參考電流電路以及參考電流產生方法

2023-12-09 17:45:21 2

專利名稱：參考電流電路以及參考電流產生方法
技術領域：
本發明涉及一種提供改良式溫度補償機制的電路與方法，用以在半導體基板上所製造出的集成電路中產生參考電流，而使用本發明的好處在於電路中產生與溫度變化無關 的參考電流。
背景技術：
在半導體工藝中的電子電路，特別是對模擬或混合信號電路所製成的集成電路而 言，通常會需要一參考電流或者是參考電壓。為了得到與工藝變異和溫度無關的電壓，現有 技術是用所謂的電壓能隙電路，或者是正溫度係數電流電路(PTAT)。舉例來說，使用正溫度 係數電路產生參考電流，則由於電流將必然會隨著溫度而改變(正比於絕對溫度)，因此需 要補償機制。除了正溫度係數電路外，還有一些方法是用互補溫度係數電路(CTAT)。使用 固定或者不隨溫度改變的電壓通常會由電阻梯產生電流。電流可以根據歐姆定律來獲得。 然而，現有技術中的電阻元件包括溫度係數，故會產生溫度相依性，因此導致參考電流即使 在輸入電壓為能隙電壓的環境中仍然會隨著溫度而變化。圖1描繪出現有技術的簡單電流參考電路。在圖1中電晶體MPll與MP13是P型 金屬氧化物半導體場效應電晶體，且互相耦接形成一電流鏡。電阻R用以在電流鏡的一分 支中形成一電流參考電路，因而產生參考電流Iref。接著電晶體MP13亦會輸出此電流，作 為輸出電流lout。Iout 可以由簡單地 Iref = lout = (VDD-Vgs，p)/R 來表示。Vgs，p 是一個因 P 型 金屬氧化物半導體電晶體導致的電壓降。在現有技術中，參考電流Iref可被電阻R簡單地產生出。然而，電阻R具有溫度 相依性，因此導致參考電流也具有溫度相依性。此種電路被稱為正溫度係數電流參考電路 或者PTAT電流參考電路。為了產生不隨溫度變化的電流，現有技術會用具有負溫度係數的 二極體或pn結來平衡電阻的正溫度係數電流。這些方法提供一些溫度補償，但是當元件的 溫度變化在一般半導體元件指定的範圍(攝氏-40度到攝氏125度)時，參考電流(與任 何相對應的參考電壓)上仍會發生實質上的變化。製作較小元件的進階半導體工藝與其工 藝變異會使得現有電路無法得到對溫度不敏感的參考電流。因此，需要一種產生對溫度不敏感的參考電流的方法和電路，以便應用於半導體 電路或集成電路中。這個對溫度不敏感的參考電流的電路與方法應當相容於現有與未來制 作集成電路的半導體工藝。

發明內容
通過本發明所提供的電流參考電路，大致上已解決或繞過現有及其他問題以達到 技術優勢，而電流參考電路是具有正、負溫度係數的電阻所構成。通過選擇上述電阻的阻值 去互補溫度相依性的數值可得到一個穩定的參考電流。因此在超過半導體元件的傳統工作 溫度範圍下，仍可產生穩定的參考電流。
在實施例中提供一個電流參考電路。電壓源具有溫度係數並通過一電阻產生一電 流，而上述電阻是由具有正溫度係數的電阻與負溫度係數的電阻串聯構成。通過適當調整 兩電阻的阻值，可得到對溫度不敏感的參考電流。
本發明提供一種電流參考電路，包括一電壓源，具有一溫度係數；一第一電阻性 元件，具有一正溫度係數；以及一第二電阻性元件，具有一負溫度係數，其中上述第一、第二 電阻性元件串聯耦接並形成一電阻，用以通過上述電壓源產生對溫度變化不敏感的一參考 電流。本發明提供一種電流參考電路，用以通過一已溫度補償電壓產生一參考電流，包 括一節點，耦接至上述已溫度補償電壓源；一第一電阻性元件，具有一正溫度係數；以及 一第二電阻性元件，具有一負溫度係數，其中上述第一、第二電阻性元件串聯耦接並形成一 電阻，用以通過上述已溫度補償電壓源產生對溫度變化不敏感的一參考電流。本發明提供一種參考電流產生方法，包括從具有一溫度係數的一電壓源接收一 第一電壓；提供一第一電阻性元件，上述第一電阻性元件具有一正溫度係數；提供一第二 電阻性元件，上述第二電阻性元件具有一負溫度係數；以及上述第一、第二電阻性元件串聯 耦接並形成一電阻，用以通過上述電壓源產生對溫度變化不敏感的一參考電流。