CN104731158B - 低漂移电压基准 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低漂移电压基准。提供用于提供电压基准电路的电路和方法，该电路包括随着时间的低漂移和更低的工作电压。通常，期望基准电路提供随时间的准确和精确的基准。描述的电压基准电路可以提供良好的长期稳定性、以比之前设计较低电压运行、由于处理变化和不匹配具有降低可变性的一致输出电压、基准电压中的低噪音以及其他优势。

Description

低漂移电压基准

技术领域

本公开涉及一种用于生成电压的方法和装置，该电压可在诸如集成电路的***中用作基准。

背景技术

电压基准通常由电子电路提供，即使当通常或否则引起电压波动的温度或电源变化时，该电子电路在电路的输出提供没有波动的恒定电压。其结果是，希望的是，即使***情况变化，电压基准可以提供基准点。电压基准可用于电源电压调节器、模拟-数字转换器、数字-模拟转换器以及许多其他的测量和控制***。通常，基准电压可以通过平衡电压而产生，该电压随着温度升高而增加，随着温度的降低而降低。

正比于绝对温度(PTAT)的电压随温度上升而增加，并被称为PTAT电压。绝对温度(CTAT)互补的电压可以随温度下降而减小，并且被称为CTAT电压。电压基准可以基于带隙原理，其中晶体管的基极-发射极电压(其本质互补于绝对温度CTAT)被添加到电压，该电压正比于绝对温度PTAT。如果两个电压分量被很好的平衡，组合电压针对温度变化以第一顺序补偿。常规电压基准的问题涉及基准随着时间的不稳定性。这种不稳定性被称为漂移，并主要归因于CTAT电压分量。这具有绝对幅度并取决于许多工艺参数。

因此，期望已经降低漂移特性的稳定基准电压。

发明内容

这些和其它问题通过根据本发明教导提供的电压基准被解决，其通过组合齐纳二极管与CTAT组件而减少漂移。齐纳二极管输出具有特性PTAT 形式，当与CTAT组件组合时，其可提供针对温度变化以第一顺序补偿的组合电压，所述CTAT组件由组合在不同集电极电流密度工作的多个双极晶体管产生的负基极发射极电压差产生。通过使用齐纳二极管，它提供了非常稳定的电压作为输出，它可以生成具有非常低的漂移特性的基准电压。

附图说明

现在基准附图，将通过举例的方式描述经提供以协助理解本教导的实施例，其中：

图1是表示根据本发明教导提供的示例性电路的示意图；

图2是表示可用于产生用于图1的电路中使用的基极-发射极电压差的电路的示例性组件；

图3是表示可用于产生用于图1的电路中使用的基极-发射极电压差的电路的示例性组件；

图4是表示按照本发明教导提供的电路的模拟数据的曲线图。

图5是表示使用修整电流如何优化图1的电路的模拟数据的曲线图。

图6是表示按照本发明教导，在250℃，随着电源电压从10V变化到5.5V，提供的电路的性能的模拟数据的曲线图。

具体实施方式

本教导提供了从组合PTAT组件与CTAT组件产生的复合电压形成的低漂移电压基准。该PTAT组件理想地通过使用偏置电流偏压齐纳二极管产生。其结果是，齐纳二极管的输出具有PTAT形式，其将随着绝对温度的上升而增加。为了补偿随着温度上升齐纳二极管的输出增加，本教导组合CTAT组件和PTAT组件。该CTAT组件由从在不同的集电极电流密度工作的多个双极晶体管得到的负基极发射极电压差生成。已知在两个这样的晶体管之间的基极发射极电压差具有PTAT形式，但由本发明的教导所提供的是具有CTAT形式的倒置或负基极发射极电压差。

图1示出该电压基准电路的示例。它包括从偏置电流I1偏置的齐纳二 极管1。齐纳二极管理想地制造成掩埋式齐纳。正如本领域普通技术人员可以理解，埋入齐纳二极管表现出非常低的噪声特性，并随着时间和温度非常稳定。

该高性能的PTAT电压组件和多个负基极-发射极电压差块或单元3至4组合，其提供电路的CTAT电压分量。通过组合来自齐纳二极管的PTAT电压贡献和多个负基极-发射极电压差块的(–ΔVbe)的CTAT电压贡献，该电路在输出端提供稳定的电压基准，其是一阶温度不敏感。当CTAT组件由两个或多个电路元件的输出之间的差提供，CTAT组件不具有绝对幅值，因此随着时间和温度的非常稳定。

