能隙參考電壓設計

圖 3.13 所示便是本論文改良自參考文獻[15]的能隙參考電壓電路，框 線中所標乃是產生能隙電壓的主體電路，當中利用了CMOS 製程中的寄生 BJT 電晶體（QB1～QB3）來產生 PN 接面電壓，並同時在主體電路中製造 出所需之熱電壓。另外可注意到本電路並不需要額外偏壓電源，而是由 Branch1、2 直接利用本身迴路鎖住偏壓電流以提供穩定工作點，但是兩 Branch 電流相等的條件會同時製造出兩種穩態工作點，亦即零電流與不等 於零的預定電流，為了避免電路開機時無法脫離電流皆為零的情況，必須 額外加入 MB1～MB5的電路負責產生主體迴路上非零電流的啟始電壓。若 主體電路位於零工作點狀態時，節點1 便會處於低電位而使電晶體 MB5導 通，藉由MB5導通再讓節點1 的電位上升以導通 Branch1、2，最後節點 1 的電位升高至穩定偏壓點後，VgsB5將會因節點1 的電壓提高而小於臨界電

MB1

MB 2

MB3

MB4

MB 5

MB 6

MB 7

MB 8 MB12

MB 9 MB13

MB11

MB10

MB 14

MB 15

QB1 QB2 QB3

RB 1 RB2

RB 3

Branch1 Branch2

V

VDD

VDD

圖3.13 能隙參考電路圖

壓（Vt），使得 MB5 也自然地進入截止區以使主體與啟始電路相互隔離，

如此可保證在進入正常工作後兩電路間彼此毫無關係。至於圖3.14 則是能 隙參考輸出電壓 Vref 在溫度變化範圍介於-50℃～60℃時所得到的模擬結 果，可看出在室溫（27℃）附近的溫度下電壓對溫度的斜率趨近於零，同 時該參考電壓大約位於1.178V，所以便能得到對溫度變化不敏感的穩定參 考源。另外由於電源電壓亦會對電路造成影響，為了解此參考電壓對電源

溫度(℃)

能隙參考電壓(V)

圖3.14 能隙參考電壓與溫度變化圖

電源電壓(V)

能隙參考電壓(V)

圖3.15 能隙參考電壓與電源電壓變化圖

的變化情形，圖 3.15 模擬出了電源變動±10%時，能隙參考電壓所產生之 變化結果。

由於本FPAA 電路中有使用到全差動式放大器，為了提供此差動放大 器共模電壓 2.5V 的參考準位，必須利用如圖 3.16 所示的額外電路以提昇 能隙參考電壓。該圖利用了非反相放大器負迴授路徑與電阻分壓以達到將 參考電壓提高的結果，由於放大器輸入端虛短路使得兩輸入點電壓皆約等 於1.178V，所以便可求得欲使輸出電壓等於 2.5V 時，兩電阻值的比例為

122 . 178 1

. 1

178 . 1 5 . 2

2

1 − ≈

R =

R （3.26）

其中必須注意電阻所流過的電流乃是由1.178V 與 R2所決定，當放大器最 大輸出電流無法提供此設計電流值時，就會因放大器內部電晶體跳離工作 區而使輸出電壓偏離預定的2.5V。所以為了驅動兩電阻正常工作，放大器 本身需要外加輸出級以提供足夠電流輸出，同時輸出電流的額定值必須與 電阻值相互搭配以獲得最適當電壓。至於電阻也應選擇溫度係數較低的材

+

-1.178V

2.5V R1

R2

圖3.16 共模電壓電路圖

溫度(℃)

共模電壓(V)

圖3.17 共模電壓與溫度變化圖

質加以實現。最後圖3.17 則是溫度由-50℃變化至 60℃所模擬出的共模電 壓變化圖。