本發明亦提供一種電流參考電路，電流參考電路是由接收已溫度補償的電壓所構 成，例如能隙參考電路。另外，再加上由正溫度係數的電阻與負溫度係數的電阻串聯排列的 組合電阻，產生參考電流。適當調整兩電阻元件的阻值，此電路的溫度係數可被消除，由此 產生對溫度不敏感的參考電流。本發明亦提供一種電流參考電路，具有正溫度係數與負溫度係數的電阻由已摻雜 半導體材料的電阻所構成。進一步來說，具有負溫度係數的電阻是在多晶矽材料中注入P 型摻雜原子所構成，而具有正溫度係數的電阻是在多晶矽材料中注入η型摻雜原子所構 成。在更進一步的實施例中，是使用不經過矽化處理(Silicide)的ρ型重摻雜電阻當作具 有負溫度係數的電阻，及使用不經過矽化處理的η型重摻雜電阻當作具有正溫度係數的電 阻，而矽化處理為一種工藝步驟。本發明亦提供一種參考電流產生方法，包括決定欲用以產生參考電流的電壓源的 溫度係數；選擇具有正溫度係數的電阻和負溫度係數的電阻阻值比例X y，此比例是對應 於消除來自電壓源的溫度係數所需的溫度係數；決定從電壓源得到所需的參考電流大小的 總電阻值；以及選擇卻被串聯排列的正與負溫度係數的電阻元件的阻值，用以滿足χ與y的 比例與總電阻值。使用本發明的實施例的優勢在於使用半導體工藝元件(摻雜)來作為對溫度補償 的用途，所以不需要額外加電路。比起現有技術，電流消耗甚少。因為參考電流的變異少， 所以在設計上接收參考電流的電路會比較簡單。為了讓本發明的上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實 施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下。


圖1為現有電流參考電路。圖2為本發明實施例中對溫度不敏感的參考電流電路。
圖3a為現有參考電流對應於溫度曲線圖。圖3b為參考電流對應於溫度曲線圖，其中參考電流是由圖2中電路所產生。圖4為使用能隙參考電路所輸出的電壓來產生的參考電流Iref的實施例。
圖5a為能隙參考電壓對應於溫度曲線圖。圖5b為現有參考電流對應於溫度曲線圖。圖5c為參考電流對應於溫度曲線圖，其中參考電流是由圖4中電路所產生。圖6為參考電流產生方法的步驟流程圖。並且，上述附圖中的附圖標記說明如下Rpos、Rneg、Rnl、Rpl Rpn 電阻；VDD:正電壓源；Vbgout:輸出電壓；Iref:參考電流；lout:輸出電流；MP1UMP13 :p型金屬氧化物半導體場效應電晶體；41:能隙參考電路；43:電流鏡。
具體實施例方式在下面的說明中會討論較佳實施例的做法與使用。不管如何，本發明所提供的概 念被受肯定在於具有創造性及適用性且可實現在各式各樣的具體環境中。
具體實施方式
的 討論僅會對本發明的做法及使用的實施方法作描述，但不會局限本發明的範圍。圖2為本發明實施例中對溫度不敏感的參考電流電路的方塊圖。在圖2中，P型金 屬氧化物半導體電晶體MPll耦接正電壓源VDD。電晶體MPll提供電流到由負溫度係數的 電阻Rneg與正溫度係數的電阻Rpos所組成的電阻梯。P型金屬氧化物半導體電晶體MP13 耦接至P型金屬氧化物半導體電晶體MPll的柵極與源極，以便與P型金屬氧化物半導體晶 體管MPll形成一電流鏡，用以產生一個輸出電流lout。假設電晶體MPll和電晶體MP13互 相匹配且具有一樣的(通道)寬度，則輸出電流Iout應該會跟參考電流Iref大小相等。本 領域普通技術人員亦了解通過調變(scaling)這兩個電晶體的大小，電流會依電晶體元件 尺度的比例而有不同的大小。通過歐姆定律(Ohms』 law)，電流Iref可以很簡單地表示成經過串聯電阻的電流， 艮口 Iref = VDD-Vgs, p/(Rneg+Rpos)電阻Rneg與Rpos皆可由一個電阻或者一串聯電阻所構成。舉例來說，在此實施 例中電阻Rneg為單一電阻Rnl，但不限定於此。