CN107624172A - 参考电压 - Google Patents

Abstract

一种电压参考电路包含电压控制电流源；第一参考金属氧化物半导体场效应晶体管，其具有第一阈值电压；第二参考金属氧化物半导体场效应晶体管，其具有第二阈值电压，其中该第二阈值电压不同于该第一阈值电压；电流镜；及负载。该电压控制电流源经布置以产生第一电流，该第一电流与该第一阈值电压与该第二阈值电压之间的差值成比例，且该电流镜经布置以产生第二电流以便产生参考电压，该第二电流为穿过该负载的该第一电流的经按比例调整版本。

Description

参考电压

技术领域

本发明涉及特别适合用于模拟数字转换器(此后称作ADC)内(但不排除其他可能性)的参考电压的产生。参考电压电路为ADC内的关键组件，因为参考电压电路提供与模拟输入比较的参考值，以便指派正确数字值。

背景技术

参考电压需要具有高绝对准确度，以便达成足够的增益误差效能。这意味着ADC的转移函数在实体上实施时应尽可能密切地匹配所设计的理想转移函数。关于参考电压的又一重要因子为参考电压具有低温度系数以便减小温度对增益误差浮动的影响。

常规的温度稳定电压参考电路通常使用双极结晶体管(BJT)来构成，所述BJT经布置以提供带隙参考电路，所述带隙参考电路如此命名是由于产生1.25V输出电压，接近用于电荷载流子(即，电子或空穴)克服与处于绝对零处的硅关联的1.22eV带隙所需要的电压。此类带隙参考电路使用按不同电流密度操作的两个p-n结之间的电压差操作，以产生具有低温度依赖性的输出电压。然而，此类带隙参考电路当实施于硅中时通常占据相当大的物理面积，其中一些实施将多达ADC的可用面积的20％专用于电压参考电路。

发明内容

当自第一形式检视时，本发明提供电压参考电路，该电路包含：

电压控制电流源；

第一参考MOSFET，其具有第一阈值电压；

第二参考MOSFET，其具有第二阈值电压，该第二阈值电压不同于该第一阈值电压；

电流镜；以及

负载，

其中该电压控制电流源经布置以产生第一电流，该第一电流与该第一阈值电压与该第二阈值电压之间的差值成比例，且该电流镜经布置以产生第二电流以便产生参考电压，该第二电流为穿过该负载的该第一电流的经按比例调整版本。

因此，本领域技术人员应了解，本发明提供一种电压参考电路，该电路通过利用两个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的各自阈值电压之间的差值而操作。这产生温度稳定参考电压输出，同时使物理实施面积要求降到最低。在典型的实施中，本发明可(例如)仅需要使用常规电压参考电路所需要的面积的四分之一。电流镜用以将来自电压控制电流源(VCCS)的差分阈值电压依赖性输出电流缩放至所需水平，随后使电流穿过特定负载，以便根据欧姆定律(Ohm’s law)在该负载两端产生电压降，该电压降充当来自该电路的参考电压输出。

本领域本身中存在已知的实施电压控制电流源的多个方式。然而，在一组优选实施例中，该电压控制电流源为运算跨导放大器。在其操作范围内，运算跨导放大器(OTA)产生与两个输入电压之间的差值成比例的输出电流。理想OTA在该差分输入电压与该输出电流之间拥有线性关系，其中在此处相关于两个量的恒定因子被称作该放大器的跨导g_m。

至该电压控制电流源的输入可经配置使得该第一阈值电压与该第二阈值电压中的任何一个较大，因为电路利用这些阈值电压之间的差值操作。然而，在一组优选实施例中，该第一阈值电压大于该第二阈值电压。

本领域技术人员将了解与这些晶体管关联的特定阈值电压随制造程序变化。然而，在一组实施例中，该第一阈值电压在300mV与800mV之间。在一组重叠实施例中，该第二阈值电压在200mV与700mV之间。

现代半导体设计常常利用一种专用集成电路(ASIC)设计的标准链接库方法，其中标准“建置块(building blocks)”或“胞元(cells)”的链接库用以在ASIC(诸如ADC)内实施所需功能。阈值电压晶体管为此类链接库的常用组件，且通常存在于三联体中，诸如高电压阈值值(HVT)、标准电压阈值值(SVT)及低电压阈值值(LVT)，其每一个具有如设计者视为适合的待使用于应用中的特定特征功率消耗及关键时序路径。本申请人已理解利用这些晶体管的优势，且因此在一组实施例中，该第一参考MOSFET为高电压阈值值晶体管。在另一组重叠实施例中，该第二参考MOSFET为标准电压阈值值晶体管。