该基极发射极电压差如何产生的一个实施方式示于图2。应当理解，其中图1示出了两个–ΔVbe单元3、4，每个这些单元可每个如2所示的电路结构制造。两个PNP双极晶体管Q1、Q2使用两个相应集电极电流I2、I3被偏压，使得Q1和Q2工作于不同的集电极电流密度。施加该集电极电流密度差的一种方式是具有类似的偏置电流(I2＝I3)，但提供具有不同的发射极区的Q1和Q2。例如，并且如图所示，Q 1可被提供为统一发射极双极晶体管，和Q2作为“n”次统一发射极双极晶体管。第三晶体管Q3被提供并耦合到Q1的集电极和基极。该配置用于最小化基极电流产生的影响。在Q1至Q2的基极-发射极电压的差从节点“a”和“b”反射在整个PMOS晶体管MP1，如：

这里，k是玻尔兹曼的常数，T是K的绝对温度，q是电子电荷。

根据公式(1)，在图2中从节点“a”和“b”的电压差随着温度的升高而下降，使得它具有CTAT形式。应该理解，该单元的节点“a”耦合在图1的偏置电流I1和齐纳D1之间。节点“b”提供输入到第二单元，其将节点“a”耦合到第一单元的节点“b”。第二单元的节点“b”将然后提供整个电路的电压基准。多个单元的这种级联可以被复制。

图3示出–ΔVbe单元的另一实施方式，其可以用于生成用于图1的电路的–ΔVbe组件。图3的电路元件通过在齐纳二极管耦合该单元而自身产生PTAT输出，它可以用于平坦化齐纳二极管的整体PTAT温度系数特性。 在图3的结构中，并类似图2，通过审慎地组合在该–ΔVbe单元中的电路元件到齐纳二极管，可生成从节点“a”和“b”的较大电压差，其用于平坦化齐纳的PTAT TC。

类似于图2，该单元的节点“a”耦合到齐纳的顶板-在图1的偏置电流I1和齐纳d1之间。该单元的节点“b”可操作地耦合到类似单元的相应节点“a”，其中两个或多个这样的单元或级联以提供多个–ΔVbe组件来平衡齐纳二极管的正温度系数响应。该级联配置的最终单元的节点“b”提供整个电路的输出节点，电压基准节点。

在图3的电路中，–ΔVbe单元的电路元件被耦合到单一的偏置电流。理想地，所述电路元件包括双极晶体管和，并通过避免需要第二电流源来驱动电池的双极型晶体管，本教导避免了与失配相关的问题。

如图3所示，单元包括其被耦合到单一偏置电流I2的三个并联臂。配置使得：所述偏置电流I2被划分成三个相等的电流。第一臂包括PNP双极晶体管QP1(用作电流镜)和在低集电极电流密度运行的三个NPN二极管连接双极晶体管QN1、QN2、QN3。第二臂包括PMOS晶体管MP1，在低集电极电流密度运行的PNP型双极晶体管、QP2操作和QN7(用作电流镜)。第三臂包括4个双极型晶体管(其设置在二极管连接配置中以及其在高集电极电流密度操作)、PNP型双极晶体管QP3和三个NPN双极晶体管QN4、QN5、QN6。单元操作使得无论第三臂中的电流，从第三臂与经由第一臂中的QP3至QP1和经由QN6至QN7镜像到第二臂。

使用这样的配置，明显的是，在整个MP1，源极到漏极，四个基极-发射极电压差的形式的电压(ΔVbe)被开发(一个从QP3到QP2，一个从QN1到QN4，1个从QN2到QN4，一个从QN3到QN6)。

虽然ΔVbe是固有的PTAT形式，通过提供反转的ΔVbe，它具有CTAT形式并因此可以认为是整个电路的CTAT组件。应该理解，由-ΔVbe电路所提供的每个CTAT组件和由掩埋齐纳提供的PTAT部件具有相关联的温度系数TC。总体基准电压的温度系数是两者的组合。鉴于这一事实，在环境温度的掩埋齐纳电压的常规电压为～5.3V，应当理解，此基准电压的温度系数的定标最佳地通过修改CTAT分量的标量值来实现。

在一个示例性方面中，基准电压的温度系数可以经由数模转换器 (DAC)进行数字调整。调整温度系数的一种方法是在节点“C”在图3中的单元中加上或减去数控电流。如果偏置电流(假设为和图3的I2具有相同的温度依赖性)注入在节点“c”，QN1到QN3的集电极电流密度比相对于QN4到QN6增加，其导致节点“a”和“b”的基极-发射极电压差的增大。如果类似形式的偏置电流从节点“c”角减去，相应基极-发射极电压差变小。如果提供两个这样的单元，每个产生-ΔVbe，则微调电流可以被引入到每个单元。这用于扩大可实现的修整的实际范围。

