CN1202039A - 带隙参考电路和方法 - Google Patents

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Abstract

一个带隙参考电路(60)提供一个可选择的带隙参考电压,它基本上对一个工作的参考电路的诸温度变化不敏感。由在一个温度系数补偿晶体管(40)中的电流(I2)引起的一个最后的曲率等于一个有一个负温度系数的晶体管(18)的一个Vbe电压中的一个漂移加上一个有一个正温度系数的晶体管(20)的一个Vbe电压中的漂移减去温度系数补偿晶体管(40)的一个Vbe电压中的漂移。

Description

带隙参考电路和方法
本发明一般地涉及诸积分电路，特别是涉及一个产生一个带隙参考电压的积分电路。
诸电子电路，如诸蜂窝电话机，诸膝上型计算机，诸编码器/解码器和诸电压发生器，为了有效的工作需要一个稳定的精确的参考电压。然而，由于电路工作时发生温度的各种变化，诸参考电压不能保持恒定。一个称为带隙参考电压发生器的电路用来补偿诸参考电压对温度的依赖关系和提供一个恒定的参考电压。
典型地，一个带隙参考电压发生器必须提供一个参考电压，它在工作温度范围内的电压变化小于百分之一。这种参考电压发生器工作性能的一个指标是参考电压对温度的关系曲线的形状。这条曲线的特征是当温度增加时参考电压增加，一直达到一个转折温度为止，在这个转折温度，参考电压开始减小。这条曲线的曲率称为温度响应的特征弓。
一个普通的为产生带隙参考电压的技术是用诸薄膜电阻来产生参考电压。虽然诸薄膜电阻有一个在零附近的温度系数，它们要求诸附加的处理步骤，从而增加了集成电路的价格。
因此，有一个能够提供一个稳定和精确的参考电压的改进了的方法和电路是有利的。它的进一步的优点是能够补偿一个晶体管基极—发射极电压的温度系数的诸二级效应。此外，希望能提供一种廉价的带隙参考电压发生器，这种发生器和工作及处理特征中的诸变化无关。
图1是根据本发明的一个参考电压电路的简图。
图2是说明一些晶体管的基极—发射极电压温度漂移非线性的一组曲线图。
图3是根据本发明的一个调整的带隙参考电路的简图。
图4是说明根据本发明的曲率校正带隙参考电压的图。
一般地，本发明提供一个可选择的带隙参考电压，它对正在工作的参考电路的诸温度变化极不敏感。根据本发明的一个实施例，将一个有一个正温度系数的电流加到一个有一个负温度系数的电流上，产生一个有一个基本上为零的温度系数的电流。更特别的是，有负温度系数的电流也有诸二级非线性，可选择它们来补偿产生带隙参考电压的电流中的非线性。
图1是根据本发明的一个带隙参考电压电路10的简图。参考电压电路10由一个与绝对温度成正比(PTAT)的电流源12，一个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)28，一个电流镜电路34，一个晶体管40和晶体管42及44组成。特别是，PTAT电流源12包括一个有一端通常接到一个晶体管18的发射极端和一个电源端的电阻14，和这个电源端耦连是为了接受一个工作电位就象，例如地电位。电阻14的另一端连接到一个晶体管16的发射极端。晶体管16的基极端通常连接到晶体管18的集电极端和一个晶体管22的一个发射极端。晶体管18的基极端通常连接到晶体管16的集电极端和一个晶体管20的一个发射极端。晶体管20和22的诸基极端通常连接在一起并用作PTAT电流源12的一个输入端24。晶体管20和22的诸集电极端分别用作PTAT电流源12的输出端32和输入端26。如熟练的技术人员所知道的，一个晶体管的基极端也称为一个控制电极，而集电极端和发射极端也称为载流电极。带隙参考电压电路10可以用一个双极工艺规程，一个互补的金属氧化物半导体(CMOS)工艺规程，或者一个组合的双极和互补的金属氧化物半导体(BICMOS)工艺规程制造。