可同样使用LVT或另一类型的阈值值晶体管(诸如极高阈值电压(VHVT)或极低电压阈值值eLVT)来替代前述HVT或SVT晶体管中的任何一个执行阈值电压比较。因此，在一组替代性实施例中，该第一参考MOSFET为标准电压阈值值晶体管。在又一组替代性实施例中，该第二参考MOSFET为低电压阈值值晶体管。

在典型的实施中，eLVT可具有200mV与400mV之间的阈值电压；LVT可具有300mV与500mV之间的阈值电压；SVT可具有400mV与600mV之间的阈值电压；HVT可具有500mV与700mV之间的阈值电压；且VHVT可具有600mV与800mV之间的阈值电压。

来自该电压控制电流源的输出电流所穿过的负载可为任何类型的负载，但优选为电阻式。在一组优选实施例中，该负载为可变电阻器。通过提供可变负载，可根据欧姆定律而通过变更电阻来控制参考电压(即，该负载两端的电压降)。在一组优选实施例中，可用数字方式控制可变电阻器。这允许通过微控制器或处于运行时间的任何其他此类装置而对电阻进行精细调谐，允许使用相同电路产生多个不同参考电压，且允许对该参考电压作出校正以弥补由于外部因素(诸如温度波动)而产生的变化。

本领域中存在已知的适合于本发明的多个电流镜布置。然而，在一组优选实施例中，电流镜包含第一镜晶体管及第二镜晶体管。优选地，这些镜晶体管经布置使得其各自栅极端子连接至共享栅电压。在此类布置中，该第一镜晶体管处于二极管连接配置(即，栅极端子与漏极端子彼此连接)，且该第二镜晶体管处于共源配置(即，栅极端子充当输入且漏极端子充当输出)。这些晶体管中的差值允许穿过该第一镜晶体管的第一镜电流以一因子按比例调整，以便产生穿过该第二镜晶体管的与该第一镜电流成比例的第二镜电流。在一组优选实施例中，该第一镜晶体管具有第一宽度且该第二镜晶体管具有第二宽度，其中该第一宽度与该第二宽度不同。在此类实施例中，该第一宽度与该第二宽度之间的比率提供该第一镜电流与该第二镜电流之间的电流比。在其他实施例中，该第一宽度与该第二宽度相同。该第一镜晶体管的漏极端子可经由固定电阻器连接至该第一参考MOSFET与该第二MOSFET中的任何一个的漏极端子，使得该固定电阻器两端的电压降将固定输入电压提供至该电压控制电流源。

附图说明

现将仅通过示例参看附图的方式而描述本发明的实施例，在附图中：

图1展示根据本发明的电压参考电路的电路图；且

图2展示随横跨典型操作范围的温度而变的参考电压的仿真曲线。

具体实施方式

图1展示根据本发明的电压参考电路1的电路图。电压参考电路1包含经配置为运算跨导放大器的运算放大器2；HVT晶体管4；SVT晶体管6；第一电流源晶体管8以及第二电流源晶体管10；电流镜晶体管12、固定电阻器14以及具有数字控制输入18的用数字方式可控的可变电阻器16。

第一电流源晶体管8及第二电流源晶体管10分别为HVT晶体管4及SVT晶体管6供应电流，晶体管4、6还产生供应至运算放大器2的输入电压20、22。HVT晶体管4及SVT晶体管6经布置使得其个别栅极端子与漏极端子连接，且进一步分别连接至运算放大器2的非反相输入及反相输入。在SVT晶体管6的情况下，公共栅极端子及漏极端子经由固定电阻器14连接至运算放大器2的反相输入。

由第二电流源晶体管10供应的电流穿过固定电阻器14且根据欧姆定律产生固定电阻器14两端的电压降。此电压降将反相输入22提供至运算放大器2。因为来自运算放大器2的放大器输出电压26连接至第一电流源晶体管8及第二电流源晶体管10的栅极，所以变更这些晶体管的通道宽度以便将非反相输入电压20及反相输入电压22朝向收敛驱动。因为HVT晶体管4及SVT晶体管6归因于其物理差异具有不同阈值电压，所以必须通过变更固定电阻器14两端的电压降而补偿电压20与22的差值。

电流镜晶体管12物理上是第二电流源晶体管10的B倍宽。归因于此宽度差值，穿过电流镜晶体管12的电流为穿过第二电流源晶体管10的电流的B倍。此较大镜电流接着穿过可变电阻器16，从而产生参考电压输出24。