以类似的方式，-ΔVbe单元的不同组合可以用于产生适当的负PTAT电压，以补偿所述掩埋齐纳二极管的温度变化。

根据图1和图3所述的电路被设计和模拟。图1的齐纳二极管的温度系数通过根据图3的两个电路或单元的级联进行补偿。

图4显示在从第一基极-发射极电压差块2的贡献之后并在第二基极-发射极电压差块3的输出，齐纳二极管1的电压降的模拟数据。可以看出：线1示出的齐纳主要PTAT输出通过组合多个-ΔVbe组件被降低到很宽温度范围内的基本平坦的响应。如上所讨论的，该电压基准的实际响应特性可进一步通过调整电路进行优化。此类修整可通过添加或减去微调电流来实现。应该理解，修整电流允许微调电路的响应特性。一个特别有利的节点来选择用于引入微调电流(增加或减去该电流)是在图3所示的节点的第一臂中的节点“c”。

图5示出引入该微调电流如何用于微调在电路的输出端所提供的电压基准的温度系数响应特性的模拟数据。在图5中呈现的模拟数据，该线2对应于图4中的线3，即非修整电压基准。通过添加1LSB级的小微调电流到图3的节点“c”，输出电压在绝对值和温度系数中增加-示出为图5中的线3。同样地，如果相同的LSB电流从节点“c”减去，电压变化对应于图5的线1。将会从图5的尺度理解，该配置提供从齐纳二极管的已补偿输出PTAT的微调。

如图1所示的电压基准电路的必要电源电压主要由齐纳二极管的供给要求决定。这通常需要至少5.5V量级的电源电压。图6示出从5.5V至10V如何改变此电源电压对电路的整体输出几乎没有影响，即，电路表现出非常稳定的响应特性。

应该理解，诸如基准图1描述的电路可堆叠或级联，以产生更大的输出电压。例如，对于按图1的两个补偿齐纳二极管和按图3的多个单元的堆栈，双基准电压可以被产生。以类似的方式，更多的单元可以堆叠并且可以产生较大的基准电压。应当理解，每个堆叠的齐纳将理想地需要多个单独的电路元件，经配置以对限定电路的电压基准的复合电压产生-ΔVbe的贡献。

在其它配置中，电压基准可使用分频器或放大器被放大或缩小。可以理解，根据本公开内容的基准电压可以具有或不具有芯片温度控制使用。如果模具温度受到控制，对温度变化非常稳定的电压可以实现。应该理解，该配置可需要提供更大的电源电流来加热模具。

应当理解，根据本发明教导提供的电路提供了许多优点，包括：

-非常好的长期稳定性，因为除了齐纳二极管本身，没有绝对的电压组件；

-相比需要大约1伏以上的传统掩埋齐纳，基准电压可以从5.5V～的低电压提供；

-由于过程变化和失配，输出电压和减少可变性非常一致；

-低噪音；

–自补偿CTAT组件；

-高电源抑制比，PSRR；和

-非常低的非线性。

然而，不意图将本教导限制于任何一组优点或特征，因为可以作出修改，而不脱离本教导的精神和或范围。

上文基准特定实施例描述提供基准电压的***、装置以及方法。但是，所属领域的技术人员应当理解，所述实施例的原理和优点可用于需要温度不敏感输出的任何其他的电路、装置或方法。

另外，虽然已参照使用特定类型的双极晶体管-ΔVbe电压，任何其它合适的晶体管或能够提供基极-发射极电压的晶体管可同样在本教导的范围内使用。可以设想，每个单个描述晶体管可以被实现为多个晶体管，其基极-发射器将被并联连接。例如，当按照本发明教导的电路在CMOS处理实现时，每个晶体管可以被实现为每个单元区的多个双极晶体管基 底，以及在每个臂中的晶体管的区域将由与它们各自的基极-发射极并联连接的单元区的双极型衬底的晶体管数量被确定。

