基极-发射极电压产生参考电压；产生负电压；以及从所述产生的负电压中获取的基极电压提供给所述至少一个双极结型晶体管的至少一个基极。

根据上述描述，本发明提供的参考电压产生器及产生方法，在根据至少一个双极结型晶体管的至少一个基极-发射极电压产生参考电压的过程中，产生负电压；以及从所述产生的负电压中获取的基极电压提供给所述至少一个双极结型晶体管的至少一个基极，由此可产生电压值比较低的参考电压。最终使本发明提供的参考电压产生器及产生方法可应用在低电源电压环境下。

【附图说明】

本发明可通过阅读随后的细节描述和参考附图所举的实施例被更全面地理解，其中：

图1示出依据本发明的一个实施例的第一参考电压产生器。

图2依据本发明的一个实施例示出负电压产生器。

图3示出对图2中的开关S11-S14的控制顺序。

图4根据本发明的一个实施例示出第二参考电压产生器。

图5根据本发明的一个实施例示出制程追踪电路。

图6示出对图5所示的开关S21-S24的控制顺序。

图7根据本发明的一个实施例示出第三参考电压产生器。

图8依据本发明的一个实施例示出第四参考电压产生器。

【具体实施方式】

在说明书及后续的权利要求当中使用了某些术语来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名称来称呼同一个组件。本文件并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在接下来的说明书及权利要求中，术语“包含”及“包括”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限制于”。此外，“耦接”一词在此包含直接及间接的电性连接手段。因此，如果一个装置耦接于另一个装置，则代表该一个装置可直接电性连接于该另一个装置，或通过其它装置或连接手段间接地电性连接至该另一个装置。

图1示出依据本发明的一个实施例的第一参考电压产生器。参考电压产生器100可用于提供至少一个输出电压给应用设备(例如，热敏组件)。如图1所示，参考电压产生器100包括带隙参考电路102和负电压产生器104。在本实施例中，带隙参考电路102包括运算放大器OP；一对双极结型晶体管(BJTs)Q1，Q2；一对金属氧化物半导体晶体管MP1，MP2；电容器C；以及多个电阻器R1，R2，R3，R4，R5。一对双极结型晶体管Q1，Q2为即插即用(Plug-and-Play，PNP)晶体管，金属氧化物半导体晶体管MP1，MP2为P沟道金属氧化物半导体晶体管(P-channel metal-oxide-semiconductor，PMOS)。根据双极结型晶体管Q1，Q2的基极-发射极电压在PMOS晶体管MP2的漏极产生参考电压VREF。需要注意的是，根据电阻器的电阻值的设定不同，参考电压VREF可为不受温度影响的电压和依赖于温度的电压。进一步，图1中所示的带隙参考电路102的电路结构仅作为举例。在本发明的一些实施例中，带隙参考电路102可修改为使用其他的带隙参考设计，例如，可根据至少一个双极结型晶体管的至少一个基极-发射极电压产生参考电压的设计。这仍然属于本发明的保护范围。由于本发明的焦点不在带隙参考电路102的电路配置上，因此，为简化起见，后续的描述将省略带隙参考电路的电路配置。

在本实施例中，通过公共电压(common voltage)偏置双极结型晶体管Q1和Q2的基极端。当所述公共电压固定为接地电压(也即，0V)，带隙参考电路102的电源电压VDD由Vbe+Vds限定，其中，Vbe(～0.7V)为PNP晶体管(例如，Q1)的基极-发射极电压，Vds(～0.15V)为金属氧化物晶体管(例如，MP1)的漏极-源极饱和电压。因此，电源电压VDD需要超过0.85V，也即，VDD Vbe+Vds＝0.7V+0.15V＝0.85V。换言之，当双极结型晶体管Q1和Q2的基极-发射极电压由接地电压设置，带隙参考电路102不能用于电源电压低于0.85V的低电源应用中。例如，使用高级制程制造的集成电路的核心电源(VDD)可低至0.55V。当带隙参考电路102的双极结型晶体管Q1和Q2的基极-发射极电压由接地电压设置，使用这样的带隙参考电路不能产生不受温度影响的电压。