将n位数字控制信号18供应至可变电阻器16，可变电阻器16又使得电阻按需要改变。此可变电阻允许在运行时间对参考电压输出24进行精细调谐。

因此可见参考电压输出24基于HVT晶体管4与SVT晶体管6之间的阈值电压差。

此处假定HVT晶体管4与SVT 6处于弱反转中。这意味着每一晶体管的栅极端子与源极端子两端的电位差小于该晶体管的阈值电压(即，V_GS<V_th)。因而，晶体管在其各自亚阈值区域内操作，且其各自漏极电流通过等式1给出，记载于Solid State ElectronicDevices(Streetman Banerjee，第311页)。

其中n为变量，其取决于通道的耗乏电容C_d、界面状态MOS电容C_it及绝缘体电容C_i，通过下文的等式2给出。

为了简化I_D，如同等式3将第一项定义为I₀。

如果假定则通过得出此近似值且将等式3代入至等式1中，可在等式4中如下表达漏极电流I_D。

可接着如下文所示在等式5及等式6中分别表达HVT晶体管4及SVT晶体管6中的每一个的栅极源极电压V_GS。

等式7引入参数s，其中s表示亚阈值斜率且通过以下等式给出：

由将等式2代入至等式7中并且解算n，获得等式8的表达式。

通过将等式8代入至等式5及等式6中，发现分别提供于等式9及等式10中的V_{GS_HVT}及V_{GS_SVT}的以下表达式。

因为图1中的运算跨导放大器确保电压20及22相等，所以HVT晶体管4的栅极源极电压必须等于SVT晶体管6的栅极源极电压与固定电阻器14两端的电压降的总和(即，V_{GS_HVT}＝V_{GS_SVT}+V_R0)。因此电阻器14两端的电压V_R0表示为通过下文的等式11给出。

V_R0＝V_{GS_HVT}-V_{GS_SVT}

等式11

假定晶体管4、6两者的亚阈值斜率类似(即s_HVT≈s_SVT)，则通过等式12给出固定电阻器14两端的电压降V_R0。

这也可使用关系式在如下等式13中以对数形式予以表达。

将I₀替代为V_R0提供下文的等式14。

现假定HVT晶体管4与SVT晶体管6的长度相同。因为可变电阻器16经受固定晶体管14中的电流的经按比例调整版本，所以按等式15表达表示为V_REF的参考电压输出24。

图2展示随横跨典型操作范围的温度26而变的参考电压24的仿真曲线。自模拟可观测出，HVT晶体管4及SVT晶体管6的阈值电压之间的差值(即，)将随着温度减小，而如果对数项大于1，则第二项将随着温度增大。

图2内的迹线28展示这些效应中的每一个在相反极端处占主导地位，在温度在最小点30的任一侧变化时，参考电压24增大。

因此将看见，已描述电压参考电路。尽管已详细地描述特定实施例，但在本发明的范围内许多变化及修改是可能的。

Claims (12)

1.一种电压参考电路，其包含：

电压控制电流源；

第一参考金属氧化物半导体场效应晶体管，其具有第一阈值电压；

第二参考金属氧化物半导体场效应晶体管，其具有第二阈值电压，所述第二阈值电压不同于所述第一阈值电压；

电流镜；以及

负载，

其中所述电压控制电流源经布置以产生第一电流，所述第一电流与所述第一阈值电压与所述第二阈值电压之间的差值成比例，且所述电流镜经布置以产生第二电流以便产生参考电压，所述第二电流为穿过所述负载的所述第一电流的经按比例调整版本。

2.根据权利要求1所述的电压参考电路，其中所述电压控制电流源为运算跨导放大器。

3.根据权利要求1或2所述的电压参考电路，其中所述第一阈值电压大于所述第二阈值电压。

4.根据权利要求3所述的电压参考电路，其中所述第一阈值电压在300mV与800mV之间。

5.根据权利要求3或4所述的电压参考电路，其中所述第二阈值电压在200mV与700mV之间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电压参考电路，其中所述负载为电阻式。

7.根据权利要求6所述的电压参考电路，其中所述负载为可变电阻器。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电压参考电路，其中所述电流镜包含第一镜晶体管以及第二镜晶体管，所述镜晶体管经布置使得其各自栅极端子连接至共享栅电压。

9.根据权利要求10所述的电压参考电路，其中所述第一镜晶体管处于二极管连接配置。

10.根据权利要求8或9所述的电压参考电路，其中所述第二镜晶体管处于共源配置中。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的电压参考电路，其中所述第一镜晶体管具有第一宽度且所述第二镜晶体管具有第二宽度，其中所述第一宽度与所述第二宽度不同。

12.根据权利要求8至10中任一项所述的电压参考电路，其中所述第一宽度与所述第二宽度相同。