MOSFET28的栅极通常和电流镜电路34的输出端30及PTAT电流源12的输入端26连接。MOSFET28的源端接到PTAT电流源12的输入端24。MOSFET28的漏端接到一个电源端，和这个电源端耦连是为了接受一个工作电位就象，例如，Vcc。如熟练的技术人员所知道的，一个MOSFET的栅极也称为一个控制电极，而源端和漏端也称为载流电极。
此外，晶体管40的基极端和集电极端分别接到PTAT电流源12的输入端24和输出端32。晶体管40的发射极端接到电阻42的一端。电阻42的另一端通常接到电阻44的一端和一个电源端，和这个电源端耦连是为了接受一个工作电位就象，例如，地电位。电阻44的另一端用作参考电压电路10的输出端46。电流镜电路34有一个和一个接受工作电位Vcc的电源端相连接的端，一个通常接到晶体管20和40的诸集电极端的输入端36，和一个接到参考电压电路10的端46的输出端38。
应该注意电阻14，42和44是注入(implanted)电阻，但也可以是诸扩散电阻，诸分立电阻，诸薄膜电阻，诸金属膜电阻等。电阻的型式不是本发明的一个限制。然而，电阻14，42和44优先地是同一种电阻。应该注意电阻44能够由多个串联的电阻组成，以便为选择电压的一部分提供多个引出点，这个电压是作为端46的输出电压产生的。
图2是说明一些晶体管的基极—发射极电压温度漂移的非线性的一组曲线50。水平轴代表温度，单位是摄氏度(℃)，垂直轴代表基极—发射极结电压(Vbe)的电压漂移中的非线性，单位是毫伏(mv)。曲线20A，18A和40A表示在-55℃到+125℃的温度范围内。这些曲线有一个特征弓或者曲率，在那里电压漂移开始随温度在-55℃以上的增加而增加。在温度为，例如，约25℃处的电压漂移峰以后，电压漂移在数值上减少。曲率的大小依赖于流过晶体管40，18和20的诸基极—发射极结的电流的温度系数。
曲线20A说明在晶体管20的温度范围Vbe电压漂移的非线性。流过晶体管20的集电极电流I1正比于绝对温度(PTAT电流)并有一个正的温度系数。曲线18A说明在晶体管18的温度范围Vbe电压漂移的非线性。流过晶体管18的电流有一个温度系数，它等于晶体管44的温度系数的负值。曲线18A的曲率大于曲线20A的曲率。应该注意当有一个零温度系数的诸电阻用于这个电路时，流过晶体管18的电流也有一个零温度系数。曲线40A说明在晶体管40的温度范围Vbe电压漂移的非线性。流过晶体管40的电流有一个负温度系数，曲线40A的曲率大于曲线20A或18A的曲率。
一条画在曲线20A，18A和40A峰值处的水平线51是一条零参考线。在一个给定温度的电压漂移的非线性值作为一个在特定曲线上的Vbe电压漂移的非线性值和在水平线51上在同一个温度的值之间的差测量出来。作为一个例子，晶体管20在温度125℃的电压漂移的非线性值是曲线20A在温度+125℃的值和水平线51之间的电压差。
在工作中，带隙参考电压电路10提供曲率校正，使参考电压对温度的诸非线性减至最小。再次参照图1，PTAT电路12产生一个有一个正温度系数的输出电流I1。将电流I1加到一个有一个负温度系数的电流I2上，产生一个电流IR，将它传输到电流镜电路34的输入端36。电流IR被镜向映到电流镜电路34的输出端30和38。
优选地，电流I1和I2的温度***彼此抵消，所以从电流IR镜向映的电流IT在输出端46产生一个温度系数基本上为零的电压。将由电流镜电路34在输出端30产生的电流输入到PTAT电路12并将它确认为电流I0。电流I0正比于电流IR，其比例常数根据晶体管16，18，20和22的发射极面积确定。例如，通过选择晶体管18和22的发射极面积，使它们相同并为晶体管20的两倍，可将电流I0的值设定为电流IR值的一半。
电流I1给定为
I1＝(VT *In(n))/R14其中：
VT是热电压kT/q；
k是玻尔兹曼常数；
q是电子电荷；
T是绝对温度(单位为K)；
n是晶体管16的发射极面积和晶体管20的发射极面积之比；和
R14是电阻14的电阻值。
电流I2给定为：
I2＝(Vbe18+Vbe20-Vbe40)/R42其中：
Vbe18是晶体管18的基极—发射极电压；
Vbe20是晶体管20的基极—发射极电压；