在一般情况下，当根据本教导的电路在CMOS处理中实现时，该晶体管将是双极晶体管基板，晶体管的集电极将在地面保持，但晶体管的集电极可在除了地面的基准电压保持。

这些电路和单元可提供作为可以在各种电子设备中实现的***、装置和/或方法。电子设备的示例可以包括(但不限于)消费电子产品、消费者电子产品、电子测试设备、无线通信基础设施等。电子设备的例子还可以包括光网络或其它通信的电路部分网络，和磁盘驱动器电路。所述消费类电子产品可包括(但不限于)测量仪器、医疗设备、无线设备、移动电话(例如，智能电话)、蜂窝基站、电话、电视机、计算机监视器、计算机、手持式计算机、平板计算机、个人数字助理(PDA)、微波炉、冰箱、立体声***、盒式磁带录音机或播放器、DVD播放器、CD播放器、数字视频录像机(DVR)器、VCR、MP3播放器、收音机、摄像机、照相机、数码相机、便携式存储器芯片、洗衣机、烘干机、洗衣机/干衣机、复印机、传真机，扫描仪，多功能功能***设备，手表，时钟等。另外，电子装置可包括未完成的产品。

除非上下文清楚地要求，否则遍及说明书和权利要求书，词语“包括”、“包括”、“包括”、“包括”等是被解释为包含的意义，而不是排他或穷举的含义；也就是说，以“包括，但不限于”的意义。如通常本文所用，词语“耦合”或“相连”指的是可直接连接，或通过一个或多个中间元件的方式连接的两个或更多个元件。此外，词语“这里”、“以上”、“以下”和类似含义的词语在本申请中使用时，应指本申请的整体而不是此申请的任何特定部分。只要情况允许，在详细说明中使用单数或复数数量的词语也可以分别包括复数或单数。在参照两个或更多个项目列表的词语“或”意在覆盖所有单词的以下解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目、以及在该列表中的项目的任意组合。本文所提供的所有数值均意欲包括测量误差内的相似值。

本文所提供的本发明的教导可以应用于其它***，而不一定上述***。上述的各种实施例的元素和动作可以被组合以提供进一步的实施方 式。可以以任何顺序酌情进行本文所讨论的方法的操作。此外，当合适时，本文中所讨论的方法的行为可以被串联或并行地执行。

而本发明的某些实施例已被描述，这些实施例已提出了通过举例的方式而已，而不是为了限制本公开的范围。的确，这里所描述的新颖性方法和***可以体现在其他各种形式。此外，可以对本文中所描述的***和方法的形式做出各种省略、替代和改变，而不脱离本公开的精神。所附权利要求及其等同物旨在覆盖将落入本公开的范围和精神内的这些形式或修改。因此，本发明的范围通过基准权利要求书限定。

Claims (21)

1.一种电压基准电路，包括耦合至电路元件的齐纳二极管，所述电路元件中的至少两个电路元件经配置以在所述至少两个电路元件之间生成负基极-发射极电压差分量，其中所述负基极-发射极电压差分量补偿所述齐纳二极管的正温度系数的响应特性，以在电压基准电路的输出提供电压基准。

2.根据权利要求1所述的电压基准电路，包括第一负基极-发射极电压差块和第二负基极-发射极电压差块，所述第一负基极-发射极电压差块和第二负基极-发射极电压差块互相被级联。

3.根据权利要求1的电压基准电路，其中，所述电路元件包括具有第一发射极区域的第一双极型晶体管和具有不同的第二发射极区域的第二双极型晶体管。

4.根据权利要求3所述的电压基准电路，包括耦合到所述第一双极型晶体管的基极和集电极中的每一个的第三双极型晶体管。

5.根据权利要求3所述的电压基准电路，包括耦合到所述第一双极型晶体管和第二双极型晶体管中的每一个的MOS设备，使得每个所述第一双极型晶体管和第二双极型晶体管之间的基极-发射极电压差跨MOS设备反映。

6.根据权利要求1所述的电压基准电路，其中所述电路元件被布置在单元中，所述单元包括：

布置在所述单元的第一、第二和第三臂并经配置以在所述单元的输出产生正比于绝对温度的电压的多个双极型晶体管，所述正比于绝对温度的电压依赖于所述多个双极型晶体管中的各个双极型晶体管，并且

其中，所述第一臂、第二臂和第三臂中的每一个连接至单个偏置电流，使得所述偏置电流被分到每个臂中，以及每个臂补偿其他臂的基极电流的变化。

7.根据权利要求6所述的电压基准电路，其中，在所述单元的输出提供的正比于绝对温度的电压与基极-发射极电压差相关，所述基极-发射极电压差是根据以第一集电极电流密度运行的第一组双极型晶体管和以第二集电极电流密度运行的第二组双极型晶体管的发射极区域比产生的，其中，第二集电极电流密度低于第一集电极电流密度，所述单元被连接到所述齐纳二极管，以便提供基极-发射极电压差作为负基极-发射极电压差贡献来平衡齐纳二极管的正温度系数响应特性。