因此，本发明提供的参考电压产生器100，包括带隙参考电路102和负电压产生器104，以解决所述低电源电压的情形(VDD＝～0.55V)。在本实施例中，负电压产生器104用于产生负电压NV使双极结型晶体管Q1和Q2偏置一负基极电压。相同的理念可应用至带隙参考电路102所使用的不同的带隙参考设计中，以便带隙参考电路中的至少一个双极结型晶体管的至少一个基极端从负电压NV接收偏置电压。例如，负电压NV可直接提供给所述至少一个双极结型晶体管的至少一个基极端。

在本实施例中，带隙参考电压102配置为包括双极结型晶体管Q1和Q2，且双极结型晶体管Q1和Q2的基极连接至公共电压。因此，双极结型晶体管Q1和Q2的基极均接收负电压产生器104设置的所述公共电压。由于双极结型晶体管Q1和Q2通过负基极电压(例如，负电压NV)偏置，因此相应地，发射极电压VBE’具有较低的电压电平，其中，VBE’＝NV+Vbe。例如，假设发射极-基极电压Vbe为0.7V，负电压NV为-0.35V，则发射极电压VBE’等于0.35V。电源电压VDD由VBE’+Vds限定。例如，VDD>VBE’+Vds＝0.35V+0.15V＝0.5V。使用这种方法后，提供的参考电压产生器100可在低电源电压环境(VDD＝～0.55V)下正常运行。

图2依据本发明的一个实施例示出负电压产生器。图1中示出的负电压产生器104可使用图2中所示的负电压产生器200实现。在本实施例中，负电压产生器200使用充电泵来依据一个高电压(例如，电源电压VDD)产生一个低电压(例如，负电压NV)。如图2所示，负电压产生器200包括电阻器R11，多个电容器C11，C12，以及多个开关S11，S12，S13，S14。开关S11耦接于电源电压VDD(例如，0.55V)和电容器C11的第一端N11。开关S12耦接于电容器C11的第一端N11和接地电压(例如，0V)之间。开关S13耦接于电容器C11的第二端N12和接地电压之间。开关S14耦接于电容器C11的第二端N12和电阻器R11的第一端N13之间。电容器C12耦接于电阻器R11的第二端N14和接地电压之间。基于对开关S11-S14的开/关状态的控制，可在电阻器R11的第二端N14上产生期望的负电压NV。

图3示出对图2中的开关S11-S14的控制顺序。在充电泵周期的第一时间段P1，开关S11和S13均闭合(switched on)，开关S12和S14均断开(switched off)。因此，电容器C11的第一端N11耦接于电源电压VDD，电容器C11的第二端N12耦接于接地电压。基于此，在第一时间段P1，通过电压差(VDD-0)为电容器C11充电。存储在C11中的电量可表示为C11*(VDD-0)。

在充电泵周期的第二时间段P2，开关S12和S14均闭合，开关S11和S13均断开。因此，电容器C11的第一端N11耦接于接地电压，电容器C11的第二端N12耦接于电阻器R11的第一端N13。由于在开关S12和S14闭合，开关S11和S13断开的时间段存储在C11中的电量为C11*(VDD-0)，电容器C11的第二端N12上的电压变为(0-VDD)。换言之，在电容器C11的第二端N12上产生负电压-VDD。从电阻器R11的第二端N14流向电阻器R11的第一端N13的电流在电阻器R11两端产生电压差V_R11。因此，电阻器R11的第二端N14上的负电压NV等于–VDD+V_R11。

需要注意的是，图2所示的电路配置仅用于举例说明。作为选择，图1所示的负电压产生器140可通过产生所需的负电压NV的差分电路实现。这仍然属于本发明所包含的范围。

发射极电压VBE’为依赖温度的电压。而根据带隙参考电路102中的电阻器的电阻值的设置，参考电压VREF可为免受温度影响的电压或依赖温度的电压。因此，发射极电压VBE’和参考电压VREF中的一个或两个可从参考电压产生器100提供给应用设备(例如，热敏组件)。但是，负电压产生器104所产生的负电压NV可能受制程变异的影响而偏离其正常值。例如，通过第一半导体制程制造的负电压产生器200产生的负电压NV，与通过第二半导体制程制造的相同的负电压产生器200产生的负电压NV不同。由于发射极电压VBE’通过基极-发射极电压Vbe和基极电压(由负电压NV设定)确定，制程变异可能使发射极电压VBE’偏离其正常取值。类似地，由于参考电压VREF受发射极电压VBE’的变化的影响，制程变异可能使参考电压VREF偏离其正常取值。