相反地，電阻Rpos是一組串聯電阻Rpl··· Rpn0電阻Rneg或者電阻Rpos這兩個其中一個都可以通過使用較大或較小的單一電阻來 改變阻值，或使用多個電阻串聯來增加阻值，或者並聯耦接來減少阻值。在此實施例中，電阻是由多晶矽材料所構成，本發明的這個特徵提供一個很重要 的優點。電阻Rnl使用P+型摻雜多晶矽可以得到負溫度係數。電阻Rpos是由Rpl到Rpn 所構成，而這些電阻可以利用η+型摻雜多晶矽來取得正溫度係數。相較於現有技術的正溫 度係數電路(PTAT)的參考電流電路，通過選擇正確的電阻Rneg和電阻Rpos的阻值，電阻可以得到較小的溫度相依性。這種方式可以得到幾乎不隨溫度變化的參考電流。在這個應 用下被稱為「對溫度不敏感」電流。在實施例中，「rppolywo」表示不含矽化物的p型多晶矽 的電阻，而「rnpo 1 ywo 」表示不含矽化物的n型多晶矽的電阻。「rppo 1 ywo 」與「rnpo 1 ywo 」 中的「wo」表示未經矽化處理(silicide)，意即「不含矽化物」，矽化處理為一種工藝步驟。圖3a表示現有正溫度係數電路(PTAT)的溫度相依性，而此正溫度係數電路使用 傳統電阻以便由一電壓產生一電流。在此討論範例中的參考電流具有一正溫度相依性，並 且正溫度相依性表示成一線性曲線，使得電流變化是從攝氏-40度的88. 4微安培到攝氏 125度的93. 1微安培，每攝氏1度上升0. 285微安培(即斜率為0. 0285uA/°C )。在集成 電路的溫度改變下，為了使此電路的電流可以成為參考電流，接收電路必須設計加以補償 (compensated)的或者設計成對溫度不敏感的。圖3b中的參考電流是由圖2中的電路所產生的。實施例中的電阻值是為了抵消 溫度相依性而選擇出來的。在攝氏0度左右的最小電流是98. 11微安培，在這說明例中最 大的電流是98. 9微安培，並出現在攝氏125度左右。最大的改良在於兩者之間相差小於1 微安培，而斜率是每攝氏一度0. 00478微安培。因此，使用此輸出電流當作參考電流的接收 電路可將其視為定電流。在一些應用上，參考電流是由不隨溫度變化的電壓所產生。舉例來說，能隙參考 電路(bandgap reference)常用以提供不隨溫度變化的電壓。然而，由定電壓跨在半導體 元件電阻上所產生的參考電流仍表現出很大的溫度相依性，這是因為電阻本身具有溫度相 依性。本發明的實施例包括多個電路，用以通過不隨溫度變化的電壓，輸出一固定的參考電流。圖4為本發明的另一實施例，此實施例是使用能隙參考電路所輸出的電壓來產生 參考電流Iref。在圖4中，能隙參考電路41用以提供輸出電壓Vbgout。舉例而言，輸出電 壓Vbgout於能隙參考電路中使用電阻型式的一 PTAT電流源所產生，而電阻型式的PTAT電 流源具有正溫度係數並與具有一互補溫度係數的元件(CTAT電流源)達成平衡，經過這些 元件的電流被加總後輸入至一電阻，用以產生輸出電壓Vbgout，故此電路可在溫度改變下 進行補償。接著，電流鏡43會提供相同或者成比例的輸出電流lout。在圖4實施例中參考電流是通過能隙參考電路的輸出電壓Vbgout除以電阻Rneg 和Rpos所產生的，且電阻Rneg和Rpos由串聯連接的摻雜多晶矽所構成。參考電流Iref 可以被表示成Iref = Vbgout/(Rneg+Rpos)，從上述的方程式中，Iref可視為對溫度不敏感 的電流。因此，在此實施例的方法中，現有技術中與溫度相依的電阻被一組具有正溫度系 數(Rpos)和負溫度係數(Rneg)串聯電阻所取代，所以整體電阻R是不隨溫度改變，因此參 考電流Iref對溫度不敏感。本發明的實施例與現有電流參考電路不同之處在於補償具有溫度相依的電壓源 之外，並亦可在相同配置下加以稍微修正補償不隨溫度改變的電壓源。無論在那種狀況下， 實施例中皆可使用相同的元件通過模擬電壓源的溫度係數，再通過選擇電阻Rneg和Rpos 的阻值用以補償溫度相依性，而構成前述的電流參考電路。如上所述，電阻Rneg與Rpos最 好由摻雜多晶矽(dopedpolysilicon)所構成，例如電阻Rneg是由P型摻雜多晶矽所構成， 以便具有負溫度係數(當溫度升高，電阻值下降)，而電阻Rpos是由N型摻雜多晶矽所構成，以便具有正溫度係數(當溫度升高，電阻值增加)。在某些實施例中亦可其它的實現方