Vbe40是晶体管40的基极—发射极电压；和
R42是晶体管42的电阻值。
一个双极晶体管的Vbe依赖于用于制造晶体管的基片制造工艺和在晶体管中流动的电流的温度系数。本发明通过设定加在电阻42两端上的一个电压，减少电流I2的温度变化的非线性，在电阻42中晶体管18，20和40的由温度产生的诸Vbe的变化已经被补偿了。设定加在电阻42两端上的电压，使它等于晶体管18和20的诸Vbe电压之和减去晶体管40的Vbe电压。这样，电流I2的曲率等于晶体管18的Vbe中的电压漂移非线性的曲率加上晶体管20的Vbe中的电压漂移非线性的曲率减去晶体管40的Vbe中的电压漂移非线性的曲率。例如，在一个选择的温度，晶体管18，20和40的Vbe的电压漂移值的大小表示为水平直线51和曲线52上的一个值之间的差，曲线52上的这个值是下列三个数值之和：在选择的温度，(1)水平直线51和晶体管18的Vbe的电压漂移值之间的差，(2)水平直线51和晶体管20的Vbe的电压漂移值之间的差，(3)水平直线51和晶体管40的Vbe的电压漂移值之间的差。
应该注意只要晶体管18和22有相等的发射极面积，电流I1不受电流I0大小的影响。然而，电流I0的大小包括确实影响电流I2的线性和非线性两者的温度变化。特别是，电流I0的诸非线性成分改变晶体管18，20和40的诸基极-发射极电压，就象它们在一个温度范围上漂移。简略地参照图2，晶体管18，20和40的诸基极—发射极电压漂移的非线性如图所示。晶体管18，20和40的诸基极—发射极电压的漂移有类似于图2所示的一个弓形非线性特征。非线性漂移的量依赖于流过每一个晶体管的电流的温度特征。电流I2的曲率依赖于晶体管18和20的曲率之和减去晶体管40的曲率。应该注意电流I2的曲率正比于Vbe18和Vbe20之和减去Vbe40。这样，晶体管40的Vbe电压的曲率可以通过适当选择电流I0予以补偿。如此选择电流I0使得在一个特定的温度，晶体管18和20的诸基极—发射极电压之和减去晶体管40的基极—发射极电压基本上是恒定的。
将由电流镜电路34在输出端38产生的电流输入到电阻44，以便在输出端46产生一个有一个基本上为零的温度系数的带隙参考电压。
图3是根据本发明一个调整的带隙参考电路60的简图。应该注意在诸图中用的同样的诸参照数字表示同样的诸元件。调整的带隙参考电路60由PTAT电流源12，一个β补偿电路61，一个晶体管40，一个MOSFET84，晶体管42和44，一个电流镜电路34和一个参考电压调整电路90组成。进一步应该注意到β是一个晶体管的电流增益，并定义为集电极电流和基极电流之比，即，(β)＝IC/IB。β补偿电路61包括NPN晶体管62，64和68，和一个MOSFET66。特别是，晶体管62的发射极端连接到一个电源端，和这个电源端耦连是为了接受一个电源电位就象，例如，地电位。晶体管62和64是二极管连接的。换句话说，晶体管62的基极和集电极端通常是彼此连接的并接到晶体管64的发射极端。晶体管64的基极和集电极端通常是彼此连接的并接到MOSFET66的源和PTAT电流源12的输入端24。这样，输入端24通过两个二极管耦连到参考地电位，即，晶体管62和64的诸基极—发射极结。将MOSFET66的栅极连接到PTAT电流源12的输入端26。将MOSFET66的漏端连接到晶体管68的发射极端。晶体管68的基极端通常连接到PTAT电流源12的输出端32和电流镜电路34的输入端36。晶体管68的集电极端连接到一个电源端，和这个电源端耦连是为了接受一个工作电位，就象，例如，Vcc。
电流镜电路34有一个输出端38，它连接到MOSFET84的源端。将MOSFET84的一个栅极用作端85，MOSFET84的一个漏端连接到电阻44的一个端。电阻44的另一个端连接到一个电源端，和这个电源端耦连是为了接受，例如，一个地电位。在端85的信号是从电流镜电路34提供的，并且是对于MOSFET84，96和100的诸栅极的一个电压偏压。