关于参考电压VREF，可使用制程追踪电路产生相应的不受制程影响的参考电压。图4根据本发明的一个实施例示出第二参考电压产生器。参考电压产生器400可用于提供至少一个电压输出给应用设备(例如，热敏组件)。参考电压发生器100和400的主要区别为：参考电压产生器400还包括制程追踪电路402。制程追踪电路402用于接收负电压产生器104产生的负电压NV，和接收金属氧化物晶体管MP2的漏极产生的参考电压VREF，并根据所述依赖于制程的负电压NV和依赖于制程的参考电压VREF产生不受制程影响的参考电压VREFX。假设，由制程变异引发的电压偏差表示为Δ。因此，依赖于制程的负电压可表示为NV+Δ，而依赖于制程的参考电压可表示为VREF+Δ。基本的观点是基于依赖于制程的负电压NV+Δ和依赖于制程的参考电压VREF+Δ执行减法，以产生不包括制程变异所导致的电压偏差Δ的电压输出。

图5根据本发明的一个实施例示出制程追踪电路。图4中所示的制程追踪电路402可使用图5所示的制程追踪电路500实现。在本实施例中，制程追踪电路500包括运算放大器502、分压器504以及不受制程影响的电压产生器506。运算放大器502包括第一输入节点(例如，非反相输入节点“+”)、第二输入节点(例如，反相输入节点“-”)以及输出节点，其中，第一输入节点用于接收输入电压VIN，第二输入节点耦接于所述输出节点。当使用制程追踪电路500实现制程追踪电路402，制程追踪电路500接收的输入电压VIN为参考电压VREF，制程追踪电路500产生的不依赖制程的电压为不依赖制程的电压VREFX。运算放大器502根据所述参考电压VREF在所述输出节点产生放大器输出电压VOP。更具体而言，运算放大器502用于在它的输出节点创建参考电压VREF的副本。通过这样的方式，制程追踪电路500可在不受带隙参考电路102产生的参考电压VREF的影响下处理参考电压VREF的副本。

分压器504包括电阻器R21和R22，且耦接于放大器输出电压VOP(VOP＝VIN＝VREF)和负电压NV之间。因此，分压器504用于根据放大器输出电压VOP和负电压NV产生分压电压VX2。分压器504用于使分压电压VX2低于输入电压VIN(VIN＝VREF)但与输入电压VIN具有相同的由负电压VN导致的电压偏差Δ。由于对电压偏差Δ的减法处理由分压电压VX2根据负电压NV执行，等效于给分压电压VX2增加了负电压NV的绝对值。通过设置合适的分压电压VX2(低于输入电压VIN(VIN＝VREF))，对电压偏差Δ的减法处理使不受制程影响的电压VINX(VINX＝VREFX)不超过输入电压VIN(VIN＝VREF)。通过这样的方式，不受制程影响的电压VINX仍能满足运行在低电源电压下的应用设备的需求。在一个示例性的设计中，电阻器R21和R22配置为具有相同的电阻值。因此，分压电压VX2等于其中，VOP＝VIN＝VREF。如果考虑偏差Δ，分压电压VX2等于其中，VOP＝VIN＝VREF。

不受制程影响的电压产生器506用于根据负电压NV和分压电压VX2产生不受制程影响的电压VINX(VINX＝VREFX)。在本实施例中，不受制程影响的电压产生器506使用充电泵电路对电压偏差Δ执行减法并产生不受制程影响的电压VINX。如图5所示，不受制程影响的电压产生器506包括电阻器R23，多个电容器C21，C22，以及多个开关S21，S22，S23，S24。开关S21耦接于负电压NV(例如，-0.35V)和电容器C21的第一端N21之间。开关S22耦接于电容器C21的第一端N21和接地电压(例如，0V)之间。开关S23耦接于电容器C21的第二端N22和接地电压之间。开关S24耦接于电容器C21的第二端N22和电阻器R23的第一端N23之间。电容器C22耦接于电阻器R23的第二端N24和接地电压之间。通过适当地控制开关S21-S24的闭合(switched on)和断开(switched off)状态，可在电阻器R23的第二端N24产生期望的不受制程影响的电压VINX(VINX＝VREFX)。