式來產生具有正負溫度係數的電阻元件，例如 圖5a、圖5b與圖5c使用能隙參考電路當作不隨溫度改變的電壓源所得到得模擬 結果，用以比較現有技術與圖4實施例的參考電流。圖5a是從攝氏-40度到攝氏120度的能隙參考電路的電壓輸出。在此說明例中， 能隙參考電壓在攝氏-40度為499. 6毫伏特，而在攝氏40度時剛好超過500毫伏特，超過 攝氏40度時電壓反而下降到低於499. 8毫伏特。如預期地，能隙參考電路的電壓輸出已相 當程度上對溫度無關。相反地，圖5b是現有電流參考電路所得到的模擬結果，現有電流參考電路是用半 導體工藝所製造出的傳統電阻加上能隙參考電路所輸出的電壓而產生電流。因為電流參考 電路是正溫度係數電路，所以現有電流參考電路所輸出的電流隨溫度而增加，並具有正溫 度係數的特性。在此說明例中，參考電流在攝氏-40度時有最小值8. 13微安培並且在攝氏 125度時增加到最大值8. 45微安培，斜率為0. 00194uA/°C，相當於現有電流參考電路的電 流源的正溫度係數。圖5c是使用圖4實施例中的電流參考電路(電流源電路)所得到的參考電流Iref 的結果，前述電流參考電路(電流源電路)包括具有溫度補償的電阻Rneg與電阻Rpos。圖 中在攝氏-40度時有最小電流9. 02微安培，在攝氏40度有最大電流9. 036微安培。此曲線 的斜率是0. 000091uA/°C，並相當於參考電流Iref的溫度係數，而前述斜率與溫度係數一 樣皆遠低於現有技術，事實上是趨近於零。因為圖4中由電阻Rneg與電阻Rpos加總所組成 的阻抗對溫度是不敏感的，所以參考電流Iref的斜率非常類似於能隙電壓電路的輸出電 壓Vbgout的斜率。電阻Rpos和電阻Rneg是被選擇用以產生對溫度無傾向性(temperature neutral)的阻抗，因此電流Iref只有一點溫度相依性，影響溫度的曲線最終還是供應電 壓。本發明亦提供一種方法，用以選擇電阻Rneg和電阻Rpos的電阻值，以便通過一 電壓源產生對溫度不敏感的參考電流。圖6是方法的步驟流程圖。在步驟ST01中，模擬電壓源，並計算出(決定出)兩個物理量，例如能隙參考電壓(VBG)與溫度係數。此方法 接著進行到圖6的步驟ST02，在步驟ST02中，決定正溫度係數的電阻與負溫度係數的電阻 的比例為x y，此處x與y分別對應於消去電壓源的(正或負)溫度係數所需的正溫度 係數的電阻的權重與負溫度係數的電阻的權重。在下一個步驟ST03中，通過選定電阻值 (totalresistor)xRp+yRn的所需電阻值，用以決定出所需的電流，使得電壓在組合電阻上 提供所需的參考電流Iref。最後，於步驟ST04中，執行一電路模擬，用以檢視最後產生的參 考電流Iref的溫度相依性，並確認參考電流Iref是對溫度不敏感的。相異於現有參考電流電路，實施例的電流參考電路使用組合電阻，使得本發明實 施例對任何電壓源做互補，而產生對溫度不敏感的參考電流，而前述組合電阻是由正溫 度係數的電阻與負溫度係數的電阻所組成。舉例來說，模擬電路系統如模擬數字轉換器 (ADCs)與收音機的模擬前端(analog frontends)常需要參考電流(與參考電壓)。因為 正溫度係數的電阻與負溫度係數的電阻是使用標準半導體工藝步驟所產生的，所以本發明 的參考電流電路可以與其他電路系統做結合，包括數字邏輯、嵌入式存儲器、混合信號與系 統晶片(S0C)集成電路應用，或者對溫度不敏感參考電流產生器可用於純模擬電路系統、 電源供應器、模擬感應器或者其他非數字邏輯的應用。