电压参考调整电路90由一个缓冲电路92和电流操纵电路94组成。缓冲电路92有一个输入端，它用作电流操纵电路94的一个输入端，并和结点86连接。缓冲电路92的输出端用作电流操纵电路94的输出端，并和作为调整带隙参考电路60的输出端的端104连接。保险丝98的一端和保险丝102的一端都接到缓冲电路92的输出端。保险丝98的另一端接到MOSFET96的漏端和保险丝102的另一端接到MOSFET100的漏端。MOSFET96和100的诸源端通常彼此连接，并接到MOSFET84的源端。应该注意附加的MOSFET和保险丝的诸组合可以和MOSFET96和100以及保险丝98和102并联。在电流操纵电路94中的MOSFET和保险丝的诸组合的数目不是本发明的一个限制。
图4是说明曲率校正带隙参考电压的一组曲线110。水平轴代表温度，单位是摄氏度(℃)，垂直轴代表在结点86和104的参考电压(请见图3)，单位是伏(V)。曲线112，114和116表示，当在调整的带隙参考电路60中的所有的晶体管16-22，62，64，68和40有其值约为400，250或100中一个的诸β值时，参考电压随温度的诸种变化。
在工作中，晶体管68将基极电流注入晶体管20和40，以便补偿诸晶体管的β变化。当经过处理，诸β对于诸晶体管就象，例如，晶体管20和40，减少时，诸晶体管需要较大的基极电流，以便将集电极电流提供给诸晶体管。将晶体管68中的基极电流加到晶体管20和40的诸集电极电流上，然后将它们馈送入电流镜电路34。然而，应该注意当晶体管68的基极电流和晶体管20和40的诸基极电流匹配时，发生基极电流的完全抵消，而曲率并未被最小化。我们优选晶体管68的基极电流小于晶体管20和40的诸基极电流。
晶体管22中的电流I0选择得使在结点86的参考电压中的曲率或非线性最小化。作为一个例子，可以选择电流I0使它有约为(I1+I2)/2的一个值。另一方面，选择晶体管68的电流I3，使它通过提供一个足以补偿晶体管20和40的基极电流的基极电流，对于晶体管β的变化进行调整。作为一个例子，选择电流I3使它有约等于电流I0和电流I1的乘积的二分之一的平方根，即， ( I 0 * I 1 ) / 2 .
晶体管68和84及参考电压调整电路90提供一种能取消改变晶体管β的诸工艺规程差异的修正。图4说明调整的带隙参考电路60提供在结点86的一个参考电压，它基本上有和对于诸不同的晶体管的β随温度变化的相同形状。调整电路90提供一个偏移校正电流，它修正在调整参考电压大小中的通过电阻44流动的电流大小。将诸复合MOSFET就象，例如，MOSFET96和100，根据诸几何的栅极宽度和长度两元加权。保险丝98和102允许通常分别流过MOSFET96和100到缓冲电路92中的一个地电位的电流改变方向并流过调整晶体管MOSFET84和电阻44。例如，可用探头上的一个电流脉冲断开保险丝98和102，使通常流过这些保险丝的电流改变方向流入MOSFET84和电阻44，使结点86处的参考电压上升。缓冲电路92提供一个高阻抗的输入和为在端104处的参考电压值提供一个缓冲输出。此外，缓冲电路92允许诸MOSFET就象，例如，MOSFET96和100有一个共同的漏电压，当诸MOSFET的门面积被按二元(binary)加权时，这个漏电压提供精确的电流度量。通过选择地断开诸连接，如保险丝98和102，调整的带隙参考电路60能使端104处的输出参考电压上升，并为调整的带隙参考电路60的诸晶体管的β值中的变化提供校正。
至此，我们应该认识到本发明的电路和方法提供一个稳定的和精确的参考电位。调整的带隙参考电路基本上消除了对于一个晶体管基极—发射极电位的温度系数的二级效应。调整的带隙参考电路进一步提供一个廉价的和工作及工艺特征中的诸多变化无关的参考电位。

Claims (10)

1.一个带隙参考电路，其特征是：
一个正比于绝对温度(PTAT)的电流源，它有一个第一输入端，一个第二输入端和一个输出端；
一个第一晶体管有一个控制电极，一个第一载流电极，一个第二载流电极，其中第一晶体管的控制电极耦连到PTAT电流源的第二输入端，并且第一晶体管的第一载流电极耦连到PTAT电流源的第一输入端；