图6示出对图5所示的开关S21-S24的控制顺序。在充电泵周期的第一时间段P1，开关S21和S23均闭合(switched on)，开关S22和S24均断开(switched off)。因此，电容器C21的第一端N21耦接于负电压NV，电容器C21的第二端N22耦接于接地电压。基于此，在第一时间段P1，通过电压差(0-NV)为电容器C21充电。存储在C21中的电量可表示为C21*(0-NV)。如果考虑偏差Δ，存储在C21中的电量可表示为C21*[0-(NV+Δ)]。

在充电泵周期的第二时间段P2，开关S22和S24均闭合，开关S21和S23均断开。因此，电容器C21的第一端N21耦接于接地电压，分压电压VX2提供至电容器C21的第二端N22。由于在开关S22和S24闭合，开关S21和S23断开的时间段存储在C21中的电量为C21*(0-NV)(或者，当考虑电压偏差Δ时，为C21*[0-(NV+Δ)])，电容器C21的第二端N22上的电压变为(0-NV)+VX2＝(或者，当考虑电压偏差Δ时，为因此，在电容器C21的第二端N22上获得不受制程影响的电压。从电阻器R23的第一端N23流向电阻器R23的第二端N24的电流在电阻器R23两端产生电压差V_R23。因此，电阻器R23的第二端N24上的不受制程影响的电压等于其中，VOP＝VIN＝VREF。

需要注意的是，图5所示的电路配置仅作为示例。作为选择，图4所示的制程追踪电路402可通过产生所需的不受制程影响的电压VREFX的差分电路实现。这仍然属于本发明所包含的范围。

如前所述，发射极电压VBE’为依赖温度的电压。发射极电压VBE’可被从参考电压产生器100提供至应用设备。但是，负电压产生器104产生的负电压NV可能受制程变异影响，这使得发射极VBE’偏离其正常值。关于发射极电压VBE’，可使用制程追踪电路产生相应的不受制程影响的发射极电压。

图7根据本发明的一个实施例示出第三参考电压产生器。参考电压产生器700可用于提供至少一个输出电压给应用设备(例如，热敏组件)。在本实施例中，制程追踪电路702用于从负电压产生器104接收负电压NV，以及接收双极结型晶体管Q2的发射端产生的发射极电压VBE’，并根据所述负电压NV和发射极电压VBE’产生不受制程影响的发射极电压VBEX。作为举例，可使用图5所示的制程追踪电路500来实现制程追踪电路702，其中，运算放大器502接收的输入电压VIN为发射极电压VBE’，电阻器R23的第二端产生的不受制程影响的电压VINX为不受制程影响的参考电压VBEX。由于本领域技术人员在阅读前面的与图5和图6相关的特定描述之后，很容易了解制程追踪电路500根据负电压NV和发射极电压VBE’产生不受制程影响的发射极电压VBEX的细节，因此为简化，后续将省略相关描述。

当一个应用设备(例如，热敏组件)需要多个不受温度影响的电压时，图1所示的参考电压产生器100可修改为包括多个制程追踪电路。图8依据本发明的一个实施例示出第四参考电压产生器。参考电压产生器800包括制程追踪电路402用于产生不受温度影响的电压VREFX，还包括制程追踪电路702用于产生不受温度影响的发射极电压VBE’。由于本领域技术人员在阅读上面的段落之后，很容易了解参考电压产生器800的细节，因此为简化，后续将省略相关描述。

权利要求书中用以修饰元件的“第一”、“第二”等序数词的使用本身未暗示任何优先权、优先次序、各元件之间的先后次序、或所执行方法的时间次序，而仅用作标识来区分具有相同名称(具有不同序数词)的不同元件。

本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。