此外，電阻Rneg與電阻Rpos可視為 電阻性元件，但不限於此。使用本發明的實施例的優勢在於使用半導體工藝元件(摻雜)來作為對溫度補償 的用途，所以不需要額外加電路。比起現有技術，電流消耗甚少。因為參考電流的變異少， 所以在設計上接收參考電流的電路會比較簡單。雖然本發明已以較佳實施例公開如上，然而其並非用以限定本發明，任何本領域 普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許更動與潤飾，因此本發明的保 護範圍當視隨附的權利要求所界定的範圍為準。
8
權利要求
一種電流參考電路，包括一電壓源，具有一溫度係數；一第一電阻性元件，具有一正溫度係數；以及一第二電阻性元件，具有一負溫度係數，其中上述第一、第二電阻性元件串聯耦接並形成一電阻，用以通過上述電壓源產生對溫度變化不敏感的一參考電流。
2.如權利要求1所述的電流參考電路，其中上述電壓源具有一正溫度係數。
3.如權利要求1所述的電流參考電路，其中上述電壓源具有一負溫度係數。
4.如權利要求1所述的電流參考電路，其中上述電壓源用以輸出一電壓，而上述參考 電流由一方程式表示，上述方程式為Iref = V/(Rp0S+Rneg)，Iref為上述參考電流，V為上 述電壓源所輸出的電壓，上述第一電壓，Rpos為上述第一電阻性元件，Rneg為上述第二電 阻性元件。
5.如權利要求4所述的電流參考電路，其中於上述方程式中上述電壓源的溫度係數由 上述第一電阻性元件的正溫度係數和上述第二電阻性元件的負溫度係數的加總而抵消。
6.如權利要求1所述的電流參考電路，其中上述第一、第二電阻性元件中的至少一者 是由二個以上的電阻所形成。
7.如權利要求1所述的電流參考電路，其中上述第一、第二電阻性元件皆由被摻雜成 導電型態的半導體材料所形成。
8.如權利要求7所述的電流參考電路，其中上述第一電阻性元件由多晶矽材料摻雜n 型摻雜原子所構成。
9.如權利要求7所述的電流參考電路，其中上述第二電阻性元件由多晶矽材料摻雜p 型摻雜原子所構成。
10.如權利要求1所述的電流參考電路，其中上述電壓源耦接至具有一零溫度係數的 一能隙參考電路。
11.一種電流參考電路，用以通過一已溫度補償電壓產生一參考電流，包括一節點，耦接至上述已溫度補償電壓源；一第一電阻性元件，具有一正溫度係數；以及一第二電阻性元件，具有一負溫度係數，其中上述第一、第二電阻性元件串聯耦接並形 成一電阻，用以通過上述已溫度補償電壓源產生對溫度變化不敏感的一參考電流。
12.如權利要求11所述的電流參考電路，其中上述正溫度係數與上述負溫度係數的總 和大抵上為零。
13.—種參考電流產生方法，包括從具有一溫度係數的一電壓源接收一第一電壓；提供一第一電阻性元件，上述第一電阻性元件具有一正溫度係數；提供一第二電阻性元件，上述第二電阻性元件具有一負溫度係數；以及上述第一、第二電阻性元件串聯耦接並形成一電阻，用以通過上述電壓源產生對溫度 變化不敏感的一參考電流。
全文摘要
一種參考電流電路以及參考電流產生方法。電流參考電路包括一電壓源，具有一溫度係數；一第一電阻性元件，具有一正溫度係數；以及一第二電阻性元件，具有一負溫度係數，其中第一、第二電阻性元件串聯耦接並形成一電阻，用以通過電壓源產生對溫度變化不敏感的一參考電流。本發明的優勢在於使用半導體工藝元件(摻雜)來作為對溫度補償的用途，所以不需要額外加電路。比起現有技術，電流消耗甚少。因為參考電流的變異少，所以在設計上接收參考電流的電路會比較簡單。
文檔編號G05F1/56GK101859158SQ20101015559
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月2日 優先權日2009年4月8日
發明者林慶宗 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司