一个电流镜电路，它有一个第一端和一个第二端，其中电流镜电路的第一端耦连到第一晶体管的控制电极，电流镜电路的第二端耦连到PTAT电流源的输出端。
第二晶体管有一个控制电极，一个第一载流电极，一个第二载流电极，其中第二晶体管的控制电极耦连到PTAT电流源的第一输入端，并且第二晶体管的第二载流电极耦连到PTAT电流源的输出端；
2.权利要求1的带隙参考电路，其进一步的特征是：一个第三晶体管有一个控制电极，一个第一载流电极，一个第二载流电极，其中第三晶体管的控制电极耦连到电流镜电路的第二端，并且第三晶体管的第一载流电极耦连到第一晶体管的第二载流电极；
3.权利要求1的带隙参考电路，其进一步的特征是：一个第一晶体管有一个耦连到第二晶体管的第一载流电极的端；
4.权利要求3的带隙参考电路，其进一步的特征是：一个第二晶体管有一个耦连到电流镜电路第三端，以便提供一个参考电压输出的第一端；
5.权利要求1的带隙参考电路，其中PTAT电流源进一步的特征是：
一个第一电流源晶体管有一个控制电极，一个第一载流电极，和一个第二载流电极；
一个第二电流源晶体管有一个控制电极，一个第一载流电极，一个第二载流电极，其中第二电流源晶体管的第二载流电极用作PTAT电流源的第二输入端，和第二电流源晶体管的第一载流电极耦连到第一电流源晶体管的第二载流电极；
一个第三电流源晶体管有一个控制电极，一个第一载流电极，一个第二载流电极，其中第三电流源晶体管的控制电极耦连到第二电流源晶体管的控制电极，并用作PTAT电流源的第一输入端，第三电流源晶体管的第二载流电极用作PTAT电流源的输入端，第三电流源晶体管的第一载流电极耦连到第一电流源晶体管的控制电极；
一个第四电流源晶体管有一个控制电极，一个第一载流电极，一个第二载流电极，其中第四电流源晶体管的控制电极耦连到第二电流源晶体管的第一载流电极，和第四电流源晶体管的第二载流电极耦连到第三电流源晶体管的第一载流电极；和
一个第三电阻有一个第一端，它和第四电流源晶体管的第一载流电极耦连，及一个第二端，它和第一电流源晶体管的第一载流电极耦连。
6.权利要求5的带隙参考电路，其进一步的特征是：
一个与第一二极管连接的晶体管有一个控制电极，一个第一载流电极，一个第二载流电极，其中与第一二极管连接的晶体管的控制电极耦连到与第一二极管连接的晶体管的第二载流电极和PTAT电流源的第一输入端；和
一个与第二二极管连接的晶体管有一个控制电极，一个第一载流电极，一个第二载流电极，其中与第二二极管连接的晶体管的控制电极耦连到与第二二极管连接的晶体管的第二载流电极和与第一二极管连接的晶体管的第一载流电极。
7.用于产生一个带隙参考电压的方法，其特征在于下列步骤：
使一个第一晶体管工作在一个第一电流，这个第一电流有一个正的温度系数并产生一个加在第一晶体管的一个结上第一电压；
使一个第二晶体管工作在一个第二电流，这个第二电流有一个负的温度系数并产生一个加在第二晶体管的一个结上第二电压；
使一个第三晶体管工作在一个第三电流，这个第三电流有一个温度系数，它等于一个电阻的一个温度系数的一个负值；和
根据一个第四电流产生带隙参考电压，第四电流在电阻中流动并且是第一电流和第二电流之和。
8.权利要求9的方法，其进一步的特征在于从将加在第一晶体管的结上的电压和加在第三晶体管的结上的电压相加得到的一个电压减去加在第二晶体管的结上的电压的步骤。
9.权利要求9的方法，其进一步包括将第三电流设定在第一电流与第三电流的和的约一半的一个值上。
10.一个补偿一个带隙参考电压的一个幅值的方法，其特征在于下列步骤：
提供一个第一晶体管和保险丝组合；
使来自第一晶体管和保险丝组合的一个电流流入一个缓冲电路；和
使来自第一晶体管和保险丝组合的电流改变方向流过一个电阻，以便当在第一晶体管和保险丝组合中的一个第一保险丝断开时增加带隙参考电压的幅值。
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