8.根据权利要求7所述的电压基准电路，包括MOS设备，并且其中根据发射极区域比所产生的基极-发射极电压差跨MOS设备被反映到单元的输出。

9.根据权利要求6所述的电压基准电路，其中，每个臂包括以PNP结构提供的至少一个晶体管，所述单元被配置成使得所述第一臂、第二臂和第三臂中的每一个的单独PNP晶体管的发射极耦合到由同一偏置电流偏置的公共节点。

10.根据权利要求9所述的电压基准电路，其中，所述单元的第一臂包括具有统一发射极尺寸的PNP晶体管，所述单元的第二臂包括具有多倍发射极尺寸的PNP晶体管，所述单元经配置以在单元的输出生成第一次序的电压，所述第一次序的电压独立于偏置电流和正比于所述多倍。

11.根据权利要求9所述的电压基准电路，包括以NPN结构配置的多个双极型晶体管，以及其中所述单元的第一臂和第二臂中的每一个包括至少一个NPN配置晶体管和至少一个PNP配置晶体管，第一臂以第一集电极电流密度操作，以及所述第二臂以第二集电极电流密度操作，其中，第二集电极电流密度低于第一集电极电流密度，所述单元被配置以在所述单元的输出产生基极发射极电压差。

12.根据权利要求11所述的电压基准电路，其中，所述NPN配置晶体管具有和PNP配置晶体管不同的发射极区域。

13.根据权利要求6所述的电压基准电路，其中，所述偏置电流由耦合到所述电压基准电路的电源电压的电流源提供。

14.根据权利要求6所述的电压基准电路，其中，第三臂的各晶体管以二极管连接结构设置。

15.根据权利要求1所述的电压基准电路包括修整节点，由此修整电流能够被引入到所述电压基准电路以改变所述电压基准电路的温度系数特性。

16.根据权利要求15所述的电压基准电路，其中，所述修整电流加入到所述电压基准电路或从所述电压基准电路去除，以改变所述电压基准电路的温度系数特性。

17.根据权利要求16所述的电压基准电路，其中，所述修整电流耦合到所述电路元件，所述电路元件经配置以产生负基极-发射极电压差分量。

18.一种电压基准电路，包括：

第一组电路元件，包括齐纳二极管并经配置以产生正比于绝对温度的PTAT电压；

包括双极型晶体管的第二组电路元件，第二组电路元件中的至少两个电路元件经配置以在所述至少两个电路元件之间产生与绝对温度互补的CTAT电压形式的负基极-发射极电压差；

所述电压基准电路耦合第一和第二组电路元件的每一个，以在所述电压基准电路的输出产生电压基准。

19.根据权利要求18所述的电压基准电路，其中，所述第二组电路元件布置在单元中，所述单元包括：

布置在单元的第一、第二和第三臂并经配置以在单元的输出产生正比于绝对温度的电压的多个双极型晶体管，所述正比于绝对温度的电压依赖于所述多个双极型晶体管的各个双极型晶体管，并且

其中，每个所述第一臂、第二臂和第三臂都连接至单个偏置电流，使得所述偏置电流被分到每个臂中，以及每个臂补偿其他臂的基极电流的变化。

20.根据权利要求19所述的电压基准电路，其中，在单元的输出提供的正比于绝对温度的电压与基极-发射极电压差相关，所述基极-发射极电压差是根据以第一集电极电流密度运行的第一组双极型晶体管和以第二集电极电流密度运行的第二组双极型晶体管的发射极区域比产生的，其中，第二集电极电流密度低于第一集电极电流密度，所述单元被连接到所述第一组电路元件，以便提供基极-发射极电压差作为对齐纳二极管的正温度系数响应特性的负基极-发射极电压差贡献。

21.一种提供电压基准的方法，包括：

将电压基准电路中的齐纳二极管耦合到多个双极型晶体管，所述多个双极型晶体管中的至少两个双极型晶体管经配置以在所述至少两个双极型晶体管之间产生与绝对温度互补的CTAT电压形式的负基极-发射极电压差，其中所述负基极-发射极电压差补偿齐纳二极管的与绝对温度成正比的PTAT温度系数，以在所述电压基准电路的输出提供具有一阶温度不敏感性的电压基准。